CN110017920B - 一种固液混合单向力监测装置及监测方法 - Google Patents

一种固液混合单向力监测装置及监测方法 Download PDF

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    • G01L1/02Measuring force or stress, in general by hydraulic or pneumatic means

Abstract

本发明公开了一种固液混合单向力监测装置及监测方法。该装置包括上、下壳体、承载体、反光层、变色环、偏振片、导向圆筒;上、下壳体具有相同结构,为饼状圆环结构,壳体内侧壁设有向内的一层环形凹槽,凹槽内设有弹性垫,上、下壳体分别将具有弹性垫一侧安装在承载体上下表面,使得弹性垫被封闭在由壳体和承载体及密封环形成的封闭腔内;承载体为内部空心的圆筒结构,承载体及上下壳体外设有导向圆筒,导向圆筒的筒壁上设有孔,用于将导向圆筒内外连通;导向圆筒外部为环状的变色环,上、下壳体、承载体、导向圆筒及变色环形成一个密闭容腔,其内灌充硅油或酒精;变色环内侧设有一圈反光层,外侧贴有偏振片。本发明大大提高工程设施的安全性能。

Description

一种固液混合单向力监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及一种固液混合单向力监测装置及监测方法,属于传感技术领域。
背景技术
工程中存在许多需要监测或显示单向力的场合,例如重要场合的螺栓紧固力,岩石工程中锚杆或锚索的轴向力。以岩土工程中的锚杆支护为例,锚杆的轴向力是一种单向力,但由于施工条件恶劣及锚杆工作状态复杂,导致对锚杆轴力监测有限,从而引发冒顶等安全事故,这将会造成巨大的经济损失和人员伤亡。所以及时对锚杆支护质量进行检测,测试出这些力对锚杆支护工程的正常维护和矿井安全生产具有十分重要的意义。
传统的单向力监测装置分为两类。一种使用电源,如应变片,利用锚杆的应变来监测锚杆的应力,但由于需要电源,安全管理复杂,给巷道的管理带来极大的安全隐患。另一类不需要电源,有液压式、压感纸式,液压式是由液压压力盒和压力表组成,通过观察压力表的值来显示载荷,但无法满足工程需要的远距离观测;压感纸式是通过压痕的长度来判断轴向力,但是周向分布的压感纸颜色长度不一,很难辨别;还有中国发明专利CN105067169A公开了一种通过共振板听取声音的大小与频率来辨别轴向力的大小,中国发明专利
CN105067170A公开了一种通过锤击法根据不同频率的声音来判断轴向力的大小,但该方法对人员要求较高;中国实用新型专利CN203452813U公开了一种锚杆预紧力检测装置,通过高强弹簧的位移来判断轴向力,但由于位移太小,直接通过肉眼观察变形程度来判断锚杆轴向力非常困难。
因此,需要一种结构简单可靠、无需电源、适合大规模安装使用的监测装置。
中国发明专利CN105675201A公开了一种由显示机构和均载装置组成,通过将均载装置产生的均匀压力作用到显色装置上,显示不同颜色来表明单向力的装置;该装置采用液体薄垫来实现均载,从而实现显示颜色的同一性,然而该装置具有以下缺点,导致实施后难以推广:(1)载荷分两部分并行传递,一路液体9和变色环8,一路承载体10,由于液体9和变色环8的热膨胀系数大于承载体10热膨胀系数,所以在环境温度变化时该装置出现温度变化导致颜色变化的问题,无法满足工程需要;(2)为解决上述热膨胀导致温度变化问题,液体9采用微量液体,以控制其膨胀量,然而,在发生偏载时,壳体1容易与变色环8发生接触,从而导致均载效果失效,理论和试验证明,采用微量液体无法同时控制热膨胀导致的颜色指示错误和壳体1与变色环8接触两个问题。
