CN114689437A - 一种环形向心静动组合加载试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静动组合加载试验装置技术领域，一种环形向心静动组合加载试验装置，包括框架结构1和加载缸2，所述框架结构1为组合件结构，包括第一支撑12，在所述第一支撑12内部设有第二支撑13，所述第一支撑12与第二支撑13均为圆柱环结构，所述加载缸2嵌于第一支撑12与第二支撑13上；在所述第一支撑12与第二支撑13上表面设有上台面11，在所述第二支撑13的下侧设有待加载试件放置面14；在所述加载缸2一侧设有调节装置3，所述调节装置3包括驱动装置31；本发明具有如下有益效果，可以实现对试件进行环形向心对称和非对称加载试验，也可实现对不同大小冲击试件进行加载；加载承受范围更大；可实现一键同步调节，更大程度地保证了加载的对称性。

Description

一种环形向心静动组合加载试验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及静动组合加载试验装置技术领域，具体地说，涉及一种环形向心静动组合加载试验装置及其使用方法。

背景技术

我国煤炭资源已普遍进入深部开采阶段，深部高应力和强扰动导致冲击地压等动力灾害破坏程度愈加强烈，严重时会造成几百米的巷道瞬间收缩变形、崩塌以及支护体破坏。针对这一工程问题，研发具有抗冲、防冲特性的支护装备，是当前冲击地压等动力灾害矿井在深部开采阶段的急需。现有的巷道支护装备中，O型棚支架(环形的U型钢支架)、拱形门式液压支架是井巷防冲作用最显著、最关键的两种。其中，O型棚支架应用非常广泛、应用量也很大；拱形门式液压支架是提高巷道支护强度、增强支护体系稳定性最显著的支护装备。该两种支护装备在支护方式上都属于圆形巷道断面的支护，在支护中既要承担巷道一圈围岩向内(向巷道内)的压力，又要在突发冲击时承受围岩向巷道内部的冲击作用，如果叠加的载荷超过其的承载能力，则会发生严重变形破坏或垮塌。因此，O型棚支架、拱形门式液压支架的防冲功能设计与性能研究，需要进行环形一周分布的静、动载(冲击)叠加作用的试验或检测，模拟在圆形巷道支护状态中遭受冲击时的响应情况。

现有国内冲击试验机主要有摆锤式冲击试验机、落锤式冲击试验机、霍普金森压杆冲击试验机、单轴液压冲击试验机。其中，摆锤冲击试验机主要是进行材料的冲击性能检测，能级较小，一般只有几百焦耳能量；金属落锤冲击试验机测试范围比较广，测试范围最大的是湖南大学工程结构综合防护研究所的重型超高落锤冲击试验机，能级可达到十万焦耳，速度可达17m/s，但也是单向冲击；霍普金森压杆冲击试验机主要进行小试件的高速冲击测试，子弹冲击速度较大，但能级较小；单轴液压冲击试验机现在国内有吨位达650T的，但也仅限于单向冲击测试。另外，英国的Instron高速冲击试验机以及日本岛津Shimadzu冲击试验机，都是单向冲击试验机。

综上可见，当前各种形式的冲击试验机都不能进行环形加载，满足不了对圆形巷道断面支护装备的环形向心的静、动(冲击)加载需要，所以，急需创新发明一种新型的环形向心加载试验机，以实现对巷道断面支护装备的静动加载试验与检测。

此外，为便于研究，支护装备通常采用不同比例的模型进行试验，同时，也需要研究不同型号的支护装备的性能差异，因此，试验装置平台范围需要具有一定的适应性。

发明内容

本发明的内容是提供一种环形向心静动组合加载试验装置及其使用方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的一种环形向心静动组合加载试验装置，包括框架结构和加载缸，所述框架结构为组合件结构，包括第一支撑，在所述第一支撑内部设有第二支撑，其中，所述第一支撑与第二支撑均为圆柱环结构且同心设置，所述加载缸嵌于第一支撑与第二支撑上；同时在所述第一支撑与第二支撑上表面设有上台面，在所述第二支撑的下侧设有放置待加载试件的加载试件放置面；

