CN208847443U

CN208847443U - 能施加可控冲击载荷的相似模拟实验装置

Info

Publication number: CN208847443U
Application number: CN201821826584.8U
Authority: CN
Inventors: 吴怡凡; 李辉辉; 崔峰; 韦四江; 张省; 王重洋
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2028-11-07

Abstract

本实用新型公开了一种能施加可控冲击载荷的相似模拟实验装置，包括支撑架和相似材料模型架，支撑架和相似材料模型架均设置在底座上，且相似材料模型架位于支撑架后侧；支撑架右侧上下两端的内侧分别固定安装有上、下同步轮固定架，支撑架左侧设置有左侧板，左侧板上下两端的内侧分别固定安装有上、下轴承座；上、下同步轮固定架内分别设置有上、下同步轮；还包括上连接轴、下连接轴、上链轮和下链轮，上链轮和上同步轮分别套设在上连接轴的左右两端，且上链轮和上同步轮均与上连接轴固定连接，下链轮和下同步轮分别套设在下连接轴的左右两端，且下链轮和下同步轮均与下连接轴固定连接。本实用新型用简易的摆锤冲击装置替代传统机械设备，操作简单，施加的动载荷大小和方向稳定，具有可控性。

Description

能施加可控冲击载荷的相似模拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及岩体工程模拟实验领域，具体涉及一种能施加可控冲击载荷的相似模拟实验装置。

背景技术

冲击地压是深井开采巷硐围岩冒落、支护结构失稳，乃至大范围闭合的主要原因，是制约深部矿井开采的主要动力灾害之一。发生冲击时，载荷集中局部化的问题抽象，很难直接监测及掌控。

相似模拟试验可有效模拟出现场情况，现有对模型静载荷的施加有液压油缸或靠材料自重等方法进行模拟。而动载荷的施加通过一些机械手段或爆破的方式，对于采矿、隧道等工程领域，动载荷的产生往往来自于岩体内部，所以人工锤击的方式施加动载荷不能很好模拟现场，并且动载荷的施加方法效率低，施加载荷大小把握不准确，动力源不稳定，得出结论与现场情况匹配性差；像使用爆竹、雷管等炸材，通过爆破技术给模型施加动载荷的方式也为常见，虽然载荷大小可明确，但载荷施加方向不可控，试验过程危险且效果一般。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能施加可控冲击载荷的相似模拟实验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，一种能施加可控冲击载荷的相似模拟实验装置，包括支撑架和相似材料模型架，支撑架和相似材料模型架均设置在底座上，且相似材料模型架位于支撑架后侧；支撑架右侧上下两端的内侧分别固定安装有上、下同步轮固定架，支撑架左侧设置有左侧板，左侧板上下两端的内侧分别固定安装有上、下轴承座；上、下同步轮固定架内分别设置有上、下同步轮；还包括上连接轴、下连接轴、上链轮和下链轮，上链轮和上同步轮分别套设在上连接轴的左右两端，且上链轮和上同步轮均与上连接轴固定连接，下链轮和下同步轮分别套设在下连接轴的左右两端，且下链轮和下同步轮均与下连接轴固定连接；上连接轴的左端通过轴承与上轴承座转动连接，上连接轴的右端与上同步轮固定架转动连接，下连接轴的左端通过轴承与下轴承座转动连接，下连接轴的右端与下同步轮固定架转动连接；上下链轮之间设置有链条，上下同步轮之间设置有同步带；所述上连接轴中部固定连接有一个摆杆，摆杆的下端设置有摆锤；左侧板的左侧壁上固定连接有读盘，下连接轴的左端依次穿过左侧板和读盘并延伸至读盘的左侧，读盘的轴向中心线与下连接轴的轴向中心线在同一直线上；下连接轴位于读盘左侧的部分固定连接有手柄，手柄与下连接轴连接处的外侧固定连接有指针。

优选的，所述摆锤包括锤头以及固定设置在锤头前侧的螺纹杆，所述螺纹杆上串接有若个砝码，并通过螺母将砝码固定在螺纹杆上。

优选的，所述上链轮和上连接轴之间、上同步轮和上连接轴之间、下链轮和下连接轴之间、下同步轮和下连接轴之间均通过键固定连接。

优选的，所述读盘上刻有角度。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：用简易的摆锤冲击装置替代传统机械设备，操作简单，施加的动载荷大小和方向稳定，具有可控性；冲击载荷施加方位在相似模型内部，同时可针对巷道顶板、帮部及底板不同施加位置做出调整；试验结果可反映动静载下巷道的变形破坏特征，试验效果达到要求。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型的整体结构右侧示意图；

