CN112985951A - 地质力学模型试验相似材料自动成型装置及制作系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了地质力学模型试验相似材料自动成型装置及制作系统，其技术方案为：包括自动成型装置和制作系统，自动成型装置包括反力承载组件、智能加压组件和成型组件；其中，智能加压组件包括与反力承载组件固定连接的直线加载源，所述直线加载源通过压头板连接多个压头；成型组件包括对应于压头下方的组合模具，所述组合模具与托盘卡接。制作系统包括自动筛分装置、自动拌和装置、自动成型装置、试件检测装置。本发明能够保证同一组试件的均匀性，提高配比试验的效率和准确性；具有制作效率高、成型效果好、试件离散性小、可拆卸、操作便捷等优点。

Description

地质力学模型试验相似材料自动成型装置及制作系统

技术领域

本发明涉及地质力学模型试验领域，尤其涉及地质力学模型试验相似材料自动成型装置及制作系统。

背景技术

地质力学模型试验是分析工程问题的一种常用手段，通常与数值试验、理论分析相结合，共同探索工程问题的发生机理。相似材料配比试验是地质力学模型试验的关键一步，其试验结果关系着试验数据的准确性和研究结论的正确性。相似材料配比试验过程繁琐而细致，需要制作大量不同配比的试件，然后反复进行力学试验，最终才能得到符合条件的材料配比。

目前，配比试件制作方面主要存在以下几个问题：

1、试件制作和装置选择不规范

配比试件制作过程中需要经历多道工序，在每一道工序的实施过程中，对于该工序中试验装置的选择较随意，不够规范，导致所制作的试件存在较大的误差，制成试件的合格率较低。

2、试件制作效率低、成本高。

配比试验需要制作大量试件，目前试件的制作方法主要有人工夯实和机器压实两种，但这两种方法每次均只能制作一个试件，且成功率难以保证。人工夯实费时费力，采用单轴压力机压实经济成本高。这都制约了配比试验的高效开展。

3、试件均匀性难以保证。

根据岩石物理力学性质试验规程，每种配比试件的制作数量不应少于3个。采用现有的试件制作方法，同一组试件的压实度和成型效果往往受到试验者、夯实工具、添料时机等多种因素的影响，进而导致同一组试件的试验结果出现较大的离散性，直接影响配比试验的准确性。

4、成品试件检测受限。

试件制作成型后，对于试件尺寸的检验一般采用人工用尺子进行测量，测量不方便，且在测量过程中极易损坏试件、测量精度较低。

以上问题制约了配比试件的制作效率和试验效果，降低了配比试验的准确性，影响了模型试验的可靠性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供地质力学模型试验相似材料自动成型装置及制作系统，能够保证同一组试件的均匀性，提高配比试验的效率和准确性，使得试件制作过程流程化、规范化；具有制作效率高、成型效果好、试件离散性小、操作便捷、制作规范化、流程化等优点。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了地质力学模型试验相似材料自动成型装置，包括反力承载组件、智能加压组件和成型组件；

