CN103822831B - 一种刚性随动加载框架结构 - Google Patents

Abstract

一种刚性随动加载框架结构，属于硬岩真三轴试验机技术领域，可作为硬岩真三轴试验机基本加载框架结构。本发明包括框架单元和气动液压平衡单元，框架单元内的水平框架设置在上支撑平台上方，两者滑动配合；上支撑平台固定在下支撑平台上方，下支撑平台固装在地面上；竖直框架设置在下支撑平台上方，两者通过气动液压平衡单元的支撑油缸相连接；支撑油缸与蓄能器相连通，蓄能器通过电子调压阀与氮气瓶相连通，电子调压阀信号控制端与主控计算机相连；采用本发明的硬岩真三轴试验机，通过竖直框架和水平框架的随动方式，能够实现岩石试样几何中心的不变；本发明的竖直框架和水平框架均采用整体铸造工艺制造，完全能够满足硬岩峰后破坏的需要。

Description

一种刚性随动加载框架结构

技术领域

本发明属于硬岩真三轴试验机技术领域，特别是涉及一种可作为硬岩真三轴试验机基本加载框架结构的刚性随动加载框架结构。

背景技术

对于现阶段深部岩体工程领域，如采矿和水电硐室工程，受开挖影响，巷道近场的应力状态均在真三轴应力空间内变化，开展硬岩真三轴条件下的室内力学试验可以较好地研究实际深部岩体应力场下的力学行为。

现有的硬岩真三轴试验机所采用的各种加载框架结构，在试验过程中均无法实现岩石试样几何中心的不变，原因为岩石试样在加载过程中会出现压缩变形，进而使岩石试样的几何中心产生偏移，而现有的硬岩真三轴试验机均无法有效的将偏移消除，以至于如何实现岩石试样的几何中心不变的难题至今仍未得到解决。

按照常规设计思路，相关技术人员可能会选择在同一个加载轴系上采用两个作动器单元进行加载，首先这种设计思路会极大的增加硬岩真三轴试验机的制造成本，其次为了保证两个作动器的加载力保持一致，就需要对两个作动器的控制器单元进行精密设计，但是现在还没有现成的解决办法，来解决作动器的控制问题，所以这种设计思路也是很难实现，即使实现，所花费的成本也会非常之高。

再有，现阶段的硬岩真三轴试验机所采用的各种加载框架结构，其加载框架结构普遍采用低刚度的拉杆，或者采用立柱式框架结构，但是传统的加载框架结构在面对几百吨的加载力时，根本无法满足硬岩峰后破坏的需要，硬岩峰后破坏会直接导致试验的失败及试验结果的严重失真，也无法为实际深部岩体应力研究提供理论依据。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种刚性随动加载框架结构，采用该加载框架结构的硬岩真三轴试验机，在不增加试验机制造成本的前提下，能够实现岩石试样几何中心的不变，摒弃了传统的加载框架结构采用的低刚度拉杆和立柱式框架结构，采用整体铸造工艺制造，完全满足了硬岩峰后破坏的需要。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种刚性随动加载框架结构，包括框架单元和气动液压平衡单元，所述框架单元包括竖直框架、水平框架、上支撑平台、下支撑平台及平台间支撑立柱，所述气动液压平衡单元包括支撑油缸、蓄能器、氮气瓶及电子调压阀；

所述水平框架设置在上支撑平台上方，水平框架与上支撑平台之间为滑动配合；所述上支撑平台通过平台间支撑立柱固定在下支撑平台上方，下支撑平台固装在地面上；

所述竖直框架设置在下支撑平台上方，竖直框架通过支撑油缸与下支撑平台相连接，支撑油缸固定在下支撑平台上，支撑油缸的活塞与竖直框架相连接；所述支撑油缸与蓄能器出气口相连通，蓄能器进气口通过电子调压阀与氮气瓶出气口相连通，电子调压阀信号控制端与主控计算机相连。

所述竖直框架和水平框架均采用整体铸造工艺制造。

在所述水平框架下部设置有滑块，在上支撑平台上表面设置有导轨，水平框架通过滑块和导轨与上支撑平台相配合。

在所述滑块内设置有钢珠，滑块通过钢珠与导轨滚动摩擦配合。

在所述下支撑平台上设置有竖向滑轨，竖直框架与竖向滑轨之间滑动接触配合。

在所述支撑油缸的活塞与竖直框架之间设置有钢珠，支撑油缸与竖直框架之间通过钢珠点接触配合。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，采用了本发明的刚性随动加载框架结构的硬岩真三轴试验机，通过竖直框架和水平框架的随动方式，即随动对中的方法，实现了岩石试样几何中心不变的目的，而采用传统加载框架结构的硬岩真三轴试验机是无法实现的；在实现岩石试样几何中心不变的同时，只需一个作动器及控制器单元，并不会增加硬岩真三轴试验机制造成本，相对而言反倒降低了制造成本；本发明的竖直框架和水平框架摒弃了传统加载框架结构采用的低刚度拉杆和立柱式框架结构，均采用了整体铸造工艺制造，同时满足高刚度和大载荷输出的要求，特别是竖直框架的刚度超过5GN/m，使硬岩真三轴试验机完全能够满足硬岩峰后破坏的需要，进而为硬岩峰后试验数据的获得提供了保障。

