CN102116721A - 循环拉压波动加载岩石剪切蠕变试验系统 - Google Patents

循环拉压波动加载岩石剪切蠕变试验系统 Download PDF

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本发明提供一种能够实现法向循环拉压波动加载的岩石剪切蠕变试验系统。其特征是采用法向动态作动器、水平单向作动器、全数字闭环伺服控制器、液压方向控制器、交流伺服电机驱动器、压力腔的有机结合实现法向应力动态长期连续加载与精确控制问题;采用法向拉压反力框架,滚轴承和法向拉压平动传力柱来解决法向拉压反力施加与动力机构响应问题。

Description

循环拉压波动加载岩石剪切蠕变试验系统
[0001] 技术领域岩石力学试验技术与设备领域
[0002] 背景技术当前岩石力学剪切蠕变试验主要是常法向应力条件下的剪切蠕变试 验,试验设备多为砝码式恒重扩力加载,而现实的岩石处在人类工程活动应力扰动的环境, 传统的砝码式恒重扩力加载无法改变法向应力,不能反映应力扰动条件下岩石的剪切蠕变 特性。实现应力扰动条件下的岩石剪切蠕变试验主要的技术难题在于:法向应力动态长期 连续加载与精确控制;法向拉压反力施加与动力机构响应。传统的岩石力学剪切蠕变常法 向应力条件加载,以及法向应力长期动态加载的两个技术难题,导致目前没有模拟应力扰 动条件下岩石的剪切蠕变试验技术及设备。
[0003] 发明内容本发明提供一种能够实现法向循环拉压波动加载的岩石剪切蠕变试 验系统。其特征是采用法向动态作动器、水平单向作动器、全数字闭环伺服控制器、液压方 向控制器、交流伺服电机驱动器、压力腔的有机结合实现法向应力动态长期连续加载与精 确控制问题;采用法向拉压反力框架,滚轴承和法向拉压平动传力柱来解决法向拉压反力 施加与动力机构响应问题。
[0004] 循环拉压波动加载岩石剪切蠕变试验系统,由主机加载框架部分,长期连续动态 加载与控制部分,法向拉压反力机构部分,物理量测量部分构成,所述主机加载框架部分由 刚性立柱1,上横梁2,中横梁3,底座4,水平反力框架5,法向拉压垫14,水平剪切压垫15 和剪切约束梁16组成;所述长期连续动态加载与控制部分由法向动态作动器7,法向动态 作动器上腔8,法向动态作动器下腔9,水平单向作动器10,岩样下端面17,油管18,压力腔 19,水平向交流伺服电机驱动器21,法向交流伺服电机驱动器22,水平向全数字闭环伺服 控制器23,法向全数字闭环伺服控制器24,液压方向控制器沈,数据导线20和计算机25组 成;所述法向拉压反力机构部分由法向拉压反力框架11,滚轴承12和法向拉压平动传力柱 13组成;所述物理量测量部分由法向负荷传感器27,法向差动变压位移传感器观,水平向 差动变压位移传感器四和水平向负荷传感器30组成。
[0005] 基本原理与技术:根据应力扰动条件下岩石的剪切蠕变试验对法向应力动态长期 连续加载与精确控制的需求,采用交流伺服电机驱动器与压力腔组合,提供法向应力的长 期连续加载;采用法向动态作动器与水平单向作动器的组合,实现法向动态加载,水平剪切 的功能;采用全数字闭环伺服控制器和交流伺服电机驱动器组成双闭环控制系统,实现试 验过程长期的精确控制。根据应力扰动条件下岩石的剪切蠕变试验对法向拉压反力施加与 动力机构响应的需求,采用液压方向控制器和法向动态作动器,提供法向拉压应力;采用法 向拉压反力框架,滚轴承和法向拉压平动传力柱组成可在法向承受拉压应力、水平向剪切 的法向拉压反力机构,实现对岩样法向拉压应力与水平剪切应力的施加。
[0006] 循环拉压波动加载岩石剪切蠕变试验系统,由主机加载框架部分,长期连续动态 加载与控制部分,法向拉压反力机构部分,物理量测量部分构成。
[0007] 主机加载框架部分由刚性立柱1,上横梁2,中横梁3,底座4,水平反力框架5,法向 拉压垫14,水平剪切压垫15和剪切约束梁16组成。刚性立柱1为与上横梁2,中横梁3,底 座4组成立柱式法向反力钢结构;水平反力框架5为框架式反力钢结构;法向拉压垫14为硬化处理钢,与岩样6端面大小面积相同;水平剪切压垫15和剪切约束梁16使样品6沿中 部发生剪切。
