一种利用逐层变色原理监测单向力的装置及方法

摘要

本发明公开了一种利用逐层变色原理监测单向力的装置及方法，该装置包括承载体、储带装置、弹性体和反光层，所述承载体安装在球垫与锚具的中间；承载体为圆筒形，圆筒端部设为锥台形，锥台外圈设有储带装置，储带装置为齿圈形，储带装置的内孔套在锥台外侧，储带装置从里到外侧依次设有第一反光层、弹性体一、第二反光层、弹性体二、第三反光层、……弹性体N，第（N+1）反光层；且弹性体一、弹性体二、……弹性体N的长度为依次减小，所有的弹性体及反光层的多余部分储存在储带装置的齿槽内。本发明无需电源供电，方便巷道安全管理；通过大规模安装该装置，可以实现人人均能检测工程设施安全，大大提高工程设施的安全性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用逐层变色原理监测单向力的装置及方法，主要应用于矿山、地下工程等巷道、隧道中需要使用锚索或锚杆锚固的领域。

背景技术

工程中存在许多需要监测或显示单向力的场合，以岩土工程中的锚索支护为例，锚索的轴向力即是一种单向力。但由于施工条件恶劣及锚索工作状态复杂，导致对锚索轴力监测受限，从而引发冒顶等安全事故，已经造成了巨大的经济损失和人员伤亡。在锚索支护巷道的服务年限内，及时准确地对锚索支护质量进行检测，对锚索支护工程的正常维护和矿井安全生产具有十分重要的意义。

传统的单向力监测装置主要分为两类。一种需要使用电源，如中国专利CN104913818A公开了一种利用压力传感器、位移传感器和监测仪表来监测锚索锚杆变形并进行声光报警的方法；中国专利CN204572068U公开一种由测力环、垫圈和警示器组成的锚索锚杆支护力监测预警装置。然而，这类监测装置需要电源且存在电线的层设和维护，不仅提高了使用成本，而且给巷道的管理带来极大的安全隐患。

另一类不需要电源，如中国专利CN105675201A公开了一种由显示机构和均载装置组成，通过均载装置均匀压力并将之转化为不同颜色由显示机构输出的单向力监测装置；中国专利CN105547541A公开了一种由上下壳体、均载机构、显示机构组成，通过显示装置显示不同颜色来指示单向力的装置；中国专利CN104198097A公开了一种由弹性结构和显示装置组成、通过显示装置将弹性体的变形输出为不同黑白色条纹来指示单向力的装置；中国专利CN106092395A公开了一种由承载装置和显示机构组成，利用显示机构光学膜在不同力下显示不同颜色的特性来指示单向力的装置；中国专利CN106679855A公开了一种由承载机构、液控阀组和显示机构组成，通过液体混合变色监测单向力的装置。矿井漆黑环境下人的视觉感官较为敏感，故以上装置采用颜色作为力的输出变量具有很大的优越性；然而，共同存在诸如结构复杂、制造成本高等，个别存在不易分辨等问题，极大地限制了它们在实际工程中的推广及应用。

因此，需要一种结构简单、低成本、易分辨、无需电源、适合大规模安装使用的监测装置。

发明内容

本发明旨在提供一种利用逐层变色原理监测单向力的装置及方法，该装置通过有色弹性体的逐层弹出、逐层变色来监测单向力。

本发明的监测装置安装于两个受压体之间，力经上下两端的受压体传至监测装置的承载体上，使得承载体被压缩而产生周向膨胀，该膨胀量使监测装置周向层设的储带装置所包围的周长也同步膨胀，从而使弹性体趋向于绷直，直至绷紧。故当承载体的膨胀量达到某个定值时，弹性体绷紧，由于弹性体接头强度低，弹性体接头强度破断，从而因自身弹性弹出。承载体外表面及弹性体外表面上均粘贴或喷涂有不同颜色的反光层，因此弹性体在弹出前后监测装置的颜色不一，如此当力到达某个值时，弹性体向外弹出，监测装置的颜色发生改变，从而通过颜色变化实现力的指示。

