一种用于边坡爆破的室内模拟装置及方法

摘要

本发明提供一种用于边坡爆破的室内模拟装置，涉及室内模拟试验技术领域；装置包括箱体、伸缩移动机构、爆炸球和气压泵；伸缩移动机构包括第二驱动组件、空心加长杆和钻孔组件；第二驱动组件与空心加长杆的一端连接；钻孔组件设置在空心加长杆的另一端；空心加长杆上设置有的进气口和进气门；进气口与气压泵连通；爆炸球包括爆炸球外壳、内核骨架和橡皮囊；爆炸球外壳通过安装孔套设在空心加长杆上；内核骨架通过限位孔套设在空心加长杆上；内核骨架上还设置有定位孔；橡皮囊设置在空心加长杆上；定位孔内设置有弹簧和弹珠；弹珠与爆炸球外壳抵接；本发明还提出基于室内模拟装置的模拟方法，通过爆炸球替代烈性炸药模拟边坡爆破，使用安全。

权利要求

1.一种用于边坡爆破的室内模拟装置，其特征在于，包括箱体、伸缩移动机构、爆炸球和气压泵；

所述伸缩移动机构包括第二驱动组件、空心加长杆和钻孔组件；所述第二驱动组件设置在所述箱体内，用于驱动所述空心加长杆转动，并用于驱动所述空心加长杆沿其轴向直线运动；所述钻孔组件设置在所述空心加长杆的一端；所述空心加长杆上设置有相互连通的进气口和进气门；所述进气口与所述气压泵连通；

所述爆炸球包括爆炸球外壳、内核骨架和橡皮囊；所述爆炸球外壳上相对设置有安装孔；所述爆炸球外壳通过所述安装孔套设在所述空心加长杆上；所述爆炸球外壳上设置有发射孔；所述内核骨架呈中空球体状；所述内核骨架上相对设置有限位孔；所述内核骨架通过所述限位孔套设在所述空心加长杆上，并与所述空心加长杆固定连接；所述内核骨架位于所述爆炸球外壳内，并与所述爆炸球外壳同心设置；所述内核骨架上还设置有多个与所述发射孔配合使用的定位孔；所述橡皮囊环绕设置在所述空心加长杆上，并与所述进气门连通；所述橡皮囊位于所述内核骨架内；所述定位孔内设置有弹簧和弹珠；所述弹簧的一端与所述橡皮囊抵接，另一端与所述弹珠抵接；所述弹珠与所述爆炸球外壳的内壁抵接；通过转动所述内核骨架，使得所述定位孔与所述发射孔同轴分布，实现所述弹珠的发射。

2.如权利要求1所述的用于边坡爆破的室内模拟装置，其特征在于，还包括第一驱动组件；所述第一驱动组件设置在所述箱体内的侧壁上，用于驱动所述伸缩移动机构在平面内移动；所述第二驱动组件设置在所述第一驱动组件上。

3.如权利要求2所述的用于边坡爆破的室内模拟装置，其特征在于，所述第一驱动组件为电动十字轨道。

4.如权利要求2所述的用于边坡爆破的室内模拟装置，其特征在于，所述第二驱动组件包括步进电机和电动伸缩杆；所述步进电机设置在所述第一驱动组件上，用于驱动所述电动伸缩杆转动；所述电动伸缩杆设置在所述步进电机上，并与所述空心加长杆的另一端固定；所述电动伸缩杆用于驱动所述空心加长杆沿其轴向直线运动。

5.如权利要求1所述的用于边坡爆破的室内模拟装置，其特征在于，所述钻孔组件包括钻头和微型电机；所述微型电机设置在所述空心加长杆的一端，用于驱动所述钻头转动。

6.如权利要求2所述的用于边坡爆破的室内模拟装置，其特征在于，还包括远程控制模块、无线通讯模块和控制器；所述控制器分别与所述第一驱动组件、第二驱动组件、钻孔组件和所述气压泵电性连接，用于控制所述第一驱动组件、第二驱动组件、钻孔组件和所述气压泵的开关；所述无线通讯模块与所述控制器电性连接；所述远程控制模块与所述控制器通过所述无线通讯模块通讯连接。

7.一种采用如权利要求6所述的用于边坡爆破的室内模拟装置模拟边坡爆破的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将边坡模型放置于所述箱体内；

