CN103335895B - 多尺度岩石直剪仪 - Google Patents

Abstract

一种多尺度岩石直剪仪，包括框架、垂直加载机构、加载移动机构、横向载荷支撑机构、剪切加载机构、试样高度调节机构和下试样约束机构；所述垂直加载机构与所述加载移动机构的上端连接，所述加载移动机构的两侧分别于所述横向载荷支撑机构连接，所述试样高度调节机构位于所述加载移动机构的下方且两者之间为用以放置待检测试样的检测工位，所述试样高度调节机构的下方与所述下试样约束机构连接，所述检测工位的侧边设置所述剪切加载机构，所述垂直加载机构安装在所述框架上部，所述横向载荷支撑机构安装在所述框架的中上部，所述剪切加载机构安装在所述框架的中下部，所述下试样约束机构安装在所述框架的下部。本发明提供了一种有效满足大跨度载荷和试样尺寸的测试、可靠性良好的多尺度岩石直剪仪。

Description

多尺度岩石直剪仪

技术领域

[0001] 本发明涉及一种直剪仪。

背景技术

[0002]目前国内外岩体结构面抗剪强度的确定方法主要有直剪试验法、室内模型试验法和经验估算方法等。通过直剪试验，结合工程地质勘测资料综合求取结构面抗剪强度的方法为国内岩体力学工作者所常用。从资料的检索看，国内外的直剪仪设备很多:如美国Durham Geo公司生产的LG-140大型高性能接触面直剪仪，英国ELE公司生产的大型直剪仪，美国GCTS公司生产的伺服控制直剪测试系统，清华大学研制的TH-20t大型土与结构接触面循环加载剪切仪，长江科学研宄院土工研宄所的室内DHJ60型叠环式剪切试验机，四川大学水电学院研制的粗粒土直剪仪，南京土壤仪器有限公司的NHR1-4000型高性能大接触面直剪仪。这些直剪仪都没考虑多尺度试样问题，即无法满足大跨度载荷和试样尺寸的测试。专利号为CN200910155107.2的大型岩体结构面直剪试验仪的多尺度转换系统无法消除横向载荷对法向液压缸的影响，人为因素影响剪切摩擦力值较大，无法实现试样定向移动和往复剪切，整体设备操作自动化低等缺点。解决现有直剪试验仪器只能测定单一试样的岩体结构面抗剪强度的缺点，但是受到设备的制约，小型系列试样在小型设备中进行测试，中型系列试样在中型设备中测试，大型系列试样在大型设备中测试。导致的后果是各设备的测试结果无法有效衔接。主要原因在于设备的制造精度不一，甚至加载方式不一，这必然影响到结果的可靠性。

发明内容

[0003] 为了克服已有直剪仪的无法满足大跨度载荷和试样尺寸的测试、可靠性较差的不足，本发明提供了一种有效满足大跨度载荷和试样尺寸的测试、可靠性良好的多尺度岩石直剪仪。

[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

[0005] 一种多尺度岩石直剪仪，包括框架、垂直加载机构、加载移动机构、横向载荷支撑机构、剪切加载机构、试样高度调节机构和下试样约束机构；所述垂直加载机构与所述加载移动机构的上端连接，所述加载移动机构的两侧分别于所述横向载荷支撑机构连接，所述试样高度调节机构位于所述加载移动机构的下方且两者之间为用以放置待检测试样的检测工位，所述试样高度调节机构的下方与所述下试样约束机构连接，所述检测工位的侧边设置所述剪切加载机构，所述垂直加载机构安装在所述框架上部，所述横向载荷支撑机构安装在所述框架的中上部，所述剪切加载机构安装在所述框架的中下部，所述下试样约束机构安装在所述框架的下部；

