一种新型冰基相似模拟实验系统及使用方法与流程

本发明公开一种新型冰基相似模拟实验系统及使用方法，属于实验设备及方法技术领域。

背景技术：

相似模拟实验是岩土工程、采矿工程等领域常用的一种研究手段，解决了难以直接拿研究对象做实验的难题。之前，常用的相似模拟实验材料主要采用砂石、石膏、云母等，通过调配比例来模拟不同的岩层条件，但是该种方案存在模型搭建时间长、效率低、废弃物难以重复利用等问题。为了解决这些问题，我们研发团队于2016年11月15日，向国家知识产权局申请并公开了一种名为“一种水基温控式相似模拟实验台及使用方法（201611003202.7）”的发明专利，这一专利技术采用水作为基础相似实验材料，很好的解决了实验材料浪费的问题，但在实际操作中我们发现，该种方案存在实验流程复杂、实验效果受人为影响较大，并且外界环境对实验效果也有很大影响。针对上述问题，我们研发团队对现有方案从设计理念、实验过程、实现结构等方面都进行了重大的改进，形成了一套全新的实验设备及使用方法，本发明提供了一种新型冰基相似模拟实验系统及使用方法，该实验系统受外界环境及实验人员的人为影响大大减小，整个实验过程更加便捷，实验效果更加准确。

技术实现要素：

为了实现该实验系统受外界环境及实验人员的人为影响大大减小，整个实验过程更加便捷，实验效果更加准确这一目的，本发明公开了一种新型冰基相似模拟实验系统，包括制冰加载试验台、温控箱、控制台、动力站，制冰加载试验台布置于温控箱内部，在制冰加载试验台上可以实现将水冻结成实验用冰块，并且不需要移动即可直接对冰块进行加载实验，温控箱可以实现对其内部空间进行温度控制，为制冰加载试验台制冰提供适宜的温度环境，动力站可以为制冰加载试验台提供液压、气压动力来驱动制冰加载试验台各执行元件的动作，控制台位于温控箱外部，可以控制制冰加载试验台和动力站进行各项操作，并将相关信息收集反馈到控制台上。

优选地，所述制冰加载试验台上设有支撑架、底部主支撑板、动力缸、侧面支撑板、活动加载板，底部主支撑板平铺于支撑架上方，侧面支撑板垂直固定于底部主支撑板上侧，侧面支撑板呈“口”字形布置，相邻两块侧面支撑板间的夹角为90度固连，动力缸其缸筒布置在侧面支撑板上，动力缸其缸杆与活动加载板固定连接，动力缸动作可以驱动活动加载板与对应的侧面支撑板之间发生相对运动，进而实现将动力缸的压力传递给活动加载板。

优选地，所述在侧面支撑板和活动加载板之间设有导向杆，侧面支撑板上设有第一加强筋，第一加强筋可以增加底部主支撑板和侧面支撑板之间的刚度，活动加载板上设有第二加强筋，第二加强筋可以减小活动加载板受力加载时的变形量，导向杆穿过第一加强筋和第二加强筋固定于活动加载板上，导向杆可以增强活动加载板运动方向的稳定性。

优选地，所述活动加载板相邻两块之间设有挡水块，挡水块与活动加载板及底部主支撑板相互之间设有密封材料，使之围成一个密封的储水空间。

优选地，所述挡水块上设有丝孔，丝孔有助于使用丝杆将挡水块取下。

优选地，所述底部主支撑板上设有排水道。

优选地，所述制冰加载试验台的侧面支撑板上侧设有轨道。

优选地，所述制冰加载试验台的轨道上设有刮冰板活动支架，刮冰板活动支架可以沿轨道移动，刮冰板活动支架上设有刮冰板，刮冰板可以相对刮冰板活动支架上下移动，刮冰板和刮冰板活动支架之间设有位移调节杆、刮冰板复位弹簧，通过调节位移调节杆可以控制刮冰板复位弹簧的压缩量，进而实现对刮冰板上下位置的调节。

优选地，所述制冰加载试验台的轨道上设有盖板活动支架，盖板活动支架可以沿轨道移动，盖板活动支架上设有升降缸，升降缸缸筒与盖板活动支架固连，升降缸缸杆与盖板固连，使得升降缸可以驱动盖板上下运动。

