CN105758693B - 一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的实验装置及方法 - Google Patents

一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的实验装置及方法，包括定位装置、固定装置、转接头、切割片和钻头；转接头安装在岩石研磨机的电动机的输出轴上，切割片和钻头安装在对应的转接头上，定位装置安装在岩石研磨机的电磁铁上，电磁铁上设置有定位圆柱，定位圆柱与定位装置的定位孔相配合，固定装置通过丝钉安装在定位装置的夹板上；本发明能防止钻头钻出时对圆盘岩样表面的破坏，同时能保证两个钻进孔轴线重合，钻出的孔完全相通。精确制备两个边裂缝在同一直径上且对称。保证预制的中心裂缝面通过圆盘中心轴线，根据设计的中心裂缝长度进行加工。本发明能够提高岩样加工精度和效率。

Description

一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的实验装置及方法
技术领域
本发明属于加工设备技术领域，具体涉及一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的实验装置及方法。
背景技术
巴西圆盘劈裂试验自1978年被国际岩石力学学会推荐作为测定岩石抗拉强度的间接方法后，在国内外获得了广泛应用，在我国，该方法已被列入国家标准《工程岩体试验方法标准》和行业标准《水利水电岩石试验规程》中。
边裂缝圆盘、中心裂缝圆盘或中心圆孔圆盘试样由于可实现Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅰ、Ⅱ复合型断裂，成为岩石断裂力学试验中常用的试样。在岩石上制备边裂缝、中心裂缝或中心圆孔巴西圆盘具有一定的难度，其加工精度对于试验是否成功具有重要的影响。
现在制备含有中心裂缝圆盘的实验装置很难让两个切割裂缝面重叠，并保证预制裂缝面通过圆盘中心点，也不容易确定预制裂缝的各个参数。制备巴西圆盘中心圆孔时，多数设备容易出现损伤圆盘周边和盘面表皮的情况，中心圆孔的轴线也不容易通过圆盘中心轴线。制备两个对称且在同一直径上的巴西圆盘边裂缝时，多数设备很难保证制备的两个边裂缝在同一直径上且对称。
发明内容
针对上述现有技术中描述的不足，本发明的目的是提供一种能在巴西圆盘岩样上精确制作边裂缝、中心裂缝和中心圆孔的实验装置及方法。
为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的实验装置，包括定位装置、固定装置、转接头、切割片和钻头；转接头安装在岩石研磨机的电动机的输出轴上，切割片和钻头安装在对应的转接头上，定位装置安装在岩石研磨机的电磁铁上，电磁铁上设置有定位圆柱，定位圆柱与定位装置的定位孔相配合，固定装置通过丝钉安装在定位装置的夹板上；所述固定装置包括两个对称设置的平台，在平台的外侧设置有若干等距分布的安装孔，安装孔与定位装置的夹板上的水平安装孔和竖直安装孔相对应配合，水平安装孔的孔距和竖直安装孔的孔距相等，竖直安装孔位于水平安装孔的中垂线上，且最下方的竖直安装孔与中垂线上的水平安装孔的距离等于水平安装孔的孔距；平台的内侧为弧形曲面。弧形曲面可以包裹圆盘岩样弧度的2π/3，便于边裂缝的切割。
所述定位装置为平台虎钳，包括虎钳底座、刻度盘、转盘、夹板、活动钳口和固定钳口，虎钳底座的一侧设置有定位孔，定位孔与岩石研磨机上的定位圆柱对应，在虎钳底座上固定有刻度盘，刻度盘上安装有可转动的转盘，在转盘上与刻度盘的零刻度线相对应的位置安装有指针，在平台虎钳的活动钳口和固定钳口均安装有夹板，所述夹板包括横板和竖板，竖板固定在横板的中部，横板上设置有若干固定安装孔和若干用于安装固定装置的水平安装孔，水平安装孔高于平台虎钳的上端面，夹板通过固定安装孔安装在平台虎钳的活动钳口和固定钳口上；所述竖板上设置有若干用于安装固定装置的竖直安装孔，竖直安装孔的孔距和水平安装孔的孔距相等，竖直安装孔位于水平安装孔的中垂线上，且最下方的竖直安装孔与中垂线上的水平安装孔的距离等于水平安装孔的孔距。