中国发明专利CN105547541A公开了一种由上下壳体、承载体、显色机构组成,通过显色装置将承载体产生的压力转化为不同的颜色来判断单向力的装置;该装置存在以下缺点:(1)在发生偏载时,颜色均匀性差,虽然采用了弹性垫,但由于其内摩擦,导致无法实现良好的均载效果,导致承载体变形不均,从而导致变色环受力不均,结果显示颜色不均;(2)在变色环与承载体的装配过程中,其装配间隙严重影响显示颜色与载荷的关系,从而对变色环与承载体的加工精度提出了很高要求,同时加工粗糙度也影响着颜色的均匀性,若采用提高加工精度的方法解决,则导致常规加工方法无法满足要求。
中国发明专利CN106768599A公开了一种由上下端盖、承载管、显色机构组成,将承载管受液体压力所产生的压力通过显色机构转化为不同颜色,通过观察不同颜色来监测液压支架的压力。但该装置只能监测液体压力,但该专利也提供了一种思路,即:采用液体作用于变色装置,可以很好地解决显示颜色均匀问题。然而,要将该思路应用于单向力检测需要解决以下若干问题:(1)如何将力变化转化为液体压力变化;(2)液体热膨胀导致的压力变化问题;(3)偏载时,需要机构保护装置,因为液体无法提供导向功能,即该专利只监测液体压力,无偏载问题,所以无法借鉴。
发明内容
本发明旨在提供一种固液混合单向力监测装置及监测方法,通过安装该装置,可以实现人人均能检测工程设施安全,大大提高工程设施的安全性能。
本发明是由承载机构与显色装置组成的单向力监测装置,将承载机构产生的压力转化为液体压力,通过显色机构将液体压力转化为不同的颜色,再通过观察颜色来判断单向力的大小。将监测装置安装于螺母与固定件之间,当螺母拧紧后,锚杆或螺栓受拉力,整个装置受到压力,压力作用于上、下壳体,再传导到弹性垫上,从而比较均匀地传递到承载体上,承载体受到上、下壳体的压力,在此压力载荷下,产生沿径向向外的膨胀,导致液体容腔容积减小,从而导致液体压力升高,进一步,导致变色环产生周向拉应力,根据双折射原理,偏振光穿过变色环后产生两束折射光,这两束折射光经过反射层反射后再次穿过变色环后进行干涉,显示不同的颜色,这样,不同力显示了不同的颜色,从而通过观察颜色可以判断单向力的大小。
本发明提供了一种固液混合单向力监测装置,包括上、下壳体、承载体、反光层、变色环、偏振片、导向圆筒;所述上、下壳体具有相同结构,为饼状圆环结构,壳体内侧壁设有向内的一层环形凹槽,凹槽内设有弹性垫,上、下壳体分别将具有弹性垫一侧安装在承载体上下表面,使得弹性垫被封闭在由壳体和承载体及密封环形成的封闭腔内;承载体为内部空心的圆筒结构,承载体及上下壳体外设有导向圆筒,导向圆筒的筒壁上设有孔,用于将导向圆筒内外连通;导向圆筒外部为环状的变色环,并在上下壳体与导向圆筒之间设有采用O形圈的内密封圈,变色环与导向圆筒之间设有采用O形圈的外密封圈;上、下壳体、承载体、导向圆筒及变色环形成一个密闭容腔,在该容腔内灌充硅油或酒精;变色环内侧设有一圈反光层,外侧贴有偏振片。
导向圆筒为圆环形结构,其上下边缘处分别设有螺纹,导向圆筒的中部外侧设有安装O形圈的沟槽;在导向圆筒上、下螺纹处分别连接上、下圆环的螺母,用于固定密封圈。
