CN101294881B - 一种机械式自动维持恒定液压试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械式自动维持恒定液压试验系统，包括支座、轴承支架、滚轴，垫板通过螺母固定在支架上，支座、增压器通过螺栓固定在垫板上，轴承支架通过螺栓固定在支座上，支撑杆通过轴与轴承支架相连，螺杆连在支撑杆一端，平衡块套在螺杆上，圆柱块通过螺栓固定在支撑杆上并与增压器接触，滑块通过压块卡在支撑杆上，压块通过沉头螺钉与支撑杆相连，移动螺杆前端通过螺母座与支撑杆相连，后端通过圆压板和沉头螺钉与滑块相连，滚轴在滑块上面，吊架通过滚动轴承与滚轴相连，圆盘通过连接螺杆与吊架相连，吊篮与圆盘相连，水平仪置于支撑杆上方。本发明可长周期提供恒定液压源，不受外界影响，结构简单，性能稳定，操作方便。

Description

一种机械式自动维持恒定液压试验系统

技术领域

本发明涉及一种机械式自动维持恒定液压试验系统，尤其适用于岩石在不同轴向压力下的蠕变试验中，试验结果可广泛应用于岩石的蠕变破坏研究中，这对岩体工程的长期稳定性研究具有重要的理论价值和现实意义。

背景技术

岩石蠕变一般指岩石在恒定应力条件下变形随时间逐渐增长的力学现象。岩石的蠕变研究对于合理评价岩体的长期稳定性，即岩石力学行为的时间效应是必不可少的。蠕变现象广泛存在于各类岩石工程中，大量的工程失稳都与岩石的蠕变特征密切相关。在软岩巷道中的蠕变现象更为明显，巷道周边围岩在支架的维护下岩石的应力并不明显增大，但其变形随着时间推移增大。岩石蠕变特征的研究对岩体工程的长期稳定性分析具有重要的理论价值和现实意义。

因此，蠕变现象已经引起了广泛的关注，从现场的蠕变位移监测、室内蠕变实验到进行考虑蠕变的稳定性数值模拟，人们从各个方面来揭示蠕变机理。现场监测具有费用大、数据处理不方便、受外界干扰大等缺点，数值模拟虽然简单，但需要建立蠕变模型，必须进行室内蠕变试验来获得相应的蠕变模型及相应的参数。因此，蠕变试验成为研究岩土蠕变特性的必需的手段。

蠕变试验有分别加载和分级加载两种，分别加载就是对于同一种岩样的若干试样，在完全相同的仪器和完全相同的试验条件下，进行不同应力水平下的蠕变试验，从而得到不同应力应变水平下的蠕变曲线；从理论上说，分别加载能较好符合蠕变试验所需的条件，且能直接得到蠕变全过程曲线，但要做到严格的分别加载需要保证在完全相同的实验条件下和多套完全相同的仪器同时来做长时间的蠕变实验，这是很难满足的，因此分别加载只适用于有多台相同试验仪器且试验条件可以保证相同的蠕变试验。分级加载就是在同一试样上逐级加上不同的应力，即在某一级应力水平下让岩样蠕变给定的时间，然后将应力水平提高到下一级的水平，直到预定的应力水平。

可见，岩石蠕变试验过程中，如何使岩样始终处于恒定的预定应力水平下是关键。目前国内外主要通过以下三种方法提供恒载：

(1)利用电液伺服控制系统提供恒载：该方法压力的输出有波动、难以保证真正的恒载，能耗大、试验成本高，一些周期长的试验很难完成。

(2)利用杠杆原理提供恒载：该方法受外界影响较大，在试验过程中，杠杆容易出现倾斜等现象，此时扩力比就会发生变化，不能保证恒载。

(3)利用砝码直接堆砌提供恒载：该方法不能增压，笨重，操作不便，效率不高。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种机械式自动维持恒定液压试验系统，该装置结构简单，组装紧凑、可扩充性强、应用性强，性能稳定、不需要动力源，可实现长周期恒力加载，操作方便。具体地说，其一是不管外部条件如何变化，如温度变化、振动影响等，该装置始终能输出恒定的液压；其二是该装置是纯机械式的，不需要任何动力源，便于移动；其三是该装置采用了增压器，能提供连续的、不同级别的恒定液压。