优选地，所述盖板优选透明的钢化玻璃。

优选地，所述升降缸缸杆与盖板之间设有均压板。

优选地，所述盖板活动支架上设有摄像机固定支架，摄像机固定支架上设有摄像机，摄像机可以对冰块受载变化影像进行记录保存，并将视频信号时时传输给控制台供实验人员察看实验现象，分析实验结果。

优选地，所述制冰加载试验台的储水空间内设有模具，待水凝结成冰后，模具可取出，冰块中就形成相应的孔洞，这种孔洞可以模拟地下岩层中的隧道、巷道。

优选地，所述模具上设有取模丝孔，将取模丝杆通过取模丝孔与模具连接在一起，就可以使用取模丝杆很容易的将模具从冰块中取出。

优选地，所述底部主支撑板上设有吊耳。

优选地，所述制冰加载试验台的轨道上设有上部温控箱活动支架，上部温控箱活动支架可以沿轨道移动，上部温控箱活动支架上设有上部温控箱，上部温控箱和上部温控箱活动支架之间设有升降调节杆、上部温控箱复位弹簧，通过调节升降调节杆可以控制上部温控箱复位弹簧的压缩量，进而实现对上部温控箱上下位置的调节，上部温控箱可以对冰块局部温度进行调节，上部温控箱内部设有多个上部温度控制腔，上部温度控制腔之间设有上部隔温板，每个上部温度控制腔可以设定成不同的温度，所述制冰加载试验台的底部主支撑板下侧设有下部温控箱，下部温控箱内部设有多个下部温度控制腔，下部温度控制腔之间设有下部隔温板，每个下部温度控制腔可以设定成不同的温度，下部温度控制腔与上部温度控制腔位置布置相对应，对应位置的下部温度控制腔和上部温度控制腔温度相同，不同温度的上部温度控制腔和下部温度控制腔可以为对应位置的冰块创造不同温度的外界环境，进而使得不同位置的冰块温度不同。

优选地，所述温控箱上设有观察窗、第一进出门、温控系统、箱体、第二进出门，观察窗有助于实验人员直接通过观察窗从外面观察实验现象，在该系统用于教学时，设置第一进出门、第二进出门，方便学生从一个门进从另外一个门出，有助于学生有序参观学习实验系统的整体构造，温控系统用于控制温控箱内部的温度，箱体由隔热材料制成，构成温控箱的主体。

一种新型冰基相似模拟实验系统的使用方法包括：

第一步，制备冰块，在活动加载板之间加装挡水块，并将储水空间中的各处缝隙使用防水胶密封，在底部主支撑板的设定位置放置模具，然后在储水空间中加入设定量的水溶剂，开启温控箱的制冷功能，一段时间后储水空间中的水凝结成冰块；

第二步，实验预处理，使用刮冰板去除冰块上表面多余的冰块，取下挡水块、模具，如需改变冰块温度，使用上部温控箱和下部温控箱对冰块进行温度处理；

第三步，加载实验，通过控制台启动动力站，将盖板移动到冰块上方，启动升降缸将盖板压到冰块上表面达到预设压力，开启动力缸，对冰块进行加载实验，同时启动摄像机对实验现象进行记录，视频信号及各种传感器的信号传输到控制台上时时显示并记录保存；

第四步，试验后处理，关闭温控箱的制冷功能，取出实验后的冰块，剩余的由冰块融化产生的水由可由排水道排出，然后使用热风机吹干实验台，等待下次实验。

通过上述技术方案，本发明在进行相似模拟实验时，受外界环境及实验人员的人为影响大大减小，整个实验过程更加便捷，实验效果更加准确。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。附图是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，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1：冰基相似模拟实验系统整体结构布局示意图；

图2：制冰加载试验台加载部分结构示意图；

图3：挡水块部分结构示意图；

图4：刮冰板及盖板部分结构示意图；

图5：模具使用方法示意图；

图6：上部温控箱及下部温控箱局部结构剖视图；

图7：温控箱部分结构布局示意图；

图8：加载实验时各部分位置状态示意图；

图9：本发明使用方法流程图。

附图标记说明

1、制冰加载试验台；101、支撑架；102、底部主支撑板；102a、排水道；103、动力缸；104、侧面支撑板；105、活动加载板；106、导向杆；107、第一加强筋；108第二加强筋；109、挡水块；109a、丝孔；110、轨道；111、刮冰板活动支架；112、刮冰板复位弹簧；113、位移调节杆；114、刮冰板；121、盖板活动支架；122、盖板；123、均压板；124、升降缸；131、摄像机固定支架；132、摄像机；141、模具；142、取模丝孔；143、取模丝杆；151、吊耳；161、上部温控箱活动支架；162、上部温控箱复位弹簧；163、升降调节杆；164、上部温控箱；164a、上部温度控制腔；164b、上部隔温板；165、下部温控箱；165a、下部温度控制腔；165b、下部隔温板；2、温控箱；201、观察窗；202、第一进出门；203、温控系统；204、箱体；205、第二进出门；3、控制台；4、动力站。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。

