CN106840892A - 一种煤岩样真三轴竖向动静加载试验机 - Google Patents

一种煤岩样真三轴竖向动静加载试验机 Download PDF

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Abstract

发明涉及一种煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，适用于再现地下矿井开采过程中冲击矿压、岩爆等煤岩动力灾害现象。试验系统由三轴加载系统、测量控制系统、动力加载系统组成。X、Y轴分别设有四柱和两柱单活塞缸的双高频响伺服缸，并安装在可由升降伺服机构沿Z轴方向驱动的同一水平平台上，其中Y轴一方向设有卸载缸，实现一面应力快速卸载，Z轴设有四柱中空式双活塞杆单伺服缸，并配置回弹式位移传感器，测量数据反馈于升降伺服机构，保证水平X、Y轴加载中心始终交于一点且中心点不变。高速伺服缸安装在Z轴上，提供动力加载源。试验机可模拟煤岩试样的真三轴静态加载状态、Z轴冲击动力加载状态、Y轴固定速率或快速应力卸载状态。

Description

一种煤岩样真三轴竖向动静加载试验机
技术领域
本发明专利涉及煤岩样真三轴竖向动静加载试验机，主要使用于矿井冲击动力灾害机理研究及实验室模拟再现。
背景技术
随着煤炭资源的不断开采，开采深度不断加大，保证高深度下的矿井安全开采是为我国能源安全供给，社会经济稳定发展的必要条件。然而，进入深部开采，矿山压力规律与浅部明显不同，其中以冲击矿压为代表的煤岩动力灾害给矿井安全开采带来了新的挑战。深部开采条件下冲击矿压发生的频率与强度远高于浅部开采，所造成的人员伤亡与经济损失也呈现重大恶性事故特点，因此必须引起科学界的关注。目前与冲击矿压实验研究相关的大部分研究内容都是在静态力学试验机上完成的，在静态力学实验中有MTS材料力学试验机，该试验机可完成静力学试验、常温常压试验、高温高压试验、破坏力学试验、全过程试验，但振动频率最大只能到5Hz左右，这与煤矿矿震发生的高频率震动相差较远，不能够满足冲击矿压机理研究水平的要求。在动态实验设备方面先后发展了落锤、轻气炮和霍普金森压杆。但无论那种设备，都只能单纯完成静载和动载载实验，而事实上驱动煤岩体发生冲击矿压的载荷为动静组合载荷。为此，研究发明煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，以重现煤岩动力灾害发生时应力环境特征与演化过程，为冲击矿压机理研究提供依据。
发明内容
目前存在的单独的动载（疲劳试验机或霍普金森压杆）、静载（伺服刚性压力机）和假三轴动静组合试验系统限制了对冲击矿压现象、机理及参数的研究，因此本发明就是针对以上现有技术的不足，提供了一种可进行静态三轴试验、动态冲击试验和快速卸载试验的真三轴动静组合加卸载冲击显现试验机。
为了实现上述发明目的，本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：三轴加载系统、测量控制系统、动力加载源系统、保护系统。其中，三轴加载系统、测量控制系统和动力加载源系统固定在底座上。三轴加载系统用于实现静态三轴试验和快速卸载试验，静态三轴试验可完成单轴、双轴、三轴分别或同时加卸载，不等应力加载、卸载。快速卸载试验完成对试样实施双轴、三轴不等应力作用下的Y轴单方向突然卸载试验。动力加载源系统在试样处于稳定应力状态下，在Z轴方向上施加一冲击动载荷。测量控制系统用于测量力和位移大小，从而用于控制整个设备的运转和记录试验数据。保护系统用于保护人员及设备安全。
