(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210624324.7 (22)申请日 2022.06.02 (71)申请人 中国矿业大 学 地址 221116 江苏省徐州市大 学路1号中国 矿业大学 (72)发明人 孟庆彬　戚振豪　黄炳香　陈梁　 宋子鸣　辛学奎　巨峰　张凯　 (74)专利代理 机构 南京瑞弘专利商标事务所 (普通合伙) 32249 专利代理师 李悦声 (51)Int.Cl. G01M 99/00(2011.01) G01N 3/12(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种平面模型试验台自动开挖与非均布加 载系统及方法 (57)摘要 本发明公开的一种平面模型试验台自动开 挖与非均布加载系统及方法， 属于矿山与地下工 程试验技术领域。 包括相似材料模型架、 机械化 模板装卸系统、 高精度自动开挖系统和液压伺服 非均布加载系统四个部分； 通过水平滑轨、 竖向 凹槽、 凹形滑块、 凸型滑块与安装搭扣相配合， 实 现模型铺设挡板的快速装卸； 通过液压控制系统 对液压泵与液压缸的独立控制， 实现非均布液压 伺服加载功能； 通过激光扫描设备、 纵横电动滑 轨、 升降钻机和高精度钻头的协 同工作， 实现对 相似模型的高精度、 自动化开挖。 本发明在实现 模板快速装卸的同时， 又能实现高精度自动化开 挖和非均布加载， 具有结构简单、 操作 简便、 开挖 精度高和 加载方式可控的优点。 权利要求书3页 说明书6页 附图5页 CN 114964850 A 2022.08.30 CN 114964850 A 1.一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载系统， 其特征在于： 包括用以放置相似 材料模型(39)的相似 材料模型架， 相似材料模 型架前后两侧设有实现模型铺设挡板的快速 安装与拆卸的机械化模板装卸系统， 相似材料模 型架内的相似 材料模型(39)上设置有 液压 伺服非均布加载系统， 相似材 料模型(39)的前侧设有高精度自动开挖系统； 其中相似材料模型架包括工作台(1)、 左立柱(2)、 右立柱(3)、 顶部横梁(4)、 扩大底座 (5)和混凝土基础(6)， 扩大底座(5)设置在混凝土基础(6)上， 工作台(1)设置在扩大底座 (5)上， 左立柱(2)和右立柱(3)垂直设置在扩大底座(5)上且对称固定在工作台(1)左右两 侧， 顶部横梁(4)设置在左立柱(2)和右立柱(3)的顶部， 面向工作台(1)的底部开有滑轨开 槽(45)， 机械化模板装卸系统设置在工作台(1)前后两侧的地面上， 相似 材料模型(39)根据 提前制定的试验方案配置后依次分层 铺设在工作台上(1)； 机械化模板装卸系统包括多片长度不等的模型铺设挡板(8)、 水平滑轨(9)和竖向滑槽 (10)， 相似材料模 型(39)设置在工作台(1)上， 左立柱(2)和右立柱(3)给相似材料模型(39) 提供测方向约束， 其中多片长度不等的模型铺设挡板(8)通过固定在左立柱(2)和右立柱 (3)之间的不同高度位置从而在相 似材料模型(39)的前面形成快速安装高低可调的挡墙， 在相似材料模型(39)的后面可以使用整块的挡板或者与前面相似的多片长度不等的模型 铺设挡板(8)进行组合， 多片长度不等的模型铺设挡板(8)通过固定在左立柱(2)和右立柱 (3)之间的不同高度位置从而在相似 材料模型(39)的前面形成挡墙， 模 型铺设挡板(8)设置 在相似材料模型(39)的前后面提供前后方向的约束， 工作台(1)下方设有滑轨开槽(45)， 面 对工作台(1)布置有水平滑轨(9)， 水平滑轨(9)的一端铺设入滑轨开槽(45)内， 便于模 型铺 设挡板(8)的运输， 水平滑轨(9)上设有多个的凹形滑 块(11)， 在安装模型铺设挡板(8)以及 铺设相似 材料模型(39)时使相似 材料模型(39)在水平滑轨(9)上滑动， 减少对 人力的消耗， 模型铺设挡板(8)为矩形结构， 模型铺设挡板(8)左右两侧上方左右对称设有方形开槽 (22)， 方形开槽(22)内设有圆形开孔a(43)， 模型铺设挡板(8)左右两侧的中部对称设有金 属搭扣(12)， 竖 向滑槽(10)设置在左 立柱(2)和右立柱(3)内侧， 在竖 向滑槽(10)内设有匹 配的凸形滑块(19)， 凸形滑块(19)能够在竖向滑槽(10)内竖向自由滑动， 所述凸形滑块 (19)上设有带孔方块(20)， 带孔方块(20)上下两侧设有对称且弹力较小的弹性拨片(23)， 弹性拨片(23)可以在一定角度内自由摆动， 其不受力时张开与竖直方向成夹角， 受力时向 后拨动完全贴合在凸形滑 块(19)上， 在弹性拨片(23)的作用下， 已经固定在左立柱(2)和右 立柱(3)上的模型铺设挡板(8)完全贴合在左右立柱上， 而下一个安装中的模型铺设挡板 (8)与左立柱(2)和右 立柱(3)间存在距离， 从而顺利越过前一片模 型铺设挡板(8)安装在上 一块模型铺设挡板(8)的上方， 安装完成后的模 型铺设挡板(8)既可以在相似 材料模型(39) 铺设过程中作为模板， 又 可以在加载 过程中作为侧向约束。 