物理模拟试验相似模型五轴智能成型系统

技术领域

本发明涉及地质力学模型试验技术领域，尤其涉及物理模拟试验相似模型五轴智能成型系统。

背景技术

煤炭开采过程中伴随着大量矿井水外排损失，研究煤炭开采地下水运移规律对保护矿井水资源，缓解我国用水紧缺的问题具有重要意义。由于现场试验实施困难，且目前国内外缺乏该领域大型试验装置建设经验，因此，有必要自主设计建设煤炭开采条件下地下水运移规律的大型模拟试验平台。物理模拟试验由于其易于控制、可重复性好等特点成为研究的主要方法之一。试验平台的关键点之一在于利用相似材料精准制作煤岩层结构模型以便后续开挖模拟水运移过程，但现有物理模拟试验系统均比较简单，相似材料铺设需依靠大量人工操作，不适于大规模、大尺寸试验平台，费时费力且易造成人为误差降低试验结果可靠性。

为此，已研发多种用于下料、铺平和压实成型的相似材料模拟试验系统装置及方法，以提高机械化和自动化程度，减少人力，例如：

中国专利ZL201610206209.2发明了“一种岩层控制模拟试验相似材料3D打印设备及方法”，该设备利用Stratasys控制终端将储存在储料池中的相似材料经过配比处理通过进料泵和热风机输送至多关节机械手，再由多关节机械手端部的3D打印喷头完成相似材料的铺设。但该供风管一端需随多关节机械手滑动，对连接部件要求较高，受多关节机械手摆动影响，下料效率较低，且该装置无法对相似材料进行铺平和压实处理。

中国专利ZL201510889401.1发明了“一种用于相似材料模拟试验的自动铺料装置及其使用方法”，该装置利用振动装置的上下震动使上方的盛料箱出料，调节液压缸活塞杆及振动装置至所需位置，通过控制振动装置的走向和移动快慢实现相似材料的铺设与压实。但该装置需人工手动配置相似材料并添加到盛料箱，铺设过程中仍需人工补充物料，下料过程物料控制精度不高，不适用于大规模模型铺设，效率较低，且不适用于倾斜模型的铺设。

中国专利ZL201810383848.5发明了“一种大型复杂地质物理模型3D成型系统”，该系统由控制台控制相似材料在搅拌机内的搅拌，经送料控制器调整出料量并输送至打印头进行物理模型铺设。但该打印系统整体灵活度不高，制作后模型需转运，压实铺平采用辊式部件，效率较低，难以满足平整度要求，且无法进行倾斜模型铺设。

现有的用于相似材料物理模型成型的装置系统各有特点，但大多数仍存在一些局限性：

(1)装置系统整体机械自动化程度较低，需耗费大量人力，无法有效实现定量下料、定点铺料及铺平压实机械化过程；

(2)相似材料仅能分层铺设，无法实现不同高度位置定点下料铺设；

(3)模型压实铺平效率较低，无法对铺设的相似物料进行铺平压实操作或效果难以满足多层铺设的要求，影响后续试验；

(4)多采用振动压实，无法精准控制模型的密实度与强度。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的缺陷，而提出的物理模拟试验相似模型五轴智能成型系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

物理模拟试验相似模型五轴智能成型系统，包括主体框架、三维移动导轨、材料混合装置和动静复合加载压实机构，所述三维移动导轨可滑动的设置于主体框架顶部，所述动静复合加载压实机构通过滑动框架设置于材料混合装置的下方，所述滑动框架可滑动的设置于三维移动导轨上。

进一步的，所述三维移动导轨包括X轴线性导轨、Y轴线性导轨和z轴线性导轨，所述X轴线性导轨设置于主体框架上，所述Y轴线性导轨滑动连接于X轴线性导轨上，所述Z轴线性导轨滑动连接于Y轴线性导轨上，所述滑动框架滑动连接于Y轴线性导轨上。

进一步的，所述材料混合装置包括肋板框架，肋板框架顶部设置有材料搅拌机，内部设置有若干中空式肋板，所述材料搅拌机通过料口卡盘与下料管连接，下料管自上而下依次贯穿各中空式肋板，并延伸至动静复合加载压实机构内。

进一步的，动静复合加载压实机构包括静载油缸，所述静载油缸通过旋转轴承设置于滑动框架的下端面，所述静载油缸下端设置有上压板，所述上压板通过支撑立柱连接有下压板，所述下压板上设置有振动电机。

更进一步的，所述旋转轴承周围固定连接有四组铰接座，所述铰接座与倾斜油缸的固定端连接，所述倾斜油缸的自由端转动连接于支座，所述支座设置于上压板上，所述静载油缸的自由端球铰接于上压板上。

有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

1、通过本发明的设置，提供了一种物理模拟试验相似模型五轴智能成型系统，能够可靠、有效地实现全自动机械化相似模型制作，其中多组分相似材料配置输送系统实现多组分相似材料的储存、称量、干料混合、湿料搅拌和输送的全过程自动化操作，湿料搅拌均匀后由真空输送机定量输送至可伸缩下料机构实现不同高度位置精准定位下料，动静复合加载压实机构完成相似材料不同强度、不同密实度、不同倾斜要求的压实铺设，同时全过程采用真空负压技术实现试验室无尘化操作。

2、本系统机械化程度高，试验人员只需在电气总控操作柜上调控参数，相似材料混合搅拌、定量下料、定点铺设及振动铺平压实全程自动完成，节省了大量人力且避免人工造成误差；

