CN116296923A - 一种土工构件自动循环冲击荷载加载装置及加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土工构件自动循环冲击荷载加载装置及加载方法，包括底座、分别设置在底座上且用于放置土工构件的可调高构件承台、用于施加冲击载荷的冲击组件以及为冲击组件提供驱动力的驱动组件，冲击组件的端部设置有冲击锤；土工构件设置在可调高构件承台上，且土工构件的上表面与冲击锤之间设置有力传感器，土工构件的上表面还设置有用于测量冲击土工构件的竖向加速度的加速度传感器；其结构可靠，使用性能好，能够有效地模拟土工构件在多次冲击荷载下的动力特性及损伤的演化规律，并且通过改变参数来调整冲击力的幅值和调整冲击力的频率，模拟土工构件所承受的不同冲击荷载的幅值和频率所产生的差别。

Description

一种土工构件自动循环冲击荷载加载装置及加载方法

技术领域

本发明涉及模拟土工构件抗冲击性能试验技术领域，具体涉及一种土工构件自动循环冲击荷载加载装置及加载方法。

背景技术

我国疆域辽阔，地质结构复杂。在某些使用条件下常要求土工构件能承受多次冲击荷载作用。如修建于地震多发地带的土工构件需要多次承受地震作用；某些山区防灾土工构件(混凝土棚洞板、混凝土梁)，需要承受多次崩塌落石的冲击作用；山区的桥梁桥墩需要承受多次泥石流冲击作用；地下采矿巷道的支护混凝土需要多次承受爆破冲击荷载。针对以上土工构件的应用场景，一般采用落锤试验系统研究构件在较少冲击次数下抗冲击性能，但当冲击次数在10²～10⁴次时，落锤试验系统会出现试验进度缓慢、重复操作过多的问题。因此，有必要设计室内自动循环冲击荷载加载装置来模拟土工构件在多次冲击荷载下的动力特性及损伤的演化规律，并据此对构件的安全服役特性提出合理的维护建议。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种土工构件自动循环冲击荷载加载装置及加载方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种土工构件自动循环冲击荷载加载装置，包括底座、分别设置在底座上且用于放置土工构件的可调高构件承台、用于施加冲击载荷的冲击组件以及为冲击组件提供驱动力的驱动组件，冲击组件的端部设置有冲击锤；

土工构件设置在可调高构件承台上，且土工构件的上表面与冲击锤之间设置有力传感器，土工构件的上表面还设置有用于测量冲击土工构件的竖向加速度的加速度传感器。

进一步地，冲击组件包括设置在底座上的杠杆支座以及活动设置在杠杆支座上的可伸缩连接杆，冲击锤设置在可伸缩连接杆靠近可调高构件承台的端部，驱动组件与可伸缩连接杆远离冲击锤的端部相触接。

进一步地，驱动组件包括设置在底座上的支架、设置在支架上的驱动电机以及配合连接在驱动电机上的主动杆，主动杆做旋转运动并带动可伸缩连接杆绕杠杆支座运动。

进一步地，主动杆的端部设置有滚动滑轮。

进一步地，可伸缩连接杆包括外杆以及位于外杆内部的内杆，外杆的内壁设置有内螺纹，内杆的外部设置有与所述内螺纹相匹配的外螺纹，冲击锤连接在内杆远离所述外杆的端部。

进一步地，可调高构件承台包括伸缩腿以及设置在伸缩腿上端的承台，土工构件设置在所述承台上。

进一步地，冲击锤的下端面设置有垫片。

本发明还提供了一种土工构件自动循环冲击荷载加载装置的加载方法，包括以下步骤：

S1：选择适当尺寸大小的土工构件，并将土工构件安装到可调高构件承台；

S2：选择适当尺寸的各个部件，并将各个部件组装为循环冲击荷载加载装置，并对装置进行调试；

S3：启动驱动电机，使得主动旋转杆带动可伸缩连接杆、冲击锤运动，并根据各部件的尺寸参数计算可伸缩连接杆左端最大旋转位移角、冲击锤的单次冲击动能、冲击锤冲击速度、冲击锤从最大高度下降到水平方向所需的时间与电机最大转动角速度、电机需要提供的最小扭矩、主动杆与可伸缩冲击锤连接杆的强度分析，并结合上述计算结果模拟土工构件的动力特性及损伤的演化规律；