所述三轴加载系统包括：刚性框架、水平平台、卸载缸、单活塞高频响伺服缸、中空式双活塞杆伺服缸、升降伺服机构、立柱、跌落杆、气动催力装置、底座，连接关系为：X轴采用从两个刚性框架中分别穿过的两个单活塞高频响伺服缸和与刚性框架相连的四个立柱的结构形式。Y轴采用从两个刚性框架中分别穿过的一个单活塞高频响伺服缸和一个卸载缸，及与刚性框架相连的2个立柱的结构形式。X、Y轴安装在水平平台上，并与升降伺服机构相连。Y轴卸载缸突然卸载后，跌落杆在气动催力装置作用下快速跌落，让出高速摄像所需的空间和时间；所述气动催力装置包括卸载缸、杠杆装置；跌落杆与杠杆装置一端连接，卸载缸与杠杆装置的另一端联动，杠杆装置一端与杠杆装置的另一端移动方向相反，杠杆装置上设有支点，卸载缸与杠杆装置的另一端连接的位置为第一点，杠杆装置与跌落杆连接的位置为第二点，支点与第一点之间的距离明显小于支点与第二点之间的距离，故卸载缸的卸载带动跌落杆快速移动；当需要跌落杆升起时，卸载缸通过气泵管道给杠杆装置加压，杠杆装置的另一端下移，通过杠杆作用将跌落杆升起；Y轴加载系统的卸载缸突然卸载后，杠杆装置的另一端上移，跌落杆在气动催力装置作用下快速跌落，跌落杆以接近自由落体方式下降，让出高速摄像所需的空间和时间。
Z轴采用从上刚性框架中穿过的一个中空式双活塞杆伺服缸和与底座相连的4个立柱的结构形式。
所述测量系统包括：负荷传感器、回弹式位移传感器、位移传感器，连接关系为：回弹式位移传感器安装在水平平台上，测量数据反馈给升降伺服机构控制水平平台升降，从而随试样几何中心变化而随动，保证加载时X、Y、Z轴中心始终交于一点，保证水平X、Y轴加载中心始终交于一点且中心点不变（对中过程，首先通过加载力的作用使试样在Y轴方向位于中心位置，然后通过X方向力的作用使其位于X方向中心位置，水平平台随试样几何中心变化而升降，从而保证X,Y,Z轴始终交予一点且中心点不变）。位移传感器安装在Z轴框架上反馈控制升降伺服机构驱动水平平台上下移动，使加载中心适应不同试样尺寸。高速伺服缸上安装有负荷传感器，用于控制动载作用时间和冲击载荷大小。升降伺服机构位于水平平台下表面，内置液压驱动装置。
所述动力加载系统包括：高速伺服缸、活塞杆、冲击杆、直线轴承，连接关系为：中空式双活塞杆伺服缸上连接有高速伺服缸。高速伺服缸中的活塞杆冲击一个安装在中空式双活塞伺服缸中的冲击杆，直线轴承对冲击杆起支撑导向作用。
所述保护系统包括：挡板、减振阻尼器，连接关系为：底座下方安装有减振阻尼器，瞬间吸收冲击带来的振动，X、Y轴共四个刚性框架周围安装有挡板，保护外围安全。
本发明工作原理：利用X轴、Y轴和Z轴加载系统共5个液压缸模拟井下不同开采条件下煤岩体的静态受力条件，其特点是Y轴一个方向安装有卸载缸，通过气动催力装置实现跌落杆的快速跌落，从而完成一面临空的卸荷试验。为保证中心点不偏移，安装位移传感器和回弹式位移传感器，测量数据反馈给升降伺服机构驱动水平平台升降，利用Z轴的高速伺服缸冲击在真三轴静载作用下达到力学平衡条件的煤岩体，完成动静组合试验。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：目前国内外还没有能够实现煤矿动力灾害的实验系统，已成为制约学科发展的主要因素。现有理论、模型与现场脱节，不能有效指导防灾减灾。本发明煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机可研究煤岩体在真三轴动静组合加卸载试验条件下，应力分布、声电参数和应力波传播的演化规律，揭示动静合力诱灾机理和建立冲击破坏的多参量模型，进而提高冲击矿压灾害理论研究的有效性和针对性，提升学科的理论研究水平和装备水平。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明的测控系统局部示意图；
图3是本发明的三轴加载系统的X轴立体结构示意图；
图4是本发明的三轴加载系统的Y轴立体结构示意图；
图5是本发明的三轴加载系统的Z轴立体结构示意图。
在上述附图中：1-负荷传感器、2-回弹式位移传感器、3-高速伺服缸、4-挡板、5-刚性框架、6-水平平台、7-卸载缸、8-单活塞高频响伺服缸、9-中空式双活塞杆伺服缸、10-升降伺服机构、11-立柱、12-跌落杆、13-气动催力装置、14-位移传感器、15-底座、16-减振阻尼器、17-活塞杆、18-冲击杆、19-直线轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明专利的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、2、3、4、5所示：本实例包括负荷传感器1、回弹式位移传感器2、高速伺服缸3、挡板4、刚性框架5、水平平台6、卸载缸7、单活塞高频响伺服缸8、中空式双活塞杆伺服缸9、升降伺服机构10、立柱11、跌落杆12、气动催力装置13、位移传感器14、底座15、减振阻尼器16、活塞杆17、冲击杆18、直线轴承19。
