CN106979893B - 受载煤岩体热流固耦合ct三轴压力腔提升装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置，构成三轴试验单元用装载单元，三轴试验单元通过装载单元进行岩石试样装设，三轴试验单元设在装载单元的装载台上，装载台与三轴试验单元之间直线形导轨副结构；装载台与三轴试验单元之间设有移动驱动装置；装载台通过铰接结构铰接在装载单元的机架上，机架一侧下端设有装件台，在三轴试验单元呈竖直状态时，装件台位于竖直状态三轴试验单元的正下方。本发明的有益效果是，三轴试验单元可在水平状态和竖直状态之间转换，在水平状态并配合CT扫描系统时，可采用推拉方式推入和拉拽出CT扫描机，无需配备起吊设备，且操作简单、方便，安全性好；在竖直状态时，岩石试样装拆方便、安全。

Description

受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置。

背景技术

随着城镇化建设的推进，基础设施的不断完善，施工工艺的不断改进。对三轴试验机的需求已不仅仅局限于材料工程，已经广泛的应用于岩土工程、建筑材料、地质灾害研究与应用等领域。特别是在岩石力学领域，对岩石在应力作用下的变形及渗流特性的研究是岩石力学领域的主要方向之一，常规三轴试验仪是试验岩石力学领域最常见的仪器之一，后经学者们改造后能够完成热流固耦合条件下的三轴试验。然而由于加载腔体需承受高强度的载荷，很难将腔体实现透明化。所以，试验过程中试样的变形的可视化问题一直困扰着广大科研工作者。

CT技术已经广泛的应用于医疗诊断以及工业无损检测领域，有学者已经开始将CT应用于岩石力学领域，但由于受到限制CT穿透性能和腔体对射线的吸收。目前用于CT的加载腔体的材料普遍为有机玻璃或者铝合金材料，这些材料的强度密度比不高，用这些材料制作的加载腔体所能承受的应力也不高。同时，医用CT与三轴加载室较难形成良好的匹配结构，特别是扫描前后在CT机上的装卸三轴加载腔，以及岩石试样装载，其过程十分繁琐，需要采用行吊等起吊设备将三轴室起吊并进行装拆，该过程不仅操作繁琐，而且还具有较大的危险性。因此，需要开发一种无需单独配置起吊设备的提升装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置，该装置构成三轴试验单元用装载单元，采用导轨副配合方式将三轴试验单元设在装载平台上，并铰接结构形成三轴试验单元水平状态和竖直状态之间的翻转，同时，利用移动驱动装置形成三轴压力腔的提升，为装拆岩石试样提供必要空间，提高装件操作的方便性和安全性；另外，可在三轴试验单元翻转成水平状态后，利用轨道延伸的方式，可方便的通过外力推拉方式将三轴压力室推送至CT机的病床上，或从病床上拉拽回承载平台，而不需采用起吊设备即可完成三轴试验单元的装卸，且三轴试验单元装件和装载过程中无需单独配备起吊设备，提高三轴试验单元装卸的操方便性和安全性。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。

一种受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置，构成三轴试验单元用装载单元，三轴试验单元设有三轴压力腔，三轴试验单元通过装载单元进行岩石试样装设，所述三轴试验单元设在装载单元的装载台上，装载台与所述三轴试验单元之间设有供所述三轴试验单元直线水平移动的直线形导轨副结构；装载台与所述三轴试验单元之间设有驱动所述三轴试验单元移动的移动驱动装置；装载台通过铰接结构铰接在装载单元的机架上，机架一侧下端设有装件台，在三轴试验单元通过铰接结构从水平状态翻转成竖直状态时，装件台位于竖直状态三轴试验单元的正下方。

采用前述技术方案的本发明，装载单元与三轴试验单元之间设有供三轴试验单元直线水平移动的直线形导轨副结构；在三轴试验单元处于通过铰接结构翻转成竖直状态时，利用装件台进行岩石试样装拆，并通过移动驱动装置驱动三轴试验单元在装载台上形成上下升降运动，为装拆岩石试样提供必要空间。移动驱动装置可通过液压缸实现，也可通过电机与丝杠螺母副传动结构相接合形成。在试件装设完成后，三轴试验单元可水平移动。此时，解除移动驱动装置与三轴试验单元之间的连接关系后，可推动三轴三轴试验单元沿导轨副的轨道移动，在装载单元与医用CT扫描系统之间设置延伸轨道后，可将三轴三轴试验单元方便的从装载单元直线推移到病床活动托架上进行CT扫描，相应可方便的从CT的病床上推出回到装载平台上。即三轴试验单元安装在医用CT单元上，或从医用CT单元撤除时，不需要起吊设备吊起三轴试验单元，而是直接推动其移动即可。其操作方便、安全，结构简单，制造和使用成本低。其中，移动驱动装置可通过液压缸实现，也可通过电机与丝杠螺母副传动结构相接合形成。

