用于二维相似模拟试验台的自动铺设装置、系统及其方法与流程

1.本发明涉及相似材料模拟技术领域，具体涉及一种用于二维相似模拟试验台的自动铺设装置、系统及其方法。


背景技术：

2.相似材料模拟是采矿工程、岩土工程等学科极为重要的一种实验手段，可以直观的再现工程现场情况，然而现如今进行一个相似材料模拟实验往往需要耗费巨大的人力、物力，在实验过程中人工铺设也难以保证每一岩层的平整度，实验的精确程度不能有效的控制，对实验结果产生较大的偏差。为了解决由于人力铺设导致铺设效率低的技术问题，研究者们设计了自动铺设装置，现有技术的相关研究报道主要有：
3.申请号201510689917.1公开了一种可模拟倾斜岩层的全自动相似模拟试验装置及方法，由控制系统、配料系统、传送系统、试验架、自动铲平和捣实装置、液压支撑和加载装置、自动开挖等装置组成，该装置中由传送系统将相似材料运输到试验架后采用铲平装置直接铲平。然而该方法在将相似材料输送到试验架中时，在铲平装置对其进行铲平之前材料首先是堆积的，因此该过程中不能保证材料的均匀铺设，并且捣实装置中的捣实千斤顶无法移动，不能保证模型的完全平整，对实验结果产生影响。
4.申请号201811062735.1公开了一种用于相似材料模拟试验的自动铺装装置及其使用方法。该装置包括料斗、搅拌机、皮带输送机等组成，该装置仅仅是在运输相似材料的过程采用了自动装置，然而，对于相似材料的铺平步骤，仍需要人工均匀摊铺，人工均匀铺摊凭借经验，不能保证每层材料的完全平整，而且浪费人力。
5.申请号201510889401.1公开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，采用盛料箱、振动装置于一体，该装置需要人工向盛料箱内加入预制材料，且铺设过程中需要人工观察料斗余量，手持式开关控制振动装置的走向与快慢移动，实验人员劳动强度大，实验效率低。
6.综上所述，现有技术中用于相似材料模拟试验的自动铺料装置还有待于进一步改进。


技术实现要素：

7.本发明的目的之一在于提供一种用于二维相似模拟试验台的自动铺设装置，其可以实现相似材料的自动搅拌、自动上料和自动铺设，在保证全自动铺设及铺设平整的前提下，减少了操作人员的工作量，并且提高了实验准确性与效率。
8.为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
9.一种用于二维相似模拟试验台的自动铺设装置，包括集成料斗、滑动机构、气缸、铲平夯实机构以及总控制台；
10.所述的集成料斗包括料斗本体，所述的料斗本体的横截面积从上到下依次变小，所述的料斗本体的顶部设置有进料口，底部设置有出料口；
11.所述的滑动机构包括第一滑动轮、第二滑动轮以及用于驱动并控制第一滑动轮、第二滑动轮进行滑动的中空直角减速机；
12.所述的料斗本体的侧部设置有第一连接板和第二连接板，在所述的第一连接板和第二连接板上均安装第一滑动轮和第二滑动轮，且两个第一滑动轮和两个第二滑动轮的安装高度均相同，所述的中空直角减速机安装在位于第一连接板一侧的第一滑动轮和第二滑动轮的外侧，用于控制并实现两个第一滑动轮、两个第二滑动轮的转动；
13.在第二连接板上还安装有与其垂直的支撑架；
14.所述的气缸的一端连接有空气泵站，另一端连接有铰接板，所述的铰接板连接有挡板，所述的气缸通过所述的支撑架对其进行支撑，所述的挡板的形状、大小与所述的出料口的形状、大小相适配，通过空气泵站提供动力来控制所述的气缸并使其穿过支撑架向出料口方向推进或推出，通过控制气缸向出料口方向的推进与推出来控制出料口的出料速度；
15.所述的铲平夯实机构包括铲平夯实板和安装结构，所述的铲平夯实板包括板一和板二，所述的板一通过安装结构安装在出料口的后方，并且所述的板一安装在与第一滑动轮、第二滑动轮滑动方向相互垂直的方向上，所述的板二连接在板一的下方，且与板一相互垂直，当相似材料从出料口排出后，通过所述的板二将其进行铲平夯实；在所述的板一上竖向设置有多个圆孔，所述的安装结构包括与所述的圆孔匹配的固定螺丝，通过调节圆孔的安装位置实现对铲平夯实板的高度的调节；
