具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架的制作方法

本实用新型涉及一种相似模拟实验装置，尤其是涉及一种具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架。

背景技术：

煤炭资源深埋于地下，在其开采的过程中，由于矿井上覆岩层和结构的运动，也曾发生过各种各样的矿井灾害。究其根本原因，还是由于在开采前对矿井的地形地貌、水文地质等状况的研究不够完善，再加上现场实验的成本往往非常高，耗时长，且重复对比性较差，才会出现类似的情况。但随着近年来我国对煤炭的安全生产越来越重视，一些新的开采技术在未得到安全验证前并不能直接用于实践生产。进而实验室开始广泛利用相似材料模拟实验来模拟煤层在开采前后所引起的一系列覆岩移动规律，将大尺寸的地层结构简化为可以在实验室完成的研究模型—相似材料模拟模型。而实验室内相似模拟实验可重复、成本低、周期短和能够有效克服上述弊端的特点，使其在煤炭开采这一技术领域，一直是解决各类矿井灾害不可或缺的一部分，而相应的相似材料模拟实验装置是研究该类问题的关键所在。

目前，我们实验室传统的相似材料模拟实验装置一般都是用槽钢组装而成。首先，对于大型相似模拟实验架子，所使用槽钢长度较长时，增加了槽钢的受力跨度，使其在架间骨料作用下，容易发生弯曲变形；其次，在反复的安装和拆卸过程中往往导致槽钢损坏歪斜。这些问题的出现给实验造成了极大的误差，并且存在一定的安全隐患。因此，十分有必要对传统的相似材料模拟实验装置进行改进和完善。

按照实验材料及试验模型应满足几何相似、物理相似、运动相似、边界相似的条件，本实用新型将提供一种具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架，来弥补这一技术空白。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架，其改善了前墙板和后墙板的受力情况，提高了其弯曲刚度和强度，减少前墙板和后墙板变形，提高前墙板和后墙板重复利用次数，以及实现了短墙板之间的对接，降低实验成本。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架，其特征在于：包括固定支架、前墙板、后墙板和加固对接装置，所述前墙板设置在固定支架的前侧，所述后墙板设置在固定支架的后侧，所述前墙板和后墙板均与固定支架固定连接，所述前墙板、后墙板和固定支架之间构成一个上部开口且内部为矩形空间的箱体结构，所述前墙板和后墙板均由多个水平设置且从下至上依次累放的槽钢组成，所述加固对接装置设置在所述箱体结构的外侧中部且用于阻止前墙板弯曲变形和后墙板弯曲变形及用于实现前墙板中同一水平设置的两个槽钢之间对接、后墙板中同一水平设置的两个槽钢之间对接；

所述加固对接装置包括上连接件、下连接件、前连接杆、后连接杆、前侧加强器和后侧加强器，所述前连接杆的下端与下连接件的前端连接，所述前连接杆的上部与上连接件的前端连接，所述后连接杆的下端与下连接件的后端连接，所述后连接杆的上部与上连接件的后端连接，所述前连接杆穿过前侧加强器的前部，所述前侧加强器设置在前墙板的前侧且压紧在前墙板上用于阻止前墙板向前弯曲变形，所述后连接杆穿过后侧加强器的后部，所述后侧加强器设置在后墙板的后侧且压紧在后墙板上用于阻止后墙板向后弯曲变形，所述下连接件设置在固定支架的下侧中部，所述上连接件与下连接件平行设置且上连接件位于所述箱体结构的中部上方。

上述的具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架，其特征在于：所述前墙板和后墙板的结构相同且对称设置在固定支架的前侧和后侧，所述前墙板和后墙板均由多个整根的槽钢组成，所述槽钢的一端与固定支架的左侧固定连接，所述槽钢的另一端与固定支架的右侧固定连接。