在所述加载缸一侧设有调节装置，所述调节装置包括驱动装置，所述驱动装置轴上设有第一驱动轮以同步转动，所述第一驱动轮一侧啮合有第二驱动轮，所述第二驱动轮的轴线与加载缸同轴，且在所述第二驱动轮内侧设有能够同步转动的承载环，所述承载环设于第一支撑与第二支撑之间，所述第二驱动轮设于承载环中间对称位置，同时，所述承载环与加载缸的外表面螺旋连接，在所述承载环两端外侧设有固定环，所述固定环通过螺钉固定于第一支撑与第二支撑上，同时，所述固定环与承载环之间设有减阻环，所述第二驱动轮与固定环之间设有低阻材料。

优选的，所述驱动装置连接手轮，通过手动旋转驱动第一驱动轮旋转。

优选的，所述加载缸的轴线指向第一支撑与第二支撑中心，在框架结构的圆周上设有多个，所述调节装置与加载缸一一对应设置。

优选的，所述第一驱动轮与第二驱动轮均为圆柱齿轮，且所述第一驱动轮的齿数小于第二驱动轮的齿数。

优选的，所述承载环与加载缸之间的螺旋连接是通过高强度梯形螺旋齿进行连接。

优选的，在所述加载缸后侧设有辅助套，所述辅助套包括导向筒，在所述导向筒内圈设有滑槽，在所述滑槽内设有能够发生相对滑动的滑块，所述滑块与加载缸后侧外壁固定设置，所述辅助套还包括用于连接的法兰盘，所述法兰盘能够遮挡住固定环的固定螺钉，所述法兰盘通过螺钉孔与第一支撑固定连接。

优选的，在所述加载缸的活塞杆端部设有加载头，所述加载缸与加载头之间的连接设为球接。

优选的，所述驱动装置连接置于底部的马达，所述马达的输出轴同步驱动第一驱动轮，第一驱动轮与第二驱动轮啮合传动。

优选的，所述第一驱动轮与第二驱动轮均设置为锥齿轮。

优选的，一个所述第一驱动轮与多个第二驱动轮同时啮合传动。

本发明还提供了一种环形向心静动组合加载试验装置的使用方法，包括以下步骤：

①将本发明按所述连接关系进行组装，并配备相应的液压站，在每一个加载缸外侧通过电磁阀与一个蓄能器连通，每一个蓄能器通过相应控制阀与液压站连通，用于提供对待加载试件进行动态加载；同时每个加载缸也通过相应控制阀与液压站连通，构成静态加载回路，用于提供对待加载试件进行静态加载；

②将待加载试件放置在加载试件放置面上，根据试验需求选择需要使用的加载缸，通过转动每个加载缸对应的手轮，调节加载缸至合适位置；

③对与需要使用的加载缸相连通的蓄能器进行蓄能，达到设定能量时停止；

④通过控制系统对加载缸内注入液压油以实现对待加载试件进行静态加载，为防止待加载试件发生移动，可选择对需要使用的加载缸同时注入液压油，各自管路独立，可进一步的提高加载的同步性，加载载荷达到设定值时停止；

⑤通过控制系统控制蓄能器与加载缸之间的电磁阀切换状态，实现快速对加载缸提供大流量以形成对待加载试件进行动态加载，由于蓄能器与加载缸是一对一设置，电磁阀选择为高速响应阀，则形成的动载能够达到冲击效果。

⑥通过静态加载回路切换控制阀状态可实现加载缸的缩回，取出试件残渣，即可完成一次加载试验。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1、本发明加载缸的轴线指向第一支撑与第二支撑中心，在框架结构的圆周上设有多个，实现向心加载；

2、本发明通过调节装置的调节，可以实现对待加载试件进行环形向心对称和非对称加载试验，也可实现在相同加载行程下对不同大小冲击载荷对试件进行加载试验，增加了适应性；

3、本发明在调节加载缸前后位移实现对不同大小冲击载荷对试件进行加载的条件下，其加载承受范围更大；

4、本发明可实现加载缸前后位移一键同步调节，更大程度地保证了加载的对称性。

附图说明

图1为本发明的主视剖切结构示意图；

图2为图1中A处局部放大示意图；

图3为本发明的俯视结构示意图；

图4为本发明在实施例二中的主视剖切结构示意图；

图5为本发明在实施例三中的主视剖切结构示意图。

其中：

1、框架结构；11、上台面；12、第一支撑；13、第二支撑；14、加载试件放置面；2、加载缸；21、加载头；22、滑块；3、调节装置；31、驱动装置；32、第一驱动轮；33、第二驱动轮；34、承载环；35、固定环；36、减阻环；37、手轮；38、马达；4、辅助套；41、导向筒；42、滑槽；43、法兰盘；44、螺钉孔。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例一