该试验系统主要包括螺杆、平衡块、支座、轴承支架、垫板、圆柱块、增压器、支架、支撑杆、滑块、吊架、移动螺杆、滚轴、连接螺杆、圆盘、吊篮等主要部件，其连接关系如下：圆柱块、滑块、滚轴、增压器是本试验装置的核心部件。垫板通过螺栓固定在支架上，支座和增压器通过螺栓固定在垫板上，轴承支架通过螺栓固定在支座上，支撑杆通过轴与轴承支架相连，螺杆连在支撑杆一端，平衡块套在螺杆上，圆柱块通过螺栓固定在支撑杆上并与增压器接触，滑块通过压块卡在支撑杆上，压块通过沉头螺钉与支撑杆相连，移动螺杆前端通过螺母座与支撑杆相连，移动螺杆后端通过圆压板和沉头螺钉与滑块相连，滚轴可在滑块上面滚动，吊架通过滚动轴承与滚轴相连，圆盘通过连接螺杆与吊架相连，吊篮与圆盘相连，水平仪置于支撑杆上方。

圆柱块、滑块是该装置自动维持恒定压力的两个关键部件，只要这两个部件的几何尺寸满足一定的几何关系，即使支撑杆发生一定程度的倾斜，该装置输出的压力仍然恒定。如果支撑杆发生一定程度的倾斜，圆柱块与增压器上活塞的接触点就会发生改变，滚轴也会发生滚动，与滑块上新的点接触，从而使得两个新的接触点与轴承支架的水平距离发生改变，只要保证这两个距离的比值恒定，就可以实现恒定加载。本装置就是利用圆柱块、滑块两个关键部件来保证这两个比值恒定。

该系统与现有的提供恒定压力的设备相比，具有以下优点：

(1)本系统可以实现自动恒定加载，输出的液压不会出现波动，保证了试验结果的准确度和精确度；

(2)可以方便快捷地输出不同的恒定液压，便于操作，可扩充性强、应用性强；

(3)该系统是纯机械式的，不需要任何动力源，便于移动。

附图说明

图1为一种机械式自动维持恒定液压试验系统示意图

图2为支座和轴承支架配合示意图

图3为滑块结构意图

图4为增压器结构示意图

图5A、5B为支撑杆发生倾斜后示意图

图6A、6B为圆柱块结构示意图

图7A、7B为滑块结构示意图

图8为滚轴结构示意图

其中：1-螺杆；2-平衡块；3-六角螺母；4-六角螺母；5-支座；6-轴承支架；7-垫板；8-六角螺栓；9-圆柱块；10-六角螺栓；11-增压器；12-六角螺栓；13-六角螺栓；14-支架；15-水平仪；16-支撑杆；17-滑块；18-吊架；19-沉头螺钉；20-压块；21-沉头螺钉；22-圆压板；23-螺母座；24-移动螺杆；25-圆柱头螺钉；26-六角螺母；27-连接螺杆；28-圆盘；29-六角螺母；30-吊篮；31-轴承盖I；32-滚动轴承；33-钳端紧定螺钉；34-轴；35-轴承盖II；36-滚动轴承；37-滚轴；38-沉头螺钉；39-上活塞；40-上油缸；41-挡圈；42-O型密封圈；43-螺纹接头；44-垫圈；45-螺栓；46-垫圈；47-下油缸；48-O型密封圈；49-挡圈；50-O型密封圈；51-下活塞；52-垫圈；53-螺纹接头；54-挡圈；55-O型密封圈；56-螺纹接头；57-螺纹接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如附图1所示，该试验系统置主要包括螺杆1、平衡块2、支座5、轴承支架6、垫板7、圆柱块9、增压器11、六角螺母13、支架14、支撑杆16、滑块17、吊架18、移动螺杆24、连接螺杆27、圆盘28、吊篮30、轴承盖I31、轴承盖II35、滚动轴承36、滚轴37等部件，其中圆柱块9、滑块17、滚轴37、增压器11是本试验装置的核心部件。根据图1可知，垫板7通过六角螺母13固定在支架14上，支座5通过六角螺栓8固定在垫板7上，轴承支架6通过六角螺栓3固定在支座5上，支撑杆16通过轴34与轴承支架6相连，螺杆1连在支撑杆16一端，平衡块2套在螺杆1上，圆柱块9通过螺栓固定在支撑杆16上并与增压器11接触，滑块17通过压块20卡在支撑杆16上，压块20通过沉头螺钉21与支撑杆16相连，移动螺杆24前端通过螺母座23与支撑杆16相连，移动螺杆24后端通过圆压板22和沉头螺钉38与滑块17相连，滚轴37可在滑块17上面滚动，吊架18通过滚动轴承36与滚轴37相连，圆盘28通过连接螺杆27与吊架18相连，吊篮30与圆盘28相连，水平仪15置于支撑杆16上方，增压器11通过六角螺栓12固定在垫板7上。支架14承担着整个装置及其试验过程中所加砝码和用于微调的细沙的自重；平衡块2用于平衡自身及螺杆1、六角螺母4、圆柱块9、六角螺栓10、水平仪15、支撑杆16、滑块17、吊架18、沉头螺钉19、压块20、沉头螺钉21、圆压板22、螺母座23、移动螺杆24、圆柱头螺钉25、六角螺母26、滚轴37、连接螺杆27、圆盘28、六角螺母29、吊篮30等的自重；滚动轴承32用于连接支撑杆16与轴承支架5；用六角螺栓10将圆柱块9固定于支撑杆16下部；水平仪15置于支撑杆16上部；压块20卡住滑块17使其只能在沿支撑杆16方向移动，不能前后、上下活动，通过移动螺杆24调节滑块17在支撑杆16上面的位置；连接螺杆27通过六角螺母26与吊架18相连；圆盘28、吊篮30通过六角螺母29与连接螺杆27相连，圆盘28上面用于放置砝码，吊篮30用于装细沙来微调重量。

