CN211172085U - 一种悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及悬浮隧道三维物理实验装置领域，具体涉及一种悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置及系统。模拟装置包括铰接装置，铰接装置用于与悬浮隧道模型相连；和固接装置，固接装置包括卡接件和限位件，卡接件上形成可打开的卡合空间，卡合空间用于与悬浮隧道模型适配，限位件用于与悬浮隧道模型可拆卸相连，限位件在与悬浮隧道模型相连的状态下，用于阻止悬浮隧道模型在卡合空间中转动和沿轴向平动。本实用新型提供的悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置中的固接装置上设置可打开的卡合空间，在卡合空间处于卡合状态下时，卡合空间与限位件一起对悬浮隧道模型施加固接约束，在卡合空间处于打开状态下时，由铰接装置对悬浮隧道模型提供铰接约束。

Description

一种悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置及系统

技术领域

本实用新型涉及一种悬浮隧道三维物理实验装置，特别是一种悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置及系统。

背景技术

现今国内外对于悬浮隧道的研究，局限于数学预测模型与二维水槽试验，这些研究不能完整获得悬浮隧道的真实物理响应规律，开展悬浮隧道相关三维物理模型试验是极有必要且有意义的。此前，未见悬浮隧道三维物理模型试验构想，关于三维模型的制作更是空白，建立精确可靠的三维弹性模型管道，是开展悬浮隧道三维物理模型试验的基本条件，而此前相关研究几乎为零。

发明人在进行本发明研究的过程中发现：由于目前世上并无悬浮隧道成功建成的先例，悬浮隧道的两端应采用何种约束仍是未解之谜，因此，对悬浮隧道在不同的端部约束情况下的响应进行实验，是悬浮隧道三维物理模型实验研究中重要的一环。由于研究中所采用的悬浮隧道模型的体积较大，不便于对悬浮隧道模型本身进行频繁移动，因此需要设计一种约束装置，使得其能够提供铰接、固接等约束，且便于切换约束形态。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对现有技术存在的上述问题，提供一种悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置，包括：铰接装置，铰接装置用于与悬浮隧道模型相连；和固接装置，固接装置包括卡接件和限位件，卡接件上形成可打开的卡合空间，卡合空间用于与悬浮隧道模型适配，限位件用于与悬浮隧道模型可拆卸相连，限位件在与悬浮隧道模型相连的状态下，用于阻止悬浮隧道模型在卡合空间中转动和沿轴向平动。本实用新型提供的悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置中的固接装置上设置可打开的卡合空间，在卡合空间处于卡合状态下时，卡合空间与限位件一起对悬浮隧道模型施加固接约束，在卡合空间处于打开状态下时，由铰接装置对悬浮隧道模型提供铰接约束。

作为本实用新型的优选方案，固接装置包括第一卡块和第二卡块，第一卡块与第二卡块可活动地相连，第一卡块与第二卡块用于拼接形成卡合空间。通过上述结构，第一卡块与第二卡块卡接在一起时，悬浮隧道模型置于卡合空间中，卡合空间的内壁对悬浮隧道模型形成约束，限制模型上与卡合空间相连的部位在悬浮隧道模型横截面所在平面内的平动，以及该段绕悬浮隧道模型横截面内任意直线方向的转动。

作为本实用新型的优选方案，第一卡块与第二卡块可拆卸地相连，第二卡块与第二卡块用于拼接形成卡合空间。

作为本实用新型的优选方案，限位件被构造为键，卡合空间内壁设有与限位件适配的键槽。

作为本实用新型的优选方案，限位件被构造为插销，卡接件上设有与插销适配的通孔。

作为本实用新型的优选方案，铰接装置包括角接触球轴承和防扭组件；角接触球轴承的内圈用于与悬浮隧道模型适配，防扭组件与角接触球轴承的外圈固定相连，防扭组件用于阻止悬浮隧道模型与角接触球轴承的配合段相对于角接触球轴承外圈发生转动。

