CN107741360A - 一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩样的轴向压缩装置，具体是一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置，解决了传统实验室中使用的单轴压缩仪只提供匀速加载无法有效模拟深部岩层周期来压的问题，包括驱动系统、加载系统、检测系统和计算机数据采集系统，驱动系统、检测系统和加载系统均设置在机架上，驱动系统带动加载系统对试件提供压力，加速度传感器固定于所述双作用柱塞式液压缸的柱塞杆上并与计算机数据采集系统连接，液压缸柱塞杆与上承压垫块连接。本发明结构新颖、便于操作，通过设置在双作用柱塞式液压缸的柱塞杆上的加速度传感器可保证本试验装置的恒加速加载，可更接近真实的模拟原始地层条件下岩石受力状态及变化规律，具有广泛使用性。

Description

一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置

技术领域

本发明涉及岩样的轴向压缩装置试验领域，具体是一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置。

背景技术

随着我国深部矿产资源开采技术的发展，进一步掌握岩石变形特征对围岩变形数值模拟和稳定性分析有着重要意义。

匀速加载单轴压缩试验是通过使单位时间内的作用载荷线性变化以及加载装置匀速运动的方法逐渐让试件破坏的过程，该方法简洁地表明了岩石的某些变形特征，在一定程度上为生产安全提供了依据。然而它忽略了诸多实际因素，导致得到的数据、性质等存在较多缺陷。由于不同深度的岩层在受到扰动后，周期来压时的载荷作用速度是处于时刻变化状态的，导致岩石的破坏程度也是多变的。因此，研究变加载速度单轴压缩试验对实际生产安全具有重要意义。目前，实验室内的岩石单轴压缩试验方面，主要研究匀速加载对岩石的变化影响，对于恒加速度加载作用下岩石变形特征、破坏形式等的研究尚需完善。因此，在实验室中进行单轴压缩实验的过程中，如何有效模拟深部岩层周期来压的实际情况，将直接影响到由实验测得的参数的可信度，从而影响对岩石力学变形特征的认知，进一步地也会影响到依据这些参数进行的工程机构设计。

发明内容

本发明为了解决传统实验室中使用的单轴压缩仪只提供匀速加载无法有效模拟深部岩层周期来压的问题，提供了一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置，包括驱动系统、加载系统、检测系统和计算机数据采集系统，驱动系统、检测系统和加载系统均设置在机架上，驱动系统包括动力元件、控制元件、辅助元件、工作介质和执行元件的液压控制系统，动力元件为变量双向柱塞式液压泵，执行元件为双作用柱塞式液压缸，双作用柱塞式液压缸的缸体固定，液压系统中各元件均通过油管及管接头连接；驱动系统带动加载系统对试件提供压力，加载系统包括压力室，压力室设置在机架底板上，压力室为无盖圆筒形结构，压力室内底部设置有下承压垫块，下承压块上放置有试件，试件顶部设置有上承压垫块，压力室沿其径向不同高度开有若干应变检测孔；检测系统包括应变检测系统和加速度检测系统，应变检测系统包括径向应变组件和轴向应变组件，径向应变组件包括径向应变计和应变螺栓，应变检测孔内插接有应变螺栓，应变螺栓连接有径向应变计，径向应变计上端与试件接触连接，径向应变计下端与下承压垫块固定，轴向应变组件包括若干轴向应变计，轴向应变计上端与试件固定连接，轴向应变计下端与下承压垫块固定，下承压垫块侧面设置有应变接线口，应变接线口连接有与计算机数据采集系统相通的应变线；加速度检测系统包括加速度传感器，加速度传感器固定于所述双作用柱塞式液压缸的柱塞杆上并与计算机数据采集系统连接，液压缸柱塞杆与上承压垫块连接。

辅助元件包括送油阀、回油阀、油箱、滤油器、油管及管接头、蓄能器、密封件、高压球阀、压力计、压力表和油位油温计，所述压力计与计算机数据采集系统连接。

控制元件包括溢流阀、比例阀、单向阀、三位四通换向阀、背压阀，所述溢流阀进油口与液压泵连接，比例阀进油口与溢流阀连接，且同时与计算机数据采集系统连接，单向阀进油口与比例阀连接，三位四通换向阀进油口与单向阀连接，背压阀进油口与三位四通换向阀连接，连接均通过油管及管接头相接。

