自動化真三軸智能裝配物理模擬試驗裝置系統及試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于礦業工程、巖土工程科研技術領域，特別涉及一種自動化真三軸智能裝配物理模擬試驗裝置系統及試驗方法。
【背景技術】
[0002]地質力學模型試驗是研究礦業工程、大型巖土工程問題，特別是地下工程問題的重要手段。地質力學模型試驗能較好地模擬復雜工程的施工工藝、荷載的作用方式及時間效應等，能研究工程的受力全過程。因此用這種試驗不僅可以研究工程的正常受力狀態，還可以研究工程的極限荷載及破壞形態。同時，與數值計算結果相比，它所給出的結果形象、直觀。由于地質力學模型試驗技術具有上述獨特的優越性，現已被國內外巖土工程界廣泛重視和應用。
[0003]其中模擬試驗裝置作為地質力學模型試驗的重要組成部分，對于試驗的效果起著舉足輕重的作用。
[0004]目前，針對地質力學模型試驗，已開展了大量的研究工作，研制了一系列模擬試驗裝置，研究現狀如下:
[0005](I)申請號為201110038876.1的中國專利公開了一種超大型巖土工程三維模型試驗系統，包括超大型模型試驗裝置、分別與大型模型試驗裝置相連的液壓加載系統和應變位移測試系統，可完成十字交叉型隧洞的大型三維模型試驗。但該裝置無法實現模型整體移出，不能方便地進行模型解剖，不利于模型材料的充填堆砌及模型的試驗后觀察。
[0006](2)申請號為201110038852.6的中國專利公開了一種大型組合式動靜多功能巖土工程模擬試驗裝置，該裝置由若干榀反力臺架裝置、前可視反力梁、后加載反力梁、拱形動態反力架、液壓加載系統、伺服動態加載系統、模型升降平移托車系統等組成，可應用于基坑、邊坡及高地應力條件下巖土工程的平面和三維地質力學靜態和動態模型試驗。但該裝置僅為四面加載，不能實現真三軸六面加載;模型移出、模型材料的充填堆砌前均需進行反力梁的手動拆卸、拼裝、固定，操作復雜。
[0007](3)申請號為201110039078.0的中國專利公開了一種大型自由組合榀式高地應力地下工程模型試驗裝置，包括若干榀拼裝式反力臺架裝置、液壓加載系統、模型升降平移拖車系統，該裝置整體強度、剛度高，穩定性好，升降和推送動作平穩，可保證模型在轉移過程中的完整性。但該裝置僅為三面加載，不能實現真三軸六面加載;模型升降平移拖車系統僅能將模型轉移出入模型加載空間，模型材料的充填堆砌前仍需進行反力梁的手動拼裝、固定，操作復雜。
[0008](4)2009年4月由陳坤福發表的博士學位論文“深部巷道圍巖破裂演化過程及其控制機理研究與應用”一文中第2章公開了一種大尺度三維開挖模擬試驗臺，試驗臺主要由臺體、加載系統、開挖與支護系統、試驗監控系統和數字照相量測系統五個部分組成，可應用于模擬深部巷道開挖和支護物理過程。但該裝置的臺體為澆筑而成，無法實現臺體的自由拼裝組合，且該裝置無法實現模型整體移出，不能方便地進行模型解剖，不利于模型材料的充填堆砌及模型的試驗后觀察。
[0009]綜合分析上述單位的模型試驗臺架裝置系統，還存在以下不足之處:
[0010]1.加載完成后一般不能方便完整地將模型轉移出模型架，可移出的尚需進行反力梁的手動拆裝，操作比較繁瑣，耗費大量人力。
[0011 ] 2.模型材料的充填堆砌前需進行反力梁的手動拆裝，操作復雜。
[0012]3.現有的模型試驗裝置系統不能實現頂梁的升降平移與鎖定。
[0013]4.手動移出模型材料時，模型材料容易受到外部擾動，影響試驗結果的準確性。
[0014]為了更方便、高效的進行地質力學模型試驗，需要研制一種自動化真三軸智能裝配物理模擬試驗裝置系統，以便實現試驗裝置的高效組裝及模型整體移出。
【發明內容】
[0015]本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種組裝靈活方便、操作簡單、觀測方便，可實現頂梁自動化鎖定、平移，方便模型材料的充填堆砌、模型吊出的物理模擬試驗裝置及試驗方法，從而提高試驗裝置的智能化、自動化。
[0016]為實現上述目的，本發明采用下述技術方案:
[0017]自動化真三軸智能裝配物理模擬試驗裝置系統，包括模型反力結構和液壓加載系統;所述模型反力結構包括位于四周和上下六個面的反力墻，六個反力墻組成容納試樣的空間，每個墻面均與液壓加載系統連接，在液壓加載系統作用下，對試樣施加真三軸載荷；其中頂部墻面可自動開啟，便于試樣的機械移出。
[0018]通過分別控制模型的各面反力墻上的液壓加載控制系統，實現模型的真三軸加載。試驗結束后，頂梁自動化升降平移系統、可吊裝底板組合，可方便實現模型的移出。避免人工拆裝模型架，在節省勞動力的同時，可以保證試驗模型不受擾動，保持試驗結束時的原始形態，可以更加準確的觀測模型材料的破壞形式，獲得更加準確的試驗結果。
