CN110206077A - 一种风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海上风电基础技术领域，公开了一种风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置，包括填充有地基土的模型箱，模型箱上部通过横向固定滑道和纵向固定滑道安装有加载架，模型箱的地基土中安装有基础模型，基础模型顶部连接有加载杆，加载杆向上延伸至加载架内部；加载架安装有竖向伺服电动缸、水平伺服电动缸、转盘电机、加载转盘，能够通过加载杆实现对基础模型的多向水平加载和竖向加载。本发明能够实现对基础多向水平单调及循环荷载控制，可对实际工程中基础设计进行指导。本发明的装置既可以进行水平加载试验，同时也可以进行竖向加载试验，提高了加载装置的利用率。

Description

一种风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置

技术领域

本发明属于海上风电基础技术领域，具体的说，是涉及一种用于海上风电基础的多向承载力模型试验装置。

背景技术

随着经济的发展、社会的进步，人们对环境保护的意识日益增强，同时传统能源的枯竭，迫使能源的发展向可再生能源发展，风能是一种目前应用较广的绿色能源，主要应用形式有陆上风电和近海风电两种形式。海上风电基础主要有重力式基础，桩基础，筒型基础等多种基础形式，由于风荷载具有多向性，特定区域的风荷载方向及荷载大小常以风玫瑰图的形式呈现。然而，目前在基础设计时多数仅考虑单一方向荷载，此种方法容易造成一方面荷载值取值较大，设计偏于保守，造成材料浪费和成本增加；另一方面荷载取值时未考虑季风等周期性风荷载，造成基础的安全性降低，在风荷载较大时极易发生倾覆破坏。因此针对特定地区，需要根据当地的风玫瑰图对基础在多向荷载作用下的承载力及承载模式进行研究。

发明内容

本发明着力于研究基础在不同方向荷载作用下的承载特性，提供了一种风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置，包括填充有地基土的模型箱，所述模型箱上部安装有加载架，所述模型箱的地基土中安装有基础模型，所述基础模型顶部连接有加载杆，所述加载杆向上延伸至所述加载架内部；

所述加载架顶部安装有推杆向下设置的竖向伺服电动缸，所述竖向伺服电动缸的推杆端部安装有竖向位移传感器和竖向压力传感器，所述竖向伺服电动缸由PLC控制模块控制，所述PLC控制模块、所述竖向位移传感器和所述竖向压力传感器均与计算机连接，所述竖向位移传感器和所述竖向压力传感器将实验过程中的竖向位移信号和竖向压力信号反馈至所述计算机，所述计算机通过所述PLC控制模块实时调整所述竖向伺服电动缸的推杆的位移和荷载；

所述加载架一侧安装有推杆向内设置的水平伺服电动缸，所述水平伺服电动缸的推杆端部安装有水平位移传感器和水平压力传感器，所述水平伺服电动缸由所述PLC控制模块控制，所述PLC控制模块、所述水平位移传感器和所述水平压力传感器均与计算机连接，所述水平位移传感器和所述水平压力传感器将实验过程中的水平位移信号和水平压力信号反馈至所述计算机，所述计算机通过所述PLC控制模块实时调整所述水平伺服电动缸的推杆的位移和荷载；

所述加载架中部安装有转盘电机，所述转盘电机通过齿轮啮合连接有加载转盘；所述转盘电机由所述PLC控制模块控制，所述PLC控制模块连接计算机，所述计算机通过所述PLC控制模块控制转盘电机调整所述加载转盘的旋转角度；