[0008] 长期连续动态加载与控制部分由法向动态作动器7,法向动态作动器上腔8,法向 动态作动器下腔9,水平单向作动器10,岩样下端面17,油管18,压力腔19,水平向交流伺服 电机驱动器21,法向交流伺服电机驱动器22,水平向全数字闭环伺服控制器23,法向全数 字闭环伺服控制器对,液压方向控制器沈,数据导线20和计算机25组成。计算机25通过 数据导线20与水平向全数字闭环伺服控制器23、法向全数字闭环伺服控制器对进行数字 信号通信和控制,水平向全数字闭环伺服控制器23和法向全数字闭环伺服控制器M分别 接收法向与水平向物理量测量信号与计算机25发出的试验过程信号进行伺服运算,分别 通过数据导线20调节水平向交流伺服电机驱动器21和法向交流伺服电机驱动器22,水平 向交流伺服电机驱动器21和法向交流伺服电机驱动器22分别通过数据导线20进行自伺 服,响应水平向全数字闭环伺服控制器23和法向全数字闭环伺服控制器M发出的信号,水 平向交流伺服电机驱动器21和法向交流伺服电机驱动器22分别对压力腔19施加压力,液 压方向控制器沈根据法向全数字闭环伺服控制器M信号对法向动态作动器上腔8和法向 动态作动器下腔9加压,使法向动态作动器7对岩样6施加拉压动态加载。水平向全数字 闭环伺服控制器23和法向全数字闭环伺服控制器M控制频响为5kHz,负荷通道分辨率为 士 100000级;水平向交流伺服电机驱动器21和法向交流伺服电机驱动器22为光栅式全闭 环伺服控制;加载时常大于1500小时。
[0009] 法向拉压反力机构部分由法向拉压反力框架11,滚轴承12和法向拉压平动传力 柱13组成。拉压反力框架11顶部封闭,底部开口 ;滚轴承12布置反力框架11内上部和下 部,上部一排,下部二排,下部滚轴承12由法向拉压平动传力柱13在中间分为二排;滚轴承 12可在水平方向滚动自转;法向拉压平动传力柱13位于法向拉压反力框架11内中部,可 沿水平方向平动,既可受上部轴承12压力,也可受下部轴承12压力,同时还能够水平平动, 实现了对岩样6法向拉压应力与的施加,同时可适应样品水平剪切位移。
[0010] 物理量测量部分由法向负荷传感器27,法向差动变压位移传感器观,水平向差动 变压位移传感器四和水平向负荷传感器30组成。
[0011] 附图说明:附图是循环拉压波动加载岩石剪切蠕变试验系统结构图。图中1 :刚 性立柱;2 :上横梁;3 :中横梁;4 :底座;5 :水平反力框架;6 :岩样;7 :法向动态作动器;8 : 法向动态作动器上腔;9 :法向动态作动器下腔;10 :水平单向作动器;11 :法向拉压反力框 架;12 :滚轴承;13 :法向拉压平动传力柱;14 :法向拉压垫;15 :水平剪切压垫;16 :剪切约 束梁;17 :岩样下端面;18 :油管;19 :压力腔;20 :数据导线;21 :水平向交流伺服电机驱动 器;22 :法向交流伺服电机驱动器;23 :水平向全数字闭环伺服控制器;24 :法向全数字闭 环伺服控制器;25 :计算机;26 :液压方向控制器;27 :法向负荷传感器;28 :法向差动变压 位移传感器;29 :水平向差动变压位移传感器;30 :水平向负荷传感器
[0012] 具体实施方式1.打开计算机25,打开水平向全数字闭环伺服控制器23和法向全 数字闭环伺服控制器对,联结计算机25与水平向全数字闭环伺服控制器23和法向全数字 闭环伺服控制器对的通讯。
[0013] 2.在法向拉压垫14、岩样下端面17与岩样6接触面均勻涂抹高强粘结剂,待高强 粘结剂固化后,打开水平向交流伺服电机驱动器21和法向交流伺服电机驱动器22电源。[0014] 3.在计算机25上设置好物理量测量部分各个传感器采样参数,设置好试验过程 力加载或位移加载参数波形,开始进行循环拉压波动加载岩石剪切蠕变试验。
[0015] 4.完成试验过程后,在计算机25上保存试验过程动态测量部分各传感器数值,将 法向动态作动器7向上位移,卸下岩样6,完成试验。