所述安装孔为三个，分别为左安装孔、中安装孔和右安装孔；所述水平安装孔为三个，分别为左水平安装孔、中水平安装孔和右水平安装孔；竖直安装孔为一个，竖直安装孔位于左水平安装孔、中水平安装孔和右水平安装孔的中垂线上，且竖直安装孔与中水平安装孔、左水平安装孔与中水平安装孔和右水平安装孔与中水平安装孔的距离相等；中安装孔与夹板上的中水平安装孔对应，左安装孔与夹板的左水平安装孔对应，右安装孔与夹板上的右水平安装孔对应。
在刻度盘上设置有导槽，转盘上与导槽相对应的位置处设置有通孔，导槽内的定位丝向上穿过通孔将转盘固定在刻度盘上。
所述丝钉包括丝钉帽和丝杆，所述丝杆包括第一丝杆和第二丝杆，第一丝杆的一端与丝钉帽连接，第一丝杆的另一端与第二丝杆连接，第一丝杆的直径大于安装孔的直径，第二丝杆插入安装孔内并与安装孔紧配合；且第一丝杆靠近丝钉帽的位置设置有外螺纹。
在平台的外侧安装有薄钢板，薄钢板上设置有与安装孔相对应的圆孔，圆孔的直径小于第一丝杆的直径。
所述转接头包括第一转接头和第二转接头，第一转接头包括连接件Ⅰ和连接杆Ⅰ，连接件Ⅰ的一端设置有内螺纹孔，连接件Ⅰ的另一端与连接杆Ⅰ的一端连接；连接件Ⅰ的截面为正六边形；连接杆Ⅰ的另一端设置有外螺纹，切割片安装在连接杆Ⅰ上，且在切割片的外侧安装有铜垫片；第二转接头包括连接件Ⅱ和连接杆Ⅱ，连接件Ⅱ的一端设置有内螺纹孔，连接件Ⅱ的另一端与连接杆Ⅱ的一端连接；连接件Ⅱ的截面为正六边形；连接杆Ⅱ的另一端设置有外螺纹，钻头安装在连接杆Ⅱ上，连接杆Ⅱ的长度小于连接杆Ⅰ的长度。
一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的方法，所述裂缝包括边裂缝和中心裂缝，当制作边裂缝和中心圆孔时，步骤如下：步骤一、将夹板通过固定安装孔安装在定位装置的平台虎钳上，并通过虎钳底座上的定位孔将定位装置安装到岩石研磨机的电磁铁的定位圆柱上，使夹板与岩石研磨机的电动机的输出轴平行；步骤二、将第一转接头安装到电动机的输出轴上并安装切割片；步骤三、向夹板的中水平安装孔内插入一个丝钉并拧紧，左水平安装孔和右水平安装孔内分别插入一个丝钉，并拧进3~4个丝简单固定；步骤四、将平台上的左安装孔、中安装孔和右安装孔依序分别与对应夹板上的左水平安装孔、中水平安装孔和右水平安装孔内丝钉的第二丝杆相对应，将固定装置初步定位在夹板上；步骤五、将圆盘岩样水平放到固定装置内，弧形曲面将圆盘岩样包裹，通过拧动平台虎钳的转轴夹紧圆盘岩样，此时，圆盘岩样与切割片所在平面垂直；步骤六、将各个丝钉拧紧，使固定装置进一步夹紧圆盘岩样；步骤七、松动转盘上的定位丝，将转盘转动90°，使指针指向刻度盘上的90°刻度线，使夹板与切割片平行，然后拧紧定位丝；步骤八、转动岩石研磨机的三维操作杆使切割片的最低点对准圆盘岩样的圆心，然后转动三维操作杆中的左右操作杆手柄和上下操作手柄，使切割片最右点/最左点与圆盘岩样左端/右端接触，启动岩石研磨机的电动机并打开水管，操作三维操作杆中左右操作杆手柄控制左/右边裂缝的切割长度，并记录进尺量，当达到切割长度，转动上下操作手柄，使左/右边裂缝上下切透，完成边裂缝的切割，将切割片退出，关掉电动机和水管；步骤九，松动定位丝，将转盘恢复原位，使指针指向刻度盘的零刻度线，然后拧紧定位丝，将第一转接头和切割片取下，将第二转接头安装到电动机的输出轴上，并将钻头安装到第二转接头上；步骤十、拧掉夹板上左水平安装孔和右水平安装孔内的丝钉，使固定装置及圆盘岩样绕中水平安装孔内的丝钉旋转90°，使平台上的右安装孔与夹板上的竖直安装孔对应，向竖直安装孔内插入丝钉并拧紧；步骤十一、操作三维操作杆，使钻头的顶点对准圆盘岩样的圆心，启动电动机，打开水管，操作三维操作杆中的前后操作手柄，使钻头缓慢钻进，钻进圆盘岩样厚度的一半时，退出钻头；步骤十二、拧掉夹板的竖直安装孔内的丝钉，使固定装置及圆盘岩样绕中水平安装孔内的丝钉旋转180°， 平台上的左安装孔与竖直安装孔对应，并再次往竖直安装孔内插入丝钉并拧紧；步骤十三、无需进行钻头与圆盘岩样圆心的对准，重复步骤十一，得到圆盘岩样的中心圆孔，退出钻头，关掉电动机和水管；步骤十四、拧动平台虎钳的转轴使圆盘岩样被放开取下，并松动定位丝，将转盘恢复原位，使指针指向刻度盘的零刻度线，并取下固定装置和夹板上的丝钉；