如图1～4所示，一种环形向心静动组合加载试验装置，包括框架结构1和加载缸2，框架结构1为组合件结构，可为组焊件，也可为螺栓连接件，包括第一支撑12，在第一支撑12内部设有第二支撑13，其中，第一支撑12与第二支撑13均为圆柱环结构且同心设置，加载缸2嵌于第一支撑12与第二支撑13上；同时在第一支撑12与第二支撑13上表面设有上台面11，在第二支撑13的下侧设有放置待加载试件的加载试件放置面14，用于放置待加载试件；

在加载缸2一侧设有调节装置3，调节装置3包括驱动装置31，驱动装置31轴上设有第一驱动轮32以同步转动，第一驱动轮32一侧啮合有第二驱动轮33，第二驱动轮33的轴线与加载缸2同轴，且在第二驱动轮33内侧设有能够同步转动的承载环34，承载环34设于第一支撑12与第二支撑13之间，第二驱动轮33设于承载环34中间对称位置，同时，承载环34与加载缸2的外表面螺旋连接，在承载环34两端外侧设有固定环35，固定环35通过螺钉固定于第一支撑12与第二支撑13上，同时，固定环35与承载环34之间设有减阻环36，用于减少摩擦，第二驱动轮33与固定环35之间设有低阻材料，方便定位对第二驱动轮33的同时也不干涉旋转。

通过驱动装置31的旋转驱动，使得第一驱动轮32转动，同时带动啮合的第二驱动轮33转动，也带动位于第二驱动轮33内侧且同步转动的承载环34转动，由于承载环34与加载缸2的外表面螺旋连接，为此在承载环旋转的同时，加载缸2也随之做前后移动，实现对不同型号大小的试件进行加载。

优选的，驱动装置31连接手轮37，通过手动旋转进行驱动第一驱动轮32旋转，以调节加载缸2前后位移。

优选的，加载缸2的轴线指向第一支撑12与第二支撑13中心，在框架结构1的圆周上设有多个，调节装置3与加载缸2一一对应设置，形成环形向心加载装置。

设有多个加载缸2和调节装置3，对每个加载缸2进行调节，每个加载缸2的调节量不一样时，可实现试件在加载形成上的环形向心对称与非对称加载。

优选的，第一驱动轮32与第二驱动轮33均为圆柱齿轮，且第一驱动轮32的齿数小于第二驱动轮33的齿数，有利于驱动。

优选的，承载环34与加载缸2之间的螺旋连接是通过高强度梯形螺旋齿进行连接，有利于提高加载缸2的加载承受范围。

优选的，在加载缸2后侧设有辅助套4，辅助套4包括导向筒41，在导向筒41内圈设有滑槽42，在滑槽42内设有能够发生相对滑动的滑块22，滑块22与加载缸2后侧外壁固定设置，辅助套4还包括用于连接的法兰盘43，法兰盘43能够遮挡住固定环35的固定螺钉，法兰盘43通过螺钉孔44与第一支撑12固定连接。

如此设置，避免了加载缸2发生相对转动，有利于加载缸2实现前后移动。

优选的，在加载缸2的活塞杆端部设有加载头21，增大加载作用面积，当加载缸2与加载头21之间的连接设为球接时，可对试件施加一定程度的偏载，提高适应性，在本申请附图中，加载头21设置为螺纹与压力传感器37、形状设置为平面接触，但不仅仅可设置成如此结构，设置为螺栓连接、固定连接也是本申请的保护范围，设置为子弹头形状接触、U型接触的加载头21也是本申请的保护范围，其中，U型接触形状的加载头21，能够将待加载试件进行限制，避免在安装试件时就需要进行静态加载的情况，也可以有效的防止待加载试件受载变形后发生翘边而不继续径向变形的问题发生。

如图1～4所示，本发明还提供了一种环形向心静动组合加载试验装置的使用方法：

①将本发明按所述连接关系进行组装，并配备相应的液压站，在每一个加载缸2外侧通过电磁阀与一个蓄能器连通，每一个蓄能器通过相应控制阀与液压站连通，用于提供对待加载试件进行动态加载；同时每个加载缸2也通过相应控制阀与液压站连通，构成静态加载回路，用于提供对待加载试件进行静态加载；