S2、将放置有所述边坡模型的所述室内模拟装置放置于离心机内，并使得放置有所述边坡模型的所述室内模拟装置旋转，使所述边坡模型达到试验所需的加速度条件；

S3、将所述爆炸球移动至所述边坡模型内；

S4、控制所述气压泵向所述橡皮囊充气，使得所述弹簧处于压缩状态；

S5、控制所述内核骨架相对于所述爆炸球外壳转动，使得所述定位孔与所述发射孔同轴分布，实现所述边坡模型的爆破。

说明书

一种用于边坡爆破的室内模拟装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及室内模拟试验技术领域，尤其涉及一种用于边坡爆破的室内模拟装置及方法。

背景技术

[0002] 边坡是大型工程建设中的重要组成部分，开挖施工过程中通常要用到爆破技术。针对爆破开挖效应对高陡边坡损伤累积及其稳定性的影响主要通过理论和试验进行分析。
现阶段，针对边坡爆破试验研究主要有现场测试和室内试验两种。前者虽不需要对工程边
坡做各种等效简化工作，但存在试验周期长、测试强度大、成本高、影响实际生产等缺点；后
者则可将工程实际问题的分析与处理工作转移到室内进行，通过相似模型试验的方式大大
降低了工作强度，减小试验成本。超重力离心机通过较大的离心加速度产生超重力场，在小
比尺条件下也能真实模拟原型岩土体的应力应变状况，其模型试验在土木、环境、地质、矿
山、水利等科学和技术领域得到了广泛的应用。

[0003] 目前，对于边坡爆破的室内模拟试验多数采用小剂量烈性炸药来模拟爆破过程。然而，该方法存在较大的危险性，且对于爆破强度难以控制，导致边坡爆破模拟难以得到广
泛实施。

发明内容

[0004] 本发明旨在解决现有技术因采用烈性炸药模拟边坡爆破导致不安全的技术问题。

[0005] 本发明的实施例提供一种用于边坡爆破的室内模拟装置，包括箱体、伸缩移动机构、爆炸球和气压泵；

[0006] 所述伸缩移动机构包括第二驱动组件、空心加长杆和钻孔组件；所述第二驱动组件设置在所述箱体内，用于驱动所述空心加长杆转动，并用于驱动所述空心加长杆沿其轴
向直线运动；所述钻孔组件设置在所述空心加长杆的一端；所述空心加长杆上设置有相互
连通的进气口和进气门；所述进气口与所述气压泵连通；

[0007] 所述爆炸球包括爆炸球外壳、内核骨架和橡皮囊；所述爆炸球外壳上相对设置有安装孔；所述爆炸球外壳通过所述安装孔套设在所述空心加长杆上；所述内核骨架呈中空
球体状；所述内核骨架上相对设置有限位孔；所述内核骨架通过所述限位孔套设在所述空
心加长杆上，并与所述空心加长杆固定连接；所述内核骨架位于所述爆炸球外壳内，并与所
述爆炸球外壳同心设置；所述内核骨架上还设置有多个与所述发射孔配合使用的定位孔；
所述橡皮囊环绕设置在所述空心加长杆上，并与所述进气门连通；所述橡皮囊位于所述内
核骨架内；所述定位孔内设置有弹簧和弹珠；所述弹簧的一端与所述橡皮囊抵接，另一端与
所述弹珠抵接；所述弹珠与所述爆炸球外壳的内壁抵接；通过转动所述内核骨架，使得所述
定位孔与所述发射孔同轴分布，实现所述弹珠的发射。

[0008] 在一些优选地实施例中，所述用于边坡爆破的室内模拟装置还包括第一驱动组件；所述第一驱动组件设置在所述箱体内的侧壁上，用于驱动所述伸缩移动机构在平面内
移动；所述第二驱动组件设置在所述第一驱动组件上。

[0009] 在一些更加优选地实施例中，所述第一驱动组件为电动十字轨道。

[0010] 在一些更加优选地实施例中，所述第二驱动组件包括步进电机和电动伸缩杆；所述步进电机设置在所述第一驱动组件上，用于驱动所述电动伸缩杆转动；所述电动伸缩杆
设置在所述步进电机上，并与所述空心加长杆的另一端固定；所述电动伸缩杆用于驱动所
述空心加长杆沿其轴向直线运动。

[0011] 在一些优选地实施例中，所述钻孔组件包括钻头和微型电机；所述微型电机设置在所述空心加长杆的一端，用于驱动所述钻头转动。

[0012] 在一些更加优选地实施例中，所述用于边坡爆破的室内模拟装置还包括远程控制模块、无线通讯模块和控制器；所述控制器分别与所述第一驱动组件、第二驱动组件、钻孔
组件和所述气压泵电性连接，用于控制所述第一驱动组件、第二驱动组件、钻孔组件和所述
气压泵的开关；所述无线通讯模块与所述控制器电性连接；所述远程控制模块与所述控制
器通过所述无线通讯模块通讯连接。

