一种光弹试验三方向均布力加载装置的制作方法

本发明涉及一种光弹试验三方向均布力加载装置，特别涉及平面光弹试验中面力模拟地应力的均布加载。

背景技术：

随着煤矿开采深度、广度和强度的不断增加，深部高应力巷道围岩变形增大，支护成本成倍增加。深部巷道大变形的稳定及控制，已成为深部煤炭资源开发面临的难题之一。根据工程经验总结出的现代支护理念认为：巷道的稳定性控制应适当允许围岩变形，并充分提高和发挥围岩自身承载力，与支护结构共同形成互相协调、互相作用的支承系统；该支护理念已被广泛接受，并提出了一次支护(锚杆+喷层)-可缩层(泡沫塑料等可缩材料)-二次支护(钢筋混凝土结构层、锚索、注浆、U型钢、W钢带等)等支护结构形式，对于解决深部巷道围岩稳定性问题具有较明显的效果。对于这种复合支护体系中各结构单元或部分组合单元的作用，国内外做过大量的物理、数值和理论研究，但目前还没有对这种复合支护体系整体耦合作用进行研究。

提供一种能够利用带底拱巷道断面的平面光弹模型来研究巷道的平面应变问题，并设计光弹试验所需的三方向均布力加载装置，实现了对较大平面光弹模型外围进行均布力加载，达到模拟地应力的目的，已经是一个急需解决的问题。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种针对利用带底拱巷道断面的平面光弹模型来研究巷道的平面应变问题，设计了一种光弹试验所需的三方向均布力加载装置，实现了对较大平面光弹模型外围进行均布力加载，达到模拟地应力的目的。

本发明的目的是这样实现的：

一种光弹试验三方向均布力加载装置，包括底座1，设置在底座1上的反力框架2，所述的反力框架2的下部连接有底部支撑12，底部支撑12与分荷加载板共同构成的空间用于放置光弹模型，所述的分荷加载板与万向保持力加载机构的一端连接，万向保持力加载机构的另一端通过蜗轮丝杠千斤顶装置与反力框架2连接；

所述的底座1包括两根平行设置的底座横梁14，以及与两根底座横梁14垂直固定连接的底座支撑梁15；所述的底座支撑梁15与底座横梁14通过螺栓垂直固定，底座支撑梁15的两端分别设置有可调地脚杯13；

所述的反力框架2为矩形框架，包括框架下梁21，与框架下梁21平行设置的框架上梁24，以及分别设置在框架下梁21与框架上梁24两端，且与框架下梁21与框架上梁24垂直连接的框架立柱23；所述的反力框架2的四个角分别成对设置有角连接板25，所述的两个下端的角连接板25通过螺栓连接框架立柱23和框架下梁21，上端的两个角连接板25通过螺栓连接框架立柱23和框架上梁24；

所述的框架下梁21的底部焊接有一组与框架下梁21垂直的连接板22；

所述的框架上梁24的下方连接有一组定位板吊架26，所述的定位板吊架26的上端通过螺栓与框架上梁24固定，下端用于限定分荷加载板的位置；

所述的框架下梁21的上方通过螺栓连接有底部支撑12，所述的底部支撑12的上部设置有梯形开槽，两端设置有连接分荷加载板的定位板；

所述的分荷加载板装置包括平行布置的垂直方向左分荷加载板9、右分荷加载板11以及上部水平放置的上分荷加载板10，三块分荷加载板均通过定位板吊架26限位。

所述的万向保持力加载机构包括三个方向设置的万向保持力加载机构，分别为左万向保持力加载机构7、右万向保持力加载机构6和上万向保持力加载机构8；所述的蜗轮丝杠千斤顶装置包括左蜗轮丝杠千斤顶装置5、右蜗轮丝杠千斤顶装置3和上蜗轮丝杠千斤顶装置4；所述的左万向保持力加载机构7的左端通过左蜗轮丝杠千斤顶装置5与框架立柱23固定，右端连接左分荷加载板9；所述的右万向保持力加载机构6的左端与右分荷加载板11连接，右端通过右蜗轮丝杠千斤顶装置3与框架立柱23固定；所述的上万向保持力加载机构8的下端与上分荷加载板10固定，上端通过上蜗轮丝杠千斤顶装置4与框架上梁24固定；