当制作中心裂缝时，步骤如下：步骤一、将夹板通过固定安装孔安装在定位装置的平台虎钳上，并通过虎钳底座上的定位孔将定位装置安装到岩石研磨机的定位圆柱上，使夹板与岩石研磨机的电动机的输出轴平行；步骤二、将第一转接头安装到电动机的输出轴上并安装切割片，并在切割片的外侧安装铜垫片；步骤三、向夹板的中水平安装孔内插入一个丝钉并拧紧，左水平安装孔和右水平安装孔内分别插入一个丝钉，并拧进3~4个丝简单固定；步骤四、将平台上的左安装孔、中安装孔和右安装孔依序分别与对应夹板上的左水平安装孔、中水平安装孔和右水平安装孔内丝钉的第二丝杆相对应，将固定装置初步定位在夹板上；步骤五、将圆盘岩样水平放到固定装置内，弧形曲面将圆盘岩样包裹，通过拧动平台虎钳的转轴夹紧圆盘岩样，此时，圆盘岩样与切割片所在平面垂直；步骤六、将各个丝钉拧紧，使固定装置进一步夹紧圆盘岩样；步骤七、操作三维操作杆使切割片的最低点对准圆盘岩样的圆心，启动电动机，打开水管，操作三维操作杆中的上下操作手柄，使切割片缓慢进入，进刀5毫米时，提速操作，直至进刀至铜垫片临近圆盘岩样表面，再次缓慢转动上下操作杆手柄，直至铜垫片接触圆盘岩样的表面停止进刀，并快速退切割片，关掉电动机和水管；步骤八、拧掉夹板上左水平安装孔和右水平安装孔内的丝钉，使固定装置及圆盘岩样绕中水平安装孔内的丝钉旋转180°，左水平安装孔与平台上的右安装孔对应，右水平安装孔与左安装孔对应，并再次向左水平安装孔和右水平安装孔内插入丝钉，并拧紧；步骤九、无需进行切割片最低点与圆盘岩样圆心的对准，重复步骤七，对圆盘岩样另一个面进行切割，得到圆盘岩样的中心裂缝；步骤八、拧动平台虎钳的转轴使圆盘岩样被放开取下，并松动定位丝，将转盘恢复原位，使指针指向刻度盘的零刻度线，并取下固定装置和夹板上的丝钉。
在制作中心裂缝的步骤九中，所述中心裂缝包括内裂缝和外裂缝，外裂缝的半长为，内裂缝的半长为，计算公式如下：
其中，为圆盘岩样的厚度；为铜垫片的半径；为切割片的半径。
切割中心裂缝时，不再需要进行记录三维操作杆的转动圈数，通过上述公式即可得知中心裂缝的长度，避免由于记错造成切割失败。
本发明的有益效果如下：①精确制备含有中心圆孔的圆盘岩样，从圆盘岩样的两面钻进，防止钻头钻出时对圆盘岩样表面的破坏，同时能保证两个钻进孔轴线重合，钻出的孔完全相通。②精确制备两个对称且在同一直径上的巴西圆盘边裂缝时，保证了制备的两个边裂缝在同一直径上且对称。③精确制备含有中心裂缝的圆盘岩样，从圆盘岩样两个端面切割，切割面重叠，能保证预制的中心裂缝面通过圆盘中心轴线，根据设计的中心裂缝长度进行加工。本发明能够提高岩样加工精度和效率。
附图说明
图1为本发明中第一转接头的结构示意图。
图2为本发明中第一转接头的左视图。
图3为本发明中第二转接头的结构示意图。
图4为本发明中第一转接头的左视图。
图5为本发明定位装置的主视图。
图6为本发明定位装置的俯视图。
图7为本发明定位装置的左视图。
图8为本发明固定装置的俯视图。
图9为本发明固定装置的左视图。
图10为本发明夹板的结构示意图。
图11为本发明丝钉的结构示意图。
图12为本发明铜垫片的结构示意图。
图13为本发明第一转接头、切割片和铜垫片与岩石研磨机的装配示意图。
图14为本发明第二转接头、钻头与岩石研磨机的装配示意图。
图15为本发明中心裂缝求解的几何示意图。
图16为本发明预制有中心圆孔和边裂缝圆盘岩样结构示意图。
图17为本发明预制有中心裂缝圆盘岩样结构示意图。
具体实施方式
如图1~图14所示，一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的实验装置，包括定位装置、固定装置、转接头、切割片3和钻头6，转接头安装在岩石研磨机41的电动机的输出轴上，切割片和钻头安装在对应的转接头上。所述转接头包括第一转接头2和第二转接头14，第一转接头2包括连接件Ⅰ2-1和连接杆Ⅰ2-2，连接件Ⅰ2-1的一端设置有内螺纹孔，连接件Ⅰ2-1的另一端与连接杆Ⅰ2-2的一端连接；连接件Ⅰ2-1的截面为正六边形；连接杆Ⅰ2-2的另一端设置有外螺纹，切割片3安装在连接杆Ⅰ2-2上，且在切割片的外侧安装有铜垫片4。
第二转接头14包括连接件Ⅱ14-1和连接杆Ⅱ14-2，连接件Ⅱ14-1的一端设置有内螺纹孔，连接件Ⅱ14-1的另一端与连接杆Ⅱ14-2的一端连接；连接件Ⅱ14-1的截面为正六边形；连接杆Ⅱ14-2的另一端设置有外螺纹，钻头安装在连接杆Ⅱ14-2上，连接杆Ⅱ14-2的长度小于连接杆Ⅰ2-2的长度。