其中，智能加压组件包括与反力承载组件固定连接的直线加载源，所述直线加载源通过压头板连接多个压头；成型组件包括对应于压头下方的组合模具，所述组合模具与托盘卡接。

作为进一步的实现方式，所述托盘开设有多个均匀分布的模具放置槽，组合模具放置于模具放置槽中。

作为进一步的实现方式，同一模具放置槽位置设有圆形模具放置槽和方形模具放置槽，所述圆形模具放置槽的直径大于方形模具放置槽的边长。

作为进一步的实现方式，所述组合模具包括相互对称的第一模腔和第二模腔，第一模腔和第二模腔外侧通过锁具固定。

作为进一步的实现方式，所述锁具包括锁具环和锁具卡口，锁具环通过锁具卡口扣合。

作为进一步的实现方式，所述直线加载源为液压油缸，所述液压油缸与控制系统相连；所述控制系统包括智能控制盒和安装于智能控制盒外侧的第一显示屏。

作为进一步的实现方式，所述反力承载组件包括顶板、底板和连接于顶板和底板之间的多个立柱；立柱之间安装横梁；所述直线加载源与顶板垂直固定。

作为进一步的实现方式，所述组合模具内壁涂有聚四氟乙烯材料涂层。

第二方面，本发明实施例还提供了地质力学模型试验相似材料制作系统，包括所述的自动成型装置，还包括自动筛分装置、自动搅拌装置和试件检测装置；

自动筛分装置用于对物料进行筛分，自动搅拌装置用于将筛分后的物料搅拌均匀；试件检测装置用于检测经自动成型装置成型后的试件的高度和直径。

作为进一步的实现方式，所述自动筛分装置包括物料器、安装于物料器内部的筛分网，所述筛分网连接振捣器；物料器底部设置称重台。

作为进一步的实现方式，所述试件检测装置包括检测台、安装于检测台的径向测试组件和轴向测试组件，径向测试组件和轴向测试组件分别具有位移传感器。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

（1）本发明的一个或多个实施方式采用反力承载组件承担反力荷载，智能控制盒控制液压油缸实现加压、保压、卸压全过程，通过成型组件可实现同时制作多个试件，大大提高了制作效率、降低了试件之间的离散性。

（2）本发明的一个或多个实施方式的组合模具内涂有聚四氟乙烯材料，减小了试件成型过程所受的摩擦力，脱模更加容易，成型率更高。

（3）本发明的一个或多个实施方式的制作系统包括自动筛分装置、自动搅拌装置和试件检测装置，自动筛分装置通过设置振捣器可以实现三维方向振捣，通过筛分网的物料落到称重台上进行称重；自动搅拌装置能够实现物料的均匀搅拌，试件检测装置能够检测试件的直径和高度；本发明集成了筛分、搅拌、压制和检测的功能，实现了试件制作的规范化、流程化；且能够实现多个试件的一次性制作，试件制作效率高，试件离散性低。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的自动成型装置结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的自动成型装置主视图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的托盘俯视图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的组合模具结构示意图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的自动筛分装置结构示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的自动搅拌装置结构示意图；

图7是本发明根据一个或多个实施方式的试件检测装置结构示意图；

其中，1.液压油缸，2.顶板，3.智能控制盒，4.立柱，5.压头板，6.压头，7.组合模具，8.锁具，8-1.锁具环，8-2.锁具卡口，9.托盘，9-1.圆形模具放置槽，9-2.方形模具放置槽，10.底板，11.第一显示屏，12.横梁，13.抑尘盖，14.振捣器，15.称重台，16.筛分网，17.连接件，18.搅拌筒，19.搅拌棒，20.径向测试组件，21.轴向测试组件，22.第二显示屏，23.第一导轨，24.第二导轨。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一：

本实施例提供了地质力学模型试验相似材料自动成型装置，如图1和图2所示，包括反力承载组件、智能加压组件和成型组件，成型组件安装于反力承载组件内部。

具体的，所述反力承载组件包括顶板2、底板10、立柱4、横梁12，顶板2和底板10相互平行，二者之间通过多个立柱4相连以形成支撑主体，共同起反力荷载承担的作用。

在本实施例中，顶板2和底板10为矩形板，立柱4设置四个，四个立柱4分别布置于顶板2和底板10的四个角。进一步的，所述立柱4采用工字钢。当然，立柱4也可以采用其他形式，例如矩形钢板、钢管等，只要能够满足支撑强度即可。

位于两侧的立柱4之间通过横梁12相连，横梁12与立柱4可以为焊接、螺栓连接或其他连接方式。优选地，反力承载组件各部分通过高强螺栓连接，便于拆装、运输。

进一步的，所述智能加压组件包括直线加载源和控制系统，控制系统包括智能控制盒3和第一显示屏11，能够实现施压、保压、卸压的智能化控制。在本实施例中，直线加载源采用液压油缸1，液压油缸1具有超大量程。液压油缸1与顶板2固定，且液压油缸1垂直穿过所述顶板2。在本实施例中，液压油缸1的中心与顶板2中心重合。

智能控制盒3与立柱4、横梁12固定，液压油缸1通过线缆与智能控制盒3相连，智能控制盒3具有第一显示屏11。智能控制盒3根据设定好的程序对液压油缸1进行控制，实现液压油缸1对试件施加压力的过程，第一显示屏11能够实时显示压力位移曲线，并实时反馈压力参数。当达到设定压力值时，系统自动停止加载并根据设定时间进行保压，保压结束，系统可自动卸压并使液压油缸1归位。

