技术领域
[0001] 本
发明属于海上风电基础技术领域，具体的说，是涉及一种用于海上风电基础的多向承载
力模型试验装置。
背景技术
[0002] 随着经济的发展、社会的进步，人们对环境保护的意识日益增强，同时传统
能源的枯竭，迫使能源的发展向
可再生能源发展，
风能是一种目前应用较广的绿色能源，主要应用形式有陆上风电和近海风电两种形式。海上风电基础主要有重力式基础，桩基础，筒型基础等多种基础形式，由于风荷载具有多向性，特定区域的风荷载方向及荷载大小常以
风玫瑰图的形式呈现。然而，目前在基础设计时多数仅考虑单一方向荷载，此种方法容易造成一方面荷载值取值较大，设计偏于保守，造成材料浪费和成本增加；另一方面荷载取值时未考虑季风等周期性风荷载，造成基础的安全性降低，在风荷载较大时极易发生倾覆破坏。因此针对特定地区，需要根据当地的风玫瑰图对基础在多向荷载作用下的承载力及承载模式进行研究。
发明内容
[0003] 本发明着力于研究基础在不同方向荷载作用下的承载特性，提供了一种风机基础多向水平加载模型试验装置。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
[0005] 一种风机基础多向水平加载模型试验装置，包括内部填充有地基土的模型箱，所述模型箱顶部安装有纵向固定滑道，所述纵向固定滑道上部通过固定滑
块安装有横向固定滑道，所述横向固定滑道上部通过固定滑块安装有加载架，以使所述加载架可在所述模型箱顶部沿横向或纵向移动；
[0006] 所述加载架包括
底板，所述底板两侧固定有竖直
支架，所述竖直支架之间安装有水平支架，所述水平支架在所述竖直支架的安装高度可调；
[0007] 所述加载架两侧的竖直支架顶部固定安装有水平横梁，所述水平横梁的两端分别安装有
滑轮，用于对第二
钢丝绳导向；所述加载架一侧的竖直支架外部铰接安装有固定横梁，所述加载架的水平支架位于所述固定横梁上方一端的端部安装有滑轮，用于对第一
钢丝绳导向；
[0008] 所述加载架的水平支架上部固定安装有导向板，所述导向板固定安装有
角度控制伺服
电机，所述导向板表面通过
轴承安装有荷载转盘，所述角度控制
伺服电机通过
齿轮盘与所述荷载转盘
轮齿啮合；
[0009] 所述模型箱内的地基土中安装有基础模型，所述基础模型顶部连接有加载杆，所述加载杆向上依次穿过所述导向板和所述荷载转盘；所述加载杆在所述荷载转盘上方的
位置连接所述第一钢丝绳，所述第一钢丝绳的一端固定于连接环，所述连接环套于所述荷载转盘上方的所述加载杆；所述第一钢丝绳的另一端绕过所述加载架的水平支架端部的滑轮后，固定于所述固定横梁；所述荷载转盘和所述导向板上分别安装有导向滑轮，所述导向滑轮对所述第一钢丝绳进行导向；
[0010] 所述角度控制伺服电机由PLC控
制模块控制，所述PLC
控制模块接收计算机的指令，通过所述角度控制伺服电机控制所述荷载转盘的旋转角度，以改变所述第一钢丝绳的方向，实现对所述基础模型不同方向的水平荷载控制；
[0011] 所述固定横梁上安装有所述荷载控制伺服电机，所述荷载控制伺服电机的
输出轴向下穿过所述固定横梁，并在输出轴端部安装有
配重横梁；所述配重横梁的中心通过轴承连接于荷载控制伺服电机的输出轴，所述配重横梁的一端下部固定有荷载配重块；
[0012] 所述固定横梁固定连接有第二钢丝绳，所述第二钢丝绳绕过所述水平横梁两端的滑轮后连接有横梁配重块；
[0013] 所述第一钢丝绳上安装有拉压
传感器，所述荷载转盘上安装有位移传感器，所述拉压传感器和所述位移传感器均与所述计算机连接，将实验过程中的位移
信号及压力信号反馈至所述计算机，所述计算机对水平位移信号和水平压力信号与设定值比较后，通过所述PLC控制模块实时调整所述荷载控制伺服电机对所述基础模型的水平位移和水平荷载。
[0014] 进一步地，所述加载架的竖直支架在不同的高度设置有多个
螺栓孔，所述水平支架两端通过螺栓与所述竖直支架连接固定。
[0015] 进一步地，所述固定横梁上开设有长槽，以使所述第一钢丝绳与所述固定横梁的固
定位置可调。
