CN203981556U - 一种可实现机械加载和液压加载的相似材料模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可实现机械加载和液压加载的相似材料模拟实验装置，该装置包括主体部分、机械加载部分和液压加载部分，机械加载部分包括杠杆、砝码、螺杆、横梁槽钢及支撑装置。液压加载部分包括上覆槽钢、两侧槽钢、水袋、耐压水管和稳压加载系统。所述机械加载是通过杠杆原理实现的，所述液压加压是稳压加载系统通过耐压水管向水袋注水实现的。本实用新型具有以下优点：本实用新型生产成本低，结构简单，容易操作。本实用新型的压力在一定范围内可以任意调节，可实现均匀加载和非均匀加载，可以满足多种实验条件的模拟研究要求。本实用新型对矿山压力、岩层运动规律及井下巷道等围岩应力应变的研究等具有积极的作用。

Description

一种可实现机械加载和液压加载的相似材料模拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种可以调节和拆卸的相似材料模拟实验装置，具体涉及一种可实现机械加载和液压加载的相似材料模拟实验装置。

背景技术

相似材料模拟实验是用来模拟煤层开采环境下围岩的应力、位移和变形等，通过模拟相似材料的开挖再现煤层开采时出现的各种矿山压力现象，是采矿工程研究现场问题的有效方法之一。矿山开采中对煤层覆岩移动规律、顶板垮落规律、工作面开采后顶板移动特征与形态的研究，是采矿工程学科的一个重要课题之一。

采矿工程涉及影响因素多、物理过程复杂、受人为扰动严重的力学问题，因此人们难以十分清楚地掌握影响问题的全部因素，无法准确地获得煤岩体应力应变关系的本构关系，无法得到问题精确的理论解。而现场实测周期长、人力及物力耗费大，受现场条件限制、局限性大，煤岩体内部应力变化测试难度大，现有矿山测试仪器、仪表技术落后，其它领域较先进的仪器、仪表又无法适应矿山井下恶劣的工作环境。因此，相似材料模拟实验就显得尤为重要，相似材料模拟可人为控制和改变实验条件，从而可确定单因素或多因素对矿山压力影响的规律，实验效果清楚直观，实验周期短、见效快，是一种行之有效的研究方法。目前各种框架模型实验装置均为单一加载结构，单一加载结构的实验装置难以满足多种实验条件的模拟研究。

实用新型内容

本实用新型的目的是为解决上述问题而提供了一种可实现机械加载和液压加载的相似材料模拟实验装置。本实用新型采用了机械加载和液压加载两种不同的压力加载方式，可以实现均匀加载和非均匀加载，能够满多种实验条件模拟要求。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种可实现机械加载和液压加载的相似材料模拟实验装置，该装置包括主体部分、机械加载部分和液压加载部分，所述主体部分包括立柱(1)、底座上横梁(2)、底座下横梁(3)、底座斜梁(5)和侧板(7)，立柱(1)、底座上横梁(2)、底座下横梁(3)、底座立柱(4)、底座斜梁(5)之间通过焊接连接形成一个刚性整体并通过螺栓固定在地基(6)上，立柱(1)中间设有可拆卸的侧板(7)，机械加载部分包括杠杆(8)、砝码(9)、螺杆(10)、横梁槽钢(11)及支撑装置(12)，横梁槽钢(11)通过螺栓、螺母固定在立柱(1)上，横梁槽钢(11)上、下腿上分别设有30个等间距的小孔，横梁槽钢(11)下腿每个孔口处焊接一个螺母，螺杆(10)穿过横梁槽钢(11)上腿孔口固定在下腿孔口螺母上，旋转螺杆(10)调节旋转螺杆(10)与横梁槽钢(11)的相对高度；在铺设岩层上放置支撑装置(12)，在支撑装置(12)与螺杆(10)之间放置杠杆(8)，调节螺杆(10)高度使杠杆(8)处于水平状态，杠杆(8)另一端设有砝码(9)。液压加载部分包括上覆槽钢(16)、两侧槽钢(17)、水袋(13)、耐压水管(14)和稳压加载系统(15)，两侧槽钢(17)通过螺栓、螺母固定在立柱(1)两侧，在铺设岩层上放置水袋(13)，水袋上放置上覆槽钢(16)，上覆槽钢(16)通过螺栓、螺母固定在两侧槽钢(17)上，水袋(13)通过耐压水管(14)连接稳压加载系统(15)。