进一步的，所述成型组件包括压头板5、托盘9、压头6、组合模具7、锁具8，所述压头板5一侧与液压油缸1相连，压头板5与液压油缸1通过高强螺栓相连。压头板5另一侧均匀安装有多个压头6。托盘9放置于底板10上方并通过螺栓与底板10固定，托盘9设置多个组合模具7，组合模具7对应于压头6下方。

在本实施例中，所述压头板5和托盘9均为圆盘。

如图3所示，托盘9上表面分布有多个模具放置槽，多个模具放置槽形成环形分布。在本实施例中，设置六个模具放置槽，当然，在其他实施例中，模具放置槽的个数可以根据实际试验要求选择。

进一步的，同一模具放置槽位置设置圆形模具放置槽9-1和方形模具放置槽9-2，圆形模具放置槽9-1的直径大于方形模具放置槽9-2的边长。

在本实施例中，圆形模具放置槽9-1的直径为8cm，所述方形模具放置槽9-2的边长为7cm。可以理解的，在其他实施例中，圆形模具放置槽9-1的直径和方形模具放置槽9-2的边长也可以为其他值。

进一步的，组合模具7由相互对称的第一模腔和第二模腔组成，第一模腔和第二模腔对接形成一个整体，并在其外侧通过多个锁具8固定。组合模具7整体可以为圆柱形，也可以为方形柱。第一模腔和第二模腔内壁涂有聚四氟乙烯材料涂层，以减小试件成型与脱模时的摩擦力。

在本实施例中，组合模具7分为内径5cm、壁厚1.5cm的圆形组合模具和内边长5cm、壁厚1cm的方形组合模具。圆形组合模具放入圆形模具放置槽9-1中，方形组合模具放入方形模具放置槽9-2中，通过锁具8固定。

如图4所示，所述锁具8包括锁具环8-1和锁具卡口8-2，锁具环8-1根据组合模具的形状可以设置为圆环、方形环；锁具环8-1的端部设置锁具卡口8-2，通过锁具卡口8-2实现锁具8的扣合。

本实施的成型组件可满足不同形式、不同数量试件的一次性成型，模具稳定且并方便拆卸。需要说明的是，成型组件可单独与试验机配合使用。

本实施例将计算称量后相应质量的料压制成压实度相同的试件，从而进行下一步试验。包括以下具体步骤：

步骤1：根据试验要求确定试件形状，并将相应组合模具放入磨具放置槽内，并进行固定。

步骤2：按所选取配比称取相应重量的相似材料，拌和均匀，倒入安装好的组合模具7中。

步骤3：通过智能控制盒3启动液压油缸1，使液压油缸1缓慢加载；定义压实过程中压力-位移曲线位移趋于0时的状态为压实状态；

步骤4：当达到压实状态后，液压油缸1自动切换为保压状态，保压结束液压油缸1自动收回，得到配比试件。

步骤5：将得到的试件进行高度和直径的测量，若高径比符合要求，则本组试件制作成功，否则应调整选取相似材料的质量，回到步骤2继续试验。若需要改变试件形状，则更换模具进行相同操作即可。试件晾干后即可开展常规力学试验。

实施例二：

本实施例提供了地质力学模型试验相似材料制作系统，包括自动筛分装置、自动搅拌装置、自动成型装置和试件检测装置，其中，自动成型装置采用实施例一所述结构。物料依次经筛分、搅拌混合、成型及检测后得到符合要求的试件。

进一步的，如图5所示，自动筛分装置包括物料器、抑尘盖13、筛分网16、振捣器14和称重台15，物料器内部为空腔；在本实施例中，物料器内部设置为圆柱形空腔，可以理解的，在其他实施例中，物料器内部空腔也可以为长方体或其他形状，只要能够容纳物料即可。

抑尘盖13安装于物料器顶部，其与物料器转动连接，能够打开或关闭。物料器内部设有筛分网16，筛分网16靠近物料器上部安装；筛分网16可更换不同孔径，通过不同孔径筛分网16限定物料粒径大小。

