CN105466712A - 一种全自动智能装配模型试验装置系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动智能装配模型试验装置系统及试验方法，包括模型反力结构和液压加载控制系统；模型反力结构包括位于四周、顶部和底部的反力梁；四周和顶部的反力梁和相应的液压加载控制系统固定连接，共同构成四周和顶部的反力墙，并对模型施加水平和竖向荷载；其中前反力墙可闭合的与侧反力墙连接，顶部反力梁下设有顶梁升降油缸；模型反力结构内设有用以承载模型材料的导力框，导力框通过水平拖出油缸与模型反力结构固定连接；通过控制顶梁升降油缸实现顶梁的自动升降，通过控制水平拖出油缸来带动导力框的自动拖出，二者配合工作，进而实现模型材料的自动移出。

Description

一种全自动智能装配模型试验装置系统及试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程科研技术领域，特别涉及一种用于进行不同工程概况的全自动智能装配模型试验装置系统及试验方法。

背景技术

随着人口的增多，土地减少，以及改革开放和现代化建设，人类正面临着人口、土地、能源、水资源、环境、气候六大挑战，为了最大程度的合理利用空间以及安全开采和储存能源，地下空间的开发利用是实现可持续发展的必然之路。

然而地下空间的开发、建设、规划具有一定的盲目性和危险性。特别是随着埋深的不断增加，复杂的地质条件和工况一直是阻碍地下空间发展的重大屏障，由于地下工程自身结构和地质赋存环境的复杂性，传统的理论分析方法难以处理这些复杂、非线性变形破坏问题。考虑到数值分析方法在处理岩土体破坏问题时具有的局限性，数值分析在模拟地下工程破坏方面至今难以取得突破性进展，地质力学模型试验以其形象、直观、真实的特性已成不可替代的研究手段。

对岩体的应力加载、开挖和开采会导致其产生不同程度破坏、失稳，由此带来一系列的安全和环境问题。国内外学者对此进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。但由于深部地质条件的复杂性，使得问题仍未得到圆满解决，如何更加安全、高效、智能的模拟这类复杂条件下对岩体的影响是解决当前地下空间的开发不可回避的重大问题。

目前，针对地质力学模型试验，已开展了大量的研究工作，研制了一系列模拟试验装置，研究现状如下：

(1)申请号为201110038852.6的中国专利公开了一种大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置，该装置由若干榀反力台架装置、前可视反力梁、后加载反力梁、拱形动态反力架、液压加载系统、伺服动态加载系统、模型升降平移托车系统等组成，可应用于基坑、边坡及高地应力条件下岩土工程的平面和三维地质力学静态和动态模型试验。

(2)申请号为201120039595.3的中国专利公开了一种超大型岩土工程三维模型试验系统，包括超大型模型试验装置、分别与大型模型试验装置相连的液压加载系统和应变位移测试系统，可满足不同高度试验的要求。模型试验装置安装拆分方便，操作方便，可完成十字交叉型隧洞的大型三维模型试验。

(3)申请号为201110121561.3的中国专利公开了一种充填开采三维模拟试验装置及方法，装置主要由方框形台式试验模型架、仿真充填开采模拟系统、等效加载系统和无线信息采集系统构成；通过充填开采三维模拟试验装置，能真实再现现实条件下模拟综采工作面开采、采空区充填、充填物料压实等具体过程；通过无线信息采集系统能实时监测充填过程中采空区充填体及采煤工作面上覆岩层内的压力、位移的三维变化情况，并利用计算机形象模拟，从而真实的反应充填开采的现场情况。

(4)申请号为200910020538.8的中国专利公开了三维梯度非均匀加载结构模型试验装置，包括台形梯度非均匀加载装置和加载反力装置，该发明通过在模型表面设置的台形梯度加载模块实现地下结构的三维梯度非均匀加载，从而揭示深部地下洞室围岩的非线性变形特征和破坏机理，对指导深部地下工程的设计和施工具有重要意义。