Claims (1)

1. 一种能够实现法向循环拉压波动加载的岩石剪切蠕变试验系统,由主机加载框架部 分,长期连续动态加载与控制部分,法向拉压反力机构部分,物理量测量部分构成,所述主 机加载框架部分由刚性立柱(1),上横梁(2),中横梁⑶,底座(4),水平反力框架(5),法向 拉压垫(14),水平剪切压垫(15)和剪切约束梁(16)组成,刚性立柱(1)为与上横梁0), 中横梁(3),底座(4)组成立柱式法向反力钢结构,水平反力框架(5)为框架式反力钢结构, 法向拉压垫(14)为硬化处理钢,与岩样(6)端面大小面积相同,水平剪切压垫(15)和剪切 约束梁(16)使样品(6)沿中部发生剪切;所述长期连续动态加载与控制部分由法向动态作 动器(7),法向动态作动器上腔(8),法向动态作动器下腔(9),水平单向作动器(10),岩样 下端面(17),油管(18),压力腔(19),水平向交流伺服电机驱动器01),法向交流伺服电机 驱动器(22),水平向全数字闭环伺服控制器(23),法向全数字闭环伺服控制器(M),液压 方向控制器(¾),数据导线(20)和计算机0¾组成,计算机0¾通过数据导线OO)与水 平向全数字闭环伺服控制器(23)、法向全数字闭环伺服控制器04)进行数字信号通信和 控制,水平向全数字闭环伺服控制器和法向全数字闭环伺服控制器04)分别接收法 向与水平向物理量测量信号与计算机0¾发出的试验过程信号进行伺服运算,分别通过 数据导线00)调节水平向交流伺服电机驱动器和法向交流伺服电机驱动器(22),水 平向交流伺服电机驱动器和法向交流伺服电机驱动器02)分别通过数据导线00) 进行自伺服,响应水平向全数字闭环伺服控制器03)和法向全数字闭环伺服控制器04) 发出的信号,水平向交流伺服电机驱动器和法向交流伺服电机驱动器0¾分别对压 力腔(19)施加压力,液压方向控制器06)根据法向全数字闭环伺服控制器04)信号对法 向动态作动器上腔⑶和法向动态作动器下腔(9)加压,使法向动态作动器(7)对岩样(6) 施加拉压动态加载;所述法向拉压反力机构部分由法向拉压反力框架(11),滚轴承(12)和 法向拉压平动传力柱(1¾组成,拉压反力框架(11)顶部封闭,底部开口,滚轴承(1¾布置 反力框架(11)内上部和下部,上部一排,下部二排,下部滚轴承(1¾由法向拉压平动传力 柱(1¾在中间分为二排,滚轴承(1¾可在水平方向滚动自转,法向拉压平动传力柱(13) 位于法向拉压反力框架(11)内中部,可沿水平方向平动,既可受上部轴承(12)压力,也可 受下部轴承(1¾压力,同时还能够水平平动,实现了对岩样(6)法向拉压应力与的施加,同 时可适应样品水平剪切位移;所述物理量测量部分由法向负荷传感器(27),法向差动变压 位移传感器(观),水平向差动变压位移传感器09)和水平向负荷传感器(30)组成。
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