16.所述的板二的底部还设置有压力传感器，所述的压力传感器通过数据线连接至所述的总控制台。
17.上述技术方案直接带来的有益技术效果为：
18.可实现对相似材料的自动铺设，节省人力，且结构简单方便操作。
19.最为关键的是，上述自动铺设装置，可以在对相似材料进行逐层铺设时，不会导致相似材料堆积的情况发生，由于相似材料不会在试验仓内堆积，因此，其也避免了后期出现的相似材料铺设材料软硬不均匀、模型不平整等情况的发生。原因简要分析如下：
20.首先气缸的一端设置有与出料口形状和大小相匹配的挡板，气缸的伸出长度可调，通过空气泵站来控制气缸的推进或推出，再结合挡板，可实现对出料口大小的调节，从而可达到调节相似材料出料速度的作用；
21.其次，结合出料口后方的铲平夯实板的设计，铲平夯实板中，板一安装在与第一滑动轮、第二滑动轮滑动方向相互垂直的方向上，板二连接在板一的下方，且与板一相互垂直，当相似材料从出料口排出后，通过板二将其进行铲平夯实，而且由于板二是随着第一滑轮、第二滑轮的运动进行夯实，因此，其边铺设边夯实，更能保证相似材料的平整性。
22.最后，上述自动铺设装置，通过设置第一滑动轮和第二滑动轮，一方面除了可带动装置整体滑动，另一方面便于安装，在实际使用时，将第一滑动轮和第二滑动轮架设在工字钢的翼缘位置即可快速安装。
23.优选的，所述的板一、板二的长度相同，所述的板二的宽度为10～20cm。
24.优选的，支撑架包括四根呈框形排列的支撑杆，每根支撑杆的一端连接在第二连接板上，另一端连接一方形框架，气缸安装在方形框架上，且气缸的伸出端穿过支撑架向出料口下方推进。
25.本发明的另一目的在于提供一种用于二维相似模拟试验台的自动铺设系统，包括搅拌装置、自动上料装置、安装装置以及上述的用于二维相似模拟试验台的自动铺设装置，所述的搅拌装置用于将相似模拟材料的制备及搅拌；所述的搅拌装置的出料口与所述的自动上料装置连接，通过自动上料装置将相似模拟材料输送至所述的自动铺设装置的料斗本体内。
26.优选的，所述的安装装置包括工字钢，所述的二维相似模拟试验台包括设备框架和位于设备框架内的试验仓，所述的工字钢安装在试验仓的前后两侧，所述的第一滑动轮和第二滑动轮分别安装在所述的工字钢的翼缘位置，当试验仓内需要铺设相似模拟材料时，通过设备框架顶部的电葫芦将所述的自动铺设装置放置在相似材料待铺设一层的工字钢处，并与工字钢安装在一起。
27.优选的，所述的搅拌装置包括搅拌滚筒，所述的搅拌滚筒的一端为进料口，远离进料口的一端为出料口，进料口连接有注水装置；
28.所述的自动上料装置包括输送机和上料软管，所述的搅拌装置的出料口的下方为所述的输送机，所述的上料软管的一端连接在输送机的出料端，另一端位于所述的集成料斗的上方，位于集成料斗附近的上料软管通过固定件对其进行固定，所述的固定件包括细长钢条，所述的细长钢条上设置有孔洞，所述的细长钢条安装在设备框架的右立柱上，在所述的细长钢条上固定设置若干个卡扣，通过每个卡扣向试验仓架设一根固定杆，在所述的固定杆的另一端安装上部为空心的铁板，所述的铁板通过螺栓固定在固定杆的端部，在位于集成料斗附近的上料软管穿过所述的铁板固定在所述的固定杆上，上料软管的出料口端放置在集成料斗的正上方，当集成料斗滑动时，所述的上料软管在固定件的作用下随着集成料斗一起运动。
29.优选的，还包括主控制系统，所述的主控制系统与所述的自动铺设装置连接，用于控制自动铺设装置的铺设。
30.本发明的再一目的在于提供上述的用于二维相似模拟试验台的自动铺设系统的使用方法，依次包括以下步骤：
31.第一步、调节位于设备框架上部的电葫芦，安装二维相似模拟试验台的最底层的工字钢，将自动铺设装置架设在工字钢之上，控制中空直角减速机将自动铺设装置放在靠近设备框架的右立柱的位置；
