CN110618005B - 用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置及制备方法，属于矿业工程领域。该制备装置包括模具、模具紧固机构、压力机构、试件升降机构、压力感应机构、支撑架及底座，压力机构包括手轮、滚珠丝杆、上压头及下压头，滚珠丝杆穿过上横梁的中部，其上端与手轮连接，其下端与上压头连接，下压头靠近模具的底部，在下压头与底座之间设置有弹簧和试件升降机构。本发明将下压头放置在弹簧上，试件平衡时由于弹簧弹力使下压头同时可以给予试件相同的向上的压力，使得试件在制备时可以对试件施加上下双向均匀的压力，使得试件按压更加密实整体密度更加均匀。本发明制备装置极大地提高了实验效率，减少了实验误差和工作量。

Description

用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置及制备方法

技术领域

本发明属于矿业工程领域，具体涉及一种相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置及方法。

背景技术

随着近年来采矿工程、隧道工程的快速发展，理论技术的不断进步，越来越多的项目研究转向对岩石性质及应变特征的研究，相似模拟实验随着实验技术的不断进步以及具有直观性和全场逐点给出有关参数和结论的优点，成为研究此类问题越来越重要的手段。而相似模拟实验中相似材料的选择是关键性的一步，这就需要通过大量圆柱试件的制作与实验来选出满足需求的相似模拟材料，若所制备试件压密不实、不均匀易造成材料实验结果不准确，从而对相似材料实验造成影响，所以相似模拟圆柱标准试件的制备及相关装置就显得尤为重要。

但是，目前大多数实验的试件制备装置及方法为：向有若干个圆钢片组成的圆柱模具中倒入材料，放上圆柱形压头通过人工按压的方式使试件成型。

现有的技术的相关研究报道主要有：

申请号201811503390.9公开了一种岩土实验圆柱试件制备装置，该装置通过杠杆压实装置，克服了传统捣锤敲击压实人力消耗大、制备效率低等特点，但是该装置存在单方向人工按压试件，易产生试件压实不均匀和无法控制施加压力的大小等问题；

申请号201810155999.5公开了实验室标准试件制作与脱模一体装置及其操作方法，该装置通过液压缸加压对试件进行压实，在通过推板将试件从模具中推出进行脱模，改善了试件由于压力不同造成的试件压密不均匀的问题，但该装置无法根据试件实际情况改变压力大小，以及上下两方向对试件均匀压实，且该专利脱模过程中，试件的下落也会对试件造成不同程度的损伤。

综上所述，现有技术中的这些装置在制备试件过程中大多采用按压捶打、人工按压及液压加压的方法压实试件，这些方法均为单向加压装置，极易造成试件压实不均匀、上实下松等问题。同时，采用液压加压的方式时，无法在试件加压时进行精密操作，以及最后试件脱模工作也存在脱模过程中试件损伤的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置及制备方法，该制备装置可实现试件配置时上下双向均匀加压，使制备的试件均匀密实；同时，本发明制备方法也可实现制备试件高度相同、压力实时监测及调节、试件容易脱模等多项功能，极大地提高了实验的效率，减少实验误差和工作量。

本发明的任务之一在于提供一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置，其采用了以下技术方案：

一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置，其包括模具、模具紧固机构、压力机构、试件升降机构、压力感应机构、支撑架及底座，所述的模具为内部中空的圆柱形筒体，其用于制备相似模拟材料圆柱标准试件；

所述的支撑架包括上横梁、底板及支撑杆，所述的上横梁和底板平行设置，所述的支撑杆的两端分别连接在所述的上横梁和所述的底板上，所述的模具位于所述的支撑架内部，且所述的模具与所述的底板之间设置有底座，所述的模具卡接在所述的底座内；

所述的模具紧固机构用于对所述的模具进行紧固；

所述的压力机构包括手轮、滚珠丝杆、上压头及下压头，所述的滚珠丝杆穿过所述的上横梁的中部，其上端与所述的手轮连接，其下端与所述的上压头连接，所述的下压头靠近所述模具的底部，在所述的下压头与所述的底座之间形成一腔体，在所述腔体的中部设置有弹簧，在所述的弹簧的两端设置所述试件升降机构，所述的试件升降机构通过上升/下降来达到对相似模拟材料圆柱标准试件的高度的控制，在所述的底座中设置所述压力感应机构，通过所述压力感应机构感应所述弹簧受到的压力。

上述技术方案直接带来的有益技术效果为：

通过转动手轮带动滚珠丝杆使上压头下压给试件施加压力，可以更有效地控制对试件的压力，并且通过手轮细微的转动带动压头轻微移动，可以实时的改变对试件压力的大小，使得试件制作更加精准，设置滚珠丝杆装置增大了加压装置的灵敏性，减小摩损，使装置使用寿命更长。

