本实用新型涉及一种悬浮隧道物理模型实验装置，特别是一种悬浮隧道试验缆索初张力的水下调节装置及试验系统。
背景技术：
现今国内外对于悬浮隧道的研究，局限于数学预测模型与二维水槽试验，这些研究不能完整获得悬浮隧道的真实物理响应规律，开展悬浮隧道相关三维物理模型试验是极有必要且有意义的。此前，未见悬浮隧道三维物理模型试验构想，关于三维模型的制作更是空白，建立精确可靠的三维弹性模型管道，是开展悬浮隧道三维物理模型试验的基本条件，而此前相关研究几乎为零。对于拉锚式悬浮隧道而言，缆索是悬浮隧道重要的沿程约束形式，缆索的初张力直接决定了悬浮隧道净浮力的分配情况，以及悬浮隧道的初始位置及姿态。
发明人在进行本发明研究的过程中发现：在开展悬浮隧道试验之前，需要在带水条件下，将悬浮隧道各缆索的初始张力调整到预设值，根据试验需要，预设值需要满足以下条件：①完全分配悬浮隧道净浮力，保证悬浮隧道稳定；②同一锚固断面，各条缆索之间初张力符合试验方案要求的力分配方式。
当前水动力试验现有技术中针对缆索的调节方式为人工水下调节，当缆索数量较少时，该方式较为可行，对于悬浮隧道三维物理模型试验而言，缆索布置较多，且缆索在水池中分布间隔大，这导致人工调节极为困难，在一个锚固截面调整好缆索初张力后，其余截面缆索初张力会改变，因此需要反复多次进行调节；在调节不同截面缆索初张力时，人为移动带动水体运动，也会导致已经调整好的初张力发生变动。这些问题导致人工调整缆索初拉力效果不佳，精度较低，且费时费力。
技术实现要素：
本实用新型的发明目的在于：针对人工调节悬浮隧道缆索拉力存在的调节不便的问题，提供一种悬浮隧道试验缆索初张力的水下调节装置及试验系统。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一方面，本实用新型提供了一种悬浮隧道试验缆索初张力的水下调节装置，包括：缆索，缆索一端用于与悬浮隧道模型相连；绕线装置，绕线装置用于在拉力调节过程中与地面保持相对固定，缆索可滑动地缠绕于绕线装置上；拉力测量装置，拉力测量装置与缆索相连，用于测量缆索上的拉力；和驱动装置，缆索另一端用于与驱动装置的输出端相连。本实用新型提供的水下调节装置上设置了驱动装置，通过驱动装置输出端拉紧或放松缆索，达到调节缆索初张力的作用。驱动装置拉紧或放松缆索的过程中，拉力测量装置测量缆索上的拉力，便于实验人员对缆索拉力进行监控。当需要调节的缆索较多时，可以将各个拉力测量装置的结果显示在一处，从而实验人员无需频繁往返走动进行调节。相对于人工调节方式，这种调节方法更加简单，精度较高，且不会产生人为移动带动水体运动的情况，避免水体运动影响缆索初张力。
作为本实用新型的优选方案，绕线装置包括第一滑轮。绕线装置上设置第一滑轮，使缆索与绕线装置之间的摩擦力较小，延缓缆索的磨损。
作为本实用新型的优选方案，水下调节装置还包括导向组件，导向组件包括导轨和滑块，导轨与滑块可锁止地滑动连接；第一滑轮与滑块固定相连。通过设置导向组件，可以调节缆索与悬浮隧道模型之间的角度，从而模拟不同的锚固形式，且在各种不同的角度下，该水下调节装置都可以实现缆索初张力的调节。
作为本实用新型的优选方案，导向组件还包括连接件，连接件用于锁止导轨与滑块。
作为本实用新型的优选方案，连接件包括螺杆和螺母，滑块上设有与螺杆适配的孔，导轨上设有若干个与螺杆适配的孔。在调节缆索初张力时以及在实验进行的过程中，使导轨与连接件相连，从而使得滑块与导轨互相固定。在需要改变锚固形式时，使导轨与连接件分离，从而可以移动滑块，改变缆索与悬浮隧道模型之间的角度。
作为本实用新型的优选方案，绕线装置还包括第二滑轮，第二滑轮用于固设于地面，缆索与第二滑轮相连，沿缆索的方向上，第二滑轮设于驱动装置与第一滑轮之间。第二滑轮可以用于对缆索进行张紧，使缆索沿需要的走向布置且使缆索的各段均处于绷紧状态。
作为本实用新型的优选方案，驱动装置包括调速步进电机。调速步进电机的速度能够进行变化，从而能够实现缆索张力的快速调整和精确调整。
作为本实用新型的优选方案，驱动装置还包括电机控制器，电机控制器与调速步进电机相连。在水面上操作电机控制器，通过电机控制器控制调速步进电机的启停。
另一方面，本实用新型实施例还提供了一种悬浮隧道试验系统，其包括悬浮隧道模型和上述的水下调节装置，悬浮隧道模型与水下调节装置相连。
