一种两向四面静动组合加载的二维模型试验系统的制作方法

1.本发明涉及矿业工程试验研究技术领域，特别涉及一种两向四面静动组合加载的二维模型试验系统。


背景技术：

2.在采矿工程中对于矿山压力与顶板控制方面，通常采用室内相似比模拟试验来验证理论研究或数值模拟得到的一些矿压显现规律，进而为现场的矿压显现进行预测预判，也为采矿过程的安全保障提供一定的参考。另外，采矿过程中还会发生一些动力现象，如岩爆、煤炮、冒顶等，对其附近已采空区域的围岩构成动载叠加过程，进而诱发围岩突然的冲击式破坏，如果破坏范围较大且过程剧烈，则常会引发伤亡事故、损毁生产设备，甚至构成矿井灾害，如煤矿冲击地压、矿震等。因此，采矿的相似模拟试验不仅仅局限于准静态加载过程，还需要研究静动载叠加作用下的一些结果。同时，动力现象出现时产生的震动对近场围岩的加载是一种复杂的过程，具体涉及应力波的形式、波速、波频、幅值、方向等多种参量。因此，采矿相似模拟试验的加载设备、加载系统及控制技术是试验技术领域一个很大的难点，属于卡脖子难题。
3.现阶段，室内相似比模拟试验设备主要有单轴试验机、三轴试验机以及二维平面应变模型试验台。其中，前两种试验设备都有静态加载、冲击加载以及静动组合加载功能，而二维平面应变模型试验台由于第三方向难以合理约束，所以常会发生失稳或失效而导致试验失败，因此，二维平面应变模型试验台基本没有静动组合加载的功能。另外，目前无论单轴、三轴或两向的试验设备，其动载控制系统要实现波形、波速、波频、幅值等多种参量可控是难以实现。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，本发明的实施例提出一种两向四面静动组合加载的二维模型试验系统。
6.本发明实施例的两向四面静动组合加载的二维模型试验系统，包括试验台刚性基架、模型夹持单元、静态加载单元及动态加载单元，所述模型夹持单元、静态加载单元与动态加载单元分别组合安装于试验台刚性基架上，三者相配合，实现加载功能；所述模型加持单元包括上均布加载压板、下均布加载压板、左均布加载压板、右均布加载压板、透明刚性挡板、滑动螺栓口、螺栓；所述透明刚性挡板共两块，通过螺钉安装于试验台刚性基架的前、后面上；所述上均布加载压板和下均布加载压板分别设置于模型的上下，所述左均布加载压板和右均布加载压板设置于模型的左右，且通过所述螺栓与透明刚性挡板上的滑动螺栓口连接，同时，所述静态加载单元在上均布加载压板、下均布加载压板、左均布加载压板及右均布加载压板的外侧各设置一组。
7.优选的，所述左均布加载压板和右均布加载压板可通过所述螺栓带动左均布加载压板和右均布加载压板在滑动螺栓口内左右移动。
8.优选的，所述静态加载单元包括加载油缸、进液口、出液口、活塞、静态加载杆、压力传感器、压头、油缸上端头及油缸下端头，所述上均布加载压板和下均布加载压板侧的加载油缸固定于试验台刚性基架上；所述左均布加载压板、右均布加载压板固定在侧支撑架上，所述侧支撑架固定设置在试验台刚性基架上，从所述进液口流入高压液体，推动所述活塞与静态加载杆对模型进行静态加载，所述加载油缸内部通过活塞安装静态加载杆，所述活塞与加载油缸紧密接触。
9.优选的，所述加载油缸两侧安装油缸上端头、油缸下端头，保证加载油缸密闭性。
10.优选的，所述进液口连接有稳压器，并通过所述稳压器连接外部液压控制系统，保证油压持续稳定输入到加载油缸，所述出液口向外排除油液，静所述态加载杆下侧连接压力传感器，所述压力传感器下侧连接压头。
11.优选的，所述连接压头与上均布加载压板或下均布加载压板或左均布加载压板或右均布加载压板固定连接。
12.优选的，所述静态加载杆为空心厚壁筒。
13.优选的，所述动态加载单元包括电液伺服作动器和冲击杆，所述电液伺服作动器固定于静态加载杆上，可随静态加载杆进行轴向移动。
