一种多自由度三维物理相似模型开挖拉拔装置

本发明涉及一种多自由度三维物理相似模型开挖拉拔装置，具体属于煤层开采模拟装置。

背景技术：

1、利用三维物理相似模型试验开展采矿相关试验掌握、探究开采规律是采矿领域一项重要的研究手段。三维物理相似模型试验平台研制是大家关注的热点，诸多科研工作者及研究院所对满足不同开挖相似条件、开挖特点的试验平台进行研制，取得一定的研究成果。但大多数三维物理相似模型试验开展沿用二维平面模型的人工凿挖的工作方式，在模拟煤层开采中工作量大，开挖不精确，难以获得准确的开挖参数。特别是对于大比例三维物理相似模型开挖难度大，开挖过程不易控制，开挖影响范围大，影响测试结果和三维试验过程。针对上述问题，本发明提供了一种多自由度三维物理相似模型开挖拉拔装置，可以根据模型高度及开挖参数进行多自由度的灵活调整，同时可以实现开挖过程中开挖位移、开挖速度、超前支承压力的测试与控制，极大的提高了三维物理相似模型开挖效率，实现开挖特征参数同步采集。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种多自由度三维物理相似模型开挖拉拔装置，可以根据模型高度及开挖参数进行多自由度的灵活调整，同时可以实现开挖过程中开挖位移、开挖速度、超前支承压力的测试与控制，极大的提高了三维物理相似模型开挖效率，实现开挖特征参数同步采集。

2、为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

3、一种多自由度三维物理相似模型开挖拉拔装置，其包括模型方管和卧式拉拔机构，所述模型方管以并排形式水平埋设在煤岩层模型内；

4、所述卧式拉拔机构包括卧式支架和拉拔动力模块，所述卧式支架包括底座和竖直固设于所述底座上的立柱，所述立柱顶部铰连有上横梁，所述上横梁与立柱之间铰连有自动伸缩杆，所述上横梁外端下方设有辅助横梁，所述辅助横梁内端与上横梁中部铰连在一起；所述拉拔动力模块包括设于所述立柱上的固定卡环和钩挂于所述固定卡环上的动力机构，所述模型方管外端设有与动力机构上的挂钩二相对应的拉拔环。

5、作为本发明的一种实施方式，所述立柱内侧竖直开设有滑槽，所述固定卡环包括卡设于所述滑槽内的滑座和固设于滑座上的连接板，所述连接板上开设有挂孔一；所述立柱侧面竖直开设有多个插孔，且所述插孔水平贯通所述滑槽，所述滑座上开设有与所述插孔相对应的过孔，所述滑座通过贯穿于所述插孔和过孔的插杆固定在所述滑槽内；所述立柱内在滑槽下方竖直设有升降杆，所述升降杆上端与滑座底部相配合。

6、作为本发明的一种实施方式，所述自动伸缩杆为液压杆或电动螺杆，其两端分别通过铰连座铰连在所述立柱和上横梁上，所述自动伸缩杆设有两个，分别位于所述滑槽两侧。

7、作为本发明的一种实施方式，所述动力机构包括缠线电机和设于所述缠线电机输出轴上的缠线轮，所述缠线轮通过连接轴与齿轮一同轴固连在一起，所述齿轮一与齿轮二相啮合；所述齿轮二通过轴承设于水平的支撑轴上，所述支撑轴外端同轴固设有套筒，所述套筒内侧竖直固设有安装板，所述安装板外侧中部水平固设有安装杆，所述安装板上部沿左右方向开设有让位孔，所述安装杆自由端与连接杆中部铰连在一起，所述连接杆上端与插销杆铰连在一起，所述插销杆自由端从所述让位孔中穿过后与齿轮一的轮齿相对应；所述连接杆下端从所述套筒上竖直开设的让位槽上穿过，所述连接杆下部左侧固设有推拉杆，所述推拉杆左端从套筒中穿出后与调节拨片相连，所述套筒左端面上呈中心对称设置有两个凹槽一和两个凹槽二，两个所述凹槽一的连线与两个凹槽二的连线相互垂直，所述凹槽一深度大于所述凹槽二深度；所述支撑轴上在连接杆与安装板之间设有拉簧，所述套筒外端设有转动手柄。