综合分析上述单位的模型试验台架装置系统，还存在以下不足之处：

1.上述试验装置不论大小，模型材料填埋时都要人工拆除部分装置，消耗人工，增加了试验成本和危险性；

2.上述模型试验装置，试验完成后需要人工打开装置、手动移除模型材料，实际操作时繁琐费时，非常不便。

3.上述模型试验装置在试验完成后模型材料的移出需人工完成,费时费力且移出过程中容易破坏模型材料的完整性影响试验结果和后续观测。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种全自动智能装配模型试验装置系统及试验方法，从而为各种地下工程物理模型试验的模拟提供更安全省时高效的试验仪器和操作平台。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种全自动智能装配模型试验装置系统，包括模型反力结构和液压加载控制系统；所述模型反力结构包括位于四周、顶部和底部的反力梁；所述四周和顶部的反力梁和相应的所述液压加载控制系统固定连接，共同构成四周和顶部的反力墙，并对模型施加水平和竖向荷载；其中前反力墙可闭合的与侧反力墙连接，顶部反力梁下设有顶梁升降油缸；所述模型反力结构内设有用以承载模型材料的导力框，所述导力框通过水平拖出油缸与所述模型反力结构固定连接；

通过控制所述顶梁升降油缸实现顶梁的自动升降，通过控制所述水平拖出油缸来带动所述导力框的自动拖出，二者配合工作，进而实现所述模型材料的自动移出。

试验结束后，通过智能控制实现顶梁的自动提升和前反力墙智能开启以及模型托盘将模型材料的移出。在节省劳动力的同时，可以避免试验模型受人工操作的扰动，最大限度保证材料的完整性，保持试验结束时的原始形态，从而更加准确的观测模型材料的破坏形式，得到更加精确的试验结果。

所述导力框的底部设有模型托盘，所述模型托盘的底部设有升降油缸，所述升降油缸的另一端连接滑轮，底部的所述反力梁上，设有与所述滑轮配合工作的导轨。

所述水平拖出油缸置于所述模型托盘的下方，所述水平拖出油缸的一端通过支座与所述模型反力结构连接，所述水平拖出油缸的另一端通过支座与所述模型托盘的底部连接。

所述前反力墙通过智能开启-闭合系统与所述侧反力墙连接；所述智能开启-闭合系统包括固定反力支座，与所述固定反力支座固定连接的水平放置的前墙旋转油缸，连接所述前反力墙和侧反力墙的竖直设置的旋转轴，所述旋转轴固定连接水平设置的联动轴；所述联动轴的一端与所述前反力墙固定连接；所述前墙旋转油缸的传力轴与旋转轴通过齿轮咬合，所述前墙旋转油缸的伸缩带动所述旋转轴的旋转，进而通过所述联动轴带动所述前反力墙的开合。

两面所述侧反力墙上，设有前墙锁定油缸，在所述前反力墙左右两侧的相应位置，设有前墙锁定扣，所述前墙锁定油缸与前墙锁定扣配合工作，实现所述前反力墙与侧反力墙的锁定与自动解锁。

所述液压加载控制系统包括固定于所述模型反力结构上的液压油缸，和与所述液压油缸的端头固定连接的推力板，加载时液压油缸推动与模型接触的所述推力板移动，从而实现对所述模型的水平和竖向地应力的加载。

所述顶梁升降油缸置于所述侧反力墙的顶部，所述侧反力墙顶部的侧壁上，设有水平放置的顶梁锁定油缸，所述顶部反力梁上，设有与所述顶梁锁定油缸配合工作的顶梁锁定孔。

所述侧反力墙的顶部，设有顶部高出所述顶部反力梁的滑动轨道，所述顶部反力梁上，设有配套工作的电车滑轮、与所述电车滑轮连接的电车发动机，和控制所述电车滑轮伸缩的滑轮移动油缸；当所述顶部反力梁升高且所述滑轮移动油缸外伸时，所述电车滑轮沿所述滑动轨道上表面滑动。

当所述电车滑轮到达所述滑动轨道上表面高度时停止上升，所述滑轮移动油缸使所述电车滑轮外伸到滑动轨道上表面，所述电车发动机使所述电车滑轮沿所述滑动轨道移动，实现所述顶部反力梁的自动移出。

所述反力墙由反力梁装配而成，所述顶部反力梁是由若干反力梁装配成的顶梁装配体。

一种全自动智能装配模型试验装置系统的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：将顶梁锁定油缸与顶梁锁定孔解锁，启动顶梁升降油缸将顶部反力梁整体升高，当电车滑轮到达滑动轨道上表面高度时停止上升，启动滑轮移动油缸使电车滑轮外伸到滑动轨道上表面，启动电车发动机，使电车滑轮沿滑动轨道移动，从而实现所述顶部反力梁的移出；

