CN117907109A - 一种自适应环向力学加载系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应环向力学加载系统，包括第一反力架和第二反力架，第一反力架和第二反力架均为环状且之间设有多个加载组件，其特征在于，加载组件包括加载液压缸，加载液压缸的缸体与转轴连接，加载液压缸的活塞杆与分配梁万向连接，转轴与第一反力架和第二反力架转动连接，转轴一端伸出至第一反力架外侧并与安装在第一反力架外侧面的角度调节机构连接，第二反力架的外侧面设有抱夹机构以夹持固定转轴的另一端，本发明的环向力学加载系统适用性强。

Description

一种自适应环向力学加载系统

技术领域

本发明涉及土木工程试验设备技术领域，具体涉及一种自适应环向力学加载系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

随着隧道数量、长度、宽度、行车速度、车辆密度的日益增大，隧道发生事故的风险也越来越突出。评估隧道结构的承载能力、揭示灾变环境下隧道结构的真实相应规律对于隧道设计与工程安全至关重要。通过模型试验，设计出反力加载系统，对隧道结构受力进行模拟，广泛应用于围岩稳定分析、灾变响应规律等方面的研究。

专利CN113008685B公开了一种加载位置可调的多点加载自平衡反力系统，配合其实施方法能够解决现有技术中反力加载系统不能实现加载位置调整、系统自平衡的问题，实现了自适应环向力学加载，但是发明人发现，上述专利的技术方案中，通过电动推杆将分配梁的距离进行调整，然后利用液压缸进行加载，锁止组件通过第二伸缩杆带动刚性楔块嵌入固定杆的凹槽中以进行距离调整后的锁定，采用此种方式，当收到较大荷载作用下，刚性楔块回产生微变形，发生咬合锁死，影响后续试验的进行，而且角度调节机构设置在两个反力架之间，采用电动伸缩杆来进行角度调节，一方面，将电动伸缩杆设置在两个反力架之间，所能够应用的电动伸缩杆的尺寸和规格受限，其承载能力也受限，无法满足大荷载试验的需求，另一方面，依靠电动伸缩杆自身的锁紧对转动块转动一定角度后进行锁紧，也无法满足大荷载试验的需求，综上所述，上述专利的方案适用性较差。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种自适应环向力学加载系统，克服了现有自适应反力加载系统所存在的缺陷，适用性强。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种自适应环向力学加载系统，包括第一反力架和第二反力架，第一反力架和第二反力架均为环状且之间设有多个加载组件，加载组件包括加载液压缸，加载液压缸的缸体与转轴连接，加载液压缸的活塞杆与分配梁万向连接，转轴与第一反力架和第二反力架转动连接，转轴一端伸出至第一反力架外侧并与安装在第一反力架外侧面的角度调节机构连接，第二反力架的外侧面设有抱夹机构以夹持固定转轴的另一端。

可选的，所述角度调节机构包括连杆，转轴与连杆的一端固定，连杆的另一端与角度调节液压缸的活塞杆铰接，角度调节液压缸的缸体与固定座铰接，固定座固定在第一反力架外侧面。

可选的，所述连杆上安装有倾角传感器以检测其转动角度。

可选的，所述抱夹机构包括相对设置的第一支座和第二支座，第一支座和第二支座固定在第二反力架外侧面，第一支座固定有第一夹持液压缸，第二支座固定有第二夹持液压缸，第一夹持液压缸的活塞杆固定有第一夹持块，第二夹持液压缸的活塞杆固定有第二夹持块。

可选的，第一夹持块和第二夹持块用于与转轴端部接触的侧面为与转轴相匹配的弧形面。

可选的，所述加载液压缸的活塞杆通过球铰支座与分配梁连接以实现与分配梁的万向连接。

可选的，所述分配梁与加载液压缸的缸体端部之间设有磁致伸缩传感器以检测加载液压缸活塞杆的伸出距离。

可选的，所述转轴包括第一轴段、第二轴段以及设在第一轴段和第二轴段之间的套筒，套筒套在加载液压缸的缸体外周并与加载液压缸的缸体固定连接，第一轴段与第一反力架转动连接，第二轴段与第二反力架转动连接。

可选的，第一反力架固定有第一承载梁，第一轴段同轴穿过第一承载梁，第一承载梁两端通过轴承组件与第一轴段转动连接，第二反力架固定有第二承载梁，第二轴段同轴穿过第二承载梁，第二承载梁两端通过轴承组件与第二轴段转动连接。