上述装置中,所述上、下壳体、导向圆筒、上、下圆环螺母由钢制材料制成,所述钢制材料为45#、20Cr等。
上述装置中,所述壳体和导向圆筒之间设有内密封圈,内密封圈分为上、下密封圈,分别位于上、下壳体外壁的沟槽内。
上述装置中,所述弹性垫为内部空心的圆环结构,弹性垫与承载体接触的内、外端通过密封环进行密封;密封环共设有四条,分别位于承载体上、下面的内、外环。
上述装置中,承载体根据变形量选择弹性材料,承载体选用的弹性材料为环氧树脂、聚砜中的一种,弹性垫选用弹性材料,如聚氨酯、橡胶、硅胶中的一种。
上述装置中,所述反光层为圆环形薄膜,所述变色环选用环氧树脂或聚碳酸酯材料;变色环具有双折射效应,由偏振片、反光层和变色环的共同作用产生。当观测者的普通灯光通过偏振片后形成偏振光,由于变色环具有双折射效应,该偏振光穿过变色环后产生两束折射光,这两束折射光经过反射层反射后再次穿过变色环后进行干涉,显示不同的颜色。
上述装置中,导向圆筒和变色环之间设有外密封圈,外密封圈包括上下两道密封圈,外密封圈分别通过挡圈由上下两个圆环螺母提供推力进行固定。
本发明提供了一种采用上述单向力监测装置进行监测的方法,包括以下步骤:
将监测装置安装于螺母与固定件之间,当螺母拧紧后,锚杆或螺栓受拉力,整个装置受到压力,压力作用于上、下壳体,再传导到弹性垫上,从而比较均匀地传递到承载体上,承载体受到上、下壳体的压力,在此压力载荷下,产生沿径向向外的膨胀,作用到液体上,产生液体压力,导致变色环产生周向拉应力,从而显示不同的颜色。
当偏载时,上、下壳体由于导向圆筒的导向作用,上、下壳体仅能在其与导向圆筒间隙允许范围内发生歪斜,该歪斜程度可以通过导向圆筒与上、下壳体配合间歇控制;同时,在导向圆筒和上、下壳体上设置配合阶梯形结构,当由于不可预知的大偏载发生时,壳体歪斜可能导致导向筒变形,可以通过导向圆筒的阶梯形结构控制上下壳体的歪斜。
由于变色环、承载体采用的材料和液体热膨胀系数接近,因此,解决了热膨胀导致颜色变化问题。
进一步地,螺栓或锚杆的直径为Φ22mm,破断力为320KN锚杆时,由于受到围岩变形的影响,锚杆轴力产生变化,采用本发明传感器产生如下变化:
锚杆力0KN,无色;
锚杆力0~64KN,从无色渐变为淡黄色;
锚杆力64~96KN,从淡黄色渐变为深黄色;
锚杆力96~128KN,从深黄色渐变为紫红色;
锚杆力128~160KN,从紫红色渐变为蓝色;
锚杆力160~224KN,从蓝色渐变为白色;
锚杆力224~256KN,从白色渐变为金黄色;
锚杆力256~320KN,从金黄色渐变为粉红色。
本发明的有益效果:
(1)本发明的实施,可以很好地解决该类传感器颜色均匀性问题,同时对发生的偏载有了有效的控制。
(2)本发明实现了锚杆力原位变色显示,即传感器颜色可根据锚杆力的大小而发生改变,不同的锚杆力对应不同的颜色,再加上传感器具有增强反光效果,可以通过头灯或其他光源实现远距离高效观测,这样利于该传感器能够对整个锚固工程海量布点监测,无需维护管理,无需专人点检,人人均可成为点检员,对锚杆支护工程的施工质量管理和安全生产具有十分重要的意义。
(3)锚杆支护质量的监测,对锚杆支护的正常维护和矿井安全生产具有十分重要的意义:锚杆力监测用于监视监测围岩应力,避免顶板(围岩)塌方冒顶且提供顶板支护参数,为巷道布置支护设计,顶板安全监测提供可靠的技术参数;同时为煤矿工程技术人员和监测人员提供确定锚杆的长度和抗拉强度,了解所使用的锚杆,锚索的合理性、经济性而需要的科学依据,从而有效的防止顶板塌落事故的发生,确保煤矿安全生产。