32.第二步、通过固定件将上料软管固定在集成料斗的正上方，将上料软管的底部放置在搅拌装置的出料口位置；
33.第三步、通过控制气缸，将挡板推动向出料口方向推动，使出料口达到完全闭合状态；
34.第四步、对铲平夯实装置的高度进行调节，具体步骤为：卸载板一的螺栓，上下调节板一的位置，固定螺栓，实现铲平夯实装置的高度调节；
35.第五步、计算相似材料配比，称重河沙、碳酸钙等原材料，将称重好的原材料倒入搅拌装置内，将搅拌装置与注水装置接通，开启定时搅拌，得到搅拌好的相似材料；
36.第六步、由搅拌装置的出料口将搅拌好的相似材料转移至输送机内，开启输送机，通过上料软管将相似材料输送至集成料斗内；
37.第七步、由主控制系统将自动铺料装置移动至二维相似模拟试验台的最右端，通
过调节中空直角减速机来设置自动铺料装置的移动速度，控制气缸使其推出并完全打开出料口，进行相似材料的铺设，随着相似材料的铺设，位于出料口之后的铲平夯实板对该层相似材料自动铲平压实，并通过压力传感器来监测相似材料铺设平整情况；
38.第八步、铺设云母粉，直接将云母粉倒入输送机中，通过上料装置输送至自动铺料装置，进行云母粉的铺设；
39.第九步、重复第一步到第七步，直至铺设好每层相似材料；
40.第十步、铺设柔性加载装置，通过主控制系统下放二维相似模拟试验台上部的反力梁，对铺设好的模型进行加载；
41.第十一步：拆除前后挡板，操控自动开挖装置进行煤层开挖工作。
42.与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
43.本发明采用的自动铺设装置，实现了相似材料铺设的自动化，铺料设备在铺设过程是匀速行进，保证了相似材料的均匀铺设，且自动铺设装置后附带铲平及压实装置，有效的保证了整个模型的平整铺设。
44.本发明自动铺设系统，将搅拌装置、自动上料装置、安装装置和自动铺设装置相结合，自动化程度高，仅需架设好铺设设备后，将计算称重完成后的砂石等材料倒入自动搅拌装置中，即可保证相似材料的完整铺设，试验台的整个铺设流程全部采用计算机控制，有效保证了实验的准确性，提高了实验的精确程度，减少了实验人员的劳动强度，极大提高实验效率。
附图说明
45.下面结合附图对本发明做进一步说明：
46.图1为本发明自动铺设装置在二维相似模拟试验台的安装示意图；
47.图2为本发明自动铺设装置的结构示意图；
48.图3为本发明自动铺设装置的侧视图；
49.图4为本发明自动铺设装置的俯视图；
50.图5为本发明自动铺设系统的搅拌装置简要结构示意图；
51.图中：
52.1、自动铺设装置，2、第一滑动轮，3、第二滑动轮，4、气缸，5、铲平夯实机构，6、出料口，7、集成料斗，8、挡板，9、中空直角减速机，10、支撑杆，11、空气泵站，12、进料口，13、出料口，14、支架。
具体实施方式
53.本发明提出了一种用于二维相似模拟试验台的自动铺设装置，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
54.本发明所述及的二维相似模拟试验台包括设备框架和位于设备框架内的试验仓，其中框架包括底座、位于底座两侧的左、右立柱和顶梁，试验仓整体为长方体结构，位于框架内。
55.结合图2、图3和图4所示，本发明一种用于二维相似模拟试验台的自动铺设装置，包括集成料斗7、滑动机构、气缸4、铲平夯实机构5以及总控制台。其中，集成料斗用于盛放
相似模拟材料，滑动机构用于保证自动铺设装置的滑动，气缸4来控制集成料斗7的出料速度，铲平夯实机构保证相似模拟材料铺设的平整性。
56.用于盛放相似模拟材料的集成料斗7，其形状整体为漏斗形，即上宽下窄，这样方便控制出料口的出料速度，具体的，集成料斗包括料斗本体，料斗本体的横截面积从上到下依次变小，料斗本体的顶部设置有进料口，即其顶部为敞口状设计，相似材料从其顶部的任意位置都可进入料斗本体内，在料斗本体的底部设置有出料口6，出料口的形状为圆形或方形。