3、相似材料的铺设成型效果好，三维移动导轨、动静组合加载压实机构可以通过施加动静荷载精准控制试验模型的密实度及强度等参数，并且整体机构的三维移动和倾斜旋转可调，能够满足煤岩层多角度无死角的铺设需要；

4、动静组合压实机构与三维移动导轨配合，可实现模型三维不同高度不同位置多角度旋转定点下料铺设，上下压板不同角度倾斜，满足倾斜煤岩层的自动化铺设要求。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为物理模拟试验相似模型五轴智能成型系统的整体结构示意图；

图2为是主体框架和三维移动导轨模块的结构示意图；

图3为动静复合加载压实机构的结构示意图；

图4为材料混合装置的结构示意图。

图中：主体框架1：横向框架1-1；竖向框架1-2；底梁1-3；三维移动导轨2：X轴线性导轨2-1；Y轴线性导轨2-2；Z轴线性导轨2-3；动静复合加载压实机构3：静载油缸3-1；上压板3-2；下压板3-3；振动电机3-4；倾斜油缸3-6；支撑立杆3-7；支座3-8；旋转轴承3-9。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1-图4，物理模拟试验相似模型五轴智能成型系统，包括主体框架、三维移动导轨、材料混合装置和动静复合加载压实机构，三维移动导轨可滑动的设置于主体框架顶部，动静复合加载压实机构通过滑动框架设置于材料混合装置的下方，滑动框架可滑动的设置于三维移动导轨上。主体框架由两组横向框架1-1、两组竖向框架1-2和一组底梁1-3围合而成。

材料搅拌机放置于下料机构和动静复合加载压实机构的外部机架顶端肋板上，搅拌机底部仓口通过料口卡盘与放料口连接，放料口开闭由称量装置反馈至设定程序控制，进而实现自动化进料过程。整体机架为中空肋板式结构，肋孔内穿下料机构，其中下料管底部采用柔性弯管式设计，能有效调节下料速度与角度。

在其他优选的实施例中，三维移动导轨包括X轴线性导轨、Y轴线性导轨和z轴线性导轨，X轴线性导轨设置于主体框架上，Y轴线性导轨滑动连接于X轴线性导轨上，Z轴线性导轨滑动连接于Y轴线性导轨上，滑动框架滑动连接于Z轴线性导轨上。即，Y轴线性导轨可沿X轴滑动，Z轴线性导轨可沿Y轴滑动，滑动框架可沿Z轴滑动，以实现三维移动的效果。

在其他优选的实施例中，材料混合装置包括肋板框架，肋板框架顶部设置有材料搅拌机，内部设置有若干中空式肋板，材料搅拌机通过料口卡盘与下料管连接，下料管自上而下依次贯穿各中空式肋板，并延伸至动静复合加载压实机构内。

在其他优选的实施例中，动静复合加载压实机构包括静载油缸，静载油缸通过旋转轴承设置于滑动框架的下端面，静载油缸下端设置有上压板，上压板通过支撑立柱连接有下压板，下压板上设置有振动电机。控制静载油缸的上下移动来对材料进行压实。

具体的，旋转轴承周围固定连接有四组铰接座，铰接座与倾斜油缸的固定端连接，倾斜油缸的自由端转动连接支座，支座设置于上压板上，静载油缸的自由端球铰接于上压板上。通过延伸对应位置的倾斜油缸，以实现上压板的翻转。

本发明的工作原理及使用流程：

(1)材料混合装置4和动静复合加载压实机构3置于三维移动导轨2上，研究人员将多种类相似材料放置于材料混合装置内，待填料完成后材料搅拌机4-1开始材料混合工作，下料管4-2底部采用柔性弯管式设计，能有效调节下料速度与角度。

(2)搅拌完成的相似材料通过下料管输送至动静复合加载压实机构3内，料口卡盘4-3可以通过设定程序自动化控制进出料实现材料均匀铺设，输料的同时动静复合加载压实机构3沿X轴线性导轨2-1和Y轴线性导轨2-2实现二维平面内移动，极大提高物理模拟试验模型制作效率，适应不同位置倾角复杂地层模型制作。

(3)当最底层相似材料铺设完成后，动静复合加载压实机构3沿三维移动导轨2实现x、y、z方向的移动实现不同位置多角度三维振动压实。静载油缸3-1、上压板3-2以及下压板3-3施加静载，振动电机3-4配合振动弹簧施加动载，振动弹簧既能传递来自上压板3-2的静态荷载，又能使下压板3-3在振动电机3-4的带动下实现一定范围内振动，倾斜油缸3-6、支撑立杆3-7、支座3-8以及旋转轴承3-9实现不同角度倾斜旋转压实，调整下压板3-3压实位置，完成相似材料铺设及振动压实过程。可通过动静组合叠加荷载压实相似材料，使相似材料制作模型强度更均匀；可调整动载和静载强度，适应不同强度相似材料的铺设要求；可实现压实机构旋转和倾斜，满足倾斜煤岩层的铺设需要；可通过调整静载油缸的出力及振动电机振幅频率控制压实密实度，以适应模型材料动静复合压实的要求，开发褶曲、断层等复杂地质构造建模功能。

(4)待最底层模型制作完成后，动静复合加载压实机构3沿Z轴线性导轨2-3上升，准备制作第二层相似模型，配合X轴线性导轨2-1和Y轴线性2-2导轨实现物理模拟试验模型三维建模。

(5)根据上述步骤分层依次开展相似材料铺设及振动压实过程，直至整体物理模拟相似模型铺设完成。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。