所述的万向保持力加载机构包括螺纹连接件61，与螺纹连接件61连接的拉压力传感器62，所述的拉压力传感器62同时连接弹簧及导向装置63的一端，弹簧及导向装置63的另一端连接十字销万向节64；

所述的左分荷加载板9、右分荷加载板11和上分荷加载板10分别包括两侧约束板91，设置在两侧约束板91两端中间的约束板支撑块96；所述的两侧约束板91与约束板支撑块96中间设置有施压梁92，施压梁92的下方依次设置有二分分荷块93、四分分荷块94和八分分荷块95；所述的二分分荷块93、四分分荷块94和八分分荷块95通过两侧约束板91上设置的长孔内穿销钉实现定位。

积极有益效果:本发明通过对较大平面光弹模型实现三方向分荷均布力加载；针对有发生载荷波动的光弹模型，具有加载力方向自调整和加载力保持的效果，支持传感器输出载荷的数值；结构简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的底座的结构示意图；

图3为本发明的反力框架的结构示意图；

图4为本发明的万向保持力加载机构的结构示意图；

图5为本发明的分荷加载板分解的结构示意图；

图中为：底座 1、反力框架 2、右蜗轮丝杠千斤顶装置 3、上蜗轮丝杠千斤顶装置 4、左蜗轮丝杠千斤顶装置 5、右万向保持力加载机构 6、左万向保持力加载机构 7、上万向保持力加载机构 8、左分荷加载板 9、上分荷加载板 10、右分荷加载板 11、底部支撑 12、可调地脚杯 13、底座横梁 14、底座支撑梁 15、下梁 21、连接板 22、框架立柱 23、框架上梁 24、角连接板 25、定位板吊架 26、螺纹连接件 61、拉压力传感器 62、导向装置 63、十字销万向节 64、两侧约束板 91、施压梁 92、二分分荷块 93、四分分荷块 94、八分分荷块 95、约束板支撑块 96。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的说明：

一种光弹试验三方向均布力加载装置，包括底座1，设置在底座1上的反力框架2，所述的反力框架2的下部连接有底部支撑12，底部支撑12与分荷加载板共同构成的空间用于放置光弹模型，所述的分荷加载板与万向保持力加载机构的一端连接，万向保持力加载机构的另一端通过蜗轮丝杠千斤顶装置与反力框架2连接；

所述的底座1包括两根平行设置的底座横梁14，以及与两根底座横梁14垂直固定连接的底座支撑梁15；所述的底座支撑梁15与底座横梁14通过螺栓垂直固定，底座支撑梁15的两端分别设置有可调地脚杯13；可调地脚杯13、底座横梁14和底座支撑梁15三部分通过螺栓连接组成，用于装置在实验台上的放置与调平。

所述的反力框架2为矩形框架，包括框架下梁21，与框架下梁21平行设置的框架上梁24，以及分别设置在框架下梁21与框架上梁24两端，且与框架下梁21与框架上梁24垂直连接的框架立柱23；所述的反力框架2的四个角分别成对设置有角连接板25，所述的两个下端的角连接板25通过螺栓连接框架立柱23和框架下梁21，上端的两个角连接板25通过螺栓连接框架立柱23和框架上梁24；

所述的框架下梁21的底部焊接有一组与框架下梁21垂直的连接板22，所述的反力框架各部分主要通过螺栓连接，连接板22与框架下梁21采用焊接方法连接；反力框架用于提供加载时的反作用力。

