CN107884291A - 一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单轴试验机装置技术领域，尤其是一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置，解决了传统实验装置的加载形式不完善，导致试验结果不全面无法真实反映岩石破坏形式的问题，包括试验机架、恒力加卸载装置、变力加卸载装置和数据采集系统。本发明采用的变力加卸载装置，通过电动机带动旋转圆盘做等速圆周运动，从而使使得与旋转圆盘铰接的弹簧连接杆可随旋转圆盘做上下往复运动，从而对上加圧板施加竖直方向上具有正余弦性质的变力，可有效模拟在原始地层条件下及采动卸压过程中岩石受力破坏形式，其结构简单，操作方便，在本技术领域有广泛的实用性。

Description

一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置

技术领域

本发明涉及单轴试验机装置技术领域，尤其是一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置。

背景技术

随着我国的矿产资源的开发利用，对于研究岩石破坏形式对生产有着重要的指导意义。传统的单轴压缩试验主要是测量的是岩石试件的单轴抗压强度，对试件提供一个轴向力的作用，缓慢加压直至试件破坏，记录的应力与应变的数据在一定的程度上可以表明岩石的变性特征，但是加载方式及受力情况单一，忽略了诸多实际因素得出的结论局限性较大。而在实际情况中，巷道围岩或者存在于地层中的岩石因为受到采动影响，受到的应力出现应力集中、应力重新分布、应力重新分布重新趋于平稳等等连续性的变化。对于模拟这样的岩石破坏往往是对于岩石试件给予不停的加卸载状态，主要的破坏形式是疲劳破坏。实际生产中岩石多受连续性变力作用，受力情况较为复杂，因此由于传统实验装置的加载形式不完善，导致试验结果不全面，对于岩石的破坏分析不够全面。

发明内容

本发明为了解决传统实验装置的加载形式不完善，导致试验结果不全面无法真实反映岩石破坏形式的问题，提供了一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置，包括试验机架、恒力加卸载装置、变力加卸载装置和数据采集系统，试验机架包括四根边柱固定的机架底座和机架顶板，机架顶板中部开有贯通的矩形通孔，恒力加卸载装置包括液压支架、下加压板、液压泵安装台和液压泵，液压支架下端固定在机架底座上，液压支架上端固定有液压泵安装台，液压泵安装台上部设置有下加圧板，液压泵固定在液压泵安装台的下部，液压泵通过油管连接有液压恒力轴，液压恒力轴贯穿液压泵安装台的中心并与下加圧板固定；变力加卸载装置包括上加圧板和电动机，电动机设置在机架顶板底部，电动机的输出轴连接有旋转圆盘，旋转圆盘上开有偏心孔，上加圧板上部中心位置固定有球形铰架，上加圧板四周分别固定有弹簧固定杆，弹簧固定杆上端与机架顶板固定，球形铰架连接有弹簧连接杆，弹簧连接杆上端铰接有旋转圆盘的偏心孔，上加圧板和下加圧板间放置有试件，试件表面设置有应力传感器和应变传感器，应力传感器和应变传感器通过导线连接有数据采集系统。

进一步的，液压支架包括4根呈正方形布设的相同液压杆 。

进一步的，弹簧固定杆在上加压板上部呈正方形布设。呈正方形设置的四点支撑更能有效保证试件的均匀受力及受力过程中的稳定性。

进一步的，电动机上设置有电动机电源连接部和电动机控制部。电动机控制部可控制输出轴的转速来实现旋转圆盘的转动，从而带动弹簧连接杆实现上下运动为试件提供正余弦压力。

进一步的，液压泵上设置有液压泵动力连接部和液压泵控制器。液压泵控制器可控制液压恒力轴对下加压板提供不同初始值的恒力作用。

进一步的，液压恒力轴为液压缸，液压恒力轴的一端固定在液压泵安装台的底部，另一端贯穿液压泵安装台并固定在下加压板的底部。

进一步的，弹簧固定杆包括螺杆，螺杆螺纹连接有螺母，螺杆顶端设置有限位块，限位块上设置有弹簧杆A，弹簧杆A上套设有弹簧A，弹簧A的一端固定在限位块上，弹簧A的另一端固定在连接片上，连接片中部开有可在弹簧杆A上运动的孔。