本发明提供了一种利用逐层变色原理监测单向力的装置，包括承载体、储带装置，弹性体和反光层，承载体为圆筒形，筒体外侧为锥台形锥台外侧是储带装置，储带装置为齿圈形，储带装置的内孔套在锥台外侧，储带装置从里到外侧依次设有第一反光层、弹性体一、第二反光层、弹性体二、第三反光层、......弹性体N，第(N+1)反光层；第一反光层、弹性体一、第二反光层、弹性体二、第三反光层、......弹性体N，第(N+1)反光层的上、下端分别设有上卡圈、下卡圈，上卡圈、下卡圈的作用是防止弹性体和反光层的轴向窜动。且弹性体一、弹性体二、......弹性体N的长度为依次减小，所有的弹性体及反光层的多余部分储存在储带装置的齿槽内。

所述反光层为反光布或反光涂层，所述反光布分别粘贴在其内侧的储带装置、弹性体一、弹性体二......弹性体N的外壁上；所述反光涂层分别喷涂在其内侧的储带装置、弹性体一、弹性体二......弹性体N的外壁上。所述第一反光层、第二反光层、第三反光层......第(N+1)反光层分别粘贴或喷涂在其内侧的储带装置、弹性体一、弹性体二......弹性体N的外壁上。

所述承载体的材质为Q235钢、45#钢、铜合金、铝合金中的一种。所述承载体为锥台形，从中间到两端，截面面积逐步减小，实现在轴向力增加过程中，塑形变形从两端开始。

所述储带装置为中心设有孔、外圈为规则梅花齿形的结构，梅花齿的齿槽用于储存弹性体。

所述弹性体的材质为不锈钢或塑料；弹性体为钢带绕制成环形，在其搭接接头处的连接强度远低于弹性体的破断强度，在变形过程中，当弹性体绷紧后则从接头处断开；弹性体的接头可以采用粘结也可采用点焊连接。

所述反光层的材质为高亮晶格反光膜或反光漆。每个反光层显示的颜色不同，以使监测装置能显示不同状态的受力情况。

本发明提供了一种利用逐层变色原理监测单向力的方法：

当监测装置不受力时，将弹性体的长度的多余部分储存在储带装置的凹槽内；当岩体变形时，锚索受轴向拉力，该拉力经托盘、球垫传至监测装置，使得监测装置上下两端均承受压力；在锚索所受轴向力逐渐增大的过程中，承载体的周向膨胀量也在逐渐增大，储带装置包围的周长也在逐步增加，与之同步的是弹性体逐步趋向于绷直直至绷紧，然后在弹性体接头处断裂，导致弹性体弹开；弹性体摊开后，监测装置发生变色。

以储带装置外侧依次设有第一反光层、弹性体一、第二反光层、弹性体二、第三反光层为例，当锚索在不受力或受力不足时，监测装置所示为弹性体二外表面粘贴或喷涂的第三反光层的颜色，此为监测装置第一个状态，也即锚索受力第一个状态；当锚索所受轴向力到达某个值时，弹性体二发生破坏而弹出，监测装置发生第一次变色，显示颜色为弹性体一外表面粘贴或喷涂第二反光层的颜色，此为监测装置第二个状态，也即锚索受力第二个状态；当锚索所受轴向力逐渐增大至另一个值时，弹性体一绷紧，弹性体一接头发生破断而弹出，监测装置发生第二次变色，最后显示颜色为承载体外表面粘贴或喷涂第一反光层的颜色，此为监测装置第三个状态，也即锚索受力第三个状态；如此监测装置则通过逐层变色实现了单向力的监测。

下面通过计算进一步说明通过显色原理监测锚索受力的过程：(以储带装置外侧依次设有第一反光层、弹性体一、第二反光层、弹性体二、第三反光层为例)

