CN106248477A - 岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置及测试方法，装置主要由链式滚带、夹持锁定结构和角位移传感器三部分组成；夹持锁定结构通过锁定指针和联动指针借助预紧弹簧将环绕在圆柱试件表面的链式滚带夹持锁定，联动指针尾部与固定在夹持锁定结构上的角位移传感器随动轴连接，当试件受轴向荷载产生环向变形时，角位移传感器通过记录变形过程中随动指针的角度变化值θ，表征和计算试件材料的环向位移变形量；整套装置体积小巧、便于拆装、结构简单、操作简便且测试原理简单合理，为岩石力学实验中环向位移、泊松比的监测和计算提供了更加客观精确的测量仪器。

Description

岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置及测试方法

技术领域

本发明属于土木工程、岩土工程科研技术领域，特别涉及一种岩石力学实验测试中用于监测标准试件环向变形的测试装置及测试方法。

背景技术

岩石力学实验中，其物理力学特性直接决定了材料性质，泊松比就是需要测试的一个重要参数。泊松比是指在材料的比例极限内，由均匀分布的轴向应力所引起的环向应变与相应的轴向应变之比的绝对值，试验材料的轴向变形数据可由压力机直接获取，而对于圆柱状试件的横向变形数据的获取则比较困难，现有对圆柱状试件环向变形的测量方法大致可分为接触式和非接触式两类，接触式以通过在测试材料表面粘贴应变片为典型测试方法，根据应变片的应变信息来计算泊松比，操作简单，但考虑试件本身非均质性，局部变形无法客观表征整体变形且材料表面强度较小粘贴片容易脱皮、难以重复利用；非接触式测量方法主要通过数字照相量测技术实现，虽解决的接触式测量的误差问题，但需要配合光源、相机等装置，占用体积大、成本高昂，易受外界环境干扰，且无法实现密闭狭小空间或三轴条件下的环向变形精确测量。

考虑到传统方法存在诸多弊端，一种新型环向位移测试装置的研发是十分必要的。目前，针对环向位移的测试装置，已开展了大量的研究工作，研制了一系列测试仪器，研究现状如下：

(1)申请号为93236325.3的中国专利，公开了一种《环向位移放大器》，该专利提供了一种在MTS电液私服机上测量岩石试样环向大变形的装置，由两根杠杆铰接成X形，两端分别连接环向链条和传感器，环向位移通过链条由该装置传给传感器，X形放大倍数可根据需要选择，其结构简单，实用可靠，为研究岩石的力学性质提供了有效手段，但放大转换结构进一步增大了试验测试误差，导致试验结果精度降低。

(2)申请号为200810232578.4的中国发明专利，公开了一种《高液压环境下的双轴径向引伸计》，该装置主要由应变片、固定环、压紧弹簧和顶杆组成，其固定环上开有均布的4个导向孔，压紧弹簧套在顶杆上，顶杆螺纹端从导向孔内侧穿出，弹簧片两端开有固定孔，同过固定螺母将弹簧片两端固定在相对的两根顶杆的螺纹端上，弹簧片顶部上下表面分别贴有应变片并组成惠斯通全桥，当试件产生环向变形时，变形量通过弹簧传递给应变片，通过测量惠斯通全桥输出即可计算出试件变形，具有结构简单、使用方便等特点，但考虑到材料的非均质性，通过若干点的变形数据难以客观表征试件环向位移。

(3)申请号为201510505489.2的中国发明专利，公开了一种《柱形体环向应变土压力传感器和测量方法》，本发明涉及土压力检测领域，装置包括柱形弹性感应体、电阻应变片、应变片引线和外壳，柱形弹性感应体采用由弹性基材料构成的柱形弹性实体，柱形弹性感应体增设提高抗压模量的结构，该结构与柱形弹性感应体一体成型，该结构包括内筋和箍筋，内筋布置于柱形弹性感应体的内部，箍筋环向安装于电阻应变片的上侧或下侧柱形弹性感应体的侧表面。通过改变内筋的形状、尺寸和密集度，改变柱形弹性感应体的抗压模量，提高测量精度，该装置通过局部范围内粘贴应变片，依然存在局部数据不具代表性切试验过程中应变片易与材料表面崩裂脱离，导致测试失败。

