CN105891240B - 双液压静压支撑可旋转岩土试验机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双液压静压支撑可旋转岩土试验机，底板和立柱固定安装在所述基座上，下平台通过四角的通孔与底板、立柱和支撑筒定位在一定高度；下平台的中心设置阶梯型通孔，下转台安装在下平台中心的阶梯型通孔中，上平台的中心设置阶梯型通孔，上转台安装在上平台中心的阶梯型通孔中；上顶板固定在立柱的顶端，上顶板的中心下表面安装了液压伺服缸，液压伺服缸的活塞杆与上平台的上表面固定连接。本发明实施例的双液压静压支撑可旋转岩土试验机可以对试样实现大载荷加载，并且高精度旋转，从而可以实现大试样压裂试验，并通过高能CT扫描以及三维成像，揭示岩石在被压裂过程中的裂纹发生以及发展问题，对促进岩石力学的进展具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及岩土试验机技术领域，尤其涉及一种双液压静压支撑可旋转岩土试验机。
背景技术
岩土试验机是为研究岩土的应力、应变关系的一种基础科学试验仪器，由轴压系统、围压系统和温度控制系统组成，工作原理是通过轴压系统对试样施加轴向试样力，通过压力室对试样施加围压，同时通过温度控制系统使试样的上、下端面、试样中部分别处在不同的温度环境下，从而模拟试样在不同温度下的多种实际工况。但是传统的岩土试验机难以观测到材料的内部结构因而更无法测得岩体内部不同性质材料的真实几何分布情况。随着计算机技术的不断完善和发展，CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)识别技术被应用到岩土试验中来。为了在试验过程中对岩土试样各个纵向截面的变形情况进行动态观测，就要解决岩土试样与CT扫描仪的相对转动问题。
中国科学院兰州冰川冻土研究所曾采用CT测试技术开展过岩土三轴试验。他们采用的是将应变式三轴压力室直接放到CT机中进行扫描，这种CT扫描方法只适合于压力室轴向压力和周围压力较低的场合，对大型岩土试验机不适用。
发明专利CN 200620096213.X公开了一种全方位扫描岩土CT三轴仪，它是一种全非金属制作的三轴仪，不但能进行横向断面的扫描，而且能进行纵向(轴向)断面的扫描。但也只适用于轴压和围压较小的场合，对大型岩土试验机不适用。大型岩土试验机的轴压、围压较大，须使用金属制作试样筒，这样必须相应的使用高能CT机。由于大型岩土试验机体积较大，不能直接放入高能CT机中扫描，所以须将试验机的试样筒部分设计为可旋转部件。
发明内容
本发明的实施例提供了一种双液压静压支撑可旋转岩土试验机，以有效地解决岩土试样与CT扫描仪的相对转动问题。
本发明提供了如下方案：
一种双液压静压支撑可旋转岩土试验机，包括：基座(1)、底板(2)、立柱(3)、支撑筒(4)、上平台13、上转台14、下平台(5)、下转台(6)、上顶板(17)和液压伺服缸(16)；
所述底板(2)和立柱(3)固定安装在所述基座(1)上，所述下平台(5)通过四角的通孔与所述底板(2)、所述立柱(3)和所述支撑筒(4)定位在一定高度；
所述下平台(5)的中心设置阶梯型通孔，所述下转台(6)安装在所述下平台(5)中心的阶梯型通孔中，所述上平台(22)的中心设置阶梯型通孔，所述上转台(14)安装在所述上平台(22)中心的阶梯型通孔中；
所述上顶板(17)固定在所述立柱(3)的顶端，所述上顶板(17)的中心下表面安装了液压伺服缸(16)，所述液压伺服缸(16)的活塞杆与所述上平台(22)的上表面固定连接。
进一步地，包括：岩石试样放置在三轴压力缸(11)的中心，所述三轴压力缸11通过锥销定位在所述下转台(6)的上表面中心，所述三轴压力缸(11)的活塞杆下端压在岩石试样上。
进一步地，所述三轴压力缸(11)的上端设置成球面，与所述上转台(14)的中心球窝相配合，通过所述上平台(22)、所述上转台(14)对所述三轴压力缸(11)的活塞杆施加轴向压力。
