CN110887711A - 一种自动化相似模拟实验台 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提出一种自动化相似模拟实验台，支撑架分为底座和架体两个部分，护帮板安设于支撑架的架体的外侧表面，护帮板与支撑架通过固紧螺丝进行旋紧固定，压锤升降机搭载于支撑架的架体的上方，压锤的锤柄夹持于压锤升降机的固定孔位中，给料器安设于压锤升降机的正上方，自降式搅拌机放置于所述原料仓的正下方，原料仓与控制中心通过导线相连，最终通过自动化技术与数控流水线技术相结合，合理规划岩体工程试验中相似模拟实验材料制备时的给料比例、添加顺序、铺层厚度、铺层密实程度，达到制备出实验室尺度下可用的岩体工程试验相似模拟模型的目的。

Description

一种自动化相似模拟实验台

技术领域

本发明涉及岩体工程试验与自动化技术、数控流水线技术相结合领域，尤其涉及一种自动化相似模拟实验台。

背景技术

相似模拟是一种重要的科学研究手段，是在实验室内按相似原理制作与原型相似的模型，借助测试仪表观测模型内力学参数及其分布规律，利用在模型上研究的结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的规律，从而解决岩体工程生产中的实际问题，这种研究方法具有直观、简便、经济、快速以及实验周期短等优点。相似模拟能够根据需要，通过固定某些参数，改变另一些参数来研究巷（隧）道围岩应力和采矿工作面附近支撑压力在空间与时间上的分布规律和变化情况以及某些参数对岩体压力的影响，这在现场条件下通常是难以实现的。

以相似模拟手段为主施行的相似模拟实验是科学实验的一种，它是人们探索和认识地压规律的途径之一，通常被用来研究采场和巷道的某些地压问题，例如估计地压大小，顶底板相对位移，冒落拱形状和大小，支架对地压的影响，地下开采对地表的影响，以及影响地压的各种因素。

在制备实验室尺度下可用的岩体工程试验相似模拟模型的过程中，通常需要多人配合进行模型原料的搬运、配比、搅拌、倾倒、手工夯实、手工分层等过程，费时费力，安全性不高，用时相对较长，且人为因素对模型制备状况良好与否的影响较大，针对上述不足，迫切需要提出一种自动化相似模拟实验台，实现相似模拟模型的自动化制备。

发明内容

本发明实施例的目的在于提出一种自动化相似模拟实验台，通过自动化技术与数控流水线技术相结合，合理规划岩体工程试验中相似模拟实验材料制备时的给料比例、添加顺序、铺层厚度、铺层密实程度，达到制备出实验室尺度下可用的岩体工程试验相似模拟模型的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种自动化相似模拟实验台，包括有支撑架、护帮板、固紧螺丝、压锤、压锤升降机、给料器、自降式搅拌机、原料仓和控制中心，支撑架分为底座和架体两个部分，护帮板安设于支撑架的架体的外侧表面，护帮板与支撑架通过固紧螺丝进行旋紧固定，压锤升降机搭载于支撑架的架体的上方，压锤的锤柄夹持于压锤升降机的固定孔位中，给料器安设于压锤升降机的正上方，自降式搅拌机放置于所述原料仓的正下方，原料仓与控制中心通过导线相连。

优选地，支撑架的底座稳固，当护帮板通过固紧螺丝安设于支撑架的架体的外侧表面时，支撑架不发生倾倒；当护帮板安设完好后，相似模拟材料不从各个相接的护帮板之间的缝隙漏出。

优选地，压锤的材质为碳素钢；压锤由锤柄和锤头两部分组成，锤柄的下表面焊接于锤头的上表面；压锤的内部设置有注料孔，注料孔贯穿于锤柄与锤头的内部；压锤的数量为10个，10个压锤的尺寸完全一致。