可选的，第一承载梁两端设有端盖并通过端盖与第一反力架固定连接，第二承载梁两端设有端盖并通过端盖与第二反力架固定连接。

本发明的有益效果如下：

1.本发明的加载系统，角度调节机构设置在第一反力架的外侧，同时第二反力架的外侧设有抱夹机构，抱夹机构能够夹持住转轴，角度调节机构的选型及安装不受第一反力架和第二反力架的影响，能够选择承载力较大的角度调节机构，同时结合抱夹机构，通过抱夹机构和角度调节机构自身的锁紧力共同承载加载反力，满足了较大加载荷载的需求，提高了整个加载系统的适用性。

2.本发明的加载系统，采用加载液压缸直接与分配梁万向连接来实现加载，与现有的采用电动推杆进行距离调节，然后采用液压缸进行加载相比，省去了刚性楔块、固定杆等锁止组件，避免了较大荷载工况下的咬合锁死现象，保证了加载系统的正常工作。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例1整体结构示意图；

图2是本发明实施例1局部剖切后结构示意图；

图3是本发明实施例1加载组件与角度调节机构以及抱夹机构配合示意图；

图4是本发明实施例1加载液压缸内部局部放大示意图；

图5是本发明图3沿平行于第一反力架和第二反力架方向的截面示意图；

图6是本发明图3沿垂直于第一反力架和第二反力架方向的截面示意图；

图7是本发明实施例1磁致伸缩传感器设置示意图；

图8是本发明实施例1角度调节机构结构示意图；

图9是本发明实施例1抱夹机构结构示意图；

其中，1.第一反力架，2.加载组件，3.第二反力架，4.角度调节机构，5.抱夹机构，6.转轴，7.第二承载梁，8.第一承载梁，9.盖板，10.调心轴承，11.推力轴承；

2-1.加载液压缸，2-2.活塞，2-3.活塞杆，2-4.分配梁，2-5.球铰支座，2-6.磁致伸缩传感器；

4-1.角度调节液压缸，4-2.缸座，4-3.铰接轴，4-4.固定座，4-5.铰接座，4-6.连杆，4-7.固定筒，4-8.倾角传感器；

5-1.第一支座，5-2.第二支座，5-3.第一夹持液压缸，5-4.第一夹持块，5-5.第二夹持液压缸，5-6.第二夹持块；

6-1.第一轴段，6-2.第二轴段，6-3.套筒。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种自适应环向力学加载系统，如图1-图2所示，包括第一反力架1和第二反力架3，第一反力架1和第二反力架3平行设置，第一反力架1和第二反力架3均为环形结构，第一反力架1和第二反力架3的底端固定在底座上。

第一反力架1和第二反力架3采用空心结构，采用多段2cm厚的钢构件焊接而成，减少了两个反力架的材料用量，降低了设备的加工制作成本，第一反力架1和第二反力架3的其余结构以及底座的结构采用专利CN113008685B中公开的技术方案即可，在此不进行详细叙述。

本实施例的反力架的设置方式，在对模型加载时，能够实现系统的自平衡。

所述第一反力架1和第二反力架3之间的空间设置有多组加载组件2，优选的，设置有九组加载组件2，可满足不同断面的隧道模型在任意方向的承载需求。所述第一反力架1和第二反力架3设置有九个加载孔位，用于安装加载组件。

与专利CN113008685B中公开的技术方案相比，本实施例对加载组件的结构进行改进。

如图3-图7所示，所述加载组件2包括加载液压缸2-1，加载液压缸2-1设置在第一反力架1和第二反力架3之间，加载液压缸2-1的活塞杆行程不小于2米，满足加载需求。

加载液压缸2-1内具有活塞2-2，活塞2-2与活塞杆2-3连接。

加载液压缸2-1的活塞杆端部万向连接有分配梁2-4，分配梁2-4用于与隧道模型接触并对隧道模型施加荷载。

优选的，所述加载液压缸2-1的活塞杆2-3端部通过球铰支座2-5与分配梁2-4连接以实现与分配梁的万向连接。

与专利CN113008685B中记载的采用两个液压缸与分配梁连接相比，分配梁与加载液压缸万向连接可以适应不同形状的试件要求。

本实施例中，采用加载液压缸2-1直接对隧道模型进行加载，而无需首选利用电动推杆调节液压缸的位置，然后利用液压缸进行加载，省去了锁紧组件的设置，使得设备更加简化，省去了刚性楔块、固定杆等锁止组件，避免了较大荷载工况下的咬合锁死现象，保证了加载系统的正常工作。

所述加载液压缸2-1的缸体端部与分配梁2-4之间设置有磁致伸缩传感器2-6以检测加载液压缸2-1的活塞杆2-3伸出距离，从而控制加载载荷大小。加载载荷大小也可通过安装在加载液压缸2-1供油油路上的油压传感器进行控制。