上述的具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架，其特征在于：所述上连接件包括内U形扣、外U形扣和锁扣器，所述内U形扣的开口端设置在外U形扣的开口端内侧且内U形扣和外U形扣通过锁扣器固定连接，所述内U形扣封闭端的中部设置有第一通孔，所述外U形扣封闭端的中部设置有第二通孔，所述前连接杆的上部穿过第二通孔且前连接杆与第二通孔滑动连接，所述后连接杆的上部穿过第一通孔且后连接杆与第一通孔滑动连接。

上述的具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架，其特征在于：所述下连接件和上连接件的结构相同，所述前连接杆的下端穿过下连接件的第二通孔且前连接杆与下连接件的第二通孔固定连接，所述后连接杆的上端穿过下连接件的第一通孔且后连接杆与下连接件的第一通孔固定连接。

上述的具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架，其特征在于：所述前侧加强器的数量为多个，多个所述前侧加强器从上至下依次间隔的设置在前连接杆上，所述后侧加强器的数量为多个，多个所述后侧加强器从上至下依次间隔的设置在后连接杆上。

上述的具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架，其特征在于：所述前侧加强器与后侧加强器的结构相同且对称设置。

上述的具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架，其特征在于：所述前侧加强器包括加强器本体、连接杆调节孔、前连接杆调节螺丝和后连接杆调节螺丝，所述连接杆调节孔为通孔且竖直设置在加强器本体的前部，所述前连接杆调节螺丝的螺纹端穿过加强器本体后从连接杆调节孔的前部水平穿入连接杆调节孔内，所述前连接杆调节螺丝与加强器本体螺纹连接，所述后连接杆调节螺丝的螺纹端穿过加强器本体后从连接杆调节孔的后部水平穿入连接杆调节孔内，所述后连接杆调节螺丝与加强器本体螺纹连接。

上述的具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架，其特征在于：所述连接杆调节孔为条形孔，所述前连接杆调节螺丝的螺纹端顶端设置有弧形的第一连接杆推板，所述第一连接杆推板与前连接杆调节螺丝可转动连接，所述后连接杆调节螺丝的螺纹端顶端设置有弧形的第二连接杆推板，所述第二连接杆推板与后连接杆调节螺丝可转动连接。

上述的具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架，其特征在于：所述前侧加强器的数量和组成前墙板的槽钢的数量相等，所述前侧加强器与组成前墙板的槽钢一一对应设置，所述后侧加强器的数量和组成后墙板的槽钢的数量相等，所述后侧加强器与组成后墙板的槽钢一一对应设置。

上述的具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架，其特征在于：组成前墙板或者后墙板的槽钢中至少包含一组设置在同一水平线上的两根短槽钢，所述两根短槽钢分别为左侧短槽钢和右侧短槽钢，所述左侧短槽钢的左端与固定支架的左侧固定连接，所述右侧短槽钢的右端与固定支架的右端固定连接，所述左侧短槽钢的右端与右侧短槽钢的左端相互对接，所述前侧加强器设置在左侧短槽钢和右侧短槽钢对接处的前侧且用于同时压紧左侧短槽钢的右端和右侧短槽钢的左端上，所述后侧加强器设置在左侧短槽钢和右侧短槽钢对接处的后侧且用于同时压紧左侧短槽钢的右端和右侧短槽钢的左端上。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型改善了前墙板和后墙板的受力情况，提高了其弯曲刚度和强度。

2、本实用新型能够有效的防止前墙板和后墙板变形，使得前墙板和后墙板重复利用次数增加，降低了实验成本。

3、本实用新型的前侧加强器和后侧加强器可以通过前连接杆调节螺丝和后连接杆调节螺丝调节，对于部分变形的槽钢可通过前侧加强器或后侧加强器顶紧校正，同时前侧加强器和后侧加强器的可调整使得相似模拟实验架子可以适合不同规格的槽钢混用。

