CN112268804A - 一种多角度动载实验加载装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多角度动载实验加载装置及其实验方法，包括支撑装置、驱动装置、加载系统、相似模拟实验模型和监测系统，所述支撑装置包括下支撑和上支撑，所述上支撑能够转动的固定在两个竖直设置的下支撑上，所述驱动装置和加载系统固定在上支撑上，转动上支撑带动所述驱动装置和加载系统转动，所述驱动装置的驱动端连接所述加载系统，驱动所述驱动装置致使加载系统实现载荷变化，所述加载系统的下方设置所述相似模拟实验模型，且加载系统的底部贴合在所述相似模拟实验模型的顶部，所述监测系统电连接加载系统和相似模拟实验模型。本发明的优点在于，该装置能够实现多角度动态加载实验过程。

Description

一种多角度动载实验加载装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及相似模拟实验技术领域，具体为一种多角度动载实验加载装置及其实验方法。

背景技术

矿产资源是经济社会发展的重要物质基础，开发利用矿产资源是现代化建设的必然要求。根据矿产资源物理力学性质迥异，矿产资源开采活动可分为固体金属开采及非金属开采。无论是固体金属开采还是非金属开采活动，对于坚硬岩石的挖掘，往往采用炮掘的方法。采用炸药爆破掘进缩短了巷道掘进工期，节约了生产成本，但是炸药爆炸产生的冲击波会影响巷道围岩的稳定性，影响矿井的安全生产。除此之外，在矿井开采活动中，基本顶来压、断层滑移及、岩层破断及地震等引起的动力扰动对矿井的安全生产也有着严重的威胁。

为了研究动力扰动对矿井安全生产的影响，采用原位实验往往是不可行。因此，为了更好的还原工程现场，人们常常采用相似模拟实验对其工程现场进行模拟研究，为了实现动力扰动过程，不少学者对其进行了研究，先后提出了多种实验方法，包括落锤、单摆试验、霍普金森杆等。

落锤试验是将重锤从不同高度下做自由落体运动至受载物体上，通过改变质量达到改变冲击能量的一种冲击试验方法，该方法只能实现竖直方向的加载过程；单摆试验是用一根细线悬吊重锤，将重锤以不同高度和角度释放，重锤在细线的限制下左右摆动冲击受载物体的一种冲击试验方法，该方法只能实现水平方向的加载过程；霍普金森杆装置的核心部分是两段分离的弹性波导杆(输入杆、输出杆)，加载脉冲由撞击杆撞击输入杆端部产生，当初始压力脉冲经撞击杆自由端面反射成为拉力脉冲并回到撞击面时，撞击杆就完成了对输入杆的卸载，当输入杆中入射应力波达到试样时，一部分应力波反射回入射杆形成反射应力波，另一部分透过试样到达输出杆形成透射波，霍普金森杆和单摆试验一样只能实现水平方向的动态加载。

还例如中国发明专利公开号CN110018291A公开了一种用于煤矿相似模拟实验的应力位移连续测量方法，所述方法是基于相似模拟实验模型，并在相似模拟实验载荷的作用下，自动连续测量并记录模型岩层在破断前的应力与位移变化，实现相似模拟模型上覆岩层破断前应力与位移的全过程数据测量。本方法采用相似模拟模型的结构简单，使用方便，应力与位移测量精确可靠，在相似模拟实验过程中自动且连续测量及记录模型岩层在破断前应力与位移变化全过程的数据，为煤矿设计开采施工提供了前期的理论依据，但同样该方法只能实现竖直方向的加载过程。

以上实验方法只能实现竖直或水平方向上的单一动态加载过程，无法准确模拟倾斜方向动态加载，然而，在实际现场工程环境中，动力扰动方向往往是多角度变幅值的，通过以上试验装置及方法所得研究结论与现实存在一定的差距，不利于矿井的安全生产，为了更好的研究动力扰动问题，有必要对现存技术及方法提出改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种能够模拟多角度动态加载的实验装置。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种多角度动载实验加载装置，包括支撑装置、驱动装置、加载系统、相似模拟实验模型和监测系统，所述支撑装置包括下支撑和上支撑，所述上支撑能够转动的固定在两个竖直设置的下支撑上，所述驱动装置和加载系统固定在上支撑上，转动上支撑带动所述驱动装置和加载系统转动，所述驱动装置的驱动端连接所述加载系统，驱动所述驱动装置致使加载系统实现载荷变化，所述加载系统的下方设置所述相似模拟实验模型，且加载系统的底部贴合在所述相似模拟实验模型的顶部，所述监测系统电连接加载系统和相似模拟实验模型。