[0019]所述反力墻為格構式結構，每面所述反力墻由若干相互固定連接的反力梁構成，其中頂部反力梁設有頂梁自動化升降平移系統，所述頂梁自動化升降平移系統包括頂梁升降油缸、軌道、滾輪和電機。
[0020]所述頂梁升降油缸的一端與頂部反力梁固定連接，另一端通過連接部件與所述滾輪固定連接，所述軌道沿兩個側反力墻的頂部平行設置并朝向外側延伸，所述滾輪在所述電機的驅動下，沿所述軌道滾動。
[0021 ]通過頂梁升降油缸實現頂部反力梁的升降。當頂部反力梁處于提升狀態時，通過滾輪帶動頂梁升降油缸沿軌道移動，進而實現頂部反力梁的平移。
[0022]所述軌道的延伸部分為可折疊軌道架，所述可折疊軌道架包括橫梁、立柱、斜撐；所述橫梁的兩端分別與側反力梁的頂端和所述立柱的頂端鉸接，所述斜撐的一端與所述橫梁鉸接，另一端與所述立柱的中部滑槽連接，所述斜撐在滑槽連接端設有限位部件-滑軸，斜撐該端的滑軸兩端設置有固定螺栓，將其旋緊即可通過螺栓對設置于立柱上的滑槽的擠壓實現滑軸與滑槽的相對固定。
[0023]設置成工作狀態時，橫梁繞側反力梁頂端轉軸連接，橫梁旋轉至水平;立柱繞橫梁的另一端旋轉，旋轉過程中斜撐滑槽端沿滑槽滑動，立柱旋轉至豎直位置后旋緊斜撐滑軸兩端固定螺栓，固定其位置，以加固橫梁與斜撐的連接，實現可折疊軌道的展開。試驗完畢后，可按上述逆操作將折疊軌道架收回。
[0024]在頂部反力梁的下方設有所述頂梁升降油缸，所述頂梁升降油缸的底座與側反力墻的頂部固定連接;在兩個所述側反力墻的頂部，設有頂部高出所述頂部反力梁的滑動軌道，所述頂部反力梁上，設有配套工作的電車滑輪、與所述電車滑輪連接的電車發動機，和控制所述電車滑輪伸縮的滑輪移動油缸;當所述頂梁升降油缸頂升所述頂部反力梁至相應高度、且所述滑輪移動油缸外伸時，所述電車滑輪沿所述滑動軌道上表面滑動。
[0025]當所述電車滑輪到達所述滑動軌道上表面高度時停止上升，所述滑輪移動油缸使所述電車滑輪外伸到滑動軌道上表面，所述電車發動機使所述電車滑輪沿所述滑動軌道移動，實現所述頂部反力梁的自動移出。
[0026]所述側反力墻頂部的側壁上，設有水平固定的頂梁鎖定油缸，所述頂部反力梁的固定連接部件上，設有與所述頂梁鎖定油缸配合工作的頂梁鎖定孔。
[0027]所述液壓加載系統包括液壓油缸和推力板，所述液壓油缸內嵌固定于各所述反力梁的矩形格中，所述液壓油缸的端頭固定連接所述推力板，加載時所述液壓油缸推動與模型接觸的所述推力板移動，從而實現對所述模型的各方向的加載。
[0028]各面所述反力墻由各反力梁裝配而成，通過自由拼裝，實現模型尺寸的改變。
[0029]所述模型反力結構內設有用以承載模型材料的可吊裝底板，包括底板、條形鋼肋、吊環;所述底板上設有吊環，所述底板底部焊接有條形鋼肋，其中鋼肋嵌可于底部推力板預留縫隙中，以方便底部推力板作用于底板實現底部加載。
[0030]所述底板的四角上設有吊環。
[0031]自動化真三軸智能裝配物理模擬試驗裝置系統的試驗方法，包括以下步驟:
[0032]步驟I:裝置設置為工作狀態，驅動頂梁鎖定油缸，將頂部反力梁解鎖，驅動頂梁自動化升降平移系統，將所述頂部反力梁移出；
[0033]步驟2:將試驗材料和相關傳感器埋于模擬試驗裝置內并壓實，驅動頂梁自動化升降平移系統，將所述頂部反力梁移回原位，并將頂部反力梁鎖定；
[0034]步驟3:對模型進行加載、監測和采集試驗數據；
[0035]步驟4:重復步驟I，完成所述頂部反力梁的解鎖、上升和移出，通過吊索連接吊裝部件將模型吊出；
[0036]步驟5:將頂部反力梁移回原位并鎖定，試驗完畢。
[0037]本發明的有益效果是:
[0038]1、本發明的頂梁自動化升降平移系統、可吊裝底板組合，可方便實現模型的移出，便于試驗后進行模型觀察及進一步剖視研究和保留。
[0039]2、本發明的頂梁自動化升降平移系統、自動鎖定系統可實現頂梁的升降、平移、鎖定的自動化，簡潔高效，可方便的應用于模型材料充填堆砌、模型試驗裝置的組裝，提高試驗效率。
[0040]3、本發明的可折疊軌道架可根據需求折疊或展開，有效節約實驗空間。
【附圖說明】
[0041 ]圖1是本發明一個整體結構示意圖；
[0042]圖2是圖1中可折疊軌道架展開、頂部反力梁移開、模型吊出效果圖；
[0043]圖3是A型頂梁自動化升降平移系統、自動鎖定系統的局部結構示意圖；
[0044]圖4是B型頂梁自動化升降平移系統、自動鎖定系統的局部結構示意圖；
[0045]圖5是圖1中前反力梁拆除后的內部結構示意圖。
[0046]其中，I模型加載反力裝置系統，1-1底部反力梁，1-2左右反力梁，1-3前后反力梁，1-4頂部反力梁;2嵌入式液壓加載系統，2-1嵌入式液壓油缸，2-2推力板;3頂梁自動化升降平移系統，3-1頂梁升降油缸，3-2滾輪，3-3小型電機，3-4軌道，3-4’滑動軌道，3-5滑輪移動油缸，3-6電車滑輪;4自動