图2是本实用新型的同步轮安装关系示意图（图中未画出左侧板）；

图3是本实用新型的整体结构左侧示意图；

图4是本实用新型的链轮安装关系示意图（图中未画出左侧板）；

图5是本实用新型的正视示意图。

图中：1、上同步轮固定架；2、上同步轮；3、同步带；4、摆锤；5、底座；6、相似材料模型架；7、冲击杆；8、配套滑筒；9、支撑架；10、螺纹杆；11、螺母；12、砝码；13、锤头；14、上连接轴；15、读盘；16、链条；17、上链轮；18、上轴承座；19、开孔；20、左侧板；21、手柄；22、轻质摆杆；23、下同步轮固定架；24、下轴承座；25、下连接轴；26、下同步轮；27、下链轮；28、指针。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1－5所示，一种能施加可控冲击载荷的相似模拟实验装置，包括支撑架9和相似材料模型架6，支撑架9和相似材料模型架6均设置在底座5上，且相似材料模型架6位于支撑架9后侧；支撑架9右侧上下两端的内侧分别固定安装有上同步轮固定架1、下同步轮固定架23，支撑架9左侧设置有左侧板20，左侧板20上下两端的内侧分别固定安装有上轴承座18、下轴承座24；上同步轮固定架1、下同步轮固定架23内分别设置有上同步轮2、下同步轮26；还包括上连接轴14、下连接轴25、上链轮17和下链轮27，上链轮17和上同步轮2分别套设在上连接轴14的左右两端，且上链轮17和上同步轮2均与上连接轴14通过键固定连接，下链轮27和下同步轮26分别套设在下连接轴25的左右两端，且下链轮27和下同步轮26均与下连接轴25通过键固定连接；上连接轴14的左端通过轴承与上轴承座18转动连接，上连接轴14的右端与上同步轮固定架1转动连接，下连接轴25的左端通过轴承与下轴承座24转动连接，下连接轴25的右端与下同步轮固定架23转动连接；上链轮17、下链轮27之间设置有链条16，上同步轮2、下同步轮26之间设置有同步带3；所述上连接轴14中部固定连接有一个轻质摆杆22，摆杆22的下端设置有摆锤4；左侧板20的左侧壁上固定连接有读盘15（左侧盘面上刻有角度），下连接轴25的左端依次穿过左侧板20和读盘15并延伸至读盘15的左侧，下连接轴25位于读盘15左侧的部分固定连接有手柄21，手柄21与下连接轴25连接处的外侧固定连接有指针28（用以记录摆杆预仰角和摆杆一次回弹角度）。

摆锤4包括锤头13以及固定设置在锤头13前侧的螺纹杆10，螺纹杆10上串接有若干砝码12，并通过螺母11将砝码12固定在螺纹杆10上；相似材料模型架6平行设置在支撑架9的正后方，并作为相似模拟材料的支撑装置，且相似模拟材料内部埋设有配套滑筒8，配套滑筒8内部设置有冲击杆7，冲击杆7呈水平设置，且冲击杆7的轴线与摆锤4的打击中心一致；支撑架9与相似材料模型架6一侧配合设置有开孔19，开孔19的内径大于锤头13的外径，且冲击杆7与开孔19同轴设置；相似模拟材料在其开挖后的巷道周边设置有若干个动态加速度传感器，并与计算机相连接。

摆锤冲击实验装置工作原理是：利用摆锤冲击前与冲击后的位能差来计算得出冲击吸收功，由于该装置设计简易，且为手动控制，对于摆锤冲击杆件后的二次回弹（升），此处忽略不计。