弹簧优选为高强度弹簧，使得在大压力情况下弹簧变形较小，防止弹簧变形较大使下压头触碰到支撑杆，造成实验影响。下压头放置在弹簧上，试件平衡时由于弹簧弹力使下压头同时可以给予试件相同的向上的压力，使得试件在制备时可以对试件施加上下双向均匀的压力，使得试件按压更加密实整体密度更加均匀。

模具与底座卡接在一起，如优选在底座内设置为一圆柱形卡槽，与模具相契合，设置模具紧固机构，通过紧固机构的紧固螺栓正反旋转达到松开或收紧模具的目的，通过卡槽与模具紧固机构的共同作用，可以使模具在试件制作过程中不发生移动，试件压实过程不发生变形，使制作的试件为标准试件。

作为本发明的一个优选方案，上述的模具是由两块钢块拼接而成，两块钢块的端面均呈半圆形，二者对接形成内部中空的圆柱形筒体。

作为本发明的另一个优选方案，上述模具的高度为130mm，内径为50mm，外径为60mm，壁厚10mm。

进一步优选，上述的上横梁的中部设置有用于限制上述滚珠丝杆的上下运动的滚珠丝杆限位器。

进一步优选，上述的试件升降机构包括电动升降杆，电动升降杆的顶端为上述的下压头，底端位于上述的底座上，上述的电动升降杆连接有显示调节器，上述的显示调节器位于上述支撑架的外面。进一步优选，在底座与下压头之间设置两个微型电动升降杆，可以伸长和收缩，电动升降杆通过导线与显示调节器连接，显示调节器上设置控制升降的按钮，并设置一个开关A，可使升降杆升至固定高度，从而使试件在模具中的长度为100mm，并将试件多出模具的部分刮除，以达到制备试件高度相同的目的。

上述技术方案中，设置试件升降机构有两个作用，一是当试件初步成型时，抬升试件至指定高度，将试件多出的部分移除，可以使制备的试件高度相同；二是在试件最终成型后，可通过升降杆伸长使试件平稳脱离模具，并且不断抬升将试件从模具中推出，避免人工拆卸对试件表面造成的损伤，同时减少人工拆卸模具的劳动量。

进一步优选，上述的压力感应机构为压力传感器，上述的压力传感器与上述的显示调节器连接，通过显示调节器来显示弹簧的压力大小。

上述技术方案中，通过设置压力感应器和显示调节器，可以实时监测对试件施加的压力，从而通过手轮旋转及时调节对试件的压力，从而使试件制备压力达到合适的大小，而且做大量试件时，可以控制压力因素对试件的影响。

进一步的，上述的支撑杆为圆柱形，上述的底座为圆柱体。

进一步的，上述的模具紧固机构包括圆形钢圈，上述圆形钢圈的内径为62mm，外径为65mm，壁厚为3mm，宽度为30mm。

进一步的，位于一侧的支撑杆与上横梁连接处通过插销连接。

本发明的另一任务在于提供一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备方法，其采用了上述的一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置，其依次包括以下步骤：

a、依据实验研究要求及实际地质条件，选择合适的相似模拟材料，清洁模具，模具内部及上下压头表面涂抹一层润滑油，将模具放置到底座的卡槽内，调节模具紧固机构，紧固模具；

b、打开支撑架一侧的插梢，将压力机构中的加压单元沿另一侧支撑杆转动至一定角度，称量所需质量的材料，倒入模具中，在将加压单元转回原处，插上插梢并固定加压单元；

c、将显示调节器通电，转动手轮使下压头不断下降，接触模具中的材料后，继续转动施加压力，同时观测显示调节器压力示数；

d、当显示器示数达到要求时，停止转动手轮，回转手轮，抬升上压头至最高处，打开显示调节器上的按钮，通过控制试件升降机构使试件抬升至指定高度，将试件多出模具的部分刮除；

e、将试件升降机构的电动升降杆下降到底，继续转动手轮使下压头继续按压试件至需要的压力，稳定一段时间后，待试件成型，回转手轮，提升上压头；

f、调节模具紧固机构，松开模具，打开电动升降杆开关抬升试件，当试件完全露出时，从侧面取出试件，放置到指定位置进行养护。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

(1)本发明用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置中，通过转动手轮使上压头向下加压，以及下压头下的弹簧的反力，可以给试件施加上下双向压力使试件整体压实更加均匀。同时通过压力传感器，实时监测试件所受压力，可以减少大量试件制备过程中由于所施加的压力的变化对试件密度的影响，从而减少对最终模拟实验的影响。通过支撑杆实现试件高度的控制可实现试件的自动脱模，避免了人工脱模造成的试件损伤。