支撑装置(12)有30个，其下部为铁板，上部焊接两个弧形铁板，铁板中部设有小圆孔，两个小孔之间用铁圆柱连接，作为杠杆的支点。

本实用新型具有以下优点：

本实用新型生产成本低，结构简单，容易操作。本实用新型的压力在一定范围内可以任意调节，可实现均匀加载和非均匀加载，可以满足多种实验条件的模拟研究要求。本实用新型对矿山压力、岩层运动规律及井下巷道等围岩应力应变的研究等具有积极的作用。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型的主体部分结构示意图；

图2为本实用新型的机械加载部分结构示意图；

图3为本实用新型的液压加载部分结构示意图；

图4为本实用新型的机械加载部分的主视图；

图5为本实用新型的机械加载部分的侧视图；

图6为本实用新型的机械加载部分的俯视图；

图7为本实用新型的液压加载部分的主视图；

图8为本实用新型的液压加载部分的侧视图；

图9为本实用新型的液压加载部分的俯视图。

具体实施方式

1、主体部分：

如图1所示：主体部分包括立柱1、底座上横梁2、底座下横梁3、底座立柱4、底座斜梁5、侧板7。其中立柱1、底座上横梁2、底座下横梁3、底座立柱4、侧板7材料均为20#槽钢，底座斜梁5为角钢。立柱1、底座上横梁2、底座下横梁3、底座立柱4、底座斜梁5通过焊接连接形成一个刚性整体，并通过螺栓固定在地基6上。

底座上横梁2、底座下横梁3的长度均为3000mm，底座立柱4高为500mm，两侧的立柱1高2500mm，立柱两帮中间设有直径为18mm的小孔，起始小孔距立柱底端距离为550mm，孔间距往上均为100mm直到立柱顶端。

侧板7有18个，长度为3150mm，侧板两端分别设有两个小孔，直径为18mm，小孔距槽钢端部37.5mm，距槽钢横向边缘50mm，小孔间距为100mm。侧板可通过螺栓、螺母固定在立柱1上。

2、机械加载部分：

如图2所示：机械加载部分包括杠杠8、砝码9、螺杆10、横梁槽钢11及支撑装置12，具体连接方式如图2所示。其中横梁槽钢11材料为20﹟槽钢，与侧向挡板7相比在槽钢的上、下腿上设有30个小孔，小孔距槽钢端部125mm，间距为100mm，其中上腿的小孔直径为20mm，下腿的小孔直径为16mm。在直径为16mm的小孔内侧焊接上高度为40mm，外径为40mm，内径为16mm的螺母。螺杆10有30个，长度为400mm，其中螺栓头长50mm，直径为20mm部分长150mm，螺纹部分直径为16mm，长200mm，三段依次连接。支撑装置12有30个，其下部为长200mm、宽为100mm、高为10mm的铁板，上部焊接这两个高40mm、长80mm、厚度为10mm的弧形铁板，铁板中部设有直径为12mm的小圆孔，两个小孔之间用铁圆柱连接，作为杠杆的支点。砝码9有150个，其长宽皆为90mm、高为45mm的铁块，铁块中部设有长45mm、宽6mm、高4.5mm的缝隙，以方便挂用。杠杆8为长1552.5mm、宽10mm、高50mm的铁杆，在杠杆的一侧开两个边长为20mm的等边三角形凹槽，分别距离杠杆端部20mm，在杠杆的另一侧开一个边长为20mm的三角形凹槽，距离杠杆端部157.5mm，以方便杠杆的支撑及砝码的悬挂。

3、液压加载部分：

如图3所示：液压加载部分包括水袋13、耐压水管14和稳压加载系统15、上覆槽钢16、两侧槽钢17。

另外，上覆槽钢16材料为20﹟槽钢，长2950mm，槽钢两帮中间有直径为18mm的小孔，小孔距槽钢端部距离为70.66mm，孔间距为400mm。

两侧槽钢17有两个，材料为20﹟槽钢，与侧板7相比，两侧槽钢17底部有一排小孔，直径18mm，小孔的位置与其中一个小孔(侧向挡板中的)在槽钢长度方向上平行，据端部小孔175mm，孔间距为400mm，这样就能和上覆槽钢通过螺栓、螺母固定在一起，形成封闭的区域，用于放置水袋。

