地質力學模型試驗用複合式超薄柔性均布壓力加載裝置的製作方法
2023-10-17 00:22:04 2
專利名稱：地質力學模型試驗用複合式超薄柔性均布壓力加載裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種加載裝置，尤其是一種適用於地質力學模型試驗的複合式超薄柔 性均布壓力加載裝置。
背景技術：
地質力學模型試驗有利於在複雜的試驗過程中突出主要矛盾，便於把握、發現現 象的內在聯繫。在國外，以弗曼格林為首的專家在義大利結構模型試驗所開創了工程地質 力學模型試驗技術。隨後，美國、德國、法國、英國和日本等國也開展了大量模型試驗研究。 在國內，清華大學、總參工程兵科研三所、山東大學等眾多科研院所，先後對國內許多大型 工程項目進行了地質力學模型試驗研究。模型邊界加載技術是地質力學模型試驗中的一項關健技術，因為它直接關係到模 型邊界加載效果和精度，對模型試驗加載地應力能否真實模擬工程實際受力狀態起著至關 重要的作用，也直接影響模型體內所形成的應力(應變)場的均勻程度和實驗結果的真實 性。為保證試驗結果準確性，真實模擬原始地應力的試驗加載條件尤為重要，因此，保證模 型中產生均勻應力場，儘量減小模型表面不均勻應力場的範圍和深度對模型試驗結果十分 重要。從現有模型加載技術看，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塊或梯形分布塊。該方 法具有加載荷載大、行程大、容易操控等特點，但加載壓力均勻性偏差較大，導致模型內應 變場均勻性很差，很難如實反映工程受力狀態。特別由於模型中間洞室的開挖，導致模型邊 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，同時也不利於解決加 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)採用傳統的液壓橡膠囊加載，可實現對模型表面的柔性均勻加載，特別是當模 型表面產生不均勻變形時仍能進行均勻加載。但由於加載荷載強度偏低，行程小，無法滿足 模型較大變形和較高強度的要求，達不到深部開採試驗的高應力加載要求；再者，其製作麻 煩，使用壽命短，一般只能滿足一次試驗需要。(3)以上兩種方式在試驗精度要求不高的情況下也能解決一些工程問題。隨著工 程規模的逐漸擴大，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計了活塞式均布壓力加載器(ZL 02213775.0)，既可在模 型上加均布荷載，又解決了模型試驗中柔性傳力均勻加載難題。但活塞式均布壓力加載器 結構比較複雜，加工製造精度要求高，價格也相對偏高。綜合分析上述單位的模型試驗加載系統，主要存在以下不足之處
1.多數加載系統實際上都是液壓油缸+推力器的剛性加載系統，荷載偏差較大，容易 引起應力集中，不能達到模型表面荷載均勻分布的目的。
2.液壓囊加載由於具有行程小、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，無法滿足大型模型試驗的需要。3.活塞式均布壓力加載器結構複雜，價格偏高，也不利於模型內埋設測線的引出。4.多數油缸加載方式為油缸+推力器的形式，需要預留較大的加載空間，對於加 載空間有限的情況適應性差。
發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種均布加載性能高、組裝靈 活、操作簡單、耐久性好的適用於地質力學模型試驗的複合式超薄柔性均布壓力加載裝置。為實現上述目的，本發明採用下述技術方案
一種地質力學模型試驗用複合式超薄柔性均布壓力加載裝置，包括液壓油缸推力器， 液壓油缸推力器中心設有雙向加載油缸，雙向加載油缸活塞頂部設有連接法蘭，液壓油缸 推力器底部設有複合式柔性傳力墊層。所述液壓油缸推力器包括上板和下板，下板為凹槽型；上下板中心設有雙向加載 油缸，上、下板之間通過若干均布的加勁肋連接，加勁肋為梯形。所述連接法蘭通過螺紋與活塞杆連接，連接法蘭上有螺栓孔。所述液壓油缸推力器的凹槽型下板內設有複合式柔性傳力墊層，複合式柔性傳力 墊層通過超強黏膠固定在下板上。所述複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設有經緯線。本發明的內部超柔性聚氨酯橡膠板非常柔軟，對於荷載均布加載起關鍵性作用， 外部的柔性聚氨酯橡膠板內包含一層經緯線，可承受超過5MPa的高壓，且限制高壓條件下 內部超柔性橡膠層變形外溢現象。該加載系統可施加的最大荷載為40t，模型表面可達到的最大荷載集度為4MPa， 荷載集度偏差< 5%，模型表面應力不均勻深度小於100mm。本發明能給模型表面柔性均勻 加載，大大提高加載精度，可廣泛應用於各種地質力學模型試驗加載。本發明具有以下優點