进一步地，所述下平台(5)中心的阶梯型通孔的上表面和内表面开有一定间隔的多个环形槽，所述下平台(5)的四个角各有一个圆形通孔的矩形钢板。
进一步地，在所述下平台(5)中心的阶梯型通孔的上表面的多个环形槽的中部设置盲孔a和盲孔b，盲孔a和盲孔b相交并与孔c相通，孔c与液压压力油口p相通；在阶梯型通孔的内表面的多个环形槽的外部槽设置孔e、下部槽中设置盲孔d，孔e与盲孔d相通，孔e与油箱O相通。
进一步地，所述下转台(6)为圆盘形状，所述下转台(6)的下表面中心设有一短轴、上表面中心开有锥形定位槽，所述下转台(6)的外圆周通过螺钉固定了齿轮圈(8)。
进一步地，所述下转台(6)的外圆面与所述下平台(5)的凹槽内径运动配合，并通过下转台上密封(7)实现密封，所述下转台(6)的短轴与所述下平台(5)中心通孔运动配合，并通过下转台下密封(19)实现密封。
进一步地，在所述下平台(5)的上表面的阶梯型通孔两侧对称设置了两个螺孔，两个螺孔上分别安装了电机齿轮驱动组件(10)，该电机齿轮驱动组件(10)的齿轮与固定在下转台(6)上的齿轮圈(8)相啮合。
进一步地，所述上平台(22)的四角设置通孔，所述上平台(22)安装在四根立柱(3)上，所述上平台(22)的四角设置的通孔与所述立柱(3)间隙配合；所述上转台(14)与所述上平台(22)间隙配合，并通过上转台下密封(12)和上转台上密封(15)实现旋转密封。
进一步地，所述上平台(22)中心设置的阶梯型通孔平面、阶梯型通孔的内表面设置了多个间隔的环形凹槽，该环形凹槽的中心部分通过小孔与压力油口p相通，边缘部分凹槽通过小孔与油箱O相通。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的双液压静压支撑可旋转岩土试验机可以解决岩土试样轴向加载过程中的旋转的支撑问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种双液压静压支撑可旋转的岩土试验机的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种双液压静压支撑可旋转岩土试验机的俯视剖面图(图1的B-B剖视图)。
图中：基座1，底板2，立柱3，支撑筒4，下平台5，下转台6，下转台上密封7，齿轮8，螺栓9，电机10，上转台下密封12，上平台13，上转台14，上转台上密封15，伺服缸16，上顶板17，伺服电缸模组18，下转台下密封19，编码器20，岩土试样21。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例将原来可旋转岩土试验机的上下机械轴承都设计成采用静压支撑原理的轴承，从而提高可旋转岩土试验机旋转的精度与平稳性。
下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构及工作原理。
本发明实施例的双液压静压支撑可旋转的岩土试验机的结构示意图如图1所示，包括基座1，底板2，立柱3，支撑筒4，下平台5，下转台6，下转台上密封7，齿轮圈8，螺栓9，电机齿轮驱动组件10，三轴压力缸11，上转台下密封12，上平台13，上转台14，上转台上密封15，液压伺服缸16，上顶板17，伺服电缸模组18，下转台下密封19，编码器20，岩土试样21，上平台22。
上述基座1的上表面四个角各有一个不通圆孔，底板2和立柱3固定安装在基座1上，支撑筒4安装在底板2。下平台5的中心开有阶梯型通孔，在阶梯型通孔的上表面以及阶梯型通孔的内表面开有一定间隔的多个环形槽f，下平台5的四个角各有一个圆形通孔的矩形钢板；下平台5通过四角的通孔与底板2，立柱3，支撑筒4定位在一定高度。
在下平台5中心的阶梯型通孔的上表面的多个环形槽f的中部设置盲孔a和盲孔b，盲孔a和盲孔b相交并与孔c相通，孔c与液压压力油口p相通；在阶梯型通孔的内表面的多个环形槽f的外部槽设置孔e、下部槽中设置盲孔d，孔e与盲孔d相通，孔e与油箱O相通。