8、作为本发明的一种实施方式，所述齿轮二下方设有安装座，所述安装座上通过支架和翻转轴可转动的设置有三角形的翻转块，所述翻转轴与所述支撑轴相互平行设置，所述安装座顶部在所述翻转块左侧下方竖直固设有弹簧一，所述安装座上在所述翻转块右侧下方竖直固设有安装孔一，所述安装孔一下方设有相连通的安装孔二，且所述安装孔一孔径大于安装孔二孔径，所述安装孔一内设有螺纹杆，所述螺纹杆上套设有压簧，所述螺纹杆顶部固设有挡块，所述螺纹杆底部从所述安装座上穿出后与螺纹套螺纹连接。

9、作为本发明的一种实施方式，所述缠线轮、缠线电机、齿轮一和齿轮二均设于外壳内，所述缠线轮上的牵引绳从所述外壳侧面的出绳孔穿出，所述外壳内在所述出绳孔上下方对称设有两个导向轮，所述牵引绳上沿长度方向均匀设有刻度标识一，所述外壳内壁固设有与所述牵引绳相对应的激光传感器一，通过识别刻度标识一来检测牵引绳的移动距离；所述模型方管上沿长度方向均匀设置有刻度标识二，所述外壳外壁固设有与所述模型方管相对应的激光传感器二，通过识别刻度标识二来检测模型方管的移动距离。

10、作为本发明的一种实施方式，所述上横梁下方固设有与所述辅助横梁相对应的限位板，阻止所述辅助横梁向下翻转。

11、作为本发明的一种实施方式，所述模型方管包括依次插设在一起的管一和多个管二，所述管一左端侧壁上设置有挂孔二，所述管一右端设置有插头，所述插头两侧设置有倒插片；所述管二左端内壁两侧设置有与所述倒插片相对应的插槽，所述管二右端设置有插头，所述插头两侧设置有倒插片，所述插头与所述管二左端内径相适配。

12、作为本发明的一种实施方式，还包括设于所述上横梁上的控制平台，所述控制平台包括开关、表显模块、数据存储和程序控制分析模块，所述控制平台与动力机构线性连接。

13、作为本发明的一种实施方式，所述底座左端、上横梁左端和辅助横梁左端在同一竖直平面上，进行拉拔试验时与所述煤岩层模型侧壁相适配；所述底座底部设有多个带有刹车片的脚轮。

14、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

15、本发明提供的多自由度三维物理相似模型开挖拉拔装置，可以根据模型高度及开挖参数进行多自由度的灵活调整，同时可以实现开挖过程中开挖位移、开挖速度、超前支承压力的测试与控制，极大的提高了三维物理相似模型开挖效率，实现开挖特征参数同步采集。

16、采用卧式支架可以适应不同位置、不同倾角的煤层开挖，卧式结构能够很好的在开挖过程中与煤岩层模型进行自支撑，起到稳定、平衡作用。

17、所述立柱上设有滑槽，所述拉拔动力模块可在滑槽内调节高低，使得拉拔动力模块能够灵活调整拉拔位置，配合卧式支架，能够适应不同高度煤层开挖。同时，实施例1中的拉拔动力模块通过牵引绳组合测距传感器、电子拉力计、控制平台实现拉拔过程的精确控制。

18、所述控制平台包括开关、表显模块、数据存储和程序控制分析模块，可以实时显示并记录拉拔试验数据，同时根据拉拔数据对拉拔动力模块进行互馈控制，测试数据实时存储，减少原有人工开挖工序，提高工作效率。

19、所述模型方管采用组合式设计，方便移动、收纳、存放。所述管一和管二通过倒插片和插槽承插式组合在一起，可以根据煤层开挖相似条件调整管二数量，从而模拟出不同的开挖条件。

20、实施例2中的所述动力机构利用杠杆原理，设置有转动手柄，在停电情况下也可以进行模拟试验的进行。对模型方管进行拉拔试验停电时，在通过转动手柄缠绕牵引绳时，所述齿轮二逆时针转动，通过设置所述翻转块、挡块和压簧，可以避免齿轮二发生顺时针回转造成伤人事件。通过设置所述弹簧一，可以使所述翻转块始终保持正立状态。通过所述激光传感器一和激光传感器二分别对牵引绳和模型方管的位移进行测量，再对两个测量结果进行综合分析，使对模型方管位移的测量更准确。