CN107843401B - 一种双向自由振动试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双向自由振动试验装置，属边坡工程抗震技术领域。其由水平向振动***、竖向振动***、试验模型箱和数据采集***组成。为减小振动过程中摩擦阻尼损耗的能量，同时控制振动的方向，振动***采用滑块‑滑道运动副装置。振动***的动力源由高强度弹簧的弹性势能提供，通过液压缸给弹簧施加初始位移储备弹性势能，然后瞬间释放被压缩的弹簧，由弹簧弹性势能提供的能量进行振动模拟。本发明可实现单独水平向、单独竖向自由振动、水平向‑竖向双向耦合自由振动，进而模拟边坡在水平、竖向惯性力作用下的破坏及动力响应规律，通过台面位移衰减曲线，可以研究试验模型在振动荷载作用下的耗能机制，实现边坡动力失稳机理的试验研究。

Description

一种双向自由振动试验装置
技术领域
本发明属边坡工程抗震技术领域，具体涉及一种双向自由振动试验装置。
背景技术
地震模拟振动台是抗震研究领域中的重要试验设备之一。我国多山地、多地震的地理地质条件不可避免地带来了大量和地震作用有关的边坡问题。为研究地震作用下边坡动力的特性、动力响应规律和动力失稳机制，需要进行振动台模型试验。目前主流的地震模拟振动台多采用电液伺服驱动模式，可用于边坡动力响应的试验研究。对于边坡在地震作用下的耗能机制等复杂机理性问题，电液伺服振动台的输入能量不易精确获取，只能将问题更加复杂化，因此有必要研制适用于边坡耗能机制研究的自由振动试验装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双向自由振动试验装置。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种双向自由振动装置，其关键技术在于：其包括数据采集***、底座和滑动设置在所述底座上的振动***框架，所述底座和所述振动***框架之间设置有水平向振动***，所述振动***框架上设置有能够垂直滑动的试验模型箱，试验模型箱用于放置试验模型，所述试验模型箱和所述振动***框架的框架底板之间设置有竖向振动***；
所述水平向振动***包括设置在所述底座和振动***框架之间的水平弹簧以及水平拉伸液压缸，所述水平拉伸液压缸一端与所述底座铰连、另一端与所述振动***框架的框架底板之间通过销轴连接，所述底座和振动***框架之间设置有能够使其二者固定并瞬间解除连接的水平释放装置；
所述竖直向振动***包括设置在所述试验模型箱和振动***框架之间的竖向弹簧以及竖向拉伸液压缸，所述竖向拉伸液压缸一端与所述框架底板铰连、另一端与所述试验模型箱之间通过销轴连接，所述框架底板和试验模型箱之间设置有能够使其二者固定并瞬间解除连接的竖向释放装置。
作为本发明的进一步改进，所述水平释放装置和竖向释放装置结构相同，其包括固定设置在一侧的能够调节长度的连接挂钩和能够调节长度的吸杆，还包括通过耳板铰连设置在另一侧的释放杠杆，所述释放杠杆一端设置有与所述连接挂钩相适配的挂钩，另一端设置有与所述吸杆相适配的电磁铁，所述电磁铁得电时与所述吸杆吸附连接，此时释放杠杆上的挂钩与所述连接挂钩勾连；所述电磁铁失电时与所述吸杆脱离，释放杠杆摆动使释放杠杆上的挂钩与所述连接挂钩脱离解除连接。
作为本发明的进一步改进，所述振动***框架上设置有多个竖向滑动导杆，所述试验模型箱上设置有多个与所述竖向滑动导杆相适配的竖向滑块，试验模型箱通过所述竖向滑块设置在所述竖向滑动导杆上。
作为本发明的进一步改进，所述试验模型箱包括框架和设置在其底部的底板，所述框架的两个侧立面设置有有机玻璃板。
作为本发明的进一步改进，所述底座上设置有水平滑道，所述振动***框架的框架底板上设置有与所述水平滑道相适配的水平滑块，振动***框架通过所述水平滑块滑动设置在所述底座的滑道上。
作为本发明的进一步改进，所述底座上设置有反力座，所述水平弹簧设置在所述框架底板和所述反力座之间。