定位装置安装在岩石研磨机41的电磁铁7上，电磁铁7上设置有定位圆柱5，定位圆柱5与定位装置的定位孔17相配合，所述定位装置为平台虎钳24，包括虎钳底座16、刻度盘18、转盘20、夹板21、活动钳口24-1和固定钳口24-2，虎钳底座16的一侧设置有定位孔17，定位孔17与岩石研磨机41上的定位圆柱5对应，在虎钳底座16上固定有刻度盘18，刻度盘18上安装有可转动的转盘20。
具体地，在刻度盘18上设置有导槽，转盘20上与导槽相对应的位置处设置有通孔，导槽内的定位丝20-1向上穿过通孔将转盘20固定在刻度盘18上。
在转盘20上与刻度盘18的零刻度线相对应的位置安装有指针19，在平台虎钳24的活动钳口24-1和固定钳口24-2均安装有夹板21，所述夹板21包括横板21-1和竖板21-2，竖板21-2固定在横板21-1的中部，横板21-1上设置有若干固定安装孔21-1-2和若干用于安装固定装置的水平安装孔21-1-1，水平安装孔21-1-1高于平台虎钳24的上端面，夹板21通过固定安装孔21-1-2安装在平台虎钳24的活动钳口24-1和固定钳口24-2上；所述竖板21-2上设置有若干用于安装固定装置的竖直安装孔21-2-1，竖直安装孔21-2-1的孔距和水平安装孔21-1-1的孔距相等，竖直安装孔21-2-1位于水平安装孔21-1-1的中垂线上，且最下方的竖直安装孔21-2-1与中垂线上的水平安装孔21-1-1的距离等于水平安装孔21-1-1的孔距。
固定装置通过丝钉31安装在定位装置的夹板21上。所述丝钉31包括丝钉帽和丝杆，所述丝杆包括第一丝杆31-1和第二丝杆31-2，第一丝杆31-1的一端与丝钉帽连接，第一丝杆31-1的另一端与第二丝杆31-2连接，第一丝杆31-1的直径大于安装孔12-1的直径，第二丝杆31-2插入安装孔12-1内并与安装孔12-1紧配合；且第一丝杆31-1靠近丝钉帽的位置设置有外螺纹。
所述固定装置包括两个对称设置的平台12，在平台12的外侧设置有若干等距分布的安装孔12-1，安装孔12-1与定位装置的夹板21上的水平安装孔21-1-1和竖直安装孔21-2-1相对应配合，水平安装孔21-1-1的孔距和竖直安装孔21-2-1的孔距相等，竖直安装孔21-2-1位于水平安装孔21-1-1的中垂线上，且最下方的竖直安装孔21-2-1与中垂线上的水平安装孔21-1-1的距离等于水平安装孔21-1-1的孔距；平台12的内侧为弧形曲面12-2。弧形曲面可以包裹圆盘岩样弧度的2π/3，便于边裂缝的切割。
在本实施例中，所述安装孔12-1为三个，分别为左安装孔35、中安装孔33和右安装孔34；所述水平安装孔21-1-1为三个，分别为左水平安装孔29、中水平安装孔27和右水平安装孔28；竖直安装孔21-2-1为一个，竖直安装孔21-2-1位于左水平安装孔29、中水平安装孔27和右水平安装孔28的中垂线上，且竖直安装孔21-2-1与中水平安装孔27、左水平安装孔29与中水平安装孔27和右水平安装孔28与中水平安装孔27的距离相等；中安装孔33与夹板21上的中水平安装孔27对应，左安装孔35与夹板21的左水平安装孔29对应，右安装孔34与夹板21上的右水平安装孔28对应。
为了使固定装置受力均匀，在平台12的外侧安装有薄钢板40，薄钢板40上设置有与安装孔12-1相对应的圆孔，圆孔的直径小于第一丝杆31-1的直径。薄钢板把丝钉传递的点力转换成面力施加在固定装置上，使固定装置受力较均匀，且提高了固定装置的承载能力。
一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的方法，所述裂缝包括边裂缝和中心裂缝，当制作边裂缝和中心圆孔时，步骤如下：步骤一、将夹板21通过固定安装孔21-1-2安装在定位装置的平台虎钳24上，并通过虎钳底座16上的定位孔17将定位装置安装到岩石研磨机41的电磁铁7的定位圆柱5上，使夹板21与岩石研磨机41的电动机的输出轴平行；步骤二、将第一转接头2安装到电动机的输出轴上并安装切割片3；步骤三、向夹板21的中水平安装孔27内插入一个丝钉31并拧紧，左水平安装孔29和右水平安装孔28内分别插入一个丝钉31，并拧进3~4个丝简单固定；步骤四、将平台12上的左安装孔35、中安装孔33和右安装孔34依序分别与对应夹板21上的左水平安装孔29、中水平安装孔27和右水平安装孔28内丝钉31的第二丝杆31-2相对应，将固定装置初步定位在夹板21上；步骤五、将圆盘岩样水平放到固