附图说明
图1为单向力监测装置结构示意图。
图2为承载体受力模型图。
图3为变色环受力模型图。
图4为变色环双折射模型图。
图5为下壳体的立体剖视图。
图6为导向圆筒的立体图。
图中:1为壳体,2为弹性垫,3为承载体,4为反光层,5为变色环,6为内密封圈,7为偏振片,8为密封环,9为外密封圈,10为挡圈,11为导向圆筒,12为圆环螺母,13为螺母,14为固定件,15为锚杆。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明,但不局限于以下实施例。
实施例1:
本发明提供了一种固液混合单向力监测装置,如图1~5所示,该装置包括壳体1,壳体包括上壳体和下壳体,上、下壳体具有相同结构,为饼状圆环结构,壳体内侧壁设有向内的一层环形凹槽,凹槽内设有弹性垫2,上、下壳体分别将具有弹性垫2一侧安装在承载体3上下表面,使得弹性垫2被封闭在由壳体和承载体及密封环8形成的封闭腔内;承载体3为内部空心的圆筒结构,承载体3及上下壳体1外设有导向圆筒11,导向圆筒11的筒壁上设有孔,用于将导向圆筒内外连通;导向圆筒11外部为环状的变色环5,并在上下壳体1与导向圆筒11之间设有采用O形圈的内密封圈6,、变色环5与导向圆筒11之间设有采用O形圈的外密封圈9,这样,上、下壳体1、承载体3、导向圆筒11及变色环5形成一个密闭容腔,在该容腔内灌充硅油或酒精等液体。变色环内侧设有一圈反光层4,外侧贴有偏振片7。在导向圆筒11上、下螺纹处分别连接上、下圆环螺母12,用于固定外密封圈9。在导向圆筒内侧端部设有台阶,用于控制壳体的歪斜量。
上述装置中,所述壳体1,导向圆筒11,圆环螺母12由钢制材料制成,如45#、20Cr等。
上述装置中,所述壳体1和导向圆筒11之间设有内密封圈6,内密封圈包括上、下密封圈。
上述装置中,所述液体为硅油或酒精。
上述装置中,所述弹性垫2为内部空心的圆柱结构,弹性垫2与承载体3接触端通过密封环8进行密封。密封环共设有四条,分别位于承载体上、下面的内、外环。
上述装置中,承载体3根据变形量选择弹性材料,承载体3选用的弹性材料为环氧树脂,聚碸中的一种,弹性垫2选用弹性材料,如聚氨酯、橡胶、硅胶。
上述装置中,所述反光层4为圆环形薄膜,所述变色环5选用环氧树脂或聚碳酸酯材料;变色环5具有双折射效应,由偏振片7、反光层4和变色环5的共同作用产生。
上述装置中圆环螺母12,导向圆筒11和变色环5之间设有外密封圈9;外密封圈9包括上,下密封圈,挡圈10包括上、下挡圈。外密封圈9分别通过挡圈10由上下两个圆环螺母12提供推力进行固定。
上述装置中,导向圆筒11内侧端部设有台阶,用于控制壳体1在偏载情况下的大歪斜量,导向圆筒11内部用于导向上下壳体1的移动,控制壳体1在偏载情况下的小歪斜量。
上述单向力监测装置的监测方法:将上述装置安装于螺母13和固定件14之间,套在锚杆15或螺栓外侧,当用螺母拧紧后,锚杆15或螺栓受拉力,整个装置受到压力,压力作用于上下壳体1上,再传导到弹性垫2上,从而均匀地传递到承载体3上,承载体3受到上、下的压力,在此压力载荷下,产生沿径向膨胀,作用到液体上,产生液体压力,导致变色环5产生周向拉应力。
根据力学模型,不同的液体压力会导致显色材料产生不同的周向拉应力,进而导致不同的颜色,从而实现液体压力的颜色指示。
受力分析如下:
力的关系通过图2分析:
Figure BDA0002043609010000061
F:螺栓或锚杆力
S:承载体面积
根据弹性力学,承载体径向膨胀量
Figure BDA0002043609010000062
其中r1:承载体半径
εr:径向应变
E1:承载体弹性模量
u:承载体泊松比
p2:液体压力
变色环力学模型如图3所示,根据弹性力学,变色环径向膨胀量
Figure BDA0002043609010000063
E2:为显色材料弹性模量
r2:变色环半径
在受载过程中,变色环与承载体之间有液体相隔,根据液体不可压缩性,因此
△V1=△V2 (4)
承载体体积膨胀量
△V1=2πr1h1△r1+πh1△r1 2 (5)
其中h1为承载体高度
变色环体积膨胀量
△V2=2πr2h2△r2+πh2△r2 2
其中h2为变色环高度 (6)
将(4)(5)(6)式联立,忽略承载体,变色环高阶小量,因此
Figure BDA0002043609010000071
将(2)、(3)(7)式联立得
Figure BDA0002043609010000072
又根据变色环受力平衡有
Figure BDA0002043609010000073
其中σ:显色材料周向应力;
δ:显色材料壁厚。
将(1)式同(8)(9)式联立得:
Figure BDA0002043609010000074
由式(10)可以看出显色材料周向应力σ正比于传感器压力p1,因此σ可以作为p1的观测量。
变色环5具有双折射效应,原理如图4所示,当有光线从外部照射通过偏振片7后形成平面偏振光FP,进入变色环内部,FP经变色环双折射作用而形成两个和主应力相关的偏振光矢量F1和F2,这两个光矢量到达反光层4后,又沿原路返回,穿过变色环到达人眼,这两个矢量由于由同一光源产生,从而产生干涉,导致不同颜色条纹的变化。该变化规律符合:
Figure BDA0002043609010000075
其中α:两光矢量的相位差(不同的相位差代表不同的颜色);
λ:光线波长;
c:材料常数;
d:显色材料厚度;
σ1:第一主应力;
σ2:第二主应力(由于显色材料约束条件可知σ2=0)。
所以式(9)可表示为:
Figure BDA0002043609010000081
此模型中显色材料周向应力即为第一主应力,即σ=σ1,由上述式(11)和(12)可以看出,不同液体压力会导致不同的应力,进而导致不同的颜色,从而实现力的颜色指示。
不同规格的螺栓或锚杆配不同的显色装置,可以实现以下归一化的颜色读数,锚杆破断力为Φ22mm,破断力320KN锚杆(图1中所示15所示)为例,由于受到围岩变形的影响,锚杆轴力产生变化,采用本发明传感器产生如下变化:
锚杆力0KN,无色;
锚杆力0~64KN,从无色渐变为淡黄色;
锚杆力64~96KN,从淡黄色渐变为深黄色;
锚杆力96~128KN,从深黄色渐变为紫红色;
锚杆力128~160KN,从紫红色渐变为蓝色;
锚杆力160~224KN,从蓝色渐变为白色;
锚杆力224~256KN,从白色渐变为金黄色;
锚杆力256~320KN,从金黄色渐变为粉红色;
据此,观察员可以根据不同颜色判断锚杆力的变化,从而提出相应的维护方法,实现巷道的安全运行。

Claims (9)

