一种多功能实验用教学设备的制作方法

本发明涉及实验教学领域，特别是指一种多功能实验用教学设备。

背景技术：

随着燃气轮机及其航空发动机的发展，对如何提高燃烧效率、污染物排放、强化燃烧室内的燃烧成为研究热点同时也是研究的难点。在燃烧室中，由于燃油和空气混合物不像气态或者液态那样存在简单的流动模型，而且在燃烧过程中存在各种物理和化学模型包括燃料的蒸发与雾化、湍流的输运、热辐射和热扩散，所以对燃油和空气的二项混合燃烧建立数学模型十分复杂，因此目前在燃气轮机和航空发动机的燃烧室设计中主要以实验为主。

冲击地压是指在煤矿井巷或回采工作面周围，处于高地应力条件下的煤岩体受到顶板断裂或爆破扰动发生破坏，并在破坏过程中受到围岩的进一步快速挤压作用，瞬时释放巨大能量而产生破坏的矿井动力现象。常伴随有巨大的声响、煤岩体被抛向采掘空间和气浪等现象，造成采掘空间中支护设备的破坏以及采掘空间的变形，严重时造成人员伤亡和井巷的毁坏，甚至引起地表塌陷而造成局部地震。

冲击地压是采矿业面临的一个重要问题，严重影响着矿井的安全生产，尤其是在深部开采过程中，围岩处于高应力条件下，受到采场上覆岩层断裂扰动，回采巷道很容易发生冲击地压灾害。研究冲击地压发生规律，不仅要通过理论分析，更要通过室内模拟实验来探索其本质规律。

如专利公开文献cn103471914a公开的一种冲击地压真三轴模拟试验系统，其包括柔性加载单元、围压加载单元和冲击加载单元；其柔性加载单元通过加载油缸和反力钢绞线对试件施加竖向压力，过围压加载单元使试件处于三轴应力条件下，通过冲击加载系统对试件施加冲击荷载，试件在高应力及冲击扰动条件下破坏，其强度降低并发生一定位移，在这个过程中，柔性加载单元中的反力钢绞线对试件迅速进行补充加载，模拟了外部围岩对煤岩体的进一步挤压做功；该方案较好的模拟了冲击地压的发生条件，且三轴加载条件尤其适用于模拟回采巷道中发生的重力型冲击地压。

类似上述实验需求的试验设备较为常用，如果一台设备能用于不止一项实验，那将对学校的教学经费和实验场地紧张的状态产生积极影响。

技术实现要素：

本发明提出一种多功能实验用教学设备，解决了同一台设备只能进行围压实验或者燃烧实验的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种多功能实验用教学设备，其包括演示箱体，所述演示箱体由前侧钢板、左侧钢板、后侧钢板、右侧钢板、下底钢板和上盖钢板围成，所述前侧钢板、左侧钢板、后侧钢板和右侧钢板固定在下底钢板上，在所述前侧钢板、左侧钢板和上盖钢板上各自贯穿有数个导向孔和数个呈阵列分布的螺纹孔，所述导向孔中穿入有加压内板导向螺栓，所述螺纹孔中安装有预应力螺栓；在所述前侧钢板的内侧设置有与前侧钢板平行的后向加压内板，所述后向加压内板的前面与前侧钢板上加压内板导向螺栓的底部固定连接并且与前侧钢板上预应力螺栓的底端相抵；在所述左侧钢板的内侧设置有与左侧钢板平行的右向加压内板，所述右向加压内板的左面与左侧钢板上加压内板导向螺栓的底部固定连接并且与左侧钢板上预应力螺栓的底端相抵。

在所述上盖钢板的内侧设置有与上盖钢板平行的下向加压内板，所述下向加压内板的上面与上盖钢板上加压内板导向螺栓的底部固定连接并且与上盖钢板上预应力螺栓的底端相抵；所述上盖钢板的四周朝下凸出有盖沿，所述盖沿盖在前侧钢板、左侧钢板、后侧钢板和右侧钢板的外侧，所述盖沿与前侧钢板、左侧钢板、后侧钢板和右侧钢板均为可拆卸式销子连接。