57.如图3所示，滑动机构包括第一滑动轮2、第二滑动轮3以及用于驱动并控制第一滑动轮、第二滑动轮进行滑动的中空直角减速机9，其中，第一滑动轮和第二滑动轮设置有两组，每组包括一个第一滑动轮和一个第二滑动轮，第一滑动轮、第二滑动轮的结构借鉴现有技术即可实现，此处不做详细冗述。
58.料斗本体的侧部设置有第一连接板和第二连接板，第一连接板和第二连接板的主要作用在于安装第一滑动轮、第二滑动轮和支撑架，在第一连接板和第二连接板上均安装第一滑动轮和第二滑动轮，具体的安装方式如通过螺栓固定连接，将第一滑动轮通过螺栓固定在第一连接板上，将第二滑动轮通过螺栓固定在第一连接板上，第一滑动轮和第二滑动轮的安装高度相同，为了保证可以平移，因此二者安装高度是相同的，位于第二连接板上的第一滑动轮和第二滑动轮的安装高度也是相同的，第一滑动轮、第二滑动轮的轮子的朝向即为其滑动方向，轮子的朝向与料斗本体的侧面方向相平行，所述的中空直角减速机安装在位于第一连接板一侧的第一滑动轮和第二滑动轮的外侧，用于控制并实现两个第一滑动轮、两个第二滑动轮的转动。
59.支撑架包括四根呈框形排列的支撑杆，每根支撑杆10的一端连接在第二连接板上，另一端连接一方形框架，气缸安装在方形框架上，且气缸的伸出端穿过支撑架向出料口下方推进。
60.中空直角减速机与第二滑动轮之间连接，以控制第二滑动轮的转动，其余的滑动轮为从动轮。
61.气缸的一端连接有空气泵站11，另一端连接有铰接板，铰接板连接有挡板8，气缸通过支撑架对其进行支撑，挡板的形状、大小与出料口6的形状、大小相适配，优选为二者均为圆形或方形，通过空气泵站提供动力来控制气缸4并使其穿过支撑架向出料口方向推进或推出，通过控制气缸向出料口方向的推进与推出来控制出料口的出料速度；
62.铲平夯实机构5包括铲平夯实板和安装结构，所述的铲平夯实板包括板一和板二，所述的板一通过安装结构安装在出料口的后方，并且所述的板一安装在与第一滑动轮、第二滑动轮滑动方向相互垂直的方向上，板二连接在板一的下方，且与板一相互垂直，当相似材料从出料口排出后，通过所述的板二将其进行铲平夯实；在所述的板一上竖向设置有多个圆孔，所述的安装结构包括与所述的圆孔匹配的固定螺丝，通过调节圆孔的安装位置实现对铲平夯实板的高度的调节；
63.上述的铲平夯实板和安装机构相互配合，可以根据相似模拟材料的铺设要求，通过安装机构将铲平夯实板安装在适宜的高度，具体的高度的调节，是通过板一上竖直排列的多个圆孔来实现的，如将安装机构安装在不同高度的圆孔上，即完成对铲平夯实板高度的调节。当自下而上铺设相似材料时，通过调节铲平夯实板的高度，使得板二刚好压实在相
似模拟材料上。
64.作为优选，在板二的底部还设置有压力传感器，压力传感器通过数据线连接至总控制台。压力传感器将数据传输到总控制台，方便总控制台调节出料口的出料速度。
65.如图1所示，将上述的用于二维相似模拟试验台的自动铺设装置应用于二维相似模拟试验台的自动铺设系统中，与此自动铺设装置相配合使用的还包括搅拌装置、自动上料装置以及安装装置，搅拌装置用于将相似模拟材料的制备及搅拌；所述的搅拌装置的出料口与所述的自动上料装置连接，通过自动上料装置将相似模拟材料输送至所述的自动铺设装置的料斗本体内。具体的如图5所示，搅拌装置包括搅拌滚筒，搅拌滚筒的一端为进料口12，远离进料口的一端为出料口13，进料口连接有注水装置，搅拌滚筒周身下方设置支架14，如优选搅拌装置的进料口在搅拌滚筒的左侧，搅拌装置的出料口在搅拌滚筒的右侧，相似模拟材料所需原料均通过搅拌装置的进料口进入搅拌滚筒内，通过注水装置向搅拌滚筒内加入适量水，机械搅拌，该机械搅拌配合电器控制系统、相关管路即可完成，具体的如何控制借鉴现有技术即可，本文不做详细冗述。
66.上述的自动上料装置包括输送机和上料软管，搅拌装置的出料口的下方为输送机，从搅拌装置的出料口排出的相似模拟材料进入输送机，通过输送机的输送皮带将其传送至上料软管，即：通过将上料软管的一端连接在输送机的出料端，可将相似模拟材料输送至上料软管内，上料软管的另一端位于集成料斗的上方。
