一种多级调节向心静动组合加载试验装置及其使用方法与流程

1.本发明涉及静动组合加载试验装置技术领域，具体地说，涉及一种多级调节向心静动组合加载试验装置及其使用方法。


背景技术：

2.我国煤炭资源已普遍进入深部开采阶段，深部高应力和强扰动导致冲击地压等动力灾害破坏程度愈加强烈，严重时会造成几百米的巷道瞬间收缩变形、崩塌以及支护体破坏。针对这一工程问题，研发具有抗冲、防冲特性的支护装备，是当前冲击地压等动力灾害矿井在深部开采阶段的急需。现有的巷道支护装备中，o型棚支架(环形的u型钢支架)、拱形门式液压支架是井巷防冲作用最显著、最关键的两种。其中，o型棚支架应用非常广泛、应用量也很大；拱形门式液压支架是提高巷道支护强度、增强支护体系稳定性最显著的支护装备。该两种支护装备在支护方式上都属于圆形巷道断面的支护，在支护中既要承担巷道一圈围岩向内(向巷道内)的压力，又要在突发冲击时承受围岩向巷道内部的冲击作用，如果叠加的载荷超过其的承载能力，则会发生严重变形破坏或垮塌。因此，o型棚支架、拱形门式液压支架的防冲功能设计与性能研究，需要进行环形一周分布的静、动载(冲击)叠加作用的试验或检测，模拟在圆形巷道支护状态中遭受冲击时的响应情况。
3.现有国内冲击试验机主要有摆锤式冲击试验机、落锤式冲击试验机、霍普金森压杆冲击试验机、单轴液压冲击试验机。其中，摆锤冲击试验机主要是进行材料的冲击性能检测，能级较小，一般只有几百焦耳能量；金属落锤冲击试验机测试范围比较广，测试范围最大的是湖南大学工程结构综合防护研究所的重型超高落锤冲击试验机，能级可达到十万焦耳，速度可达17m/s，但也是单向冲击；霍普金森压杆冲击试验机主要进行小试件的高速冲击测试，子弹冲击速度较大，但能级较小；单轴液压冲击试验机现在国内有吨位达650t的，但也仅限于单向冲击测试。另外，英国的instron高速冲击试验机以及日本岛津shimadzu冲击试验机，都是单向冲击试验机。
4.综上可见，当前各种形式的冲击试验机都不能进行环形加载，满足不了对圆形巷道断面支护装备的环形向心的静、动(冲击)加载需要，所以，急需创新发明一种新型的环形向心加载试验机，以实现对巷道断面支护装备的静动加载试验与检测。
5.此外，为便于研究，支护装备通常采用不同比例的模型进行试验，同时，也需要研究不同型号的支护装备的性能差异，因此，试验装置平台范围需要具有一定的适应性。