优选地，所述驱动装置包括驱动电机、主动盘、第一连接杆、从动盘、第一活动杆和第二活动杆，所述驱动电机固定在所述上支撑上，所述驱动电机的输出端水平设置且连接所述主动盘，所述主动盘相对侧的上支撑上水平固定所述第一连接杆，所述从动盘能够转动的固定在所述第一连接杆的端部，所述从动盘与所述主动盘同轴且竖向平行设置，所述主动盘和从动盘相向侧的同一位置分别能够转动的连接第一活动杆和第二活动杆，所述第一活动杆和第二活动杆远离主动盘和从动盘的一端均能够转动的连接所述加载系统的输入端。

优选地，所述第一活动杆和第二活动杆均通过万向球轴承与主动盘、从动盘以及加载系统的输入端连接。

优选地，所述加载系统包括第二连接杆、筒体、压力传感器、弹簧、活塞、第三活动杆、第四活动杆和作用块，所述筒体顶部两端分别通过第二连接杆与所述第一连接杆和驱动电机连接，所述筒体内腔由下至上依次设有压力传感器、弹簧、活塞，所述压力传感器顶部通过弹簧连接所述活塞，所述活塞顶部竖直固定所述第三活动杆，所述第三活动杆远离活塞的一端通过万向球轴承与第一活动杆和第二活动连接，所述压力传感器的底部连接第四活动杆一端，所述第四活动杆另一端贯穿所述筒体底面能够转动的连接所述作用块，所述作用块的底面与所述相似模拟实验模型的顶部贴合，所述压力传感器电连接监测系统。

优选地，所述第一连接杆和第二连接杆均为能够伸缩的电动推杆，所述第二连接杆端部均与所述筒体、第一连接杆和驱动电机铰接。

优选地，所述相似模拟实验模型包括实验架、岩层模型和变应片，所述实验架上固定所述岩层模型，所述岩层模型内相邻的岩层之间均设置有变应片，所述变应片电连接监测系统，所述作用块的底面贴合所述岩层模型顶面。

优选地，所述下支撑顶部固定角度调整器，所述角度调整器的输出端连接所述上支撑，驱动角度调整器转动致使所述上支撑实现转动。

优选地，所述下支撑包括两个可伸缩的支撑杆，所述支撑杆顶部均固定所述角度调整器，所述上支撑为U型架，所述U型架开口朝下设置，所述U型架开口处的两端分别与所述角度调整器的输出端连接。

优选地，所述下支撑底部还固定有支撑座，所述支撑座底面固定多个滚轮。

优选地，本发明还提供一种多角度动载实验加载装置的安装方法，包括如下步骤：

步骤1：制作满足实验要求的相似模拟实验模型，将相似模拟实验模型与监测系统电连接；

步骤2：将所述支撑装置移动至相似模拟实验模型上方，并且使得加载系统的底部贴合在所述相似模拟实验模型的顶部；

步骤3：驱动所述驱动装置，使得加载系统实现对相似模拟实验模型荷载的变化；

步骤4：所述监测系统接收加载系统荷载变化的电信号以及相似模拟实验模型输出的电信号，并对其电信号进行计算与分析；

步骤5：据实验要求再调整上支撑的角度来调整加载系统的角度，从而改变与相似模拟实验模型的受力角度，再重复上述步骤3和步骤4，对不同角度荷载变化的电信号以及对应的相似模拟实验模型输出的电信号进行计算与分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过转动上支撑带动驱动装置和加载系统进行转动，能够实现多角度动态加载过程。

2、通过第一连接杆伸缩改变从动盘与主动盘之间的间距，或者驱动电机带动主动盘转动,改变主动盘和从动盘与第一活动杆和第二活动杆连接点至活塞底部的垂直距离，以及主动盘和从动盘与第一活动杆和第二活动杆连接点至作用块底面的垂直距离，实现不同幅值动载的施加，从而实现载荷的变化，以及通过改变驱动电机的转动速度，实现多角度变幅值、变频率、变周期的动态加载过程。