本实用新型优选方案中的铰接装置采用上述结构，首先，通过角接触球轴承与悬浮隧道模型相连，当仅仅由铰接装置提供约束时，悬浮隧道模型与角接触球轴承相连的部位被允许在角接触球轴承的接触角范围内发生转动，这种转动与现有技术中常见的球铰连接中的转动是大致相同的，区别在于：转动的幅度受到角接触球轴承的接触角的限制，使得转动幅度较小，但在本申请中，悬浮隧道模型是细长件，铰接约束设置于端部，连接段可能产生的转动幅度往往在几度的范围内，因此，角接触球轴承能够提供的转动幅度可以满足本申请方案的要求，而角接触球轴承的成本远远低于尺寸适配的球铰支座的成本，采用角接触球轴承，也无需在悬浮隧道模型上设置专门的铰接头，连接更加方便；其次为了防止悬浮隧道模型相对于角接触球轴承的外圈发生转动，设置防扭组件，防扭组件与外圈和悬浮隧道模型相连，从而提供可靠的铰接约束。

作为本实用新型的优选方案，防扭组件包括防扭环与防扭杆，防扭环上设有用于防扭杆穿过的连接孔，连接孔一端贯通至防扭环内表面，连接孔另一端贯通至防扭环外表面；防扭环与角接触球轴承的外圈固定相连，防扭环用于套设于悬浮隧道模型，防扭环的内径大于角接触球轴承的内径；防扭杆上用于与悬浮隧道模型适配的一端被构造为半球头结构。

防扭组件采用上述的结构，防扭环与防扭杆配合，防止悬浮隧道模型上与角接触球轴承相连的一段产生自转，另外，防扭环的内径大于角接触球轴承的内径，使得防扭环的设置不影响悬浮隧道模型在铰接约束下的变形。

使用时，悬浮隧道模型上设置于该半球头结构适配的半球形凹槽，悬浮隧道模型在外力作用和端部铰接约束作用下发生变形时，防扭杆上的半球头结构与悬浮隧道模型中的半球形凹槽中转动，使得防扭杆的设置不会对悬浮隧道模型的变形产生不利影响，有利于得到更加可靠的实验结果。

作为本实用新型的优选方案，铰接装置包括球铰支座。

作为本实用新型的优选方案，球铰支座为两端贯通的结构；铰接装置还包括端板，端板与球铰支座重叠设置并相连，端板用于在悬浮隧道模型的轴向方向上支撑球铰支座。

作为本实用新型的优选方案，悬浮隧道端部约束实验模拟装置还包括支座，铰接装置与支座固定相连，固接装置与支座固定相连。

另一方面，本实用新型还提供了一种悬浮隧道模型端部约束实验模拟系统，其特征在于，包括悬浮隧道模型，以及连接在悬浮隧道模型两个端部的悬浮隧道模型端部约束实验模拟装置，其中两个铰接装置设于两个所述固接装置之间。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置中的固接装置上设置可打开的卡合空间，在卡合空间处于卡合状态下时，卡合空间与限位件一起对悬浮隧道模型施加固接约束，在卡合空间处于打开状态下时，由铰接装置对悬浮隧道模型提供铰接约束。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式中，所定义的的X、Y、Z方向的示意图。

