專利名稱：適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的復(fù)合式柔性均布?jí)毫虞d裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加載裝置，尤其是一種適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的復(fù)合式柔性 均布?jí)毫虞d裝置。
背景技術(shù)：
地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)有利于在復(fù)雜的試驗(yàn)過程中突出主要矛盾，便于把握、發(fā)現(xiàn) 現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。在國外，以弗曼格林為首的專家在意大利結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)所開創(chuàng)了工程 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)。隨后，美國、德國、法國、英國和日本等國也開展了大量模型 試驗(yàn)研究。在國內(nèi)，清華大學(xué)、總參工程兵科研三所、山東大學(xué)等眾多科研院所，先后 對(duì)國內(nèi)許多大型工程項(xiàng)目進(jìn)行了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究。模型邊界加載技術(shù)是地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中的一項(xiàng)關(guān)健技術(shù)，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到 模型邊界加載效果和精度，對(duì)模型試驗(yàn)加載地應(yīng)力能否真實(shí)模擬工程實(shí)際受力狀態(tài)起著 至關(guān)重要的作用，也直接影響模型體內(nèi)所形成的應(yīng)力(應(yīng)變)場的均勻程度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 的真實(shí)性。為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，真實(shí)模擬原始地應(yīng)力的試驗(yàn)加載條件尤為重要，因 此，保證模型中產(chǎn)生均勻應(yīng)力場，盡量減小模型表面不均勻應(yīng)力場的范圍和深度對(duì)模型 試驗(yàn)結(jié)果十分重要。從現(xiàn)有模型加載技術(shù)看，模型表面荷載的施加主要有三種方式
(1)液壓油缸通過剛性推力器加載，剛性推力器可為三角形分布?jí)K或梯形分布?jí)K。 該方法具有加載荷載大、行程大、容易操控等特點(diǎn)，但加載壓力均勻性偏差較大，導(dǎo)致 模型內(nèi)應(yīng)變場均勻性很差，很難如實(shí)反映工程受力狀態(tài)。特別由于模型中間洞室的開 挖，導(dǎo)致模型邊界變形必然不均勻，該方法加載使得邊界荷載的不均勻性更加明顯，同 時(shí)也不利于解決加載壓頭與邊界橫向變形的同步，所以模型邊界加載精度低。(2)采用傳統(tǒng)的液壓橡膠囊加載，可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型表面的柔性均勻加載，特別是 當(dāng)模型表面產(chǎn)生不均勻變形時(shí)仍能進(jìn)行均勻加載。但由于加載荷載強(qiáng)度偏低，行程小， 無法滿足模型較大變形和較高強(qiáng)度的要求，達(dá)不到深部開采試驗(yàn)的高應(yīng)力加載要求；再 者，其制作麻煩，使用壽命短，一般只能滿足一次試驗(yàn)需要。(3)以上兩種方式在試驗(yàn)精度要求不高的情況下也能解決一些工程問題。 隨著工程規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，要求精度不斷提高，這兩種加載方式日益暴露出其存在 的弊端。為解決上述問題，總參工程兵科研三所設(shè)計(jì)了活塞式均布?jí)毫虞d器(ZL 02213775.0)，既可在模型上加均布荷載，又解決了模型試驗(yàn)中柔性傳力均勻加載難 題。但活塞式均布?jí)毫虞d器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工制造精度要求高，價(jià)格也相對(duì)偏高。綜合分析上述單位的模型試驗(yàn)加載系統(tǒng)，主要存在以下不足之處
1.多數(shù)加載系統(tǒng)實(shí)際上都是液壓油缸+推力器的剛性加載系統(tǒng)，荷載偏差較大，容 易引起應(yīng)力集中，不能達(dá)到模型表面荷載均勻分布的目的。2.液壓囊加載由于具有行程小、易漏油、耐久性差、只能單向加載、不易在其 上穿孔布線等缺點(diǎn)，無法滿足大型模型試驗(yàn)的需要。
