CN112014309A - 一种用于边坡模型试验无接触调节正应力底摩擦试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于边坡模型试验无接触调节正应力底摩擦试验装置，包括以下：显示屏监控系统、变频变速传送带驱动系统、模型围压加载伺服系统及电磁吸盘调节法向应力系统；所述显示屏监控系统包括参数显示屏和参数调节按钮；参数调节按钮与变频变速传送带驱动系统、模型围压加载伺服系统和电磁吸盘调节法向应力系统电性连接；通过参数调节按钮控制变频变速传送带驱动系统、模型围压加载伺服系统和电磁吸盘调节法向应力系统以此完成模拟实验；本发明的有益效果是：满足不同岩性底摩擦要求；实现了无接触式调节法向应力，能够保证底摩擦试验过程中不干扰模型变形过程及演化规律；操作简洁易懂，实现了机体一体化。
Description
技术领域
本发明涉及室内模拟实验技术领域，尤其涉及一种用于边坡模型试验无接触调节正应力底摩擦试验装置。
背景技术
地质力学模型试验不仅能够较为真实反映天然岩体受力特性，模拟复杂地质构造，还能较为真实地反映地质构造和工程结构空间关系，使人更为直观的把握岩体工程地整体受力特征、变形趋势及稳定性特点，已经成为岩土工程应用及研究中非常重要的一种手段。目前，包括离心机试验、倾斜台试验、振动台物理模型试验、固定框架物理模型试验及底摩擦物理模型试验等在内的众多力学模型试验被应用于岩土工程领域。与此同时，用于制作待测模型的相似材料配置与选取有了进一步发展，目前铁精砂胶结材料已经成为制作待测模型的热点。
20世纪70年代，底摩擦理论被提出并应用于岩土工程领域，同一时期，英国帝国理工学院制作了第一台底摩擦试验仪并用该仪器模拟研究了天然边坡及开挖隧道的破坏过程及各个地质因素之间的影响规律。由于底摩擦物理模型试验具有地质破坏现象明显、试验耗时少、试验耗费少等特点，使该方法在岩土工程、地质灾害领域广为采用。尤其是近年，由于大型工程建设及地质灾害频发，使得底摩擦试验仪被高校及科研单位广为应用。
采用底摩擦试验仪模拟岩土体天然状态下变形演化机理，其模拟的真实性很大程度依赖于底摩擦试验仪自身的性能。目前，传统的底摩擦试验仪仍基于底摩擦模型理论，然而现有方式存在以下不足：无法调节待测模型的法向应力，也就是只能采用待测物体自重与传送带之间的摩擦力，当模拟的岩土体岩性改变时，单一的摩擦力无法满足试验要求；其次，传统底摩擦试验仪没有考虑岩土体围压状态，即岩土体两侧没有施加压力，无法模拟岩土体卸荷回弹状态下变形演化规律；此外，传统底摩擦试验仪没有实现操作系统与模拟系统的一体化。
综上所述，底摩擦试验对于模拟岩土体天然状态下变形破坏特征及演化过程具有重要研究意义，然而现有底摩擦试验仪仍然存在一些不足，且基于相似材料发展的条件下，急需开发一种新型的底摩擦试验系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是.一种适用于边坡及土洞模型试验的无接触式调节法向应力底摩擦试验系统及其使用方法，该试验系统能够在无接触条件下改变待测模型法向压力从而间接调整待测模型底部摩擦力，同时也能模拟岩土体受围压状态下的岩土体变形演化过程及施工过程中卸荷回弹的岩土体变形演化过程。
本发明为了解决现有技术中存在的不足，针对以上问题，提出了一种用于边坡模型试验无接触调节正应力底摩擦试验装置，具体包括：
显示屏监控系统、变频变速传送带驱动系统、模型围压加载伺服系统及电磁吸盘调节法向应力系统；
所述显示屏监控系统包括参数显示屏和参数调节按钮；所述参数调节按钮包括传送带速度调节按钮、模型围压控制按钮和磁力调节按钮；所述参数显示屏、所述传送带速度调节按钮和所述参数调节按钮均位于参数控制台内部，所述参数显示屏显示传送带速度、围压数值及磁力数值，所述参数调节按钮均通过导线与相应系统连接；
所述变频变速传送带驱动系统包括传送带、主动滚轮、被动滚轮及交流电机，所述主动滚轮与交流电机通过外接皮带相连，所述被动滚轮依靠主动滚轮转动被动转动，所述传送带在主动滚轮及被动滚轮工作后平稳传送，所述主动滚轮、被动滚轮均位于滚轮保护装置内部；