工作介质为油包水型乳化液。

下承压垫块包括同心设置的圆柱体垫块A和垫块B，垫块A设置在垫块B的下部，垫块A的外径与压力室的内径相同，垫块B的外径小于垫块A外径10～15mm。

应变检测孔为直径相同的通孔，包括第一应变检测孔、第二应变检测孔和第三应变检测孔，三个应变检测孔沿压力室径向呈120°均匀设置，且三个应变检测孔将试件沿轴向分为四等分。

轴向应变计和径向应变计分别沿120°交错设置，轴向应变计和径向应变计的下端均卡接在垫块A、垫块B以及压力室侧壁构成的环形槽内。

试件为直径与垫块B相同的圆柱体岩样，试件的规格为直径50mm、高100mm的标准圆柱体。

装置进行轴向恒加速度加载试验的步骤包括：

S1. 将试件放置到压力室内并安装应变检测系统：安装均匀布置的径向应变组件和轴向应变组件，将径向应变计下端卡接固定在垫块A、垫块B以及压力室侧壁构成的环形槽内，分别将应变螺栓固定于径向应变计上端，并将应变螺栓分别穿过对应的第一应变检测孔、第二应变检测孔和第三应变检测孔后与试件顶紧；将三个轴向应变计下端呈120°卡接固定在垫块A、垫块B以及压力室侧壁构成的环形槽内，保证轴向应变计上端与试件贴合紧密；

S2.安装加速度传感器：将加速度传感器固定在双作用柱塞式液压缸的柱塞杆上；

S3.用应变线将应变接线口、加速度传感器分别与计算机数据采集系统连接；

S4. 检查所有连线准确无误后，启动电源和计算机数据采集系统，针对装置在不同加速度下对试件进行加载试验，记录并分析实验数据；

S5. 断开电源，取下上承压垫块与试件，对试验装置进行清理备用。

本发明相对现有技术的匀速加载单轴压缩试验具有以下优势：

本发明所述的一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置，结构新颖、便于操作，测量范围大，测量的重复性好本发明可对在单轴压缩下的岩石试样实时进行加速度和载荷的变换控制，分别均匀布置了三组轴向应变计和径向应变计，应变检测可准确测量试件的应变及应力，具有良好的实际操作意义及应用价值。设置在双作用柱塞式液压缸的柱塞杆上的加速度传感器可保证本试验装置的恒加速加载，可更接近真实的模拟原始地层条件下岩石受力状态及变化规律，具有广泛使用性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的驱动系统流程图；

图3是本发明的驱动系统原理图；

图4是本发明的加载系统和各组件连接示意图；

图5是本发明加载系统的俯视图；

图6是压力室的结构示意图；

图7是本发明的加速度传感器位置示意图。

图中：1-驱动系统，2-加载系统，3-检测系统，4-计算机数据采集系统，5-机架，6-动力元件，7-工作介质，8-控制元件，9-辅助元件，10-执行元件，11-液压泵，12-电动机，13-油箱，14-滤油器，15-油管及管接头，16-压力计，17-溢流阀，18-比例阀，19-单向阀，20-三位四通换向阀，21-背压阀，22-液压缸，23-柱塞杆，24-上承压垫块，25-压力室，26-试件，27-下承压垫块，27.1-垫块A，27.2-垫块B，28-第一应变检测孔，29-第二应变检测孔，30-第三应变检测孔，31-径向应变计，32-轴向应变计，33-应变螺栓，34-应变接线口，35-加速度传感器。

具体实施方式

为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。下面结合附图1～图7与具体实施方式，对本发明进一步说明。