图2是本实用新型实施例1中提供的悬浮隧道端部约束试验模拟装置的结构示意图。

图3是本实用新型实施例1中提供的铰接装置的剖视图。

图4是本实用新型实施例1中提供的防扭杆的结构示意图。

图5是与实施例1中的铰接装置适配的悬浮隧道模型的结构示意图。

图6是实施例1中的固接装置与悬浮隧道模型相连时的局部剖视图。

图7是实施例1中的固接装置的结构示意图。

图8是实施例1中提供的另一种固接装置与悬浮隧道模型相连时的局部剖视图。

图9是实施例2提供的悬浮隧道端部约束试验模拟装置的结构示意图。

图10是图9中A部的局部放大图。

图11是实施例3提供的悬浮隧道端部约束试验模拟装置上的铰接装置的结构示意图。

图12是实施例4提供的悬浮隧道端部约束试验模拟装置上的固接装置的结构示意图。

图13实施例4提供的固接装置上的第二卡块的结构示意图。

图14是与实施例4提供的固接装置适配的悬浮隧道模型的结构示意图。

图标：1-铰接装置；11-角接触球轴承；12-防扭环；13-防扭杆；14、16-球铰支座；15-端板；2-固接装置；21-第一卡块；22-第二卡块；221-键槽；222-通孔；23-限位件；3-支座；4-悬浮隧道模型；41-半球形凹槽；42、43-球头；44-缺口。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

请参阅图1-图7。本实用新型实施例提供了一种悬浮隧道模型4端部约束试验模拟装置，其用于与悬浮隧道三维模型相连，为悬浮隧道三维模型提供符合实验要求的端部约束。该悬浮隧道模型4端部约束试验模拟装置包括铰接装置1、固接装置2和支座3。铰接装置1设置于支座3上，固接装置2也设置于支座3上。铰接装置1和固接装置2用于设置于悬浮隧道模型4的同一端。

请参阅图1、图3及图4，铰接装置1包括角接触球轴承11和防扭组件。角接触球轴承11套设于悬浮隧道模型4上，角接触球轴承11能够用于阻止悬浮隧道模型4沿X、Y轴方向上的平动，由于角接触球轴承11存在接触角，其能够允许悬浮隧道模型4绕X轴和绕Y轴产生转动，转动的幅度受限于接触角。又由于悬浮隧道模型4为细长构件，实验中能够达到的转动幅度较小，因此可以认为在铰接装置1的约束下，悬浮隧道模型4可以绕X轴和绕Y轴自由转动。

防扭组件用于阻止悬浮隧道模型4相对于角接触球轴承11的外圈发生转动，即用于阻止悬浮隧道模型4产生绕Z轴的转动，也可以阻止悬浮隧道模型4产生沿Z轴方向的平动。角接触球轴承11的内圈与悬浮隧道模型4的尺寸适配，具体的，角接触球轴承11的内圈与悬浮隧道模型4采用过渡配合，便于悬浮隧道模型4与角接触球轴承11之间的安装。

防扭组件包括防扭环12和防扭杆13。防扭环12套设于悬浮隧道模型4上。角接触球轴承11的外圈与防扭环12固定相连，具体的，在本实用新型中，角接触球轴承11的外圈与防扭环12一体成型设置。防扭环12的内圆的直径大于悬浮隧道模型4的直径，使得防扭环12与悬浮隧道模型4相连时，防扭环12的内表面与悬浮隧道模型4之间具有间隙。防扭环12上设有连接孔，连接孔一端贯通至防扭环12的内表面，连接孔另一端贯通至防扭环12的外表面。防扭杆13为杆状结构，防扭杆13穿过连接孔并与悬浮隧道模型4表面抵接。具体的，在悬浮隧道模型4的表面设置半球形凹槽41，防扭杆13的端部设置为半球头结构，如此，防扭杆13端部的球头结构与半球形凹槽41配合，悬浮隧道在铰接约束下发生运动时，防扭杆13端部的球头结构在半球形凹槽41中发生转动，从而可以减小防扭杆13的设置对悬浮隧道运动的影响。

通过上述的铰接装置1，悬浮隧道模型4在X、Y、Z轴方向上的平动均被约束，绕Z轴转动的自由度也被约束，悬浮隧道模型4被允许产生绕X轴和Y轴的转动。

固定装置与铰接装置1呈间隔地设置，固定装置包括卡接件和限位件23。卡接件上形成一个可以打开的卡合空间，卡合空间用于悬浮隧道模型4适配，限位件23与悬浮隧道模型4可拆卸地相连。卡接件用于约束悬浮隧道模型4在X方向和Y方向上的平动、绕X轴和Y轴的转动。限位件23用于约束悬浮隧道模型4在Z方向上的平动和绕Z轴的转动。