所述演示箱体采用透明耐热材质的一体结构且底部设有四个支撑脚，所述前侧钢板与后向加压内板之间、所述左侧钢板与右向加压内板之间、所述上盖钢板与下向加压内板之间、所述上盖钢板与所述演示箱体的上端开口面之间均设置有可拆卸式密封垫。

所述演示箱体的下底钢板开设有若干个输气孔，所述输气孔采用堵头密封或者可拆卸式连接有通往所述演示箱体内的输气管，所述输气管上分别设有气体流量计，并在演示箱体底部与气体流量计之间分别设有阀门。

优选的，所述后向加压内板在所述箱体中的可移动距离大于前侧钢板至右向加压内板的距离；所述右向加压内板在所述箱体中的可移动距离大于左侧钢板至后向加压内板的距离；所述下向加压内板在所述箱体中的可移动距离大于上盖钢板至右向加压内板、后向加压内板中的较小距离。

本方案作为围压实验设备时，其通过对加载的简化模拟，得到岩石真实三维受力状态下的结构特性；当作为燃烧试验设备时，只需要简单拆卸安装输气管等部件即可，实现了一台设备两用的目的，且装置简单，操作方便，教学效果好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种多功能实验用教学设备的结构示意图；

图2为图1所示演示箱体底部采用堵头密封密闭时的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种多功能实验用教学设备，如图1和图2所示，其包括演示箱体，所述演示箱体由前侧钢板1、左侧钢板2、后侧钢板3、右侧钢板4、下底钢板5和上盖钢板6围成，所述前侧钢板1、左侧钢板2、后侧钢板3和右侧钢板4固定在下底钢板5上，在所述前侧钢板1、左侧钢板2和上盖钢板6上各自贯穿有数个导向孔9和数个呈阵列分布的螺纹孔10，所述导向孔9中穿入有加压内板导向螺栓8，所述螺纹孔10中安装有预应力螺栓12；在所述前侧钢板1的内侧设置有与前侧钢板1平行的后向加压内板71，所述后向加压内板71的前面与前侧钢板1上加压内板导向螺栓8的底部固定连接并且与前侧钢板1上预应力螺栓12的底端相抵；在所述左侧钢板2的内侧设置有与左侧钢板2平行的右向加压内板72，所述右向加压内板72的左面与左侧钢板2上加压内板导向螺栓8的底部固定连接并且与左侧钢板2上预应力螺栓12的底端相抵。

在所述上盖钢板6的内侧设置有与上盖钢板6平行的下向加压内板76，所述下向加压内板76的上面与上盖钢板6上加压内板导向螺栓8的底部固定连接并且与上盖钢板6上预应力螺栓12的底端相抵；所述上盖钢板6的四周朝下凸出有盖沿61，所述盖沿61盖在前侧钢板1、左侧钢板2、后侧钢板3和右侧钢板4的外侧，所述盖沿61与前侧钢板1、左侧钢板2、后侧钢板3和右侧钢板4均为可拆卸式销子连接。

所述演示箱体采用透明耐热材质的一体结构，如有机玻璃、钢化玻璃、石英玻璃等，且底部设有四个支撑脚13，所述前侧钢板1与后向加压内板71之间、所述左侧钢板2与右向加压内板72之间、所述上盖钢板6与下向加压内板76之间、所述上盖钢板6与所述演示箱体的上端开口面之间均设置有可拆卸式密封垫。

所述演示箱体的下底钢板5开设有若干个输气孔14，所述输气孔14采用堵头密封或者可拆卸式连接有通往所述演示箱体内的输气管15，所述输气管15上分别设有气体流量计16，并在演示箱体底部与气体流量计16之间分别设有阀门17。

当作为围压实验设备时，不安装上述密封垫和所述输气管15，上述输气孔14采用堵头密封且堵头顶面与上述下底钢板5的上表面平齐，避免影响围压实验。岩石试件置于本实验装置箱体内的下底钢板5，通过对预应力螺栓12施加力矩，使预应力螺栓12对箱体内的后向加压内板71、右向加压内板72和下向加压内板76三块加压内板加压进而对岩石试件产生作用应力。由于箱体在三个方向上的应力加载是相互独立且互不影响的，所以可以模拟真实三维应力条件下的应力组合；另外，施加力矩可通过力矩扳手实现，力矩扳手所施加的力矩转化成螺栓对加压内板的垂直应力，然后作用到岩石试件上，预应力螺栓12对加压内板施加应力的大小可通过力矩扳手所施加的力矩进行换算，由此控制施加到岩石试件上的应力。

