三维相似模型试验台架及其试验方法技术

本发明专利技术公开了一种三维相似模型试验台架，包括滚动式多向加载台架和限位滚动器，滚动式多向加载台架包括桶形框架、正面挡板、背面挡板、左侧挡板、右侧挡板、左侧加载单元、右侧加载单元和顶部加载单元；桶形框架包括中空的外表面为圆筒形的壳体，壳体的顶面、正面和背面镂空，桶形框架还包括底面平板，底面平板安装在壳体内的底部，正面挡板安装在壳体的正面，背面挡板安装在壳体的背面，左侧挡板安装在壳体内的左侧，右侧挡板安装在壳体内的右侧，左侧加载单元安装在壳体与左侧挡板之间，右侧加载单元安装在壳体与右侧挡板之间，顶部加载单元用于加载在模型的顶部；限位滚动器用于推动滚动式多向加载台架来回滚动设定角度，并保持在相应的位置上。

Three dimensional similar model test bench and its test method

The invention discloses a three dimensional similarity model test bench, including a rolling multi direction loading platform and a limit scroller. The rolling multi direction loading platform consists of a bucket frame, a front baffle, a back baffle, a left baffle, a right baffle, a left loading unit, a right loading single element and a top loading unit; a bucket frame package. A hollow outer surface is cylindrical shell. The top, front and back of the shell are hollowed out. The bucket frame also includes the bottom plate. The bottom plate is installed at the bottom of the shell. The front baffle is mounted on the front of the shell. The back baffle is mounted on the back of the shell. The left baffle is installed on the left side of the shell and the right baffle. Installed on the right side of the shell, the left loading unit is installed between the shell and the left baffle. The right loading unit is installed between the shell and the right baffle, and the top loading unit is used to load the top of the model. The limit scroller is used to push the rolling multi direction loading platform to set angle back and forth, and keep it corresponding. Position.

