CN101949803B - 一种岩石实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种岩石实验装置，包括轴向位移传感器、径向位移传感器、实验腔，实验腔设有高压进液口(30)、高压出液口(32)，高压进液口(30)通过高压进液管(8)与高压泵(1)连通，高压出液口(32)通过高压出液管(7)与储液罐(3)连通，高压泵(1)通过引液管(2)与储液罐(3)中的液体连通，储液罐(3)设有电加热管(4)；实验腔由下压垫(12)、下盖(13)、筒体(28)、上盖(16)和上压垫(25)组成；位于上盖(16)的内腔设有环形槽(39)，对应环形槽(39)的上盖(16)设有低压出液口(31)。本发明具有温度波动小，测量精度高，结构简单，拆装方便的特点。

Description

一种岩石实验装置

技术领域

本发明涉及一种高温高压实验装置，尤其涉及一种用于岩石蠕变实验的高温高压实验装置。

背景技术

岩石实验装置是一种安装在蠕变试验机上，用于模拟岩石在高温高压环境下变形的实验装置。该装置提供一种长时间保持被测岩石试件在恒温、恒压、恒力的实验环境准确测量岩石的蠕变参数，如轴向位移和径向位移，同时能描绘出位移与时间的关系曲线。岩石实验装置应用于隧道挖掘、矿山开采、地质研究和地热应用等研究领域。但现有实验装置是在实验装置外表面装电磁加热器或在实验装置内用电加热管加热，因实验装置腔内被加热的液体较少，温度波动较大，不能提供恒温的模拟环境，同时现有装置结构复杂，体积大，重量重，给拆装和更换岩石试件增加了困难。如图5所示，金属结构件的受力面在受力后会产生变形，在受力区外会产生翘曲，如果测量的长度在微米(μm)级，则翘曲变形必须考虑在内。如图6所示，现有实验装置轴向位移传感器53的测量点放在翘曲面上，测量装置会产生歪斜和产生轴向位移误差。同时，现有装置的上压杆与上盖间隙小，并采用密封圈密封，为了密封较高压力的液体，密封圈过盈量取值都较大，这种密封方法存在以下问题：由于上压杆轴向移动速度很小，产生的摩擦为静摩擦，又因密封圈材料有弹性，因此密封圈对上压杆的摩擦产生的轴向阻力误差是不确定的，这种密封方法在测量轴向力时会产生较大的测量误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为克服现有岩石实验装置的缺点和不足，提供一种温度波动小，测量精度高，结构简单，拆装方便的岩石实验装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种岩石实验装置，包括轴向位移传感器、径向位移传感器、实验腔，实验腔设有高压进液口、高压出液口，高压进液口通过高压进液管与高压泵连通，高压出液口通过高压出液管与储液罐连通，高压泵通过引液管与储液罐中的液体连通，储液罐设有电加热管。

作为改进，轴向位移传感器包括上轴向位移传感器和下轴向位移传感器，实验腔由下压垫、下盖、筒体、上盖和上压垫组成，上盖和下盖分别位于筒体的上、下两端并与筒体固定在一起，上盖内腔装有上压杆和上压垫，上压杆位于上压垫的上部，上压杆纵向设有通孔，上压垫纵向设有盲孔，上压杆设有的通孔与上压垫设有的盲孔相对应，上探头立杆的底部穿过上压杆的通孔到达上压垫的盲孔底端，上探头立杆的上端安装有上探头压簧，上探头立杆的上部与上探头横梁的一端连接，上轴向位移传感器的探头顶在上探头横梁的另一端；下压垫位于下盖的上端，下盖纵向设有通孔，下压垫纵向设有盲孔，下盖设有的通孔与下压垫设有的盲孔相对应，下探头立杆的顶部穿过下盖的通孔到达下压垫的盲孔顶端，下探头立杆的下端安装有下探头压簧，下探头立杆的下部与下探头横梁的一端连接，下轴向位移传感器的探头顶在下探头横梁的另一端。