定装置内，弧形曲面12-2将圆盘岩样包裹，通过拧动平台虎钳24的转轴22夹紧圆盘岩样，此时，圆盘岩样与切割片所在平面垂直；步骤六、将各个丝钉31拧紧，使固定装置进一步夹紧圆盘岩样；步骤七、松动转盘20上的定位丝20-1，将转盘20转动90°，使指针19指向刻度盘18上的90°刻度线，使夹板21与切割片3平行，然后拧紧定位丝20-1；步骤八、转动岩石研磨机41的三维操作杆9使切割片的最低点对准圆盘岩样的圆心，然后转动三维操作杆9中的左右操作杆手柄和上下操作手柄，使切割片3最右点/最左点与圆盘岩样左端/右端接触，启动岩石研磨机41的电动机并打开水管，操作三维操作杆9中左右操作杆手柄控制左/右边裂缝的切割长度，并记录进尺量，当达到切割长度，转动上下操作手柄，使左/右边裂缝上下切透，完成边裂缝的切割，将切割片退出，关掉电动机和水管；步骤九，松动定位丝20-1，将转盘20恢复原位，使指针19指向刻度盘18的零刻度线，然后拧紧定位丝20-1，将第一转接头2和切割片4取下，将第二转接头14安装到电动机的输出轴上，并将钻头6安装到第二转接头14上；步骤十、拧掉夹板21上左水平安装孔29和右水平安装孔28内的丝钉，使固定装置及圆盘岩样绕中水平安装孔27内的丝钉旋转90°，使平台12上的右安装孔34与夹板21上的竖直安装孔21-2-1对应，向竖直安装孔21-2-1内插入丝钉并拧紧；步骤十一、操作三维操作杆9，使钻头6的顶点对准圆盘岩样的圆心，启动电动机，打开水管，操作三维操作杆9中的前后操作手柄，使钻头6缓慢钻进，钻进圆盘岩样厚度的一半时，退出钻头6；步骤十二、拧掉夹板21的竖直安装孔21-2-1内的丝钉，使固定装置及圆盘岩样绕中水平安装孔27内的丝钉旋转180°，平台12上的左安装孔35与竖直安装孔21-2-1对应，并再次往竖直安装孔21-2-1内插入丝钉并拧紧；步骤十三、无需进行钻头6与圆盘岩样圆心的对准，重复步骤十一，得到圆盘岩样的中心圆孔，退出钻头6，关掉电动机和水管；步骤十四、拧动平台虎钳24的转轴22使圆盘岩样被放开取下，并松动定位丝20-1，将转盘20恢复原位，使指针19指向刻度盘18的零刻度线，并取下固定装置和夹板上的丝钉。
得到的带有中心圆孔和边裂缝的圆盘岩样如图16所示。
当制作中心裂缝时，步骤如下：步骤一、将夹板21通过固定安装孔21-1-2安装在定位装置的平台虎钳24上，并通过虎钳底座16上的定位孔17将定位装置安装到岩石研磨机41的电磁铁7的定位圆柱5上，使夹板21与岩石研磨机的电动机的输出轴平行；步骤二、将第一转接头2安装到电动机的输出轴上并安装切割片3，并在切割片3的外侧安装铜垫片4；步骤三、向夹板21的中水平安装孔27内插入一个丝钉31并拧紧，左水平安装孔29和右水平安装孔28内分别插入一个丝钉31，并拧进3~4个丝简单固定；步骤四、将平台12-1上的左安装孔35、中安装孔33和右安装孔34依序分别与对应夹板21上的左水平安装孔29、中水平安装孔27和右水平安装孔28内丝钉31的第二丝杆31-2-2相对应，将固定装置初步定位在夹板21上；步骤五、将圆盘岩样水平放到固定装置内，弧形曲面12-2将圆盘岩样包裹，通过拧动平台虎钳24的转轴22夹紧圆盘岩样，此时，圆盘岩样与切割片所在平面垂直；步骤六、将各个丝钉31拧紧，使固定装置进一步夹紧圆盘岩样；步骤七、操作三维操作杆9使切割片3的最低点对准圆盘岩样的圆心，启动电动机，打开水管，操作三维操作杆9中的上下操作手柄，使切割片3缓慢进入，进刀5毫米时，提速操作，直至进刀至铜垫片临近圆盘岩样表面，再次缓慢转动上下操作杆手柄，直至铜垫片4接触圆盘岩样的表面停止进刀，并快速退切割片，关掉电动机和水管；步骤八、拧掉夹板21上左水平安装孔29和右水平安装孔28内的丝钉，使固定装置及圆盘岩样绕中水平安装孔27内的丝钉旋转180°，左水平安装孔29与平台12上的右安装孔34对应，右水平安装孔28与左安装孔35对应，并再次向左水平安装孔29和右水平安装孔28内插入丝钉31，并拧紧；步骤九、无需进行切割片最低点与圆盘岩样圆心的对准，重复步骤七，对圆盘岩样另一个面进行切割，得到圆盘岩样的中心裂缝；步骤八、拧动平台虎钳24的转轴22使圆盘岩样被放开取下，并松动定位丝20-1，将转盘20恢复原位，使指针19指向刻度盘18的零刻度线，并取下固定装置和夹板上的丝钉。
得到的带有中心裂缝的圆盘岩样如图17所示。