优选的，所述三轴试验单元通过滑台与所述装载台连接，所述直线形导轨副结构形成在所述滑台与所述装载台之间，滑台通过第三构件与所述移动驱动装置连接，该第三构件与所述滑台之间通过锁紧插孔与锁紧块或锁紧插销相配合形成可拆卸的锁紧固定。滑台构成三轴试验单元反力架的一部分，可有效增强试验单元结构强度；滑台安装导轨副结构的动导轨部分，利用滑台与第三构件之间设置锁紧插孔与锁紧块或锁紧插销的锁固结构，以在锁紧固定解除后，推动三轴试验单元随滑台同步移动。

优选的，所述装载台与所述机架之间设有水平限位结构和竖直限位锁紧结构，水平限位结构和竖直限位锁紧结构分别用于将所述三轴试验单元限制在水平状态和竖直状态。以确保三轴试验单元具有可靠的水平状态，进一步确保扫描装卸操作的方便性；同时，可使三轴试验单元处于方便安装岩石试样的竖直状态时。

优选的，所述竖直限位锁紧结构包括竖直限位块和锁紧螺杆，竖直限位块设在所述机架侧面上，在所述装载台处于竖直状态时，竖直限位块顶持在装载台下端后方，锁紧螺杆铰接在所述机架上，并位于装载台下端部，装载台下端设有供锁紧螺杆杆部卡入的螺杆容纳开槽，锁紧螺杆通过螺合的锁紧螺母对所述机架与所述装载台形成锁紧。以形成可靠锁紧，确保装件操作的安全性和可靠性。

优选的，所述装载台与所述机架之间设有用于所述三轴试验单元竖直和水平状态转换的翻转驱动装置。以通过翻转驱动装置实现三轴试验单元的竖直和水平状态转换，不需人工翻转，降低操作强度，提高翻转效率和翻转操作安全性。

进一步优选的，所述翻转驱动装置由液压缸或卷扬机构成。以利用现有技术中结构简单的动力驱动装置实现翻转，降低制造成本。

优选的，所述直线形导轨副呈燕尾形导轨副结构，或者，由双T形导轨副、双工字形导轨副或矩形与三角形导轨副组合形成组合型的双导轨副结构。以有效防止三轴试验单元在竖直状态形成倾倒趋势，有效提高装件操作的安全性。

进一步优选的，所述直线形导轨副由双T形导轨副或双工字形导轨副组合形成组合型的双导轨副结构；所述导轨副通过轨道与滚动体形成滚动导轨副结构。以通过滚动导轨副结构降低三轴试验单元移动的摩擦阻力，降低劳动强度，同时，在滚动体设在滑台上时，可有效承载三轴试验单元的全部重量，并使三轴试验单元的压力腔形成悬伸状态，以有效避开CT扫描区域，减少动导轨部分对CT射线的不必要吸收，避免对岩石试样的成像效果造成影响。

本发明的有益效果是，三轴试验单元可在水平状态和竖直状态之间转换，在水平状态并配合CT扫描系统时，可采用推拉方式推入和拉拽出CT扫描机，无需配备起吊设备，且操作简单、方便，安全性好；在竖直状态时，岩石试样装拆方便、安全。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，其中，装载台处于水平状态。

图2是本发明中装载台处于竖直状态的结构示意图。

图3是本发明中的安装底板与移动驱动装置连接关系的结构示意图。

图4是本发明中装载台的结构示意图。

图5是本发明与三轴试验单元和医用CT单元一起构成的应用医用CT进行动态观测的热流固耦合三轴试验系统的结构示意图。

图6是本发明中三轴试验单元的结构示意图。

图7是应用本发明中三轴试验单元的部分结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7，一种受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置，构成三轴试验单元100用装载单元300，三轴试验单元100设有三轴压力腔，三轴试验单元100通过装载单元300进行岩石试样装设，所述三轴试验单元100设在装载单元300的装载台310a上，装载台310a与所述三轴试验单元100之间设有供所述三轴试验单元100直线水平移动的直线形导轨副结构；装载台310a与所述三轴试验单元100之间设有驱动所述三轴试验单元100移动的移动驱动装置；装载台310a通过铰接结构铰接在装载单元300的机架320上，机架320一侧下端设有装件台330，在三轴试验单元100通过铰接结构从水平状态翻转成竖直状态时，装件台330位于竖直状态三轴试验单元100的正下方。