一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置，包括驱动系统1、加载系统2、检测系统3和计算机数据采集系统4，驱动系统1、检测系统3和加载系统2均设置在机架5上，驱动系统1包括动力元件6、控制元件8、辅助元件9、工作介质7和执行元件10的液压控制系统，动力元件6为变量双向柱塞式液压泵，执行元件10为双作用柱塞式液压缸，双作用柱塞式液压缸的缸体固定，液压系统中各元件均通过油管及管接头15连接；驱动系统1带动加载系统2对试件26提供压力，加载系统2包括压力室25，压力室25设置在机架5底板上，压力室25为无盖圆筒形结构，压力室25内底部设置有下承压垫块27，下承压垫块27上放置有试件26，试件26顶部设置有上承压垫块24，压力室25沿其径向不同高度开有若干应变检测孔；检测系统3包括应变检测系统和加速度检测系统，应变检测系统包括径向应变组件和轴向应变组件，径向应变组件包括径向应变计31和应变螺栓33，应变检测孔内插接有应变螺栓33，应变螺栓33连接有径向应变计31，径向应变计31上端与试件26接触连接，径向应变计31下端与下承压垫块27固定，轴向应变组件包括若干轴向应变计32，轴向应变计32上端与试件26固定连接，轴向应变计32下端与下承压垫块27固定，下承压垫块27侧面设置有应变接线口34，应变接线口34连接有与计算机数据采集系统4相通的应变线；加速度检测系统包括加速度传感器35，加速度传感器35固定于所述双作用柱塞式液压缸的柱塞杆23上并与计算机数据采集系统4连接，液压缸柱塞杆23与上承压垫块24连接。

一种岩石的轴向恒加速度加载试验装置包括：驱动系统1、加载系统2、检测系统3、计算机数据采集系统4，驱动系统1用于对加载系统2提供动力，加载系统2用于装载试件26并对其进行加载试验，检测系统3用于检测试件26在加载过程中应变参数及液压缸柱塞杆23的加速度参数，计算机数据采集系统4用于收集试验数据并分析试验结果。

驱动系统1即液压控制系统，驱动系统1包括动力元件6、工作介质7、控制元件8、辅助元件9、执行元件10。工作介质7在动力元件6控制下作用于控制元件8、辅助元件9、执行元件10，动力元件6包括液压泵11，液压泵11使用变量双向柱塞式液压泵，液压泵11在电动机12的驱动下将机械能转化为液压能。辅助元件9包括电动机12、油箱13、滤油器14、油管及管接头15、测压接头16等，油箱13用于储存油包水型乳化液，为驱动系统1提供连续的动力，保证系统正常工作；滤油器14采用精过滤器，其基本作用就是使系统中的油液保持清洁，以防止污物的存在使液压元件中相对滑动部分的磨损加剧、阀芯卡死等现象的发生；压力计16采用球密封，用于系统压力的检测，并与计算机数据采集系统4相连。控制元件8包括溢流阀17、比例阀18、单向阀19、三位四通换向阀20、背压阀21，溢流阀17进油口与液压泵11连接，溢流阀17的作用就是通过调整溢流阀17的开启压力来控制系统压力保持定值。比例阀18采用电磁式控制，并与计算机数据采集系统4相连，比例阀18的进油口与溢流阀17连接，比例阀18用于实现所述液压缸22的柱塞杆23恒加速度加载；单向阀19进油口与比例阀18连接，单向阀19用来隔断冲击外载、保护油泵11；三位四通换向阀20进油口与单向阀19连接，三位四通换向阀20具有油路开关作用和换向功能；背压阀21进油口与三位四通换向阀20连接，主要起节流作用；其中液压系统内的连接均通过油管及管接头15实现。工作介质7包括油包水型乳化液（W/O），油包水型乳化液含油量一般在60%，润滑性较好，工作介质7作用于辅助元件9和控制元件8。执行元件10包括液压缸22，液压缸22使用双作用柱塞式液压缸，液压缸22采用缸体固定，柱塞运动的工作方式，液压缸柱塞杆23为直径30mm高200mm圆柱体，作用于上承压垫块24的上端。

加载系统包括压力室25、上承压垫块24、下承压垫块27、机架5，压力室25设置于机架5底板上端，试件26设置于下承压垫块27的上端，上承压垫块24设置于试件26上端，压力室25为直径110mm高200mm内壁厚25mm空心圆筒形，压力室25的上端为开口结构，压力室25上端口外壁有5mm圆弧倒角，内壁有直角边5mm等腰直角三角形倒角，便于取放试件26，下承压垫块27、试件26、上承压垫块24以及与上承压垫块24连接的液压缸柱塞杆23均设置在压力室25内部，下承压垫块27包括同心设置的圆柱体垫块A27.1和垫块B27.2，垫块A27.1设置在垫块B27.2的下部，垫块A27.1的外径与压力室25的内径相同，优选垫块B27.2的外径小于垫块A27.1外径10mm。其中试件26与压力室25内壁存在10mm的空隙以便安置径向应变计31及轴向应变计32，压力室25侧面设有第一应变检测孔28、第二应变检测孔29和第三应变检测孔30，第一应变检测孔28、第二应变检测孔29和第三应变检测孔30在径向方向相差120°，在轴向方向将试件26按四等分布置，第一应变检测孔28、第二应变检测孔29和第三应变检测孔30的直径均为5mm；试件26选用直径50mm，高径比为2的标准圆柱形试件；上承压垫块24为直径60mm高20mm的圆柱体，下承压垫块27为上部为直径50mm高10mm圆柱体垫块A27.1，下部为直径60mm高10mm圆柱体垫块B27.2的同轴组合体。

