CN107014689A - 一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统 - Google Patents

一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明实现了一种对煤岩样动静组合加载的实验装置，具体涉及一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统，适用于矿井冲击动力灾害机理研究与实验室模拟再现，能够实现煤岩试样动态、可控和不同动静组合形式加载，模拟煤岩材料多种应力波加载方式，系统的真三轴特性可再现现场煤岩体的冲击现象。主要由三个方向施加静载荷的静载压力装置、X方向施加动载荷的动载装置和瞬间卸载跌落装置构成，通过轴向动静装置以及围压相互组合，研究煤体受矿震等应力波作用诱发冲击破坏的机理，建立动静载条件下整体的冲击矿压发生模型，研究各影响因素的合力作用，为矿震诱发冲击和防治提供理论依据。

Description

一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统
技术领域
本发明涉及煤岩动力破坏试验技术领域，具体涉及一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统。
背景技术
随着矿井开采深度的逐年增加，以煤矿矿震为代表的深部开采诱发灾害更具突发性，表现出明显的非线性动力特征，严重时可导致冲击矿压、煤与瓦斯突出和突水等矿井灾害。目前国内有关于真三轴加卸载、假三轴动静组合加载的发明，均无法真实模拟煤岩动力灾害发生时的环境特征，阻碍了煤岩动力灾害研究的理论突破。为此，本发明研发了基于霍普金森杆的真三轴动静组合加卸载试验系统，从而模拟开采条件下围岩的真实应力状态和破坏特征，为冲击矿压理论研究提供依据。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构紧凑、能实现煤岩样真三轴静态加载、轴向冲击动力加载、瞬间卸载以及各种组合形式下的基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：本发明由X、Y、Z三个方向施加静载荷的静载压力装置、X方向施加动载的动载装置和瞬间卸载跌落装置构成；所述的静载压力装置包括XZ轴油缸座、安装在XZ轴油缸座上的Z轴上油缸和固定在XZ轴油缸座上的Z轴上负荷传感器；所述的X方向的动载装置由X轴右油缸、安装在X轴右油缸上的透射杆、X轴左油缸、从X轴左油缸中穿过的入射杆、冲击杆、导向管和气室构成；瞬间卸载跌落装置由驱动油缸、安装在驱动油缸中的驱动杆、固定在XZ轴油缸座上的固定部件、安装在固定轴并可绕固定轴转动的连接杆和从连接杆中穿过的跌落杆；所述的气室、导向管、冲击杆、入射杆顺序连接，导向管端部插入所述的冲击杆。
X轴采用在XZ油缸座左右两侧分别穿过一个中空式双活塞杆伺服缸、一个中空式单活塞伺服缸，即X轴左油缸和X轴右油缸，在X轴左油缸、X轴右油缸中分别穿过入射杆、透射杆的结构。
Y轴采用从Y轴前油缸座和Y轴后油缸座中分别穿过一个单活塞高频响伺服缸，即Y轴前油缸和Y轴后油缸，瞬间卸载跌落装置中的驱动油缸，及与Y轴前油缸座和Y轴后油缸座相连的四根横柱的结构。
Z轴采用从XZ油缸座中穿过的两个单活塞高频响伺服缸即Z轴上油缸和Z轴下油缸的结构。
所述X轴左油缸、X轴右油缸上分别安装有X轴左磁致伸缩传感器、X轴右磁致伸缩传感器，用于精确测量X轴压头移动位置；所述Y轴前油缸、Y轴后油缸上分别安装有Y前磁致伸缩传感器、Y轴后磁致伸缩传感器，用于精确测量Y轴压头移动位置；所述Z轴上油缸、Z轴下油缸上分别安装有Z轴上磁致伸缩传感器、Z轴下磁致伸缩传感器，用于精确测量Z轴压头移动位置。
所述Y轴前油缸、Y轴后油缸上分别安装有Y轴前负荷传感器、Y轴后负荷传感器，用于精确测量Y轴作用在试样上的力；所述Z轴上油缸、Z轴下油缸上分别安装有所述的Z轴上负荷传感器、Z轴下负荷传感器，用于精确测量Z轴作用在试样上的力；所述X轴左油缸和X轴右油缸安装有压差传感器，压差传感器用于精确测量X轴作用在试样上的力。
所述三轴六面夹具上安装有变形传感器，变形传感器用于测量试验过程中试样沿各方向的变形。所述入射杆和透射杆上贴有应变片，用来精确测量入射杆和透射杆的应变。三轴六面夹具装配在试样表面，装配好后三轴六面夹具放于Z轴下压头上方；通过控制系统使各轴压头贴在三轴六面夹具表面后，按各轴向静载加载目标值进行加载；三轴六面夹具的每个面均与试样表面完全贴合。