技术实现要素：

6.本发明的内容是提供一种多级调节向心静动组合加载试验装置及其使用方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
7.为解决上述问题，本发明提供：一种多级调节向心静动组合加载试验装置，包括框架结构和加载缸，所述加载缸设置在框架结构上方，在所述结构框架下方设有多个支脚，所述加载缸包括缸筒和活塞杆，在所述缸筒上嵌入设有固定环，在所述固定环下方与结构框
架接触处设有锁紧孔，在所述结构框架上设有与锁紧孔匹配的定位孔，将螺栓穿过锁紧孔与定位孔以固定加载缸。
8.优选的，在所述加载缸后端设有液压油口，在前端设有气体通口，在所述活塞杆前端通过螺钉连接有第二连接板，所述第二连接板为圆盘形结构，在所述第二连接板的一侧通过螺栓连接有压力传感器，在所述压力传感器的另一端设有加载头。
9.优选的，所述加载头为u型接触形状的加载头。
10.优选的，所述液压油口的直径大于气体通口的直径。
11.优选的，在所述固定环上的锁紧孔设有多个，且均匀分布在加载缸的两侧。
12.优选的，在所述结构框架上与锁紧孔相匹配的定位孔设有多个，且径向分布。
13.优选的，所述框架结构为圆盘形结构，在所述框架结构上方按照圆周方向向心设置多个加载缸，多个所述加载缸环形向心设置，构成对试件的环形向心加载；
14.优选的，在所述框架结构中心开设有容纳腔，在所述容纳腔底部设有分油盘，所述分油盘通过第一连接板与框架结构连接；
15.优选的，所述分油盘的进油口位于中心下方，圆环四周开设有分油口，所述分油口与加载缸一一对应并通过油管连接液压油口。
16.一种多级调节向心静动组合加载试验装置的使用方法，包括以下步骤：
17.①
按上述结构关系进行组装好，并设置连接对应的液压控制系统，同时在第二换向阀处通过气管连接空气压缩泵；
18.②
根据待加载试件需求调节好加载缸3的位置，将螺栓穿过锁紧孔38与定位孔11以固定加载缸3，放置好待测试件，根据加载需求选择在分油盘13与加载缸3之间的截止阀是否开启，从而选择框架结构1圆周方向布置的对称或非对称位置的加载缸3进行加载，以便形成对称或非对称加载；
19.③
启动静载泵，控制第一换向阀工作在左位，以切换液压油的流向，使液压油从液压油口流入加载缸，空气从气体通口流出，使得加载缸的活塞杆伸出，对待测试件进行静态加载，同时，可通过调节第一压力调节阀对静载压力进行调节；
20.④
启动动载泵，对蓄能器进行充液蓄能，同时通过调节第二压力调节阀对蓄能大小进行调节；
21.⑤
当蓄能压力达到设定值时，动态加载准备，控制第一控制阀切换以打开对应的液控单向阀，使得大量高压液压油从蓄能器经过分油盘的分流进入各加载缸，使得加载缸快速伸出以形成动态加载；
22.⑥
关闭动载泵、第一控制阀、静载泵和第一换向阀，控制第二换向阀打开换向，使压缩气体从气体通口流入加载缸，液压油从液压油口流出，使得加载缸的活塞杆缩回，关闭第二换向阀，加载完毕。
23.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
24.1、框架结构1为圆盘形结构，在框架结构1上方按照圆周方向向心设置多个加载缸3，多个加载缸3环形设置，构成对试件的环形加载，可以实现对试件进行环形环形向心对称和非对称加载试验。
25.2、本发明通过调整锁紧孔38对应前后不同位置的定位孔11，利用螺栓固定，以调整加载缸3前后位置，适应不同型号大小的待加载试件，可多级调节以实现在相同加载行程
下对不同大小待加载试件进行加载。
26.3、本发明设置液压油口33的直径大于气体通口34的直径，气体通口34通过第二换向阀9与空气压缩泵，在动态加载时，加载缸3内有杆腔内的气体可以快速排出，受到的阻力会更小，有利于高压液压油的快速灌入加载缸3，有利于形成动态加载。
附图说明
27.图1为本发明的主视剖切结构示意图；
28.图2为图1中a处局部放大示意图；
29.图3为本发明的俯视结构示意图；
30.图4为本发明在实施例一中的液压控制原理图。
31.其中：
32.1、框架结构；11、定位孔；12、容纳腔；13、分油盘；14、第一连接板；2、支脚；3、加载缸；31、缸筒；32、固定环；33、液压油口；34、气体通口；35、活塞杆；36、第二连接板；37、压力传感器；38、锁紧孔；4、静载泵；41、第一压力调节阀；5、第一换向阀；6、动载泵；61、第二压力调节阀；7、蓄能器；8、第一控制阀；9、第二换向阀。
具体实施方式
33.为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