所述加载液压缸2-1的缸体与转轴6连接，转轴6穿过第一反力架1和第二反力架3并与第一反力架1和第二反力架3转动连接以实现加载液压缸2-1角度的调节。

所述第一反力架1外侧面设置有角度调节机构4，角度调节机构4与转轴6伸出至第一反力架1外侧的端部连接以带动转轴6绕自身轴线转动，进而实现加载液压缸2-1的角度调节。

所述第二反力架3外侧面设置有抱夹机构5，抱夹机构5用于夹紧转轴6伸出至第二反力架3外侧的端部，进而实现转轴6的锁紧固定。

如图8所示，所述角度调节机构4包括角度调节液压缸4-1，角度调节液压缸4-1的缸体固定在缸座4-2上，缸座4-2通过铰接轴4-3与固定座4-4转动连接，固定座4-4通过多个螺栓固定在第一反力架的外侧面。

角度调节液压缸4-1的活塞杆端部设有一个铰接座4-5，并通过铰接座4-5和铰接轴与连杆4-6的一端铰接，连杆4-6的另一端设有固定筒4-7，固定筒4-7套在转轴伸出至第一反力架端部的外周并与转轴固定连接。

角度调节液压缸4-1的活塞杆的伸缩运动能够通过连杆4-6带动转轴6绕自身轴线转动。

如图9所示，所述抱夹机构5固定在第二反力架3的外侧面，所述抱夹机构5包括第一支座5-1和第二支座5-2，第一支座5-1和第二支座5-2相对设置且设置在转轴6伸出第二反力架3外侧端部的两侧，即第一支座5-1和第二支座5-2间隔180°设置。

第一支座5-1通过多个螺栓与第二反力架3的外侧面固定，第二支座5-2通过多个螺栓与第二反力架3的外侧面固定。

第一支座5-1与第一夹持液压缸5-3的缸体端部固定连接，第一夹持液压缸5-3的活塞杆端部连接有第一夹持块5-4，第二支座5-2与第二夹持液压缸5-5的缸体端部固定连接，第二夹持液压缸5-5的活塞杆端部连接有第二夹持块5-6，第一夹持液压缸5-3和第二夹持液压缸5-5同轴相对设置，第一夹持块5-4和第二夹持块5-6用于夹持转轴伸6出至第二反力架3外侧的端部，第一夹持液压缸5-3和第二夹持液压缸5-5能够带动第一夹持块5-4和第二夹持块5-6做相向或远离运动，进而实现对转轴夹紧和松开状态的切换。

所述第一夹持块5-4和第二夹持块5-6相对的侧面即用于与转轴6接触的侧面采用与转轴6相匹配的弧形面，且进行粗糙处理以增大与转轴6之间的摩擦力。更好的对转轴6进行锁紧固定。

所述连杆4-6上安装有倾角传感器4-8以检测其转动角度，倾角传感器采用现有的单轴倾角传感器即可，当倾角传感器检测到转轴6转动达到设定角度后，第一夹持液压缸5-3和第二夹持液压缸5-5工作，利用第一夹持块5-4和第二夹持块5-6夹紧转轴，实现转轴的锁紧。

本实施例中，所述转轴6包括同轴设置的第一轴段6-1和第二轴段6-2，第一轴段6-1和第二轴段6-2之间设有套筒6-3，套筒6-3套在加载液压缸2-1的缸体外周并通过加载液压缸缸体2-1端部设置的法兰盘2-7和多个螺栓与加载液压缸2-1的缸体固定连接。

所述第一轴段6-1穿过第一反力架1，第一反力架1内部设置有第一承载梁8，第一承载梁8同轴套在第一轴段6-1外周，第一承载梁8的两端设置有盖板9，两端的盖板9分别通过螺栓与第一反力架1的内侧面和外侧面固定以实现第一承载梁8的固定，第一承载梁8的两个端部与第一反力架1的内表面之间设有加劲板以增强整个第一反力架1的结构强度。

所述第一承载梁8的两个端部通过轴承组件与第一轴段6-1转动连接，轴承组件包括调心轴承10和推力轴承11，其中，调心轴承10位于推力轴承11的内侧。

第一承载梁8外端部的轴承组件利用套在转轴6端部外周的固定筒4-7进行轴向定位，第一承载梁8内端部的轴承组件利用第一轴段6-1设置的轴肩结构进行轴向定位。

所述第二轴段6-2穿过第二反力架3，第二反力架3内部设置有第二承载梁7，第二承载梁7同轴套在第二轴段6-2外周，第二承载梁7的两端设置有盖板9，两端的盖板9分别通过螺栓与第二反力架3的内侧面和外侧面固定以实现第二承载梁7的固定，第二承载梁7的两个端部与第二反力架3内表面之间设有加劲板以增强整个第二反力架3的结构强度。