所述模型围压加载伺服系统包括围压挡板、固定力臂、伸缩力臂及围压系统支撑框架，所述围压挡板与伸缩力臂连接，所述围压系统支撑框架与固定力臂相连，固定力臂和伸缩力臂共同组成力臂控制系统；
所述电磁吸盘调节法向应力系统包括盒状电磁吸盘及吸盘外部支撑框架，所述电磁吸盘调节法向应力系统位于待测模型下部，盒状电磁吸盘通过吸盘外翼与吸盘外部支撑框架固定。
进一步地，所述参数调节按钮均通过导线与相应系统连接，具体为：所述传送带速度调节按钮与所述变频变速传送带驱动系统电性连接；所述模型围压控制按钮模型围压加载伺服系统电性连接；所述磁力调节按钮与所述电磁吸盘调节法向应力系统电性连接。
进一步地，所述变频变速传送带驱动系统主动滚轮及被动滚轮通过滚轮固定装置及滚轮固定螺母固定于底摩擦仪底部框架上；转轴保护壳通过保护壳螺母固定于滚轮固定装置外侧；所述交流电机可通过外接皮带改变主动滚轮转速。
进一步地，所述模型围压加载伺服系统还包括液压油箱及伺服油泵，所述伺服油泵通过外接导线与固定力臂相连，通过调节伺服油泵油压控制伸缩力臂伸缩长度，带动围压挡板挤压待测模型。
进一步地，所述盒状电磁吸盘包括电磁吸盘底壳、吸盘铁芯、盖板及隔磁条，所述吸盘铁芯固定安装在电磁吸盘底壳，所述吸盘铁芯缠绕相应匝数和技术要求的线圈；所述盖板安装在吸盘铁芯上部；所述隔磁条位于相邻盖板之间。
进一步地，所述围压挡板内部安装有个压力传感器，所述压力传感器测量围压挡板与待测模型之间产生的压力并将数据通过导线传送到参数显示屏。
进一步地，所述盒状电磁吸盘底部装有线圈集合设备，所述线圈集合设备即将所有缠绕在吸盘铁芯上的导线集合成导线柱；所述线圈集合设备通过外接导线与可调节磁力控制器相连；所述可调节磁力控制器通过外接导线与磁力调节按钮相连；所述吸盘外部支撑框架固定在底摩擦仪底部框架上，吸盘外部支撑框架及盒状电磁吸盘均为可拆卸式。
进一步地，装置使用步骤包括以下：
S101：待测模型的制取：按照相似理论及圣维南原理，根据实际边坡或者土洞的地形地貌地质构造进行设计，采用铁精砂胶结材料按照预先设置的配比进行选取和制备相似材料，并将所述相似材料制取的待测模型平铺在所述传送带的上方；
S102：通过调节所述伸缩力臂的伸缩量推动所述围压挡板，按照实际情况给待测模型施加围压，随后，按照实际需求调节所述磁力调节按钮，改变吸力大小，从而控制待测模型与传送带之间的摩擦力大小；
S103：开始试验：开启所述变频变速传送带驱动系统，通过所述传送带与待测模型产生的摩擦力模拟实际边坡或者土洞自身重力；
S104：结束试验：关闭所述变频变速传送带驱动系统；停止运行所述电磁吸盘调节法向应力系统；对边坡或者土洞释放围压，即将伸缩力臂缩回，完成后关闭模型围压加载伺服系统；清理工作台上残余相似材料，完成试验。
步骤S103在试验过程中，可随时暂停传送带运行，并按照实际工况对边坡或者土洞进行开挖，开挖完成后，再次运行传送带驱动系统；反复操作直至完成整个试验。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：满足不同岩性底摩擦要求；实现了无接触式调节法向应力，能够保证底摩擦试验过程中不干扰模型变形过程及演化规律；操作简洁易懂，实现了机体一体化。
附图说明
图1为一种适用于边坡及土洞模型试验的无接触式调节法向应力底摩擦试验装置的整体结构示意图；
图2为一种适用于边坡及土洞模型试验的无接触式调节法向应力底摩擦试验装置的整体剖面结构示意图；
图3为一种适用于边坡及土洞模型试验的无接触式调节法向应力底摩擦试验装置的磁吸盘调节法向应力系统结构示意图；
图4为一种适用于边坡及土洞模型试验的无接触式调节法向应力底摩擦试验装置的磁吸盘调节法向应力系统剖面结构示意图；
图5为一种适用于边坡及土洞模型试验的无接触式调节法向应力底摩擦试验装置的模型围压加载伺服系统上部结构示意图；
图6为一种适用于边坡及土洞模型试验的无接触式调节法向应力底摩擦试验装置的模型围压加载伺服系统上部结构平面示意图；