下转台6为圆盘形状，其下表面中心设有一短轴，上表面中心开有锥形定位槽，外圆周通过螺钉固定了齿轮圈8。
下平台5中心设置阶梯型通孔，下转台6安装在下平台5中心的阶梯型通孔中。下转台6的外圆面与下平台5的凹槽内径运动配合，并通过下转台上密封7实现密封。下转台6的短轴与下平台5中心通孔运动配合，并通过下转台下密封19实现密封。
三轴压力缸11是专门用来研究岩石在围压和轴压作用下破裂行为的装置，岩石试样21放置在三轴压力缸11的中心，三轴压力缸11通过锥销定位在下转台6的上表面中心，三轴压力缸11的活塞杆下端压在岩石试样21上，三轴压力缸11的上端设置成球面，与上转台14的中心球窝相配合。
与下平台5与下转台6的配合相似，上平台22中心设置阶梯型通孔，四角设置通孔并安装在四根立柱3上，通孔与立柱3间隙配合。上平台22的中心设置的阶梯型通孔平面、通孔内表面设置了多个间隔的环形凹槽，环形凹槽的中心部分通过小孔与压力油口p相通，边缘部分凹槽通过小孔与油箱O相通。上转台14安装在上平台22中心设置的阶梯型通孔中，二者间隙配合，并通过上转台下密封12和上转台上密封15实现旋转密封。
上顶板17固定在四根立柱3的顶端，其中心下表面安装了液压伺服缸16，液压伺服缸16的活塞杆与上平台22的上表面固定连接，可以通过上平台22、上转台14对三轴压力缸11的活塞杆施加轴向压力。
在下平台5的上表面阶梯型通孔两侧还对称设置了螺孔，两个螺孔上分别安装了电机齿轮驱动组件10，电机齿轮驱动组件10的齿轮与固定在下转台6上的齿轮圈8相啮合；另一侧的相啮合齿轮(齿轮圈8)连接编码器20，实现对运动的检测。
图2为本发明实施例提供的一种双液压静压支撑可旋转岩土试验机的俯视剖面图(图1的B-B剖视图)，参见图2，在上转台14的下表面均匀布置了至少三个伺服电缸模组18，伺服电缸模组18的伸出杆顶在三轴压力缸11的活塞杆外圆柱面上，伺服电缸模组18的伸出顶杆位移控制精度可以达到1微米以下，三个伺服电缸模组18的伸展长度控制可以控制三轴压力缸11的姿态。
本发明实施例提供的双液压静压支撑可旋转岩土试验机的具体工作原理如下：
当液压油高压油口p通入下平台5的c孔后，高压油通过孔b和孔a进入环形槽f，压力油的压力在各个环形槽f中形成对下转台6的向上推力与径向约束力，使两个金属表面分离，两个金属表面的间隙为δ，液压油通过多个间隙泄漏到边缘，并通过孔d和孔e返回油箱，这样用液压油的压力实现静压悬浮。同样地，当上平台22的p孔通入高压油，上转台14也被液压油的压力悬浮。
当电机齿轮驱动组件10转动，带动齿轮8以及与齿轮8相连接的下转台6转动，并且带动三轴压力缸11一起转动。当液压伺服缸16启动，向下的推力作用在上平台22上，并使上平台22沿四个立柱3向下滑动，轴向推力通过三轴压力缸11的活塞杆传递给岩土试样21，轴向推力由下平台5和下转台6之间以及上平台22和上转台14之间形成的静压支撑承担。由于液压油静压支撑的摩擦力很小，所以驱动其旋转的电机力矩也很小，并且旋转的平稳性也相应提高。如果由于制造或安装误差的存在，使三轴压力缸11的旋转轴与下转台6的旋转中心偏离，可以通过控制三个伺服电缸模组18的位移量来实现对三轴压力缸11及其岩土试样21的旋转姿态控制，从而提高了运动精度，为CT扫描和精确成像创造了条件。
综上所述，本发明实施例的双液压静压支撑可旋转岩土试验机可以解决岩土试样轴向加载过程中的旋转的支撑问题。可以对试样实现大载荷加载，并且高精度旋转，从而可以实现大试样压裂试验，并通过高能CT扫描以及三维成像，揭示岩石在被压裂过程中的裂纹发生以及发展问题，对促进岩石力学的进展具有重要的意义。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种双液压静压支撑可旋转岩土试验机，其特征在于，包括：基座(1)、底板(2)、立柱(3)、支撑筒(4)、上平台13、上转台14、下平台(5)、下转台(6)、上顶板(17)和液压伺服缸(16)；