1.該裝置可實現對模型表面的柔性均布壓力加載，複合式柔性傳力墊層性能優越，施 加的荷載集度大，可達4MPa，荷載集度偏差低於5%，模型表面應力不均勻深度小於100mm。2.配合液壓站和液壓自動控制系統，可較好的模擬工程地質的原始受力條件，實 現模型表面應力的精確控制，加載偏差士0. IMPa03.該裝置組裝靈活，操作方便，單個加載單元尺寸合理，可根據需要加工不同尺寸 的加載單元；同時可進行不同的排列方式組合，實現梯度加載。4.將液壓油缸、加載推力器、柔性傳力墊層有機的融合在一起，大大減小了模型反 力框架尺寸，壓縮了加載空間，節省了反力框架鋼材，適應性更強。5.活塞頂部安裝有連結法蘭，通過法蘭可方便的將加載裝置安裝在模型反力框架上。6.整套加載裝置結構簡單，加工方便，易於維修，容易實現精確控制荷載，且使用壽命長，容易穿孔將模型內的測線弓I出。
圖1是本發明剖面結構示意圖； 圖2是本發明俯視其中1、連接法蘭，2、密封圈，3、加勁肋，4、加載油缸體、5、超柔性聚氨酯橡膠板，6、柔 性聚氨酯橡膠板，7、螺栓孔，8、上板，9、出油口，10、油缸活塞，11、進油口，12、下板，13、液壓 油缸推力器。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。如圖1、圖2所示，一種地質力學模型試驗用複合式超薄柔性均布壓力加載裝置， 包括液壓油缸推力器13，液壓油缸推力器13中心設有雙向加載油缸，雙向加載油缸活塞頂 部設有連接法蘭1，液壓油缸推力器13底部設有複合式柔性傳力墊層。複合式柔性傳力墊 層通過超強黏膠固定在下板12上。液壓油缸推力器13包括上板8和下板12，下板12為凹槽型，上下板中心設有雙向 加載油缸，上、下板之間通過若干均布的加勁肋3連接，加勁肋3為梯形。油缸活塞10上端加工有螺紋，連接法蘭1通過螺紋與活塞杆相連，連接法蘭1上 有螺栓孔7。油缸活塞10與加載油缸體4之間設有兩道密封圈2，可防止液壓油溢流出來。 加載油缸體的前後端分別設有進油口 11和出油口 9。複合式柔性傳力墊層包括設置於液壓油缸推力器13底部凹槽型下板12內的兩層 不同邵氏硬度的聚氨酯橡膠，內部為邵氏硬度10度的超柔性聚氨酯橡膠板5，厚35mm，外部 為邵氏硬度30度的柔性聚氨酯橡膠板6，厚度為15mm，柔性聚氨酯橡膠板6內設有經緯線， 可限制高壓條件超柔性聚氨酯橡膠板5變形外溢現象。本發明工作原理配合液壓站和液壓自動控制系統，液壓自動控制系統控制液壓 油由進油口 11進入圖1所示加載油缸體4底部腔體，隨著壓力的增大，上部腔體中的液壓 油由出油孔9排出腔體，油缸活塞10推動液壓油缸推力器13隨之向前推進，並通過連接法 蘭1將作用力傳遞到反力結構上，從而獲得反作用力。反作用力通過液壓油缸推力器13將 力傳遞到超柔性橡膠墊層5和柔性橡膠約束層6上，最終作用在加載對象上。通過調節進 出油的壓力來調整加載系統作用在物體上的壓力。該加載系統可施加的最大荷載為40t，模型表面可達到的最大荷載集度為4MPa， 荷載集度偏差< 5%，模型表面應力不均勻深度小於100mm。本發明可廣泛應用於各種地質 力學模型試驗加載。
權利要求
1.一種地質力學模型試驗用複合式超薄柔性均布壓力加載裝置，其特徵在於包括液 壓油缸推力器，液壓油缸推力器中心設有雙向加載油缸，雙向加載油缸活塞頂部設有連接 法蘭，液壓油缸推力器底部設有複合式柔性傳力墊層。
2.根據權利要求1所述的地質力學模型試驗用複合式超薄柔性均布壓力加載裝置，其 特徵在於所述液壓油缸推力器包括上板和下板，下板為凹槽型；上下板中心設有雙向加 載油缸，上、下板之間通過若干均布的加勁肋連接，加勁肋為梯形。
3.根據權利要求1所述的地質力學模型試驗用複合式超薄柔性均布壓力加載裝置，其 特徵在於所述連接法蘭通過螺紋與活塞杆連接，連接法蘭上有螺栓孔。
4.根據權利要求2所述的地質力學模型試驗用複合式超薄柔性均布壓力加載裝置，其 特徵在於所述液壓油缸推力器的凹槽型下板內設有複合式柔性傳力墊層，複合式柔性傳 力墊層通過超強黏膠固定在下板上。
5.根據權利要求4所述的地質力學模型試驗用複合式超薄柔性均布壓力加載裝置，其 特徵在於所述複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設有經緯線。
全文摘要
本發明涉及一種地質力學模型試驗用複合式超薄柔性均布壓力加載裝置，包括超薄液壓油缸推力器和複合式柔性傳力墊層，液壓油缸推力器中心設有加載油缸，油缸活塞頂部有連結法蘭，液壓油缸推力器底部設有複合式柔性傳力墊層。本發明可廣泛應用於各種地質力學模型試驗的表面加載；該裝置結構簡單、組裝靈活，操作方便，單個加載單元尺寸合理，液壓油缸是具有進油口和出油口的雙向油缸，配合液壓站和液壓自動控制系統可實現加載和卸載；同時多個加載裝置可進行不同的排列方式組合，實現梯度加載。本發明將液壓油缸、剛性推力器、柔性傳力橡膠墊層有機的融合在一起，大大減小了加載空間，縮小了模型反力框架尺寸，節省了反力框架的鋼材。
文檔編號G01N3/12GK102103055SQ20101058950
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月15日 優先權日2010年12月15日
發明者張慶松, 李為騰, 李智, 李術才, 王漢鵬, 王 琦 申請人:山東大學