图7为一种适用于边坡及土洞模型试验的无接触式调节法向应力底摩擦试验装置的变频变速传送带驱动系统结构示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
如图1、图2所示，一种适用于边坡及土洞模型试验的无接触式调节法向应力底摩擦试验系统及其使用方法，包括：显示屏监控系统、变频变速传送带驱动系统、模型围压加载伺服系统及电磁吸盘调节法向应力系统。
如图1、图2、图6所示，上述显示屏监控系统包括参数显示屏30、传送带速度调节按钮32、模型围压控制按钮33及磁力调节按钮31，所述参数显示屏30显示传送带速度、围压数值及磁力数值，所述传送带速度调节按钮32通过导线与变频变速传送带驱动系统连接，所述模型围压控制按钮33通过导线与模型围压加载伺服系统连接，所述磁力调节按钮31通过导线与电磁吸盘调节法向应力系统连接，所述传送带速度调节按钮32、模型围压控制按钮33及磁力调节按钮31均通过外接导线与参数显示屏30连接且能通过旋转按钮控制相应数值大小，并将对应数值显示在参数显示屏30上，方便用户操作与观测。
如图2、图7所示，所述变频变速传送带驱动系统包括传送带2、主动滚轮11、被动滚轮7及交流电机17，所述变频变速传送带驱动系统位于待测模型底部1，所述主动滚轮11与交流电机17通过外接皮带20相连，所诉被动滚轮7依靠主动滚轮11转动被动转动，所述传送带2在主动滚轮11及被动滚轮7工作后平稳传送，所述主动滚轮11、被动滚轮7均位于滚轮保护装置13内部；所述变频变速传送带驱动系统主动滚轮11及被动滚轮7通过滚轮固定装置9及滚轮固定螺母34固定于底摩擦仪底部框架14上，转轴保护壳10通过保护壳螺母8固定于滚轮固定装置外侧，所述交流电机17可通过外接皮带20改变主动滚轮11转速，所述交流电机17通过外接导线21与电流调控器19相连；所述电流调控器19通过外接导线受传送带速度调节按钮32控制，从而实现通过旋转传送带速度调节按钮32即可改变传送带2传送速度。
如图5、图6所示，所述模型围压加载伺服系统包括围压挡板26、固定力臂27、伸缩力臂28及围压系统支撑框架29，所述围压挡板26与伸缩力臂28连接，所述围压系统支撑框架29与固定力臂27相连，固定力臂27和伸缩力臂28共同组成力臂控制系统；
如图5、图6所示，所述模型围压加载伺服系统还包括液压油箱16及伺服油泵15，所述伺服油泵15通过外接导线与固定力臂27相连，通过调节伺服油泵15油压从而控制伸缩力臂28伸缩长度，进而带动围压挡板26挤压待测模型，所述围压挡板26内部安装有4个压力传感器35，所述压力传感器35测量围压挡板26与待测模型1之间产生的压力并将数据通过导线传送到参数显示屏30。
如图3、图4所示，所述电磁吸盘调节法向应力系统包括盒状电磁吸盘22及吸盘外部支撑框架23，所述电磁吸盘调节法向应力系统位于待测模型1下部，盒状电磁吸盘22通过吸盘外翼24与吸盘外部支撑框架23固定，所述盒状电磁吸盘22包括电磁吸盘底壳3、吸盘铁芯5、盖板6及隔磁条4，所述吸盘铁芯5固定安装在电磁吸盘底壳3，所述吸盘铁芯5缠绕相应匝数和技术要求的线圈；所述盖板6安装在吸盘铁芯5上部；所述隔磁条4位于相邻盖板6之间。
如图3、图4所示，所述盒状电磁吸盘22底部装有线圈集合设备25，所述线圈集合设备25即将所有缠绕在吸盘铁芯5上的导线集合成导线柱；所述线圈集合设备25通过外接导线21与可调节磁力控制器18相连；所述可调节磁力控制器18通过外接导线21与磁力调节按钮31相连；所述吸盘外部支撑框架23固定在底摩擦仪底部框架14上，吸盘外部支撑框架23及盒状电磁吸盘22均为可拆卸式。
如图2所示，所述伺服油泵15、液压油箱16、交流电机17及电流调控器19固定于底摩擦仪底部框架14内部，保证了试验系统整洁及一体化。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、待测模型，2、传送带，3、电磁吸盘底壳，4、隔磁条，5、吸盘铁芯，6、盖板，7、被动滚轮，8、保护壳螺母，9、滚轮固定装置，10、转轴保护壳，11、主动滚轮，12、参数控制台，13、滚轮保护装置，14、底摩擦仪底部框架，15、伺服油泵，16、液压油箱，17、交流电机，18、可调节磁力控制器，19、电流调控器，20、外接皮带，21、外接导线，22、盒状电磁吸盘，23、吸盘外部支撑框架，24、吸盘外翼，25、线圈集合设备，26、围压挡板，27、固定力臂，28、伸缩力臂，29、围压系统支撑框架，30、参数显示屏，31、磁力调节按钮，32、传送带速度调节按钮，33、模型围压控制按钮，34、滚轮固定螺母，35、压力传感器。