所述加载架的底部通过滑块安装于两根横向固定滑道，两根所述横向固定滑道的底部通过滑块安装于两根纵向固定滑道，两根所述纵向固定滑道固定安装在所述模型箱顶面；

所述加载杆穿过所述加载转盘，并在所述加载转盘上方套设有连接环，所述连接环连接拉绳的一端，所述拉绳的另一端依次连接于所述水平压力传感器和所述水平伺服电动缸的推杆；所述加载转盘和所述加载架上分别设置有一组导向滑轮，两组导向滑轮对所述拉绳进行导向，使所述拉绳通过所述连接环对所述加载杆施加水平方向的力，所述加载转盘的转动改变所述拉绳的方向，以通过所述加载杆实现对所述基础模型不同方向的水平荷载控制；所述加载杆的顶面位于所述竖向伺服电动缸的推杆下方，所述竖向伺服电动缸的推杆通过所述加载杆实现对所述基础模型的竖向加载。

进一步地，所述加载转盘上固定安装有激光位移计，所述激光位移计用于测量所述加载杆的水平位移，并将所述加载杆的水平位移信号反馈至计算机。

进一步地，所述加载架包括两个相互平行的门字形支架，两个门字形支架的顶部连接有上部支撑板、中部连接有中部支撑板、底部连接有底部支撑板、一侧连接有侧部支撑板；所述竖向伺服电动缸固定于所述上部支撑板，所述水平伺服电动缸固定于所述侧部支撑板，所述转盘电机固定于所述中部支撑板底部，所述加载转盘固定在所述中部支撑板表面。

更进一步地，所述侧部支撑板和所述中部支撑板均与所述门字形支架通过螺栓连接，并在所述的门字形支架上设置有螺栓长槽，固定螺栓可在所述螺栓长槽内上下滑动。

本发明的有益效果是：

本发明能够实现对基础多向水平单调及循环荷载控制，可对实际工程中基础设计进行指导。本发明的装置既可以进行水平加载试验，同时也可以进行竖向加载试验，提高了加载装置的利用率；并且，试验对象不局限于风电基础，同样适用于其他基础形式。

附图说明

图1为本发明所提供的风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置调节部分的结构示意图；

图2为本发明所提供的风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置中水平加载结构的示意图；

图3为图1的侧视图；

图4为本发明所提供的风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置的整体结构图。上述图中：1-竖向伺服电动缸，2-竖向压力传感器，3-竖向位移传感器，4-加载架，5-水平伺服电动缸，6-水平压力传感器，7-水平位移传感器，8-导向滑轮，9-加载转盘，10-转盘电机，11-加载杆，12-拉绳，13滑块，14-横向固定滑道，15-纵向固定滑道，16-基础模型，17-模型箱，18-激光位移计，19-连接环，20-地基土。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1至图4所示，本发明公开了一种风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置，包括填充有地基土20的模型箱17，模型箱17上部安装有加载架4，地基土20内安装有基础模型16，基础模型16顶部连接有加载杆11，加载杆11向上延伸至加载架4内部。

加载架4包括两个相互平行的门字形支架，两个门字形支架的顶部连接有上部支撑板，两个门字形支架的中部连接有中部支撑板，两个门字形支架的底部连接有底部支撑板。加载架4的两个门字形支架的一侧连接有侧部支撑板，侧部支撑板与两个门字形支架的立柱分别连接有斜撑。

加载架4顶部安装有推杆向下设置的竖向伺服电动缸1，竖向伺服电动缸1通过螺栓固定于加载架4的上部支撑板。竖向伺服电动缸1的推杆端部安装有竖向位移传感器3和竖向压力传感器2。竖向伺服电动缸1由PLC控制模块控制，PLC控制模块接收计算机的指令，控制竖向伺服电动缸1的推杆的位移和荷载。竖向位移传感器3和竖向压力传感器2均与计算机连接，将实验过程中的竖向位移信号及竖向压力信号反馈至计算机，计算机将竖向位移信号和竖向压力信号与设定值比较后，通过PLC控制模块实时调整竖向伺服电动缸1对基础模型16的竖向位移和竖向荷载。