受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置、三轴试验单元100和医用CT单元200一起构成应用医用CT进行动态观测的热流固耦合三轴试验系统，三轴试验单元100通过装载单元300进行岩石试样安装，医用CT单元200用于对岩石试样进行CT扫描，医用CT单元200包括CT扫描主机210和病床系统220，病床系统220由病床固定托架220a和病床活动托架组成，病床活动托架组成可移动的设在病床固定托架220a上；所述装载单元300位于所述CT扫描主机210前方；装载单元300与所述三轴试验单元100之间形成的供所述三轴试验单元100直线水平移动的直线形导轨副结构中的轨道由主体段301和延伸段组成，主体段301用于三轴试验单元100在装载单元300上直线移动，延伸段主要用于三轴试验单元100从装载单元300直线移动至所述病床活动托架上。主体段301两端设有可拆卸的限位挡铁305。

其中，所述主体段301固定连接在装载台310a上，装载台310a与所述三轴试验单元100之间设有驱动所述三轴试验单元100移动的移动驱动装置，该移动驱动装置采用由电机驱动的丝杆螺母副传动结构；其丝杠螺母副传动结构采用具有自锁角的丝杠螺母副；机架320一侧下端设有的装件台330通过杆部形成T字形，装件台330通过杆部可转动的支撑在机架320上，装件台330还设有扳动用手轮331，手轮331上连接有手柄，以通过手柄扳动装件台330转动。其中，三轴试验单元100通过滑台110与所述装载台310a连接；滑台110底面中部形成有矩形开口的通槽，装载台310a中部设有条形腰槽A；所述移动驱动装置中丝杠螺母副的丝杠311通过其两端的固定连接在装载台310a底面上的丝杠座312可转动的设在装载台310a上，丝杠311一端与驱动电机313的输出轴同轴固定连接，驱动电机313安装固定在装载台310a上，丝杠螺母副中的螺母111构成滑台110与移动驱动装置连接的第三构件，螺母111穿过装载台310a的条形腰槽A，其上端伸入滑台110底面中部的通槽内，螺母111与滑台110之间通过锁紧插孔与锁紧块或锁紧插销112相配合形成可拆卸的锁紧固定；螺母111中部两侧与条形腰槽A形成滑动配合，并由条形腰槽A限制其转动。以在锁固结构锁固后，由驱动电机313驱动滑台110及三轴试验单元100同步移动，主要用于在三轴试验单元100、滑台110以及装载台310a处于竖直状态时，通过移动驱动装置提升三轴试验单元100主体部分的方式，形成岩石试样安装空间，提高安装方便性；而在三轴试验单元100处于水平状态，且锁紧固定解除后，便于推动三轴试验单元100随滑台110同步移动至CT扫描机的病床上。显然，为满足安装岩石试样需要，装载台310a与所述机架320之间设有水平限位结构和竖直限位锁紧结构，水平限位结构和竖直限位锁紧结构分别用于将所述三轴试验单元100限制在水平状态和竖直状态。

其中，水平限位结构由固定连接在机架320顶部的限位柱321构成，在装载台310a处于水平位置时，限位柱321通过装载台310a的底面对装载台310a形成支撑；竖直限位锁紧结构包括竖直限位块322和锁紧螺杆323，竖直限位块322设在所述机架320侧面上，在所述装载台310a处于竖直状态时，竖直限位块322顶持在装载台310a下端背面，该背面与装载台310a水平时的底面为同一面，锁紧螺杆323铰接在所述机架320上，并位于装载台310a下端部，装载台310a下端设有供锁紧螺杆323杆部卡入的螺杆容纳开槽B，锁紧螺杆323通过螺合的锁紧螺母对所述机架320与所述装载台310a形成锁紧。另外，装载台310a与所述机架320之间设有用于所述三轴试验单元100竖直和水平状态转换的翻转驱动装置，该翻转驱动装置由卷扬机324构成，卷扬机324的电机及卷筒固定连接在机架320一侧，牵引钢丝绳325通过过轮326与装载台310a的一端端部连接。

