CN106404557B - 一种岩石空心圆柱扭剪仪 - Google Patents

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Abstract

本发明属于岩体力学试验设备技术领域，公开了一种岩石空心圆柱扭剪仪，包括：框架、升降装置、底座、围压桶、上座、传力轴、传力轴支架、扭矩施加结构和控制器。本方明提供了一种能够避免轴向施力和扭矩施力相互干扰的扭剪仪。

Description

一种岩石空心圆柱扭剪仪
技术领域
本发明涉及岩体力学试验设备技术领域，特别涉及一种岩石空心圆柱扭剪仪。
背景技术
在交通、水利水电、采矿等基础工程建设和资源/能源开发领域需要建设大量深埋长大隧道(隧洞、巷道)，TBM(全断面岩石隧道掘进机)以其安全、高效、经济等独特优势成为深埋长大隧道(隧洞、巷道)施工的最佳选择和必然发展方向。TBM开挖过程会引起围岩应力发生持续调整，其突出特点是：主应力量值大幅度改变同时伴随应力主轴大角度旋转。在深埋高应力条件下，围岩应力的上述变化常导致高强度岩爆、大变形卡机等重大工程灾害频发，严重威胁人员和施工安全，经济损失巨大。因此，深入揭示深部地层TBM掘进围岩主应力量值改变和应力主轴旋转组合条件下围岩破坏机理和力学特征是进行上述重大工程灾害准确预测与可靠防控的基本前提和科学依据，也是深部地层TBM选型和系统适应性设计需要重点考虑的关键因素。
国内外现有的岩石力学试验仪器中，可以模拟复杂应力路径的包括：岩石空心圆柱扭剪仪。但是在其工作过程中，施加轴力过程和扭矩的过程会相互干扰，导致施加在空心岩样上的力精度和可靠性降低；另一方面，试验机待机阶段，悬在半空中的施力组件存在晃动或者碰撞等安全问题。
发明内容
本发明提供一种岩石空心圆柱扭剪仪，解决现有技术中轴向施力和扭矩施力过程相互影响，导致试验可靠性和精度的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种岩石空心圆柱扭剪仪，包括：框架、升降装置、底座、围压桶、上座、传力轴、传力轴支架、扭矩施加结构和控制器；
所述升降装置固定在所述框架上，所述底座固定在所述升降装置上；
所述围压桶固定在所述底座上，所述底座上，围压桶内腔中设置一用于固定试样底端的下压头；
所述上座固定在所述围压桶上部，与所述围压桶以及所述底座围成试样反应空间；
所述传力轴中部嵌于所述上座内，底部位于所述反应空间内，所述传力轴底端设置一用于固定试样顶端的上压头；
所述传力轴中部位于所述上座内的杆身上设置一活塞，所述上座内设置一与所述活塞匹配的施力油腔，所述活塞将所述施力油腔分隔成上施力油腔和下施力油腔；
所述传力轴上部通过所述传力轴支架固定在所述框架上，相对所述框架保持轴向和径向静止；
所述扭矩施加结构固定在所述框架上，与所述传力轴上部相连，用于施加扭矩；
所述围压桶、所述上施力油腔和所述下施力油腔均设置用于与外部液压元件连接的输油通道；
所述控制器分别与所述扭矩施加结构、所述升降结构以及液压元件相连；
其中，所述控制器对所述升降结构以及所述液压元件实现连锁控制，当所述液压原向所述施力油腔供油或者泄油，驱动所述反应空间相对于所述传力轴上下移动时，所述升降装置跟所述反应空间移动。
进一步地，所述升降装置包括：液压动力元件、导轨以及升降支座；
所述导轨固定在所述框架上，所述升降支座通过与所述导轨匹配的滑块固定在所述导轨上；
所述液压动力元件固定在所述框架与所述升降支座之间，驱动所述升降支座沿所述导轨移动。
进一步地，所述液压动力元件包括：液压千斤顶。
进一步地，所述围压桶内开设的输油通道包括：
位于所述上座以及底座上，连通所述围压桶内腔的输油通道；
位于所述底座上，连通岩石空心圆柱试样内腔的输油通道。
进一步地，所述上压头以及所述下压头上设置粘连结构，用于将所述试样的端部分别粘接在所述上压头和下压头上。
进一步地，传力轴支架包括：第一支架以及第一法兰丝扣；
所述第一支架一端固定在所述框架上，另一端通过所述第一法兰丝扣与所述传力轴相连。
进一步地，所述传力轴支架还包括：第二支架以及第二法兰丝扣；
所述第二支架一端固定在所述框架上，另一端通过所述第二法兰丝扣与所述传力轴相连；
其中，所述第一丝扣法兰和所述第二丝扣法兰分别位于所述传力轴中部和上部。