加载架4一侧安装有推杆向内设置的水平伺服电动缸5，水平伺服电动缸5通过螺栓固定于加载架4的侧部支撑板。水平伺服电动缸5的推杆端部安装有水平位移传感器7和水平压力传感器6。水平伺服电动缸5由PLC控制模块控制，PLC控制模块接收计算机的指令，控制水平伺服电动缸5的推杆的位移和荷载。水平位移传感器7和水平压力传感器6均与计算机连接，将实验过程中的水平位移信号及水平压力信号反馈至计算机，计算机对水平位移信号和水平压力信号与设定值比较后，通过PLC控制模块实时调整水平伺服电动缸5对基础模型16的水平位移和水平荷载。

加载架4中部安装有转盘电机10，转盘电机10通过螺栓固定于加载架4的中部支撑板底部。加载架4的中部支撑板表面安装有加载转盘9，加载转盘9与连接在转盘电机10输出杆的齿轮盘轮齿啮合。转盘电机10由PLC控制模块控制，PLC控制模块接收计算机的指令，通过转盘电机10控制加载转盘9的旋转角度。转盘电机10通过对加载转盘9进行转动，改变拉绳12的方向，可实现基础模型16不同方向的水平荷载控制，模拟基础模型16受多向荷载时的工况。

加载转盘9上固定安装有激光位移计18，激光位移计18与计算机连接。激光位移计18用于测量加载杆11的水平位移，将加载杆11的水平位移信号反馈至计算机。由于激光位移计18与水平位移传感器7存在高度差，因此计算机可以根据激光位移计18与水平位移传感器7测量的两个水平位移信号计算加载杆11的转动点，进而得出基础模型16的受力情况。

加载转盘9边缘处固定安装有一组导向滑轮8，加载架4的中部支撑板边缘处也固定安装有一组导向滑轮8，两组导向滑轮8共同对拉绳12进行导向，使拉绳12通过连接环19对加载杆11施加水平方向的力。拉绳12一端通过绑扎的方式固定于连接环19，连接环19位于加载转盘9上方且直接套在加载杆11上；拉绳12另一端连接于水平压力传感器6，水平压力传感器6测量拉绳12拉力。

加载架4的底部安装有四个滑块13，每个滑块13采用螺栓连接在加载架4的底部支撑板的底面四角处。四个滑块13分为两组套装在两根横向固定滑道14上，两根横向固定滑道14的两端底部分别安装有滑块13，且该滑块13套装在两根纵向固定滑道15。两根纵向固定滑道15固定安装在模型箱17顶面。

加载杆11底部通过螺纹连接的方式安装在所研究的基础模型16顶盖上。加载杆11中部穿过加载架4的中部支撑板和加载转盘9，并通过连接环19和拉绳12与水平压力传感器5连接，而水平压力传感器5安装在水平伺服电动缸5的推杆上，水平伺服电动缸5可通过加载杆11实现对基础模型16的多向水平加载。加载杆11顶面位于竖向伺服电动缸1的推杆正下方，竖向伺服电动缸1的推杆可通过接触下压加载杆11，通过加载杆11实现对基础模型16的竖向加载。

另外，用于固定水平伺服电动缸5的侧部支撑板和用于固定加载转盘9的中部支撑板均与加载架4的门字形支架通过螺栓连接，并在加载架4的门字形支架上设置有螺栓长槽，固定螺栓可在螺栓长槽内上下滑动，进一步实现对基础模型16加载高度的改变。

如图4所示，本发明的一种风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置，其工作方式为：将基础模型16安装在填充有地基土20的模型箱17中，基础模型16上部安装加载杆11，加载架4安装在模型箱17上部。

当进行单调水平加载时，保持竖向电动缸1与加载杆11脱开，采用水平伺服电动缸5通过拉绳12对基础模型16在一定高度施加水平荷载即可；当进行多向水平循环加载时，需要采用计算机将加载方向、加载幅值及加载次数输入，通过PLC控制模块进行加载，即可实现不同加载方向的循环加载，可以根据试验测得的水平位移及水平荷载分析基础模型的水平承载特性。

