CN113916691B - 托板与缓冲垫层组合结构动载测试方法 - Google Patents

托板与缓冲垫层组合结构动载测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种托板与缓冲垫层组合结构动载测试方法，包括以下步骤，将缓冲垫层放置在试验机的设定位置上，将托板放置在缓冲垫层上使试验机的载能体对准托板的中心，托板上设置应变片，托板与缓冲垫层之间、缓冲垫层和试验机之间设置应力计，缓冲垫层侧面设置第一高速摄像监测点，利用高速摄像仪监测第一高速摄像监测点，设置超声波监测装置，设置位移传感器，将载能体调节至设定位置，释放试验机的载能体，试验机的采集系统生成冲击力‑位移曲线、应变时程曲线、声波时程曲线。本发明提供的托板与缓冲垫层组合结构动载测试方法具有多方面检测抗冲击吸能性能、有效检测托板质量和力学性能的优点。

Description

托板与缓冲垫层组合结构动载测试方法
技术领域
本发明涉及试验设备技术领域，尤其涉及一种托板与缓冲垫层组合结构动载测试方法。
背景技术
锚杆托板是煤矿巷道预应力锚杆支护系统中的关键构件之一，其在预应力锚杆支护系统中的作用主要体现在两个方面：一个方面是使锚杆的预应力有效扩散至锚杆周围的围岩中，从而实现锚杆的主动支护作用，另一个方面是将围岩变形产生的载荷传递至锚杆杆体，同时杆体又将变化的载荷反馈给围岩，实现锚杆与围岩的动态相互作用，从而有效控制围岩变形破坏。
在冲击地压巷道中，托板与围岩间的作用力不仅受围岩静载载荷的作用，还会受到冲击动载荷的影响。冲击地压发生时，强烈的冲击造成托板与围岩间的作用力剧增，进而造成托板接触区域围岩破裂、垮落，托板悬空失效。对于强度较高的围岩，托板出现过载弯折、撕裂，甚至造成锚杆破断。因此，托板的力学性能直接关系到锚杆支护在冲击地压巷道中的防冲效果。相关技术中对托板的测试的检测标准单一，且不能准确反应其在煤矿巷道预应力锚杆支护系统所需的力学性能。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
缓冲垫层能有效吸收冲击地压发生时释放的冲击动能，从而减小冲击载荷对锚杆和围岩的作用，但不同的缓冲垫层和托板结构其抗冲击能力和吸能水平差别较大，传统的托板测试只能得到托板的变形和承载力，与托板在工作环境中的实际性能有着脱离，发明人认为对于托板和缓冲垫层的组合结构进行测试更能体现托板在工作环境中的实际性能。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种托板与缓冲垫层组合结构动载测试方法，具有多方面检测抗冲击吸能性能、有效检测托板质量和力学性能的优点。
本发明实施例的托板与缓冲垫层组合结构动载测试方法，包括以下步骤，将缓冲垫层放置在试验机的设定位置上，将托板放置在缓冲垫层上使试验机的载能体对准托板的中心，在托板上设置应变片，在托板与缓冲垫层之间、缓冲垫层和试验机之间设置应力计，在缓冲垫层侧面设置第一高速摄像监测点，利用高速摄像仪监测第一高速摄像监测点，设置用于监测缓冲垫层的超声波监测装置，设置用于监测试验机的载能体位移距离的位移传感器，将载能体调节至设定位置，释放试验机的载能体，试验机的采集系统生成载能体冲击力-位移曲线、托板应变时程曲线、缓冲垫层冲击力-位移曲线、缓冲垫层声波时程曲线。
在本实施例中，本发明实施例的具有的独立权利要求带来的优点和技术效果。
在一些实施例中，还包括动态力传感器，所述动态力传感器设置在载能体底部，应变片粘贴在托板上部。
在一些实施例中，所述试验机还包括煤岩体模拟层和钢支座，所述煤岩体模拟层放置在所述钢支座上，所述缓冲垫层放置在所述煤岩体模拟层上。
在一些实施例中，所述应力计设置在所述缓冲垫层与所述煤岩体模拟层之间、以及设置在煤岩体模拟层与钢支座之间。
在一些实施例中，煤岩体模拟层的侧面设置有第二高速摄像监测点，所述高速摄像仪的数量为两个并分别用于检测所述第一高速摄像监测点和第二高速摄像监测点。
在一些实施例中，第一高速摄像监测点和所述第二高速摄像监测点为分别涂覆在所述缓冲垫层和所述煤岩体模拟层侧面中心位置的标志漆层。
在一些实施例中，所述超声波检测装置包括超声波发射和接收装置，超声波发射和接收装置设置在缓冲垫层和煤岩体模拟层旁侧，超声波发射和接收装置形成的超声波传播路径经过缓冲垫层和煤岩体模拟层中部。
在一些实施例中，在释放试验机的载能体后，所述采集系统还生成煤岩体模拟层冲击力-位移曲线、煤岩体模拟层声波时程曲线。
在一些实施例中，所述载能体为落锤。