②将待加载试件放置在加载试件放置面14上，根据试验需求选择需要使用的加载缸2，通过转动每个加载缸2对应的手轮37，调节加载缸2至合适位置，可实现环形向心对称与非对称加载；

③对与需要使用的加载缸2相连通的蓄能器进行蓄能，达到设定能量时停止；

④通过控制系统对加载缸2内注入液压油以实现对待加载试件进行静态加载，为防止待加载试件发生移动，可选择对需要使用的加载缸2同时注入液压油，各自管路独立，可进一步的提高加载的同步性，加载载荷达到设定值时停止；

⑤通过控制系统控制蓄能器与加载缸2之间的电磁阀切换状态，实现快速对加载缸2提供大流量以形成对待加载试件进行动态加载，由于蓄能器与加载缸2是一对一设置，电磁阀选择为高速响应阀，则形成的动载能够达到冲击效果。

⑥通过静态加载回路切换控制阀状态可实现加载缸2的缩回，取出试件残渣，即可完成一次加载试验。

工作原理或使用过程：

将本发明按所述连接关系进行组装，并配备相应的液压站，在每一个加载缸2外侧通过电磁阀与一个蓄能器连通，每一个蓄能器通过相应控制阀与液压站连通，用于提供对待加载试件进行动态加载；同时每个加载缸2也通过相应控制阀与液压站连通，用于提供对待加载试件进行静态加载；将待加载试件放置在加载试件放置面14上，可通过加载需要控制每一个加载缸2外侧通过电磁阀是否启用，可实现加载作用位置是否对称，进一步的实现加载位置的对称与非对称加载；通过转动每个加载缸2对应的手轮37，调节加载缸2至合适位置，可适应不同型号尺寸的加载试件，也可实现加载形成的对称与非对称加载；

对与需要使用的加载缸2相连通的蓄能器进行蓄能，达到设定能量时停止；通过控制系统对加载缸2内注入液压油以实现对待加载试件进行静态加载，为防止待加载试件发生移动，可选择对需要使用的加载缸2同时注入液压油，各自管路独立，可进一步的提高加载的同步性，加载载荷达到设定值时停止；通过控制系统控制蓄能器与加载缸2之间的电磁阀切换状态，实现快速对加载缸2提供大流量以形成对待加载试件进行动态加载，由于蓄能器与加载缸2是一对一设置，电磁阀选择为高速响应阀，则形成的动载能够达到冲击效果。

通过静态加载回路切换控制阀状态可实现加载缸2的缩回，取出试件残渣，即可完成一次加载试验。

实施例二

如图5所示，一种环形向心静动组合加载试验装置，与实施例一相比，其区别在于：驱动装置31连接置于底部的马达38，马达38的输出轴同步驱动第一驱动轮32，第一驱动轮32与第二驱动轮33啮合传动。

同时，第一驱动轮32与第二驱动轮33均设置为锥齿轮。

一个第一驱动轮32与多个第二驱动轮33同时啮合传动。

如此设置，多个加载缸2同步调节去适应不同型号大小的待加载试件，有利于调节的同步性，实现绝对环形向心对称加载。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种环形向心静动组合加载试验装置，包括框架结构(1)和加载缸(2)，其特征在于：所述框架结构(1)为组合件结构，包括第一支撑(12)，在所述第一支撑(12)内部设有第二支撑(13)，其中，所述第一支撑(12)与第二支撑(13)均为圆柱环结构且同心设置，所述加载缸(2)嵌于第一支撑(12)与第二支撑(13)上；同时在所述第一支撑(12)与第二支撑(13)上表面设有上台面(11)，在所述第二支撑(13)的下侧设有放置待加载试件的加载试件放置面(14)；

在所述加载缸(2)一侧设有调节装置(3)，所述调节装置(3)包括驱动装置(31)，所述驱动装置(31)轴上设有第一驱动轮(32)以同步转动，所述第一驱动轮(32)一侧啮合有第二驱动轮(33)，所述第二驱动轮(33)的轴线与加载缸(2)同轴，且在所述第二驱动轮(33)内侧设有能够同步转动的承载环(34)，所述承载环(34)设于第一支撑(12)与第二支撑(13)之间，所述第二驱动轮(33)设于承载环(34)中间对称位置，同时，所述承载环(34)与加载缸(2)的外表面螺旋连接，在所述承载环(34)两端外侧设有固定环(35)，所述固定环(35)通过螺钉固定于第一支撑(12)与第二支撑(13)上，同时，所述固定环(35)与承载环(34)之间设有减阻环(36)，所述第二驱动轮(33)与固定环(35)之间设有低阻材料。