(4)《煤炭科学技术》2014年12月份第39卷增刊2期由陈新忠、曹远威等发表的“基于数字图像的非接触式泊松比测试方法”(第366～371页)一文中第2.2小节中公开了一种基于数字图像的非接触式泊松比测试装置，装置主要由加载系统、CCD相机及照明光源以及数字图像分析处理系统3部分构成，具有对单轴抗压实验过程进行数字图像同步记录功能可以测算出材料表面任意点的位移，进而计算出测试材料的水平位移与垂直位移，从而得出实验材料泊松比。但该装置体积庞大、结构复杂、造价昂贵，无法实现在狭小密封空间内的环向变形量测。

综合分析上述单位的环向变形测试装置系统，还存在以下不足之处：

1.接触式测量装置存在重复利用率低、自身质量大、局部区域变形监测不能表征材料整体变形等缺陷导致测量误差较大；

2.非接触式测量装置存在体积庞大繁琐、操作复杂、造价昂贵和易受外界环境干扰等缺陷，导致其很难在狭小密闭空间内实现精确测量。

为更好地研究圆柱状标准试件环向位移的监控量测，找寻环向位移更加精确、便捷、经济的测量方法和手段，需要研发一种岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置及测试方法。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可配合现有试验压力机对圆柱状标准煤岩试件进行静态加载或动态冲击扰动过程中试件环向位移变形监测的科学仪器和测试方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置，包括夹持锁定结构、角位移传感器和用于环绕在圆柱形标准试件的圆柱面上的链式滚带，所述的夹持锁定结构包括固定盘、锁定指针和联动指针，所述的锁定指针的尾端与固定盘的第一底面固定连接，首端焊接用于连接链式滚带的锁定销I；所述的联动指针尾端与角位移传感器连接，首端焊接用于连接链式滚带的锁定销II；所述的锁定销I、锁定销II之间通过预紧弹簧连接，所述的预紧弹簧提供夹持锁定结构与链式滚带的连接预紧力。其基本工作原理在于通过夹持锁定结构将环绕在柱状煤岩试件上的小开口链式滚带进行夹持锁定，并将试件加载过程中环向变形量通过夹持锁定结构的指针传递给角位移传感器，最终通过角度变化量表征和计算出试件环向位移变化量。

进一步的，所述的固定盘的第一底面上还设有保险杠，用于防止试件突然崩塌后对装置的超量程损坏。

进一步的，所述的链式滚带为单排开环式链条，其链条两端各安装一节双排链条便于锁定销I、锁定销II的插拔与固定；所述的单排开环式链条的滚轮直径应小于链式滚带节距且大于链板宽度。

进一步的，所述的链板、滚轮、双排链条的销轴的材料选用硬铝合金，保证链条刚度和轻质小巧。

进一步的，所述的角位移传感器的本体与固定盘的第二底面固定连接；且角位移传感器的随动轴穿过所述固定盘的中心轴线与联动指针的首端连接；角位移传感器的接线柱通过导线与采集系统连接实现物理信号与电信号的转换。

进一步的，所述的固定盘采用聚酰胺薄板材质制作。

进一步的，所述的锁定指针的轴线与圆盘的轴线垂直，所述的锁定销I、锁定销II的轴线与锁定指针的轴线垂直，且与圆盘的轴线平行。

用于监测标准试件环向位移的测量装置，可满足不同煤岩体材料试件的环向位移精确测量，其主要测试方法和测试步骤如下：

步骤1)将链式滚带环绕在圆柱形标准试件1/2倍高度位置；

步骤2)夹持锁定结构通过锁定销I、锁定销II插入链式滚带首尾两端内侧，并通过预紧弹簧将链式滚带预紧固定；

步骤3)将环向位移测量放置在岩石实验压力机上；

步骤4)对联动指针的角度进行初始化和校零，并根据试验要求设置采集频率；

步骤5)夹持锁定结构圆盘上固定的角位移传感器与数据采集系统连接，记下角度初始值θ₀；

步骤7)进行加载试验，获取加载过程中角度变化曲线和变形量Δθ；

步骤8)计算环向位移量L：

步骤9)取下装置，取出试件，试验完毕。

所述的测量方法，如下：

步骤8)中的环向位移量L的计算方法如下：L＝Rsin(θ₀+Δθ)-Rsinθ₀，R为联动指针旋转半径。

本发明的有益效果是：

1.装置可结合常规伺服压力机实现对试件进行单轴轴加载过程中的环向变形监测。

2.装置体积小、质量轻，可放在密闭狭小空间内，实现对试件三轴加载过程中的环向变形测量，如气固耦合条件下，以气体作为围压的煤试件在压缩变形过程中的环向位移监测。

3.装置中的锁定指针和联动指针首端通过预紧弹簧与链式滚带连接固定，锁定指针尾端与固定盘固定，联动指针安装在角位移传感器随动轴上，保证试件环向变形时，角位移传感器的角度变化量即为试件环向变形量。