进一步地，所述扭矩施加结构包括：扭矩传力杆、扭矩施加油缸以及油缸固定基座；
所述扭矩传力杆一端与所述传力杆上部相连，另一端通过关节轴承与所述扭矩施加油缸的活塞头相连。
进一步地，所述扭矩传力杆固定在所述第一丝扣法兰和所述第二丝扣法兰之间。
进一步地，所述底座与所述围压桶之间、所述上座与所述围压桶之间以及所述上座与所述传力轴之间均设置密封圈。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的岩石空心圆柱扭剪仪，革新扭剪仪的扭矩和轴向施力方式，协调两个操作过程，避免其相互干扰；具体来说，通过将传力轴固定在框架上，保持轴向和径向相对于框架静止；将扭矩施加结构固定在所述框架上，以其为施力支点；设置升降结构，执行抬升主体反应空间操作，使得轴向施力过程的动件由常规的传力轴改成主体反应空间；从而使得传力轴在轴向和径向都不存在位移的情况下完成轴向施力，同时扭矩施力操作由于传力轴在轴向和径向上相对于框架静止，而扭矩施力组件只向传力轴施加切向扭矩，在轴向和切向上相对静止，从而实现了施加扭矩操作与轴向施力操作的，相对独立，从而避免了相互干扰；保证了试验可靠性和精度。克服了现有结构中扭矩施加结构与传力轴的刚性连接，避免了产生由于运动趋势产生的结构应力，而影响施力精度，角度和稳定性的问题。
附图说明
图1为本发明提供的岩石空心圆柱扭剪仪的结构示意图；
图2为本发明提供的岩石空心圆柱扭剪仪的外形图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种岩石空心圆柱扭剪仪，解决现有技术中轴向施力和扭矩施力过程相互影响，导致试验可靠性和精度的技术问题；达到了避免轴向施力和扭矩施力的相互影响的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供技术方案的总体思路如下：
通过调整轴向施力方式，并将传力轴与框架相对静止；同时将扭矩施加结构的施力支点改为框架；并配合升降装置，使得主体反应空间结构能够抬升；从而使得传力轴相对于扭矩施加操作有且仅以一个方向的相对移动，从容实现两过程的相互独立，避免了相互干扰。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参见图1和图2，一种岩石空心圆柱扭剪仪，包括：框架1、升降装置(2、3)、底座4、围压桶10、上座18、传力轴26、传力轴支架(29、30、34、38)、扭矩施加结构和控制器。
具体来说，所述升降装置固定在所述框架1上，所述底座4通过底座固定螺栓5固定在所述升降装置上；从而实现底座的抬升下降控制。
所述围压桶10固定在所述底座4上，所述底座4上，围压桶内腔17中设置一用于固定试样11底端的下压头9，通过下压头固定螺栓8固定在所述底座4上。
所述上座18通过上座固定螺栓14固定在所述围压桶10上部，与所述围压桶10以及所述底座4围成试样反应空间；作为试样反应的环境空间和围压施加空间。且，所述上座18和底座4通过拉紧螺栓16压紧。
进一步地，施力油腔通常由上座18上的凹槽与槽盖28围成，并通过槽盖固定螺栓25固定；便于拆卸维护。
所述传力轴26中部嵌于所述上座18内，底部位于所述反应空间内，所述传力轴26底端设置一用于固定试样顶端的上压头12。
所述上压头12上设置测试设备孔13，用于各类测试传感器进入。
所述传力轴26中部位于所述上座18内的杆身上设置一活塞22，所述上座内设置一与所述活塞匹配的施力油腔，所述活塞22将所述施力油腔分隔成上施力油腔23和下施力油腔21；从而通过液压油的输入输出实现活塞与施力油腔的相对运动。执行施力卸力操作。
所述传力轴上部33通过所述传力轴支架固定在所述框架1上，相对所述框架保持轴向和径向静止。所述扭矩施加结构固定在所述框架上，与所述传力轴上部相连，用于施加扭矩；从而形成传力轴26与扭矩施加结构的切向侧位移相对移动的结构形式，使得轴向施力和切向施力相互独立；避免相互影响。
所述围压桶10、所述上施力油腔23和所述下施力油腔21均设置用于与外部液压元件连接的输油通道(24、20、15、6、7)；用于施加围压和液压施力操作。
所述控制器分别与所述扭矩施加结构、所述升降结构以及液压元件相连；所述控制器对所述升降结构以及所述液压元件实现连锁控制，当所述液压原向所述施力油腔供油或者泄油，驱动所述反应空间相对于所述传力轴上下移动时，所述升降装置跟所述反应空间移动。