优选地，压锤升降机的机身开设有10个固定孔位，10个固定孔位均可对压锤的锤柄进行夹持；压锤升降机的机身一侧搭载有数控传动电机，数控传动电机可通过固定孔位对压锤的升降进行控制，当数控传动电机逆时针转动时，固定孔位通过释放压锤的锤柄使锤头下降，当数控传动电机顺时针转动时，固定孔位通过夹持与提升压锤的锤柄使锤头上升；通过对数控传动电机内部预设的程序进行编程可以对压锤的升降高度与升降频率进行控制。

优选地，给料器由给料槽、出料口、数控截止阀、铺料器、云母添加器五个部分组成；给料槽用于容纳相似模拟材料；出料口开设于所述给料器的下方，出料口的数量为10个，尺寸完全一致，10个出料口与10个压锤的注料孔的位置一一对应；数控截止阀的数量为10个，均安设于出料口处，可以控制相似模拟材料的出料量；铺料器搭载于所述给料器的两端，通过调角转轴可对铺料器的收缩进行控制，铺料器可将松散的堆状相似模拟材料平铺成层状；云母添加器搭载于所述给料器的外侧表面，可沿给料槽进行往复运动。

优选地，自降式搅拌机由搅拌机、调角器、双伸缩支撑杆、承重底座和可固定滚轮五个部分组成；搅拌机可根据调角器预设的角度倾倒相似模拟材料；双伸缩支撑杆用以升降搅拌机；承重底座用以保持搅拌机在升降过程中不发生倒滑；可固定滚轮可进行固定，当固定时，自降式搅拌机不发生滑移。

优选地，原料仓由储料仓室、原料供给管和数控截止阀组成；原料供给管的管口朝向正下方；数控截止阀安设于原料供给管上，用以控制原料的出料量。

与相关装置相比，本发明具有如下优点：（1）本发明述及的自动化相似模拟实验台，具有数控系统、原料配比系统、搅拌机自走系统、运输提升系统、相似模拟材料预设铺层系统、辅助料添加系统、相似模拟材料给料系统，压锤升降系统、相似模拟材料堆放储集系统等，设计合理，安装简单；（2）数控系统独有的流水线式相似模拟材料制备流程工艺可以最大程度的实现少人化、智能化，极大减少人为因素对相似模拟材料制备过程的不利影响；（3）压锤内部设置的注料孔，有力地解决了如何使相似模拟材料从给料器进入支撑架与护帮板形成的相似模拟材料容料腔体的问题；（4）压锤升降机的数控传动电机可以控制压锤按照预设程序对相似模拟材料铺层进行不同程度的压实；（5）给料器的数控截止阀与铺料器可以使相似模拟材料按照预设编程程序进行不同厚度的铺层与堆叠，制备出与岩体工程试验要求一致的相似模拟材料成品；（6）云母添加器沿给料槽进行往复运动，可以实现相似模拟材料铺层的有效分层；（7）自降式搅拌机的搅拌机可以使原材料进行充分混合，制备得出高质量相似模拟材料铺层，调角器可以使搅拌机倾倒相似模拟材料时的角度保持合理，材料不发生喷溅与溢出，双伸缩支撑杆可以保证搅拌机顺利进行升降运输，承重底座和可固定滚轮可以保证搅拌机在倾倒相似模拟材料时不发生侧翻；（8）整体装置操作过程简单，平台搭设小巧方便。

附图说明

图1为本发明实施例的自动化相似模拟实验台的工作示意图。

图2为本发明实施例的自动化相似模拟实验台组成部分中压锤的立体结构示意图。

图3为本发明实施例的自动化相似模拟实验台组成部分中压锤升降机的立体结构示意图。

图4为本发明实施例的自动化相似模拟实验台组成部分中给料器的立体结构示意图。

图5为本发明实施例的自动化相似模拟实验台组成部分中自降式搅拌机的立体结构示意图。

图中：1—支撑架；2—护帮板；3—固紧螺丝；4—锤头；5—压锤；6—压锤升降机；7—数控传动电机；8—给料槽；9—出料口；10—数控截止阀；11—调角转轴；12—铺料器；13—云母添加器；14—承重底座；15—可固定滚轮；16—双伸缩支撑杆；17—搅拌机；18—调角器；19—原料仓；20—原料供给管；21—数控截止阀；22—导线；23—控制中心。