通过控制Y轴的驱动油缸的油压，使得跌落杆瞬间跌落，实现对试样Y轴后侧的突然卸载，卸载时间约为0.15s，让出摄像所需的空间和时间。
本试验系统实现单轴、双轴、三轴加载，分别在Y轴和X轴上实现对试件两端不等压加载，每轴的加载速率可控制并调整。
本试验系统能够实现中心点自动调节，半径RS不大于0.5mm。X轴最大静载吨位为2500kN，Y轴最大静载吨位为1500kN，Z轴最大静载吨位为1500kN，力值精度为±1%，达到最大静载吨位的最快加载时间为20s。X轴最大冲击动载为2000kN，最大冲击压强200MPa，动载最大作用时间为300~400us。
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。本发明一种基于霍普金森杆的真三轴动静组合加卸载试验系统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是本发明的三维结构示意图。
图2是本发明XZ轴部件的结构示意图。
图3是本发明XZ轴部件的剖面示意图。
图4是本发明Y轴部件的结构示意图。
图5是本发明瞬间卸载跌落装置结构示意图。
图中，1—XZ轴油缸座，2—Z轴上油缸，3—Z轴上负荷传感器，4—X轴右油缸，5—X轴右磁致伸缩传感器，6—透射杆，7—Z轴下油缸，8—Z轴下负荷传感器，9—三轴六面夹具，10—X轴左磁致伸缩传感器，11—X轴左油缸，12—入射杆，13—冲击杆，14—导向管，15—气室，16—左底座，17—左导轨，18—左滑轮组件，19—Y轴前磁致伸缩传感器，20—Y轴前油缸座，21—Y轴前油缸，22—Y轴前负荷传感器，23—Y轴前压头，24—横柱，25—Y轴后压头，26—Y轴后负荷传感器，27—Y轴后油缸，28—Y轴后油缸座，29—Y轴后磁致伸缩传感器，30—右滑轮组件，31—右导轨，32—右底座，33—跌落杆，34—驱动油缸，35—驱动杆，36—固定部件，37—连接杆，38—变形传感器，39—Z轴下磁致伸缩传感器，40—Z轴上磁致伸缩传感器，41—压差传感器，42—固定轴。
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。
本发明包括X、Y、Z三个方向施加静载荷的静载压力装置、X方向施加动载的动载装置和瞬间卸载跌落装置构成。其中，所述的静载压力装置包括XZ轴油缸座1、安装在XZ轴油缸座1上的Z轴上油缸2和固定在XZ轴油缸座1上的Z轴上负荷传感器3；所述的X方向的动载装置由X轴右油缸4、安装在X轴右油缸4上的透射杆6、X轴左油缸11、从X轴左油缸11中穿过的入射杆12、冲击杆13、导向管14和气室15构成；瞬间卸载跌落装置由驱动油缸34、安装在驱动油缸34中的驱动杆35、固定在XZ油缸座1上的固定部件36、安装在固定部件36上的固定轴42、安装在固定轴42并可绕固定轴转动的连接杆37和从连接杆长臂37a中穿过的跌落杆33。其中，驱动杆35连接连接杆37的短臂37b一侧（以固定轴为支点），通过控制油压使驱动杆35上下运动可带动连接杆37长臂一侧的运动，进而使得跌落杆33瞬时跌落。
X轴采用在XZ油缸座1左右两侧分别穿过一个中空式双活塞杆伺服缸、一个中空式单活塞伺服缸，即X轴左油缸11和X轴右油缸4，在X轴左油缸11、X轴右油缸4中分别穿过入射杆12、透射杆6的结构。冲击杆冲击入射杆产生应力波，产生的应力波先传递到试样上，再经过试样传递给透射杆。入射杆和透射杆上的应变片记录下入射波形和透射波形，利用一维应力波理论可对试验数据进行分析。入射杆和透射杆是各自独立控制的。
Y轴采用从Y轴前油缸座20和Y轴后油缸座28中分别穿过一个单活塞高频响伺服缸，即Y轴前油缸21和Y轴后油缸27，瞬间卸载跌落装置中的驱动油缸34，及与Y轴前油缸座20和Y轴后油缸座28相连的四根横柱24的结构。Y轴前油缸座20底部连接左滑轮组件18，左滑轮组件18下方依次为左导轨17和左底座16，左导轨位于左底座上。Y轴后油缸座28底部连接右滑轮组件30，右滑轮组件30下方依次为右导轨31和右底座32，右导轨位于右底座上。Y轴前压头23位于Y轴前负荷传感器22外侧，Y轴后压头25位于Y轴后负荷传感器26外侧。Y轴前油缸座、Y轴前油缸、Y轴前负荷传感器、Y轴前压头顺序连接。Y轴后油缸座、Y轴后油缸、Y轴后负荷传感器、Y轴后压头顺序连接。