本实施例中，所采用的岩石研磨机41为RSG-2000岩石研磨机。
本发明中制作的中心裂缝包括内裂缝和外裂缝，外裂缝的半长为，内裂缝的半长为，几何示意图如图15所示，计算公式如下：
其中，为圆盘岩样的厚度；为铜垫片的半径；为切割片的半径。在切割中心裂缝时，不再需要进行记录三维操作杆的转动圈数，通过上述公式即可得知中心裂缝的长度，避免由于记错造成切割失败。
比方说，以厚度为50mm，直径为160mm的圆盘岩样为例，
当用直径为110mm切割片，直径为20mm的铜垫片时，根据上述公式可得到：
a1max=54.08mm，a0max=42.43mm。
当用直径为100mm切割片，直径为30mm的铜垫片时，根据上述公式可得到：
a1min=47.70mm，a0min=30.00mm。
在具体操作过程中，制备边裂缝、中心裂缝和中心圆孔可分别制作，并且还可以根据试验需要精确制备不同长度的圆盘岩样单边裂缝或多边裂缝，精确制备偏心圆孔等。

Claims (7)

1.一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的实验装置，其特征在于：包括定位装置、固定装置、转接头、切割片(3)和钻头(6)；转接头安装在岩石研磨机(41)的电动机的输出轴上，切割片和钻头安装在对应的转接头上，定位装置安装在岩石研磨机(41)的电磁铁(7)上，电磁铁(7)上设置有定位圆柱(5)，定位圆柱(5)与定位装置的定位孔(17)相配合，固定装置通过丝钉(31)安装在定位装置的夹板(21)上；所述固定装置包括两个对称设置的平台(12)，在平台(12)的外侧设置有若干等距分布的安装孔(12-1)，安装孔(12-1)与定位装置的夹板(21)上的水平安装孔(21-1-1)和竖直安装孔(21-2-1)相对应配合，水平安装孔(21-1-1)的孔距和竖直安装孔(21-2-1)的孔距相等，竖直安装孔(21-2-1)位于水平安装孔(21-1-1)的中垂线上，且最下方的竖直安装孔(21-2-1)与中垂线上的水平安装孔(21-1-1)的距离等于水平安装孔(21-1-1)的孔距；平台(12)的内侧为弧形曲面(12-2)；所述丝钉(31)包括丝钉帽和丝杆，所述丝杆包括第一丝杆(31-1)和第二丝杆(31-2)，第一丝杆(31-1)的一端与丝钉帽连接，第一丝杆(31-1)的另一端与第二丝杆(31-2)连接，第一丝杆(31-1)的直径大于安装孔(12-1)的直径，第二丝杆(31-2)插入安装孔(12-1)内并与安装孔(12-1)紧配合；且第一丝杆(31-1)靠近丝钉帽的位置加工有外螺纹；所述转接头包括第一转接头(2)和第二转接头(14)，第一转接头(2)包括连接件Ⅰ(2-1)和连接杆Ⅰ(2-2)，连接件Ⅰ(2-1)的一端设置有内螺纹孔，连接件Ⅰ(2-1)的另一端与连接杆Ⅰ(2-2)的一端连接；连接件Ⅰ(2-1)的截面为正六边形；连接杆Ⅰ(2-2)的另一端设置有外螺纹，切割片安装在连接杆Ⅰ(2-2)上，且在切割片的外侧安装有铜垫片(4)；第二转接头(14)包括连接件Ⅱ(14-1)和连接杆Ⅱ(14-2)，连接件Ⅱ(14-1)的一端设置有内螺纹孔，连接件Ⅱ(14-1)的另一端与连接杆Ⅱ(14-2)的一端连接；连接件Ⅱ(14-1)的截面为正六边形；连接杆Ⅱ(14-2)的另一端设置有外螺纹，钻头安装在连接杆Ⅱ(14-2)上，连接杆Ⅱ(14-2)的长度小于连接杆Ⅰ(2-2)的长度。
2.根据权利要求1所述的一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的实验装置，其特征在于：所述定位装置为平台虎钳(24)，包括虎钳底座(16)、刻度盘(18)、转盘(20)、夹板(21)、活动钳口(24-1)和固定钳口(24-2)；虎钳底座(16)的一侧设置有定位孔(17)，定位孔(17)与岩石研磨机(41)上的定位圆柱(5)对应，在虎钳底座(16)上固定有刻度盘(18)，刻度盘(18)上安装有可转动的转盘(20)，在转盘(20)上与刻度盘(18)的零刻度线相对应的位置安装有指针(19)，在平台虎钳(24)的活动钳口(24-1)和固定钳口(24-2)均安装有夹板(21)；所述夹板(21)包括横板(21-1)和竖板(21-2)，竖板(21-2)固定在横板(21-1)的中部，横板(21-1)上设置有若干固定安装孔(21