所述的框架上梁24的下方连接有一组定位板吊架26，所述的定位板吊架26的上端通过螺栓与框架上梁24固定，下端用于限定分荷加载板的位置；

所述的框架下梁21的上方通过螺栓连接有底部支撑12，所述的底部支撑12的上部设置有梯形开槽，用于定位放置和支撑光弹模型，两端设置有限定分荷加载板装置位置的定位板；

所述的分荷加载板装置包括平行的垂直方向左分荷加载板9、右分荷加载板11以及上部水平放置的上分荷加载板10，三块分荷加载板均通过定位板吊架26限位。

所述的万向保持力加载机构包括三个方向设置的万向保持力加载机构，分别为左万向保持力加载机构7、右万向保持力加载机构6和上万向保持力加载机构8；所述的蜗轮丝杠千斤顶装置包括左蜗轮丝杠千斤顶装置5、右蜗轮丝杠千斤顶装置3和上蜗轮丝杠千斤顶装置4；所述的左万向保持力加载机构7的左端通过左蜗轮丝杠千斤顶装置5与框架立柱23固定，右端连接左分荷加载板9；所述的右万向保持力加载机构6的右端与右分荷加载板11连接，左端通过右蜗轮丝杠千斤顶装置3与框架立柱23固定；所述的上万向保持力加载机构8的下端与上分荷加载板10固定，上端通过上蜗轮丝杠千斤顶装置4与框架上梁24固定；

所述的万向保持力加载机构包括螺纹连接件61，与螺纹连接件61连接的拉压力传感器62，所述的拉压力传感器62同时连接弹簧及导向装置63的一端，弹簧及导向装置63的另一端连接十字销万向节64；其中拉压力传感器用于控制载荷的大小，弹簧及导向装置可以在光弹模型内部卸荷出现载荷波动时，通过释放弹性势能保持加载载荷的基本恒定，万向节可以使加载面与光弹模型接触后载荷方向实现自调整，保证载荷方向准确。

所述的左分荷加载板9、右分荷加载板11和上分荷加载板10分别包括两侧约束板91，设置在两侧约束板91两端中间的约束板支撑块96；所述的两侧约束板91与约束板支撑块96中间设置有施压梁92，施压梁92的下方依次设置有二分分荷块93、四分分荷块94和八分分荷块95；所述的二分分荷块93、四分分荷块94和八分分荷块95通过两侧约束板91上设置的长孔内穿销钉实现定位；每块分荷块通过销与两侧约束板上的长孔配合定位，分荷加载板通过逐级分荷将集中荷载均分后传递至光弹模型的边界，实现均布恒定载荷的施加。

使用时，将制作好的光弹模型安装在加载装置上后，即可开始对光弹模型加载。

加载方法：将光弹模型放置在底部支撑上后，通过转动手轮调整各分荷加载板的位置，使光弹模型在加载装置上固定。根据计算出的加载载荷的大小，转动手轮使蜗轮丝杠千斤顶伸出，压紧光弹模型进行加载并根据拉压力传感器输出的载荷数值控制载荷的大小。

由于试验所使用的光弹模型的几何尺寸较大，为环氧树脂板材，而且在实验的过程中光弹模型内部需模拟卸荷过程，载荷出现波动，需在加载的同时保持载荷的基本恒定。该装置通过布置在反力框架上不同方向的三个蜗轮丝杠千斤顶提供加载力，当正反向转动千斤顶手轮时，丝杠会相应的进退移动，由此产生加载力。丝杠末端连接有拉压力传感器，再通过弹簧、万向节将载荷传递至分荷加载板，分荷加载板通过逐级分荷将集中荷载均分后传递至光弹模型的边界，实现均布恒定载荷的施加。在框架下部设置底部支撑用于光弹模型的放置和定位。

本发明通过对较大平面光弹模型实现三方向分荷均布力加载；针对有发生载荷波动的光弹模型，具有加载力方向自调整和加载力保持的效果，支持传感器输出载荷的数值；结构简单，操作方便。

以上实施案例仅用于说明本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代及改进等，均应视为本申请的保护范围。