步骤2：把试验材料和相关传感器埋于模型试验装置内并压实，将顶部反力梁按步骤1的逆动作移回原位置；

步骤3：对模型进行加载，监测和采集试验数据；

步骤4：试验结束，启动前墙锁定油缸使前反力墙与左右两个侧反力墙解锁，启动前墙旋转油缸，通过所述前墙旋转油缸的传力轴沿水平方向向外伸出，带动旋转轴的旋转，进而通过联动轴带动所述前反力墙自动打开；

步骤5：启动模型移出系统，通过带滑轮的升降油缸和水平拖出油缸将承载模型材料的导力框沿轨道移出，观察模型材料的变形和破坏情况；

步骤6：将所述导力框移回原位置，将前墙装配体归位，试验完毕。

全自动智能装配模型试验装置系统，主要由模型反力结构、液压加载控制系统、顶梁智能升降-移动系统、前墙智能开启-闭合系统和模型移出系统五部分组成。模型反力结构和液压加载控制系统可实现对模型的应力加载和反力支撑作用，顶梁智能升降-移动系统可实现顶部反力梁与模型反力结构的自动锁定(解锁)、顶梁装配体智能上升(下降)以及前后移动，前墙智能开启-闭合系统可实现前墙反力梁与模型反力结构的自动锁定(解锁)、前梁反力墙装配体的智能开启(闭合)以及模型材料的移出，本装置方便模型的制作填埋以及模型材料的取出，有效降低了试验过程中人工拆装存在的危险性，缩短了试验周期，提高了工作效率，为模型试验的发展提供了更安全、高效、智能的自动化试验装置。

本发明的有益效果是：

1、本发明的顶梁智能升降-移动系统可同时实现模型架顶梁装配体自动解锁、升降、前后滑动，便于模型材料的制作和填埋；

2、本发明的前墙智能开启-闭合系统和模型移出系统可实现前墙装配体的智能开启和模型材料的移出，省时环保；

3、本发明结构简单、操作方便，有效提高了模型试验的完成效率，降低了试验过程中人工作业的危险性。

4、通过智能控制实现以及模型托盘将模型材料的移出。在节省劳动力的同时，可以避免试验模型受人工操作的扰动，最大限度保证材料的完整性，保持试验结束时的原始形态，从而更加准确的观测模型材料的破坏形式，得到更精确完整的试验结果。

附图说明

图1是本发明一个整体结构示意图；

图2是图1中装置顶梁装配体移出、前墙装配体打开模型移出效果图；

图3是图1中顶梁智能升降-移动系统的局部结构示意图；

图4是图1中前墙智能开启-闭合系统的局部结构示意图；

图5是图1中模型移出系统的局部结构示意图；

图6是图1装置的正视图；

图7是图1装置的侧视图。

其中，1模型反力结构，1-1前墙反力梁，1-2前墙锁定扣，1-3后墙反力梁，1-4左右墙反力梁，1-5顶部反力梁，1-6顶梁角支撑，1-7底部反力梁；2液压加载控制系统，2-1液压加载油缸，2-2液压加载推力板；3顶梁智能升降-移动系统，3-1顶梁锁定油缸，3-2顶梁升降油缸，3-3滑轮移动油缸，3-4电车发动机，3-5电车滑轮，3-6滑动轨道；4前墙智能开启-闭合系统，4-1固定反力支座，4-2前墙旋转油缸，4-3传力轴，4-4旋转轴，4-5前墙锁定油缸，4-6联动轴；5模型移出系统，5-1水平拖出油缸支座，5-2水平拖出油缸，5-3模型托盘，5-4导力框，5-5带滑轮的升降油缸，5-6导轨。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

为了更安全快捷和智能地研究和模拟不同地质条件和类型的地下工程工况，需要研制一种全自动智能装配模型试验装置系统。

如图1和图2所示：一种全自动智能装配模型试验装置系统，包括模型反力结构1，液压加载控制系统2，顶梁智能升降-移动系统3，前墙智能开启-闭合系统4，模型移出系统5；

如图2所示：一种全自动智能装配模型试验装置系统的模型反力结构1，主要由前墙反力梁1-1，前墙锁定扣1-2，后墙反力梁1-3，左右墙反力梁1-4，顶部反力梁1-5，顶梁角支撑1-6，底部反力梁1-7组成，各部分均由高强螺栓拼装连接，其中前墙反力梁1-1、前墙锁定扣1-2与液压加载控制系统2组成前墙装配体，后墙反力梁1-3与液压加载控制系统2组成后墙装配体，左右墙反力梁1-4与液压加载控制系统1组成左右墙装配体，顶部反力梁1-5和顶梁角支撑1-6与液压加载控制系统2组成顶梁装配体；