所述第二承载梁7的两个端部通过轴承组件与第二承载梁7转动连接，轴承组件包括调心轴承10和推力轴承11，其中，调心轴承10位于推力轴承11的内侧。

第二承载梁7外端部的轴承组件利用套在转轴6端部的挡圈进行轴向定位，第二承载梁7内端部的轴承组件利用第二轴段6-2设置的轴肩结构进行轴向定位。

由于转轴6能够转动，因此加载液压缸2-1的角度能够调节，而且分配梁2-4与加载液压缸2-1的活塞杆2-3万向连接，对不同截面尺寸和形状的隧道模型均可适用。

本实施例的环向力学加载系统的工作方法为：

角度调节机构根据试验模型加载点的角度要求，通过角度调节液压缸4-1带动转轴6转动，对加载液压缸2-1和分配梁2-4的角度进行调整，实现满足圆形、矩形、椭圆形、多边形、马蹄形、双圆形组合式等多种断面形式要求的调节，角度传感器检测到角度达到要求后，第一夹持液压缸5-3和第二夹持液压缸5-5工作，将转轴6夹紧。

角度调节完成后，加载液压缸2-1工作，其活塞杆2-3通过分配梁2-4向隧道模型施加荷载，荷载的大小根据磁致伸缩位移传感器2-6或油压传感器进行控制。

本实施例的加载系统，角度调节液压缸4-1设置在第一反力架1的外侧，同时第二反力架3的外侧设有抱夹机构5，抱夹机构5能够夹持住转轴6，角度调节液压缸4-1的选型及安装不受第一反力架1和第二反力架3之间空间的影响，能够选择承载力较大的角度调节液压缸4-1，同时结合抱夹机构5，通过抱夹机构5和角度调节液压缸4-1自身的锁紧力共同承载加载反力，满足了较大加载荷载的需求，提高了整个加载系统的适用性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应环向力学加载系统，包括第一反力架和第二反力架，第一反力架和第二反力架均为环状且之间设有多个加载组件，其特征在于，加载组件包括加载液压缸，加载液压缸的缸体与转轴连接，加载液压缸的活塞杆与分配梁万向连接，转轴与第一反力架和第二反力架转动连接，转轴一端伸出至第一反力架外侧并与安装在第一反力架外侧面的角度调节机构连接，第二反力架的外侧面设有抱夹机构以夹持固定转轴的另一端。

2.如权利要求1所述的一种自适应环向力学加载系统，其特征在于，所述角度调节机构包括连杆，转轴与连杆的一端固定，连杆的另一端与角度调节液压缸的活塞杆铰接，角度调节液压缸的缸体与固定座铰接，固定座固定在第一反力架外侧面。

3.如权利要求2所述的一种自适应环向力学加载系统，其特征在于，所述连杆上安装有角度传感器以检测其转动角度。

4.如权利要求1所述的一种自适应环向力学加载系统，其特征在于，所述抱夹机构包括相对设置的第一支座和第二支座，第一支座和第二支座固定在第二反力架外侧面，第一支座固定有第一夹持液压缸，第二支座固定有第二夹持液压缸，第一夹持液压缸的活塞杆固定有第一夹持块，第二夹持液压缸的活塞杆固定有第二夹持块。

5.如权利要求4所述的一种自适应环向力学加载系统，其特征在于，第一夹持块和第二夹持块用于与转轴端部接触的侧面为与转轴相匹配的弧形面。

6.如权利要求1所述的一种自适应环向力学加载系统，其特征在于，所述加载液压缸的活塞杆通过球铰支座与分配梁连接以实现与分配梁的万向连接。

7.如权利要求1所述的一种自适应环向力学加载系统，其特征在于，所述分配梁与加载液压缸的缸体端部之间设有磁致伸缩传感器以检测加载液压缸活塞杆的伸出距离。

8.如权利要求1所述的一种自适应环向力学加载系统，其特征在于，所述转轴包括第一轴段、第二轴段以及设在第一轴段和第二轴段之间的套筒，套筒套在加载液压缸的缸体外周并与加载液压缸的缸体固定连接，第一轴段与第一反力架转动连接，第二轴段与第二反力架转动连接。

9.如权利要求1所述的一种自适应环向力学加载系统，其特征在于，第一反力架固定有第一承载梁，第一轴段同轴穿过第一承载梁，第一承载梁两端通过轴承组件与第一轴段转动连接，第二反力架固定有第二承载梁，第二轴段同轴穿过第二承载梁，第二承载梁两端通过轴承组件与第二轴段转动连接。

10.如权利要求9所述的一种自适应环向力学加载系统，其特征在于，第一承载梁两端设有端盖并通过端盖与第一反力架固定连接，第二承载梁两端设有端盖并通过端盖与第二反力架固定连接。