(2)本发明通过上压头及高强弹簧共同作用，实现试件配置时上下双向均匀加压，使制备的试件均匀密实，同时，本发明也可实现制备试件高度相同、压力实时监测及调节、试件脱模等多项功能。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置的剖面图；

图2为本发明制备装置剖面图B框的放大图

图3为本发明制备装置的A-A处俯视图；

图4为本发明制备装置添加材料时的A-A处俯视图；

图中：

1-手轮；2-滚珠丝杆；3-上横梁；4-支撑杆；5-模具；6-下压头；7-电动升降杆；8-卡槽；9-底座；10-底板；11-压力传感器；12-上压头；13-显示调节器；14-滚珠丝杆限制器；15-插梢；16微型电动机；17-弹簧；18-模具紧固机构。

具体实施方式

本发明公开了一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置及制备方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

如图1所示，本发明一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置，包括模具5、模具紧固机构18、压力机构、试件升降机构、压力感应机构、支撑架及底座9。

结合图2-图4所述，上述的模具5为内部中空的圆柱形筒体，其用于制备相似模拟材料圆柱标准试件，模具5为中空的圆柱形筒体，由两块端面为半圆形的钢块拼接而成，模具5高度为130mm，内径为50mm，外径为60mm，壁厚10mm(标准试件高度为100mm，直径为50mm)。

用于对模具5进行紧固的模具紧固机构18，其包括一圆形钢圈，圆形钢圈内径为62mm，外径为65mm，壁厚为3mm，宽度为30mm。模具紧固机构18侧面中间平均分布4个紧固螺栓，紧固螺栓通过正反旋转，以达到松开或收紧模具5的目的。

上述的底座9优选为圆柱体，在其中间位置设置有圆柱形卡槽8，该卡槽8的形状及大小与模具相配合，以与模具卡接在一起，如卡槽8内径为50mm，外径为60mm，与模具5内外径相一致，高度为3mm，模具5通过卡槽8固定在底座9上。

上述的支撑架，包括上横梁3、底板10及支撑杆4，上横梁3和底板10平行设置，支撑杆4的两端分别连接在上横梁3和底板10上，上述的模具5位于支撑架内部，且底座位于模具与底板之间。

作为本发明的一个主要改进点，压力机构包括手轮1、滚珠丝杆2、上压头12及下压头6，滚珠丝杆穿过上横梁的中部，其上端与手轮1连接，其下端与上压头12连接，下压头6靠近模具的底部，在下压头与底座之间形成一腔体，在所述腔体的中部设置有弹簧17，弹簧17优选为高强度弹簧，弹簧优选为高强度弹簧，使得在大压力情况下弹簧变形较小，防止弹簧变形较大使下压头触碰到支撑杆，造成实验影响。下压头放置在弹簧上，试件平衡时由于弹簧弹力使下压头同时可以给予试件相同的向上的压力，使得试件在制备时可以对试件施加上下双向均匀的压力，使得试件按压更加密实整体密度更加均匀。

上述的压力机构中，主要通过手轮、滚珠丝杆和上压头组成加压的单元对其施加压力。

作为本发明的另一个主要改进点，在弹簧17的两端设置试件升降机构。试件升降机构通过上升/下降来达到对相似模拟材料圆柱标准试件的高度的控制。试件升降机构包括电动升降杆7，电动升降杆7的顶端为下压头6，底端位于上述的底座上，上述的电动升降杆连接有显示调节器13，显示调节器位于支撑架的外面。

在底座与下压头之间设置两个微型电动升降杆，可以伸长和收缩，电动升降杆通过导线与显示调节器13连接，显示调节器13上设置控制升降的按钮，并设置一个开关A，可使电动升降杆升至固定高度，从而使试件在模具中的长度为100mm，并将试件多出模具的部分刮除，以达到制备试件高度相同的目的。

在电动升降杆7的下方设置微型电动机16，通过微型电动机16来带动电动升降杆7的上升与下降。

在底座中设置压力传感器11，通过压力传感器11来感应弹簧受到的压力，压力传感器11通过导线与显示调节器13连接，显示调节器上13设置显示器和多个按钮，一方面可以显示试件压力大小，另一方面，设置多个按钮控制电动升降杆。

上述的上横梁的中部设置有用于限制上述滚珠丝杆的上下运动的滚珠丝杆限位器14，位于一侧的支撑杆与上横梁连接处通过插销15连接。

下面对本发明一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备方法做详细说明，其采用上述制备装置，具体步骤如下：