67.当集成料斗在铺设移动时，为了便于上料软管随着集成料斗移动，因此，在位于集成料斗附近的上料软管通过固定件对其进行固定。
68.具体的，所述的固定件包括细长钢条，所述的细长钢条上设置有孔洞，所述的细长钢条安装在设备框架的右立柱上，在所述的细长钢条上固定设置若干个卡扣，通过每个卡扣向试验仓架设一根固定杆，在所述的固定杆的另一端安装上部为空心的铁板，所述的铁板通过螺栓固定在固定杆的端部，在位于集成料斗附近的上料软管穿过所述的铁板固定在所述的固定杆上，上料软管的出料口端放置在集成料斗的正上方，当集成料斗滑动时，所述的上料软管在固定件的作用下随着集成料斗一起运动。这样设计，可以实现边进料边铺设，避免相似模拟材料堆积的情况发生。
69.作为优选，为了实现自动铺设系统的完全自动化，将自动铺设装置、搅拌装置、自动上料装置均与主控制系统连接，通过主控制系统控制自动铺设装置的铺设，控制搅拌装置的搅拌时间，并进一步控制自动上料装置的上料速度。
70.为了便于自动铺设装置安装快捷方便，本发明有针对性的设计了安装装置，具体包括工字钢，工字钢的结构与现有技术相同，包括腹板和位于两侧的翼缘板，所述的工字钢安装在试验仓的前后两侧，第一滑动轮和第二滑动轮分别安装在工字钢的翼缘位置，当试验仓内需要铺设相似模拟材料时，通过设备框架顶部的电葫芦将所述的自动铺设装置放置在相似材料待铺设一层的工字钢处，并与工字钢安装在一起。
71.下面结合具体实施例对上述用于二维相似模拟试验台的自动铺设系统的使用方法，依次包括以下步骤：
72.第一步、调节位于设备框架上部的电葫芦，安装二维相似模拟试验台的最底层的工字钢，将自动铺设装置架设在工字钢之上，控制中空直角减速机将自动铺设装置放在靠近设备框架的右立柱的位置；
73.第二步、通过固定件将上料软管固定在集成料斗的正上方，将上料软管的底部放置在搅拌装置的出料口位置；
74.第三步、通过控制气缸，将挡板推动至出料口位置，使出料口达到完全闭合状态；
75.第四步、卸载板一的螺栓，上下调节板一的位置，固定螺栓，实现铲平夯实装置的高度调节；
76.第五步、计算相似材料配比，称重河沙、碳酸钙等原材料，将称重好的原料倒入搅拌装置内，将搅拌装置与注水装置接通，通过主控制系统对其进行控制，开启定时搅拌，得到搅拌好的相似材料；
77.第六步、由搅拌装置的出料口将搅拌好的相似材料转移至输送机内，开启输送机，通过上料软管将相似材料输送至集成料斗内；
78.第七步、由主控制系统将自动铺料装置移动至二维相似模拟试验台的最右端，通过调节中空直角减速机来设置自动铺料装置的移动速度，控制气缸使其推出并完全打开出料口，进行相似材料的铺设，随着相似材料的铺设，位于出料口之后的铲平夯实板对该层相似材料自动铲平压实，并通过压力传感器来监测相似材料铺设平整情况；
79.第八步、铺设云母粉，直接将云母粉倒入输送机中，通过上料装置输送至自动铺料装置，进行云母粉的铺设；
80.第九步、重复第一步到第七步，直至铺设好每层相似材料；
81.第十步、铺设柔性加载装置，通过主控制系统下放二维相似模拟试验台上部的反力梁，对铺设好的模型进行加载；
82.第十一步、拆除前后挡板，操控自动开挖装置进行煤层开挖工作。
83.上述的相似材料的铺设为逐层铺设，在进行铺设过程中，本领域技术人员可对自动铺设装置的高度进行调整，另外也可根据实际铺设情况，对铲平夯实板的高度进行调整。
84.综上所述，本发明自动铺设系统可以实现相似材料的自动搅拌、自动上料和自动铺设，减少人员劳动量，提高了实验准确性与效率。
85.本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
86.需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。