进一步的，所述筛分网16侧面连接振捣器14，通过振捣器14带动筛分网16实现不同方向振捣。物料器底部设置称重台15，由称重台15实现物料重量的控制。

筛分过程结束后，取出筛分网16，清除筛分网16表面粒径较大的物料，并将物料器内部物料倒入自动搅拌装置。

进一步的，如图6所示，自动搅拌装置包括搅拌筒18、搅拌棒19和连接件17，搅拌棒19设置于搅拌筒18中心位置，其一侧通过连接件17与搅拌筒18侧壁相连。

在本实施例中，搅拌棒19具有三根长度不同的搅拌杆，且三个搅拌杆不位于同一面内，三根搅拌杆的一端连接至搅拌主体；所述搅拌主体轴向安装有轴承，连接件17与轴承外圈相连。搅拌主体连接电机，通过电机带动三个搅拌杆旋转实现物料的均匀搅拌。

进一步的，如图7所示，试件检测装置包括检测台、径向测试组件20、轴向测试组件21，在本实施例中，检测台为L型的平台，径向测试组件20和轴向测试组件21均设置于检测台的竖直面。

其中，径向测试组件20包括沿水平方向布设的第一导轨23、与第一导轨23滑动连接的两个第一挡板，第一挡板上安装位移传感器。轴向测试组件21包括沿竖直方向布设的第二导轨24、与第二导轨24滑动连接的第二挡板，第二挡板位于第一挡板上方，且第二挡板上安装位移传感器。

所述检测台还安装有第二显示屏22，位移传感器与第二显示屏22相连。安装于第一挡板的位移传感器用于检测试件高度，安装于第二挡板的位移传感器用于检测试件直径；高度和直径信息通过第二显示屏22显示。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.地质力学模型试验相似材料自动成型装置，其特征在于，包括反力承载组件、智能加压组件和成型组件；

其中，智能加压组件包括与反力承载组件固定连接的直线加载源，所述直线加载源通过压头板连接多个压头；成型组件包括对应于压头下方的组合模具，所述组合模具与托盘卡接。

2.根据权利要求1所述的地质力学模型试验相似材料自动成型装置，其特征在于，所述托盘开设有多个均匀分布的模具放置槽，组合模具放置于模具放置槽中。

3.根据权利要求2所述的地质力学模型试验相似材料自动成型装置，其特征在于，同一模具放置槽位置设有圆形模具放置槽和方形模具放置槽，所述圆形模具放置槽的直径大于方形模具放置槽的边长。

4.根据权利要求1所述的地质力学模型试验相似材料自动成型装置，其特征在于，所述组合模具包括相互对称的第一模腔和第二模腔，第一模腔和第二模腔外侧通过锁具固定。

5.根据权利要求4所述的地质力学模型试验相似材料自动成型装置，其特征在于，所述锁具包括锁具环和锁具卡口，锁具环通过锁具卡口扣合。

6.根据权利要求1所述的地质力学模型试验相似材料自动成型装置，其特征在于，所述直线加载源为液压油缸，所述液压油缸与控制系统相连；所述控制系统包括智能控制盒和安装于智能控制盒外侧的第一显示屏。

7.根据权利要求1所述的地质力学模型试验相似材料自动成型装置，其特征在于，所述反力承载组件包括顶板、底板和连接于顶板和底板之间的多个立柱；立柱之间安装横梁；所述直线加载源与顶板垂直固定。

8.地质力学模型试验相似材料制作系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的自动成型装置，还包括自动筛分装置、自动搅拌装置和试件检测装置；

自动筛分装置用于对物料进行筛分，自动搅拌装置用于将筛分后的物料搅拌均匀；试件检测装置用于检测经自动成型装置成型后的试件的高度和直径。

9.根据权利要求8所述的地质力学模型试验相似材料制作系统，其特征在于，所述自动筛分装置包括物料器、安装于物料器内部的筛分网，所述筛分网连接振捣器；物料器底部设置称重台。

10.根据权利要求8所述的地质力学模型试验相似材料制作系统，其特征在于，所述试件检测装置包括检测台、安装于检测台的径向测试组件和轴向测试组件，径向测试组件和轴向测试组件分别具有位移传感器。

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