CN107807057B - 一种适用于煤岩体轴向震动加载的实验装置 - Google Patents

一种适用于煤岩体轴向震动加载的实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种煤岩体加载领域，尤其是一种适用于煤岩体轴向震动加载的实验装置，解决了现有煤岩体轴向震动加载装置均采用液压加载导致试验维护费用高以及试验数据精准性差的问题，包括计算机，伺服驱动器，伺服电机和三轴试验机，计算机通过电力电缆连接采集卡，采集卡连接有伺服驱动器，伺服驱动器连接有伺服电机，伺服电机的输出轴连接有盘形凸轮，盘形凸轮接触连接有T型推杆，T型推杆贯穿三轴试验机的底座和试样托盘后对煤岩试样底部施加往复的垂直力。本发明其结构简单，维护成本低，操作简单，工作性能优良，在本技术领域内具有广泛实用性。

Description

一种适用于煤岩体轴向震动加载的实验装置
技术领域
本发明涉及一种煤岩体加载领域，尤其是一种适用于煤岩体轴向震动加载的实验装置。
背景技术
裂隙发育是巷道围岩在矿压作用下变形破坏过程最直观的表现形式，结合应力状态和岩性，研究裂隙的发育分布特征，可定量分析围岩的破坏程度和所受压力，对于煤岩体的开采有重要意义。在实验室里，模拟对煤岩体进行加载的装置意义和目的在于研究煤岩体受到一定频率的震动后，其具体的破坏方式类型以及径向与轴向变形和极限强度，并绘出煤或岩体的全应力应变曲线，从而研究破岩（煤）机具工作时，煤岩体所处的状态，包括煤岩体的体积改变能和畸变能的大小，便于研制高效率的凿岩设备，改进凿岩工艺，同时还可推断井下巷道壁及煤壁受到具有一定频率扰动后的破坏规律，形变与极限强度的变化，便于更好的维护巷道，管理顶板。
目前的加载设备均使用液压加载。通常情况高频凿岩机具的频率为2500次/分以上，且冲击较大，若使用液压加载则需经常更换油路滤芯，密封圈与控制阀，故维护费用较高。同时，持续的往复冲击会使油温升高，导致加载装置工作性能恶化，不利于试验数据的精准。
发明内容
本发明为了解决现有煤岩体轴向震动加载装置均采用液压加载导致试验维护费用高以及试验数据精准性差的问题，提供了一种适用于煤岩体轴向震动加载的实验装置。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种适用于煤岩体轴向震动加载的实验装置，包括计算机，伺服驱动器，伺服电机和三轴试验机，计算机通过电力电缆连接采集卡，采集卡连接有伺服驱动器，伺服驱动器连接有伺服电机，伺服电机设置在三轴试验机的底座内部，底座上部设置有工作台，工作台上设置有试样托盘，试样托盘上设置有管状假三轴压力筒，假三轴压力筒中设置有环形圆柱体防油胶套，防油胶套中放置有煤岩试样，伺服电机的输出轴连接有盘形凸轮，盘形凸轮接触连接有T型推杆，T型推杆贯穿三轴试验机的底座和试样托盘后对煤岩试样底部施加往复的垂直力，煤岩试样的顶部设置在垫铁，垫铁上紧贴设置有压力筒上盖，压力筒上盖固定在假三轴压力筒内，煤岩试样表面设置有径向变形传感器、轴向变形传感器和温度传感器，径向变形传感器、轴向变形传感器和温度传感器分别通过应变片引线连接有采集卡。
伺服驱动器的各接口分别连接有非熔丝断路器、噪声滤波器、磁力接触器、电抗器和制动电阻。噪音滤波器主要是用来解决伺服驱动器在工作时可能干扰其他设备的正常工作以及受到其他设备的干扰；磁力接触器能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用，接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制；电抗器可有效防止电压不稳定带来的伺服驱动器工作不正常。