进一步的，弹簧连接杆包括连杆，连杆下部设置有球形铰接卡头，连杆上部连接有弹簧杆B，簧杆B上套设有弹簧B，弹簧B的一端固定在连杆上，弹簧B的另一端固定在连接头上，连接头通过销钉与偏心孔铰接，接卡头与球形铰架卡接。

岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置试验方法，具体包括如下步骤：

S1. 将试样放置在下加压板上；

S2. 将应力传感器和应变传感器分别加装到试件上，并将两种传感器分别连接到数据采集系统；

S3. 开启液压泵，将上加压板、下加压板与试件接触，此时恒力加卸载装置和变力加卸载装置均对试件不产生作用力，保证上加圧板不对试件产生力的作用；

S4. 开启液压泵,使恒力加卸载装置工作，此时液压恒力轴对下加圧板产生5MPa的压力，使试件受到一个恒定大小为5MPa的力；

S5. 调节旋转圆盘，使弹簧连接杆与旋转圆盘连接处于弹簧连接杆不受力的位置，此时弹簧连接杆对上加圧板作用力为0；

S6. 开启电动机，使旋转圆盘开始工作，旋转圆盘以10rad/min的角速度逆时针旋转，并带动与偏心孔铰接的弹簧连接杆做上下往复式运动，从而实现弹簧连接杆对下加压板的正余弦变化压力；

S7. 根据采集的应力应变曲线可以得到试件在正余弦加压状态下的弹性模量等物理参数。

本发明采用的恒力加卸载装置和变力加卸载装置相互配合，通过电动机带动旋转圆盘做等速圆周运动，从而使连接在旋转圆盘的弹簧连接杆可做上下往复运动，从而对上加圧板施加竖直方向上具有正余弦性质的变力。本发明可模拟在原始地层条件下及采动卸压过程中岩石受力破坏形式，其结构简单，操作方便，在本技术领域有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是图1的结构剖面示意图；

图3是图1中旋转圆盘的结构示意图；

图4是可调节固定液压支架的结构示意图；

图5是弹簧固定杆的结构示意图；

图6是弹簧连接杆的结构示意图；

图7是液压恒力轴的结构示意图。

图中：1-试验机架，2-上加压板，3-下加压板，4-液压泵安装台，5-试件，6-弹簧固定杆，6.1-限位块，6.2-弹簧A，6.3-弹簧杆A，6.4-螺母，6.5-螺杆，6.6-连接片，7-弹簧连接杆，7.1-连杆，7.2-弹簧B，7.3-弹簧杆B，7.4-连接头，7.5-球形铰接卡头，8-球形绞架，9-液压支架，10-应力传感器，11-应变传感器，12-导线，13-计算机数据采集系统，14-电动机，15-电动机电源连接部，16-电动机控制部，17-旋转圆盘，18-电动机旋转轴，19-偏心孔，20-液压泵，21-液压泵动力连接部，22-液压泵控制器，23-油管，24-液压恒力轴，25-部件固定螺丝，26-机架顶板，27-机架底座，28-矩形通孔。