本发明的使用方法，包括以下步骤(以边坡、土洞模型试验为例)：
1.物理模型制取，按照相似理论及圣维南原理，根据实际边坡或者隧洞的地形地貌地质构造进行设计，采用铁精砂胶结材料按照一定的配比进行选取和制备相似材料，并将相似材料制取的模型平铺在传送带上方。
2.前期准备工作，通过调节伸缩力臂伸缩量推动围压挡板，按照实际情况给待测模型施加围压，之后，按照实际需求调节磁力调节按钮，改变吸力大小，从而控制待测模型与传送带之间的摩擦力大小。
3.试验正式展开，试验前期准备工作完成后，开启变频变速传送带驱动系统，通过传送带与待测模型产生的摩擦力来模拟实际边坡或者隧洞自身重力；试验过程中，也可随时暂停传送带运行，并按照实际工况对边坡或者隧道进行开挖，开挖完成后，再次运行传送带驱动系统；反复操作直至完成所有工况。
4.试验完成整理，首先关闭变频变速传送带驱动系统；之后停止运行电磁吸盘调节法向应力系统；其次对边坡或者隧洞释放围压，即将伸缩力臂缩回，完成后关闭模型围压加载伺服系统；最后清理工作台上残余相似材料，完成试验。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
1、本发明可以通过电磁吸盘调节法向应力系统直接调节铁精砂胶结材料及相关符合要求材料制成的待测模型的法向应力，从而间接调整待测模型底部摩擦力，能够满足不同岩性底摩擦要求；
2、本发明与传统底摩擦试验仪相比，实现了无接触式调节法向应力，能够保证底摩擦试验过程中不干扰模型变形过程及演化规律；
3、本发明与传统底摩擦试验仪相比，能够模拟岩土体在围压状态下的变形演化过程，也能模拟岩土体在施工过程中卸荷回弹状态下变形演化规律，扩大了底摩擦试验仪的应用范围；同时本发明将模拟系统与操作系统整合在一起，操作简洁易懂，实现了机体一体化。
在本专利中，如涉及到前、后、上、下等方位词，则是以附图中各装置位于图中以及设备相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本专利中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于边坡模型试验无接触调节正应力底摩擦试验装置，其特征在于：
包括有显示屏监控系统、变频变速传送带驱动系统、模型围压加载伺服系统及电磁吸盘调节法向应力系统；
所述显示屏监控系统包括参数显示屏(30)和参数调节按钮；所述参数调节按钮包括传送带速度调节按钮(32)、模型围压控制按钮(33)和磁力调节按钮(31)；所述参数显示屏(30)、所述传送带速度调节按钮(32)和所述参数调节按钮均位于参数控制台(12)内部，所述参数显示屏(30)显示传送带速度、围压数值及磁力数值，所述参数调节按钮均通过导线与相应系统连接；
所述变频变速传送带驱动系统包括传送带(2)、主动滚轮(11)、被动滚轮(7)及交流电机(17)，所述主动滚轮(11)与交流电机(17)通过外接皮带(20)相连，所述被动滚轮(7)依靠主动滚轮(11)转动被动转动，所述传送带(2)在主动滚轮(11)及被动滚轮(7)工作后平稳传送，所述主动滚轮(11)、被动滚轮(7)均位于滚轮保护装置(13)内部；
所述模型围压加载伺服系统包括围压挡板(26)、固定力臂(27)、伸缩力臂(28)及围压系统支撑框架(29)，所述围压挡板(26)与伸缩力臂(28)连接，所述围压系统支撑框架(29)与固定力臂(27)相连，固定力臂(27)和伸缩力臂(28)共同组成力臂控制系统；