作为改进，所述上压杆与上盖之间留有间隙，位于上盖的内腔设有环形槽，对应环形槽的上盖设有低压出液口，低压出液口通过常压泄油管与储液罐相通。

作为改进，在上压杆的通孔和上探头立杆之间，以及在下盖的通孔、底座的盲孔与下探头立杆之间设有轴套。

本发明的技术效果是：本发明岩石实验装置是在外面的储液罐里加热，温度容易控制，波动小，高压泵压出的高压液体从实验腔的高压进液口进入，充满实验腔，从高压出液口流出，经调节阀调节流量后最终返回储液灌内，储液灌内的液体在电加热管等温控机构的作用下温度保持在实验要求的范围内，由于液体的不断循环，实验腔以及腔内的被测岩石试件的温度和压力就保持恒定，因此，实验腔内的液体形成循环供给，液体的压力和温度稳定性好，较好地模仿地下深层岩石的真实环境。本发明实验装置还具有结构简单，容易拆装的特点。本发明轴向位移测点以断面的中心点为测点，而不是把测量点放在翘曲面上，因此，本发明测量装置具有不会产生歪斜和轴向位移误差小的优点。本发明采用间隙减压的方法，让液体顺着上压杆外表面与上盖内表面之间的间隙流动，然后进入上盖环形槽空腔内减为低压(控制在0.2MP以下)，环形槽中的液体最终经过低压出液口返回储液灌，在试验状态下，实验腔内的压力与温度是恒定的，则通过间隙的液体流量和流速也是恒定的，由此，由间隙里的液体流动而作用在上压杆上的轴向力也是恒定的，可以被预先准确测定，又因为经过间隙流到环形槽内的液体压力为低压，环形槽上部的橡胶密封圈在低压下工作，环形槽内的低压液体对橡胶密封圈产生的压力很小，橡胶密封圈可以只采用一道，并且橡胶密封圈对上压杆过盈量可以采用较小的数值，因此橡胶密封圈对上压杆的摩擦产生的不确定的轴向阻力误差很小，可控制在允许的测量误差范围内，同时，本发明用两个高精度传感器测量试件的上、下两个端面，在蠕变试验中这两个端面相对于零点的上平面位移大，下平面位移小，上、下平面位移的差值就是试件的蠕变量，因此，本发明有效消除实验装置本身对测量数据的干扰，测量精度高。

附图说明

图1是本发明岩石实验装置系统示意图。

图2是本发明岩石实验装置主视剖视图。

图3是本发明岩石实验装置左视剖视图。

图4是本发明岩石实验装置轴向位移测定原理图。

图5是结构件受力翘曲示意图。

图6是现有岩石实验装置位移测定示意图。

具体实施方式

本发明通过附图和实施例详细说明：

如图1至图3所示，本发明一种岩石实验装置，包括轴向位移传感器、径向位移传感器、实验腔，轴向位移传感器包括上轴向位移传感器23和下轴向位移传感器24，上轴向位移传感器23和下轴向位移传感器24固定在传感器架27上，传感器架27固定在筒体28上，径向位移传感器33为4个，用于测量径向位移，这4个传感器在被测试岩石29侧面圆周上均匀分布，并且所有径向位移传感器探头都顶在被测试岩石29上。

实验腔由下压垫12、下盖13、筒体28、上盖16和上压垫25组成，上盖16和下盖13分别位于筒体28的上、下两端并与筒体28通过螺栓固定在一起，上盖16内腔装有上压杆18和上压垫25，上压杆18位于上压垫25的上部，上压杆18纵向设有通孔，上压垫25纵向设有盲孔，上压杆18设有的通孔与上压垫25设有的盲孔相对应并且同心，上压头19位于上压杆18的上端并通过螺纹与上压杆18固定，上探头立杆26的底部穿过上压杆18的通孔到达上压垫25的盲孔底端，上探头立杆26的上端安装有上探头压簧20，上压头19将上探头压簧20的另一端进行限定，上探头压簧20限定上探头立杆26的锥形底部始终与上压垫25的盲孔锥形底端接触。上探头立杆26的上部与上探头横梁22的一端连接，上轴向位移传感器23的探头顶在上探头横梁22的另一端。下压垫12位于下盖13的上端，下盖13纵向设有通孔，下压垫12纵向设有盲孔，下盖13设有的通孔与下压垫12设有的盲孔相对应并同心，下探头立杆36的锥形顶部穿过下盖13的通孔到达下压垫12的盲孔锥形顶端，下盖13下端设有底座11，底座11通过螺栓与下盖13固定。底座11设有盲孔，盲孔装有下探头压簧54，下探头压簧54限定下探头立杆36的顶部始终与下压垫12的盲孔底端接触。下探头立杆36的下部与下探头横梁37的一端连接，下轴向位移传感器24的探头顶在下探头横梁37的另一端。所述上压杆18的外圆周表面与上盖16的内圆周表面之间留有间隙，位于上盖16的内腔设有环形槽39，对应环形槽39的上盖16设有低压出液口31，低压出液口31通过低压泄油管9、漏斗5与储液罐3相通。实验腔设有高压进液口30、高压出液口32，高压进液口30通过高压进液管8与高压泵1连通，高压出液口32通过高压出液管7、调节阀6与储液罐3连通，高压泵1通过引液管2与储液罐3中的液体连通，储液罐3设有电加热管4，电加热管4用来对液体加热。在上压杆18的通孔和上探头立杆26之间，以及下盖13的通孔、底座11的盲孔与下探头立杆36之间设有导向套21，导向套21确保上探头立杆26、下探头立杆36只能在轴线方向移动。在实验腔设有温度传感器14和压力传感器15。位于环形槽39上端，上盖16与上压杆18之间装有橡胶密封圈17。被测试岩石29预置于实验腔内，与上压垫25的下平面和下压垫12的上平面相接触，当试验机10将力作用在上压头19上时，试验机10的压力通过上压头19、上压杆18和上压垫25作用于被测试岩石29上。高压泵2压出的高压液体在实验腔一侧的高压进液口30进入，充满实验腔，从另一侧的高压出液口32流出，经调节阀6调节流量后最终返回储液罐3内，储液罐3内的液体在电加热管4等温控机构的作用下温度保持在试验要求范围内，由于液体的不断循环，实验腔以及腔内的被测试岩石29的温度和压力保持恒定。上轴向位移传感器23和下轴向位移传感器24分别指示被测试岩石29的上平面和下平面相对于筒体28的位移，上轴向位移传感器23和下轴向位移传感器24显示的位移量数值的差值就是被测试岩石29的轴向蠕变位移。这一测量方法消除了现有实验装置本身因轴向力引起的弹性变形量所叠加的测量误差。