S4：改变相关参数，重复S3步骤，记录相关数据。

进一步地，主动杆的长度按照下式计算：

L₁+L₂＞l₃

L₁—主动杆旋转半径；

L₂—可伸缩冲击锤连接杆左端旋转半径；

L₃—主动杆旋转中心与可伸缩冲击锤连接杆左端旋转中心的距离；

进一步地，摆动杆最大旋转位移角按下式计算：

θ₂＝θ₃-θ₁

θ₁—主动杆旋转中心与可伸缩冲击锤连接杆左端旋转中心的连线与水平线的夹角；

θ₂—可伸缩冲击锤连接杆左端最大旋转位移角；

θ₃—主动杆旋转中心与可伸缩冲击锤连接杆左端旋转中心的连线与可伸缩冲击锤连接杆左端处于最大位移时可伸缩冲击锤连接杆的夹角的小角；

冲击锤的单次冲击能量按下式计算：

g＝ΔHMg

ΔH＝L₄sinθ₂

E——冲击锤的单次冲击能量；

ΔH——冲击锤达到最大上升高度时冲击锤的提升高度；

M——冲击锤质量；

g——重力加速度；

L₄——可伸缩冲击锤连接杆冲击锤中心至滚动轴承中心的距离；

冲击锤冲击速度按下式计算:

v—冲击锤冲击速度；

冲击锤从最大高度下降到水平方向所需的时间与电机最大转动角速度按下式计算：

t—冲击锤从最大高度处下降到水平方向需要的时间；

电机最大转动角速度按下式计算：

ω—电机最大转动角速度；

电机需要提供的最小扭矩：

M₁＝MgL₄

M₁—电机需要提供的最小扭矩；

主动杆与可伸缩冲击锤连接杆的接触压力按下式计算：

F—主动杆与可伸缩冲击锤连接杆的接触压力。

本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种土工构件自动循环冲击荷载加载装置及加载方法，其结构可靠，使用性能好，能够有效地模拟土工构件在多次冲击荷载下的动力特性及损伤的演化规律；该装置利用电机旋转驱动实现自动循环冲击荷载的加载，有效地提高加载效率。并且通过改变参数来调整冲击力的幅值和调整冲击力的频率，模拟土工构件在不同冲击荷载的幅值和频率下的抗冲击性能；

此外，通过此装置对土工构件施加冲击作用，可连续采集土工构件的动力响应，分析土工构件动力特性的演化规律；一定次数的冲击作用之后可停止装置并测试土工构件的冲击损伤程度，对土工构件的损伤演化规律及其服役性能做出评估，并给予相应的维护建议。

附图说明

图1是本发明当冲击锤达到最大上升高度时的构造示意图侧视图；

图2是本发明当冲击锤与土工构件接触时构造示意图侧视图；

图3是本发明当冲击锤与土工构件接触时构造示意图正视图；

图4是本发明当主动杆处于任意位置时构造示意图侧视图；

图5是本发明的驱动机构详细示意图；

图6是本发明的可伸缩冲击锤连接杆在可伸缩部分的详细示意图；

图7是本发明套筒与电机连接部分的构造详细示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图7所示，一种土工构件自动循环冲击荷载加载装置，包括底座1、分别设置在底座1上且用于放置土工构件的可调高构件承台2、用于施加冲击载荷的冲击组件3以及为冲击组件3提供驱动力的驱动组件4，冲击组件3的端部设置有冲击锤5。底座1作为支撑结构，为装置整体提供可靠的支撑性能，用于连接电机支架40、杠杆支座30和可调高构件承台2，并固定再地板之上，防止在冲击过程中试验装置整体产生移动。可调高构件承台2用于支撑土工构件，冲击组件3用于向土工构件施加冲击载荷，旋转组件用于为冲击组件3提供旋转驱动力，进而带动冲击锤5对土工构件进行载荷施加。冲击锤5的下端面设置有垫片8，该垫片8为铝合金垫片8，用于调整冲击荷载频率，可通过改变弹性垫层材料厚度改变所施加的冲击力的频率。