具体实施方式

结合图1～图7对本发明做进一步说明，一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置，包括试验机架1、恒力加卸载装置、变力加卸载装置和计算机数据采集系统13，试验机架1包括四根边柱固定的机架底座27和机架顶板26，机架顶板26中部开有贯通的矩形通孔28，恒力加卸载装置包括液压支架9、下加压板3、液压泵安装台4和液压泵20，液压支架9下端固定在机架底座27上，液压支架9上端固定有液压泵安装台4，液压泵安装台4上部设置有下加圧板3，液压泵20固定在液压泵安装台4的下部，液压泵20通过油管23连接有液压恒力轴24，液压恒力轴24贯穿液压泵安装台4的中心并与下加圧板3固定；变力加卸载装置包括上加圧板2和电动机14，电动机14设置在机架顶板26底部，电动机14的输出轴连接有旋转圆盘17，旋转圆盘17上开有偏心孔19，上加圧板2上部中心位置固定有球形铰架8，上加圧板2四周分别固定有弹簧固定杆6，弹簧固定杆6上端与机架顶板2固定，球形铰架8连接有弹簧连接杆7，弹簧连接杆7上端铰接有旋转圆盘17的偏心孔19，上加圧板2和下加圧板3间放置有试件5，试件5表面设置有应力传感器10和应变传感器11，应力传感器10和应变传感器11通过导线12连接有计算机数据采集系统13。

液压支架9包括4根呈正方形布设的相同液压杆 ，弹簧固定杆6在上加压板2上部呈正方形布设，电动机14上设置有电动机电源连接部15和电动机控制部16，液压泵20上设置有液压泵动力连接部21和液压泵控制器22。

机架顶板26和机架底座27的规格均为：长400mm，宽400mm，高100mm，机架顶板26和机架底座27间距为800mm，机架顶板26和机架底座27的四角连接有边柱，机架顶板26中间位置开有长500mm、宽100mm的矩形通孔28，矩形通孔28主要为了方便旋转圆盘17的旋转。上加压板2下加压板3的规格为：长300mm，宽300mm，高25mm，下加压板3设置在液压泵安装台4上部。

恒力加卸载装置包括液压泵20，液压泵20安装在液压泵安装台4的底部，液压泵20表面设置有液压泵动力连接部21和液压泵控制器22。液压泵安装台4上设置有四根可调节固定液压支架9，液压支架9构成边长为200mm的正方形，固定液压支架9上部固定有液压泵安装台4，液压泵安装台4处于机架底座27中部，即液压泵安装台4边缘少于机架底座27边缘均为50mm，四根可调节液压支架9底端与机架底座27焊接成为整体。其中，液压支架9为直径20mm，且长度调节范围为50-200mm的液压杆件。液压泵20通过六颗固定螺丝将其固定在液压泵安装台4的底部，液压泵动力连接部21设置在液压泵20的一侧，液压泵控制器22安装在液压泵20的另一侧。液压恒力轴24为直径40mm，最短长度75mm的可伸缩液压缸，液压恒力轴24的一端穿过液压泵安装台4通过部件固定螺丝固定在下加压板3的底部，液压恒力轴24的另一端通过部件固定螺丝固定在液压泵安装台4的底部，液压泵20通过油管23与液压恒力轴24连接，下加压板3对试件5提供的恒力可由液压泵控制器22进行调节控制。

