CN113790967A - 一种智能加载多维相似模型试验装置 - Google Patents

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CN113790967A CN202111004386.XA CN202111004386A CN113790967A CN 113790967 A CN113790967 A CN 113790967A CN 202111004386 A CN202111004386 A CN 202111004386A CN 113790967 A CN113790967 A CN 113790967A
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孙斌杨
欧元超
刘畅
许时昂
李圣林
胡雄武
郭立全
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Abstract

本发明公开了一种智能加载多维相似模型试验装置，立式模型架包括底座，以及分别竖直固定在底座四角的四根立柱；四根立柱之间可拆卸连接有前后挡板组和左右挡板组，前后挡板组的下部贯穿穿插有多组方管组；顶部油压加载机构能够向加载模拟区内部施加由上向下的压力；底部油压加载机构能够向加载模拟区内部施加由下向上的压力；液压***用于实现对顶部油压加载机构和底部油压加载机构的加载控制；水袋加载机构包括布置在加载模拟区内部的一个或多个水袋，以及位于加载模拟区外部，且与水袋连接的控压组件。本发明结构简单、设计合理、且使用操作简便，能有效解决现有模型中存在的三维空间难以重构、自动化程度低、关键信息获取难度高等问题。

Description

一种智能加载多维相似模型试验装置
技术领域
本发明涉及相似物理模拟试验技术领域，更具体的说是涉及一种智能加载多维相似模型试验装置。
背景技术
我国煤炭资源相对丰富，但是赋存条件也相对复杂，开采难度较大。目前，深部煤炭开采基础研究相对薄弱，使得煤炭行业在满足能源发展需求的同时，自身也付出了较大的代价。其中，采动围岩变形破坏的精准探测是进行科学采矿、岩层控制、保水采煤及地表生态修护等控灾技术的基础。针对采场围岩变形破坏机制及其演化规律关键科学问题，国内外众多学者进行了大量的深入研究。其中，物理模型试验是解决上述问题的有效手段。
目前，现有的相似物理模型试验框架多为二维形态，仅能进行平面应力模型试验，难以获取岩层变形过程中三维空间特征信息，而且无法对底板突水演化过程进行有效的模拟。同时由于模型框架尺寸受限，常无法模拟整个地层，需要在顶部通过施压达到应力条件，目前大多使用配重块的形式进行人工堆叠，费时费力且存在操作风险。
因此，如何提供一种结构简单、设计合理且使用操作简便，能有效解决现有模型的三维空间难以重构问题的多维相似模型试验装置，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种智能加载多维相似模型试验装置，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种智能加载多维相似模型试验装置，包括：
立式模型架；所述立式模型架包括底座，以及分别竖直固定在所述底座四角的四根立柱；四根所述立柱之间可拆卸连接有两组平行布置的前后挡板组和左右挡板组，所述前后挡板组和所述左右挡板组合围形成上下开口、四周封闭的加载模拟区；所述前后挡板组的下部贯穿穿插有多组方管组，所述左右挡板组上开设有预留孔；
顶部油压加载机构；所述顶部油压加载机构安装在所述加载模拟区的顶部开口处，并能够向所述加载模拟区内部施加由上向下的压力；
底部油压加载机构；所述底部油压加载机构安装在所述加载模拟区的底部开口处，并能够向所述加载模拟区内部施加由下向上的压力；
液压***；所述液压***位于所述加载模拟区外部，并与所述顶部油压加载机构和所述底部油压加载机构通过油路连接，且用于实现对所述顶部油压加载机构和所述底部油压加载机构的加载控制；