附图说明

图1为本发明的一种刚性随动加载框架结构的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明安装支撑油缸后的框架单元立体图；

图4为岩石试样在水平方向的变形量与水平框架随动位移的关系曲线图；

图5为岩石试样在竖直方向的变形量及竖直框架随动位移的关系曲线图；

图中，1-竖直框架，2-水平框架，3-上支撑平台，4-下支撑平台，5-导轨，6-滑块，7-平台间支撑立柱，8-竖向滑轨，9-支撑油缸，10-蓄能器，11-氮气瓶，12-电子调压阀，13-压力室，14-竖直作动器安装孔，15-水平作动器安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2、3所示，一种刚性随动加载框架结构，包括框架单元和气动液压平衡单元，所述框架单元包括竖直框架1、水平框架2、上支撑平台3、下支撑平台4及平台间支撑立柱7，所述气动液压平衡单元包括支撑油缸9、蓄能器10、氮气瓶11及电子调压阀12；

所述水平框架2设置在上支撑平台3上方，水平框架2与上支撑平台3之间为滑动配合；所述上支撑平台3通过平台间支撑立柱7（数量为三个）固定在下支撑平台4上方，下支撑平台4固装在地面上（具体为通过地脚螺栓将下支撑平台4固定在地槽内）；用于放置及加载岩石试样的压力室13设置在水平框架2内；

所述竖直框架1设置在下支撑平台4上方，竖直框架1通过支撑油缸9（数量为四个）与下支撑平台4相连接，支撑油缸9固定在下支撑平台4上，支撑油缸9的活塞与竖直框架1相连接；所述支撑油缸9与蓄能器10出气口相连通，蓄能器10进气口通过电子调压阀12与氮气瓶11出气口相连通，电子调压阀12信号控制端与主控计算机相连。

所述竖直框架1和水平框架2均采用整体铸造工艺制造，以满足硬岩峰后破坏的需要。

在所述水平框架2下部设置有滑块6，在上支撑平台3上表面设置有导轨5（数量为两个，两个导轨平行设置），水平框架2通过滑块6和导轨5与上支撑平台3相配合。

在所述滑块6内设置有钢珠，滑块6通过钢珠与导轨5滚动摩擦配合。

为了保证竖直框架1通过支撑油缸9上、下浮动过程中的精度，防止竖直框架1发生偏斜，在所述下支撑平台4上设置有竖向滑轨8，竖直框架1与竖向滑轨8之间滑动接触配合，此时竖向滑轨8起到了限位的作用。

在所述支撑油缸9的活塞与竖直框架1之间设置有钢珠，支撑油缸9与竖直框架1之间通过钢珠点接触配合。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

采用了本发明的一种刚性随动加载框架结构的硬岩真三轴试验机，竖直框架1和水平框架2在竖直平面内正交，属于立式结构，符合人体工程学的装样工位；其中竖直框架1内的作动器安装在竖直框架1顶端的竖直作动器安装孔14内，水平框架2内的作动器安装在水平框架2右端的水平作动器安装孔15内。

安装岩石试样前，水平框架2位于导轨5的右侧，岩石试样安装到位后，水平框架2内的作动器先对岩石试样施加一个较小的夹紧力，此时岩石试样的几何中心距地面高度约一米左右，推动水平框架2进入竖直框架1内，直到岩石试样水平中心线与水平框架2的水平中心线相重合，同时岩石试样竖直中心线与竖直框架1的竖直中心线相重合为止，下面进入竖直框架1施加夹紧力阶段。

竖直框架1内的作动器对岩石试样也施加一个较小的夹紧力，但在加载过程中，竖直框架1会有一个较大的空行程，在竖直框架1上升过程中，竖直框架1的重量会被四个支撑油缸9平衡掉，具体步骤为，设定竖直框架1内作动器的输出力为2kN，使作动器内的活塞与岩石试样的上表面相接触，然后提高气动液压平衡单元的压力，直到竖直框架1开始缓慢向上移动，在竖直框架1向上移动过程中，作动器的输出力仍保持在2kN不变，此时气动液压平衡单元输出的上浮力与竖直框架1的自重力是平衡的。

当岩石试样在竖直方向和水平方向都被较小的夹紧力约束后，便可正式进入真三轴试验状态。在岩石试样加载破坏过程中，水平框架2通过其内的作动器施加大主应力，竖直框架1通过其内的作动器施加中主应力，压力室施加小主应力，直到岩石试样被破坏。