假设锚索受力为F，其第一个状态受力为0～F₁，第二个状态受力为F₁～F₂，第三个状态为F₂～；由于承载体、弹性体一和弹性体二表面接触且弹性体一和弹性体二厚度较小，故认为三者的外表面周长和周向膨胀量均相等，分别设为l和△l；承载体的总高度为H，弹性体一、二和反光层的高度为h；弹性体一和弹性体二所受应力近似相等且为σ，设承载体的内径为r，外径为R，弹性模量为E，泊松比为u，根据轴向压缩可知，在力为F时，承载体的轴向应变ε为

承载体径向应变ε'为

ε'＝uε(2)

，其与承载体外表面周向膨胀量△l有，

联立式(1)、(2)、(3)得，

当力到达F₁时，周向膨胀量到达△l₁，弹性体二弹开，完成第一次变色；当力到达F₂时，周向膨胀量到达△l₂，，弹性体一弹开，完成第二次变色。

故当力为0～F₁时，监测装置显示第三反光层的颜色；

当力到达F₁时，弹性体二弹开，监测装置显示第二反光层的颜色；

当力到达F₂时，弹性体一弹开，监测装置显示第一反光层的颜色。

F₁和F₂对锚索受力情况来说，F1为施工预张拉力，

F2为锚索(锚杆)由弹性阶段转入塑形阶段的拉力(也称屈服力)。

上述F1，F2为推荐使用值，也可根据用户需求确定。

本发明的有益效果：

(1)本发明无需电源供电，方便巷道安全管理；

(2)结构简单，制造方便，成本低，极易辨别测量状态、捕捉测量状态变化；

(3)通过观察有色弹性体的逐层弹出，根据颜色变化直接判断锚索受力状态，每个人都可以成为安全监测员，大大提高了监测效率，对锚索支护工程的监测管理和煤炭产业的安全生产具有重要意义；

(4)采用相同原理，不同规格可应用于锚杆力监测；适合大规模推广使用；

(5)通过大规模安装该装置，可以实现人人均能检测工程设施安全，大大提高工程设施的安全性能。

附图说明

图1为监测装置安装示意图；

图2为监测装置结构装配主视图；

图3为监测装置结构装配俯视图；

图4为图3中A部放大图；

图5为图3中B部放大图；

图6为监测装置受力及尺寸参数标记图；

图7为锚索受力状态与监测装置显色示意图。

图中：1岩体，2锚索，3托盘，4球垫，5监测装置，6锚具，7承载体，8上卡圈，9储带装置，10下卡圈，11第一反光层，12弹性体一，13第二反光层，14弹性体二，15第三反光层。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

本实施例提供了一种在储带装置外设有三个反光层和两个弹性体的情况，下面结合附图做详细说明：

如图1～5所示，一种利用逐层变色原理监测单向力的装置，包括承载体7、储带装置9，弹性体和反光层，承载体7为圆筒形，筒体外侧为锥台形，锥台外侧是储带装置9，储带装置9为齿圈形，储带装置9的内孔套在锥台外侧，储带装置9从里到外侧依次设有第一反光层11、弹性体一12、第二反光层13、弹性体二14、第三反光层15；第一反光层11、弹性体一12、第二反光层13、弹性体二14、第三反光层15的上、下端分别设有上卡圈8、下卡圈10，上卡圈8、下卡圈10的作用是防止弹性体和反光层的轴向窜动。且弹性体一12、弹性体二14的长度为依次减小，所有的弹性体及反光层的多余部分储存在储带装置9的齿槽内。

在实际使用过程中，可根据用户需要设置弹性体和反光层的个数。

所述反光层为反光布或反光涂层，所述反光布分别粘贴在其内侧的储带装置、弹性体一、弹性体二......弹性体N的外壁上；所述反光涂层分别喷涂在其内侧的储带装置、弹性体一、弹性体二......弹性体N的外壁上。所述第一反光层、第二反光层、第三反光层......第(N+1)反光层分别粘贴或喷涂在其内侧的储带装置、弹性体一、弹性体二......弹性体N的外壁上。