2.根据权利要求1所述的一种环形向心静动组合加载试验装置，其特征在于：所述驱动装置(31)连接手轮(37)，通过手动旋转驱动第一驱动轮(32)旋转。

3.根据权利要求2所述的一种环形向心静动组合加载试验装置，其特征在于：所述加载缸(2)的轴线指向第一支撑(12)与第二支撑(13)中心，在框架结构(1)的圆周上设有多个，所述调节装置(3)与加载缸(2)一一对应设置。

4.根据权利要求3所述的一种环形向心静动组合加载试验装置，其特征在于：所述第一驱动轮(32)与第二驱动轮(33)均为圆柱齿轮，且所述第一驱动轮(32)的齿数小于第二驱动轮(33)的齿数。

5.根据权利要求4所述的一种环形向心静动组合加载试验装置，其特征在于：所述承载环(34)与加载缸(2)之间的螺旋连接是通过高强度梯形螺旋齿进行连接。

6.根据权利要求5所述的一种环形向心静动组合加载试验装置，其特征在于：在所述加载缸(2)后侧设有辅助套(4)，所述辅助套(4)包括导向筒(41)，在所述导向筒(41)内圈设有滑槽(42)，在所述滑槽(42)内设有能够发生相对滑动的滑块(22)，所述滑块(22)与加载缸(2)后侧外壁固定设置，所述辅助套(4)还包括用于连接的法兰盘(43)，所述法兰盘(43)能够遮挡住固定环(35)的固定螺钉，所述法兰盘(43)通过螺钉孔(44)与第一支撑(12)固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种环形向心静动组合加载试验装置，其特征在于：在所述加载缸(2)的活塞杆端部设有加载头(21)，所述加载缸(2)与加载头(21)之间的连接设为球接。

8.根据权利要求1所述的一种环形向心静动组合加载试验装置，其特征在于：所述驱动装置(31)连接置于底部的马达(38)，所述马达(38)的输出轴同步驱动第一驱动轮(32)，第一驱动轮(32)与第二驱动轮(33)啮合传动。

9.根据权利要求8所述的一种环形向心静动组合加载试验装置，其特征在于：所述第一驱动轮(32)与第二驱动轮(33)均设置为锥齿轮；一个所述第一驱动轮(32)与多个第二驱动轮(33)同时啮合传动。

10.根据权利要求1至9所述的任意一一种环形向心静动组合加载试验装置，本发明还提供了一种环形向心静动组合加载试验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

①将本发明按所述连接关系进行组装，并配备相应的液压站，在每一个加载缸(2)外侧通过电磁阀与一个蓄能器连通，每一个蓄能器通过相应控制阀与液压站连通，用于提供对待加载试件进行动态加载；同时每个加载缸(2)也通过相应控制阀与液压站连通，构成静态加载回路，用于提供对待加载试件进行静态加载；

②将待加载试件放置在加载试件放置面(14)，根据试验需求选择需要使用的加载缸(2)，通过转动每个加载缸(2)对应的手轮(37)，调节加载缸(2)至合适位置；

③对与需要使用的加载缸(2)相连通的蓄能器进行蓄能，达到设定能量时停止；

④通过控制系统对加载缸(2)内注入液压油以实现对待加载试件进行静态加载，为防止待加载试件发生移动，可选择对需要使用的加载缸(2)同时注入液压油，各自管路独立，可进一步的提高加载的同步性，加载载荷达到设定值时停止；

⑤通过控制系统控制蓄能器与加载缸(2)之间的电磁阀切换状态，实现快速对加载缸(2)提供大流量以形成对对待加载试件进行动态加载，由于蓄能器与加载缸(2)是一对一设置，电磁阀选择为高速响应阀，则形成的动载能够达到冲击效果。

⑥通过静态加载回路切换控制阀状态可实现加载缸(2)的缩回，取出试件残渣，即可完成一次加载试验。

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