【技术实现步骤摘要】
三维相似模型试验台架及其试验方法
本专利技术涉及相似模拟试验领域，尤其涉及一种三维相似模型试验台架及其试验方法。
技术介绍
相似模拟试验是20世纪30年代由前苏联库兹涅佐夫提出的。并在全苏矿山测量和煤炭研究院等应用。在德国、波兰、日本、澳大利亚、美国等也得到广泛应用。发展至今已成为国外矿业界的一种重要的研究手段。我国1958年率先在中国矿业大学的矿压实验室建立相似模拟试验架,并逐步扩大到煤炭科学研究院、各煤炭高校以及冶金、建筑、水利、工程地质等部门。20世纪五、六十年代相似材料物理模拟技术在国内的应用,主要以利用平面应力相似模拟试验为主,通过平面应力模拟试验架重点从宏观及定性的角度来研究开采过程上覆岩层的活动规律,开采过程同岩层移动之间的相互关系等问题。对于实际处于三维应力状态的研究对象，采用立体模拟试验较为理想。进入70年代中后期及80年代以后,国内、外相继出现了平面应变相似模拟试验架、立体模拟试验架和平板模拟试验架等多种形式的相似模拟试验装置,俄罗斯、德国、波兰等国均建有立体模型。国内的中国矿业大学、山东科技大学,重庆大学,等单位也都建有平面应变模拟及简易的立体模拟试验装置。相似模拟实验作为一种研究手段，不仅可以严格控制实验对象的主要参数而不受外界条件和自然条件的限制，做到结果准确；而且，相似模拟实验有利于在复杂的实验过程中突出主要矛盾，便于把握、发现现象的内在联系；其由于模型与原型相比，尺寸一般都是按比例缩小的。故制造加工方便，节省资金、人力和时间；此外，相似模拟实验还能预测尚未建造出来的实物对象或根本不能直接研究的实物对象的性能；当其它各种分析方法不可能采用时，相似模拟实验就成了现象相似性问题唯一的和更为重要的研究手段。目前相似理论和模型实验方法已用于矿业工程领域，并有着广泛的应用前景。现有的三维相似模拟试验系统，虽在一定程度上加深了地下开挖工程研究的进展，但存在以下不足：1)模型台架的密封性不好，不适合做固液耦合的相似模型试验；2)加载方向单一，难以实现三向加载。现有加载方式多是在模型顶部施加荷载，而没有施加侧向荷载；3)现有的相似模拟实验台大多是针对水平煤层或近水平煤层。对于倾斜煤层的物理相似模拟实验一般是采用行车将实验台一头吊起来模拟煤层的倾角。这些方法存在一些不足之处，一是悬吊一头实验台需要足够的空间，而且带有一定的危险隐患；二是对于不同倾角煤层的物理相似模拟实验，需要耗费更多的人力以及时间；4)模型台架的四周挡板不易拆卸，给铺设材料和清除材料的过程带来很多不便。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种密封性好、三向加载、安全、节省人力、易于拆卸的三维相似模型试验台架及其试验方法。本专利技术提供一种三维相似模型试验台架，包括滚动式多向加载台架和限位滚动器，所述滚动式多向加载台架包括桶形框架、正面挡板、背面挡板、左侧挡板、右侧挡板、左侧加载单元、右侧加载单元和顶部加载单元；所述桶形框架包括中空的外表面为圆筒形的壳体，所述壳体的顶面、正面和背面镂空，所述桶形框架还包括底面平板，所述底面平板安装在所述壳体内的底部，所述正面挡板安装在所述壳体的正面，所述背面挡板安装在所述壳体的背面，所述左侧挡板安装在所述壳体内的左侧，所述右侧挡板安装在所述壳体内的右侧，所述左侧加载单元安装在所述壳体与所述左侧挡板之间，所述右侧加载单元安装在所述壳体与所述右侧挡板之间，所述顶部加载单元用于加载在模型的顶部；所述限位滚动器用于推动所述滚动式多向加载台架来回滚动设定角度，并保持在相应的位置上。进一步地，所述壳体内沿竖直方向设有四根柱腿，每根所述柱腿上开设有两条沿竖直方向的侧槽，所述侧槽用于插入所述正面挡板、背面挡板、左侧挡板和右侧挡板的侧边。进一步地，相邻的两根所述柱腿之间的所述底面平板上设有四个底槽，分别用于插入所述正面挡板、背面挡板、左侧挡板和右侧挡板的底边。进一步地，所述正面挡板为整块的钢化玻璃。进一步地，所述左侧挡板和所述右侧挡板均包括多条沿横向延伸的硬质橡胶挡板，每条所述硬质橡胶挡板的下边为第一凸条，上边为第一凹槽，上层的所述硬质橡胶挡板的所述第一凸条插入到下层的所述硬质橡胶挡板的所述第一凹槽中，最下层的所述硬质橡胶挡板的所述第一凸条插入到所述底槽中，所述硬质橡胶挡板的侧边插入到所述侧槽中。进一步地，所述背面挡板包括多条沿横向延伸的钢铁挡板，所述钢铁挡板的下边为第二凸条，所述钢铁挡板的上边为第二凹槽，上层的所述钢铁挡板的所述第二凸条插入到下层的所述钢铁挡板的所述第二凹槽中，最下层的所述钢铁挡板的所述第二凸条插入到所述底槽中，所述钢铁挡板的侧边插入到所述侧槽中。进一步地，所述背面挡板包括第一背面挡板和第二背面挡板，所述第一背面挡板上开设有用于线路穿过的条形切口，所述第二背面挡板上无切口。进一步地，所述左侧加载单元和所述右侧加载单元均包括加载油缸和施压板，所述加载油缸的一端安装在所述壳体的内壁上，另一端连接所述施压板，所述施压板将所述加载油缸的侧向载荷传递给所述左侧挡板和所述右侧挡板。进一步地，所述顶部加载单元包括多块配重铅块，所述配重铅块包括矩形铅板和柱形提手，所述柱形提手位于所述矩形铅板的顶面中心，所述矩形铅板的底面开设有柱形凹槽，所述柱形凹槽用于收容下层的所述配重铅块的所述柱形提手，所述柱形提手的中部开设有圆孔。进一步地，限位滚动器有两组，分别位于所述滚动式多向加载台架的左右侧，每组所述限位滚动器进一步包括推拉千斤顶、连杆、两个弧形推块，所述连杆连接所述推拉千斤顶和两个所述弧形推块，所述弧形推块的弧面朝向所述滚动式多向加载台架。进一步地，所述三维相似模型试验台架还包括台架滚动池，所述滚动式多向加载台架放置在所述台架滚动池中，所述台架滚动池的深度等于所述底面平板距离地面的高度，所述台架滚动池的底面上设有多条滑轨，所述弧形推块的底部设有多个滑块，所述滑块嵌入到所述滑轨中，所述推拉千斤顶的自由端顶在所述台架滚动池的左右内侧壁上。本专利技术还提供一种用于前述任一项的所述三维相似模型试验台架的试验方法，包括以下步骤：将所述正面挡板安装到所述壳体的正面；所述限位滚动器推动所述滚动式多向加载台架转动设定角度，并保持在倾斜位置；逐层安装所述左侧挡板、所述右侧挡板和所述背面挡板，并逐层水平铺设所述模型、传感器和开挖装置；所述限位滚动器再反向推动所述滚动式多向加载台架转回到初始位置，初始位置时所述底面平板处于水平位置；在所述模型的顶部铺设所述顶部加载单元，同时启动所述左侧加载单元和所述右侧加载单元，对所述模型施加三向载荷；对所述模型进行开挖模拟，并监测试验结果和数据。进一步地，所述背面挡板包括第一背面挡板和第二背面挡板，所述第一背面挡板上开设有用于线路穿过的条形切口，所述第二背面挡板上无切口；所述逐层安装所述左侧挡板、所述右侧挡板和所述背面挡板，并逐层水平铺设模型、传感器和开挖装置的步骤，进一步包括：从最底层开始铺设所述第二背面挡板；在所述传感器和所述开挖装置的线路引出的高度，铺设一块所述第一背面挡板，将所述传感器和所述开挖装置的所述线路从所述条形切口中引出；所述模型铺设完成后，将所述条形切口使用橡胶塞或密封胶密封。进一步地，进一步包括以下步骤：试验结束后，关闭所述左侧加载单元和所述右侧加载单元；拆除所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维相似模型试验台架，其特征在于，包括滚动式多向加载台架和限位滚动器，所述滚动式多向加载台架包括桶形框架、正面挡板、背面挡板、左侧挡板、右侧挡板、左侧加载单元、右侧加载单元和顶部加载单元；所述桶形框架包括中空的外表面为圆筒形的壳体，所述壳体的顶面、正面和背面镂空，所述桶形框架还包括底面平板，所述底面平板安装在所述壳体内的底部，所述正面挡板安装在所述壳体的正面，所述背面挡板安装在所述壳体的背面，所述左侧挡板安装在所述壳体内的左侧，所述右侧挡板安装在所述壳体内的右侧，所述左侧加载单元安装在所述壳体与所述左侧挡板之间，所述右侧加载单元安装在所述壳体与所述右侧挡板之间，所述顶部加载单元用于加载在模型的顶部；所述限位滚动器用于推动所述滚动式多向加载台架来回滚动设定角度，并保持在相应的位置上。