上压杆18的外表面与上盖16的内表面之间的间隙数值计算实施例：

取：试件外径φ50mm，高度100mm；

筒体28的内孔直径φ110mm，实验腔内液体的高度120mm；

上压杆18外径φ60mm；

上压杆18外圆面与上盖16之间的内圆面间隙为0.05mm；

液体流动间隙长度140mm；

试验腔体内的液体为40号液压油，80℃时液压油的粘度0.015Pa·s；

高压泵1输出压力31.5MP，流量200ml/s；

当液体流经间隙后，环形槽内的液体减压到0.1MP。

根据流体力学原理，间隙内液体流动的计算公式是：

$q_v=\frac{{\mathrm{\πdh}}^3}{12\mathrm{\μL}}\mathrm{\ΔP}$

式中：

qv：流量

h：间隙＝0.05mm

μ：粘度＝0.015Pa·s

L：间隙长度＝140mm

d：上压杆18外径φ60mm

ΔP：间隙两端压差＝31.5-0.1＝31.4Mpa，计算时取：ΔP＝31.4×10⁶Pa

计算得：qv＝29344mm³/s≈30ml/s

又因为高压泵最大流量为200ml/s，则经过高压出液口32流出的液体流量最高可达到170ml/s。筒体28的内孔直径φ110mm，实验腔液体的高度120mm，则实验腔内液体最大体积1140ml，实验腔内液体最大循环周期1140∶200＝5.7秒/次。

如图4所示，本发明岩石实验装置纵向位移测定原理图，被测试岩石29的下平面为Y1，上平面为Y2，在蠕变试验中下压垫12的蠕变使Y1平面产生了ΔY1的变形量，上平面Y2产生了ΔY2的变形量，被测试岩石29的蠕变量为ΔY，

则：ΔY＝ΔY2-ΔY1

ΔY就是被测试岩石29准确的蠕变量。

本发明提到的液体压力数值都是指与大气压力的差值。

本发明是根据附图提到的实施例进行了说明，这只是其中的实施例，本领域技术人员可以从本实施例获得启发，进行变形得到其它实施例。因此，本发明的保护范围应该根据权利要求的保护范围来确定。

Claims (3)

1.一种岩石实验装置，包括轴向位移传感器、径向位移传感器、实验腔，其特征在于：实验腔设有高压进液口(30)、高压出液口(32)，高压进液口(30)通过高压进液管(8)与高压泵(1)连通，高压出液口(32)通过高压出液管(7)与储液罐(3)连通，高压泵(1)通过引液管(2)与储液罐(3)中的液体连通，储液罐(3)设有电加热管(4)，所述轴向位移传感器包括上轴向位移传感器(23)和下轴向位移传感器(24)，实验腔由下压垫(12)、下盖(13)、筒体(28)、上盖(16)和上压垫(25)组成，上盖(16)和下盖(13)分别位于筒体(28)的上、下两端并与筒体(28)固定，上盖(16)内腔装有上压杆(18)和上压垫(25)，上压杆(18)位于上压垫(25)的上部，上压杆(18)纵向设有通孔，上压垫(25)纵向设有盲孔，上压杆(18)设有的通孔与上压垫(25)设有的盲孔相对应并且同心，上探头立杆(26)的底部穿过上压杆(18)的通孔到达上压垫(25)的盲孔底端，上探头立杆(26)的上端安装有上探头压簧(20)，上探头立杆(26)的上部与上探头横梁(22)的一端连接，上轴向位移传感器(23)的探头顶在上探头横梁(22)的另一端；下压垫(12)位于下盖(13)的上端，下盖(13)纵向设有通孔，下压垫(12)纵向设有盲孔，下盖(13)设有的通孔与下压垫(12)设有的盲孔相对应并且同心，下探头立杆(36)的顶部穿过下盖(13)的通孔到达下压垫(12)的盲孔顶端，下探头立杆(36)的下端安装有下探头压簧(54)，下探头立杆(36)的下部与下探头横梁(37)的一端连接，下轴向位移传感器(24)的探头顶在下探头横梁(37)的另一端。

2.根据权力要求1所述一种岩石实验装置，其特征在于：所述上压杆(18)的外圆周表面与上盖(16)的内圆周表面之间留有间隙，位于上盖(16)的内腔设有环形槽(39)，对应环形槽(39)的上盖(16)设有低压出液口(31)，低压出液口(31)通过低压泄油管(9)与储液罐(3)相通。

3.根据权力要求2所述一种岩石实验装置，其特征在于：在上压杆(18)的通孔和上探头立杆(26)之间，以及在下盖(13)的通孔与下探头立杆(36)之间设有轴套(21)。

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