1.一种固液混合单向力监测装置,其特征在于:包括上、下壳体、承载体、反光层、变色环、偏振片、导向圆筒;所述上、下壳体具有相同结构,为饼状圆环结构,壳体内侧壁设有向内的一层环形凹槽, 凹槽内设有弹性垫,上、下壳体分别将具有弹性垫一侧安装在承载体上下表面,使得弹性垫被封闭在由壳体和承载体及密封环形成的封闭腔内;承载体为内部空心的圆筒结构, 承载体及上下壳体外设有导向圆筒,导向圆筒的筒壁上设有孔,用于将导向圆筒内外连通;导向圆筒外部为环状的变色环,并在上下壳体与导向圆筒之间设有采用O形圈的内密封圈,变色环与导向圆筒之间设有采用O形圈的外密封圈;上、下壳体、承载体、导向圆筒及变色环形成一个密闭容腔,在该容腔内灌充硅油或酒精;变色环内侧设有一圈反光层,外侧贴有偏振片;
导向圆筒为圆环形结构,其上下边缘处分别设有螺纹,导向圆筒的中部外侧设有安装O形圈的沟槽;在导向圆筒上、下螺纹处分别连接上、下圆环的螺母,用于固定密封圈;
所述弹性垫为内部空心的圆环结构,弹性垫采用与承载体接触的内、外环面通过密封环进行密封;密封环共设有四条,分别位于承载体上、下面的内、外环;弹性垫为聚氨酯、橡胶、硅胶中的一种。
2.根据权利要求1所述的固液混合单向力监测装置,其特征在于:所述壳体和导向圆筒之间设有内密封圈,内密封圈分为上、下密封圈,分别位于上、下壳体外壁的槽内。
3.根据权利要求1所述的固液混合单向力监测装置,其特征在于:所述上、下壳体、导向圆筒、上、下圆环螺母由钢制材料制成,承载体根据变形量选择弹性材料。
4.根据权利要求3所述的固液混合单向力监测装置,其特征在于:所述钢制材料为45#或20Cr;承载体选用的弹性材料为聚砜、环氧树脂中的一种。
5.根据权利要求1所述的固液混合单向力监测装置,其特征在于:所述反光层为圆环形薄膜;所述变色环选用环氧树脂或聚碳酸酯材料。
6.根据权利要求1所述的固液混合单向力监测装置,其特征在于:导向圆筒和变色环之间设有外密封圈,外密封圈包括上下两道密封圈,外密封圈分别通过挡圈由上下两个圆环螺母提供推力进行固定。
7.一种固液混合单向力监测方法,采用权利要求1~6任一项所述的固液混合单向力监测装置,其特征在于包括以下步骤:
将监测装置安装于螺母与固定件之间,当螺母拧紧后,锚杆或螺栓受拉力,整个装置受到压力,压力作用于上、下壳体,再传导到弹性垫上,从而比较均匀地传递到承载体上,承载体受到上、下壳体的压力,在此压力载荷下,产生沿径向向外的膨胀,作用到液体上,产生液体压力,导致变色环产生周向拉应力,从而显示不同的颜色。
8.根据权利要求7所述的固液混合单向力监测方法,其特征在于:当偏载时,上、下壳体由于导向圆筒的导向作用,上、下壳体仅能在其与导向圆筒间隙允许范围内发生歪斜,该歪斜程度通过导向圆筒与上、下壳体配合间隙控制;同时,在导向圆筒和上、下壳体上设置配合阶梯形结构,当由于不可预知的大偏载发生时,壳体歪斜可能导致导向筒变形,可以通过导向圆筒的阶梯形结构控制上下壳体的歪斜。
9.根据权利要求7所述的固液混合单向力监测方法,其特征在于:螺栓或锚杆的直径为Φ22mm,破断力为320KN锚杆时,监测装置产生如下变化:
锚杆力0KN,无色;
锚杆力0 ~ 64KN,从无色渐变为淡黄色;
锚杆力64 ~ 96KN,从淡黄色渐变为深黄色;
锚杆力96 ~ 128KN,从深黄色渐变为紫红色;
锚杆力128 ~ 160KN,从紫红色渐变为蓝色;
锚杆力160 ~ 224KN,从蓝色渐变为白色;
锚杆力224 ~ 256KN,从白色渐变为金黄色;
锚杆力256 ~ 320KN,从金黄色渐变为粉红色。
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