水袋加载机构；所述水袋加载机构包括布置在所述加载模拟区内部的一个或多个水袋，以及位于所述加载模拟区外部，且与所述水袋连接的控压组件。
通过上述技术方案，本发明结构简单、设计合理、且使用操作简便，能有效解决现有模型中存在的三维空间难以重构、自动化程度低、关键信息获取难度高等问题。
优选的，在上述一种智能加载多维相似模型试验装置中，四根所述立柱的顶端平行固定有两根前后横梁；所述前后横梁的端头与所述立柱的顶端之间固定有加强板。能够提高立式模型架的结构强度。
优选的，在上述一种智能加载多维相似模型试验装置中，所述顶部油压加载机构包括上支撑板、上油缸组和上施力板；所述上支撑板固定在两根所述前后横梁之间；所述上油缸组包括沿所述上支撑板长度方向等间距固定在所述上支撑板顶面的多个上油缸，所述上油缸的活塞杆穿过所述上支撑板；所述上施力板的数量与所述上油缸的数量相同，且分别固定在所述活塞杆的端头，多块所述上施力板相互连接固定。本发明采用油缸组对加载模拟区进行精准加压，压力量程可动态协调，与传统的配重块加压相比，模拟的应力场更符合实际采场压力分布特征。
优选的，在上述一种智能加载多维相似模型试验装置中，所述底部油压加载机构包括下支撑板、下油缸组、可调支脚和下施力板；所述下支撑板固定在底座上；所述下油缸组包括沿所述下支撑板长度方向等间距固定在所述下支撑板底面的多个下油缸，所述下油缸的活塞杆穿过所述下支撑板；所述可调支脚固定在所述下油缸的缸体端头，且用于与地面抵接；所述下施力板的数量与所述下油缸的数量相同，且分别固定在所述活塞杆的端头，所述下施力板为圆形板。本发明还配合顶部油压加载机构设置了底部油压加载机构，能够进一步提高加载效果，且提高功能性。可调支脚让反作用力直接作用在地面上，防止框架底板变形。
优选的，在上述一种智能加载多维相似模型试验装置中，多个所述上油缸的供油管路并联后与所述液压***连接；多个所述下油缸的供油管路并联后与所述液压***连接。能够实现油缸的统一同时控制。
优选的，在上述一种智能加载多维相似模型试验装置中，所述液压***包括泵站缸体，以及与所述泵站缸体连接的油箱和第一电机；所述第一电机连接有电气控制柜；所述泵站缸体顶部具有与所述油箱连接的注油口；所述泵站缸体还连接有电磁溢流阀和电磁换向阀，所述电磁换向阀能够控制所述上油缸组和所述下油缸组的伸缩；所述泵站缸体还连接有两个压力表阀门，以及分别与两个所述压力表阀门连接的碾瓦压力指示表和泵站压力指示表；所述油箱上安装有碾瓦压力调节旋钮压力表、试样承载车速度调节旋钮管道和总压力调节旋钮；所述泵站缸体与所述上油缸组或所述下油缸组连接的所述油路为高压胶管管路。通过电气控制柜，可实现泵站启停，加载油缸的伸缩，保压、换向，加载压力的调整，通过压力表可实时观测油缸施加压力。
优选的，在上述一种智能加载多维相似模型试验装置中，所述预留孔包括线缆预留孔和水袋预留孔。便于实验线缆和水管的布置。
优选的，在上述一种智能加载多维相似模型试验装置中，所述控压组件包括与所述水袋连接的尼龙管道，所述尼龙管道穿出所述水袋预留孔后依次连接有第一接头、压力表、单向阀、第二接头和加载泵；所述加载泵包括泵体和与所述泵体连接的第二电机；所述第二电机固定在所述电机座上，所述泵体的出水口与所述第二接头连接。可以根据需要安装多套分别加载或同时加载清水，达到一定压力后，水袋产生泄漏和破损，满足实验要求。
优选的，在上述一种智能加载多维相似模型试验装置中，所述前后挡板组和所述左右挡板组与所述立柱通过螺栓连接。安装、拆卸简单，结构稳定。
优选的，在上述一种智能加载多维相似模型试验装置中，所述前后挡板组和所述左右挡板组上具有多个观察窗口。观察窗口采用透明的亚克力板，结构简单、稳定。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种智能加载多维相似模型试验装置，具有以下有益效果：