卡接件包括第一卡块21和第二卡块22，第一卡块21和第二卡块22可拆卸地相连。本实施例中，第一卡块21一端与第二卡块22一端通过螺栓可拆卸相连，第一卡块21另一端与第二卡块22另一端通过螺栓可拆卸相连。第二卡块22设于支座3上，并与支座3固定相连，第一卡块21用于置于第二卡块22的上方。

卡合空间的内壁设有键槽221，具体的，由于悬浮隧道模型4的体积较大，为了便于安装，将键设置于悬浮隧道模型4的上端，即键槽221设置于第二卡块22上。键槽221一段贯通至第二卡块22的表面，具体的，键槽221一端贯通至第二卡块22靠近悬浮隧道端部的表面。

本实用新型的其他实施方式中，请参阅图8，键槽221的两端也可以均位于固接装置2的中部，即：键槽221的两端均不贯通至第一卡块21或第二卡块22的表面，此时，由于悬浮隧道模型4的体积和质量均较大，为了便于安装，将键槽221设置于第一卡块21上。

限位件23为键。悬浮隧道模型4上也设置键槽221，从而可以通过键与悬浮隧道模型4和第一卡块21的配合，达到约束悬浮隧道模型4在Z方向上的平动和绕Z轴的转动的目的。

本实用新型实施例提供的悬浮隧道端部约束实验模拟装置的工作原理在于：

使用时，在悬浮隧道模型4的一端设置一个悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置，另一端设置另一个悬浮隧道端部约束实验模拟装置，使悬浮隧道模型4与两端的两个悬浮隧道模型端部约束实验模拟装置组成悬浮隧道模型端部约束实验模拟系统，且使固接装置2位于靠端部的位置，铰接装置1位于相对靠近中间的位置，即：使两个铰接装置1位于两个固接装置2之间；

在需要进行提供铰接约束时，拆卸固接装置2上的螺栓，使第一卡块21与第二卡块22分离，打开卡合空间，解除固接装置2对悬浮隧道模型4的约束；在需要提供固接约束时，使限位件23位于键槽221中，并连接第一卡块21和第二卡块22即可；

另外，本实施例中，使键槽221一端贯通至第一卡块21上靠近悬浮隧道模型4端部的表面，能够便于安装。在实验时，悬浮隧道模型4的中部发生变形，限位件23受到一个作用方向指向悬浮隧道模型4中部的力，此时第一卡块21上的键槽221的端面可以起到实验所需要的约束作用。

本实用新型实施例提供的悬浮隧道模型端部约束实验模拟装置的有益效果在于：

1.能够提供铰接和固接两种约束，且能够较为方便地切换约束状态；

2.铰接装置1采用角接触球轴承11的结构，不需要在悬浮隧道模型4上加工出球头结构，加工方便、成本低；

3.防扭杆13的端部设置成半球头结构，能够减小防扭组件对悬浮隧道绕X轴和Y轴转动的影响。

实施例2

请参阅图9及图10，本实用新型实施例提供了一种悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置，其结构与实施例1中的大致相同，区别在于：铰接装置1与实施例1中的不同。

在本实施例中，铰接装置1包括球铰支座14和端板15。

具体的，球铰支座14为两端贯通的结构，球铰支座14套设在悬浮隧道模型4上，相应的，在悬浮隧道模型4上设置了球头42，球头42与球铰支座14配合。由于悬浮隧道模型4的体积较大，为了避免球铰支座14产生破坏，在球铰支座14的两端设置端板15，端板15与球铰支座14通过螺杆相连。端板15套设于悬浮隧道模型4上，端部与球铰支座14在悬浮隧道模型4的轴向方向上分布，有助于增加球铰支座14的承载能力。