当进行竖向加载时，可移除拉绳12，调整竖向伺服电动缸1与加载杆11保持接触且同轴线，需要采用计算机将加载的竖向位移或竖向荷载输入，通过PLC控制模块进行加载，实现对基础模型的竖向加载，根据试验测得的竖向位移及竖向荷载分析基础模型的竖向承载特性。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置，其特征在于，包括填充有地基土的模型箱，所述模型箱上部安装有加载架，所述模型箱的地基土中安装有基础模型，所述基础模型顶部连接有加载杆，所述加载杆向上延伸至所述加载架内部；

所述加载架顶部安装有推杆向下设置的竖向伺服电动缸，所述竖向伺服电动缸的推杆端部安装有竖向位移传感器和竖向压力传感器，所述竖向伺服电动缸由PLC控制模块控制，所述PLC控制模块、所述竖向位移传感器和所述竖向压力传感器均与计算机连接，所述竖向位移传感器和所述竖向压力传感器将实验过程中的竖向位移信号和竖向压力信号反馈至所述计算机，所述计算机通过所述PLC控制模块实时调整所述竖向伺服电动缸的推杆的位移和荷载；

所述加载架一侧安装有推杆向内设置的水平伺服电动缸，所述水平伺服电动缸的推杆端部安装有水平位移传感器和水平压力传感器，所述水平伺服电动缸由所述PLC控制模块控制，所述PLC控制模块、所述水平位移传感器和所述水平压力传感器均与计算机连接，所述水平位移传感器和所述水平压力传感器将实验过程中的水平位移信号和水平压力信号反馈至所述计算机，所述计算机通过所述PLC控制模块实时调整所述水平伺服电动缸的推杆的位移和荷载；

所述加载架中部安装有转盘电机，所述转盘电机通过齿轮啮合连接有加载转盘；所述转盘电机由所述PLC控制模块控制，所述PLC控制模块连接计算机，所述计算机通过所述PLC控制模块控制转盘电机调整所述加载转盘的旋转角度；

所述加载架的底部通过滑块安装于两根横向固定滑道，两根所述横向固定滑道的底部通过滑块安装于两根纵向固定滑道，两根所述纵向固定滑道固定安装在所述模型箱顶面；

所述加载杆穿过所述加载转盘，并在所述加载转盘上方套设有连接环，所述连接环连接拉绳的一端，所述拉绳的另一端依次连接于所述水平压力传感器和所述水平伺服电动缸的推杆；所述加载转盘和所述加载架上分别设置有一组导向滑轮，两组导向滑轮对所述拉绳进行导向，使所述拉绳通过所述连接环对所述加载杆施加水平方向的力，所述加载转盘的转动改变所述拉绳的方向，以通过所述加载杆实现对所述基础模型不同方向的水平荷载控制；所述加载杆的顶面位于所述竖向伺服电动缸的推杆下方，所述竖向伺服电动缸的推杆通过所述加载杆实现对所述基础模型的竖向加载。

2.根据权利要求1所述的一种风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置，其特征在于，所述加载转盘上固定安装有激光位移计，所述激光位移计用于测量所述加载杆的水平位移，并将所述加载杆的水平位移信号反馈至计算机。

3.根据权利要求1所述的一种风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置，其特征在于，所述加载架包括两个相互平行的门字形支架，两个门字形支架的顶部连接有上部支撑板、中部连接有中部支撑板、底部连接有底部支撑板、一侧连接有侧部支撑板；所述竖向伺服电动缸固定于所述上部支撑板，所述水平伺服电动缸固定于所述侧部支撑板，所述转盘电机固定于所述中部支撑板底部，所述加载转盘固定在所述中部支撑板表面。

4.根据权利要求1所述的一种风机基础竖向及多向水平加载模型试验装置，其特征在于，所述侧部支撑板和所述中部支撑板均与所述门字形支架通过螺栓连接，并在所述的门字形支架上设置有螺栓长槽，固定螺栓可在所述螺栓长槽内上下滑动。