变力加载装置包括上加压板2，球形绞架8、弹簧连接杆7、弹簧固定杆6和电动机14，电动机14焊接固定在机架顶板26下部，电动机14外部分别设置有电动机电源连接部15和电动机控制部16。旋转圆盘17与电动机14的输出转轴焊接成一个整体，旋转圆盘17为直径200mm的金属圆盘，旋转圆盘17距其圆心80mm的位置开有与弹簧连接杆7铰接的偏心孔19，偏心孔19直径为20mm，上加压板2的规格为：长300mm，宽300mm，高25mm，其上部通过4根弹簧固定杆6与机架顶板26固定连接为一体，弹簧固定杆6包括螺杆6.5，螺杆6.5螺纹连接有螺母6.4，螺杆6.5顶端设置有限位块6.1，限位块6.1上设置有弹簧杆A6.3，弹簧杆A6.3上套设有弹簧A6.2，弹簧A6.2的一端固定在限位块6.1上，弹簧A6.2的另一端固定在连接片6.6上，连接片6.6中部开有可在弹簧杆A6.3上运动的孔。其中，弹簧固定杆6的总长度为240mm，弹簧A6.2在松弛状态下的可长度为140mm，弹簧A6.2需符合胡克定律限位块6.1的长度为40mm，螺杆6.5的长度为60mm。弹簧固定杆6通过螺杆6.5和螺母6.4的配合可与上加圧板2固定连接，对称设置的四个弹簧固定杆6布设为边长200mm的正方形，进一步的，将弹簧固定杆6的连接片6.6与机架顶板26焊接固定成整体。球形绞架8焊接在上加圧板2的中间位置，弹簧连接杆7的一端通过弹簧杆销钉与旋转圆盘17的偏心孔19铰接，另一端与球形绞架8铰接。其中，弹簧连接杆7包括连杆7.1，连杆7.1下部设置有球形铰接卡头7.5，连杆7.1上部连接有弹簧杆B7.3，簧杆B7.3上套设有弹簧B7.2，弹簧B7.2的一端固定在连杆7.1上，弹簧B7.2的另一端固定在连接头7.4上，球形铰接卡头7.5与球形绞架8卡接后实现整体铰接。

在试验开始时，应保证弹簧连接杆7对上加圧板2处于0压力的状态。其中弹簧连接杆7为直径25mm总体长度220mm的弹簧杆，弹簧连接杆7中的弹簧部件应符合胡克定律。

当岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置组装完毕后，可以对不同形状的试件5进行正余弦加卸载试验，具体的试验方法包括如下步骤：

S1. 将加工好的试件5放置在下加压板3上；

S2. 将应力传感器10和应变传感器11分别加装到试件5上，并将两种传感器分别连接到计算机数据采集系统13；

S3.将上加压板2、下加压板3与试件5接触，此时恒力加卸载装置和变力加卸载装置均对试件不产生作用力，保证上加圧板2对试件5产生的作用力为0；

S4. 开启液压泵20,使恒力加卸载装置工作，此时液压恒力轴24对下加圧板3产生5MPa的压力，使试件5受到一个恒定大小为5MPa的力；

S5. 调节旋转圆盘17，使弹簧连接杆7与旋转圆盘17连接处于弹簧连接杆7不受力的位置，此时弹簧连接杆7对上加圧板2作用力为0；

S6. 开启电动机14，使旋转圆盘17开始工作，旋转圆盘17以10rad/min的角速度逆时针旋转，并带动与偏心孔19铰接的弹簧连接杆7做上下往复式运动，从而实现弹簧连接杆7对下加压板3产生正余弦变化压力；

S7. 根据计算机数据采集系统13采集的应力应变曲线可以得到试件5在正余弦加压状态下的弹性模量等物理参数。

Claims (9)

1.一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置，其特征在于：包括试验机架（1）、恒力加卸载装置、变力加卸载装置和计算机数据采集系统（13），试验机架（1）包括四根边柱固定的机架底座（27）和机架顶板（26），机架顶板（26）中部开有贯通的矩形通孔（28），恒力加卸载装置包括液压支架（9）、下加压板（3）、液压泵安装台（4）和液压泵（20），液压支架（9）下端固定在机架底座（27）上，液压支架（9）上端固定有液压泵安装台（4），液压泵安装台（4）上部设置有下加圧板（3），液压泵（20）固定在液压泵安装台（4）的下部，液压泵（20）通过油管（23）连接有液压恒力轴（24），液压恒力轴（24）贯穿液压泵安装台（4）的中心并与下加圧板（3）固定；变力加卸载装置包括上加圧板（2）和电动机（14），电动机（14）设置在机架顶板（26）底部，电动机（14）的输出轴连接有旋转圆盘（17），旋转圆盘（17）上开有偏心孔（19），上加圧板（2）上部中心位置固定有球形铰架（8），上加圧板（2）四周分别固定有弹簧固定杆（6），弹簧固定杆（6）上端与机架顶板（2）固定，球形铰架（8）连接有弹簧连接杆（7），弹簧连接杆（7）上端铰接有旋转圆盘（17）的偏心孔（19），上加圧板（2）和下加圧板（3）间放置有试件（5），试件（5）表面设置有应力传感器（10）和应变传感器（11），应力传感器（10）和应变传感器（11）通过导线（12）连接有计算机数据采集系统（13）。