T形推杆底部为厚10mm直径120mm的圆形平面，T形推杆中部为高150mm直径为10mm的圆柱体，T形推杆顶部为直径10mm高5mm的圆锥体尖端。圆锥尖端可以有效模拟煤岩在冲击时受到的应力集中现象。
压力筒上盖沿其外圆设置有外螺纹，假三轴压力筒内设置有与外螺纹相匹配的内螺纹，压力筒上盖与假三轴压力筒通过螺纹固定连接。
防油胶套是材质为丁腈橡胶的胶套。
煤岩试件为直径120mm高500mm的圆柱体。
垫铁为直径120mm,高50mm的圆柱体。
利用本发明装置进行煤岩体轴向震动加载试验的步骤包括：
S1. 在进行试验前，将煤岩试样加工成圆柱体后放入防油胶套内；
S2. 将带有煤岩试样的防油胶套放入假三轴压力筒内，在煤岩试样上部放置垫铁后将压力筒上盖与垫铁接触并旋紧；
S3. 进一步将假三轴压力筒放置在三轴试验机中，调节T形推杆尖端与煤岩试样的接触位置后拧紧用于固定假三轴压力筒的螺栓；
S4. 开启计算机、伺服驱动器和伺服电机，并打开计算机中的应变应力曲线软件，此时T形推杆尖端开始对煤岩试样产生冲击；
S5. 通过试件上的径向变形传感器，轴向变形传感器和温度传感器将得到的试验数据传到采集卡，并进一步通过采集卡传输到计算机进行分析；
S6. 计算机记录分析数据，得出煤岩试样的应力应变曲线图。
本发明采用了三轴试验机，由于三轴试验机可产生围压，对煤岩体侧向变形有一定的限制作用，可有效模拟试验机在破岩时，煤岩体仅在其工作面处承受冲击，其余方向的变形均受到一定的限制作用。通过伺服电机驱动盘形凸轮，推动T形推杆尖端冲击岩石，可模拟凿岩机工作时对煤岩体产生冲击的工作原理及过程；同时，伺服驱动器配合伺服电机可以对通过径向变形传感器、轴向变形传感器和温度传感器传输到采集卡的应力进行更准确的反馈。本发明结构简单，维护成本低，操作简单，工作性能优良，在本技术领域内具有广泛实用性。
附图说明
图1是本发明煤岩体轴向震动加载实验测试装置的结构示意图；
图2是本发明假三轴压力筒装置结构示意图。
图中：1-计算机， 2-采集卡， 3-非熔丝断路器， 4-噪声滤波器， 5-磁力接触器，6-电抗器， 7-伺服电机， 8-盘形凸轮， 9- T形推杆, 10-假三轴压力套筒，11-三轴试验机，12-制动电阻，13-煤岩试样，14-压力筒上盖，15-试样托盘，16-防油胶套，17-输出轴，18-垫铁，19-径向变形传感器，20-轴向变形传感器，21-伺服驱动器，22-电力电缆，23-底座，24-工作台，25-温度传感器，26-应变片引线。
具体实施方式
结合图1和图2对本发明做进一步说明，一种适用于煤岩体轴向震动加载的实验装置，包括计算机1，伺服驱动器21，伺服电机7和三轴试验机11，计算机1通过电力电缆22连接采集卡2，采集卡2连接有伺服驱动器21，伺服驱动器21连接有伺服电机7，伺服电机7设置在三轴试验机11的底座23内部，底座23上部设置有工作台24，工作台24上设置有试样托盘15，试样托盘15上设置有管状假三轴压力筒10，假三轴压力筒10中设置有环形圆柱体防油胶套16，防油胶套16中放置有煤岩试样13，伺服电机7的输出轴17连接有盘形凸轮8，盘形凸轮8接触连接有T型推杆9，T型推杆9贯穿三轴试验机的底座23和试样托盘15后对煤岩试样13底部施加往复的垂直力，煤岩试样13的顶部设置在垫铁18，垫铁18上紧贴设置有压力筒上盖14，压力筒上盖14固定在假三轴压力筒10内，煤岩试样13表面设置有径向变形传感器19、轴向变形传感器20和温度传感器25，径向变形传感器19、轴向变形传感器20和温度传感器25分别通过应变片引线26连接有采集卡2。