如附图2所示，轴承盖I31位于轴21外面，起保护作用；钳端紧定螺钉33将轴21固定于轴承支架6上面；轴承支架6通过滚动轴承32与轴34相连。

如附图3所示，轴承盖II35位于滚动轴承36外面，起保护作用；滑块17通过压块20卡在支撑杆16上；压块20通过沉头螺钉21与支撑杆16相连；吊架18通过滚动轴承36与滚轴37相连；滚轴37可以在滑块17上自由滚动。

如附图4所示，增压器11主要包括上活塞39、上油缸40、挡圈41、44、49、54、O型密封圈42、48、50、55、螺纹接头43、53、56、57、螺栓45、垫圈46、52、下油缸47、下活塞51。上活塞39位于增压器11的最上端与圆柱块9的圆弧面想接触；螺纹接头43的接口位于上活塞39下部，用于排净空气；螺纹接头53的接口位于上油缸40下部偏上，用于向上油缸40内打油，防止上活塞39往下移动位移过大，碰到挡圈41和O型密封圈42；螺纹接头56的接口位于下活塞51下部，用于排净空气；螺纹接头52的接口位于下油缸47下部偏上，用于向下油缸47内打油，防止下活塞51往下移动位移过大，碰到挡圈54和O型密封圈55；螺纹接头57接口位于增压器11最底部，直接与下油缸47相连，用于输出稳定的液压。

结合图5A、图5B，图6A、6B，图7A、7B，图8，对本装置自动提供恒定液压的原理进行详细说明如下：

其中支撑杆16与轴34的铰接处用J点表示，支撑杆16未发生倾斜前，圆柱块9与上活塞39的接触点用P表示，圆柱块9与滑块17的接触点用Q表示，P点与J点的水平距离用L₁表示，Q点与J点的水平距离用L₂表示；支撑杆16发生倾斜后，圆柱块9与上活塞39的接触点用P表示，圆柱块9与滑块17的接触点用Q表示，P点与J点的水平距离用L′₁表示，Q点与J点的水平距离用L′₂表示。

砝码及装沙微调的重量用G表示，其它重量已通过平衡块2调平，圆柱块9施加在上活塞上的压力用F表示。

支撑杆16未发生倾斜前，通过对J点取矩得到：

ΣM(J)＝0，即  F·L₁-G·L₂＝0，从而得到

$F=\frac{L_2}{L_1}\·G---\left(1\right)$

支撑杆16发生倾斜后，圆柱块9施加在上活塞上的压力用F′，砝码及装沙微调的重量不变仍为G，同理通过对J点取矩得到：

$F^{\′}=\frac{{L^{\′}}_2}{{L^{\′}}_1}\·G---\left(2\right)$

显然为了保证本装置能自动提供恒定压力，支撑杆16发生倾斜前后施加在上活塞的压力必须相等，也就是：

F′＝F        (3)

由式(1)、(2)和(3)可以得到：

$\frac{{L^{\′}}_2}{{L^{\′}}_1}=\frac{L_2}{L_1}---\left(4\right)$

根据附图6可以知道：

CD＝AB＝L₁(1-cosθ)

CE＝O′C·sinθ

DE＝CE-CD＝(R₁-h₁)sinθ-L₁(1-cosθ)

L′₁＝L₁+DE＝(R₁-h₁)sinθ+L₁cosθ    (5)

同样的道理，可以得到：

L′₂＝(R₂-h₂)sinθ+L₂cosθ    (6)

把式(5)和(6)代入式(4)得到：

$\frac{(R_1-h_1)\sin \mathrm{\θ}+L_1\cos \mathrm{\θ}}{(R_2-h_2)\sin \mathrm{\θ}+L_2\cos \mathrm{\θ}}=\frac{L_1}{L_2}$