作为本发明的进一步改进，所述数据采集***包括设置在振动***框架上的水平位移传感器、设置在试验模型箱上的竖向位移传感器和模型测试用传感器；所述水平位移传感器用于测量振动装置输入的水平位移，所述竖向位移传感器用于测量振动装置输入的竖向位移，所述模型测试用传感器用于测量试验模型对输入振动的响应，其包括加速度传感器、速度传感器、位移传感器和土压力传感器。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明装置的最大优点是能实现水平向、竖向两个方向的自由振动，两个方向的自由振动可独立或耦合发生，通过调整水平弹簧、竖向弹簧的初始压缩量，可以输入不同的激振能量和初始加速度，并且输入的能量可通过弹簧的压缩量精确获取。通过台面位移衰减曲线，可以研究试验模型在振动荷载作用下的耗能机制；通过采集试验模型加速度、速度、位移数据，可以研究试验模型的动力响应规律。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的主视结构示意图。
图2是本发明的俯视结构示意图。
图3是本发明的侧视结构示意图。
其中：11底座、12水平滑道、13水平滑块、14水平弹簧、15反力座、16水平拉伸液压缸、161销轴、171销轴、172释放杠杆、173连接挂钩、174吸杆、175电磁铁、176缓冲弹簧、21竖向振动***框架、211框架底板、212立柱、213横向顶梁、214纵向顶梁、22竖向滑动导杆、23竖向滑块、24竖向弹簧、25竖向拉伸液压缸、251销轴、261销轴、262释放杠杆、263连接挂钩、264吸杆、265电磁铁、266缓冲弹簧、31试验模型箱、311底板、312框架、313有机玻璃板、41水平位移传感器、42竖向位移传感器、43模型测试用传感器、50边坡试验模型。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。
如图1-3所示的一种双向自由振动装置，其包括数据采集***、底座11和滑动设置在所述底座11上的振动***框架21，所述底座11上设置有水平滑道12，所述振动***框架21的框架底板211上设置有与所述水平滑道12相适配的水平滑块13，振动***框架21通过所述水平滑块13滑动设置在所述底座11上的滑道12之上。所述底座11和所述振动***框架21之间设置有水平向振动***，所述振动***框架21上设置有能够垂直滑动的试验模型箱31，试验模型箱31用于放置试验模型，如图1所示，所述试验模型箱31内放置有测试对象-边坡试验模型50，所述试验模型箱31和所述振动***框架21的框架底板211之间设置有竖向振动***。
如图2所示，所述水平向振动***包括设置在所述底座11和振动***框架21之间的水平弹簧14以及水平拉伸液压缸16，所述水平弹簧14一端与底座11固定连接，另一端与所述振动***框架21的框架底板211固定连接。所述水平拉伸液压缸16一端与所述底座11铰连、另一端与所述振动***框架21的框架底板211之间通过销轴161连接，拔出销轴161可使水平拉伸液压缸16与所述框架底板211分离。所述底座11上设置有反力座15，所述水平弹簧14设置在所述框架底板211和所述反力座15之间。
所述底座11和振动***框架21之间设置有能够使其二者固定并瞬间解除连接的水平释放装置；所述水平释放装置包括固定设置在所述框架底板211上的能够调节长度的连接挂钩173和能够调节长度的吸杆174，连接挂钩和吸杆的长度由需要施加的初始位移确定并调整适应，释放装置还包括通过耳板铰连设置在所述底座11上的释放杠杆172，所述释放杠杆172一端设置有与所述连接挂钩173相适配的挂钩，另一端设置有与所述吸杆174相适配的电磁铁175，利用水平拉伸液压缸14施加初始水平位移，给电磁铁175加电，所述电磁铁175得电后与所述吸杆174吸附连接，此时释放杠杆172上的挂钩与所述连接挂钩173勾连，将振动***框架21固定，使水平弹簧14处于压缩状态；拔出液压缸销轴161，所述电磁铁175失电时与所述吸杆174脱离，释放杠杆172由于和底座11铰连，在水平弹簧14的作用下，连接挂钩173带动释放杠杆172摆动，使释放杠杆172上的挂钩与所述连接挂钩173脱离解除连接，此时在水平弹簧14的作用下振动***框架21水平自由振动。
如图2所示，本实施例中，所述释放杠杆172一端设置有耳板，其整体呈L型，设置耳板的一端尾部设置有圆弧形的凹槽，凹槽与释放杠杆172的尾部形成挂钩。
