CN107014693A - 受载煤岩体热流固耦合ct三轴压力腔 - Google Patents
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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，包括筒形结构的压力腔体，压力腔体由后端的连接盘通过四根柱杆和轴压加载缸安装板形成反力架结构，压力腔体采用钛合金制造，压力腔体内部两端分别设有一盘丝加热器，压力腔体的筒形部内壁上衬有由纳米气凝胶材料制成的绝热套，压力腔体的筒部外壁在与岩石试样的对应区域形成壁厚减小的内凹结构。本发明的有益效果是，压力腔重量轻、强度高，对CT扫描热影响及射线吸收小，且结构稳定、试件装拆方便。
Description
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。
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，难以适用于CT扫描要求。因此，需要开发一种应用于通过医用CT扫描的热流固耦合三轴试验系统的CT三轴压力腔。
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，该压力腔的腔体采用台阶结构使试件区的壁厚减薄，提高射线穿透性，并通过内衬绝热套形成保温结构，降低对CT扫描机的热影响，同时，压力腔采用钛合金制造不仅可减轻重量，还可确保高压试验要求。
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，包括筒形结构的压力腔体，压力腔体由后端的连接盘通过四根柱杆和轴压加载缸安装板形成反力架结构，压力腔体采用钛合金制造，压力腔体内部两端分别设有一盘丝加热器，压力腔体的筒形部内壁上衬有由纳米气凝胶材料制成的绝热套，压力腔体的筒部外壁在与岩石试样的对应区域形成壁厚减小的内凹结构。
采用前述技术方案的本发明，压力腔采用台阶结构的钛合金制造，不仅可减轻重量，还可确保高压试验要求。同时，台阶结构可使试件区的壁厚尽量减薄，提高CT扫描射线的穿透性，并通过内衬绝热套形成保温结构，降低对CT扫描机的热影响。
优选的，所述反力架还包括通过螺栓与连接盘和轴压加载缸安装板分别固定连接的安装底板上。安装底板构成压力腔反力架的一部分，可有效增强试验腔结构强度，可有效满足高压试验要求，确保试验过程稳定；另外，安装底板还用于与其他构件连接，满足安装连接要求。
进一步优选的，所述压力腔体的前端形成连接法兰，连接法兰通过螺栓连接有下底盘；下底盘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和具有蜂窝孔结构的蜂窝孔固定压头轴向组合形成，蜂窝孔固定压头自由端用于承载岩石试样；所述连接盘中部间隙配合有具有法兰盘的透盖，透盖具有的法兰盘位于连接盘内侧，透盖通过其法兰盘与连接盘形成端面密封结构，透盖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和具有蜂窝孔结构的蜂窝孔活动压头轴向组成形成，蜂窝孔活动压头用于向岩石试样施加轴向载荷；固定压头主体和活动压头主体上均设有用于捆扎铁丝的环形凹槽。压力腔中部的试件安装部分可方便的与压力腔分离，试件安装操作方便，并可有效确保试件自身密封，避免围压流体进入试件内部确保试件内部渗流符合试验要求，确保试验结果准确。
进一步优选的，所述两个盘丝加热器分别包围在固定压头主体和活动压头主体一段杆部的外周。以形成布局紧凑的结构，且两个加热器分布在压力腔两端，加热围压液体均匀性好，确保试验结果可靠。
进一步优选的，所述下底盘和透盖之间通过至少两个定位杆连接，定位杆一端固定在下底盘上，另一端与透盖上的配合孔形成滑动配合的连接关系，多根定位杆周向均布在固定压头主体外周，以在岩石试样安装后固定压头主体和活动压头主体同轴线。以通过定位杆形成固定压头与活动压头的同轴线定位，确保试件承载均匀，试验结果准确。
进一步优选的，所述下底盘外侧固定连接有定位盘，定位盘上设有用于与第三构件形成定位的定位结构。以通过定位盘使下底盘轴线位置固定，便于下底盘与腔体连接时找正螺栓连接孔位置，提高试件安装的方便性和快捷性。
本发明的有益效果是，压力腔重量轻、强度高，对CT扫描热影响及射线吸收小，且结构稳定、试件装拆方便。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中部分结构的结构示意图。
图3是应用本发明的应用医用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4是本发明位于装载单元上并处于水平状态的结构示意图。
图5是本发明位于装载单元上并翻转成竖直状态的结构示意图。
图6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7是通过导轨副与本发明中的安装底板连接的装载单元中装载台的结构示意图。
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7，一种用于应用医用CT进行动态观测的热流固耦合三轴试验系统的受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔，包括筒形结构的压力腔体120，压力腔体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，反力架还包括通过螺栓与连接盘120a和轴压加载缸安装板123分别固定连接的安装底板110上；压力腔体120采用钛合金制造，压力腔体120内部两端分别设有一盘丝加热器138，压力腔体120的筒形部内壁上衬有由纳米气凝胶材料制成的绝热套121，压力腔体120的筒部外壁在与岩石试样133的对应区域形成壁厚减小的内凹结构。
其中，压力腔体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，活动压头组合体通过加载压头施加轴向载荷，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。两个盘丝加热器138分别固定在下底盘129和透盖137上，并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。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上设有与压力腔体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围压加载用电液压伺服加载系统形成围压加载循环回路，该电液伺服加载系统包括加载伺服电机，伺服电机通过滚珠丝杠副加载，电液伺服加载系统由中央控制计算机控制。
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应力传感器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之间形成有内外球面配合结构，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之间的内外球面保持结合；磁致伸缩位移传感器124b和应力传感器125构成轴压加载控制系统，轴压加载油缸124、轴压加载用电液伺服加载系统和轴压加载控制系统通过中央计算机连接并控制。