化简后得到

$\frac{R_1-h_1}{R_2-h_2}=\frac{L_1}{L_2}---\left(7\right)$

其中，R₁、R₂分别为圆柱块9、滑块17圆弧的半径，h₁、h₂分别为圆柱块9、滑块17圆弧的最大深度。

由以上详细的理论推导可以知道，只要圆柱块9、滑块17的几何尺寸满足式(7)的比例关系，本系统在就能自动实现恒定液压输出。

本系统使用简单，操作方便，主要分以下几个步骤：

(1)首先明确试验需要的输出的恒定液压，然后根据增压器12的增压比，计算出滑块施加在上活塞39上面的压力值F；

(2)调节滑块17在支撑杆16上面的位置，以确定L₂的值，L₁的值固定不变；

(3)把F、L₁、L₂的值代入前文所述的式(1)，计算得到圆盘28和吊篮30所需要施加的重量G；

(4)根据G的数值在圆盘28上放置砝码，不足部分用吊篮40装细沙进行微调；

(5)合理规范地操作增压器11后即可自动实现恒定的液压输出。

Claims (5)

1.一种机械式自动维持恒定液压试验系统，它包括支座(5)、轴承支架(6)、垫板(7)，六角螺母(3)、滑块(17)、吊架(18)、圆盘(28)、滚动轴承(32)、轴承盖I(31)、轴承盖II(35)、滚轴(37)，其特征在于：垫板(7)通过六角螺母(13)固定在支架(14)上，支座(5)通过六角螺栓(8)固定在垫板(7)上，轴承支架(6)通过六角螺栓(3)固定在支座(5)上，支撑杆(16)通过轴(34)与轴承支架(6)相连，螺杆(1)连在支撑杆(16)一端，平衡块(2)套在螺杆(1)上，圆柱块(9)通过螺栓固定在支撑杆(16)上并与增压器(11)接触，滑块(17)通过压块(20)卡在支撑杆(16)上，压块(20)通过沉头螺钉(38)与支撑杆(16)相连，移动螺杆(24)前端通过螺母座(23)与支撑杆(16)相连，移动螺杆(24)后端通过圆压板(22)和沉头螺钉(21)与滑块(17)相连，滚轴(37)在滑块(17)上面，吊架(18)通过滚动轴承(36)与滚轴(37)相连，圆盘(28)通过连接螺杆(27)与吊架(18)相连，吊篮(30)与圆盘(28)相连，水平仪(15)置于支撑杆(16)上方，增压器(11)通过六角螺栓(12)固定在垫板(7)上，所述的增压器(11)包括上活塞(39)、上油缸(40)，上活塞(39)位于增压器(11)的上端与圆柱块(9)的圆弧面相接触，第一螺纹接头(43)的接口位于上活塞(39)下部，第二螺纹接头(53)的接口位于上油缸(40)下部偏上，第三螺纹接头(56)的接口位于下活塞(51)下部，第四螺纹接头(52)的接口位于下油缸(47)下部偏上，第五螺纹接头(57)接口位于增压器(11)最底部，直接与下油缸(47)相连，所述的支撑杆(16)与轴(34)的铰链处用J点表示，支撑杆(16)未发生倾斜前，圆柱块(9)与上活塞(39)的接触点用P表示，圆柱块(9)与滑块(17)的接触点用Q表示，并且圆柱块(9)、滑块(17)的圆弧半径R1、R2，圆柱块(9)、滑块(17)的圆弧最大深度h1、h2和P点与J点的水平距离、Q点与J点的水平距离L₁、L₂的关系满足公式

2.根据权利要求1所述的一种机械式自动维持恒定液压试验系统，其特征在于：所述的滚动轴承(32)用于连接支撑杆(16)与轴承支架(5)，六角螺栓(10)将圆柱块(9)固定于支撑杆(16)下部，水平仪(15)置于支撑杆(16)上部，滑块(17)通过压块(20)卡在支撑杆(16)上。

3.根据权利要求1所述的一种机械式自动维持恒定液压试验系统，其特征在于：所述的连接螺杆(27)通过六角螺母(26)与吊架(18)相连；所述的圆盘(28)、吊篮(30)通过六角螺母(29)与连接螺杆(27)相连。

4.根据权利要求1所述的一种机械式自动维持恒定液压试验系统，其特征在于：所述的轴承盖I(31)位于轴(34)外面，螺钉(33)将轴(34)固定于轴承支架(6)上面，轴承支架(6)通过滚动轴承(32)与轴(34)相连。

5.根据权利要求1所述的一种机械式自动维持恒定液压试验系统，其特征在于：所述的轴承盖II(35)位于滚动轴承(36)外面，滑块(17)通过压块(20)卡在支撑杆(16)上，压块(20)通过沉头螺钉(38)与支撑杆(16)相连，吊架(18)通过滚动轴承(36)与滚轴(37)相连，滚轴(37)在滑块(17)上。

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