检测系统3包括应变检测系统和加速度检测系统。检测系统3包括：均匀布置的三组径向应变组件和均匀布置的三组轴向应变组件，每组径向应变组件包括型号为XHX-2XXX的径向应变计31和直径为φ=5mm，长度为35mm的应变螺栓33，径向应变计31下端卡接固定在垫块A27.1、垫块B27.2以及压力室25侧壁构成的环形槽内，径向应变计31上端设置应变螺栓33，径向应变螺栓33分别贯穿设置于第一应变检测孔28、第二应变检测孔29和第三应变检测孔30内并与试件26顶紧接触；轴向应变组件同样为三组120°间隔设置，每组轴向应变组件均包括轴向应变计32，轴向应变计32下端卡接固定在垫块A27.1、垫块B27.2以及压力室25侧壁构成的环形槽内。其中，轴向应变计32和径向应变计31的布设为间隔布设。加速度检测系统包括型号为JHT-I-A的加速度传感器35，加速度传感器35固定于液压缸柱塞杆23的侧面，与计算机数据采集系统4通过应力线相连，垫块B27.2在其表面距离垫块A27.1垂直高度5mm的位置设有应变接线口34，应变接线口34与计算机数据采集系统4连接，径向应变计31与轴向应变计32将测得的数据通过应变接线口34传输到计算机数据采集系统4。

利用本发明装置进行轴向恒加速度加载试验的步骤包括：

S1. 将试件26放置到压力室25内并安装应变检测系统：安装均匀布置的径向应变组件和轴向应变组件，将径向应变计31下端卡接固定在垫块A27.1、垫块B27.2以及压力室25侧壁构成的环形槽内，分别将应变螺栓33固定于径向应变计31上端，并将应变螺栓33分别穿过对应的第一应变检测孔28、第二应变检测孔29和第三应变检测孔30后与试件26顶紧；将三个轴向应变计下端呈120°卡接固定在垫块A27.1、垫块B27.2以及压力室25侧壁构成的环形槽内，保证轴向应变计32上端与试件26贴合紧密；

S2.安装加速度传感器35：将加速度传感器35固定在双作用柱塞式液压缸的柱塞杆23上；

S3.用应变线将应变接线口34、加速度传感器35分别与计算机数据采集系统4连接；

S4. 检查所有连线准确无误后，启动电源和计算机数据采集系统4，针对装置在不同加速度下对试件26进行加载试验，记录并分析实验数据；

S5. 断开电源，取下上承压垫块24与试件26，对试验装置进行清理备用。

Claims (9)

1.一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置，包括驱动系统（1）、加载系统（2）、检测系统（3）和计算机数据采集系统（4），其特征在于：驱动系统（1）、检测系统（3）和加载系统（2）均设置在机架（5）上，驱动系统（1）包括动力元件（6）、控制元件（8）、辅助元件（9）、工作介质（7）和执行元件（10）的液压控制系统，动力元件（6）为变量双向柱塞式液压泵，执行元件（10）为双作用柱塞式液压缸，双作用柱塞式液压缸的缸体固定，液压系统中各元件均通过油管及管接头（15）连接；驱动系统（1）带动加载系统（2）对试件（26）提供压力，加载系统（2）包括压力室（25），压力室（25）设置在机架（5）底板上，压力室（25）为无盖圆筒形结构，压力室（25）内底部设置有下承压垫块（27），下承压垫块（27）上放置有试件（26），试件（26）顶部设置有上承压垫块（24），压力室（25）沿其径向不同高度开有若干应变检测孔；检测系统（3）包括应变检测系统和加速度检测系统，应变检测系统包括径向应变组件和轴向应变组件，径向应变组件包括径向应变计（31）和应变螺栓（33），应变检测孔内插接有应变螺栓（33），应变螺栓（33）连接有径向应变计（31），径向应变计（31）上端与试件（26）接触连接，径向应变计（31）下端与下承压垫块（27）固定，轴向应变组件包括若干轴向应变计（32），轴向应变计（32）上端与试件（26）固定连接，轴向应变计（32）下端与下承压垫块（27）固定，下承压垫块（27）侧面设置有应变接线口（34），应变接线口（34）连接有与计算机数据采集系统（4）相通的应变线；加速度检测系统包括加速度传感器（35），加速度传感器（35）固定于所述双作用柱塞式液压缸的柱塞杆（23）上并与计算机数据采集系统（4）连接，液压缸柱塞杆（23）与上承压垫块（24）连接。