4.链式滚带由硬铝合金材质制作，固定盘为聚酰胺薄板材质，保证试验过程中的装置刚度和减小自重所引起的附件变形。

5.通过角度表征和计算试件环向变形可进一步减小测量误差，使测试结果更加精确合理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)、图1(b)是本发明一个整体结构示意图；

图2(a)、图2(b)是图1(a)、图1(b)中链式滚带结构示意图；

图3(a)、图3(b)是图1(a)、图1(b)中夹持锁定结构和角位移传感器结构示意图和指针旋转平面示意图；

图中：1链式滚带，1-1链板，1-2滚轮，1-3销轴；2夹持锁定结构，2-1固定盘，2-2锁定指针，2-3联动指针，2-4预紧弹簧，2-5保险杠，2-6锁定销，2-7锁定销；3角位移传感器，3-1随动轴，3-2本体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1(a)、图1(b)所示：岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置及测试方法包括链式滚带1，夹持锁定结构2，角位移传感器3；锁定指针的尾端与固定盘的第一底面固定连接，首端焊接用于连接链式滚带的锁定销I；所述的联动指针尾端与角位移传感器连接，首端焊接用于连接链式滚带的锁定销II；所述的锁定销I、锁定销II之间通过预紧弹簧连接，所述的预紧弹簧提供夹持锁定结构与链式滚带的连接预紧力。

其基本工作原理在于：通过夹持锁定结构将环绕在柱状煤岩试件上的小开口链式滚带进行夹持锁定，并将试件加载过程中环向变形量通过夹持锁定结构的指针传递给角位移传感器，最终通过角度变化量表征和计算出试件环向位移变化量。

该装置可结合常规伺服压力机实现对试件进行单轴轴加载过程中的环向变形监测。

该装置体积小、质量轻，可放在密闭狭小空间内，实现对试件三轴加载过程中的环向变形测量，如气固耦合条件下，以气体作为围压的煤试件在压缩变形过程中的环向位移监测。

该装置中的锁定指针和联动指针首端通过预紧弹簧与链式滚带连接固定，锁定指针尾端与固定盘固定，联动指针安装在角位移传感器随动轴上，保证试件环向变形时，角位移传感器的角度变化量即为试件环向变形量。

如图2(a)、图2(b)所示：岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置及测试方法的链式滚带1，由链板1-1，滚轮1-2，销轴1-3组成。链式滚带主体结构为单排开环式链条，其链条两端各安装一节双排链条用于夹持锁定结构的插拔与固定；其滚轮1-2直径小于链式滚带节距且大于链板1-1宽度；其链板1-1、滚轮1-2、销轴1-3均由硬铝合金加工订做，保证链条刚度和轻质小巧；

如图3(a)、图3(b)所示：岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置及测试方法的夹持锁定结构2，包括固定盘2-1，锁定指针2-2，联动指针2-3，预紧弹簧2-4、保险杠2-5和锁定销2-6；角位移传感器3由随动轴3-1，本体3-2组成。其固定盘2-1为聚酰胺圆环形薄板通过螺栓与锁定指针2-2、保险杠2-5和角位移传感器3固定连接；锁定指针2-2和联动指针2-3其尾端与固定盘2-1连接固定，首端安装锁定销2-6并贯穿锁定指针2-2两侧，用于连接链式滚带1和固定预紧弹簧2-4；尾端与角位移传感器3的随动轴3-1连接固定，其首端安装锁定销2-6并贯穿联动指针2-3两侧，用于连接链式滚带1和固定预紧弹簧2-4；预紧弹簧2-4通过锁定销将锁定指针2-2与联动指针2-3连接，提供夹持锁定结构2与链式滚带1的连接预紧力；所述的保险杠2-5固定在固定盘2-1上，用于防止试件突然崩塌后对装置的超量程损坏；