土工构件设置在可调高构件承台2上，且土工构件的上表面与冲击锤5之间设置有力传感器6，土工构件的上表面还设置有用于测量冲击土工构件的竖向加速度的加速度传感器7。可调高构件承台2用于放置土工构件，通过旋转下部的可伸缩部分，来保证冲击组件3上的可伸缩连接杆31处于水平状态。还可以根据不同的试验需求对可调高承台21进行改造，如将板式试件的支撑条件改造为两边支撑、三边支撑、四边支撑。可调高构件承台2包括伸缩腿20以及设置在伸缩腿20上端的承台21，土工构件设置在承台21上。通过伸缩腿20的调节可以实现承台21高的调节，进而带动放置在承台21上的土工构件高度的调节。力传感器6放置于冲击锤5下和土工构件上表面之间，可用于测量施加在冲击试件上的冲击力大小和时程曲线。加速度传感器7放置于构件的上表面，可用于测量冲击试件的竖向加速度，并通过积分获得竖向速度和位移。

冲击组件3包括设置在底座1上的杠杆支座30以及活动设置在杠杆支座30上的可伸缩连接杆31，冲击锤5设置在可伸缩连接杆31靠近可调高构件承台2的端部，驱动组件4与可伸缩连接杆31远离冲击锤5的端部相触接，主动杆42的端部设置有滚动滑轮43。可伸缩连接杆31为刚性杆，通过滚动轴承连接于杠杆支座30上，可伸缩连接杆31的右端与冲击锤5相连，左端与主动杆42上的滚动滑轮43接触，并随着主动杆42旋转驱动力而运动。可伸缩连接杆31中间有一部分为可伸缩杆，可以通过旋转对可伸缩连接杆31进行延长以获得更大的单次冲击能量。

可伸缩连接杆31包括外杆310以及位于外杆310内部的内杆311，外杆310的内壁设置有内螺纹，内杆311的外部设置有与内螺纹相匹配的外螺纹，冲击锤5连接在内杆311远离外杆310的端部。在调整可伸缩连接杆31的长度时，将内杆311绕外杆310的内部旋转即可，通过螺纹连接的自锁性能，也可保证调节后的稳定性能。

驱动组件4包括设置在底座1上的支架40、设置在支架40上的驱动电机41以及配合连接在驱动电机41上的主动杆42，主动杆42做旋转运动并带动可伸缩连接杆31绕杠杆支座30运动。主动杆42与电机主轴转轮之间通过套筒连接，承受电机的驱动力；在套筒上设置方键，在电机主轴转轮上设置与方键相匹配的凹槽，保证套筒与电机主轴转轮之间不产生滑动，将电机驱动力稳定的传递至主动杆42上。在主动杆42末端设置滚动轴承用于减小主动杆42与可伸缩连接杆31之间的接触摩擦力。

在使用时，驱动电机41开始旋转，同时带动主动杆42旋转，转速可根据实际需要进行调整。当主动杆42旋转到与可伸缩连接杆31左端接触位置时，驱动可伸缩连接杆31旋转，此时驱动电机41的电能转化为冲击锤5的重力势能。当主动杆42旋转到要与可伸缩连接杆31最左端脱离时，此时冲击锤5上升到最大高度。下一时刻，主动杆42和可伸缩连接杆31左端自动脱离，电机继续带动着主动杆42旋转，但由于可伸缩冲击锤5连接杆失去了驱动力并在重力的作用下进行顺时针加速运动，最终对试件产生了一定的冲击作用，此时即完成了一次冲击过程，当电机继续旋转可以自动实现上述冲击加载过程。