伺服驱动器21的各接口分别连接有非熔丝断路器3、噪声滤波器4、磁力接触器5、电抗器6和制动电阻12。T形推杆9底部为厚10mm直径120mm的圆形平面，T形推杆9中部为高150mm直径为10mm的圆柱体，T形推杆9顶部为直径10mm高5mm的圆锥体尖端。压力筒上盖14沿其外圆设置有外螺纹，假三轴压力筒10内设置有与外螺纹相匹配的内螺纹，压力筒上盖14与假三轴压力筒10通过螺纹固定连接。防油胶套16是材质为丁腈橡胶的胶套。煤岩试件13为直径120mm高500mm的圆柱体。垫铁18为直径120mm,高50mm的圆柱体。
计算机1则通过套有绝缘聚氯乙烯护套的电力电缆22连接采集卡2，采集卡2再与伺服驱动器21通过直径为2mm的导线相连，用于收集试验中煤岩试样13的压力震动频率及位移大小。收集的数据通过应变应力曲线软件处理后再反馈回伺服驱动器21，再由伺服驱动器21控制伺服电机7的运行。伺服电机7设在三轴试验台的底座23下部，伺服电机7的输出轴17连接有盘形凸轮8，盘形凸轮8接触连接T形推杆9的底部，盘形凸轮8顺时针旋转推动T形推杆9使其上下以2500次/分的频率震动，产生冲击。三轴试验机11包括底座23，设在底座23上的工作台24，工作台24上设有直径为500mm，厚为10mm的试样托盘15，以及设在试样托盘15上直径500mm，高1000mm，内壁厚10mm的管状假三轴压力筒10，假三轴压力筒10中有直径480mm，高700mm的圆柱体防油胶套16，其材质为丁腈橡胶，煤岩试样13放入圆柱体防油胶套16底端的中部位置，煤岩试样13上方有垫铁18，垫铁18上端固定不动，主要用于固定煤岩试样13，防止其受力后向上运动。
煤岩试样13外表面贴有径向变形传感器19、轴向变形传感器20和温度传感器25。径向变形传感器19与轴向变形传感器20由于受到煤岩试样13变形的影响而发生极微小形变，呈现弯曲形状。三类传感器通过应变片引线26连接采集卡2，采集卡2通过套有绝缘聚氯乙烯护套的电力电缆22连接计算机1进行数据分析，再与伺服驱动器21相连用于收集压力震动频率及位移大小，收集的数据通过应变应力曲线软件处理后再反馈回伺服驱动器21。
当煤岩体轴向震动加载试验装置准备完毕后，可进行煤岩试样13的试验。其中，利用本发明装置进行煤岩体轴向震动加载试验的步骤包括：
S1. 在进行试验前，将煤岩试样13加工成圆柱体后放入防油胶套16内，使得煤岩体试样13与假三轴压力筒10实现更紧密的接触；
S2. 将带有煤岩试样13的防油胶套16放入假三轴压力筒10内，在煤岩试样13上部放置垫铁18后将压力筒上盖14与垫铁18接触并旋紧；
S3. 进一步将假三轴压力筒10放置在三轴试验机11中，调节T形推杆9尖端与煤岩试样13的接触位置后拧紧用于固定假三轴压力筒10的螺栓；
S4. 开启计算机1、伺服驱动器21和伺服电机7，并打开计算机1中的应变应力曲线软件，此时T形推杆9尖端开始对煤岩试样13产生冲击；
S5. 通过试件上的径向变形传感器19，轴向变形传感器20和温度传感器25将得到的试验数据传到采集卡2，并进一步通过采集卡2传输到计算机1进行分析；
S6. 计算机1记录分析数据，得出煤岩试样13的应力应变曲线图，从而便于研究煤岩体所处的应力状态、变形特征及破坏规律。

Claims (5)