在加载过程中，岩石试样受压会变形，岩石试样的几何中心在水平方向和竖直方向上都会发生偏移，此时调整水平框架进行随动，随动距离是岩石试样被压缩尺寸的一半，即对岩石试样水平方向的中心偏移距离进行补偿，保证了岩石试样几何中心在水平方向上保持不变；而在竖直方向上，岩石试样通常表现为轻微膨胀变形，则竖直框架1需要向下浮动膨胀变形量的一半，由于竖直框架1的重量已经被气动液压平衡单元平衡掉了，再通过电子调压阀12控制蓄能器10向氮气瓶11内放气，实现支撑油缸9内油位的轻微改变，保证了岩石试样几何中心在竖直方向上保持不变，最终使岩石试样几何中心整体保持不变。

本实施例中，竖直框架1和水平框架2采用的是ZG270-500铸钢材料，框架刚度为5GN/m以上，竖直框架1的自重为60kN左右；框架内的作动器输出力范围为2000～3000kN，水平框架2上的滑块6与上支撑平台3的导轨5之间的摩擦力为500N左右，按照作动器输出力2000kN计算，摩擦力只占作动器输出力的0.025%，这对硬岩破坏强度试验的影响可以忽略不计；蓄能器10的型号为NXQ-80-L-A，电子调压阀11的型号为Alicat-PCD；岩石试样采用的是花岗岩试样，岩石试样的尺寸为50×50×100mm。

经试验测得，岩石试样在水平方向上的最终压缩变形量为0.72mm，此时水平框架2的随动位移为0.36mm，则在水平方向上的位移值符合理论计算值，保证了岩石试样几何中心在水平方向上保持不变；经试验测得，岩石试样在竖直方向上的最终膨胀变形量为0.1mm，此时竖直框架1的随动位移为0.05mm，则在竖直方向上的位移值符合理论计算值，保证了岩石试样几何中心在竖直方向上保持不变，最终使岩石试样几何中心整体保持不变，完全符合本发明的初衷，且效果良好。如图4所示，为加载试验过程中，水平方向上岩石试样变形量与水平框架随动位移关系曲线图，如图5所示，为加载试验过程中，竖直方向上岩石试样变形量与竖直框架随动位移关系曲线图，从两幅曲线图中，可以清晰的看出框架随动与岩石试样变形量时刻变化关系，通过这种变化关系来实现岩石试样几何中心不变的目的。

功能扩展方面，采用了本发明的刚性随动加载框架结构的硬岩真三轴试验机，由于竖直框架和水平框架均可独立工作，当单独使用竖直框架时，硬岩真三轴试验机可作为高刚度单轴试验机使用，配合专门的剪切盒，又可调整为大型岩石剪切仪使用，进而使硬岩真三轴试验机在原有功能基础上得到了极大的扩展和延伸，实现了一机多用。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种刚性随动加载框架结构，包括框架单元，框架单元包括竖直框架和水平框架，其特征在于：刚性随动加载框架结构还包括气动液压平衡单元，所述框架单元还包括上支撑平台、下支撑平台及平台间支撑立柱，所述气动液压平衡单元包括支撑油缸、蓄能器、氮气瓶及电子调压阀；

所述水平框架设置在上支撑平台上方，水平框架与上支撑平台之间为滑动配合；所述上支撑平台通过平台间支撑立柱固定在下支撑平台上方，下支撑平台固装在地面上；

所述竖直框架设置在下支撑平台上方，竖直框架通过支撑油缸与下支撑平台相连接，支撑油缸固定在下支撑平台上，支撑油缸的活塞与竖直框架相连接；所述支撑油缸与蓄能器出气口相连通，蓄能器进气口通过电子调压阀与氮气瓶出气口相连通，电子调压阀信号控制端与主控计算机相连。

2.根据权利要求1所述的一种刚性随动加载框架结构，其特征在于：所述竖直框架和水平框架均采用整体铸造工艺制造。

3.根据权利要求1所述的一种刚性随动加载框架结构，其特征在于：在所述水平框架下部设置有滑块，在上支撑平台上表面设置有导轨，水平框架通过滑块和导轨与上支撑平台相配合。

4.根据权利要求3所述的一种刚性随动加载框架结构，其特征在于：在所述滑块内设置有钢珠，滑块通过钢珠与导轨滚动摩擦配合。

5.根据权利要求1所述的一种刚性随动加载框架结构，其特征在于：在所述下支撑平台上设置有竖向滑轨，竖直框架与竖向滑轨之间滑动接触配合。

6.根据权利要求1所述的一种刚性随动加载框架结构，其特征在于：在所述支撑油缸的活塞与竖直框架之间设置有钢珠，支撑油缸与竖直框架之间通过钢珠点接触配合。