14.优选的，所述冲击杆置于静态加载杆的空心厚壁筒内部，且可以相对静态加载杆进行轴向移动，可将正弦波、三角波、梯形波、叠加波以及实际矿震波形等不同频率、不同振幅的波形动载输出传递到冲击杆，进而传递给对应的上均布加载压板或下均布加载压板或左均布加载压板或右均布加载压板。
15.优选的，所述动态加载单元可以安装于任意静态加载杆上，施加动态加载。
16.本发明与现有技术相比，本发明的有益效果：
17.解决了室内相似模拟试验时，只能对模型进行准静态加载，无法实现双向四面加载更无法实现静动组合加载的问题，只需在一套试验系统上，就可满足两向四面等压/非等压静态加载、两向相同/不同可控模式动态加载及静动组合两向加载平面应变相似模拟试验，使得室内相似模拟试验更准确有效的还原井下矿体的受力状态及变形破坏规律。
附图说明
18.图1是为本发明实施例的两向四面静动组合加载的二维模型试验系统的结构示意图。
19.图2是为图1的左视结构示意图。
20.附图标记：
21.1、试验台刚性基架；2、上均布加载压板；3、下均布加载压板；4、左均布加载压板；5、右均布加载压板；6、透明刚性挡板；7、滑动螺栓口；8、螺栓；9、加载油缸；10、进液口；11、出液口；12、活塞；13、静态加载杆；14、压力传感器；15、压头；16、油缸上端头；17、油缸下端头；18、稳压器；19、电液伺服作动器；20、冲击杆；21、侧支撑架。
具体实施方式
22.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
23.如图1-2所示，一种两向四面静动组合加载的二维模型试验系统，包括试验台刚性基架1、模型夹持单元、静态加载单元及动态加载单元，模型夹持单元、静态加载单元与动态加载单元分别组合安装于试验台刚性基架1上，三者相配合，实现加载功能；
24.模型加持单元包括上均布加载压板2、下均布加载压板3、左均布加载压板4、右均布加载压板5、透明刚性挡板6、滑动螺栓口7、螺栓8；透明刚性挡板6共两块，通过螺钉安装于试验台刚性基架1的前、后面上；上均布加载压板2和下均布加载压板3分别设置于模型的上下，左均布加载压板4和右均布加载压板5设置于模型的左右，且通过螺栓8与透明刚性挡板6上的滑动螺栓口7连接，同时，静态加载单元在上均布加载压板2、下均布加载压板3、左均布加载压板4、及右均布加载压板5的外侧各设置一组。
25.为进一步提高本发明的使用性能：左均布加载压板4和右均布加载压板5可通过所述螺栓8带动左均布加载压板4和右均布加载压板5在滑动螺栓口7内左右移动。
26.静态加载单元包括加载油缸9、进液口10、出液口11、活塞12、静态加载杆13、压力传感器14、压头15、油缸上端头16、油缸下端头17及稳压器18，上均布加载压板2和下均布加载压板3侧的加载油缸9固定于试验台刚性基架1上；左均布加载压板4、右均布加载压板5固定在侧支撑架21上，侧支撑架21固定设置在试验台刚性基架1上，从进液口10流入高压液体，推动活塞12与静态加载杆13对模型进行静态加载，加载油缸9内部通过活塞12安装静态加载杆13，活塞12与加载油缸9紧密接触；加载油缸共4个，分别固定于试验台刚性基架1上、下、左、右四个面上，可对模型四个面施加等压和非等压静载荷。
27.加载油缸9两侧安装油缸上端头16、油缸下端头17，保证加载油缸9密闭性。
28.进液口10连接有稳压器18，并通过稳压器18连接外部液压控制系统，保证油压持续稳定输入到加载油缸9，出液口11向外排除油液，静态加载杆13下侧连接压力传感器14，压力传感器14下侧连接压头15。
29.连接压头15与上均布加载压板2或下均布加载压板3或左均布加载压板4或右均布加载压板5固定连接。
30.静态加载杆13为空心厚壁筒。
31.动态加载单元包括电液伺服作动器19和冲击杆20，电液伺服作动器19固定于静态加载杆13上，可随静态加载杆13进行轴向移动。