其中，所述直线形导轨副由双工字形导轨副组合形成组合型的双导轨副结构；所述导轨副通过轨道的主体段301和延伸段分别与滚动体形成滚动导轨副结构。滚动体采用滚针形式，多个滚针呈并列设在滚针支架113上，四个滚针支架113固定连接在滑台110的四角；滚针支架113呈U形，滚针支架113中U形的至少一侧壁与轨道的主体段301或延伸段上部的外侧面滑动连接，以形成滑台110的侧向限位。

其中，延伸段由第一延伸轨道302和第二延伸轨道303组成，第一延伸轨道302连接在所述机架320和所述病床活动托架之间，第二延伸轨道303设在病床活动托架上，以使第一延伸轨道302形成连接桥梁；以方便通过拆除第一延伸轨道302实现CT扫描机与装载单元300的断开，从而在扫描时获得所需的必要操作空间，或者，将医用扫描机恢复原有医用扫描功用；第二延伸轨道303构成病床活动托架对三轴试验单元100CT扫描时的支撑，第二延伸轨道303两端设有可拆卸的限位挡铁305，以防止三轴试验单元100意外从病床活动托架上脱出。其中，所述病床活动托架上设有高分子结构复合材料制成的托板220b，托板220b内嵌设有具有内外丝扣的复合螺母304；所述第一延伸轨道302和第二延伸轨道303通过固定螺钉与托板220b固定连接，托板220b与所述病床活动托架之间利用加宽的粘扣带并采用绑扎的方式将托板220b固定在CT病床活动托架上，从而有效避免对CT病床活动托架造成不可恢复的损伤，同时合理分布重量，将第二延伸轨道303布置在CT病床固定托架上方，导轨采用上窄下宽的大承载面、长支撑段结构，避免活动托架产生弯曲变形而不稳定，从而对扫描结果造成影响。

其中，三轴试验单元100的采用轴压与围压同时加载的方式形成模拟三轴加载；三轴试验单元100包括筒形结构的三轴压力腔120，三轴压力腔120采用钛合金制造，三轴压力腔120的筒形部内壁上衬有绝热套121，绝热套121由纳米气凝胶材料制成，三轴压力腔120由后端的连接盘120a通过四根柱杆122和轴压加载缸安装板123形成反力架结构，三轴试验单元100通过连接盘120a和轴压加载缸安装板123与滑台110固定连接，轴压加载缸安装板123上设有轴压加载油缸124，轴压加载油缸124连接有轴压加载用电液伺服加载系统，轴压加载油缸124的缸底盖124a上装设有磁致伸缩位移传感器124b，磁致伸缩位移传感器124b的探头轴向伸入轴压加载油缸124的活塞内，且磁致伸缩位移传感器124b的磁环也嵌设在活塞内，轴压加载油缸124的活塞杆前端依次设有压力传感器125和加载压头，加载压头由加载压头主体126和加载活动头127组成，加载活动头127和加载压头主体126之间形成有球面配合结构，加载活动头127和加载压头主体126通过螺栓和预紧弹簧128连接，预紧弹簧128通过弹性力使加载活动头127和加载压头主体126之间的球面保持结合；三轴压力腔120的前端形成连接法兰120b，连接法兰120b通过螺栓连接有下底盘129，下底盘129外侧固定连接有定位盘130，下底盘129通过定位盘130与装件台330连接，且下底盘129与装件台330形成同轴线的连接关系；下底盘129内侧装设有固定压头组合体，固定压头组合体由固定压头主体131和具有蜂窝孔结构的蜂窝孔固定压头132轴向组合形成，蜂窝孔固定压头132自由端用于承载岩石试样133；连接盘120a中部间隙配合有具有法兰盘的透盖137，透盖137具有的法兰盘位于连接盘120a内侧，透盖137通过其法兰盘与连接盘120a形成端面密封结构，透盖137内径向密封配合有活动压头组合体，活动压头组合体由活动压头主体134和具有蜂窝孔结构的蜂窝孔活动压头135轴向组成形成，蜂窝孔活动压头135用于向岩石试样133施加轴向载荷；固定压头主体131和活动压头主体134上均设有用于捆扎铁丝136的环形凹槽；下底盘129和透盖137上均固定连接有盘丝加热器138，两个盘丝加热器138分别包围在固定压头主体131和活动压头主体134一段杆部的外周；下底盘129和透盖137之间通过至少两个定位杆139连接，定位杆139一端固定在下底盘129上，另一端与透盖137上的配合孔形成滑动配合的连接关系，多根定位杆139周向均布在固定压头主体131外周，以在岩石试样133安装后固定压头主体131和活动压头主体134同轴线。三轴压力腔120的筒部外壁呈台阶状结构，并在与岩石试样133对应的区域的外壁形成壁厚减小的内凹结构。下底盘129和活动压头主体134上设有渗流流体接口，两个渗流流体接口之间依次通过活动压头主体134上设有的流体通道、蜂窝孔活动压头135上的渗流流体通道及蜂窝孔、岩石试样133的渗流流道、蜂窝孔固定压头132上的蜂窝孔及渗流流体通道、固定压头主体131的渗流流体通道，以及下底盘129上的渗流流体通道接通；并通过外接渗流管路和渗流泵形成渗流流体循环通路。下底盘129上和连接盘120a上设有与三轴压力腔120内部空腔接通的围压加载流体通道接口，两个围压加载流体通道接口通过外接管路与液压伺服加载系统形成围压加载循环回路。在装拆岩石试样133时，通过拆卸连接法兰120b与下底盘129之间的连接螺栓使下底盘129与三轴压力腔120分离，并通过提升滑台110的方式，使固定压头和活动压头部分整体露出三轴压力腔120；在装件完成后需要将下底盘129与三轴压力腔120通过螺栓连接在一起时，可通过手柄扳动装件台330使下底盘129随装件台330同步转动，达到下底盘129与连接法兰120b上多个圆周分布的螺栓安装孔对应同轴线的螺栓安装要求。