2.根据权利要求1所述的一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置，其特征在于：液压支架（9）包括4根呈正方形布设的相同液压杆 。

3.根据权利要求2所述的一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置，其特征在于：弹簧固定杆（6）在上加压板（2）上部呈正方形布设。

4.根据权利要求1或2所述的一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置，其特征在于：电动机（14）上设置有电动机电源连接部（15）和电动机控制部（16）。

5.根据权利要求1或3所述的一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置，其特征在于：液压泵（20）上设置有液压泵动力连接部（21）和液压泵控制器（22）。

6.根据权利要求1所述的一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置，其特征在于：液压恒力轴（24）为液压缸，液压恒力轴（24）的一端固定在液压泵安装台（4）的底部，另一端贯穿液压泵安装台（4）并固定在下加压板（3）的底部。

7.根据权利要求1或3所述的一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置，其特征在于：弹簧固定杆（6）包括螺杆（6.5），螺杆（6.5）螺纹连接有螺母（6.4），螺杆（6.5）顶端设置有限位块（6.1），限位块（6.1）上设置有弹簧杆A（6.3），弹簧杆A（6.3）上套设有弹簧A（6.2），弹簧A（6.2）的一端固定在限位块（6.1）上，弹簧A（6.2）的另一端固定在连接片（6.6）上，连接片（6.6）中部开有可在弹簧杆A（6.3）上运动的孔。

8.根据权利要求1所述的一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置，其特征在于：弹簧连接杆（7）包括连杆（7.1），连杆（7.1）下部设置有球形铰接卡头（7.5），连杆（7.1）上部连接有弹簧杆B（7.3），簧杆B（7.3）上套设有弹簧B（7.2），弹簧B（7.2）的一端固定在连杆（7.1）上，弹簧B（7.2）的另一端固定在连接头（7.4）上，连接头（7.4）通过销钉与偏心孔（19）铰接，接卡头（7.5）与球形铰架（8）卡接。

9.根据权利要求1所述的一种岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置，其特征在于：所述的岩石轴向正余弦加卸载单轴试验机装置试验方法，具体包括如下步骤：

S1. 将试样（5）放置在下加压板（3）上；

S2. 将应力传感器（10）和应变传感器（11）分别加装到试件（5）上，并将两种传感器分别连接到计算机数据采集系统（13）；

S3.将上加压板（2）、下加压板（3）与试件（5）接触，此时恒力加卸载装置和变力加卸载装置均对试件不产生作用力，保证上加圧板（2）对试件（5）产生的作用力为0；

S4. 开启液压泵（20）,使恒力加卸载装置工作，此时液压恒力轴（24）对下加圧板（3）产生5MPa的压力，使试件（5）受到一个恒定大小为5MPa的力；

S5. 调节旋转圆盘（17），使弹簧连接杆（7）与旋转圆盘（17）连接处于弹簧连接杆（7）不受力的位置，此时弹簧连接杆（7）对上加圧板（2）作用力为0；

S6. 开启电动机（14），使旋转圆盘（17）开始工作，旋转圆盘（17）以10rad/min的角速度逆时针旋转，并带动与偏心孔（19）铰接的弹簧连接杆（7）做上下往复式运动，从而实现弹簧连接杆（7）对下加压板（3）产生正余弦变化压力；

S7. 根据计算机数据采集系统（13）采集的应力应变曲线可以得到试件（5）在正余弦加压状态下的弹性模量等物理参数。