1、本发明构建的相似物理模型框架既可以完成二维模拟试验，也可以完成三维模拟试验；同时可以对不同倾角的地层进行模拟。
2、本发明改变以往人工堆叠配重块的加压方式，使用油缸进行自动可控加载方式；同时可以考虑承压水作用，有效模拟底板突水演化特征。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的智能加载多维相似模型试验装置的结构示意图；
图2为本发明提供的智能加载多维相似模型试验装置的主视图；
图3为本发明提供的智能加载多维相似模型试验装置的侧视图；
图4为本发明提供的智能加载多维相似模型试验装置的俯视图；
图5为本发明提供的液压***的结构示意图；
图6为本发明提供的水袋加载机构的结构示意图；
图7为本发明提供的顶部油压加载机构的结构示意图；
图8为本发明提供的底部油压加载机构的结构示意图。
其中：
1-立式模型架；
11-底座；12-立柱；13-前后挡板组；14-左右挡板组；141-预留孔；15- 方管组；16-前后横梁；17-加强板；18-观察窗口；
2-顶部油压加载机构；
21-上支撑板；22-上油缸组；23-上施力板；
3-底部油压加载机构；
31-下支撑板；32-下油缸组；33-可调支脚；34-下施力板；
4-液压***；
41-泵站缸体；411-注油口；412-电磁溢流阀；413-电磁换向阀；414- 压力表阀门；415-碾瓦压力指示表；416-泵站压力指示表；42-油箱；
421-碾瓦压力调节旋钮压力表；422-试样承载车速度调节旋钮管道；
423-总压力调节旋钮；43-第一电机；44-电气控制柜；
5-水袋加载机构；
51-水袋；52-控压组件；521-尼龙管道；522-第一接头；523-压力表；
524-单向阀；525-第二接头；526-加载泵；5261-泵体；5262-第二电机；
5263-机座。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1至附图8，本发明实施例公开了一种智能加载多维相似模型试验装置，包括：
立式模型架1；立式模型架1包括底座11，以及分别竖直固定在底座11 四角的四根立柱12；四根立柱12之间可拆卸连接有两组平行布置的前后挡板组13和左右挡板组14，前后挡板组13和左右挡板组14合围形成上下开口、四周封闭的加载模拟区；前后挡板组13的下部贯穿穿插有多组方管组15，左右挡板组14上开设有预留孔141；
顶部油压加载机构2；顶部油压加载机构2安装在加载模拟区的顶部开口处，并能够向加载模拟区内部施加由上向下的压力；
底部油压加载机构3；底部油压加载机构3安装在加载模拟区的底部开口处，并能够向加载模拟区内部施加由下向上的压力；
液压***4；液压***4位于加载模拟区外部，并与顶部油压加载机构2 和底部油压加载机构3通过油路连接，且用于实现对顶部油压加载机构2和底部油压加载机构3的加载控制；
水袋加载机构5；水袋加载机构5包括布置在加载模拟区内部的一个或多个水袋51，以及位于加载模拟区外部，且与水袋51连接的控压组件52。
为了进一步优化上述技术方案，四根立柱12的顶端平行固定有两根前后横梁16；前后横梁16的端头与立柱12的顶端之间固定有加强板17。立式模型架1由槽钢、角铁、钢板焊接组成。
为了进一步优化上述技术方案，顶部油压加载机构2包括上支撑板21、上油缸组22和上施力板23；上支撑板21固定在两根前后横梁16之间；上油缸组22包括沿上支撑板21长度方向等间距固定在上支撑板21顶面的多个上油缸，上油缸的活塞杆穿过上支撑板21；上施力板23的数量与上油缸的数量相同，且分别固定在活塞杆的端头，多块上施力板23相互连接固定。
为了进一步优化上述技术方案，底部油压加载机构3包括下支撑板31、下油缸组32、可调支脚33和下施力板34；下支撑板31固定在底座11上；下油缸组32包括沿下支撑板31长度方向等间距固定在下支撑板31底面的多个下油缸，下油缸的活塞杆穿过下支撑板31；可调支脚33固定在下油缸的缸体端头，且用于与地面抵接；下施力板34的数量与下油缸的数量相同，且分别固定在活塞杆的端头，下施力板34为圆形板。