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3.活塞式均布?jí)毫虞d器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格偏高，也不利于模型內(nèi)埋設(shè)測線的引出。4.多數(shù)油缸加載方式為油缸+推力器的形式，需要預(yù)留較大的加載空間，對(duì)于 加載空間有限的情況適應(yīng)性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種均布加載性能高、組裝 靈活、操作簡單、耐久性好的適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的復(fù)合式柔性均布?jí)毫虞d裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的復(fù)合式柔性均布?jí)毫虞d裝置，其特征在于包括 液壓油缸推力器，液壓油缸推力器上端通過球鉸與液壓油缸相連，液壓油缸推力器底部 設(shè)有復(fù)合式柔性傳力墊層。所述液壓油缸推力器包括上板和下板，上、下板之間通過若干均布的加勁肋連 接，加勁肋為梯形；上板上設(shè)有球鉸卡槽，下板為凹槽型。所述液壓油缸的活塞頂部連接有球鉸，球鉸卡于上板的球鉸卡槽內(nèi)，液壓油缸 前端或后端上設(shè)有法蘭，法蘭上設(shè)有螺栓孔。所述液壓油缸推力器的凹槽型下板內(nèi)設(shè)有復(fù)合式柔性傳力墊層，復(fù)合式柔性傳 力墊層通過超強(qiáng)黏膠固定在下板上。所述復(fù)合式柔性傳力墊層由兩層不同邵氏硬度的聚氨酯橡膠組成，內(nèi)部為邵氏 硬度10度的超柔性聚氨酯橡膠板，厚35mm，外部為邵氏硬度30度的柔性聚氨酯橡膠 板，厚度為15mm，柔性聚氨酯橡膠板內(nèi)設(shè)有經(jīng)緯線。本發(fā)明的內(nèi)部超柔性聚氨酯橡膠板非常柔軟，對(duì)于荷載均布加載起關(guān)鍵性作 用，外部的柔性聚氨酯橡膠板內(nèi)包含一層經(jīng)緯線，可承受超過5MPa的高壓，且限制高壓 條件下內(nèi)部超柔性橡膠層變形外溢現(xiàn)象。該加載系統(tǒng)可施加的最大荷載為50t，模型表面可達(dá)到的最大荷載集度為 4.5MPa,荷載集度偏差55%，模型表面應(yīng)力不均勻深度小于100mm。本發(fā)明能給模型表 面柔性均勻加載，大大提高加載精度，可廣泛應(yīng)用于各種地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)加載。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1.該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型表面的柔性均布?jí)毫虞d，復(fù)合式柔性傳力墊層性能優(yōu)越， 施加的荷載集度大，可達(dá)4.5MPa，荷載集度偏差低于5%，模型表面應(yīng)力不均勻深度小于 IOOmm02.配合液壓站和液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)，可較好的模擬工程地質(zhì)的原始受力條件， 實(shí)現(xiàn)模型表面應(yīng)力的精確控制，加載偏差士O.lMPa。3.該裝置組裝靈活，操作方便，單個(gè)加載單元尺寸合理，可根據(jù)需要加工不同 尺寸的加載單元；同時(shí)可進(jìn)行不同的排列方式組合，實(shí)現(xiàn)梯度加載。4.將液壓油缸、球鉸、推力器、復(fù)合式柔性傳力墊層有機(jī)的融合在一起，通過 球鉸的調(diào)整，推力器的加載方向可根據(jù)模型表面的傾斜方向調(diào)整，均布加載效果更好。5.可將加載油缸前法蘭固定于反力架上，通過活塞桿穿過鋼板出力，壓縮了加載空間，節(jié)省材料，適應(yīng)性更強(qiáng)。也可通過后法蘭方便的將加載裝置安裝在模型反力框架。6.整套加載裝置結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，易于維修，容易實(shí)現(xiàn)精確控制荷載，且 使用壽命長，容易穿孔將模型內(nèi)的測線引出。


圖1是本發(fā)明剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明俯視其中1、超柔性橡膠層，2、上板，3、球鉸卡槽，4、螺栓孔，5出油口，6、液壓 油缸，7、進(jìn)油口，8、柔性橡膠層，9、下板，10、加勁肋，11、球鉸，12、法蘭，13、 油缸活塞，14、密封圈，15、液壓油缸推力器，16、復(fù)合式柔性傳力墊層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。如圖1、圖2所示，本發(fā)明為一種適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的復(fù)合式柔性均布?jí)?力加載裝置，包括液壓油缸6、球鉸11、液壓油缸推力器15和柔性傳力墊層16，液壓油 缸推力器15上端通過球鉸11連接液壓油缸6，底部設(shè)有一層復(fù)合式柔性傳力墊層16。液壓油缸推力器15包括上板2和下板9，下板9為凹槽型，上、下板之間通過若 干均布的加勁肋10連接，加勁肋10為梯形；上板2上部設(shè)有球鉸卡槽3，液壓油缸推力 器15通過球鉸卡槽3與液壓油缸6的油缸活塞13端部的球鉸11相連，這種連接方式保 證不加載時(shí)推力器與液壓油缸活塞連接在一起，同時(shí)又保證在加載時(shí)推力器可微調(diào)。液壓油缸推力器的凹槽型下板2內(nèi)設(shè)有復(fù)合式柔性傳力墊層16，復(fù)合式柔性傳 力墊層16通過超強(qiáng)黏膠固定在下板2上。