-1-2)和若干用于安装固定装置的水平安装孔(21-1-1)，水平安装孔(21-1-1)高于平台虎钳(24)的上端面，夹板(21)通过固定安装孔(21-1-2)安装在平台虎钳(24)的活动钳口(24-1)和固定钳口(24-2)上；所述竖板(21-2)上设置有若干用于安装固定装置的竖直安装孔(21-2-1)，竖直安装孔(21-2-1)的孔距和水平安装孔(21-1-1)的孔距相等，竖直安装孔(21-2-1)位于水平安装孔(21-1-1)的中垂线上，且最下方的竖直安装孔(21-2-1)与中垂线上的水平安装孔(21-1-1)的距离等于水平安装孔(21-1-1)的孔距。
3.根据权利要求1或2所述的一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的实验装置，其特征在于：所述安装孔(12-1)为三个，分别为左安装孔(35)、中安装孔(33)和右安装孔(34)；所述水平安装孔(21-1-1)为三个，分别为左水平安装孔(29)、中水平安装孔(27)和右水平安装孔(28)；竖直安装孔(21-2-1)为一个，竖直安装孔(21-2-1)位于左水平安装孔(29)、中水平安装孔(27)和右水平安装孔(28)的中垂线上，且竖直安装孔(21-2-1)与中水平安装孔(27)、左水平安装孔(29)与中水平安装孔(27)和右水平安装孔(28)与中水平安装孔(27)的距离相等；中安装孔(33)与夹板(21)上的中水平安装孔(27)对应，左安装孔(35)与夹板(21)的左水平安装孔(29)对应，右安装孔(34)与夹板(21)上的右水平安装孔(28)对应。
4.根据权利要求2所述的一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的实验装置，其特征在于：在刻度盘(18)上设置有导槽，转盘(20)上与导槽相对应的位置处设置有通孔，导槽内的定位丝(20-1)向上穿过通孔将转盘(20)固定在刻度盘(18)上。
5.根据权利要求1所述的一种在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的实验装置，其特征在于：在平台(12)的外侧安装有薄钢板(40)，薄钢板(40)上设置有与安装孔(12-1)相对应的圆孔，圆孔的直径小于第一丝杆(31-1)的直径。
6.根据权利要求3所述的实验装置，在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的方法，其特征在于：所述裂缝包括边裂缝和中心裂缝，当制作边裂缝和中心圆孔时，步骤如下：步骤一、将夹板(21)通过固定安装孔(21-1-2)安装在定位装置的平台虎钳(24)上，并通过虎钳底座(16)上的定位孔(17)将定位装置安装到岩石研磨机(41)的电磁铁(7)的定位圆柱(5)上，使夹板(21)与岩石研磨机(41)的电动机的输出轴平行；步骤二、将第一转接头(2)安装到电动机的输出轴上并安装切割片(3)；步骤三、向夹板(21)的中水平安装孔(27)内插入一个丝钉(31)并拧紧，左水平安装孔(29)和右水平安装孔(28)内分别插入一个丝钉(31)，并拧进3～4个丝简单固定；步骤四、将平台(12)上的左安装孔(35)、中安装孔(33)和右安装孔(34)依序分别与对应夹板(21)上的左水平安装孔(29)、中水平安装孔(27)和右水平安装孔(28)内丝钉(31)的第二丝杆(31-2)相对应，将固定装置初步定位在夹板(21)上；步骤五、将圆盘岩样水平放到固定装置内，弧形曲面(12-2)将圆盘岩样包裹，通过拧动平台虎钳(24)的转轴(22)夹紧圆盘岩样，此时，圆盘岩样与切割片所在平面垂直；步骤六、将各个丝钉(31)拧紧，使固定装置进一步夹紧圆盘岩样；步骤七、松动转盘(20)上的定位丝(20-1)，将转盘(20)转动90°，使指针(19)指向刻度盘(18)上的90°刻度线，使夹板(21)与切割片(3)平行，然后拧紧定位丝(20-1)；步骤八、转动岩石研磨机(41)的三维操作杆(9)使切割片的最低点对准圆盘岩样的圆心，然后转动三维操作杆(9)中的左右操作杆手柄和上下操作手柄，使切割片(3)最右点/最左点与圆盘岩样左端/右端接触，启动岩石研磨机(41)的电动机并打开水管，操作三维操作杆(9)中左右操作杆手柄控制左/右边裂缝的切割长度，并记录进尺