34.实施例一
35.如图1～3所示，一种多级调节向心静动组合加载试验装置，包括框架结构1和加载缸3，加载缸3设置在框架结构1上方，在结构框架1下方设有多个支脚2，加载缸3包括缸筒31和活塞杆35，在缸筒31上嵌入设有固定环32，在固定环32下方与结构框架1接触处设有锁紧孔38，在结构框架1上设有与锁紧孔38匹配的定位孔11，将螺栓穿过锁紧孔38与定位孔11以固定加载缸3。
36.为进一步提高本发明的使用性能，在加载缸3后端设有液压油口33，在前端设有气体通口34，在活塞杆35前端通过螺钉连接有第二连接板36，第二连接板36为圆盘形结构，在第二连接板36的一侧通过螺栓连接有压力传感器37，在压力传感器37的另一端设有加载头，在加载时，加载头直接作用于待加载试件，在本技术附图中，加载头设置为螺纹与压力传感器37、形状设置为子弹头形状接触，但不仅仅可设置成如此结构，设置为螺栓连接、固定连接也是本技术的保护范围，设置为平面接触、u型接触的加载头也是本技术的保护范围，其中，u型接触形状的加载头，能够将待加载试件进行限制，避免在安装试件时就需要进行静态加载的情况，也可以有效的防止待加载试件受载变形后发生翘边而不继续径向变形的问题发生。
37.如此设置，气体通口34连接压缩气体，液压油口33连通高压液压油，在动态加载时，加载缸3受到的阻力会更小，便于安装压力传感器37，也便于测量加载时的作用力。
38.液压油口33的直径大于气体通口34的直径，如此设置，有利于高压液压油的快速灌入加载缸3，有利于形成动态加载。
39.在固定环32上的锁紧孔38设有多个，且均匀分布在加载缸3的两侧。
40.在结构框架1上与锁紧孔38相匹配的定位孔11设有多个，且径向分布，可为线性等间距，也可为非线性、非间距，在需要调整加载缸3前后位置时，可通过调整锁紧孔38对应前后不同位置的定位孔11，通过螺栓固定，即可完成调节，多个锁紧孔38与定位孔11的设置，构成了加载缸3前后位置的多级调节，以适应不同型号大小的待加载试件，本实施例中，本领域技术人员应当理解，待加载试件包括一比一尺寸的支护设备或装备，也包括支护设备或装备的缩比例模型，如此，能够充分满足对支护设备或装备性能研究的试验需求。
41.框架结构1为圆盘形结构，在框架结构1上方按照圆周方向向心设置多个加载缸3，多个加载缸3环形向心设置，构成对试件的环形向心加载。
42.在框架结构1中心开设有容纳腔12，在容纳腔12底部设有分油盘13，分油盘13通过第一连接板14与框架结构1连接，本实施例中，第一连接板14设有三处。
43.分油盘13的进油口位于中心下方，圆环四周开设有分油口，分油口与加载缸3一一对应并通过油管连接液压油口33，能够均匀的将高压液压油等压力流量的分配至各加载缸3，且在分油盘13与加载缸3之间设有截止阀，以方便根据需要选择是否往某一加载缸3进行充液加载。
44.根据上述一种多级调节向心静动组合加载试验装置，本发明还提供一种多级调节向心静动组合加载试验装置的使用方法，本实施例根据图4所示的液压原理图进行介绍，包括以下步骤：
45.①
按上述结构关系进行组装好，并设置连接对应的液压控制系统，本实施例中，按照图4所示原理图进行设置连接，同时在第二换向阀9处通过气管连接空气压缩泵；
46.②
根据待加载试件需求调节好加载缸3的位置，将螺栓穿过锁紧孔38与定位孔11以固定加载缸3，放置好待测试件，根据加载需求选择在分油盘13与加载缸3之间的截止阀是否开启，从而选择框架结构1圆周方向布置的对称或非对称位置的加载缸3进行加载，以便形成对称或非对称加载；
47.③
启动静载泵4，控制第一换向阀5工作在左位，以切换液压油的流向，使液压油从液压油口33流入加载缸3，空气从气体通口34流出，使得加载缸3的活塞杆35伸出，对待测试件进行静态加载，同时，可通过调节第一压力调节阀41对静载压力进行调节；
48.④
启动动载泵6，对蓄能器7进行充液蓄能，同时通过调节第二压力调节阀61对蓄能大小进行调节；
49.⑤
当蓄能压力达到设定值时，动态加载准备，控制第一控制阀8切换以打开对应的液控单向阀，使得大量高压液压油从蓄能器7经过分油盘13的分流进入各加载缸3，使得加载缸3快速伸出以形成动态加载；
50.⑥
关闭动载泵6、第一控制阀8，控制第二换向阀9打开换向，使压缩气体从气体通口3流入加载缸3，液压油从4液压油口33流出，使得加载缸3的活塞杆35缩回，关闭第二换向阀9，关闭静载泵4，加载完毕。
51.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。