一种煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，包括三轴加载系统、测量控制系统、动力加载源系统，三轴加载系统、测量控制系统和动力加载源系统固定在底座上，其特征在于：所述三轴加载系统包括刚性框架5、水平平台6、卸载缸7、单活塞高频响伺服缸8、中空式双活塞杆伺服缸9、升降伺服机构10、立柱11、跌落杆12、气动催力装置13、底座15，三轴加载系统分为X轴加载系统、Y轴加载系统、Z轴加载系统；刚性框架5包括X轴刚性框架、Y轴刚性框架、Z轴刚性框架；X轴加载系统采用从两个X轴刚性框架中分别穿过的两个单活塞高频响伺服缸8和与X轴刚性框架相连的立柱11的结构；Y轴加载系统采用从两个Y轴刚性框架中分别穿过的一个单活塞高频响伺服缸8和一个卸载缸7，及与Y轴刚性框架相连的立柱11的结构；X、Y轴加载系统安装在水平平台6上，并与升降伺服机构10相连；Y轴加载系统的卸载缸7突然卸载后，跌落杆12在气动催力装置13作用下快速跌落；Z轴加载系统采用从Z轴刚性框架5中穿过的一个中空式双活塞杆伺服缸9和与底座15相连的立柱11的结构。
所述测量系统包括负荷传感器1、回弹式位移传感器2、位移传感器14，回弹式位移传感器2安装在水平平台6上，回弹式位移传感器2的测量数据反馈给升降伺服机构10并由升降伺服机构控制水平平台6升降，从而水平平台随试样几何中心变化而升降，保证加载时X、Y、Z轴加载系统中心始终交于一点。所述的位移传感器14安装在Z轴刚性框架上，用于反馈控制升降伺服机构10并驱动水平平台6上下移动，使加载中心适应不同试样尺寸。所述的负荷传感器1安装于高速伺服缸3上，用于控制动载作用时间和冲击载荷大小。Y轴加载系统的卸载缸7突然卸载后，跌落杆12在气动催力装置13作用下快速跌落，让出高速摄像所需的空间和时间；所述的卸载缸与跌落杆连接，所述的气动催力装置连接跌落杆。试样位于加载试验机中央，且由六面夹具完全包围，六面夹具的六个面对应X、Y、Z轴形成的立体结构的六个面。
所述的动力加载系统包括高速伺服缸3、活塞杆17、冲击杆18，中空式双活塞杆伺服缸9上连接有高速伺服缸3；高速伺服缸3中的活塞杆17冲击安装在中空式双活塞伺服缸9中的冲击杆18。所述的动力加载系统还包括直线轴承19，冲击杆18被直线轴承19支撑导向。
还包括保护系统，所述的保护系统包括安装于所述底座15下方的减振阻尼器16。所述的保护系统还包括安装于X、Y轴刚性框架周围的挡板4。
上述结构的试验机使用时，首先打开挡板4，放置煤岩体试样，使试样中心与加载中心重合，然后启动三轴加载系统加载到设计的三向应力状态，同时回弹式位移传感器2和位移传感器14分别测量水平平台6和Z轴刚性框架5位移，并将数据反馈给升降伺服机构10，从而驱动水平平台6升降保证在加载过程中中心点不偏离，接着启动动力加载源系统使高速伺服缸3中的活塞杆17对安装在Z轴中空式双活塞伺服缸9中的冲击杆18进行动力冲击，冲击杆18在直线轴承19的支撑导向作用下，施加动载荷至煤岩体，使其在动静组合载荷下发生破坏，测量控制系统连续采集试验过程中的力、位移数据，出具X、Y、Z轴应力-应变、应力-时间、位移-时间曲线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同形式的替换，这些改进和等同替换得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，包括三轴加载系统、测量控制系统、动力加载源系统，三轴加载系统、测量控制系统和动力加载源系统固定在底座上，其特征在于：所述三轴加载系统包括刚性框架（5）、