量，当达到切割长度，转动上下操作手柄，使左/右边裂缝上下切透，完成边裂缝的切割，将切割片退出，关掉电动机和水管；步骤九，松动定位丝(20-1)，将转盘(20)恢复原位，使指针(19)指向刻度盘(18)的零刻度线，然后拧紧定位丝(20-1)，将第一转接头(2)和切割片(3)取下，将第二转接头(14)安装到电动机的输出轴上，并将钻头(6)安装到第二转接头(14)上；步骤十、拧掉夹板(21)上左水平安装孔(29)和右水平安装孔(28)内的丝钉，使固定装置及圆盘岩样绕中水平安装孔(27)内的丝钉旋转90°，使平台(12)上的右安装孔(34)与夹板(21)上的竖直安装孔(21-2-1)对应，向竖直安装孔(21-2-1)内插入丝钉并拧紧；步骤十一、操作三维操作杆(9)，使钻头(6)的顶点对准圆盘岩样的圆心，启动电动机，打开水管，操作三维操作杆(9)中的前后操作手柄，使钻头(6)缓慢钻进，钻进圆盘岩样厚度的一半时，退出钻头(6)；步骤十二、拧掉夹板(21)的竖直安装孔(21-2-1)内的丝钉，使固定装置及圆盘岩样绕中水平安装孔(27)内的丝钉旋转180°，平台(12)上的左安装孔(35)与竖直安装孔(21-2-1)对应，并再次往竖直安装孔(21-2-1)内插入丝钉并拧紧；步骤十三、无需进行钻头(6)与圆盘岩样圆心的对准，重复步骤十一，得到圆盘岩样的中心圆孔，退出钻头(6)，关掉电动机和水管；步骤十四、拧动平台虎钳(24)的转轴(22)使圆盘岩样被放开取下，并松动定位丝(20-1)，将转盘(20)恢复原位，使指针(19)指向刻度盘(18)的零刻度线，并取下固定装置和夹板上的丝钉；
当制作中心裂缝时，步骤如下：步骤一、将夹板(21)通过固定安装孔(21-1-2)安装在定位装置的平台虎钳(24)上，并通过虎钳底座(16)上的定位孔(17)将定位装置安装到岩石研磨机的电磁铁的定位圆柱(5)上，使夹板(21)与岩石研磨机(41)的电动机的输出轴平行；步骤二、将第一转接头(2)安装到电动机的输出轴上并安装切割片(3)，并在切割片(3)的外侧安装铜垫片(4)；步骤三、向夹板(21)的中水平安装孔(27)内插入一个丝钉(31)并拧紧，左水平安装孔(29)和右水平安装孔(28)内分别插入一个丝钉(31)，并拧进3～4个丝简单固定；步骤四、将平台(12-1)上的左安装孔(35)、中安装孔(33)和右安装孔(34)依序分别与对应夹板(21)上的左水平安装孔(29)、中水平安装孔(27)和右水平安装孔(28)内丝钉(31)的第二丝杆(31-2)相对应，将固定装置初步定位在夹板(21)上；步骤五、将圆盘岩样水平放到固定装置内，弧形曲面(12-2)将圆盘岩样包裹，通过拧动平台虎钳(24)的转轴(22)夹紧圆盘岩样，此时，圆盘岩样与切割片所在平面垂直；步骤六、将各个丝钉(31)拧紧，使固定装置进一步夹紧圆盘岩样；步骤七、操作三维操作杆(9)使切割片(3)的最低点对准圆盘岩样的圆心，启动电动机，打开水管，操作三维操作杆(9)中的上下操作手柄，使切割片(3)缓慢进入，进刀5毫米时，提速操作，直至进刀至铜垫片临近圆盘岩样表面，再次缓慢转动上下操作杆手柄，直至铜垫片(4)接触圆盘岩样的表面停止进刀，并快速退切割片，关掉电动机和水管；步骤八、拧掉夹板(21)上左水平安装孔(29)和右水平安装孔(28)内的丝钉，使固定装置及圆盘岩样绕中水平安装孔(27)内的丝钉旋转180°，左水平安装孔(29)与平台(12)上的右安装孔(34)对应，右水平安装孔(28)与左安装孔(35)对应，并再次向左水平安装孔(29)和右水平安装孔(28)内插入丝钉(31)，并拧紧；步骤九、无需进行切割片最低点与圆盘岩样圆心的对准，重复步骤七，对圆盘岩样另一个面进行切割，得到圆盘岩样的中心裂缝；步骤十、拧动平台虎钳(24)的转轴(22)使圆盘岩样被放开取下，并松动定位丝(20-1)，将转盘(20)恢复原位，使指针(19)指向刻度盘(18)的零刻度线，并取下固定装置和夹板上的丝钉。
7.根据权利要求6所述的在圆盘岩样上制作裂缝和中心圆孔的方法，其特征在于：在制作中心裂缝的步骤九中，所述中心裂缝包括内裂缝和外裂缝，外裂缝的半长为，内裂缝的半长为，计算公式如下：
其中，为圆盘岩样的厚度；为铜垫片的半径；为切割片的半径。
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