2.根据权利要求1所述的平面模型试验台自动 开挖与非均布加载系统， 其特征在于： 液 压伺服非均布加载系统包括多个加载压板(27)， 多个加载压板(27)平铺在摆放完 毕的相似 材料模型(39)顶部， 每个加载压板(27)上均通过加载压杆(26)设有液压油缸(24)， 加载压 杆(26)与加载压板(27)之间采用球形连接； 液压油 缸(24)通过加载压杆(26)向加载压板 (27)施加垂直应力， 通过加载压板(27)将位移约束和垂直应力加在相似材料模型(39)顶 部， 每个液压油缸(24)分别通过管路与液压油泵(25)连接， 液压油泵(25)通过管路连接有 油罐(28)， 所有液压油泵(25)均与液压控制系统(29)连接并通过液压控制系统(29)控制工权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114964850 A 2作。 3.根据权利要求2所述的平面模型试验台自动 开挖与非均布加载系统， 其特征在于： 高 精度自动开挖系统包括激光扫描设备(30)、 数据接收及处理系统(31)、 导轨控制系统(32)、 纵向电动导轨(33)、 横向电动导轨(34)、 纵向滑板(35)、 横向滑板(36)、 液压升降杆(37)和 钻机(38)， 所述激光扫描设备(30)置于相 似材料模型架前侧， 其扫描范围覆盖整个相似材 料模型(39)， 激光扫描设备(30)、 数据接收及处理系统(31)和电脑(42)通过线路依次连接， 电脑(42)通过导轨控制系统(32)分别连接纵向滑板(35)和横向滑板(36)， 纵向滑板(35)和 横向滑板(36)分别安装在纵向电动导轨(33)和横向电动导轨(34)上， 利用电脑(42)控制纵 向滑板(35)和横向滑板(36)分别在纵向电动导轨(33)和横向电动导轨(34)上滑动； 所述液 压升降杆(37)与液压油泵(25)相连受控制升降， 液压升降杆(37)上端安装有与电脑(42)相 连接的钻机(38)， 钻机(38)上装有 高精度钻头(41)， 高精度钻头(41)正面指向相似材料模 型(39)设置 。 4.根据权利要求1所述的平面模型试验台自动 开挖与非均布加载系统， 其特征在于： 每 个金属搭扣(12)上设有用以将使模 型铺设挡板(8)固定在左、 右立柱上的固定销钉(13)、 保 险销钉(14)和方形金属环(15)， 通过固定销钉(13)和模型铺设挡板(8)上的带孔圆柱体a (16)使金属搭扣(12)固定在模型铺设挡板(8)上， 通过方形金属环(15)与左、 右立柱上的限 位块(17)使模型铺设挡板(8)固定在左、 右立柱上， 通过保险销钉(14)与模型铺设挡板(8) 上的带孔圆柱体b(18)保证金属搭扣(12)不会意外弹开。 5.一种使用权利要求1 ‑4任一项所述的平面模型试验台自动 开挖与非均布加载系统的 加载方法， 其特 征在于步骤如下： 步骤一： 设计试验方案， 根据 试验方案 中的参数配置相似材料， 进行多片相似材料模型 (39)的堆叠安装， 首先推动模 型铺设挡板(8)在水平滑轨(9)上滑动直至预计安装相似 材料 模型(39)的前面或者后面位置至圆形开孔a(43)对准带孔方块(20)上的圆孔， 此时凸形滑 块(19)上的带孔方块(20)插入到模型铺设挡板(8)上的方形开槽(22)中， 模型铺设挡板(8) 恰好与弹性拨片(23)相接触， 再将限位销钉(21)穿过圆形开孔a(43)插入到带孔方块(20) 中以确保模型铺设挡板(8)在安装过程中始终与凸形滑块(19)固定在一起防止掉落， 然后 向上推动模型铺设挡板(8)， 此时凸形滑块(19)在竖向滑槽(10)内向上滑动， 当凸形滑块 (19)在竖向滑槽(10)内到达最高点时， 模 型铺设挡板(8)也上升至指定位置， 然后拔出限位 销钉(21)， 将方形金属环(15)挂到限位块(17)上， 扣上金属搭扣(12)， 将保险销钉(14)穿过 金属搭扣(12)上的圆形开孔b(44)插到带孔圆柱体b(18)内， 同时模型铺设挡板(8)压着弹 性拨片(23)完全贴合在左立柱(2)和右立柱(3)上， 以此类推依次完成各片模型铺设挡板 (8)在不同高度的安装从而形成铺设相似材 料模型(39)高度的挡墙； 步骤二： 待相似材料模型(39)铺设及养护完成后， 在似材料模型(39)的前面重复安装 与相似材料模