所述承载体的材质为Q235钢、45#钢、铜合金、铝合金中的一种。所述承载体为锥台形，从中间到两端，截面面积逐步减小，实现在轴向力增加过程中，塑形变形从两端开始。

所述储带装置为中心设有孔、外圈为规则梅花齿形的结构，梅花齿的齿槽用于储存弹性体。

所述弹性体的材质为不锈钢或塑料；弹性体为钢带绕制成环形，在其搭接接头处的连接强度远低于弹性体的破断强度，在变形过程中，当弹性体绷紧后则从接头处断开；弹性体的接头可以采用粘结也可采用点焊连接。

所述反光层的材质为高亮晶格反光膜或反光漆。每个反光层显示的颜色不同，以使监测装置能显示不同状态的受力情况。

本发明提供了一种利用逐层变色原理监测单向力的方法：

当监测装置不受力时，将弹性体的长度的多余部分储存在储带装置的凹槽内；当岩体变形时，锚索受轴向拉力，该拉力经托盘、球垫传至监测装置，使得监测装置上下两端均承受压力；在锚索所受轴向力逐渐增大的过程中，承载体的周向膨胀量也在逐渐增大，储带装置包围的周长也在逐步增加，与之同步的是弹性体逐步趋向于绷直直至绷紧，然后在弹性体接头处断裂，导致弹性体弹开；弹性体摊开后，监测装置发生变色。

以储带装置外侧依次设有第一反光层、弹性体一、第二反光层、弹性体二、第三反光层为例，当锚索在不受力或受力不足时，监测装置所示为弹性体二外表面粘贴或喷涂的第三反光层的颜色，此为监测装置第一个状态，也即锚索受力第一个状态；当锚索所受轴向力到达某个值时，弹性体二发生破坏而弹出，监测装置发生第一次变色，显示颜色为弹性体一外表面粘贴或喷涂第二反光层的颜色，此为监测装置第二个状态，也即锚索受力第二个状态；当锚索所受轴向力逐渐增大至另一个值时，弹性体一绷紧，弹性体一接头发生破断而弹出，监测装置发生第二次变色，最后显示颜色为承载体外表面粘贴或喷涂第一反光层的颜色，此为监测装置第三个状态，也即锚索受力第三个状态；如此监测装置则通过逐层变色实现了单向力的监测。

下面通过具体的参数来进一步说明本发明监测装置的使用情况：

本实施例设置的相关参数见表1所示：

表1监测装置参数及材料

以F₁为该规格锚索预紧力，也即30％破断力，则F₁＝16.8t；

以F₂为该规格锚索屈服力，也即80％破断力，则F₂＝44.8t。

当岩体变形时，锚索受轴向拉力，该拉力经托盘、球垫传至监测装置的承载体，监测装置上下两端均承受压力；在锚索所受轴向力逐渐增大的过程中，承载体的周向膨胀量也在逐渐增大，与之同步的是储带装置所包围的周长也逐步增加，从而导致弹性体一和弹性体二逐渐绷直直至绷紧；显示以下三个状态：

①当锚索受力为0～F₁时，监测装置所示为弹性体二外表面粘贴或喷涂的第三反光层的颜色，此为监测装置第一个状态，也即锚索受力第一个状态；此时呈现绿色；

②当锚索所受轴向力到达F₁时，弹性体二接头发生破坏而弹出，监测装置发生第一次变色，显示颜色为弹性体一外表面粘贴或喷涂第二反光层的颜色，此为监测装置第二个状态，也即锚索受力第二个状态；此时呈现黄色；

③当锚索所受轴向力逐渐增大至另一个值时，弹性体一接头发生破坏而弹出，监测装置发生第二次变色，最后显示颜色为承载体外表面粘贴或喷涂第一反光层的颜色，此为监测装置第三个状态，也即锚索受力第三个状态；此时呈现红色。

如此监测装置则通过逐层变色实现了单向力的监测。

锚索所受轴向力F，与监测装置承载体的周向膨胀量△l及监测装置显示颜色关系如图4所示。