如图1和3所示，所述竖直向振动***包括设置在所述试验模型箱31和振动***框架21之间的竖向弹簧24以及竖向拉伸液压缸25，所述竖向弹簧24一端与所述振动***框架21的框架底板211固定连接，另一端与所述试验模型箱31固定连接。所述竖向拉伸液压缸25一端与所述框架底板211铰连、另一端与所述试验模型箱31之间通过销轴251连接，拔出销轴251可使竖向拉伸液压缸25与所述框架底板211分离。所述框架底板211和试验模型箱31之间设置有能够使其二者固定并瞬间解除连接的竖向释放装置。
所述竖向释放装置与水平释放装置结构及原理相同，其包括固定设置在所述试验模型箱31的底板311上的能够调节长度的连接挂钩263和能够调节长度的吸杆264，连接挂钩和吸杆的长度由需要施加的初始位移确定并调整适应，释放装置还包括通过耳板铰连设置在所述框架底板211上的释放杠杆262，所述释放杠杆262一端设置有与所述连接挂钩263相适配的挂钩，另一端设置有与所述吸杆264相适配的电磁铁265，利用竖向拉伸液压缸25施加初始竖向位移，给电磁铁265加电，所述电磁铁265得电时与所述吸杆264吸附连接，此时释放杠杆262上的挂钩与所述连接挂钩263勾连，将试验模型箱31固定，使竖向弹簧24处于压缩状态；所述电磁铁265失电时与所述吸杆264脱离，释放杠杆262由于和框架底板211铰连，在竖向弹簧24的作用下，连接挂钩263带动释放杠杆262摆动，使释放杠杆262上的挂钩与所述连接挂钩263脱离解除连接，此时在竖向弹簧24的作用下试验模型箱31竖向自由振动。
水平向振动***的动力源由水平向弹簧14的压缩弹性势能提供，竖向振动***的动力源由竖向弹簧24的压缩弹性势能提供。水平弹簧14的弹性势能通过水平拉伸液压缸16给水平向弹簧14施加初始位移产生并储备，竖向弹簧24的弹性势能通过竖向拉伸液压缸25给竖向弹簧24施加初始位移产生并储备。水平向、竖向弹簧储备的弹性势能可通过瞬时释放装置瞬时释放，给试验装置提供水平向、竖向振动初始的激振能量。
所述水平释放装置中的释放杠杆172与底座11之间设置有缓冲弹簧176；所述竖向释放装置中的释放杠杆262与框架底板211之间设置有缓冲弹簧266。所述缓冲弹簧176、266拉着所述释放杠杆172、262设置有电磁铁的一端尾部，电磁铁断电后，在缓冲弹簧176、266的作用下能够使装置的连接挂钩173、263自动脱钩的同时，缓冲弹簧176、266起缓冲作用，保护释放杠杆172、262的结构。
所述振动***框架21上设置有4个竖向滑动导杆22，所述试验模型箱31上设置有8个与所述竖向滑动导杆22相适配的竖向滑块23，试验模型箱31通过所述竖向滑块23设置在所述竖向滑动导杆22上。所述试验模型箱31包括框架312和设置在其底部的底板311，所述框架312的两个侧立面设置有有机玻璃板313，机玻璃板313与框架铆接而成，便于观察试验过程中试验模型的变化。
所述数据采集***包括设置在振动***框架21上的水平位移传感器41、设置在试验模型箱31上的竖向位移传感器42和模型测试用传感器43；所述水平位移传感器41用于测量振动装置输入的水平位移，所述竖向位移传感器42用于测量振动装置输入的竖向位移，所述模型测试用传感器43用于测量试验模型对输入振动的响应，其包括加速度传感器、速度传感器、位移传感器和土压力传感器等等动态数据采集装置以及计算机。
本发明的工作过程：
在模型箱内完成试验模型的制作，根据试验需要的初始位移调整挂钩173、263、吸杆174、264的长度，利用竖向拉伸液压缸25将模型箱下拉一定的竖向位移，压缩竖向弹簧24，释放杠杆262的挂钩挂住可调节长度挂钩263，电磁铁265通电吸合并锁定可调节长度吸杆264；利用水平拉伸液压缸16将竖向框架向左拉伸一定的水平位移，压缩水平弹簧14，释放杠杆172的挂钩挂住可调节长度挂钩173，电磁铁175通电吸合并锁定可调节长度吸杆174；拔出液压缸销轴161，将电磁铁175断电，释放杠杆172的挂钩和可调节长度挂钩173被瞬时释放，在水平弹簧14的作用下，竖向框架将沿水平滑道12做水平向循环往复自由振动，直到水平弹簧14的初始势能被完全耗散后静止；拔出液压缸销轴261，将电磁铁265断电，释放杠杆262的挂钩和可调节长度挂钩263被瞬时释放，在竖向弹簧24的作用下，模型箱将沿竖向滑动导杆22做竖向循环往复自由振动，直到竖向弹簧24的初始势能被完全耗散后静止；通过控制电磁铁175、265的通电和断电，试验装置可实现单独水平向自由振动、单独竖向自由振动、水平向、竖向双向耦合自由振动，通过控制电磁铁175、265的断电时差，可实现水平向、竖向振动起始时间差控制；通过水平位移传感器41、竖向位移传感器42测量到的位移衰减曲线，可以分析试验模型的能量耗散规律；通过模型测试用传感器43的监测数据，可以分析试验模型对输入振动的动力响应，具体的传感器设置方案根据具体试验要求而定。