4、本实用新型结构件简单，组装方便快捷。

5、本实用新型能够实现短槽钢之间的对接，实现短槽钢充分利用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的立体结构示意图。

图2为本实用新型实施例1中加固对接装置的立体结构示意图。

图3为本实用新型实施例1中上连接件的立体结构示意图。

图4为本实用新型实施例1中前侧加强器的立体结构示意图。

图5为图4的半剖图。

图6为本实用新型实施例2中左侧短槽钢和右侧短槽钢的安装关系示意图。

图7为本实用新型实施例2中去除加固对接装置后的立体结构示意图。

附图标记说明:

1—固定支架； 2—前墙板； 3—后墙板；

4—加固对接装置； 6—上连接件； 6-1—内U形扣；

6-2—外U形扣； 6-3—锁扣器； 6-4—第一通孔；

6-5—第二通孔； 7—下连接件； 8—前连接杆；

9—后连接杆； 10—前侧加强器； 10-1—加强器本体；

10-2—连接杆调节孔； 10-3—后连接杆调节螺丝；

10-4—前连接杆调节螺丝； 10-5—第二连接杆推板；

10-6—第一连接杆推板； 11—后侧加强器；

12—左侧短槽钢； 13—右侧短槽钢。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示的一种具有高弯曲刚度、强度及可对接的相似材料模拟实验架，包括固定支架1、前墙板2、后墙板3和加固对接装置4，所述前墙板2设置在固定支架1的前侧，所述后墙板3设置在固定支架1的后侧，所述前墙板2和后墙板3均与固定支架1固定连接，所述前墙板2、后墙板3和固定支架1构成一个上部开口且内部为矩形空间的箱体结构，所述前墙板2和后墙板3均由多个水平设置且从下至上依次累放的槽钢组成，所述加固对接装置4设置在所述箱体结构的外侧中部且用于防止前墙板2弯曲变形和后墙板3弯曲变形及用于实现前墙板2中同一水平设置的两个槽钢之间对接、后墙板3中同一水平设置的两个槽钢之间对接；

所述加固对接装置4包括上连接件6、下连接件7、前连接杆8、后连接杆9、前侧加强器10和后侧加强器11，所述前连接杆8的下端与下连接件7的前端连接，所述前连接杆8的上部与上连接件6的前端连接，所述后连接杆9的下端与下连接件7的后端连接，所述后连接杆9的上部与上连接件6的后端连接，所述前连接杆8穿过前侧加强器10的前部，所述前侧加强器10设置在前墙板2的前侧且压紧在前墙板2上用于阻止前墙板2向前弯曲变形，所述后连接杆9穿过后侧加强器11的后部，所述后侧加强器11设置在后墙板3的后侧且压紧在后墙板3上用于阻止后墙板3向后弯曲变形，所述下连接件7设置在固定支架1的下侧中部，所述上连接件6与下连接件7平行设置且上连接件6位于所述箱体结构的中部上方。

在相似模拟实验模型夯实过程中，相似模拟实验材料向外挤压前墙板2和后墙板3，前墙板2和后墙板3容易变形造成实验模型变形，同时变形后的前墙板2和后墙板3很难在重复使用。因此我们在前墙板2的前侧设置了前侧加强器10，后墙板3的后侧设置了后侧加强器11，前侧加强器10设置在前连接杆8上，后侧加强器11设置在后连接杆9上，前连接杆8和后连接杆9平行且竖直设置，前连接杆8和后连接杆9的上端通过上连接件6拉紧，前连接杆8和后连接杆9的下端通过下连接件7拉紧，上连接件6、下连接件7、前连接杆8和后连接杆9组成一个口字形结构，使得前侧加强器10作用在前墙板2上并能够有效阻止前墙板2向外弯曲变形；使得后侧加强器11作用在后墙板3上并能够有效阻止后墙板3向外弯曲变形。