进一步地，所述升降装置包括：液压动力元件、导轨2以及升降支座3；
所述导轨2固定在所述框架1上，所述升降支座3通过与所述导轨2匹配的滑块固定在所述导轨2上；
所述液压动力元件固定在所述框架1与所述升降支座3之间，驱动所述升降支座沿所述导轨移动。
具体来讲，所述液压动力元件包括：液压千斤顶。
进一步地，所述围压桶10内开设的输油通道包括：
位于所述上座18以及底座4上，连通所述围压桶内腔的输油通道(6、15)；
位于所述底座4上，连通岩石空心圆柱试样11内腔的输油通道7。
进一步地，所述上压头12以及所述下压头9上设置粘连结构，用于将所述试样的端部分别粘接在所述上压头和下压头上。
进一步地，传力轴支架包括：第一支架38以及第一法兰丝扣34；
所述第一支架38一端固定在所述框架1上，另一端通过所述第一法兰丝扣34与所述传力轴相连。
进一步地，所述传力轴支架还包括：第二支架29以及第二法兰丝扣30；
所述第二支架29一端固定在所述框架1上，另一端通过所述第二法兰丝扣30与所述传力轴26相连；
其中，所述第一丝扣法兰34和所述第二丝扣法兰30分别位于所述传力轴中部和上部。从而形成两个支点，保证传力轴的稳定。
进一步地，所述扭矩施加结构包括：扭矩传力杆、扭矩施加油缸37以及油缸固定基座36；
所述扭矩传力杆一端与所述传力杆上部33相连，另一端通过关节轴承与所述扭矩施加油缸37的活塞头相连。
优选的，所述扭矩施加油缸37的尾部通过枢转轴35与所述油缸固定基座36枢转连接。
进一步地，所述扭矩传力杆固定在所述第一丝扣法兰34和所述第二丝扣法兰30之间。从而保证扭矩施加，不影响传力轴的姿态。
进一步地，所述底座与所述围压桶之间、所述上座与所述围压桶之间以及所述上座与所述传力轴之间均设置密封圈27、19。
优选的，还可以将传力轴26通过联轴器31连接另一传力轴，在联轴器上设置扭矩传感器32，另一传力轴连接扭矩施加结构；从而实时监测终端作用的扭矩，反馈扭矩施加油缸37的实力操作，保证施力精度。
下面具体介绍所述扭剪仪的工作过程。
具体的本发明进行室内试验，按以下步骤进行：
步骤1：安装空心岩样11。将升降支座3下降至最低点，安装试样前，将测量仪器放入空心岩样11内部，将空心岩样11一端用强力胶粘结下压头9，另一端用强力胶粘结上压头12，空心岩样11上包有防渗透的皮管，将其由下压头固定螺栓8固定在底座4上，并且将相关测量设备放进空心岩样11内外部。
步骤2：利用控制器控制底座4上升，使得围压桶10与上座18接触，此时上压头12的上的凹槽和传力轴26下部的凸头咬合，完成空心岩样的安装。
步骤3：实施加载。利用控制器控制外围压第一输油通道6和外围压第二输油通道15向围压桶内腔17输油，施加外围压。内围压输油通道7往空心岩样11内的空腔输油提供内围压。通过轴向加载输油通道23往轴力上施力油腔24输油，推动槽盖28使试验机并使其向上运动，(传力轴上部33静止)施加轴力。上压头12的上的凹槽和传力轴26下部的凸头咬合，通过扭矩施加油缸37推动传力轴26做圆周运动为空心岩样提供扭矩。
步骤4：卸载拆样。内外围压的卸载同加载方法大致相同，通过控制器控制抽油，进行卸载。通过轴向卸载输油通道20向轴力下施力油腔21输油推动上座18使试验机整体向下运动，卸载轴向压力。扭矩的卸载使用扭矩施加油缸37反向运动即可。卸载后，利用控制器控制升降支座3下降，后拆卸空心岩样。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的岩石空心圆柱扭剪仪，革新扭剪仪的扭矩和轴向施力方式，协调两个操作过程，避免其相互干扰；具体来说，通过将传力轴固定在框架上，保持轴向和径向相对于框架静止；将扭矩施加结构固定在所述框架上，以其为施力支点；设置升降结构，执行抬升主体反应空间操作，使得轴向施力过程的动件由常规的传力轴改成主体反应空间；从而使得传力轴在轴向和径向都不存在位移的情况下完成轴向施力，同时扭矩施力操作由于传力轴在轴向和径向上相对于框架静止，而扭矩施力组件只向传力轴施加切向扭矩，在轴向和切向上相对静止，从而实现了施加扭矩操作与轴向施力操作的，相对独立，从而避免了相互干扰；保证了试验可靠性和精度。克服了现有结构中扭矩施加结构与传力轴的刚性连接，避免了产生由于运动趋势产生的结构应力，而影响施力精度，角度和稳定性的问题。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于，包括：框架、升降装置、底座、围压桶、上座、传力轴、传力轴支架、扭矩施加结构和控制器；