【技术特征摘要】
1.一种三维相似模型试验台架，其特征在于，包括滚动式多向加载台架和限位滚动器，所述滚动式多向加载台架包括桶形框架、正面挡板、背面挡板、左侧挡板、右侧挡板、左侧加载单元、右侧加载单元和顶部加载单元；所述桶形框架包括中空的外表面为圆筒形的壳体，所述壳体的顶面、正面和背面镂空，所述桶形框架还包括底面平板，所述底面平板安装在所述壳体内的底部，所述正面挡板安装在所述壳体的正面，所述背面挡板安装在所述壳体的背面，所述左侧挡板安装在所述壳体内的左侧，所述右侧挡板安装在所述壳体内的右侧，所述左侧加载单元安装在所述壳体与所述左侧挡板之间，所述右侧加载单元安装在所述壳体与所述右侧挡板之间，所述顶部加载单元用于加载在模型的顶部；所述限位滚动器用于推动所述滚动式多向加载台架来回滚动设定角度，并保持在相应的位置上。2.根据权利要求1所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述壳体内沿竖直方向设有四根柱腿，每根所述柱腿上开设有两条沿竖直方向的侧槽，所述侧槽用于插入所述正面挡板、背面挡板、左侧挡板和右侧挡板的侧边。3.根据权利要求2所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，相邻的两根所述柱腿之间的所述底面平板上设有四个底槽，分别用于插入所述正面挡板、背面挡板、左侧挡板和右侧挡板的底边。4.根据权利要求1所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述正面挡板为整块的钢化玻璃。5.根据权利要求3所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述左侧挡板和所述右侧挡板均包括多条沿横向延伸的硬质橡胶挡板，每条所述硬质橡胶挡板的下边为第一凸条，上边为第一凹槽，上层的所述硬质橡胶挡板的所述第一凸条插入到下层的所述硬质橡胶挡板的所述第一凹槽中，最下层的所述硬质橡胶挡板的所述第一凸条插入到所述底槽中，所述硬质橡胶挡板的侧边插入到所述侧槽中。6.根据权利要求3所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述背面挡板包括多条沿横向延伸的钢铁挡板，所述钢铁挡板的下边为第二凸条，所述钢铁挡板的上边为第二凹槽，上层的所述钢铁挡板的所述第二凸条插入到下层的所述钢铁挡板的所述第二凹槽中，最下层的所述钢铁挡板的所述第二凸条插入到所述底槽中，所述钢铁挡板的侧边插入到所述侧槽中。7.根据权利要求6所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述背面挡板包括第一背面挡板和第二背面挡板，所述第一背面挡板上开设有用于线路穿过的条形切口，所述第二背面挡板上无切口。8.根据权利要求1所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述左侧加载单元和所述右侧加载单元均包括加载油缸和施压板，所述加载油缸的一端安装在所述壳体的内壁上，另一端连接所述施压板，所述施压板将所述加载油缸的侧向载荷传递给所述左侧挡板和所述右侧挡板。9.根据权利要求1所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述顶部加载单元包括多块配重铅块，所述配重铅块包括矩形铅板和柱形提手，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾大钊，吴宝杨，李全生，张建民，贺安民，周保精，曹志国，李井峰，方杰，张凯，庞义辉，
申请(专利权)人：中国神华能源股份有限公司，北京低碳清洁能源研究所，神华神东煤炭集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11