如图1所示，本发明公开一种新型冰基相似模拟实验系统，该实验系统包括制冰加载试验台1、温控箱2、控制台3、动力站4，制冰加载试验台1布置于温控箱2内部，在制冰加载试验台1上可以实现将水冻结成实验用冰块，并且不需要移动即可直接对冰块进行加载实验，温控箱2可以实现对其内部空间进行温度控制，为制冰加载试验台1制冰提供适宜的温度环境，动力站4可以为制冰加载试验台1提供液压、气压动力来驱动制冰加载试验台1各执行元件的动作，控制台3位于温控箱2外部，可以控制制冰加载试验台1和动力站4进行各项操作，并将相关信息收集反馈到控制台3上。

如图2所示，制冰加载试验台1上设有支撑架101、底部主支撑板102、动力缸103、侧面支撑板104、活动加载板105，底部主支撑板102平铺于支撑架101上方，侧面支撑板104垂直固定于底部主支撑板102上侧，侧面支撑板104呈“口”字形布置，相邻两块侧面支撑板104间的夹角为90度固连，动力缸103其缸筒布置在侧面支撑板104上，动力缸103其缸杆与活动加载板105固定连接，动力缸103动作可以驱动活动加载板105与对应的侧面支撑板104之间发生相对运动，进而实现将动力缸103的压力传递给活动加载板105。可以理解的是，动力缸103可以选用液压缸或气压缸，优选液压缸。在侧面支撑板104和活动加载板105之间设有导向杆106，侧面支撑板104上设有第一加强筋107，第一加强筋107可以增加底部主支撑板102和侧面支撑板104之间的刚度，活动加载板105上设有第二加强筋108，第二加强筋108可以减小活动加载板105受力加载时的变形量，导向杆106穿过第一加强筋107和第二加强筋108固定于活动加载板105上，导向杆106可以增强活动加载板105运动方向的稳定性。

如图3所示，在相邻两块活动加载板105之间设有挡水块109，挡水块109与活动加载板105及底部主支撑板102相互之间设有密封材料，使之围成一个密封的储水空间。挡水块109上设有丝孔109a，丝孔109a有助于使用丝杆将挡水块取下。可以理解的是，所述密封材料可以选用可重复使用的橡胶垫，也可以选择用于防水的密封胶。密封胶每次使用都需要重复添加，较橡胶垫使用较为麻烦，但是密封胶较橡胶垫密封效果更好。在密封的储水空间内加装适量的水，在外界温度足够低时其中的水可以凝结成冰，当冰块达到设定的温度，就可以通过开启动力缸103，使得活动加载板105对其中的冰块加载，通过观察冰块的相应变化来模拟地下岩石受力后可能出现的形状变化。底部主支撑板102上设有排水道102a，当完成实验后，排水道102a可以用于排水。

如图4所示，制冰加载试验台1的侧面支撑板104上侧设有轨道110，轨道110上设有刮冰板活动支架111，刮冰板活动支架111可以沿轨道110移动，刮冰板活动支架111上设有刮冰板114，刮冰板114可以相对刮冰板活动支架111上下移动，刮冰板114和刮冰板活动支架111之间设有位移调节杆113、刮冰板复位弹簧112，通过调节位移调节杆113可以控制刮冰板复位弹簧112的压缩量，进而实现对刮冰板114上下位置的调节。在储水空间中的水结成冰后，由于水、冰密度不同，两者之间体积会发生变化，刮冰板114可以将冰块上侧多余的部分去除，使得冰块拥有平整的上表面及确定的厚度。轨道110上还设有盖板活动支架121，盖板活动支架121可以沿轨道110移动，盖板活动支架121上设有升降缸124，升降缸124缸筒与盖板活动支架121固连，升降缸124缸杆与盖板122固连，使得升降缸124可以驱动盖板122上下运动。为了便于观察实验冰块在受压时的变化状况，盖板122优选透明的钢化玻璃。为了增加盖板122受力的均匀性，在升降缸124缸杆与盖板122之间设有均压板123，均压板123的材料优选为钢板。盖板122移动到冰块上方，然后在升降缸124的作用下向下压到冰块上表面，对冰块上下方向上进行加载，可以增强模拟效果的准确性及扩大模拟实验的适用范围。在盖板活动支架121上还设有摄像机固定支架131，摄像机固定支架131上设有摄像机132，摄像机132可以对冰块受载变化影像进行记录保存，并将视频信号时时传输给控制台3供实验人员察看实验现象，分析实验结果。

