專利名稱：適用于地質力學模型試驗的復合式柔性均布壓力加載裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種加載裝置，尤其是一種適用于地質力學模型試驗的復合式柔性 均布壓力加載裝置。
背景技術：
地質力學模型試驗有利于在復雜的試驗過程中突出主要矛盾，便于把握、發現 現象的內在聯系。在國外，以弗曼格林為首的專家在意大利結構模型試驗所開創了工程 地質力學模型試驗技術。隨后，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，先后 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，因為它直接關系到 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，盡量減小模型表面不均勻應力場的范圍和深度對模型 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。特別由于模型中間洞室的開 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。但由于加載荷載強度偏低，行程小， 無法滿足模型較大變形和較高強度的要求，達不到深部開采試驗的高應力加載要求；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復雜，加工制造精度要求高，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，無法滿足大型模型試驗的需要。
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3.活塞式均布壓力加載器結構復雜，價格偏高，也不利于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，對于 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、耐久性好的適用于地質力學模型試驗的復合式柔性均布壓力加載裝置。為實現上述目的，本發明采用下述技術方案
一種適用于地質力學模型試驗的復合式柔性均布壓力加載裝置，其特征在于包括 液壓油缸推力器，液壓油缸推力器上端通過球鉸與液壓油缸相連，液壓油缸推力器底部 設有復合式柔性傳力墊層。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，液壓油缸 前端或后端上設有法蘭，法蘭上設有螺栓孔。所述液壓油缸推力器的凹槽型下板內設有復合式柔性傳力墊層，復合式柔性傳 力墊層通過超強黏膠固定在下板上。所述復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，對于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50t，模型表面可達到的最大荷載集度為 4.5MPa,荷載集度偏差55%，模型表面應力不均勻深度小于100mm。本發明能給模型表 面柔性均勻加載，大大提高加載精度，可廣泛應用于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，復合式柔性傳力墊層性能優越， 施加的荷載集度大，可達4.5MPa，荷載集度偏差低于5%，模型表面應力不均勻深度小于 IOOmm02.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O.lMPa。3.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、球鉸、推力器、復合式柔性傳力墊層有機的融合在一起，通過 球鉸的調整，推力器的加載方向可根據模型表面的傾斜方向調整，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，節省材料，適應性更強。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.整套加載裝置結構簡單，加工方便，易于維修，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引出。
圖1是本發明剖面結構示意圖； 圖2是本發明俯視其中1、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、復合式柔性傳力墊層。
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，本發明為一種適用于地質力學模型試驗的復合式柔性均布壓 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，底部設有一層復合式柔性傳力墊層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 證不加載時推力器與液壓油缸活塞連接在一起，同時又保證在加載時推力器可微調。液壓油缸推力器的凹槽型下板2內設有復合式柔性傳力墊層16，復合式柔性傳 力墊層16通過超強黏膠固定在下板2上。復合式柔性傳力墊層16包括設置于液壓油缸 推力器15底部下板9凹槽內的內層超柔性橡膠層1和外部的柔性橡膠層8，柔性橡膠層8 內設有一層經緯線，可限制高壓條件下超柔性橡膠層1變形外溢現象。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與缸體之間設有密封圈14，防止液壓油滲漏。缸體的 前后端分別設有進油口 7和出油口 5。液壓油缸6前端或后端上設有法蘭12，法蘭12上 設有螺栓孔4。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7進入圖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，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組成的復合式柔性傳力墊層16上，球鉸11可根 據模型表面的傾斜程度對加載方向進行微調，最后由復合式柔性傳力墊層16將作用力傳 遞給加載對象。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50t，模型表面可達到的最大荷載集度為 4.5MPa,荷載集度偏差55%，模型表面應力不均勻深度小于100mm。本發明可廣泛應用 于各種地質力學模型試驗加載。
權利要求
1.一種適用于地質力學模型試驗的復合式柔性均布壓力加載裝置，其特征在于包 括液壓油缸推力器，液壓油缸推力器上端通過球鉸與液壓油缸相連，液壓油缸推力器底 部設有復合式柔性傳力墊層。
2.根據權利要求1所述的適用于地質力學模型試驗的復合式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，上、下板之間通過若干均布的加勁 肋連接，加勁肋為梯形；上板上設有球鉸卡槽，下板為凹槽型。
3.根據權利要求1所述的適用于地質力學模型試驗的復合式柔性均布壓力加載裝置， 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，液壓 油缸前端或后端上設有法蘭，法蘭上設有螺栓孔。
4.根據權利要求2所述的適用于地質力學模型試驗的復合式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設有復合式柔性傳力墊層，復合式柔 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所述的適用于地質力學模型試驗的復合式柔性均布壓力加載裝置， 其特征在于所述復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
本發明涉及一種適用于地質力學模型試驗的復合式柔性均布壓力加載裝置，包括液壓油缸推力器，液壓油缸推力器上端通過球鉸與液壓油缸相連，液壓油缸推力器底部設有復合式柔性傳力墊層。本發明可廣泛應用于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排列方式組合，實現梯度加載。本發明將液壓油缸、球鉸、推力器、復合式柔性傳力墊層有機的融合在一起，均布加載效果更好。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，節省材料，適應性更強。
文檔編號G01N3/12GK102012338SQ20101058949
公開日2011年4月13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