作为本实用新型的优选方案，悬浮隧道模型上设有若干个连接环，连接环用于与水下调节装置相连。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供的水下调节装置上设置了驱动装置，通过驱动装置拉紧或放松缆索，达到调节缆索拉力的作用。驱动装置拉紧或放松缆索的过程中，拉力测量装置测量缆索上的拉力，便于实验人员对缆索拉力进行监控。当需要调节的缆索较多时，可以将各个拉力测量装置的结果显示在一处，从而实验人员无需频繁往返走动进行调节。相对于人工调节方式，这种调节方法更加简单，且不会产生人为移动带动水体运动的情况，避免水体运动影响缆索初张力。
附图说明
图1是本实用新型提供的水下调节装置与悬浮隧道模型相连时的结构示意图。
图2是图1中a部的局部放大图。
图3是本实用新型提供的水下调节装置与悬浮隧道模型相连时的结构示意图。
图4是图3中b部的局部放大图。
图标：1-水下调节装置；2-悬浮隧道模型；11-缆索；12-绕线装置；13-电机；14-导向组件；111-拉绳；112-弹簧；113-拉力测量装置；121-第一滑轮；122-第二滑轮；141-滑块；142-连接件；143-导轨；1431-孔。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例
请参阅图1-图4。本实用新型实施例提供了一种悬浮隧道试验缆索初张力的水下调节装置1，其包括缆索11、绕线装置12、拉力测量装置113、驱动装置和导向组件14。缆索11一端用于与悬浮隧道模型2相连，缆索11中部与绕线装置12相连，缆索11另一端与驱动装置相连。拉力测量装置113设置于缆索11上，用于测量缆索11上的拉力。
绕线装置12包括第一滑轮121和第二滑轮122，在调节过程中，第一滑轮121和第二滑轮122均作为定滑轮，即：调节过程中，第一滑轮121和第二滑轮122均相对于地面固定。缆索11绕过第一滑轮121和第二滑轮122。沿缆索11的方向，第二滑轮122位于第一滑轮121和驱动装置之间。
具体的，缆索11上位于第一滑轮121和悬浮隧道模型2之间的一段用于模拟设计工况下的悬浮隧道锚索。缆索11上位于第一滑轮121和驱动装置之间的一段用于引出缆索11端部，从而便于进行调节。
拉力测量装置113包括拉力传感器。拉力传感器与缆索11相连，使得拉力传感器能够随缆索11的变形而变形，从而用于测量缆索11上的张力。
具体的，本实施例中，拉力传感器的型号选择为中航电测的bq100-10aa-a，其能够用于测量缆绳的变形，并转换成电信号，将变形数据输出给用户。
在本实施例中，为了使缆索11的刚度能够达到模拟设计原型的要求，缆索11这样设置：缆索11包括拉绳111和弹簧112，弹簧112与拉绳111相连，在试验的过程中，通过弹簧112提供模拟刚度，使得缆索11整体的变形能够用于模拟设计原型。进一步的，弹簧112设置于第一滑轮121与悬浮隧道模型2之间。拉力传感器设置于拉绳111上。
驱动装置包括电机13和电机控制器(图中未示出)。在本实施例中，电机13选择为步进电机13，进一步的，是具备防水功能的调速步进电机13，其输出端与拉绳111的端部相连，使得电机13输出端的正反向转动能够带动拉紧或放松拉绳111，从而调节缆索11整体的张紧力。在本实施例中，选用的电机13型号为施耐德57ip68两相步进电机13。电机控制器与电机13通信连接，使得实验人员能够在水上通过操作电机控制器控制位于水下的电机13的启停和转速。具体的，在本实施例中，电机13能够用于输出转速范围为0.1～10n/s的转动。
导向组件14包括导轨143、滑块141和连接件142。导轨143与地面相连，导轨143上设有t形结构，滑块141上设有与t形结构适配的槽，使得滑块141与导轨143上的t形结构配合时，滑块141无法相对于导轨143在导轨143的上下方向上移动，只能沿导轨143的长度方向滑动。连接件142包括螺杆和螺母，滑块141上设有与螺杆适配的孔，导轨143上设有若干个与螺杆适配的孔1431，螺母设置于滑块141的上方，且螺母与螺杆相连。连接件142用于实现滑块141与导轨143之间的锁止，即：当连接件142与滑块141和导轨143均相连时，滑块141与导轨143固定相连；当连接件142与导轨143分离时，滑块141与导轨143可滑动地相连。