所述底板(2)和立柱(3)固定安装在所述基座(1)上，所述下平台(5)通过四角的通孔与所述底板(2)、所述立柱(3)和所述支撑筒(4)定位在一定高度；
所述下平台(5)的中心设置阶梯型通孔，所述下转台(6)安装在所述下平台(5)中心的阶梯型通孔中，所述上平台(22)的中心设置阶梯型通孔，所述上转台(14)安装在所述上平台(22)中心的阶梯型通孔中；
所述上顶板(17)固定在所述立柱(3)的顶端，所述上顶板(17)的中心下表面安装了液压伺服缸(16)，所述液压伺服缸(16)的活塞杆与所述上平台(22)的上表面固定连接；
在上转台(14)的下表面均匀布置了至少三个伺服电缸模组(18)，伺服电缸模组(18)的伸出杆顶在三轴压力缸(11)的活塞杆外圆柱面上，伺服电缸模组(18)的伸出顶杆位移控制精度达到1微米以下，三个伺服电缸模组(18)的伸展长度控制控制三轴压力缸(11)的姿态；
所述下平台(5)中心的阶梯型通孔的上表面和内表面开有一定间隔的多个环形槽，所述下平台(5)的四个角各有一个圆形通孔的矩形钢板；
在所述下平台(5)中心的阶梯型通孔的上表面的多个环形槽的中部设置盲孔a和盲孔b，盲孔a和盲孔b相交并与孔c相通，孔c与液压压力油口p相通；在阶梯型通孔的内表面的多个环形槽的外部槽设置孔e、下部槽中设置盲孔d，孔e与盲孔d相通，孔e与油箱O相通；
所述上平台(22)的四角设置通孔，所述上平台(22)安装在四根立柱(3)上，所述上平台(22)的四角设置的通孔与所述立柱(3)间隙配合；所述上转台(14)与所述上平台(22)间隙配合，并通过上转台下密封(12)和上转台上密封(15)实现旋转密封；
所述上平台(22)中心设置的阶梯型通孔平面、阶梯型通孔的内表面设置了多个间隔的环形凹槽，该环形凹槽的中心部分通过小孔与压力油口p相通，边缘部分凹槽通过小孔与油箱O相通。
2.根据权利要求1所述的双液压静压支撑可旋转岩土试验机，其特征在于，包括：岩石试样放置在三轴压力缸(11)的中心，所述三轴压力缸11通过锥销定位在所述下转台(6)的上表面中心，所述三轴压力缸(11)的活塞杆下端压在岩石试样上。
3.根据权利要求2所述的双液压静压支撑可旋转岩土试验机，其特征在于，所述三轴压力缸(11)的上端设置成球面，与所述上转台(14)的中心球窝相配合，通过所述上平台(22)、所述上转台(14)对所述三轴压力缸(11)的活塞杆施加轴向压力。
4.根据权利要求1所述的双液压静压支撑可旋转岩土试验机，其特征在于，所述下转台(6)为圆盘形状，所述下转台(6)的下表面中心设有一短轴、上表面中心开有锥形定位槽，所述下转台(6)的外圆周通过螺钉固定了齿轮圈(8)。
5.根据权利要求4所述的双液压静压支撑可旋转岩土试验机，其特征在于，所述下转台(6)的外圆面与所述下平台(5)的凹槽内径运动配合，并通过下转台上密封(7)实现密封，所述下转台(6)的短轴与所述下平台(5)中心通孔运动配合，并通过下转台下密封(19)实现密封。
6.根据权利要求5所述的双液压静压支撑可旋转岩土试验机，其特征在于，在所述下平台(5)的上表面的阶梯型通孔两侧对称设置了两个螺孔，两个螺孔上分别安装了电机齿轮驱动组件(10)，该电机齿轮驱动组件(10)的齿轮与固定在下转台(6)上的齿轮圈(8)相啮合。
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| 岩石力学试验机旋转压力室及其静压支承特性研究;邓磊;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）-工程科技II辑》;20140731;22-38 * |
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