为了进一步优化上述技术方案，多个上油缸的供油管路并联后与液压***4连接；多个下油缸的供油管路并联后与液压***4连接。
为了进一步优化上述技术方案，液压***4包括泵站缸体41，以及与泵站缸体41连接的油箱42和第一电机43；第一电机43连接有电气控制柜44；泵站缸体41顶部具有与油箱42连接的注油口411；泵站缸体41还连接有电磁溢流阀412和电磁换向阀413，电磁换向阀413能够控制上油缸组22和下油缸组32的伸缩；泵站缸体41还连接有两个压力表阀门414，以及分别与两个压力表阀门414连接的碾瓦压力指示表415和泵站压力指示表416；油箱 42上安装有碾瓦压力调节旋钮压力表421、试样承载车速度调节旋钮管道422 和总压力调节旋钮423；泵站缸体41与上油缸组22或下油缸组32连接的油路为高压胶管管路。
为了进一步优化上述技术方案，预留孔141包括线缆预留孔和水袋预留孔。
为了进一步优化上述技术方案，控压组件52包括与水袋51连接的尼龙管道521，尼龙管道521穿出水袋预留孔后依次连接有第一接头522、压力表 523、单向阀524、第二接头525和加载泵526；加载泵526包括泵体5261和与泵体5261连接的第二电机5262；第二电机5262固定在电机座5263上，泵体5261的出水口与第二接头525连接，水袋51为PE材料。
为了进一步优化上述技术方案，前后挡板组13和左右挡板组14与立柱 12通过螺栓连接。
为了进一步优化上述技术方案，前后挡板组13和左右挡板组14上具有多个观察窗口18。
立式模型架1、顶部油压加载机构2、底部油压加载机构3、液压***4 和水袋加载机构5组构完成后，利用相似准则对模拟地层进行应力、体积等换算，按照一定的相似比对各个地层进行配比，并将配比材料分层铺设在立式模型架1的加载模拟区内，在铺设过程中同步将水袋加载机构5及各类传感单元布设在加载模拟区内部相应位置，铺设完成后，利用顶部油压加载机构2和底部油压加载机构3对模型进行压实固结。油缸初始施加力应根据地层实际埋深和体积模量进行换算，同时水袋51内水体压力应与承压含水层实际压力一致。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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。对这些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。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新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种智能加载多维相似模型试验装置，其特征在于，包括：
立式模型架(1)；所述立式模型架(1)包括底座(11)，以及分别竖直固定在所述底座(11)四角的四根立柱(12)；四根所述立柱(12)之间可拆卸连接有两组平行布置的前后挡板组(13)和左右挡板组(14)，所述前后挡板组(13)和所述左右挡板组(14)合围形成上下开口、四周封闭的加载模拟区；所述前后挡板组(13)的下部贯穿穿插有多组方管组(15)，所述左右挡板组(14)上开设有预留孔(141)；
顶部油压加载机构(2)；所述顶部油压加载机构(2)安装在所述加载模拟区的顶部开口处，并能够向所述加载模拟区内部施加由上向下的压力；
底部油压加载机构(3)；所述底部油压加载机构(3)安装在所述加载模拟区的底部开口处，并能够向所述加载模拟区内部施加由下向上的压力；
液压***(4)；所述液压***(4)位于所述加载模拟区外部，并与所述顶部油压加载机构(2)和所述底部油压加载机构(3)通过油路连接，且用于实现对所述顶部油压加载机构(2)和所述底部油压加载机构(3)的加载控制；