如图2所示：一种全自动智能装配模型试验装置系统的液压加载控制系统2，主要由液压加载油缸2-1和液压加载推力板2-2组成，液压加载油缸2-1带有法兰盘由高强螺栓固定在模型反力结构1上，起到液压加载模拟水平和竖直方向地应力的作用；

如图3所示：一种全自动智能装配模型试验装置系统的顶梁智能升降-移动系统3，包括顶梁锁定油缸3-1，顶梁升降油缸3-2，滑轮移动油缸3-3，电车发动机3-4，电车滑轮3-5，滑动轨道3-6，其中顶梁锁定油缸3-1与顶梁角支撑1-6连接锁定，系统工作时顶梁锁定油缸3-1解锁，顶梁升降油缸3-2使顶梁智能升降-移动系统3上升，待电车滑轮3-5高度与滑动轨道3-6的上表面平齐时滑轮移动油缸3-3推动电车滑轮3-5向外伸出，最终实现由电车发动机3-4带动系统沿轨道移动；

如图4所示：一种全自动智能装配模型试验装置系统的前墙智能开启-闭合系统4，由固定反力支座4-1，前墙旋转油缸4-2，传力轴4-3，旋转轴4-4，前墙锁定油缸4-5，联动轴4-6组成，其前墙锁定油缸4-5一端固定于左右墙反力梁1-4，一端与前墙锁定扣1-2锁定，固定反力支座4-1由高强螺栓固定于试验室地面，前墙旋转油缸4-2一端固定在固定反力支座4-1上，一端含有传力轴4-3，旋转轴4-4底部带有旋转齿轮与传力轴4-3咬合并与前墙反力架梁2-1通过联动轴4-6连接，系统工作时，前墙锁定油缸4-5与前墙锁定扣1-2解锁，由前墙旋转油缸4-2带动传力轴4-3伸缩，进而带动旋转轴4-4旋转，最终前墙装配体通过联动轴4-6完成旋转功能；

如图5所示：一种全自动智能装配模型试验装置系统的模型移出系统5，由水平拖出油缸支座5-1，水平拖出油缸5-2，模型托盘5-3，导力框5-4，带滑轮的升降油缸5-5，导轨5-6组成，其水平拖出油缸5-2通过水平拖出油缸支座5-1尾部固定于后墙反力梁1-3底部，头部固定在模型托盘5-3底面，系统工作时由带滑轮的升降油缸5-5将模型顶起，进而使水平拖出油缸5-2带动模型沿导轨5-6移出。

一种全自动智能装配模型试验装置系统的试验方法，包括三个阶段，第一阶段为模型材料的制作填埋；第二阶段为模型加载、开挖测试；第三阶段为试验后模型移出。

具体试验步骤如下：

1)将顶梁锁定油缸与顶梁角支撑解锁，启动顶梁升降油缸将顶梁装配体整体升高，当电车滑轮到达滑动轨道上表面高度时停止上升；

2)启动滑轮移动油缸使电车滑轮外伸到滑动轨道上表面；

3)启动电车发动机，使电车滑轮沿滑动轨道移动，从而实现顶梁装配体的移出；

4)把试验材料和相关传感器埋于模型加载反力装置内并压实；

5)将顶梁装配体按步骤1-3的逆动作移回原位置；

6)对模型进行加载，监测和采集试验数据；

7)试验结束，启动前墙锁定油缸使前墙与左右墙解锁；

8)启动前墙旋转油缸，通过油缸的传力轴沿轴方向向外伸出，带动旋转轴的旋转，旋转轴进而带动联动轴旋转最终实现前墙装配体的自动打开；

9)启动模型移出系统，通过带滑轮的升降油缸和水平拖出油缸将模型材料沿轨道移出，观察模型材料的变形和破坏情况；

10)将模型移出系统移回原位置，将前墙装配体归位，试验完毕。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种全自动智能装配模型试验装置系统，其特征在于：包括模型反力结构和液压加载控制系统；所述模型反力结构包括位于四周、顶部和底部的反力梁；所述四周和顶部的反力梁和相应的所述液压加载控制系统固定连接，共同构成四周和顶部的反力墙，并对模型施加水平和竖向荷载；其中前反力墙可闭合的与侧反力墙连接，顶部反力梁下设有顶梁升降油缸；所述模型反力结构内设有用以承载模型材料的导力框，所述导力框通过水平拖出油缸与所述模型反力结构固定连接；