本发明还提供了一种土工构件自动循环冲击荷载加载装置的加载方法，包括以下步骤：

S1：选择适当尺寸大小的土工构件，并将土工构件安装到可调高构件承台2；

S2：选择适当尺寸的各个部件，并将各个部件组装为循环冲击荷载加载装置，并对装置进行调试；

S3：启动驱动电机41，使得主动旋转杆带动可伸缩连接杆31、冲击锤5运动，并根据各部件的尺寸参数计算可伸缩连接杆31左端最大旋转位移角、冲击锤5的单次冲击动能、冲击锤5冲击速度、冲击锤5从最大高度下降到水平方向所需的时间与电机最大转动角速度、电机需要提供的最小扭矩、主动杆42与可伸缩冲击锤5连接杆的强度分析，并结合上述计算结果模拟土工构件的动力特性及损伤的演化规律；

S4：改变相关参数，重复S3步骤，记录相关数据。

进一步地，主动杆42的长度按照下式计算：

L₁+L₂＞L₃

L₁—主动杆42旋转半径；

L₂—可伸缩冲击锤5连接杆左端旋转半径；

L₃—主动杆42旋转中心与可伸缩冲击锤5连接杆左端旋转中心的距离；

进一步地，摆动杆最大旋转位移角按下式计算：

θ₂＝θ₃-θ₁

θ₁—主动杆42旋转中心与可伸缩冲击锤5连接杆左端旋转中心的连线与水平线的夹角；

θ₂—可伸缩冲击锤5连接杆左端最大旋转位移角；

θ₃—主动杆42旋转中心与可伸缩冲击锤5连接杆左端旋转中心的连线与可伸缩冲击锤5连接杆左端处于最大位移时可伸缩冲击锤5连接杆的夹角的小角；

冲击锤5的单次冲击能量按下式计算：

g＝ΔHMg

ΔH＝L₄sinθ₂

E——冲击锤5的单次冲击能量；

ΔH——冲击锤5达到最大上升高度时冲击锤5的提升高度；

M——冲击锤5质量；

g——重力加速度；

L₄——可伸缩冲击锤5连接杆冲击锤5中心至滚动轴承中心的距离；

冲击锤5冲击速度按下式计算:

v—冲击锤5冲击速度；

冲击锤5从最大高度下降到水平方向所需的时间与电机最大转动角速度按下式计算：

t—冲击锤5从最大高度处下降到水平方向需要的时间；

电机最大转动角速度按下式计算：

ω—电机最大转动角速度；

电机需要提供的最小扭矩：

M₁＝MgL₄

M₁—电机需要提供的最小扭矩；

主动杆42与可伸缩冲击锤5连接杆的接触压力按下式计算：

F—主动杆42与可伸缩冲击锤5连接杆的接触压力。

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 (10)

1.一种土工构件自动循环冲击荷载加载装置，其特征在于，包括底座(1)、分别设置在所述底座(1)上且用于放置土工构件的可调高构件承台(2)、用于施加冲击载荷的冲击组件(3)以及为所述冲击组件(3)提供驱动力的驱动组件(4)，所述冲击组件(3)的端部设置有冲击锤(5)；

所述土工构件放置在所述可调高构件承台(2)上，且所述土工构件的上表面与所述冲击锤(5)之间设置有力传感器(6)，所述土工构件的上表面还设置有用于测量冲击土工构件的竖向加速度的加速度传感器(7)。

2.根据权利要求1所述的土工构件自动循环冲击荷载加载装置，其特征在于，所述冲击组件(3)包括设置在底座(1)上的杠杆支座(30)以及活动设置在所述杠杆支座(30)上的可伸缩连接杆(31)，所述冲击锤(5)设置在所述可伸缩连接杆(31)靠近所述可调高构件承台(2)的端部，所述驱动组件(4)与所述可伸缩连接杆(31)远离所述冲击锤(5)的端部相触接。

3.根据权利要求2所述的土工构件自动循环冲击荷载加载装置，其特征在于，所述驱动组件(4)包括设置在底座(1)上的支架(40)、设置在所述支架(40)上的驱动电机(41)以及配合连接在所述驱动电机(41)上的主动杆(42)，所述主动杆(42)做旋转运动并带动所述可伸缩连接杆(31)绕杠杆支座(30)运动。