在一些实施例中，所述位移传感器包括激光位移计。
附图说明
图1是根据本发明实施例中试验机结构示意图。
图2是根据本发明实施例中不同托板与缓冲垫层组合结构载荷-位移曲线。
图3是根据本发明实施例中不同缓冲垫层下载能体冲击力时程曲线。
图4是根据本发明实施例中不同缓冲垫层下托板应变时程曲线。
附图标记：1、载能体；2、托板；3、缓冲垫层；4、煤岩体模拟层；5、超声波监测装置；6、位移传感器；7、动态力传感器；8、应变片；9、应力计；10、高速摄像仪。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
缓冲垫层3能有效吸收冲击地压发生时释放的冲击动能，从而减小冲击载荷对锚杆和围岩的作用，但不同的缓冲垫层3和托板2结构其抗冲击能力和吸能水平差别较大，传统的托板2测试只能得到托板2的变形和承载力，与托板2在工作环境中的实际性能有着脱离，发明人认为对于托板2和缓冲垫层3的组合结构进行测试更能体现托板2在工作环境中的实际性能。
如图1至图4所示，本发明实施例的托板2与缓冲垫层3组合结构动载测试方法，包括以下步骤，将缓冲垫层3放置在试验机的设定位置上，将托板2放置在缓冲垫层3上使试验机的载能体1对准托板2的中心，保证载能体1对托板2施加中心载荷。在托板2上设置应变片8，应变片8粘贴在托板2的上表面，在托板2与缓冲垫层3之间、缓冲垫层3和试验机之间设置应力计9，在缓冲垫层3侧面设置第一高速摄像监测点，利用高速摄像仪监测第一高速摄像监测点，设置用于监测缓冲垫层3的超声波监测装置5，设置用于监测试验机的载能体1位移距离的位移传感器6，将载能体1调节至设定位置，释放试验机的载能体1，试验机的采集系统生成载能体1冲击力-位移曲线、托板2应变时程曲线、缓冲垫层3冲击力-位移曲线、缓冲垫层3声波时程曲线。
在本实施例中，本发明实施例的通过托板2和缓冲垫层3组合承受载能体1的冲击监测得到载能体1冲击力-位移曲线、托板2应变时程曲线、缓冲垫层3冲击力-位移曲线、缓冲垫层3声波时程曲线等，高速摄像仪捕捉缓冲垫层3在冲击过程中的变形破坏过程，根据采集系统生成的图表分析载能体1冲击过程中托板2、缓冲垫层3、分别吸收的能量和各自的变形破坏情况等，为托板2和缓冲垫层3组合的选择提供依据。图2反映了不同托板2和缓冲垫层4组合结构在不同载荷情况下，托板2和缓冲垫层3组合的位移情况。图3反映了同样的托板2与不同缓冲垫层3相组合，经受载能体冲击得到的冲击力时程曲线，图4反映了同样的托板2与不同缓冲垫层3相组合，经受载能体冲击得到的托板应变时程曲线。
在一些实施例中，还包括动态力传感器7，动态力传感器7设置在载能体1底部，应变片8粘贴在托板2上部。
具体地，动态力传感器7用来采集载能体1冲击过程中的冲击力，托板2形状近似矩形，应变片8分别在托板2上部的对角线位置和边长中部位置粘贴，粘贴完成后采用万用表校核粘贴效果，应变片8用来监测托板2在冲击过程中的应变变化，分析托板2的变形情况，动态力传感器7、应变片8分别将数据发送至试验机的采集系统。
在一些实施例中，试验机还包括煤岩体模拟层4和钢支座，煤岩体模拟层4放置在钢支座上，缓冲垫层3放置在煤岩体模拟层4上。
由此，煤岩体模拟层4设置在缓冲垫层3下方能够反映缓冲垫层3材质、厚度等参数对托板2、煤岩体结构的抗冲击性能的影响，钢支座对煤岩体模拟层4起到固定作用，也对试验机起到保护作用避免载能体1冲击试验机。
在一些实施例中，应力计9设置在缓冲垫层3与煤岩体模拟层4之间、以及设置在煤岩体模拟层4与钢支座之间。
由此，应力计9能够采集载能体1冲击过程中托板2与缓冲垫层3、缓冲垫层3和煤岩体模拟层4、煤岩体模拟层4与钢支座间的作用力，应力计9将数据发送至试验机的采集系统。
在一些实施例中，煤岩体模拟层4的侧面设置有第二高速摄像监测点，高速摄像仪的数量为两个并分别用于检测第一高速摄像监测点和第二高速摄像监测点。
由此，高速摄像仪捕捉冲击过程中缓冲垫层3和煤岩体模拟层4的变形破坏过程，同时采集缓冲垫层3与煤岩体模拟层4的位移。
在一些实施例中，第一高速摄像监测点和第二高速摄像监测点为分别涂覆在缓冲垫层3和煤岩体模拟层4侧面中心位置的标志漆层。
由此，高速摄像仪便于捕捉托板2、缓冲垫层3与煤岩体模拟层4的动态变形破坏过程。
在一些实施例中，超声波检测装置包括超声波发射和接收装置，超声波发射和接收装置设置在缓冲垫层3和煤岩体模拟层4旁侧，超声波发射和接收装置形成的超声波传播路径经过缓冲垫层3和煤岩体模拟层4中部。