所述升降装置固定在所述框架上，所述底座固定在所述升降装置上；
所述围压桶固定在所述底座上，围压桶内腔中设置一用于固定试样底端的下压头；
所述上座固定在所述围压桶上部，与所述围压桶以及所述底座围成试样反应空间；
所述传力轴中部嵌于所述上座内，底部位于所述反应空间内，所述传力轴底端设置一用于固定试样顶端的上压头；
所述传力轴中部位于所述上座内的杆身上设置一活塞，所述上座内设置一与所述活塞匹配的施力油腔，所述活塞将所述施力油腔分隔成上施力油腔和下施力油腔；
所述传力轴上部通过所述传力轴支架固定在所述框架上，相对所述框架保持轴向和径向静止；
所述扭矩施加结构固定在所述框架上，与所述传力轴上部相连，用于施加扭矩；
所述围压桶、所述上施力油腔和所述下施力油腔均设置用于与外部液压元件连接的输油通道；
所述控制器分别与所述扭矩施加结构、所述升降装置以及液压元件相连；
其中，所述控制器对所述升降装置以及所述液压元件实现连锁控制，当所述液压元件向所述施力油腔供油或者泄油，驱动所述反应空间相对于所述传力轴上下移动时，所述升降装置跟所述反应空间移动。
2.如权利要求1所述的岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于，所述升降装置包括：液压动力元件、导轨以及升降支座；
所述导轨固定在所述框架上，所述升降支座通过与所述导轨匹配的滑块固定在所述导轨上；
所述液压动力元件固定在所述框架与所述升降支座之间，驱动所述升降支座沿所述导轨移动。
3.如权利要求2所述的岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于，所述液压动力元件包括：液压千斤顶。
4.如权利要求3所述的岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于，所述围压桶内开设的输油通道包括：
位于所述上座以及底座上，连通所述围压桶内腔的输油通道；
位于所述底座上，连通岩石空心圆柱试样内腔的输油通道。
5.如权利要求4所述的岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于：所述上压头以及所述下压头上设置粘连结构，用于将所述试样的端部分别粘接在所述上压头和下压头上。
6.如权利要求4所述的岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于，传力轴支架包括：第一支架以及第一丝扣法兰；
所述第一支架一端固定在所述框架上，另一端通过所述第一丝扣法兰与所述传力轴相连。
7.如权利要求6所述的岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于，所述传力轴支架还包括：第二支架以及第二丝扣法兰；
所述第二支架一端固定在所述框架上，另一端通过所述第二丝扣法兰与所述传力轴相连；
其中，所述第一丝扣法兰和所述第二丝扣法兰分别位于所述传力轴中部和上部。
8.如权利要求7所述的岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于，所述扭矩施加结构包括：扭矩传力杆、扭矩施加油缸以及油缸固定基座；
所述扭矩传力杆一端与所述传力杆上部相连，另一端通过关节轴承与所述扭矩施加油缸的活塞头相连。
9.如权利要求8所述的岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于：所述扭矩传力杆固定在所述第一丝扣法兰和所述第二丝扣法兰之间。
10.如权利要求1～9任一项所述的岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于：所述底座与所述围压桶之间、所述上座与所述围压桶之间以及所述上座与所述传力轴之间均设置密封圈。
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