32.冲击杆20置于静态加载杆13的空心厚壁筒内部，且可以相对静态加载杆13进行轴向移动，可将正弦波、三角波、梯形波波、叠加波等不同频率、不同振幅的震动/冲击动载输出传递到冲击杆20，进而传递给对应的上均布加载压板2或下均布加载压板3或左均布加载压板4或右均布加载压板5。
33.所述动态加载单元可以安装于任意静态加载杆上，施加动态加载。
34.下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
35.实施例一
36.利用本发明的两向四面静动组合加载的二维模型试验系统进行模型两向四面非等压静态加载平面应变相似模拟试验，以获取该模型在两向非等压准静态加载下的力学性能和变形破坏规律。
37.试验前，先将试验用模型置于试验台刚性基架1的下均布加载压板3上，将上均布加载压板2放置于模型上，将2块透明刚性挡板6安装于试验台刚性基架1的前、后面上，将左
均布加载压板4和右均布加载压板5通过螺栓8及所述透明刚性挡板6上的滑动螺栓口7固定于透明刚性挡板6上，然后启动外部液压控制系统，分别控制四个加载油缸9，使模型四个面与上均布加载压板2、下均布加载压板3、左均布加载压板4、右均布加载压板5接触，且保证模型处于试验台刚性基架1中心。开始试验，试验时，同时启动外部液压控制系统上控制四个加载油缸9的按钮，并设定外部液压控制系统的x方向(水平方向)和y方向(垂直方向)的载荷输出值，通过稳压器18持续稳定的将油液通过进液口10输入加载油缸9，驱动活塞12带动静态加载杆13运动，并将压力通过压力传感器14传递给压头15，压头15作用于加载压板，最终给模型施加两向四面非等压均布载荷，完成对模型的两向四面非等压静态加载平面应变相似模拟试验。
38.实施例二
39.利用本发明的两向四面静动组合加载的二维模型试验系统进行模型两向等压静动组合加载平面应变相似模拟试验，以获取该模型在两向准静态加载下的力学性能和变形破坏规律。
40.试验前，先将两个电液伺服作动器固定于试验台刚性基架1右侧和下侧的静态加载杆13上，并将试验用模型置于试验台刚性基架1的下均布加载压板3上，将上均布加载压板2放置于模型上，将2块透明刚性挡板6安装于试验台刚性基架1的前、后面上，将左均布加载压板4和右均布加载压板5通过螺栓8及所述透明刚性挡板6上的滑动螺栓口7固定于透明刚性挡板6上，然后启动外部液压控制系统，分别控制四个加载油缸9，使模型四个面与上均布加载压板2、下均布加载压板3、左均布加载压板4、右均布加载压板5接触，且保证模型处于试验台刚性基架1中心。开始试验，试验时，同时启动外部液压控制系统上控制四个加载油缸9的按钮，并设定外部液压控制系统的载荷输出值，通过稳压器18持续稳定的将油液通过进液口10输入加载油缸9，驱动活塞12带动静态加载杆13运动，并将压力通过压力传感器14传递给压头15，压头15作用于加载压板，最终给模型施加等压均布载荷，并通过外部液压控制系统和稳压器18，对模型进行静载保压；随后，同时启动两个电液伺服作动器19，设定动载输出波形、频率和振幅，驱动冲击杆20撞击压力传感器14，通过压力传感器14将动载传递给压头15，压头15作用于加载压板，给模型施加动载，且施加动载过程中始终开启稳压器18，保证动载施加过程中静载压力值稳定。通过上述操作，完成一次两向等压静动组合加载平面应变相似模拟试验。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
43.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
45.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
46.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。