数个呈阵列分布的螺纹孔10对应各自的加压内板分布，以保证预应力螺栓12对加压内板的挤压力分布均匀，即加压内板作用到岩石试件上的作用力均匀，调节每个预应力螺栓12以保证所施加应力的平稳性和均匀性。加压内板导向螺栓8用于加压内板的定位，对加压内板在垂向方向和水平方向上起导向作用。盖沿61与箱体壁可拆卸式销子连接，方便岩石试件的取放。

运用本实验装置具体进行围压实验的步骤如下：

第一步，按照实验要求浇筑实验所需要的岩石试件，试件尺寸与所述岩石围压加载实验装置的尺寸匹配。

第二步，将岩石围压加载实验装置放置在一个平稳且宽敞的地方，将后向加压内板71和右向加压内板72分别通过加压内板导向螺栓8连接到箱体中。

第三步，将岩石试件放置到箱体的下底钢板5上，岩石试件与后向加压内板71和右向加压内板72完全接触以避免应力集中，通过预应力螺栓12对后向加压内板71和右向加压内板72施加少量作用力，将岩石试件轻压在箱体的右后角落处。

第四步，将下向加压内板76通过加压内板导向螺栓8连接到上盖钢板6上，上盖钢板6的盖沿61与箱体侧壁连接锚固，注意盖沿61与箱体啮合的方向。

第五步，将箱体上的预应力螺栓12全部安装上，先用普通扳手对预应力螺栓12进行预紧直到螺栓底部抵到加压内板为止。

第六步，将相同的三个力矩扳手调至换算好的施加力矩，锁定，对前侧钢板1、左侧钢板2、上盖钢板6上三个方向的预应力螺栓12同步逐量施加力矩，首先对各个加压内板的四个角加载应力，然后在三个方向上同步加载其余的预应力螺栓12，防止岩石试件受力不均，而导致应力集中影响实验结果的情况。

第七步，由于一般的岩石试件在加载过程中会产生蠕变，因此当第一次围压加载完毕后，由于蠕变的发生，试件仍然存在变形，因此在一定时间内，对岩石试件进行重复加载直至没有蠕变产生。

本方案作为围压加载实验装置时尤其适用于室内小型围压岩石力学模拟实验，不但可以准确模拟在真实三向地应力条件下的应力状态，而且能够简化围压的加载设备以及方法工序，降低成本。通过对加载的简化模拟，得到岩石真实三维受力状态下的结构特性。因此在提高模拟实验精度以及缩小模拟实验的规模等方面具有重大意义。

当作为燃烧实验设备时，安装上述密封垫和所述输气管15，根据实验需要来决定所述上盖钢板6的下向加压内板76的拆卸与否。图2所示为可以安装四条输气管的开孔结构。以两种气体燃烧实验为例，安装两根输气管15，分别供输入可燃气体和空气，便可开始燃烧实验。操作步骤：

第一步，首先观察扩散燃烧。按图1组装好仪器，关闭空气输气管的阀门，打开可燃气体输气管的阀门，在演示箱体的敞口处用点火源点燃可燃气体。

第二步，根据所需火焰大小，调节阀门，仔细观察扩散燃烧特点。观察完毕后关闭阀门。

第三步，接着观察预混燃烧。同时打开空气输气管和可燃气体输气管阀门，为保证可燃气体燃烧完全，调节阀门，使空气输气管流量计与可燃气体输气管流量计数值之比。

第四步，仔细观察预混燃烧特点。观察完毕后关闭阀门。

演示预混燃烧时，注意气体流速不宜太小，确保混合气体供气速度大于燃烧速度，使之不易产生回火。

优选的，为保证加压内板能够对岩石试件施力，所述后向加压内板71在所述箱体中的可移动距离大于前侧钢板1至右向加压内板72的距离；所述右向加压内板72在所述箱体中的可移动距离大于左侧钢板2至后向加压内板71的距离；所述下向加压内板76在所述箱体中的可移动距离大于上盖钢板6至右向加压内板72、后向加压内板71中的较小距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。