復(fù)合式柔性傳力墊層16包括設(shè)置于液壓油缸 推力器15底部下板9凹槽內(nèi)的內(nèi)層超柔性橡膠層1和外部的柔性橡膠層8，柔性橡膠層8 內(nèi)設(shè)有一層經(jīng)緯線，可限制高壓條件下超柔性橡膠層1變形外溢現(xiàn)象。超柔性橡膠層1 為邵氏硬度10度的超柔性聚氨酯橡膠板，厚35mm。柔性橡膠層8為邵氏硬度30度的 柔性聚氨酯橡膠板，厚度為15mm。液壓油缸6的油缸活塞13與缸體之間設(shè)有密封圈14，防止液壓油滲漏。缸體的 前后端分別設(shè)有進(jìn)油口 7和出油口 5。液壓油缸6前端或后端上設(shè)有法蘭12，法蘭12上 設(shè)有螺栓孔4。本發(fā)明工作原理配合液壓站和液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)，液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)控制液 壓油由進(jìn)油口7進(jìn)入圖1所示液壓油缸底部腔體，隨著壓力的增大，上部腔體中的液壓油 由出油孔5排出腔體，油缸活塞13隨之向前推進(jìn)，并通過球鉸11和液壓油缸推力器15 傳遞到由超柔性橡膠層1和橡膠約束層8組成的復(fù)合式柔性傳力墊層16上，球鉸11可根 據(jù)模型表面的傾斜程度對(duì)加載方向進(jìn)行微調(diào)，最后由復(fù)合式柔性傳力墊層16將作用力傳 遞給加載對(duì)象。通過調(diào)節(jié)進(jìn)出油的壓力來調(diào)整加載系統(tǒng)作用在物體上的壓力。該加載系統(tǒng)可施加的最大荷載為50t，模型表面可達(dá)到的最大荷載集度為 4.5MPa,荷載集度偏差55%，模型表面應(yīng)力不均勻深度小于100mm。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用 于各種地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)加載。
權(quán)利要求
1.一種適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的復(fù)合式柔性均布?jí)毫虞d裝置，其特征在于包 括液壓油缸推力器，液壓油缸推力器上端通過球鉸與液壓油缸相連，液壓油缸推力器底 部設(shè)有復(fù)合式柔性傳力墊層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的復(fù)合式柔性均布?jí)毫虞d裝置， 其特征在于所述液壓油缸推力器包括上板和下板，上、下板之間通過若干均布的加勁 肋連接，加勁肋為梯形；上板上設(shè)有球鉸卡槽，下板為凹槽型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的復(fù)合式柔性均布?jí)毫虞d裝置， 其特征在于所述液壓油缸的活塞頂部連接有球鉸，球鉸卡于上板的球鉸卡槽內(nèi)，液壓 油缸前端或后端上設(shè)有法蘭，法蘭上設(shè)有螺栓孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的復(fù)合式柔性均布?jí)毫虞d裝置， 其特征在于所述液壓油缸推力器的凹槽型下板內(nèi)設(shè)有復(fù)合式柔性傳力墊層，復(fù)合式柔 性傳力墊層通過超強(qiáng)黏膠固定在下板上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的復(fù)合式柔性均布?jí)毫虞d裝置， 其特征在于所述復(fù)合式柔性傳力墊層由兩層不同邵氏硬度的聚氨酯橡膠組成，內(nèi)部為 邵氏硬度10度的超柔性聚氨酯橡膠板，厚35mm，外部為邵氏硬度30度的柔性聚氨酯橡 膠板，厚度為15mm，柔性聚氨酯橡膠板內(nèi)設(shè)有經(jīng)緯線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的復(fù)合式柔性均布?jí)毫虞d裝置，包括液壓油缸推力器，液壓油缸推力器上端通過球鉸與液壓油缸相連，液壓油缸推力器底部設(shè)有復(fù)合式柔性傳力墊層。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于各種地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的表面加載；該裝置結(jié)構(gòu)簡單、組裝靈活，操作方便，單個(gè)加載單元尺寸合理，液壓油缸是具有進(jìn)油口和出油口的雙向油缸，配合液壓站和液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)加載和卸載；同時(shí)多個(gè)加載裝置可進(jìn)行不同排列方式組合，實(shí)現(xiàn)梯度加載。本發(fā)明將液壓油缸、球鉸、推力器、復(fù)合式柔性傳力墊層有機(jī)的融合在一起，均布加載效果更好?？蓪⒓虞d油缸前法蘭固定于反力架上，通過活塞桿穿過鋼板出力，壓縮了加載空間，節(jié)省材料，適應(yīng)性更強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01N3/12GK102012338SQ20101058949
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者張慶松, 李為騰, 李智, 李術(shù)才, 王漢鵬, 王 琦 申請(qǐng)人:山東大學(xué)