4.根据权利要求3所述的土工构件自动循环冲击荷载加载装置，其特征在于，所述主动杆(42)的端部设置有滚动滑轮(43)。

5.根据权利要求2所述的土工构件自动循环冲击荷载加载装置，其特征在于，所述可伸缩连接杆(31)包括外杆(310)以及位于所述外杆(310)内部的内杆(311)，所述外杆(310)的内壁设置有内螺纹，所述内杆(311)的外部设置有与所述内螺纹相匹配的外螺纹，所述冲击锤(5)连接在所述内杆(311)远离所述外杆(310)的端部。

6.根据权利要求1所述的土工构件自动循环冲击荷载加载装置，其特征在于，所述可调高构件承台(2)包括伸缩腿(20)以及设置在所述伸缩腿(20)上端的承台(21)，所述土工构件设置在所述承台(21)上。

7.根据权利要求5所述的土工构件自动循环冲击荷载加载装置，其特征在于，所述冲击锤(5)的下端面设置有垫片(8)。

8.一种基于权利要求1至7任一项所述的土工构件自动循环冲击荷载加载装置的加载方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：选择适当尺寸大小的土工构件，并将土工构件安装到可调高构件承台(2)；

S2：选择适当尺寸的各个部件，并将各个部件组装为循环冲击荷载加载装置，并对装置进行调试；

S3：启动驱动电机(41)，使得主动旋转杆带动可伸缩连接杆(31)、冲击锤(5)运动，并根据各部件的尺寸参数计算可伸缩连接杆(31)左端最大旋转位移角、冲击锤(5)的单次冲击动能、冲击锤(5)冲击速度、冲击锤(5)从最大高度下降到水平方向所需的时间与电机最大转动角速度、电机需要提供的最小扭矩、主动杆(42)与可伸缩冲击锤(5)连接杆的强度分析，并结合上述计算结果模拟土工构件的动力特性及损伤的演化规律；

S4：改变相关参数，重复S3步骤，记录相关数据。

9.根据权利要求8所述的土工构件自动循环冲击荷载加载装置的加载方法，其特征在于，主动杆(42)的长度按照下式计算：

L₁+L₂＞L₃

L₁—主动杆(42)旋转半径；

L₂—可伸缩冲击锤(5)连接杆左端旋转半径；

L₃—主动杆(42)旋转中心与可伸缩冲击锤(5)连接杆左端旋转中心的距离。

10.根据权利要求8所述的土工构件自动循环冲击荷载加载装置的加载方法，其特征在于，

摆动杆最大旋转位移角按下式计算：

θ₂＝θ₃-θ₁

θ₁—主动杆(42)旋转中心与可伸缩冲击锤(5)连接杆左端旋转中心的连线与水平线的夹角；

θ₂—可伸缩冲击锤(5)连接杆左端最大旋转位移角；

θ₃—主动杆(42)旋转中心与可伸缩冲击锤(5)连接杆左端旋转中心的连线与可伸缩冲击锤(5)连接杆左端处于最大位移时可伸缩冲击锤(5)连接杆的夹角的小角；

冲击锤(5)的单次冲击能量按下式计算：

E＝ΔHMg

E——冲击锤(5)的单次冲击能量；

ΔH——冲击锤(5)达到最大上升高度时冲击锤(5)的提升高度；

M——冲击锤(5)质量；

g——重力加速度；

L₄——可伸缩冲击锤(5)连接杆冲击锤(5)中心至滚动轴承中心的距离；

冲击锤(5)冲击速度按下式计算:

v—冲击锤(5)冲击速度；

冲击锤(5)从最大高度下降到水平方向所需的时间与电机最大转动角速度按下式计算：

t—冲击锤(5)从最大高度处下降到水平方向需要的时间；

电机最大转动角速度按下式计算：

ω—电机最大转动角速度；

电机需要提供的最小扭矩：

M₁—电机需要提供的最小扭矩；

主动杆(42)与可伸缩冲击锤(5)连接杆的接触压力按下式计算：

F—主动杆(42)与可伸缩冲击锤(5)连接杆的接触压力。

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