本实用新型实施例提供的悬浮隧道试验缆索11的水下调节装置2的工作原理在于：
悬浮隧道模型2上设有连接环，将水下调节装置1的缆索11一端连接悬浮隧道模型2上，组成悬浮隧道试验系统，即可实现悬浮隧道模型2的锚固，并对悬浮隧道模型施加载荷进行实验。在需要改变锚固形式、调节缆索11的悬浮隧道模型2之间的角度时，使连接件142与导轨143分离，移动滑块141，并使连接件142再次与导轨143相连；
在需要调节缆索11上的张紧力时，实验人员通过控制步进电机13转动，拉紧或放松缆索11，使缆索11上的拉力增大或减小。
本实用新型实施例提供的悬浮隧道试验缆索11初张力的水下调节装置2的有益效果在于：
1.通过驱动装置实现缆索11初张力的调节，避免了人为调节存在的调节困难、人为移动作用于水体导致张力变化等弊端；
2.通过设置导向组件14，不仅可以实现对缆索11初张力的调节，还可以实现对缆索11角度的调节，从而能够改变试验模拟的锚固形式；
3.通过弹簧112提供缆索11的刚度，使得缆索11能够更好地模拟原型的刚度及变形情况；
4.绕线装置12设置滑轮，能够减小缆索11与绕线装置12之间的摩擦，减小缆索11的磨损。
需要说明的是：
在本实施例中，弹簧112的作用是为了提供弹性，从而使缆索11的刚度能够模拟设计原型的缆索11的刚度，在本实用新型的其他实施方式中，弹簧112的功能还可以通过其他结构实现，例如：刚度符合要求的橡胶材料；
在本实施例中，第一滑轮121和第二滑轮122的作用之一是使缆绳具有固定的走向，且允许缆索11总长度在驱动装置转动时伸长或缩短，因此，本领域技术人员还可以采用其他结构实现第一滑轮121和第二滑轮122的这种功能，例如，将第一滑轮121替换为固定于滑块141上的环状结构，将第二滑轮122替换为固定于地面上的环状结构，且使缆索11一次穿过这两个环状结构；
在本实施例中，导轨143上的t形结构的目的是与滑块141配合，允许滑块141沿导轨143的长度方向运动，且阻止滑块141沿导轨143的上下方向上移动，在本实用新型的其他实施方式中，本领域技术还可以采用其他的结构实现该功能，例如，将t形结构替换为倒置的三角结构。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
1.一种悬浮隧道试验缆索初张力的水下调节装置，其特征在于，包括：
缆索，所述缆索一端用于与悬浮隧道模型相连；
绕线装置，所述绕线装置用于在调节所述缆索拉力过程中与地面保持相对固定，所述缆索可滑动地缠绕于所述绕线装置上；
拉力测量装置，所述拉力测量装置与所述缆索相连，用于测量缆索上的拉力；
和驱动装置，所述缆索另一端用于与所述驱动装置的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的悬浮隧道试验缆索初张力的水下调节装置，其特征在于，所述绕线装置包括第一滑轮。
3.根据权利要求2所述的悬浮隧道试验缆索初张力的水下调节装置，其特征在于，还包括导向组件，所述导向组件包括导轨和滑块，所述导轨与所述滑块可锁止地滑动连接；
所述第一滑轮与所述滑块固定相连。
4.根据权利要求3所述的悬浮隧道试验缆索初张力的水下调节装置，其特征在于，所述导向组件还包括连接件，所述连接件用于锁止所述导轨与所述滑块。
5.根据权利要求4所述的悬浮隧道试验缆索初张力的水下调节装置，其特征在于，所述连接件包括螺杆和螺母，所述滑块上设有与所述螺杆适配的孔，所述导轨上设有若干个与所述螺杆适配的孔。
6.根据权利要求2所述的悬浮隧道试验缆索初张力的水下调节装置，其特征在于，所述绕线装置还包括第二滑轮，所述第二滑轮用于固设于地面，所述缆索与所述第二滑轮相连，沿所述缆索的方向上，所述第二滑轮设于所述驱动装置与所述第一滑轮之间。
7.根据权利要求1所述的悬浮隧道试验缆索初张力的水下调节装置，其特征在于，所述驱动装置包括调速步进电机。
8.根据权利要求7所述的悬浮隧道试验缆索初张力的水下调节装置，其特征在于，所述驱动装置还包括电机控制器，所述电机控制器与所述调速步进电机相连。
9.一种悬浮隧道试验系统，其特征在于，包括悬浮隧道模型和如权利要求1-8中任意一项所述的水下调节装置，所述悬浮隧道模型与水下调节装置相连。
10.根据权利要求9所述的悬浮隧道试验系统，其特征在于，所述悬浮隧道模型上设有若干个连接环，所述连接环用于与所述水下调节装置相连。
技术总结