[0016] 进一步地，所述荷载配重块在所述配重横梁的固定位置可调。
[0017] 进一步地，所述固定横梁上方的所述水平横梁一端端部开设有长槽，以使所述水平横梁该端端部的滑轮的固定位置可调，所述第二钢丝绳与所述固定横梁的固定位置同时可调。
[0018] 本发明的有益效果是：
[0019] 本发明能够对风电基础模型进行多向水平单调及循环荷载控制，采用PLC控制模块对荷载控制伺服电机及角度控制伺服电机进行实时控制，从而实现对模型基础进行任意加载方向和加载
频率的精确控制，转动模拟实际工程中不同方向及不同频率风荷载，并可进行风玫瑰图加载。试验结果可对实际工程中基础设计进行指导，加强风机基础的主受力方向的强度设计；本加载装置试验对象不局限于风电基础，同样适用于其他形式的模型基础。
附图说明
[0020] 图1为本发明所提供的风机基础多向水平加载模型试验装置调节部分的结构示意图；
[0021] 图2为图1的侧视图；
[0022] 图3为本发明所提供的风机基础多向水平加载模型试验装置的整体结构示意图。
[0023] 上述图中：1-横梁配重块，2-水平横梁，3-加载架，4-荷载控制伺服电机，5-荷载配重块，6-荷载转盘，7-导向滑轮，8-角度控制伺服电机，9-位移传感器，10-拉压传感器，11-横向固定滑道，12-纵向固定滑道，13-加载杆，14-基础模型，15-固定滑块，16-第二钢丝绳，17-导向板，18-配重横梁，19-固定横梁，20-第一钢丝绳，21-模型箱，22地基土。
具体实施方式
[0024] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下
实施例，并配合附图详细说明如下：
[0025] 如图1至图3所示，本发明公开了一种风机基础多向水平加载模型试验装置，可实现风电基础模型施加多向单调和
循环水平荷载，主要包括横梁配重块1、平衡横梁2、加载架3、荷载控制伺服电机4、荷载配重块5、荷载转盘6、导向滑轮7、角度控制伺服电机8、位移传感器9、拉压传感器10、横向固定滑道11、纵向固定滑道12、加载杆13、基础模型14、固定滑块
15、第二钢丝绳16、导向板17、配重横梁18、固定横梁19、第一钢丝绳20、模型箱21、地基土
22。
[0026] 模型箱21为上部开口的
箱体结构，箱体结构内部填充有地基土22，模型箱21的箱体结构顶部固定安装有两根纵向固定滑道12，两根纵向固定滑道12之间安装有两根横向固定滑道14，两根横向固定滑道14通过其两端部的四个固定滑块15套装在两根纵向固定滑道12上。两根横向固定滑道14之间安装有加载架3，加载架3通过其底部四角处的四个固定滑块15套装在两根横向固定滑道14上。这样，加载架3可在模型箱21上沿横向或纵向移动。
[0027] 加载架3包括底板，底板顶部两侧固定有两组竖直支架，两组竖直支架之间安装有两个水平支架，水平支架两端通过螺栓与竖直支架连接固定。竖直支架在不同的高度设置有多个螺栓孔，以调节水平支架在竖直支架上不同的高度位置。
[0028] 加载架3的两组竖直支架顶部安装有水平横梁2，水平横梁2与加载架3采用螺栓固定连接。水平横梁2的两端分别安装有滑轮，用于对第二钢丝绳16进行导向。加载架3一侧的竖直支架外部安装有固定横梁19，固定横梁19与加载架3采用铰接的方式连接。加载架3的水平支架在与固定横梁19同侧的一端安装有滑轮，用于对第一钢丝绳20进行导向。
[0029] 加载架3的两个水平支架上固定安装有导向板17，导向板17下部通过螺栓固定有角度控制伺服电机8，导向板17表面采用轴承安装有荷载转盘6，角度控制伺服电机8的输出杆通过齿轮盘与荷载转盘6轮齿啮合，以使角度控制伺服电机8带动荷载转盘6进行转动。
[0030] 模型箱21内的地基土22中安装有基础模型14，基础模型14顶部连接有加载杆13。加载杆13向上延伸至加载架3内部，并依次穿过导向板17和荷载转盘6。加载杆13在荷载转盘6上方的位置连接有第一钢丝绳20，第一钢丝绳20的一端通过绑扎的方式固定于连接环，连接环套在荷载转盘6上方的加载杆13上；第一钢丝绳20的另一端绕过加载架3水平支架端部的滑轮后，固定于固定横梁19。固定横梁19上开设有长槽，以使第一钢丝绳20与固定横梁