[0013] 本发明还提出一种采用上述用于边坡爆破的室内模拟装置模拟边坡爆破的方法，包括如下步骤：

[0014] S1、将边坡模型放置于所述箱体内；

[0015] S2、将放置有所述边坡模型的所述室内模拟装置放置于离心机内，并使得放置有所述边坡模型的所述室内模拟装置旋转，使所述边坡模型达到试验所需的加速度条件；

[0016] S3、将所述爆炸球移动至所述边坡模型内；

[0017] S4、控制所述气压泵向所述橡皮囊充气，使得所述弹簧处于压缩状态；

[0018] S5、控制所述内核骨架相对于所述爆炸球外壳转动，使得所述定位孔与所述发射孔同轴分布，实现所述边坡模型的爆破。

[0019] 本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明中的用于边坡爆破的室内模拟装置使用时，通过所述第二驱动组件将所述钻孔组件移动至与所述边坡模型抵
接；所述钻孔组件向前钻进，将所述爆炸球带入所述边坡模型的内部，所述爆炸球外壳与所
述边坡模型抵接；所述第二驱动组件驱动所述空心加长杆绕其轴线转动，使得所述内核骨
架相对于所述爆炸球外壳转动，进而使得所述定位孔与所述发射孔同轴分布；所述弹珠从
所述发射孔射出至边坡模型上，实现所述边坡模型的爆破；通过采用所述爆炸球替代烈性
炸药模拟边坡爆破，使用安全；另外，在所述内核骨架的内部设置所述橡皮囊，并将所述橡
皮囊与所述气压泵连通；通过控制所述橡皮囊的大小，改变所述弹簧的压缩程度，从而可以
根据试验需要调整所述爆炸球的爆破强度。

[0020] 另一方面，通过设置远程控制模块、无线通讯模块和控制器，使得所述控制器分别与所述第一驱动组件、第二驱动组件、钻孔组件和所述气压泵电性连接，并使得所述远程控
制模块与所述控制器通过所述无线通讯模块通讯连接，可以将所述用于边坡爆破的室内模
拟装置放置于离心机中，能够模拟高重力条件下的边坡爆破试验。

附图说明

[0021] 图1是本发明某一实施例中用于边坡爆破的室内模拟装置的结构示意图。

[0022] 图2是图1用于边坡爆破的室内模拟装置中的伸缩移动机构的结构示意图。

[0023] 图3是图2伸缩移动机构中爆炸球的结构示意图。

[0024] 图4是图2伸缩移动机构中爆炸球和空心加长杆7组合时的内部结构示意图。

[0025] 图5是图1用于边坡爆破的室内模拟装置的电路示意图。

[0026] 图6是采用图1中用于边坡爆破的室内模拟装置模拟边坡爆破的方法流程图。

[0027] 其中，1、边坡模型；2、箱体；3、伸缩移动机构；4、第一驱动组件；5、步进电机；6、电动伸缩杆；7、空心加长杆；701、进气口；702、进气门；8、爆炸球外壳；9、微型电机；10、钻头；
11、限位孔；12、发射孔；13、安装孔；14、弹珠；15、弹簧；16、内核骨架；17、定位孔；18、橡皮
囊；19、输气管；20、气压泵；21、控制器；22、无线通讯模块；23、远程控制模块。

具体实施方式

[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

[0029] 请参考图1，本发明的实施例提供了一种用于边坡爆破的室内模拟装置，包括箱体2、伸缩移动机构3、爆炸球、气压泵20和第一驱动组件4。

[0030] 第一驱动组件4设置在箱体2内的侧壁上，用于驱动伸缩移动机构3在平面内移动；具体地，在本实施例中第一驱动组件4为电动十字轨道；所述电动十字轨道设置在箱体2内
的一侧壁上，可以驱动伸缩移动机构3在竖直平面内移动，实现所述钻孔组件对准边坡模型
1上需要钻孔的部位。

[0031] 参考图1和图2，伸缩移动机构3设置在所述电动十字轨道上；所述伸缩移动机构3包括第二驱动组件、空心加长杆7和钻孔组件；所述第二驱动组件设置在所述电动十字轨道
上，用于驱动所述空心加长杆7转动，并用于驱动空心加长杆7沿其轴向直线运动；所述钻孔
组件设置在空心加长杆7的一端；空心加长杆7上设置有相互连通的进气口701和进气门
702；进气口701和进气门702分别设置在空心加长杆7的侧壁上；进气口701和进气门702分
别与空心加长杆7的空心腔体连通；进气口701通过输气管19与气压泵20连通，实现进气门
702与气压泵20的连通；在本实施例中，气压泵20设置在箱体2的外侧壁上(图中未示出)。