步骤1、依据实验研究要求及实际地质条件，选择合适的相似模拟材料，清洁模具，模具内部及上下压头表面涂抹一层润滑油，将模具放置到卡槽内，调节模具紧固机构，紧固模具；

步骤2、打开装置一侧的插梢，将加压单元沿另一侧支撑杆转动至一定角度，称量所需质量的材料，倒入模具中，在将加压单元转回原处，插上插梢，固定加压单元。

步骤3、将显示调节器通电，转动手轮使下压头不断下降，接触模具中的材料后，继续转动施加压力，同时观测显示调节器压力示数；

步骤4、当显示调节器示数达到要求时，停止转动手轮，回转手轮，抬升上压头至最高处，打开显示调节器上的按钮A，升降杆升高使试件抬升至指定高度，将试件多出模具的部分刮除；

步骤5、将电动升降杆下降到底，继续转动手轮使下压头继续按压试件至需要的压力，稳定一段时间后，待试件成型，回转手轮，提升上压头；

步骤6、调节模具紧固机构，松开模具，打开升降杆开关抬升试件，当试件完全露出时，从侧面取出试件，放置到指定位置进行养护。

本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

需要说明的是：在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置，其包括模具、模具紧固机构、压力机构、试件升降机构、压力感应机构、支撑架及底座，所述的模具为内部中空的圆柱形筒体，其用于制备相似模拟材料圆柱标准试件，其特征在于：

所述的支撑架包括上横梁、底板及支撑杆，所述的上横梁和底板平行设置，所述的支撑杆的两端分别连接在所述的上横梁和所述的底板上，所述的模具位于所述的支撑架内部，且所述的模具与所述的底板之间设置有底座，所述的模具卡接在所述的底座内；

所述的模具紧固机构用于对所述的模具进行紧固；

所述的压力机构包括手轮、滚珠丝杆、上压头及下压头，所述的滚珠丝杆穿过所述的上横梁的中部，其上端与所述的手轮连接，其下端与所述的上压头连接，所述的下压头靠近所述模具的底部，在所述的下压头与所述的底座之间形成一腔体，在所述腔体的中部设置有弹簧，在所述的弹簧的两端设置所述试件升降机构，所述的试件升降机构通过上升/下降来达到对相似模拟材料圆柱标准试件的高度的控制，在所述的底座中设置所述压力感应机构，通过所述压力感应机构感应所述弹簧受到的压力；

所述的模具是由两块钢块拼接而成，两块钢块的端面均呈半圆形，二者对接形成内部中空的圆柱形筒体；

所述的模具紧固机构包括圆形钢圈，所述圆形钢圈的内径为62mm，外径为65mm，壁厚为3mm，宽度为30mm；圆形钢圈的侧面中间平均分布4个紧固螺栓；

所述的试件升降机构包括电动升降杆，电动升降杆的顶端为所述的下压头，底端位于所述的底座上，所述的电动升降杆连接有显示调节器，所述的显示调节器位于所述支撑架的外面；

位于一侧的支撑杆与上横梁连接处通过插销连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置，其特征在于：所述模具的高度为130mm，内径为50mm，外径为60mm，壁厚10mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置，其特征在于：所述的上横梁的中部设置有用于限制所述滚珠丝杆的上下运动的滚珠丝杆限位器。

4.根据权利要求1所述的一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置，其特征在于：所述的压力感应机构为压力传感器，所述的压力传感器与所述的显示调节器连接，通过显示调节器来显示弹簧的压力大小。

5.根据权利要求1所述的一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置，其特征在于：所述的支撑杆为圆柱形，所述的底座为圆柱体。

6.一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备方法，其特征在于，其采用权利要求1-5任一项所述的一种用于相似模拟材料圆柱标准试件的制备装置，所述的制备方法依次包括以下步骤：

a、依据实验研究要求及实际地质条件，选择合适的相似模拟材料，清洁模具，模具内部及上下压头表面涂抹一层润滑油，将模具放置到底座的卡槽内，调节模具紧固机构，紧固模具；

b、打开支撑架一侧的插梢，将压力机构中的加压单元沿另一侧支撑杆转动至一定角度，称量所需质量的材料，倒入模具中，在将加压单元转回原处，插上插梢并固定加压单元；

c、将显示调节器通电，转动手轮使下压头不断下降，接触模具中的材料后，继续转动施加压力，同时观测显示调节器压力示数；

d、当显示器示数达到要求时，停止转动手轮，回转手轮，抬升上压头至最高处，打开显示调节器上的按钮，通过控制试件升降机构使试件抬升至指定高度，将试件多出模具的部分刮除；

e、将试件升降机构的电动升降杆下降到底，继续转动手轮使下压头继续按压试件至需要的压力，稳定一段时间后，待试件成型，回转手轮，提升上压头；

f、调节模具紧固机构，松开模具，打开电动升降杆开关抬升试件，当试件完全露出时，从侧面取出试件，放置到指定位置进行养护。

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