所述电磁吸盘调节法向应力系统包括盒状电磁吸盘(22)及吸盘外部支撑框架(23)，所述电磁吸盘调节法向应力系统位于待测模型(1)下部，盒状电磁吸盘(22)通过吸盘外翼(24)与吸盘外部支撑框架(23)固定。
2.如权利要求1所述的一种用于边坡模型试验无接触调节正应力底摩擦试验装置，其特征在于：所述参数调节按钮均通过导线与相应系统连接，具体为：所述传送带速度调节按钮(32)与所述变频变速传送带驱动系统电性连接；所述模型围压控制按钮(33)模型围压加载伺服系统电性连接；所述磁力调节按钮(31)与所述电磁吸盘调节法向应力系统电性连接。
3.如权利要求1所述的一种用于边坡模型试验无接触调节正应力底摩擦试验装置，其特征在于：所述变频变速传送带驱动系统主动滚轮(11)及被动滚轮(7)通过滚轮固定装置(9)及滚轮固定螺母(34)固定于底摩擦仪底部框架(14)上；转轴保护壳(10)通过保护壳螺母(8)固定于滚轮固定装置外侧；所述交流电机(17)可通过外接皮带(20)改变主动滚轮(11)转速。
4.如权利要求1所述的一种用于边坡模型试验无接触调节正应力底摩擦试验装置，其特征在于：所述模型围压加载伺服系统还包括液压油箱(16)及伺服油泵(15)，所述伺服油泵(15)通过外接导线与固定力臂(27)相连，通过调节伺服油泵(15)油压控制伸缩力臂(28)伸缩长度，带动围压挡板(26)挤压待测模型(1)。
5.如权利要求1所述的一种用于边坡模型试验无接触调节正应力底摩擦试验装置，其特征在于：所述盒状电磁吸盘(22)包括电磁吸盘底壳(3)、吸盘铁芯(5)、盖板(6)及隔磁条(4)，所述吸盘铁芯(5)固定安装在电磁吸盘底壳(3)，所述吸盘铁芯(5)缠绕相应匝数和技术要求的线圈；所述盖板(6)安装在吸盘铁芯(5)上部；所述隔磁条(4)位于相邻盖板(6)之间。
6.如权利要求4所述的一种用于边坡模型试验无接触调节正应力底摩擦试验装置，其特征在于：所述围压挡板(26)内部安装有4个压力传感器(35)，所述压力传感器(35)测量围压挡板(26)与待测模型(1)之间产生的压力并将数据通过导线传送到参数显示屏(30)。
7.如权利要求5所述的一种用于边坡模型试验无接触调节正应力底摩擦试验装置，其特征在于：所述盒状电磁吸盘(22)底部装有线圈集合设备(25)，所述线圈集合设备(25)即将所有缠绕在吸盘铁芯(5)上的导线集合成导线柱；所述线圈集合设备(25)通过外接导线(21)与可调节磁力控制器(18)相连；所述可调节磁力控制器(18)通过外接导线(21)与磁力调节按钮(31)相连；所述吸盘外部支撑框架(23)固定在底摩擦仪底部框架(14)上，吸盘外部支撑框架(23)及盒状电磁吸盘(22)均为可拆卸式。
8.如权利要求1所述的一种用于边坡模型试验无接触调节正应力底摩擦试验装置，其特征在于：装置使用步骤包括以下：
S101：待测模型(1)的制取：按照相似理论及圣维南原理，根据实际边坡或者土洞的地形地貌地质构造进行设计，采用铁精砂胶结材料按照预先设置的配比进行选取和制备相似材料，并将所述相似材料制取的待测模型(1)平铺在所述传送带(2)的上方；
S102：通过调节所述伸缩力臂(28)的伸缩量推动所述围压挡板(26)，按照实际情况给待测模型(1)施加围压，随后，按照实际需求调节所述磁力调节按钮(31)，改变吸力大小，从而控制待测模型(1)与传送带(2)之间的摩擦力大小；
S103：开始试验：开启所述变频变速传送带驱动系统，通过所述传送带(2)与待测模型(1)产生的摩擦力模拟实际边坡或者土洞自身重力；
S104：结束试验：关闭所述变频变速传送带驱动系统；停止运行所述电磁吸盘调节法向应力系统；对边坡或者土洞释放围压，即将伸缩力臂(28)缩回，完成后关闭模型围压加载伺服系统；清理工作台上残余相似材料，完成试验。
9.如权利要求8所述的一种用于边坡模型试验无接触调节正应力底摩擦试验装置，其特征在于：步骤S103在试验过程中，可随时暂停传送带运行，并按照实际工况对边坡或者土洞进行开挖，开挖完成后，再次运行传送带驱动系统；反复操作直至完成整个试验。
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