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种双向自由振动装置，其特征在于：其包括数据采集***、底座（11）和滑动设置在所述底座（11）上的振动***框架（21），所述底座（11）和所述振动***框架（21）之间设置有水平向振动***，所述振动***框架（21）上设置有能够垂直滑动的试验模型箱（31），试验模型箱（31）用于放置试验模型，所述试验模型箱（31）和所述振动***框架（21）的框架底板（211）之间设置有竖向振动***；所述水平向振动***包括设置在所述底座（11）和振动***框架（21）之间的水平弹簧（14）以及水平拉伸液压缸（16），所述水平拉伸液压缸（16）一端与所述底座（11）铰连、另一端与所述振动***框架（21）的框架底板（211）之间通过销轴连接，所述底座（11）和振动***框架（21）之间设置有能够使其二者固定并瞬间解除连接的水平释放装置；
所述竖向振动***包括设置在所述试验模型箱（31）和振动***框架（21）之间的竖向弹簧（24）以及竖向拉伸液压缸（25），所述竖向拉伸液压缸（25）一端与所述框架底板（211）铰连、另一端与所述试验模型箱（31）之间通过销轴连接，所述框架底板（211）和试验模型箱（31）之间设置有能够使其二者固定并瞬间解除连接的竖向释放装置；
所述水平释放装置和竖向释放装置结构相同，其包括固定设置在一侧的能够调节长度的连接挂钩和能够调节长度的吸杆，还包括通过耳板铰连设置在另一侧的释放杠杆，所述释放杠杆一端设置有与所述连接挂钩相适配的挂钩，另一端设置有与所述吸杆相适配的电磁铁，所述电磁铁得电时与所述吸杆吸附连接，此时释放杠杆上的挂钩与所述连接挂钩勾连；所述电磁铁失电时与所述吸杆脱离，释放杠杆摆动使释放杠杆上的挂钩与所述连接挂钩脱离解除连接。
2.根据权利要求1所述的一种双向自由振动装置，其特征在于：所述振动***框架（21）上设置有多个竖向滑动导杆（22），所述试验模型箱（31）上设置有多个与所述竖向滑动导杆（22）相适配的竖向滑块（23），试验模型箱（31）通过所述竖向滑块（23）设置在所述竖向滑动导杆（22）上。
3.根据权利要求1所述的一种双向自由振动装置，其特征在于：所述试验模型箱（31）包括框架（312）和设置在其底部的底板（311），所述框架（312）的两个侧立面设置有有机玻璃板（313）。
4.根据权利要求1所述的一种双向自由振动装置，其特征在于：所述底座（11）上设置有水平滑道（12），所述振动***框架（21）的框架底板（211）上设置有与所述水平滑道（12）相适配的水平滑块（13），振动***框架（21）通过所述水平滑块（13）滑动设置在所述底座（11）上的水平滑道（12）之上。
5.根据权利要求1所述的一种双向自由振动装置，其特征在于：所述底座（11）上设置有反力座（15），所述水平弹簧（14）设置在所述框架底板（211）和所述反力座（15）之间。
6.根据权利要求1所述的一种双向自由振动装置，其特征在于：所述数据采集***包括设置在振动***框架（21）上的水平位移传感器（41）、设置在试验模型箱（31）上的竖向位移传感器（42）和模型测试用传感器（43）；所述水平位移传感器（41）用于测量振动装置输入的水平位移，所述竖向位移传感器（42）用于测量振动装置输入的竖向位移，所述模型测试用传感器（43）布置在所述试验模型中，用于测量试验模型对输入振动的响应，其包括加速度传感器、速度传感器、位移传感器和土压力传感器。
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