[0006] 所述的剪切加载机构包括复位支撑杆、限位架、剪切框、轴承、端盖、导向杆、第一力传感器、第一液压缸、转动台、导杆、固定座、移动座、电机、锥齿轮对、螺纹杆和推杆，所述第一液压缸固定在框架上，所述第一液压缸活塞杆上固定第一力传感器的一段，所述第一力传感器另一端固定转动台，所述转动台与所述剪切框通过销连接并可转动，所述剪切框两端固定I对导向杆，所述导向杆与所述框架上的导向孔配合并可沿着其移动，所述剪切框上安装导杆，所述剪切框上安装两个固定座，所述固定座与所述剪切框一侧安装螺纹杆，所述螺纹杆分别与固定座和剪切框通过轴承连接并可绕它们转动，2根螺纹杆一端分别固定锥齿轮，所述电机安装在两个固定座之间，转轴上安装锥齿轮，3个锥齿轮形成锥齿轮对，所述限位架分别与螺纹杆和导杆连接，且通过螺纹杆转动可沿着导杆和螺纹杆水平移动；2个限位架在电机转动下可同时沿着相反方向移动，螺纹杆一端和导杆两端安装端盖，所述限位架上设置定位孔，根据试样大小安装复位支撑杆和推杆，所述在复位支撑杆和推杆之间。

[0007] 进一步，所述的垂直加载系统包括作动器、连接件、转动件、第二力传感器和承载板，所述作动器与连接件固定，所述转动件与第二力传感器一端固定，所述转动件另一端和连接件通过销连接并可互相转动，所述第二力传感器另一端与承载板固定。

[0008] 更进一步，所述的加载移动机构包括滚动导轨块和加载板，多根滚动导轨块安装在垂直加载机构的承载板下端并保持平行，滚动导轨块的移动块与加载板固定，加载板可沿着滚动导轨块移动。

[0009] 所述的横向载荷支撑机构包括轮子、轮子安装架、第三力传感器、承载板、第二液压缸和连接座，轮子沿着框架的所述框架的限位条上下移动，轮子通过连接座安装在轮子安装架上，轮子安装架与第三力传感器固定，第三力传感器与液压缸活塞杆端部固定，液压缸固定在承载板的侧板上；

[0010] 所述的横向载荷支撑机构在承载板的两边的框架上对称安装。

[0011] 所述的下试样约束机构包括左右向压紧液压缸、液压缸安装板、压紧块、试样输送小车和车轮组，所述左右向压紧液压缸安装在液压缸安装板上，所述液压缸安装板固定在框架上，左右向压紧液压缸的活塞杆上固定压紧块，所述压紧块下安装有车轮组，车轮组通过安装在框架上的导向条限位并沿着它运动，所述压紧块垂向方向设置销孔。

[0012] 所述的试样高度调节机构包括前后向压紧液压缸、压紧板、试样安放台、销和升降液压缸，2个前后向压紧液压缸前后对称安装在试样安放台，压紧板安装在前后向压紧液压缸的活塞杆上，试样安放台底部安装有升降液压缸，试样安放台侧边有设置销孔的凸板，凸板上的销孔根据试样大小和高度与下试样约束机构的压紧块的销孔对应并可安放销。

[0013] 所述的框架包括基梁、左梁、右梁和上梁，所述基梁的左端与左梁的下端固定连接，所述左梁的上端与所述上梁的左端固定连接，所述上梁的右端与右梁的上端固定连接，所述右梁的下端与所述基梁的右端固定连接。

[0014] 所述直剪仪还包括液压系统和测控系统，所述的液压系统和测控系统与第一液压缸、第二液压缸和作动器连接。

[0015] 本发明的技术构思:常规的岩体结构面直剪仪由于试验的结构面尺寸有限且无法进行多尺度的结构面直剪试验，因此不能分析岩体结构面抗剪强度尺寸效应的变化规律，也就不能得到稳定的抗剪强度力学参数，基于此提出了一种多尺度岩石直剪仪，它可测量大范围载荷和大范围尺寸试样。垂直加载机构和剪切加载机构满足一定精度要求内的载荷加载，并通过横向载荷支撑机构监控上下试样剪切的载荷。试样高度调节机构和下试样约束机构可以将不同尺寸的下试样的剪切面调整到同一高度并且进行压紧固定。剪切加载机构可以根据上试样大小调整限位架间距实现对上试样的定向移动和往复剪切运动，另外这种机构可大幅减小第一液压缸的行程而保护其寿命。