如图1所示，所述前墙板2和后墙板3的结构相同且对称设置在固定支架1的前侧和后侧，所述前墙板2和后墙板3均由多个整根的槽钢组成，所述槽钢的一端与固定支架1的左侧固定连接，所述槽钢的另一端与固定支架1的右侧固定连接。

如图2和图3所示，所述上连接件6包括内U形扣6-1、外U形扣6-2和锁扣器6-3，所述内U形扣6-1的开口端设置在外U形扣6-2的开口端内侧且内U形扣6-1和外U形扣6-2通过锁扣器6-3固定连接，所述内U形扣6-1封闭端的中部设置有第一通孔6-4，所述外U形扣6-2封闭端的中部设置有第二通孔6-5，所述前连接杆8的上部穿过第二通孔6-5且前连接杆8与第二通孔6-5滑动连接，所述后连接杆9的上部穿过第一通孔6-4且后连接杆9与第一通孔6-4滑动连接。

前连接杆8和后连接杆9均与上连接件6滑动连接，这样设计可以根据实验模型高度调节上连接件6的位置，同时也可以在实验模型制作过程中逐渐调整上连接件6的位置，使得上连接件6与下连接件7的距离尽可能最短。

如图2和图3所示，所述下连接件7和上连接件6的结构相同，所述前连接杆8的下端穿过下连接件7的第二通孔6-5且前连接杆8与下连接件7的第二通孔6-5固定连接，所述后连接杆9的上端穿过下连接件7的第一通孔6-4且后连接杆9与下连接件7的第一通孔6-4固定连接。

本实施例中，所述前连接杆8与下连接件7的第二通孔6-5螺纹连接，所述后连接杆9与下连接件7的第一通孔6-4螺纹连接。

如图1和图2所示，所述前侧加强器10的数量为多个，多个所述前侧加强器10从上至下依次间隔的设置在前连接杆8上，所述后侧加强器11的数量为多个，多个所述后侧加强器11从上至下依次间隔的设置在后连接杆9上。

如图2所示，所述前侧加强器10与后侧加强器11的结构相同且对称设置。

如图2、图4和图5所示，所述前侧加强器10包括加强器本体10-1、连接杆调节孔10-2、前连接杆调节螺丝10-4和后连接杆调节螺丝10-3，所述连接杆调节孔10-2为通孔且竖直设置在加强器本体10-1的前部，所述前连接杆调节螺丝10-4的螺纹端穿过加强器本体10-1后从连接杆调节孔10-2的前部水平穿入连接杆调节孔10-2内，所述前连接杆调节螺丝10-4与加强器本体10-1螺纹连接，所述后连接杆调节螺丝10-3的螺纹端穿过加强器本体10-1后从连接杆调节孔10-2的后部水平穿入连接杆调节孔10-2内，所述后连接杆调节螺丝10-3与加强器本体10-1螺纹连接。

如图5所示，所述连接杆调节孔10-2为条形孔，所述前连接杆调节螺丝10-4的螺纹端顶端设置有弧形的第一连接杆推板10-6，所述第一连接杆推板10-6与前连接杆调节螺丝10-4可转动连接，所述后连接杆调节螺丝10-3的螺纹端顶端设置有弧形的第二连接杆推板10-5，所述第二连接杆推板10-5与后连接杆调节螺丝10-3可转动连接。

如图1和图2所示，所述前侧加强器10的数量和组成前墙板2的槽钢的数量相等，所述前侧加强器10与组成前墙板2的槽钢一一对应设置，所述后侧加强器11的数量和组成后墙板3的槽钢的数量相等，所述后侧加强器11与组成后墙板3的槽钢一一对应设置。