1.一种适用于煤岩体轴向震动加载的实验装置，包括计算机(1)，伺服驱动器(21)，伺服电机(7)和三轴试验机(11)，其特征在于：计算机(1)通过电力电缆(22)连接采集卡(2)，采集卡(2)连接有伺服驱动器(21)，用于收集试验中煤岩试样(13)的压力震动频率及位移大小，收集的数据通过应变应力曲线软件处理后再反馈回伺服驱动器(21)，由伺服驱动器(21)控制伺服电机(7)运行，伺服驱动器(21)连接有伺服电机(7)，伺服电机(7)设置在三轴试验机(11)的底座(23)内部，底座(23)上部设置有工作台(24)，工作台(24)上设置有试样托盘(15)，试样托盘(15)上设置有管状假三轴压力筒(10)，假三轴压力筒(10)中设置有环形圆柱体防油胶套(16)，防油胶套(16)中放置有煤岩试样(13)，伺服电机(7)的输出轴(17)连接有盘形凸轮(8)，盘形凸轮(8)接触连接有T型推杆(9)，T型推杆(9)贯穿三轴试验机的底座(23)和试样托盘(15)后对煤岩试样(13)底部施加往复的垂直力，煤岩试样(13)的顶部设置在垫铁(18)，垫铁(18)上紧贴设置有压力筒上盖(14)，压力筒上盖(14)固定在假三轴压力筒(10)内，煤岩试样(13)表面设置有径向变形传感器(19)、轴向变形传感器(20)和温度传感器(25)，径向变形传感器(19)、轴向变形传感器(20)和温度传感器(25)分别通过应变片引线(26)连接有采集卡(2)；伺服驱动器(21)的各接口分别连接有非熔丝断路器(3)、噪声滤波器(4)、磁力接触器(5)、电抗器(6)和制动电阻(12)；T型推杆(9)底部为厚10mm直径120mm的圆形平面，T型推杆(9)中部为高150mm直径为10mm的圆柱体，T型推杆(9)顶部为直径10mm高5mm的圆锥体尖端；压力筒上盖(14)沿其外圆设置有外螺纹，假三轴压力筒(10)内设置有与外螺纹相匹配的内螺纹，压力筒上盖(14)与假三轴压力筒(10)通过螺纹固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于煤岩体轴向震动加载的实验装置，其特征在于：防油胶套(16)是材质为丁腈橡胶的胶套。
3.根据权利要求1所述的一种适用于煤岩体轴向震动加载的实验装置，其特征在于：煤岩试样(13)为直径120mm高500mm的圆柱体。
4.根据权利要求1所述的一种适用于煤岩体轴向震动加载的实验装置，其特征在于：垫铁(18)为直径120mm,高50mm的圆柱体。
5.一种利用权利要求1所述的适用于煤岩体轴向震动加载实验装置进行加载试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.在进行试验前，将煤岩试样(13)加工成圆柱体后放入防油胶套(16)内；
S2.将带有煤岩试样(13)的防油胶套(16)放入假三轴压力筒(10)内，在煤岩试样(13)上部放置垫铁(18)后将压力筒上盖(14)与垫铁(18)接触并旋紧；
S3.进一步将假三轴压力筒(10)放置在三轴试验机(11)中，调节T型推杆(9)尖端与煤岩试样(13)的接触位置后拧紧用于固定假三轴压力筒(10)的螺栓；
S4.开启计算机(1)、伺服驱动器(21)和伺服电机(7)，并打开计算机(1)中的应变应力曲线软件，此时T型推杆(9)尖端开始对煤岩试样(13)产生冲击；
S5.通过试件上的径向变形传感器(19)，轴向变形传感器(20)和温度传感器(25)将得到的试验数据传到采集卡(2)，并进一步通过采集卡(2)传输到计算机(1)进行分析；
S6.计算机(1)记录分析数据，得出煤岩试样(13)的应力应变曲线图。
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GR01 Patent grant
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