[0016] 本发明具有的有益效果:1、有效满足大跨度载荷和试样尺寸的测试、可靠性良好；2、本多尺度直剪仪具有适应性强，功能多样、自动化程度高等特点，适合试样尺寸比较大的情况。

附图说明

[0017] 图1为安装最小试样的总体结构图。

[0018] 图2为安装最大试样的总体结构图。

[0019] 图3为垂直加载机构和加载移动机构侧视图。

[0020]图4为横向载荷支撑机构。

[0021] 图5为横向载荷支撑机构与左梁或右梁连接处的俯视图。

[0022] 图6为剪切加载机构俯视图。

[0023] 图7为剪切加载机构主视图。

[0024] 图8为下试样约束机构主视图。

[0025] 图9为试样高度调节机构俯视图。

[0026] 图10为试样高度调节机构主视图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图对本发明作进一步描述。

[0028] 参照图1〜图10，一种多尺度岩石直剪仪，可测量一定吨位范围和一定尺寸范围的岩石试样，岩石直剪仪主要由垂直加载机构1、加载移动机构2、横向载荷支撑机构3、剪切加载机构4、试样高度调节机构5、下试样约束机构6、框架7、液压系统和测控系统组成。所述的框架由基梁、左梁、右梁和上梁组成，各梁之间可通过螺栓和焊接等固定。

[0029] 所述垂直加载机构I与所述加载移动机构2的上端连接，所述加载移动机构2的两侧分别于所述横向载荷支撑机构3连接，所述试样高度调节机构5位于所述加载移动机构3的下方且两者之间为用以放置待检测试样的检测工位，所述试样高度调节机构5的下方与所述下试样约束机构6连接，所述检测工位的侧边设置所述剪切加载机构4，所述垂直加载机构I安装在所述框架上部，所述横向载荷支撑机3构安装在所述框架的中上部，所述剪切加载机构4安装在所述框架的中下部，所述下试样约束机构6安装在所述框架的下部；

[0030] 所述的剪切加载机构4主要由复位支撑杆23、限位架24、剪切框25、轴承26、端盖27、导向杆28、第一力传感器29、第一液压缸30、转动台31、导杆32、固定座33、移动座34、电机35、锥齿轮对36、螺纹杆37、推杆38组成。第一液压缸30固定在右梁上，第一液压缸30活塞杆上固定第一力传感器29，第一力传感器29另一端固定转动台31，转动台31与剪切框25通过销39连接并可转动。剪切框25两端固定I对导向杆28，导向杆28与右梁40上的导向孔配合并可沿着其移动。剪切框25上安装导杆32，剪切框25上安装2个固定座33，固定座33与剪切框25 —侧安装螺纹杆37，螺纹杆37分别与固定座33和剪切框25通过轴承26连接并可绕它们转动。2根螺纹杆37 —端分别固定锥齿轮，电机35安装在两个固定座33之间，转轴上安装锥齿轮，3个锥齿轮形成锥齿轮对36。限位架24分别与螺纹杆37和导杆32连接，通过螺纹杆37转动可沿着导杆32和螺纹杆37水平移动。2根限位架24在电机35转动下可同时沿着相反方向移动。螺纹杆37 —端和导杆32两端安装端盖27。限位架24上设置许多定位孔，根据试样大小安装复位支撑杆23和推杆38。试样8在复位支撑杆23和推杆38之间。

[0031] 所述的垂直加载机构由作动器9、连接件10、销11、转动件12、第二力传感器13和承载板14组成。作动器9与连接件10固定，转动件12与第二力传感器13 —端固定，转动件12和连接件10通过销11连接并可互相转动，力传感器13另一端与承载板14固定。

[0032] 所述的加载移动机构2由滚动导轨块15和加载板16组成。多根滚动导轨块15安装在承载板14下端并保持平行，数量有载荷大小决定。滚动导轨块15的移动块与加载板16固定，加载板16可沿着滚动导轨块15移动。