本实施例的工作原理为：相似模拟实验模型夯实过程中，由于夯实作用，使得相似模拟实验材料向外挤压前墙板2和后墙板3，特别是前墙板2和后墙板3的中部会受到很大的力。在使用过程中，前墙板2和后墙板3容易变形，最终造成实验模型变形，影响实验进行。同时变形后的前墙板2和后墙板3很难在重复使用，造成大量的前墙板2和后墙板3无法使用，因此我们在前墙板2的前侧中部增加了一个前连接杆8，在前连接杆8上安装有前侧加强器10，前侧加强器10的后端与前墙板2的外侧向接触，并且前侧加强器10可以通过前连接杆调节螺丝10-4和后连接杆调节螺丝10-3调节前连接杆8在连接杆调节孔10-2内的前后位置，及调节前连接杆8与前侧加强器10后端的距离，进而使前侧加强器10压紧前墙板2。同理，使得后侧加强器11压紧后墙板3。前连接杆8和后连接杆9的上端通过上连接件6拉紧，前连接杆8和后连接杆9的下端通过下连接件7拉紧，上连接件6、下连接件7、前连接杆8和后连接杆9组成一个口字形结构，且前连接杆8上的前侧加强器10从下到上依次作用在前墙板2上，后连接杆9上的后侧加强器11从下到上依次作用在后墙板3上，使得前侧加强器10作用在前墙板2上并能够有效阻止前墙板2向外弯曲变形；使得后侧加强器11作用在后墙板3上并能够有效阻止后墙板3向外弯曲变形。

通过计算进一步确定改善前墙板2和后墙板3的受力情况：设槽钢的长度为l，骨料给槽钢的载荷为均布载荷q，槽钢的弹性模量为E，槽钢的惯性矩为I。

1、刚度

由于此结构受力情况下，挠曲方程为：因此：

(1)原有结构受力条件下：

最大挠度：端面转角：

(2)优化后结构受力条件下：

最大挠度：端面转角：

2、强度

由于弯矩是引起受力情况和弯曲变形的主要因素，尽量降低槽钢内的最大弯矩，相对来说，也就提高了槽钢的刚度和强度。

(1)原有结构受力条件下：

最大弯矩：

(2)优化后结构受力条件下：

最大弯矩：

因此，优化后槽钢的最大挠度为原有的端面转角为原有的最大弯矩为原有有效的改善了槽钢结构的受力情况，合理的提高其弯曲刚度和强度。

实施例2

如图6和图7所示，本实施例与实施例1不同的是：组成前墙板2或者后墙板3的槽钢中至少包含一组设置在同一水平线上的两根短槽钢，所述两根短槽钢分别为左侧短槽钢12和右侧短槽钢13，所述左侧短槽钢12的左端与固定支架1的左侧固定连接，所述右侧短槽钢13的右端与固定支架1的右端固定连接，所述左侧短槽钢12的右端与右侧短槽钢13的左端相互对接，所述前侧加强器10设置在左侧短槽钢12和右侧短槽钢13对接处的前侧且用于同时压紧左侧短槽钢12的右端和右侧短槽钢13的左端上，所述后侧加强器11设置在左侧短槽钢12和右侧短槽钢13对接处的后侧且用于同时压紧左侧短槽钢12的右端和右侧短槽钢13的左端上。

所述加固对接装置4不仅能够对组成前墙板2和组成后墙板3的槽钢进行加固。提高墙后墙板的弯曲刚度和强度。同时，加固对接装置4还可以用于对接两个短的槽钢。当槽钢不够长时，我们只能采用将两根槽钢的一头对接，另一头分别固定在固定支架1的左侧和右侧。此时，固定在固定支架1上的左侧短槽钢12和右侧短槽钢13均形成一个悬臂梁结构，左侧短槽钢12和右侧短槽钢13所能承受的力大大降低。我们通过将加固对接装置4的前侧加强器10或者后侧加强器11压紧在左侧短槽钢12和右侧短槽钢13的对接处，对于左侧短槽钢12和右侧短槽钢13来说都形成了一个新的支点，大大提高了左侧短槽钢12和右侧短槽钢13所能承受的力，实现短槽钢的对接利用。

本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。