附图说明

图1为本发明实施例的一种多角度动载实验加载装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的主视图；

图3为本发明实施例驱动装置与加载系统的结构示意图；

图4为本发明实施例加载系统的结构示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1和图2，本实施例公开了一种多角度动载实验加载装置，包括支撑装置1、驱动装置2、加载系统3、相似模拟实验模型4和监测系统5。

所述支撑装置1包括两个竖直设置的下支撑11、角度固定器12和上支撑13，所述下支撑11顶部均固定角度调整器12，所述角度调整器12的输出端连接所述上支撑13，驱动角度调整器12转动致使所述上支撑13实现转动；所述驱动装置2和加载系统3固定在上支撑13上，通过转动上支撑13带动所述驱动装置2和加载系统4转动。

在本实施例中，所述下支撑11包括可伸缩的支撑杆111、支撑座112和滚轮113，所述支撑杆111竖直固定在支撑座112上，所述支撑杆111顶部均固定所述角度调整器12，所述支撑座112底面固定多个滚轮113。所述上支撑13为U型架，所述U型架开口朝下设置，所述U型架开口处的两端分别与所述角度调整器12的输出端连接。

参阅图3，所述驱动装置2包括驱动电机21、主动盘22、第一连接杆23、从动盘24、第一活动杆25和第二活动杆26，所述驱动电机21固定在所述上支撑13的一侧竖直杆上，所述驱动电机21的输出端水平设置且连接所述主动盘22，所述上支撑13的另一侧竖直杆上水平固定所述第一连接杆23，在本实施例中，所述第一连接杆23为能够伸缩的电动推杆，所述第一连接杆23远离与上支撑13连接处的一端朝主动盘22设置，且该端部通过轴承固定有能够转动的从动盘24，所述从动盘24与所述主动盘22同轴且竖向平行设置，所述主动盘22和从动盘24相向侧的同一位置分别通过万向球轴承与第一活动杆25和第二活动杆26连接，所述第一活动杆25和第二活动杆26远离主动盘22和从动盘24的一端同样也通过万向球轴承连接所述加载系统3的输入端。

所述加载系统3包括第二连接杆31、筒体32、压力传感器33、弹簧34、活塞35、第三活动杆36、第四活动杆37和作用块38，所述第二连接杆31同样也为能够伸缩的电动推杆，所述筒体32顶部两端分别对称铰接第二连接杆31，所述筒体32的左侧的第二连接杆31上端铰接所述第一连接杆23固定不伸缩段，所述驱动电机21的输出端上固定有轴承(图中未示)，所述筒体32的右侧的第二连接杆31上端铰接所述驱动电机21输出端上的轴承，进而可以防止驱动电机21输出端的转动带动所述第二连接杆31转动，进而将所述筒体32固定在所述第一连接杆23和驱动电机21之间的下方。

所述筒体32内腔由下至上依次设有压力传感器33、弹簧34和活塞35，所述压力传感器33电连接监测系统5；所述压力传感器33顶部通过弹簧34连接所述活塞35，所述活塞35顶部竖直固定所述第三活动杆36，所述第三活动杆36远离活塞35的一端通过万向球轴承与第一活动杆25和第二活动26连接，所述压力传感器33的底部连接第四活动杆37一端，所述第四活动杆37另一端贯穿所述筒体32底面且能够转动的连接所述作用块38，具体可同样通过万向球轴承连接作用块38，从而使得所述作用块38的底面能够与所述相似模拟实验模型4的顶部贴合。