19的固定位置可调。
[0031] 荷载转盘6和导向板17上分别安装有两组导向滑轮7，两组导向滑轮7共同对第一钢丝绳20进行导向，使第一钢丝绳20通过连接环对加载杆13施加不同角度方向的水平加载力。角度控制伺服电机8由PLC控制模块控制，PLC控制模块接收计算机的指令，通过角度控制伺服电机8控制荷载转盘6的旋转角度。角度控制伺服电机8通过对荷载转盘6进行转动，改变第一钢丝绳20的方向，可实现基础模型14不同方向的水平荷载控制，模拟基础模型14受多向荷载时的工况。
[0032] 第一钢丝绳20上安装有拉压传感器10，荷载转盘6上安装有位移传感器9，拉压传感器10和位移传感器9均与计算机连接，将实验过程中的位移信号及压力信号反馈至计算机，计算机对水平位移信号和水平压力信号与设定值比较后，通过PLC控制模块实时调整荷载控制伺服电机4对基础模型16的水平位移和水平荷载。
[0033] 固定横梁19上安装有荷载控制伺服电机4，荷载控制伺服电机4的输出轴向下穿过固定横梁19，并在输出轴端部安装有配重横梁18。配重横梁18的中心通过轴承连接于荷载控制伺服电机4的输出轴，配重横梁18的一端下部固定有荷载配重块5。荷载配重块5可在配重横梁18上调节其所在位置，以改变荷载配重块5与荷载控制伺服电机4的输出轴之间的距离。
[0034] 第二钢丝绳16一端连接有横梁配重块1，另一端固定连接于固定横梁19，横梁配重块1和固定横梁19之间的第二钢丝绳16绕过水平横梁2两端的滑轮进行导向。固定横梁19上方的水平横梁2端部开设有长槽，滑轮可在水平横梁2上的该长槽内移动位置，第二钢丝绳16与固定横梁19的固定位置同时可调，以改变第二钢丝绳16与固定横梁19连接点的力矩。
[0035] 这样，当荷载配重块5转至靠近加载杆13和基础模型14一端时，第二钢丝绳16、荷载配重块5、荷载伺服控制电机4及配重横梁18等荷载对固定横梁19与加载架3连接处的螺栓取合力矩的值应为0，此时第一钢丝绳20上的拉力应为0，固定横梁19应为水平，加载杆13受到最小荷载。当荷载配重块5转至远离加载杆13和基础模型14一端时，此时第一钢丝绳上20的拉力应为设定的基础模型14的最大水平荷载。分别采用调整荷载配重块5的重量及其与荷载伺服控制电机4连接的距离、横梁配重块1的重量实现对加载杆13最大及最小水平荷载控制。
[0036] 当荷载控制伺服电机4工作时，荷载配重块5在配重横梁18上的位置已经固定，随着荷载控制伺服电机4输出轴的转动，配重横梁18及荷载配重块5将绕荷载控制伺服电机4进行转动，荷载配重块5产生不同的力矩，从而实现对加载杆13施加不同荷载。当荷载配重块5转至靠近加载杆13一端时，此时为加载最小值，此时第一钢丝绳20不受力；当荷载配重块5转至远离加载杆13一端时，此时为加载最大值。由此，在试验过程中，通过PLC控制角度控制伺服电机8的转动控制加载杆13的加载方向，通过PLC设置加载的次数控制荷载控制伺服电机4的转动，实现对加载杆13的从0到基础模型的最大水平荷载范围任意区间内的循环加载。
[0037] 本发明的一种风机基础多向水平加载模型试验装置，其工作方式为：将基础模型14安装在填充有地基土22的模型箱21中，基础模型14上部安装加载杆13，加载架3安装在模型箱21上部。
[0038] 当进行单调水平加载时，采用荷载控制伺服电机4通过钢丝绳16对基础模型14在一定高度施加水平荷载即可；当进行多向水平循环加载时，需要采用计算机将加载方向、加载幅值及加载次数输入，通过PLC控制模块控制进行转动电机8、荷载控制伺服电机4加载，即可实现不同加载方向的循环加载，可以根据试验测得的水平位移及水平荷载分析基础模型的水平承载特性。
[0039] 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和
权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