具体实施方式

下面对本发明做进一步描述，但本发明的保护范围并不局限于以下所描述具体实施方式的范围：结合图1、图2、图3、图4和图5所示，展示了一种自动化相似模拟实验台，具体操作过程如下。

①相似模拟材料铺层层厚及类型确定阶段：相似模拟材料铺层的需求方根据岩体工程实际情况确定出实验室尺度下的相似模拟材料进行铺层时所需的各层层厚、倾角、类型，确定出岩层、煤层相似模型的制备顺序，报备至操作员处，进行下一步骤。

②原材料准备、添加阶段：操作员根据确定的相似模拟材料铺层的层厚、类型，在控制中心23中输入当前铺层所需原材料的数量、体积、配比比例，为了制备出质量较高的相似模拟材料铺层，原材料主要包含有骨料（河砂、石英砂、铁砂等）、胶结物（石膏、水泥、石灰、高岭土、碳酸钙等）、水和墨汁等，原料添加需求信息通过导线22传达至原料仓19，原料仓19开始进行配料，原料通过原料供给管20加入搅拌机17中，数控截止阀21对原材料配比比例与添加量进行控制，当各类原材料添加完毕后，进行下一步骤；值得注意的是，相似模型根据岩体工程实际情况的不同，存在诸多分层，所以在添加所需原材料时，必须按照铺层的顺序自下而上逐层添加，进行逐层制备。

③相似模拟材料制备阶段：开启搅拌机17，对添加入搅拌机17缸筒内的原材料进行充分混合，当制备得出混合完好、块体均匀、无结块的相似模拟材料时，进行下一步骤。

④自降式搅拌机加料阶段：承重底座14下方的可固定滚轮15解除固定状态，运移至支撑架1的右侧，可固定滚轮15重新固定，双伸缩支撑杆16伸长，抬升搅拌机17至给料器的给料槽8的右上方，搅拌机17根据调角器18预设的角度向给料槽8中倾倒相似模拟材料，当搅拌机17将缸筒内部的相似模拟材料倾倒完毕后，可固定滚轮15解除固定状态，重新运移至原料仓19的下方并固定，进入下一步骤。

⑤层厚调整与给料器出料阶段：通过调角转轴11控制铺料器12，将给料槽8中的堆状相似模拟材料按照预设层厚起伏要求铺平，开启数控截止阀10，相似模拟材料开始从出料口9出料，途径压锤5的注料孔落入支撑架1与护帮板2形成的相似模拟材料容料腔体中，当相似模拟材料完全从给料槽8中滴落完毕后，关闭数控截止阀10，操作员核查固紧螺丝3旋紧状态是否稳固，保证相似模拟材料不从各个相接的护帮板2之间的缝隙漏出，进行下一步骤。

⑥相似模拟材料铺层压密阶段：压锤升降机6通过数控传动电机7抬升压锤5的锤柄，带动锤头4提升，通过数控传动电机7释放压锤5的锤柄，使锤头4下落，对松散的相似模拟材料铺层进行撞击，重复上述锤头4的提升与下落过程，对相似模拟材料铺层进行压密，完后进行下一步骤。

⑦相似模拟材料分层阶段：开启云母添加器13与数控截止阀10，使云母添加器13沿给料槽8往复运动并释放云母片，云母片从压锤5的注料孔落入压密的相似模拟材料铺层的上方，当云母片的数量达到分层所需的数值时，关闭云母添加器13与数控截止阀10，同时开启压锤升降机6，使压锤5的锤头4进行再撞击过程，将云母片平铺开，当云母片均匀平铺在相似模拟材料铺层的上方时，关闭压锤升降机6，进行下一步骤。

⑧相似模拟材料添加铺层阶段：当下层的相似模拟材料铺层铺设完毕并进行分层准备后，开始进入添加上层的相似模拟材料铺层操作步骤，依据所需添加铺层的相似模拟地质条件，重复②~⑦阶段的操作步骤，当所有相似模拟材料铺层铺设完毕后，进行下一步骤。