参阅图4，所述作用块38处产生的最大力F＝K0[L2-(L0+L1)]，其中K0表示弹簧34的劲度系数，L0表示主动盘22和从动盘24与第一活动杆25和第二活动杆26连接点至活塞35底部的垂直距离，L1表示压力传感器33顶面与作用块38底面的垂直距离，L2表示主动盘22和从动盘24与第一活动杆25和第二活动杆26连接点至作用块38底面的垂直距离，其中L0、L2及K0为变量，改变L0、L2以及K0可实现不同幅值动载的施加，从而实现载荷的变化，最终通过监测系统5对其数据进行计算与分析。具体的，通过第一连接杆23伸缩，改变从动盘24与主动盘22之间的间距，进而通过第一活动杆25和第二活动杆26带动第三活动杆36竖向移动，从而改变L0和L2的值，同样的，也可以通过驱动电机21带动主动盘22转动，带动第一活动杆25上端竖向方向上的高度变化，进而带动所述第三活动杆36竖向移动，从而改变L0和L2的值，另外，可以更换不同弹簧34来改变K0的值，最终通过改变L0、L2以及K0来实现不同幅值动载的施加，从而实现载荷的变化，并且还通过驱动角度调整器12转动致使所述上支撑13实现转动，将固定在上支撑13上的驱动装置2和加载系统3进行转动，由于第四活动杆37的底部与所述作用块38转动连接，使得转动驱动装置2和加载系统3后，通过转动所述作用块38，其底面依然能够与所述相似模拟实验模型4的顶部贴合，实现多角度的动态加载。另外再在此基础上，还可以通过改变驱动电机21的转动速度，实现多角度变幅值、变频率、变周期的动态加载过程，最终通过监测系统5对其数据进行计算与分析。

所述相似模拟实验模型4包括实验架41、岩层模型42和变应片(图中未示)，所述实验架41上固定所述岩层模型42，所述岩层模型42内相邻的岩层之间均设置有变应片，所述变应片电连接监测系统5，所述作用块38的底面贴合所述岩层模型42顶面。

这里需要说明的事，所述岩层模型42具体根据实验要求，即相似原理制定相似配比方案，选择河沙、铁粉、重晶石粉等做骨料，石膏、石灰、水泥等做胶结物，水做胶结剂进行混合搅拌均匀，然后在实验架41上一层层摊铺，布设过程保证每层厚度均匀压实，层间采用云母片做隔离，并在相关位置布置所述变应片，当所述岩层模型42达至设计高度后停止摊铺，并对岩层模型42进行风干、养护一周以上时间。

本实施例还公开了一种多角度动载实验加载装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤1：根据实验要求，即相似原理制定相似配比方案，选择河沙、铁粉、重晶石粉等做骨料，石膏、石灰、水泥等做胶结物，水做胶结剂进行混合搅拌均匀，然后在实验架41上一层层摊铺，布设过程保证每层厚度均匀压实，层间采用云母片做隔离，并在相关位置布置所述变应片，当所述岩层模型42达至设计高度后停止摊铺，并对岩层模型42进行风干、养护一周以上时间。最终制作满足实验要求的相似模拟实验模型4，并将相似模拟实验模型4中的变应片与监测系统5电连接；

步骤2：通过推动所述支撑装置1移动至相似模拟实验模型4上方，然后根据实验要求，驱动所述角度调节器12调整所述上支撑13的转动角度，同时通过第一连接杆23伸缩，改变从动盘24与主动盘22之间的间距，将所述活塞35底面调至距作用块38底面最远位置，然后转动所述作用块38并将作用块38底面贴合在所述岩层模型42的顶部，并且作用块38对所述岩层模型42的顶部产生压力值为零；

步骤3：驱动所述驱动电机21，带动所述主动盘22转动，进而通过第一活动杆25带动所述第三活动杆36竖直向下运动，从而通过活塞35下压带动弹簧34压缩，对压力传感器34产生压力，并通过作用块38传递给岩层模型42；通过主动盘22的转动，改变弹簧34的压缩，实现对相似模拟实验模型4荷载的改变；

步骤4：所述监测系统5接收步骤3中加载系统3荷载变化的电信号以及相似模拟实验模型4输出的电信号，并对其电信号进行计算与分析；

步骤5：根据实验要求再调整上支撑13的角度来调整加载系统3的角度，从而改变与相似模拟实验模型4的受力角度，再重复上述步骤3和步骤4，对不同角度荷载变化的电信号以及对应的相似模拟实验模型4输出的电信号进行计算与分析，最终实现多角度变幅值、变频率、变周期的动态加载实验过程。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种多角度动载实验加载装置，其特征在于：包括支撑装置、驱动装置、加载系统、相似模拟实验模型和监测系统，所述支撑装置包括下支撑和上支撑，所述上支撑能够转动的固定在两个竖直设置的下支撑上，所述驱动装置和加载系统固定在上支撑上，转动上支撑带动所述驱动装置和加载系统转动，所述驱动装置的驱动端连接所述加载系统，驱动所述驱动装置致使加载系统实现载荷变化，所述加载系统的下方设置所述相似模拟实验模型，且加载系统的底部贴合在所述相似模拟实验模型的顶部，所述监测系统电连接加载系统和相似模拟实验模型。