其中，应用医用CT进行动态观测的热流固耦合三轴试验系统包括三轴试验单元100、医用CT单元200和装载单元300，三轴试验单元100由受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔构成，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；装载单元300位于CT扫描主机210前方；装载单元300与三轴试验单元100之间设有供三轴试验单元100直线水平移动的直线形导轨副结构；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，主体段301固定连接在装载台310a上，装载台310a与三轴试验单元100之间设有驱动三轴试验单元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；三轴试验单元100通过装载台310a与装载单元300连接，装载台310a通过铰接结构铰接在装载单元300的机架320上，铰接结构用于装载单元300从水平状态翻转到竖直状态，且机架320一侧下端设有装件台330，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中下底盘129外侧固定连接有定位盘130，在三轴试验单元100翻转呈竖直状态时，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；三轴试验单元100通过安装底板110与装载台310a连接；安装底板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；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构成安装底板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，其上端伸入安装底板110底面中部的通槽内，螺母111与安装底板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驱动安装底板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、安装底板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随安装底板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三轴试验单元100限制在水平状态和竖直状态。
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设在机架320侧面上，在装载台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机架320与装载台310a形成锁紧。另外，装载台310a与机架320之间设有用于三轴试验单元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，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；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固定连接在安装底板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，以形成安装底板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连接在机架320和病床活动托架之间，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，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；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。
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。
本发明的压力腔在装拆岩石试样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与压力腔体120分离，并通过提升安装底板110的方式，使固定压头和活动压头部分整体露出压力腔体120；在装件完成后需要将下底盘129与压力腔体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 (6)
1.一种受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔，包括筒形结构的压力腔体(120)，压力腔体(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，其特征在于，所述压力腔体(120)采用钛合金制造，压力腔体(120)内部两端分别设有一盘丝加热器(138)，压力腔体(120)的筒形部内壁上衬有由纳米气凝胶材料制成的绝热套(121)，压力腔体(120)的筒部外壁在与岩石试样(133)的对应区域形成壁厚减小的内凹结构。
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，其特征在于，所述反力架还包括通过螺栓与连接盘(120a)和轴压加载缸安装板(123)分别固定连接的安装底板(110)上。
3.根据权利要求2所述的受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔，其特征在于，所述压力腔体(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)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)；所述连接盘(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。
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，其特征在于，所述两个盘丝加热器(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。
5.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，其特征在于，所述下底盘(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。
6.根据权利要求2所述的受载煤岩体热流固耦合CT三轴压力腔，其特征在于，所述下底盘(129)外侧固定连接有定位盘(130)，定位盘(130)上设有用于与第三构件形成定位的定位结构。
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