Z轴采用从XZ油缸座1中穿过的两个单活塞高频响伺服缸即Z轴上油缸2和Z轴下油缸7的结构。
所述X轴左油缸11、X轴右油缸4上分别安装有X轴左磁致伸缩传感器10、X轴右磁致伸缩传感器5，用于精确测量X轴压头移动位置；所述Y轴前油缸21、Y轴后油缸27上分别安装有Y前磁致伸缩传感器19、Y轴后磁致伸缩传感器29，用于精确测量Y轴压头移动位置；所述Z轴上油缸2、Z轴下油缸7上分别安装有Z轴上磁致伸缩传感器40、Z轴下磁致伸缩传感器39，用于精确测量Z轴压头移动位置。
所述Y轴前油缸21、Y轴后油缸27上分别安装有Y轴前负荷传感器22、Y轴后负荷传感器26，用于精确测量Y轴作用在试样上的力；所述Z轴上油缸2、Z轴下油缸7上分别安装有所述的Z轴上负荷传感器3、Z轴下负荷传感器8，用于精确测量Z轴作用在试样上的力；所述X轴左油缸11和X轴右油缸4安装有压差传感器41，压差传感器41用于精确测量X轴作用在试样上的力。
所述三轴六面夹具9上安装有变形传感器38，变形传感器38用于测量试验过程中试样沿各方向的变形。三轴六面夹具装配在试样表面，装配好后放于Z轴下压头上方。通过软件控制系统使得各轴压头贴在夹具表面后，可按各轴向静载加载目标值进行加载。
所述入射杆12和透射杆6上贴有应变片，用来精确测量入射杆12和透射杆6的应变。
通过控制Y轴的驱动油缸34的油压，使得跌落杆33瞬间跌落，实现对试样Y轴后侧的突然卸载，卸载时间约为0.15s，让出摄像所需的空间和时间。本发明实现单轴、双轴、三轴加载，分别在Y轴和X轴上实现对试件两端不等压加载，每轴的加载速率可调整。
本试验系统能够实现试样对齐中心点（指的是试样的几何中心与设计的几何中心重合），各轴压头按设计好的尺寸移动（即试样的几何中心与设计的几何中心重合时各压头所需移动的尺寸）。各压头移动至指定位置后，试样几何中心与设计的几何中心相重合。半径RS（指的是各轴的同轴度误差）不大于0.5mm。X轴最大静载吨位为2500kN，Y轴最大静载吨位为1500kN，Z轴最大静载吨位为1500kN，力值精度为±1%，达到最大静载吨位的最快加载时间为20s。X轴最大冲击动载为2000kN，最大冲击压强200MPa，动载最大作用时间为300~400us。
上述结构的试验机使用时，首先给试样（试样位于夹具内部）安装三轴六面夹具，控制各轴压头（指Y轴前压头23、Y轴后压头25等各压头）移动到根部位置（根部位置指各压头距离试样最远的位置），将装好的夹具放上去。执行各压头（包括Y轴前压头23、Y轴后压头25以及X轴、Z轴压头，X轴和Z轴压头也均为2个，且位置也与Y轴两个压头在Y轴的位置一致）归零操作（通过软件控制系统使所有油缸移至位移为零的位置），试样对齐中心点（指试样的几何中心对齐设计的几何中心），使各压头与夹具完全贴合。然后启动三轴加载系统加载到设计的三向应力状态，磁致伸缩传感器分别测量各轴各方向的位移，并将数据反馈给控制系统，从而驱动伺服阀进而控制压头（即各轴各个压头）移动，以保证在加载过程中中心点不偏离。静载保压完成之后，静载试验进入卸载阶段试验完成。
动载试验是在静载加载完成后，接着启动动力加载源系统使导向管中的冲击杆对安装在X轴中空式双活塞伺服缸中的入射杆进行动力冲击，入射杆在导向管的支撑导向作用下，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、应变数据，出具X、Y、Z轴应力-应变、应力-时间、位移-时间曲线。
瞬间卸载是在静载加载完成后，通过控制系统控制驱动油缸油压，使驱动杆迅速上升，连接杆短臂一侧随之上升，固定轴为支点，由于杠杆原理，连接杆长臂一侧瞬时下降，从而使跌落杆瞬间跌落，试样暴露出一个自由面，实现瞬间卸载。为保证瞬间卸载试验的数据能够得到充分采集，跌落杆落下后，延时3分钟后结束该阶段。
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 (10)

1.一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统，其特征在于：由X、Y、Z三个方向施加静载荷的静载压力装置、X方向施加动载的动载装置和瞬间卸载跌落装置构成；所述的静载压力装置包括XZ轴油缸座（1）、安装在XZ轴油缸座上的Z轴上油缸（2）和固定在XZ轴油缸座上的Z轴上负荷传感器（3）；所述的X方向的动载装置由X轴右油缸（4）、安装在X轴右油缸（4）上的透射杆（6）、X轴左油缸（11）、从X轴左油缸（11）中穿过的入射杆（12）、冲击杆（13）、导向管（14）和气室（15）构成；瞬间卸载跌落装置由驱动油缸（34）、安装在驱动油缸（34）中的驱动杆（35）、固定在XZ轴油缸座（1）上的固定部件（36）、安装在固定部件（36）上的固定轴（42）、安装在固定轴（42）并可绕固定轴（42）转动的连接杆（37）和从连接杆（37）中穿过的跌落杆（33）；所述的气室（15）、导向管（14）、冲击杆（13）、入射杆（12）顺序连接，导向管（14）端部插入所述的冲击杆（13）。