稳压加载系统由电动机、水泵、稳压器、止流阀、卸压阀、耐震电解点压力表等构成。电动机工作后水箱中的水被压入水泵，再经过稳压器后通过耐压水管稳定地输送到水袋中。稳压器中安装有蓄能器，能吸收、释放水路中的能量，起到减震作用以确保液压水袋中水压稳定的上升。电解点压力表监测经过稳压器后水管中的压力(即水袋的压力)，电解点压力表设上、下限二位开关型接点装置，当水管中压力达到设定压力值时，断开控制电路切断电动机电源，电动机停止工作，水泵不向稳压器中供水；当水路中压力低于设定压力值时，接通控制电路连接电动机电源，电动机开始工作水泵向稳压器中供水。通断控制电路，供作业系统自动控制或发讯用。同时压力表上安有抗振结构，可有效抑制指针的抖动、冲击，保护接点，使仪表指示清晰，电信号切换可靠，工作稳定。

具体的实施步骤如下：

(1)用机械加载装置加载：

首先将模型底部的侧向挡板7用螺栓、螺母固定在立柱1上，然后逐层铺设相似材料，随着岩层铺设高度的增加，侧向挡板7也逐层往上固定。相似材料铺设完成后，待铺设岩层固结后(等待时间为15天左右，视环境温度、适度而定)，取下侧板7，安装机械加载部分。先安装横梁槽钢11，再安装螺杆10，在铺设岩层上放置支撑装置12，再放杠杆8，根据上覆岩层厚度计算出加载压力大小，根据杠杆原理计算出需要挂载砝码9的数目，可以实现均匀加载或不均匀加载过程。

(2)用液压加载装置加载：

首先将模型底部的侧向挡板7用螺栓、螺母固定在立柱1上，然后逐层铺设相似材料，随着岩层铺设高度的增加，侧向挡板7也逐层往上固定。相似材料铺设完成后，待铺设岩层固结后(等待时间为15天左右，视环境温度、适度而定)，取下侧板7，安装液压加载部分。先安装两侧槽钢17，在两侧槽钢17之间放置水袋13，然后安装上覆槽钢16。启动稳压加载系统15，根据上覆岩层厚度计算出加载压力大小，根据压力大小调节稳压加载系统15压力值，可实现均匀加载过程。

最后应说明的是，以上叙述仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围之中。

Claims (2)

1.一种可实现机械加载和液压加载的相似材料模拟实验装置，该装置包括主体部分、机械加载部分和液压加载部分，所述主体部分包括立柱(1)、底座上横梁(2)、底座下横梁(3)、底座斜梁(5)和侧板(7)，立柱(1)、底座上横梁(2)、底座下横梁(3)、底座立柱(4)、底座斜梁(5)之间通过焊接连接形成一个刚性整体并通过螺栓固定在地基(6)上，立柱(1)中间设有可拆卸的侧板(7)，其特征在于：机械加载部分包括杠杆(8)、砝码(9)、螺杆(10)、横梁槽钢(11)及支撑装置(12)，横梁槽钢(11)通过螺栓、螺母固定在立柱(1)上，横梁槽钢(11)上、下腿上分别设有30个等间距的小孔，横梁槽钢(11)下腿每个孔口处设有一个螺母，螺杆(10)穿过横梁槽钢(11)上腿孔口固定在下腿孔口螺母上，旋转螺杆(10)调节旋转螺杆(10)与横梁槽钢(11)的相对高度；在铺设岩层上设有支撑装置(12)，在支撑装置(12)与螺杆(10)之间设有杠杆(8)，调节螺杆(10)高度使杠杆(8)处于水平状态，杠杆(8)另一端设有砝码(9)；液压加载部分包括上覆槽钢(16)、两侧槽钢(17)、水袋(13)、耐压水管(14)和稳压加载系统(15)，两侧槽钢(17)通过螺栓、螺母固定在立柱(1)两侧，在铺设岩层上设有水袋(13)，水袋上(13)设有上覆槽钢(16)，上覆槽钢(16)通过螺栓、螺母固定在两侧槽钢(17)上，水袋(13)通过耐压水管(14)连接稳压加载系统(15)。

2.一种可实现机械加载和液压加载的相似材料模拟实验装置，其特征在于：支撑装置(12)有30个，其下部为铁板，上部焊接两个弧形铁板，铁板中部设有小圆孔，两个小孔之间用铁圆柱连接，作为杠杆(8)的支点。