具体的，本实用新型在使用时：

第一步，冲击杆件的预埋设及摆锤装置的调整：在铺设相似材料模型过程中，根据预定的动载源方位，埋设冲击杆7及配套滑筒8，在材料铺设过程中，将冲击杆7及配套滑筒8穿过支撑架9及相似材料模型架6上已打穿的开孔19，并使用固定圆环将其固定，务必保证冲击杆7受冲端头的轴线部分与锤头13的打击中心相一致，在配套滑筒8尾部设置一圆形挡片；配合套筒8上方铺设相似材料时注意滑筒位置是否跑偏。此外，对于巷道周边动应力的监测可预埋设土压力盒等，待相似模型的巷道开挖后，在巷道内部进行支护处理，两侧及顶底板安设动态加速度传感器，用来监测巷道表面在冲击动载下加速度变化特征，通过高速摄像机、全站仪等监测设备，可捕捉巷道在受到动载影响时围岩裂隙发育情况及表面位移变化情况；

第二步，冲击载荷的施加：对模型上部进行加压，待稳定后，进行摆锤冲击试验。根据摆锤冲击装置的工作原理，对巷道模型施加不同载荷量，可在锤头13尾部加减不同质量的砝码12后用螺栓11将其固定，或者通过启动手柄21来改变摆杆冲击的初始预仰角（15°、30°、45°、60°等）来实现。即启动手柄21，驱动链轮27转动，并带动链条16，从而驱动上连接轴14使得上同步轮2转动，通过同步带3实现转动角度一致。巷道冲击地压事故发生时的能量可达到10⁵J、10⁶J、10⁷J及10⁸J，根据相似定理及能量守恒定理，推算出砝码质量，由此保证了施加给装置的冲击能量与现场冲击地压事故发生的一致性。计算公式如下所示：

；

由公式（1-5）得出摆锤质量m计算公式（6）。其中，—模型尺寸；—原型尺寸；—能量比；m—摆锤质量；g—当地加速度，L—摆杆长度；α—冲击前摆杆预仰角；β—冲击后摆杆第一次回升角。

按照预定冲击能量，在锤头13上放置好既定砝码并将其固定好，记录下读盘15上指针28的初始位置读数，转动手柄21，调整轻质摆杆22仰角至既定角度，释放摆锤，同时采用高速摄像机对指针28在读盘上的读数进行实时记录，待轻质摆杆22冲击完成静止后，停止高速摄像机对指针在读盘上的读数数据记录，并使用观测设备对巷道及围岩变化情况进行观测。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种能施加可控冲击载荷的相似模拟实验装置，包括支撑架和相似材料模型架，其特征在于：支撑架和相似材料模型架均设置在底座上，且相似材料模型架位于支撑架后侧；支撑架右侧上下两端的内侧分别固定安装有上、下同步轮固定架，支撑架左侧设置有左侧板，左侧板上下两端的内侧分别固定安装有上、下轴承座；上、下同步轮固定架内分别设置有上、下同步轮；还包括上连接轴、下连接轴、上链轮和下链轮，上链轮和上同步轮分别套设在上连接轴的左右两端，且上链轮和上同步轮均与上连接轴固定连接，下链轮和下同步轮分别套设在下连接轴的左右两端，且下链轮和下同步轮均与下连接轴固定连接；上连接轴的左端通过轴承与上轴承座转动连接，上连接轴的右端与上同步轮固定架转动连接，下连接轴的左端通过轴承与下轴承座转动连接，下连接轴的右端与下同步轮固定架转动连接；上下链轮之间设置有链条，上下同步轮之间设置有同步带；所述上连接轴中部固定连接有一个摆杆，摆杆的下端设置有摆锤；左侧板的左侧壁上固定连接有读盘，下连接轴的左端依次穿过左侧板和读盘并延伸至读盘的左侧，下连接轴位于读盘左侧的部分固定连接有手柄，手柄与下连接轴连接处的外侧固定连接有指针。

2.如权利要求1所述能施加可控冲击载荷的相似模拟实验装置，其特征在于：所述摆锤包括锤头以及固定设置在锤头前侧的螺纹杆，所述螺纹杆上串有若干个砝码，并通过螺母将砝码固定在螺纹杆上。

3.如权利要求1所述能施加可控冲击载荷的相似模拟实验装置，其特征在于：所述上链轮和上连接轴之间、上同步轮和上连接轴之间、下链轮和下连接轴之间、下同步轮和下连接轴之间均通过键固定连接。

4.如权利要求1所述能施加可控冲击载荷的相似模拟实验装置，其特征在于：所述读盘上刻有角度。