实施例3

请参阅图11，本实用新型实施例提供了一种悬浮隧道模型端部约束实验模拟装置，其结构与实施例1中的大致相同，其区别在于：铰接装置1与实施例1中的不同。

在本实施例中，铰接装置1包括球铰支座16。球铰支座16上形成球碗结构，相应的，悬浮隧道模型4的端部设置球头43，球头43置于球碗中。在本实施例中，铰接装置1用于设置于悬浮隧道模型4的端部，而固接装置2相对铰接装置1，更靠近于悬浮隧道模型4的中心。

实施例4

请参阅图12-图14，本实施例提供了一种悬浮隧道模型端部约束实验模拟装置，其与实施例1中的悬浮隧道端部约束实验模拟装置的结构基本相同，其区别在于：固接装置2上的限位件23的结构不同。

在本实施例中，限位件23为插销结构。相应的，在第二卡座上设有通孔222，通孔222贯通整个卡合空间。在悬浮隧道模型4上，设有与通孔222位置对应的孔或缺口44。将悬浮隧道模型4置于卡合空间中时，插销结构的限位件23穿过第二卡座上的通孔，并与悬浮隧道模型4上的孔或缺口44配合，起到限位作用。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置，其特征在于，包括：

铰接装置，所述铰接装置用于与所述悬浮隧道模型相连；

和固接装置，所述固接装置包括卡接件和限位件，所述卡接件上形成可打开的卡合空间，所述卡合空间用于与所述悬浮隧道模型适配，所述限位件用于与所述悬浮隧道模型可拆卸相连，所述限位件在与所述悬浮隧道模型相连的状态下，用于阻止所述悬浮隧道模型在所述卡合空间中转动和沿轴向平动；

所述铰接装置和固接装置用于设置于所述悬浮隧道模型的同一端。

2.根据权利要求1所述的悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置，其特征在于，所述固接装置包括第一卡块和第二卡块，所述第一卡块与所述第二卡块可拆卸地相连，所述第一卡块与所述第二卡块用于拼接形成所述卡合空间。

3.根据权利要求1或2所述的悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置，其特征在于，所述限位件被构造为键，所述卡合空间内壁设有与所述限位件适配的键槽。

4.根据权利要求1或2所述的悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置，其特征在于，所述限位件被构造为插销，所述卡接件上设有与所述插销适配的通孔。

5.根据权利要求1所述的悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置，其特征在于，所述铰接装置包括角接触球轴承和防扭组件；

角接触球轴承的内圈用于与所述悬浮隧道模型适配，所述防扭组件与所述角接触球轴承的外圈固定相连，所述防扭组件用于阻止所述悬浮隧道模型与所述角接触球轴承的配合段相对于所述角接触球轴承外圈发生转动。

6.根据权利要求5所述的悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置，其特征在于，所述防扭组件包括防扭环与防扭杆，所述防扭环上设有用于所述防扭杆穿过的连接孔，所述连接孔一端贯通至所述防扭环内表面，所述连接孔另一端贯通至所述防扭环外表面；

所述防扭环与所述角接触球轴承的外圈固定相连，所述防扭环用于套设于所述悬浮隧道模型，所述防扭环的内径大于所述角接触球轴承的内径；

所述防扭杆上用于与所述悬浮隧道模型适配相连的一端被构造为半球头结构。

7.根据权利要求1所述的悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置，其特征在于，所述铰接装置包括球铰支座。

8.根据权利要求7所述的悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置，其特征在于，所述球铰支座为两端贯通的结构；

所述铰接装置还包括端板，所述端板与所述球铰支座重叠设置并相连，所述端板用于在所述悬浮隧道模型的轴向方向上支撑所述球铰支座。

9.根据权利要求1所述的悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置，其特征在于，还包括支座，所述铰接装置与所述支座固定相连，所述固接装置与所述支座固定相连。

10.一种悬浮隧道模型端部约束试验模拟系统，其特征在于，包括悬浮隧道模型，以及连接在所述悬浮隧道模型两个端部的如权利要求1-9任一项所述的悬浮隧道模型端部约束试验模拟装置，其中两个所述铰接装置设于两个所述固接装置之间。

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