2.根据权利要求1所述的一种多角度动载实验加载装置，其特征在于：所述驱动装置包括驱动电机、主动盘、第一连接杆、从动盘、第一活动杆和第二活动杆，所述驱动电机固定在所述上支撑上，所述驱动电机的输出端水平设置且连接所述主动盘，所述主动盘相对侧的上支撑上水平固定所述第一连接杆，所述从动盘能够转动的固定在所述第一连接杆的端部，所述从动盘与所述主动盘同轴且竖向平行设置，所述主动盘和从动盘相向侧的同一位置分别能够转动的连接第一活动杆和第二活动杆，所述第一活动杆和第二活动杆远离主动盘和从动盘的一端均能够转动的连接所述加载系统的输入端。

3.根据权利要求2所述的一种多角度动载实验加载装置，其特征在于：所述第一活动杆和第二活动杆均通过万向球轴承与主动盘、从动盘以及加载系统的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种多角度动载实验加载装置，其特征在于：所述加载系统包括第二连接杆、筒体、压力传感器、弹簧、活塞、第三活动杆、第四活动杆和作用块，所述筒体顶部两端分别通过第二连接杆与所述第一连接杆和驱动电机连接，所述筒体内腔由下至上依次设有压力传感器、弹簧、活塞，所述压力传感器顶部通过弹簧连接所述活塞，所述活塞顶部竖直固定所述第三活动杆，所述第三活动杆远离活塞的一端通过万向球轴承与第一活动杆和第二活动连接，所述压力传感器的底部连接第四活动杆一端，所述第四活动杆另一端贯穿所述筒体底面能够转动的连接所述作用块，所述作用块的底面与所述相似模拟实验模型的顶部贴合，所述压力传感器电连接监测系统。

5.根据权利要求4所述的一种多角度动载实验加载装置，其特征在于：所述第一连接杆和第二连接杆均为能够伸缩的电动推杆，所述第二连接杆端部均与所述筒体、第一连接杆和驱动电机铰接。

6.根据权利要求4所述的一种多角度动载实验加载装置，其特征在于：所述相似模拟实验模型包括实验架、岩层模型和变应片，所述实验架上固定所述岩层模型，所述岩层模型内相邻的岩层之间均设置有变应片，所述变应片电连接监测系统，所述作用块的底面贴合所述岩层模型顶面。

7.根据权利要求1所述的一种多角度动载实验加载装置，其特征在于：所述下支撑顶部固定角度调整器，所述角度调整器的输出端连接所述上支撑，驱动角度调整器转动致使所述上支撑实现转动。

8.根据权利要求7所述的一种多角度动载实验加载装置，其特征在于：所述下支撑包括两个可伸缩的支撑杆，所述支撑杆顶部均固定所述角度调整器，所述上支撑为U型架，所述U型架开口朝下设置，所述U型架开口处的两端分别与所述角度调整器的输出端连接。

9.根据权利要求8所述的一种多角度动载实验加载装置，其特征在于：所述下支撑底部还固定有支撑座，所述支撑座底面固定多个滚轮。

10.采用权利要求1-9中任意一项所述的一种多角度动载实验加载装置的实验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：制作满足实验要求的相似模拟实验模型，将相似模拟实验模型与监测系统电连接；

步骤2：将所述支撑装置移动至相似模拟实验模型上方，并且使得加载系统的底部贴合在所述相似模拟实验模型的顶部；

步骤3：驱动所述驱动装置，使得加载系统实现对相似模拟实验模型荷载的变化；

步骤4：所述监测系统接收加载系统荷载变化的电信号以及相似模拟实验模型输出的电信号，并对其电信号进行计算与分析；

步骤5：据实验要求再调整上支撑的角度来调整加载系统的角度，从而改变与相似模拟实验模型的受力角度，再重复上述步骤3和步骤4，对不同角度荷载变化的电信号以及对应的相似模拟实验模型输出的电信号进行计算与分析。

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