具体地，超声波发射装置发射超声波，超声波经过缓冲垫层3、煤岩体模拟层4，超声波接收装置接收超声波，通过实时检测超声波波速来反映缓冲垫层3和煤岩体模拟层4内部结构的变形、破坏过程，超声波接收装置将数据发送至试验机的采集系统。
在一些实施例中，在释放试验机的载能体1后，采集系统还生成煤岩体模拟层4冲击力-位移曲线、煤岩体模拟层4声波时程曲线。
由此，根据煤岩体模拟层4冲击力-位移曲线、煤岩体模拟层4声波时程曲线分析煤岩体模拟层4在冲击过程中吸收的能量和损伤破坏程度，可以确定托板2和缓冲垫层3组合的抗冲击性能。
在一些实施例中，载能体1为落锤。
具体地，试验机选择是落锤式冲击性能试验机。载能体1也可以是摆锤，试验机选择摆锤冲击试验机。
在一些实施例中，位移传感器6包括激光位移计。
具体地，激光位移计采集托板2、缓冲垫层3与煤岩体模拟层4总的位移，能够精确地测量位置位移等变化，无需与载能体1、托板2、缓冲垫层3与煤岩体模拟层4等发生接触，避免了载能体1冲击托板2对激光位移计测量精度的干扰，激光位移计将数据发送至试验机的采集系统。
在一些实施例中，试验时，将缓冲垫层3放置在试验机上，托板2放在缓冲垫层3上方，载能体1选择落锤，调整试样中心对准落锤锤头中部。调整完成后，托板2上方的应变片8接入监测系统，通过动态示波器校核传感器是否正常。调整落锤至指定高度，打开触发装置，落锤自由下落撞击托板2、缓冲垫层3组合结构，完成试验。试验过程中利用安装在落锤中部的动态力传感器7和托板2上部的应变片8获得冲击力时程曲线和应变时程曲线，采用高速摄像仪捕捉冲击过程中托板2、缓冲垫层3组合结构变形破坏过程。试验过程中主要监测落锤锤头冲击力时程曲线、应变时程曲线、托板2组合结构动态变形破坏过程等数据，各种传感器采集的数据通过放大器调幅，再由TDS420动态示波器记录、去噪、处理及记录，数据采集频率为10kHz。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，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，也可以是电连接或彼此可通讯；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，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种托板与缓冲垫层组合结构动载测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
将缓冲垫层放置在试验机的设定位置上，将托板放置在缓冲垫层上使试验机的载能体对准托板的中心；
在托板上设置应变片，在托板与缓冲垫层之间、缓冲垫层和试验机之间设置应力计；
在缓冲垫层侧面设置第一高速摄像监测点，利用高速摄像仪监测第一高速摄像监测点；
设置用于监测缓冲垫层的超声波监测装置；
设置用于监测试验机的载能体位移距离的位移传感器；
将载能体调节至设定位置，释放试验机的载能体，试验机的采集系统生成载能体冲击力-位移曲线、托板应变时程曲线、缓冲垫层冲击力-位移曲线、缓冲垫层声波时程曲线；
动态力传感器，所述动态力传感器设置在载能体底部，应变片粘贴在托板上部；
所述试验机还包括煤岩体模拟层和钢支座，所述煤岩体模拟层放置在所述钢支座上，所述缓冲垫层放置在所述煤岩体模拟层上；
所述应力计还设置在所述缓冲垫层与所述煤岩体模拟层之间、以及设置在煤岩体模拟层与钢支座之间；
煤岩体模拟层的侧面设置有第二高速摄像监测点，所述高速摄像仪的数量为两个并分别用于检测所述第一高速摄像监测点和第二高速摄像监测点；
所述第一高速摄像监测点和所述第二高速摄像监测点为分别涂覆在所述缓冲垫层和所述煤岩体模拟层侧面中心位置的标志漆层。
2.根据权利要求1所述的托板与缓冲垫层组合结构动载测试方法，其特征在于，所述超声波监测装置包括超声波发射和接收装置，超声波发射和接收装置设置在缓冲垫层和煤岩体模拟层旁侧，超声波发射和接收装置形成的超声波传播路径经过缓冲垫层和煤岩体模拟层中部。
3.根据权利要求1所述的托板与缓冲垫层组合结构动载测试方法，其特征在于，在释放试验机的载能体后，所述采集系统还生成煤岩体模拟层冲击力-位移曲线、煤岩体模拟层声波时程曲线。
4.根据权利要求1所述的托板与缓冲垫层组合结构动载测试方法，其特征在于，所述载能体为落锤。
5.根据权利要求1所述的托板与缓冲垫层组合结构动载测试方法，其特征在于，所述位移传感器包括激光位移计。
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