通过控制所述顶梁升降油缸实现顶梁的自动升降，通过控制所述水平拖出油缸来带动所述导力框的自动拖出，二者配合工作，进而实现所述模型材料的自动移出。

2.根据权利要求1所述的一种全自动智能装配模型试验装置系统，其特征在于：所述导力框的底部设有模型托盘，所述模型托盘的底部设有升降油缸，所述升降油缸的另一端连接滑轮，底部的所述反力梁上，设有与所述滑轮配合工作的导轨。

3.根据权利要求2所述的一种全自动智能装配模型试验装置系统，其特征在于：所述水平拖出油缸置于所述模型托盘的下方，所述水平拖出油缸的一端通过支座与所述模型反力结构连接，所述水平拖出油缸的另一端通过支座与所述模型托盘的底部连接。

4.根据权利要求1所述的一种全自动智能装配模型试验装置系统，其特征在于：所述前反力墙通过智能开启-闭合系统与所述侧反力墙连接；所述智能开启-闭合系统包括固定反力支座，与所述固定反力支座固定连接的水平放置的前墙旋转油缸，连接所述前反力墙和侧反力墙的竖直设置的旋转轴，所述旋转轴固定连接水平设置的联动轴；所述联动轴的一端与所述前反力墙固定连接；所述前墙旋转油缸的传力轴与旋转轴通过齿轮咬合，所述前墙旋转油缸的伸缩带动所述旋转轴的旋转，进而通过所述联动轴带动所述前反力墙的开合。

5.根据权利要求1所述的一种全自动智能装配模型试验装置系统，其特征在于：两面所述侧反力墙上，设有前墙锁定油缸，在所述前反力墙左右两侧的相应位置，设有前墙锁定扣，所述前墙锁定油缸与前墙锁定扣配合工作，实现所述前反力墙与侧反力墙的锁定与自动解锁。

6.根据权利要求1所述的一种全自动智能装配模型试验装置系统，其特征在于：所述液压加载控制系统包括固定于所述模型反力结构上的液压油缸，和与所述液压油缸的端头固定连接的推力板，加载时液压油缸推动与模型接触的所述推力板移动，从而实现对所述模型的水平和竖向地应力的加载。

7.根据权利要求1所述的一种全自动智能装配模型试验装置系统，其特征在于：所述顶梁升降油缸置于所述侧反力墙的顶部，所述侧反力墙顶部的侧壁上，设有水平放置的顶梁锁定油缸，所述顶部反力梁上，设有与所述顶梁锁定油缸配合工作的顶梁锁定孔。

8.根据权利要求7所述的一种全自动智能装配模型试验装置系统，其特征在于：所述侧反力墙的顶部，设有顶部高出所述顶部反力梁的滑动轨道，所述顶部反力梁上，设有配套工作的电车滑轮、与所述电车滑轮连接的电车发动机，和控制所述电车滑轮伸缩的滑轮移动油缸；当所述顶部反力梁升高且所述滑轮移动油缸外伸时，所述电车滑轮沿所述滑动轨道上表面滑动。

9.根据权利要求1所述的一种全自动智能装配模型试验装置系统，其特征在于：所述反力墙由反力梁装配而成，所述顶部反力梁是由若干反力梁装配成的顶梁装配体。

10.一种全自动智能装配模型试验装置系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将顶梁锁定油缸与顶梁锁定孔解锁，启动顶梁升降油缸将顶部反力梁整体升高，当电车滑轮到达滑动轨道上表面高度时停止上升，启动滑轮移动油缸使电车滑轮外伸到滑动轨道上表面，启动电车发动机，使电车滑轮沿滑动轨道移动，从而实现所述顶部反力梁的移出；

步骤2：把试验材料和相关传感器埋于模型试验装置内并压实，将顶部反力梁按所述步骤1的逆动作移回原位置；

步骤3：对模型进行加载，监测和采集试验数据；

步骤4：试验结束，启动前墙锁定油缸使前反力墙与左右两个侧反力墙解锁，启动前墙旋转油缸，通过所述前墙旋转油缸的传力轴沿水平方向向外伸出，带动旋转轴的旋转，进而通过联动轴带动所述前反力墙自动打开；

步骤5：启动模型移出系统，通过带滑轮的升降油缸和水平拖出油缸将承载模型材料的导力框沿轨道移出，观察模型材料的变形和破坏情况；

步骤6：将所述导力框移回原位置，将前墙装配体归位，试验完毕。