本实施例中的翻转驱动装置可采用液压缸替代；移动驱动装置也可采用另一液压缸替代。

本实施例中的双工字组合导轨副结构，也可采用燕尾形导轨副结构、双T形导轨副结构，或者，矩形与三角形结合的组合导轨副结构替代。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置，构成三轴试验单元（100）用装载单元（300），三轴试验单元（100）设有三轴压力腔，三轴试验单元（100）通过装载单元（300）进行岩石试样装设，其特征在于，所述三轴试验单元（100）设在装载单元（300）的装载台（310a）上，装载台（310a）与所述三轴试验单元（100）之间设有供所述三轴试验单元（100）直线水平移动的直线形导轨副结构；装载台（310a）与所述三轴试验单元（100）之间设有驱动所述三轴试验单元（100）移动的移动驱动装置；装载台（310a）通过铰接结构铰接在装载单元（300）的机架（320）上，机架（320）一侧下端设有装件台（330），在三轴试验单元（100）通过铰接结构从水平状态翻转成竖直状态时，装件台（330）位于竖直状态三轴试验单元（100）的正下方。

2.根据权利要求1所述的受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置，其特征在于，所述三轴试验单元（100）通过滑台（110）与所述装载台（310a）连接，所述直线形导轨副结构形成在所述滑台（110）与所述装载台（310a）之间，滑台（110）通过第三构件与所述移动驱动装置连接，该第三构件与所述滑台（110）之间通过锁紧插孔与锁紧块或锁紧插销相配合形成可拆卸的锁紧固定。

3.根据权利要求1所述的受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置，其特征在于，所述装载台（310a）与所述机架（320）之间设有水平限位结构和竖直限位锁紧结构，水平限位结构和竖直限位锁紧结构分别用于将所述三轴试验单元（100）限制在水平状态和竖直状态。

4.根据权利要求3所述的受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置，其特征在于，所述竖直限位锁紧结构包括竖直限位块（322）和锁紧螺杆（323），竖直限位块（322）设在所述机架（320）侧面上，在所述装载台（310a）处于竖直状态时，竖直限位块（322）顶持在装载台（310a）下端后方，锁紧螺杆（323）铰接在所述机架（320）上，并位于装载台（310a）下端部，装载台（310a）下端设有供锁紧螺杆（323）杆部卡入的螺杆容纳开槽，锁紧螺杆（323）通过螺合的锁紧螺母对所述机架（320）与所述装载台（310a）形成锁紧。

5.根据权利要求1所述的受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置，其特征在于，所述装载台（310a）与所述机架（320）之间设有用于所述三轴试验单元（100）竖直和水平状态转换的翻转驱动装置。

6.根据权利要求5所述的受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置，其特征在于，所述翻转驱动装置由液压缸或卷扬机构成。

7.根据权利要求1所述的受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置，其特征在于，所述直线形导轨副呈燕尾形导轨副结构，或者，由双T形导轨副、双工字形导轨副或矩形与三角形导轨副组合形成组合型的双导轨副结构。

8.根据权利要求7所述的受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔提升装置，其特征在于，所述直线形导轨副由双T形导轨副或双工字形导轨副组合形成组合型的双导轨副结构；所述导轨副通过轨道与滚动体形成滚动导轨副结构。