如图5所示，在储水空间内放入模具141，待水凝结成冰后，取出模具141，冰块中就形成相应的孔洞，这种孔洞可以模拟地下岩层中的隧道、巷道。为了方便取模，在模具141上还设有取模丝孔142，将取模丝杆143通过取模丝孔142与模具141连接在一起，就可以使用取模丝杆143很容易的将模具141从冰块中取出。可以理解的是，模具141的成形孔的形状可以是圆形、矩形等实际隧道、巷道需要进行相似模拟的各种形状。为了方便整机设备进行吊装，底部主支撑板102上设有吊耳151。

如图6所示，在制冰加载试验台1的轨道110上设有上部温控箱活动支架161，上部温控箱活动支架161可以沿轨道110移动，上部温控箱活动支架161上设有上部温控箱164，上部温控箱164和上部温控箱活动支架161之间设有升降调节杆163、上部温控箱复位弹簧162，通过调节升降调节杆163可以控制上部温控箱复位弹簧162的压缩量，进而实现对上部温控箱164上下位置的调节，上部温控箱164可以对冰块局部温度进行调节。上部温控箱164内部设有多个上部温度控制腔164a，上部温度控制腔164a之间设有上部隔温板164b，每个上部温度控制腔164a可以设定成不同的温度，不同温度的上部温度控制腔164a可以为下侧的冰块创造不同温度的外界环境，进而使得不同位置的冰块温度不同。因为不同温度冰块的硬度、脆性等性能有所不同，通过控制冰块的温度，可以使之模拟不同硬度岩层的性能。在底部主支撑板102下侧设有下部温控箱165，下部温控箱165内部设有多个下部温度控制腔165a，下部温度控制腔165a之间设有下部隔温板165b，每个下部温度控制腔165a可以设定成不同的温度，下部温度控制腔165a与上部温度控制腔164a位置布置相对应，两者设定的温度相同，可以共同作用到底部主支撑板102上的冰块上，使得不同位置的冰块具有不同的温度。

如图7所示，温控箱2上设有观察窗201、第一进出门202、温控系统203、箱体204、第二进出门205，设置观察窗201有助于实验人员直接通过观察窗201从外面观察实验现象，在该系统用于教学时，设置第一进出门202、第二进出门205，方便学生从一个门进从另外一个门出，有助于学生有序参观学习实验系统的整体构造，温控系统203用于控制温控箱内部的温度，箱体204由隔热材料制成，构成温控箱2的主体。

如图9所示，结合以上诸图，一种新型冰基相似模拟实验系统的使用方法包括：

第一步，制备冰块，在活动加载板105之间加装挡水块109，并将储水空间中的各处缝隙使用防水胶密封，在底部主支撑板102的设定位置放置模具141，然后在储水空间中加入设定量的水溶剂，开启温控箱2的制冷功能，一段时间后储水空间中的水凝结成冰块；

第二步，实验预处理，使用刮冰板114去除冰块上表面多余的冰块，取下挡水块109、模具141，如需改变冰块温度，使用上部温控箱164和下部温控箱165对冰块进行温度处理；

第三步，加载实验，通过控制台3启动动力站4，将盖板122移动到冰块上方，启动升降缸124将盖板122压到冰块上表面达到预设压力，开启动力缸103，对冰块进行加载实验，同时启动摄像机132对实验现象进行记录，视频信号及各种传感器的信号传输到控制台3上时时显示并记录保存；

第四步，试验后处理，关闭温控箱2的制冷功能，取出实验后的冰块，剩余的由冰块融化产生的水由可由排水道102a排出，然后使用热风机吹干实验台，等待下次实验。

通过上述技术方案，本发明在进行相似模拟实验时，受外界环境及实验人员的人为影响大大减小，整个实验过程更加便捷，实验效果更加准确。

本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。