[0033] 所述的横向载荷支撑机构3由轮子17、轮子安装架18、第三力传感器19、承载板14、第二液压缸20和连接座21组成。I对或2对轮子17沿着框架的左梁上的限位条22移动。轮子17通过连接座21安装在轮子安装架18上，轮子安装架18与第三力传感器19固定，第三力传感器19与第二液压缸20活塞杆端部固定。第二液压缸20固定在承载板14的侧板上。

[0034] 所述的横向载荷支撑机构3在承载板14的两边侧板上对称安装η对，η取2_10。

[0035] 所述的下试样约束机构6主要由左右向压紧液压缸41、液压缸安装板42、压紧块43、试样输送小车44和车轮组45组成。左右向压紧液压缸41安装在液压缸安装板42上，液压缸安装板42固定在框架7的基梁上。左右向压紧液压缸41的活塞杆上固定压紧块43，压紧块43下安装有车轮组45。车轮组45通过安装在基梁上的导向条限位并沿着它运动。压紧块43垂向方向设置多个销孔。

[0036] 所述的试样高度调节机构5主要由前后向压紧液压缸46、压紧板47、试样安放台48、销49和升降液压缸50组成。2个前后向压紧液压缸46前后对称安装在试样安放台48，压紧板47安装在前后向压紧液压缸46的活塞杆上，试样安放台48底部安装有升降液压缸50。试样安放台48侧边有设置多个销孔的凸板，凸板上的销孔根据试样大小和高度与下试样约束机构6的压紧块43的销孔对应并可安放销49。

[0037] 所述的液压系统和测控系统为液压缸和作动器提供动力和实现控制要求。

[0038] 本实施例的工作过程如下:上下两个试样8安放在小车上，上试样上安放L型板。调节下试样约束机构6的2个压紧块上的凸台间距满足放试样小车下车轮的距离。当试样8安放在小车上后，推入到下试样约束机构6的2个压紧块上的凸台上，试样高度调节机构5的升降液压缸根据试样大小将试样和小车抬高到试样上表面达到某一设定高度后停止，此时试样安放台侧边凸板上的销孔与下试样约束机构6的压紧块的销孔对应并放入销进行高度锁定。下试样约束机构6的压紧块压紧下试样。剪切加载机构4上调节2个限位架使得试样不能在前后方向移动，安装推杆。垂直加载机构I下降使得加载移动机构2的加载板达到L型板并加载到某一压力值。多个横向载荷支撑机构3的液压缸撑开防止垂直加载机构I在试样剪切过程中偏转和抵消横向力。剪切加载机构4工作使得推杆推动上试样移动做剪切运动，这个过程中横向载荷支撑机构3的第三传感器时时读取横向力值，垂直加载机构I中的数显压力表读取垂向载荷值。剪切到一定位置后卸载横向载荷支撑机构3的第二液压缸，随后卸载垂直加载机构I的作动器，安装剪切加载机构4的复位支撑杆，并由剪切加载机构4得作动器将其拉回初始位置。接着可以继续做剪切运动。

[0039] 如果需要做往复剪切过程，在垂直加载机构I完成加载和横向载荷支撑机构3工作后，横向载荷支撑机构3的推杆移动到试样表面并停止，安装剪切加载机构的复位支撑杆，此时在垂向载荷加载的情况下做往复剪切的过程并时时跟踪剪切载荷。

Claims (8)