2.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统，其特征在于：X轴采用在XZ油缸座（1）左右两侧分别穿过一个中空式双活塞杆伺服缸、一个中空式单活塞伺服缸，即X轴左油缸（11）和X轴右油缸（4），在X轴左油缸（11）、X轴右油缸（4）中分别穿过入射杆（12）、透射杆（6）的结构；冲击杆（13）冲击入射杆（12）产生应力波，产生的应力波先传递到试样上，再经过试样传递给透射杆（6）。
3.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统，其特征在于：Y轴采用从Y轴前油缸座（20）和Y轴后油缸座（28）中分别穿过一个单活塞高频响伺服缸，即Y轴前油缸（21）和Y轴后油缸（27），瞬间卸载跌落装置中的驱动油缸（34），及与Y轴前油缸座（20）和Y轴后油缸座（28）相连的四根横柱（24）的结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统，其特征在于：Z轴采用从XZ油缸座（1）中穿过的两个单活塞高频响伺服缸即Z轴上油缸（2）和Z轴下油缸（7）的结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统，其特征在于：所述X轴左油缸（11）、X轴右油缸（4）上分别安装有X轴左磁致伸缩传感器（10）、X轴右磁致伸缩传感器（5），用于精确测量X轴压头移动位置；所述Y轴前油缸（21）、Y轴后油缸（27）上分别安装有Y前磁致伸缩传感器（19）、Y轴后磁致伸缩传感器（29），用于精确测量Y轴压头移动位置；所述Z轴上油缸（2）、Z轴下油缸（7）上分别安装有Z轴上磁致伸缩传感器（40）、Z轴下磁致伸缩传感器（39），用于精确测量Z轴压头移动位置。
6.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统，其特征在于：所述Y轴前油缸（21）、Y轴后油缸（27）上分别安装有Y轴前负荷传感器（22）、Y轴后负荷传感器（26），用于精确测量Y轴作用在试样上的力；所述Z轴上油缸（2）、Z轴下油缸（7）上分别安装有所述的Z轴上负荷传感器（3）、Z轴下负荷传感器（8），用于精确测量Z轴作用在试样上的力；所述X轴左油缸（11）和X轴右油缸（4）安装有压差传感器（41），压差传感器（41）用于精确测量X轴作用在试样上的力。
7.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统，其特征在于：所述三轴六面夹具（9）上安装有变形传感器（38），变形传感器（38）用于测量试验过程中试样沿各方向的变形；三轴六面夹具装配在试样表面，装配好后三轴六面夹具（9）放于Z轴下压头上方；通过控制系统使各轴压头贴在三轴六面夹具（9）表面后，按各轴向静载加载目标值进行加载；三轴六面夹具（9）的每个面均与试样表面完全贴合。
8.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统，其特征在于：所述入射杆（12）和透射杆（6）上贴有应变片，用来精确测量入射杆（12）和透射杆（6）的应变。
9.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统，其特征在于：通过控制Y轴的驱动油缸（34）的油压，使得跌落杆（33）瞬间跌落，实现对试样Y轴后侧的突然卸载，卸载时间约为0.15s，让出摄像所需的空间和时间。
10.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的真三轴动静组合加卸载试验系统，其特征在于：实现单轴、双轴、三轴加载，分别在Y轴和X轴上实现对试件两端不等压加载，每轴的加载速率可调整。
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