水袋加载机构(5)；所述水袋加载机构(5)包括布置在所述加载模拟区内部的一个或多个水袋(51)，以及位于所述加载模拟区外部，且与所述水袋(51)连接的控压组件(52)。
2.根据权利要求1所述的一种智能加载多维相似模型试验装置，其特征在于，四根所述立柱(12)的顶端平行固定有两根前后横梁(16)；所述前后横梁(16)的端头与所述立柱(12)的顶端之间固定有加强板(17)。
3.根据权利要求2所述的一种智能加载多维相似模型试验装置，其特征在于，所述顶部油压加载机构(2)包括上支撑板(21)、上油缸组(22)和上施力板(23)；所述上支撑板(21)固定在两根所述前后横梁(16)之间；所述上油缸组(22)包括沿所述上支撑板(21)长度方向等间距固定在所述上支撑板(21)顶面的多个上油缸，所述上油缸的活塞杆穿过所述上支撑板(21)；所述上施力板(23)的数量与所述上油缸的数量相同，且分别固定在所述活塞杆的端头，多块所述上施力板(23)相互连接固定。
4.根据权利要求3所述的一种智能加载多维相似模型试验装置，其特征在于，所述底部油压加载机构(3)包括下支撑板(31)、下油缸组(32)、可调支脚(33)和下施力板(34)；所述下支撑板(31)固定在底座(11)上；所述下油缸组(32)包括沿所述下支撑板(31)长度方向等间距固定在所述下支撑板(31)底面的多个下油缸，所述下油缸的活塞杆穿过所述下支撑板(31)；所述可调支脚(33)固定在所述下油缸的缸体端头，且用于与地面抵接；所述下施力板(34)的数量与所述下油缸的数量相同，且分别固定在所述活塞杆的端头，所述下施力板(34)为圆形板。
5.根据权利要求4所述的一种智能加载多维相似模型试验装置，其特征在于，多个所述上油缸的供油管路并联后与所述液压***(4)连接；多个所述下油缸的供油管路并联后与所述液压***(4)连接。
6.根据权利要求5所述的一种智能加载多维相似模型试验装置，其特征在于，所述液压***(4)包括泵站缸体(41)，以及与所述泵站缸体(41)连接的油箱(42)和第一电机(43)；所述第一电机(43)连接有电气控制柜(44)；所述泵站缸体(41)顶部具有与所述油箱(42)连接的注油口(411)；所述泵站缸体(41)还连接有电磁溢流阀(412)和电磁换向阀(413)，所述电磁换向阀(413)能够控制所述上油缸组(22)和所述下油缸组(32)的伸缩；所述泵站缸体(41)还连接有两个压力表阀门(414)，以及分别与两个所述压力表阀门(414)连接的碾瓦压力指示表(415)和泵站压力指示表(416)；所述油箱(42)上安装有碾瓦压力调节旋钮压力表(421)、试样承载车速度调节旋钮管道(422)和总压力调节旋钮(423)；所述泵站缸体(41)与所述上油缸组(22)或所述下油缸组(32)连接的所述油路为高压胶管管路。
7.根据权利要求1所述的一种智能加载多维相似模型试验装置，其特征在于，所述预留孔(141)包括线缆预留孔和水袋预留孔。
8.根据权利要求7所述的一种智能加载多维相似模型试验装置，其特征在于，所述控压组件(52)包括与所述水袋(51)连接的尼龙管道(521)，所述尼龙管道(521)穿出所述水袋预留孔后依次连接有第一接头(522)、压力表(523)、单向阀(524)、第二接头(525)和加载泵(526)；所述加载泵(526)包括泵体(5261)和与所述泵体(5261)连接的第二电机(5262)；所述第二电机(5262)固定在所述电机座(5263)上，所述泵体(5261)的出水口与所述第二接头(525)连接。
9.根据权利要求1所述的一种智能加载多维相似模型试验装置，其特征在于，所述前后挡板组(13)和所述左右挡板组(14)与所述立柱(12)通过螺栓连接。
10.根据权利要求1所述的一种智能加载多维相似模型试验装置，其特征在于，所述前后挡板组(13)和所述左右挡板组(14)上具有多个观察窗口(18)。
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