1.一种多尺度岩石直剪仪，其特征在于:包括框架、垂直加载机构、加载移动机构、横向载荷支撑机构、剪切加载机构、试样高度调节机构和下试样约束机构；所述垂直加载机构与所述加载移动机构的上端连接，所述加载移动机构的两侧分别与所述横向载荷支撑机构连接，所述试样高度调节机构位于所述加载移动机构的下方且两者之间为用以放置待检测试样的检测工位，所述试样高度调节机构的下方与所述下试样约束机构连接，所述检测工位的侧边设置所述剪切加载机构，所述垂直加载机构安装在所述框架上部，所述横向载荷支撑机构安装在所述框架的中上部，所述剪切加载机构安装在所述框架的中下部，所述下试样约束机构安装在所述框架的下部； 所述的剪切加载机构包括复位支撑杆、限位架、剪切框、轴承、端盖、导向杆、第一力传感器、第一液压缸、转动台、导杆、固定座、移动座、电机、锥齿轮对、螺纹杆和推杆，所述第一液压缸固定在框架上，所述第一液压缸活塞杆上固定第一力传感器的一端，所述第一力传感器另一端固定转动台，所述转动台与所述剪切框通过销连接并可转动，所述剪切框两端固定I对导向杆，所述导向杆与所述框架上的导向孔配合并可沿着其移动，所述剪切框上安装导杆，所述剪切框上安装两个固定座，所述固定座与所述剪切框一侧安装螺纹杆，所述螺纹杆分别与固定座和剪切框通过轴承连接并可绕它们转动，2根螺纹杆一端分别固定锥齿轮，所述电机安装在两个固定座之间，转轴上安装锥齿轮，3个锥齿轮形成锥齿轮对，所述限位架分别与螺纹杆和导杆连接，且通过螺纹杆转动可沿着导杆和螺纹杆水平移动；2个限位架在电机转动下可同时沿着相反方向移动，螺纹杆一端和导杆两端安装端盖，所述限位架上设置定位孔，根据试样大小安装复位支撑杆和推杆，所述试样在复位支撑杆和推杆之间。

2.如权利要求1所述的多尺度岩石直剪仪，其特征在于:所述的垂直加载系统包括作动器、连接件、转动件、第二力传感器和承载板，所述作动器与连接件固定，所述转动件与第二力传感器一端固定，所述转动件另一端和连接件通过销连接并可互相转动，所述第二力传感器另一端与承载板固定。

3.如权利要求2所述的多尺度岩石直剪仪，其特征在于:所述的加载移动机构包括滚动导轨块和加载板，多根滚动导轨块安装在垂直加载机构的承载板下端并保持平行，滚动导轨块的移动块与加载板固定，加载板可沿着滚动导轨块移动。

4.如权利要求1〜3之一所述的多尺度岩石直剪仪，其特征在于:所述的横向载荷支撑机构包括轮子、轮子安装架、第三力传感器、承载板、第二液压缸和连接座，轮子沿着框架的所述框架的限位条上下移动，轮子通过连接座安装在轮子安装架上，轮子安装架与第三力传感器固定，第三力传感器与液压缸活塞杆端部固定，液压缸固定在承载板的侧板上； 所述的横向载荷支撑机构在承载板的两边的框架上对称安装。

5.如权利要求1〜3之一所述的多尺度岩石直剪仪，其特征在于:所述的下试样约束机构包括左右向压紧液压缸、液压缸安装板、压紧块、试样输送小车和车轮组，所述左右向压紧液压缸安装在液压缸安装板上，所述液压缸安装板固定在框架上，左右向压紧液压缸的活塞杆上固定压紧块，所述压紧块下安装有车轮组，车轮组通过安装在框架上的导向条限位并沿着它运动，所述压紧块垂向方向设置销孔。

6.如权利要求1〜3之一所述的多尺度岩石直剪仪，其特征在于:所述的试样高度调节机构包括前后向压紧液压缸、压紧板、试样安放台、销和升降液压缸，2个前后向压紧液压缸前后对称安装在试样安放台，压紧板安装在前后向压紧液压缸的活塞杆上，试样安放台底部安装有升降液压缸，试样安放台侧边有设置销孔的凸板，凸板上的销孔根据试样大小和高度与下试样约束机构的压紧块的销孔对应并可安放销。

7.如权利要求1〜3之一所述的多尺度岩石直剪仪，其特征在于:所述的框架包括基梁、左梁、右梁和上梁，所述基梁的左端与左梁的下端固定连接，所述左梁的上端与所述上梁的左端固定连接，所述上梁的右端与右梁的上端固定连接，所述右梁的下端与所述基梁的右端固定连接。

8.如权利要求1〜3之一所述的多尺度岩石直剪仪，其特征在于:所述直剪仪还包括液压系统和测控系统，所述的液压系统和测控系统与第一液压缸、第二液压缸和作动器连接。