进一步的，上述的链式滚带由硬铝合金材质制作，固定盘为聚酰胺薄板材质，保证试验过程中的装置刚度和减小自重所引起的附件变形，

进一步的，锁定指针2-2的轴线与圆盘的轴线垂直，锁定销2-6、锁定销2-7的轴线与锁定指针2-2的轴线垂直，且与圆盘的轴线平行；锁定销2-6与联动指针2-3的轴线也垂直。

进一步的，保险杠2-5的轴线与固定圆盘的轴线平行，用于防止试件突然崩塌后对装置的超量程损坏；保险杠2-5的材质可以选用金属材质。

用于监测标准试件环向位移的测量装置，可满足不同煤岩体材料试件的环向位移精确测量，其主要测试方法和测试步骤如下：

1)将链式滚带环绕在试件1/2倍高度位置；

2)夹持锁定结构通过指针锁定销插入链式滚带首尾两端内侧，并通过预紧弹簧将链式滚带预紧固定；

3)将装置放置在岩石实验压力机上；

4)通过角位移采集软件对角度采集进行初始化和校零，并根据试验要求设置采集频率；

5)夹持锁定结构圆盘上固定的角位移传感器与数据采集系统连接，记下角度初始值θ₀；

7)进行加载试验，获取加载过程中角度变化曲线和变形量Δθ；

8)计算环向位移量：L＝Rsin(θ₀+Δθ)-Rsinθ₀(R为联动指针旋转半径)；

9)取下装置，取出试件，试验完毕。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置，其特征在于，包括夹持锁定结构、角位移传感器和用于环绕在圆柱形标准试件的圆柱面上的链式滚带，所述的夹持锁定结构包括固定盘、锁定指针和联动指针，所述的锁定指针的尾端与固定盘的第一底面固定连接，首端焊接用于连接链式滚带的锁定销I；所述的联动指针尾端与角位移传感器连接，首端焊接用于连接链式滚带的锁定销II；所述的锁定销I、锁定销II之间通过预紧弹簧连接，所述的预紧弹簧提供夹持锁定结构与链式滚带的连接预紧力。

2.如权利要求1所述的岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置，其特征在于，所述的固定盘的第一底面上还设有用于防止试件突然崩塌后对装置的超量程损坏的保险杠。

3.如权利要求1所述的岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置，其特征在于，所述的链式滚带为单排开环式链条，其链条两端各安装一节双排链条便于锁定销I、锁定销II的插拔与固定。

4.如权利要求3所述的岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置，其特征在于，所述的单排开环式链条的滚轮直径小于链式滚带节距且大于链板宽度。

5.如权利要求3所述的岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置，其特征在于，所述的链板、滚轮、双排链条的销轴的材料选用硬铝合金。

6.如权利要求3所述的岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置，其特征在于，所述的角位移传感器的本体与固定盘的第二底面固定连接；且角位移传感器的随动轴穿过所述固定盘的中心轴线与联动指针的首端连接；角位移传感器的接线柱通过导线与采集系统连接实现物理信号与电信号的转换。

7.如权利要求1所述的岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置，其特征在于，所述的固定盘采用聚酰胺薄板材质制作。

8.如权利要求1所述的岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置，其特征在于，所述的锁定指针的轴线与圆盘的轴线垂直，所述的锁定销I、锁定销II的轴线与锁定指针的轴线垂直，且与圆盘的轴线平行。

9.利用权利要求1-8任一所述的环向位移测量装置用于监测标准试件环向位移的测量方法，其特征在于，如下：

步骤1)将链式滚带环绕在圆柱形标准试件1/2倍高度位置；

步骤2)夹持锁定结构通过锁定销I、锁定销II插入链式滚带首尾两端内侧，并通过预紧弹簧将链式滚带预紧固定；

步骤3)将环向位移测量放置在岩石实验压力机上；

步骤4)对联动指针的角度进行初始化和校零，并根据试验要求设置采集频率；

步骤5)夹持锁定结构圆盘上固定的角位移传感器与数据采集系统连接，记下角度初始值θ₀；

步骤7)进行加载试验，获取加载过程中角度变化曲线和变形量Δθ；

步骤8)计算环向位移量L：

步骤9)取下装置，取出试件，试验完毕。

10.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，如下：

步骤8)中的环向位移量L的计算方法如下：L＝Rsin(θ₀+Δθ)-Rsinθ₀，R为联动指针旋转半径。