[0032] 具体地，所述第二驱动组件包括步进电机5和电动伸缩杆6；步进电机5设置在所述电动十字轨道上，用于驱动电动伸缩杆6转动，从而带动空心加长杆7转动；电动伸缩杆6设
置在步进电机5上，并与空心加长杆7的另一端固定；电动伸缩杆6用于驱动空心加长杆7沿
其轴向直线运动，从而带动所述钻孔组件沿其轴向直线运动；空心加长杆7、电动伸缩杆6和
步进电机5的转轴同轴设置，使得步进电机5的转轴转动时，空心加长杆7能够绕其自身的轴
线转动。

[0033] 所述钻孔组件包括钻头10和微型电机9；微型电机9设置在空心加长杆7的一端，用于驱动钻头10；钻孔组件和所述爆炸球沿空心加长杆7的轴向同轴分布；钻孔组件在空心加
长杆7径向上的尺寸小于所述爆炸球在所述空心加长杆7径向上是尺寸，所以当所述钻孔组
件在所述边坡模型1上钻孔时，在电动伸缩杆6的推动作用下，所述爆炸球随钻孔组件挤入
边坡模型1内；所述爆炸球到达指定位置后，由于爆炸球外壳8与边坡模型1抵接，能够限制
爆炸球外壳8转动。

[0034] 参考图3和图4，所述爆炸球包括爆炸球外壳8、内核骨架16和橡皮囊18；所述爆炸球外壳8上相对设置有安装孔13；爆炸球外壳8通过安装孔13套设在空心加长杆7上；内核骨
架16呈中空球体状；内核骨架16上相对设置有限位孔11；内核骨架16通过限位孔11套设在
空心加长杆7上，并与空心加长杆7固定连接；空心加长杆7转动时，可以带动内核骨架16一
起转动；内核骨架16位于爆炸球外壳8内，并与爆炸球外壳8同心设置；内核骨架16上还设置
有多个与发射孔12配合使用的定位孔17；橡皮囊18环绕设置在空心加长杆7上，并与进气门
702连通；橡皮囊18位于内核骨架16内；定位孔17内设置有弹簧15和弹珠14；弹簧15的一端
与橡皮囊18抵接，另一端与弹珠14抵接；弹珠14在弹簧15的作用下，与爆炸球外壳8的内壁
抵接；通过转动内核骨架16，使得定位孔17与发射孔12同轴分布，弹珠14沿发射孔12射出至
边坡模型1上，实现边坡模型1的爆破。

[0035] 进一步地，参考图5，所述用于边坡爆破的室内模拟装置还包括远程控制模块23、无线通讯模块22和控制器21；控制器21分别与所述电动十字轨道、步进电机5、电动伸缩杆
6、微型电机9和气压泵20电性连接，用于控制所述电动十字轨道、步进电机5、电动伸缩杆6、
微型电机9和气压泵20的开关；控制器21和无线通讯模块22分别设置在箱体2的外侧壁上；
无线通讯模块22与控制器21电性连接；远程控制模块23与控制器21通过无线通讯模块22通
讯连接；试验时，可以将所述用于边坡爆破的室内模拟装置放置于离心机中，使得边坡模型
1高速旋转至达到试验所需的加速度条件，模拟高重力条件下的边坡爆破试验。

[0036] 参考图6，采用本实施例中用于边坡爆破的室内模拟装置模拟边坡爆破的方法，包括如下步骤：

[0037] S1、将边坡模型1放置于箱体2内的相应位置，使得边坡模型1与所述电动十字轨道相对设置；

[0038] S2、将放置有边坡模型1的所述室内模拟装置放置于离心机内，并使得放置有边坡模型1的所述室内模拟装置旋转，从而使得边坡模型1旋转达到试验所需的加速度条件；

[0039] S3、通过所述电动十字轨道调整伸缩移动机构3的位置，开启电动伸缩杆6和微型电机9，将所述爆炸球移动至边坡模型1内；

[0040] S4、控制气压泵20向橡皮囊18充气，使得弹簧15处于压缩状态；可以根据试验需要通过气压泵20控制橡皮囊18的大小，调整弹簧15的压缩程度，控制弹珠14射出的速度，从而
调整所述爆炸球的爆破强度；

[0041] S5、通过所述步进电机5转动空心加长杆7，使得内核骨架16相对于所述爆炸球外壳8转动，当定位孔17与发射孔12同轴分布时，弹珠14通过发射孔12射出至边坡模型1上，实
现边坡模型1的爆破。

[0042] 在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词
的使用不应限制本申请请求保护的范围。

[0043] 在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

[0044] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。