⑨相似模拟模型养护阶段：操作员将固紧螺丝3拆卸下来，将护帮板2从支撑架1的架体上取下，让未凝结硬化的相似模拟模型进行一定时间的自然风干养护，完成多分层相似模拟模型的制作。

本发明通过自动化技术与数控流水线技术相结合，合理规划岩体工程试验中相似模拟实验材料制备时的给料比例、添加顺序、铺层厚度、铺层密实程度，达到制备出实验室尺度下可用的岩体工程试验相似模拟模型的目的。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种自动化相似模拟实验台，其特征在于：所述自动化相似模拟实验台包括：

支撑架、护帮板、固紧螺丝、压锤、压锤升降机、给料器、自降式搅拌机、原料仓和控制中心，所述支撑架分为底座和架体两个部分，所述护帮板安设于所述支撑架的架体的外侧表面，所述护帮板与所述支撑架通过所述固紧螺丝进行旋紧固定，所述压锤升降机搭载于所述支撑架的架体的上方，所述压锤的锤柄夹持于所述压锤升降机的固定孔位中，所述给料器安设于所述压锤升降机的正上方，所述自降式搅拌机放置于所述原料仓的正下方，所述原料仓与所述控制中心通过导线相连。

2.根据权利要求1所述的自动化相似模拟实验台，其特征在于：

所述支撑架的底座稳固，当所述护帮板通过所述固紧螺丝安设于所述支撑架的架体的外侧表面时，所述支撑架不发生倾倒；当所述护帮板安设完好后，相似模拟材料不从各个相接的所述护帮板之间的缝隙漏出。

3.根据权利要求1所述的自动化相似模拟实验台，其特征在于：

所述压锤的材质为碳素钢；所述压锤由锤柄和锤头两部分组成，锤柄的下表面焊接于锤头的上表面；所述压锤的内部设置有注料孔，注料孔贯穿于锤柄与锤头的内部；所述压锤的数量为10个，10个所述压锤的尺寸完全一致。

4.根据权利要求1所述的自动化相似模拟实验台，其特征在于：

所述压锤升降机的机身开设有10个固定孔位，10个固定孔位均可对所述压锤的锤柄进行夹持；所述压锤升降机的机身一侧搭载有数控传动电机，数控传动电机可通过固定孔位对所述压锤的升降进行控制，当数控传动电机逆时针转动时，固定孔位通过释放所述压锤的锤柄使锤头下降，当数控传动电机顺时针转动时，固定孔位通过夹持与提升所述压锤的锤柄使锤头上升；通过对数控传动电机内部预设的程序进行编程可以对所述压锤的升降高度与升降频率进行控制。

5.根据权利要求1所述的自动化相似模拟实验台，其特征在于：

所述给料器由给料槽、出料口、数控截止阀、铺料器、云母添加器五个部分组成；给料槽用于容纳相似模拟材料；出料口开设于所述给料器的下方，出料口的数量为10个，尺寸完全一致，10个出料口与10个所述压锤的注料孔的位置一一对应；数控截止阀的数量为10个，均安设于出料口处，可以控制相似模拟材料的出料量；铺料器搭载于所述给料器的两端，通过调角转轴可对铺料器的收缩进行控制，铺料器可将松散的堆状相似模拟材料平铺成层状；云母添加器搭载于所述给料器的外侧表面，可沿给料槽进行往复运动。

6.根据权利要求1所述的自动化相似模拟实验台，其特征在于：

所述自降式搅拌机由搅拌机、调角器、双伸缩支撑杆、承重底座和可固定滚轮五个部分组成；搅拌机可根据调角器预设的角度倾倒相似模拟材料；双伸缩支撑杆用以升降搅拌机；承重底座用以保持搅拌机在升降过程中不发生倒滑；可固定滚轮可进行固定，当固定时，所述自降式搅拌机不发生滑移。

7.根据权利要求1所述的自动化相似模拟实验台，其特征在于：

所述原料仓由储料仓室、原料供给管和数控截止阀组成；原料供给管的管口朝向正下方；数控截止阀安设于原料供给管上，用以控制原料的出料量。

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