水平平台（6）、卸载缸（7）、单活塞高频响伺服缸（8）、中空式双活塞杆伺服缸（9）、升降伺服机构（10）、立柱（11）、跌落杆（12）、气动催力装置（13）、底座（15），三轴加载系统分为X轴加载系统、Y轴加载系统、Z轴加载系统；刚性框架（5）包括X轴刚性框架、Y轴刚性框架、Z轴刚性框架；X轴加载系统采用从两个X轴刚性框架中分别穿过的两个单活塞高频响伺服缸（8）和与X轴刚性框架相连的立柱（11）的结构；Y轴加载系统采用从两个Y轴刚性框架中分别穿过的一个单活塞高频响伺服缸（8）和一个卸载缸（7），及与Y轴刚性框架相连的立柱（11）的结构；X、Y轴加载系统安装在水平平台（6）上，并与升降伺服机构（10）相连；Y轴加载系统的卸载缸（7）突然卸载后，跌落杆（12）在气动催力装置（13）作用下快速跌落；Z轴加载系统采用从Z轴刚性框架（5）中穿过的一个中空式双活塞杆伺服缸（9）和与底座（15）相连的立柱（11）的结构。
2.根据权利要求1所述的煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，其特征在于：所述测量系统包括负荷传感器（1）、回弹式位移传感器（2）、位移传感器（14），回弹式位移传感器（2）安装在水平平台（6）上，回弹式位移传感器（2）的测量数据反馈给升降伺服机构（10）并由升降伺服机构控制水平平台（6）升降，从而水平平台随试样几何中心变化而升降，保证加载时X、Y、Z轴加载系统中心始终交于一点。
3.根据权利要求2所述的煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，其特征在于：所述的位移传感器（14）安装在Z轴刚性框架上，用于反馈控制升降伺服机构（10）并驱动水平平台（6）上下移动，使加载中心适应不同试样尺寸。
4.根据权利要求2所述的煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，其特征在于：所述的负荷传感器（1）安装于高速伺服缸（3）上，用于控制动载作用时间和冲击载荷大小。
5.根据权利要求2所述的煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，其特征在于：所述的动力加载系统包括高速伺服缸（3）、活塞杆（17）、冲击杆（18），中空式双活塞杆伺服缸（9）上连接有高速伺服缸（3）；高速伺服缸（3）中的活塞杆（17）冲击安装在中空式双活塞伺服缸（9）中的冲击杆（18）。
6.根据权利要求1所述的煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，其特征在于：所述气动催力装置（13）包括卸载缸（7）、杠杆装置；跌落杆（12）与杠杆装置一端连接，卸载缸（7）与杠杆装置的另一端联动，杠杆装置一端与杠杆装置的另一端移动方向相反；当需要跌落杆（12）升起时，卸载缸通过气泵管道给杠杆装置加压，通过杠杆作用将跌落杆升起；Y轴加载系统的卸载缸（7）突然卸载后，跌落杆（12）在气动催力装置（13）作用下快速跌落，跌落杆以接近自由落体方式下降，让出高速摄像所需的空间和时间。
7.根据权利要求1所述的煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，其特征在于：还包括保护系统，所述的保护系统包括安装于所述底座（15）下方的减振阻尼器（16）。
8.根据权利要求5所述的煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，其特征在于：所述的动力加载系统还包括直线轴承（19），冲击杆（18）被直线轴承（19）支撑导向。
9.根据权利要求7所述的煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机，其特征在于：所述的保护系统还包括安装于X、Y轴刚性框架周围的挡板（4）。
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