專利名稱：地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)用復(fù)合式超薄柔性均布壓力加載裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種加載裝置，尤其是一種適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的復(fù)合式超 薄柔性均布壓力加載裝置。
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(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(yàn)中柔性傳力均勻加載難題。但活塞式均布壓力加載器 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。[0011]3.活塞式均布壓力加載器結(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，對于加 載空間有限的情況適應(yīng)性差。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型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)合式超薄柔性均布壓力加載裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案一種地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)用復(fù)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(shè)有雙向加載油缸，雙向加載油缸活塞頂部設(shè)有連接法蘭，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，下板為凹槽型；上下板中心設(shè)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桿連接，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(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。本實(shí)用新型的內(nèi)部超柔性聚氨酯橡膠板非常柔軟，對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40t，模型表面可達(dá)到的最大荷載集度為4MPa， 荷載集度偏差< 5%，模型表面應(yīng)力不均勻深度小于100mm。本實(shí)用新型能給模型表面柔性 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。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1.該裝置可實(shí)現(xiàn)對模型表面的柔性均布壓力加載，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)4MPa，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0. IMPa03.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、加載推力器、柔性傳力墊層有機(jī)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(jié)省了反力框架鋼材，適應(yīng)性更強(qiáng)。5.活塞頂部安裝有鏈接法蘭，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(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)的測線弓I出。
圖1是本實(shí)用新型剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型俯視圖；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(jìn)油口，12、下板，13、 液壓油缸推力器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。如圖1、圖2所示，一種地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)用復(fù)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(shè)有雙向加載油缸，雙向加載油缸活塞頂 部設(shè)有連接法蘭1，液壓油缸推力器13底部設(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(shè)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通過螺紋與活塞桿相連，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(shè)有兩道密封圈2，可防止液壓油溢流出來。 加載油缸體的前后端分別設(shè)有進(jìn)油口 11和出油口 9。復(fù)合式柔性傳力墊層包括設(shè)置于液壓油缸推力器13底部凹槽型下板12內(nèi)的兩層 不同邵氏硬度的聚氨酯橡膠，內(nèi)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(nèi)設(shè)有經(jīng)緯線， 可限制高壓條件超柔性聚氨酯橡膠板5變形外溢現(xiàn)象。本實(shí)用新型工作原理配合液壓站和液壓自動控制系統(tǒng)，液壓自動控制系統(tǒng)控制 液壓油由進(jìn)油口 11進(jìn)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(jìn)，并通過連 接法蘭1將作用力傳遞到反力結(jié)構(gòu)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(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40t，模型表面可達(dá)到的最大荷載集度為4MPa， 荷載集度偏差< 5%，模型表面應(yīng)力不均勻深度小于100mm。本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于各種 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)加載。
權(quán)利要求1.一種地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)用復(fù)合式超薄柔性均布壓力加載裝置，其特征在于包括液 壓油缸推力器，液壓油缸推力器中心設(shè)有雙向加載油缸，雙向加載油缸活塞頂部設(shè)有連接 法蘭，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所述的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)用復(fù)合式超薄柔性均布壓力加載裝置，其 特征在于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(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)用復(fù)合式超薄柔性均布壓力加載裝置，其 特征在于所述連接法蘭通過螺紋與活塞桿連接，連接法蘭上有螺栓孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)用復(fù)合式超薄柔性均布壓力加載裝置，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所述的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)用復(fù)合式超薄柔性均布壓力加載裝置，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。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)用復(fù)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復(fù)合式柔性傳力墊層，液壓油缸推力器中心設(shè)有加載油缸，油缸活塞頂部有鏈接法蘭，液壓油缸推力器底部設(shè)有復(fù)合式柔性傳力墊層。本實(shí)用新型可廣泛應(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)行不同的排列方式組合，實(shí)現(xiàn)梯度加載。本實(shí)用新型將液壓油缸、剛性推力器、柔性傳力橡膠墊層有機(jī)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(jié)省了反力框架的鋼材。
文檔編號G01N3/12GK201926589SQ20102066120
公開日2011年8月10日 申請日期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 申請人:山東大學(xué)