2.根据权利要求1所述的一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置，其特征在于：辅助元件（9）包括送油阀、回油阀、油箱（13）、滤油器（14）、油管及管接头（15）、蓄能器、密封件、高压球阀、压力计（16）、压力表和油位油温计，所述压力计（16）与计算机数据采集系统（4）连接。

3.根据权利要求2所述的一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置，其特征在于：控制元件（8）包括溢流阀（17）、比例阀（18）、单向阀（19）、三位四通换向阀（20）、背压阀（21），所述溢流阀（17）进油口与液压泵（11）连接，比例阀（18）进油口与溢流阀（17）连接且同时与计算机数据采集系统（4）连接，单向阀（19）进油口与比例阀（18）连接，三位四通换向阀（20）进油口与单向阀（19）连接，背压阀（21）进油口与三位四通换向阀（20）连接，连接均通过油管及管接头（15）相接。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置，其特征在于：工作介质（7）为油包水型乳化液。

5.根据权利要求1所述的一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置，其特征在于：下承压垫块（27）包括同心设置的圆柱体垫块A（27.1）和垫块B（27.2），垫块A（27.1）设置在垫块B（27.2）的下部，垫块A（27.1）的外径与压力室（25）的内径相同，垫块B（27.2）的外径小于垫块A（27.1）外径10～15mm。

6.根据权利要求1所述的一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置，其特征在于：应变检测孔为直径相同的通孔，包括第一应变检测孔（28）、第二应变检测孔（29）和第三应变检测孔（30），三个应变检测孔沿压力室（25）径向呈120°均匀设置，且三个应变检测孔将试件（26）沿其轴向分为四等分。

7.根据权利要求1或6所述的一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置，其特征在于：轴向应变计（32）和径向应变计（31）分别沿120°交错设置，轴向应变计（32）和径向应变计（31）的下端均卡接在垫块A（27.1）、垫块B（27.2）以及压力室（25）侧壁构成的环形槽内。

8.根据权利要求7所述的一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置，其特征在于：试件（26）为直径与垫块B（27.2）相同的圆柱体岩样，试件（26）的规格为直径50mm、高100mm的标准圆柱体。

9.根据权利要求1所述的一种岩样的轴向恒加速度加载试验装置，其特征在于：利用本发明装置进行轴向恒加速度加载试验的步骤包括：

S1. 将试件（26）放置到压力室（25）内并安装应变检测系统：安装均匀布置的径向应变组件和轴向应变组件，将径向应变计（31）下端卡接固定在垫块A（27.1）、垫块B（27.2）以及压力室（25）侧壁构成的环形槽内，分别将应变螺栓（33）固定于径向应变计（31）上端，并将应变螺栓（33）分别穿过对应的第一应变检测孔（28）、第二应变检测孔（29）和第三应变检测孔（30）后与试件（26）顶紧；将三个轴向应变计下端呈120°卡接固定在垫块A（27.1）、垫块B（27.2）以及压力室（25）侧壁构成的环形槽内，保证轴向应变计（32）上端与试件（26）贴合紧密；

S2.安装加速度传感器（35）：将加速度传感器（35）固定在双作用柱塞式液压缸的柱塞杆（23）上；

S3.用应变线将应变接线口（34）、加速度传感器（35）分别与计算机数据采集系统（4）连接；

S4. 检查所有连线准确无误后，启动电源和计算机数据采集系统（4），针对装置在不同加速度下对试件（26）进行加载试验，记录并分析实验数据；

S5. 断开电源，取下上承压垫块（24）与试件（26），对试验装置进行清理备用。