CN108152147B - 岩石试样扭裂破坏实验装置及模拟岩石试样扭裂破坏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石试样扭裂破坏实验装置及模拟岩石试样扭裂破坏方法，装置包括主机架上横梁和下横梁上分别安装有主液压缸组和双杆液压缸组，主液压缸组的主活塞杆穿过上横梁的端部设置有一负荷传感器；上横梁的下表面正对主活塞杆处设置有防转机构；防转机构上设置有试样上压块；双杆液压缸组的副活塞杆一端穿过下横梁、并在其上安装上试样下压块，试样下压块上开设有与试样上压块上的凹槽配合的凹槽；副活塞杆另一端穿出副缸体、并在其上安装上轴承；下横梁的一侧设置有动力输出机构，动力输出机构通过传动机构与连接轴连接；连接轴上安装有扭矩传感器，扭矩传感器另一端与副活塞杆设置有轴承的端部固定连接。

Description

岩石试样扭裂破坏实验装置及模拟岩石试样扭裂破坏方法

技术领域

本发明涉及岩石力学性能测试装置，具体涉及一种岩石试样扭裂破坏实验装置及模拟岩石试样扭裂破坏方法。

背景技术

随着地下采矿持续深入到地下深部，岩石破裂问题愈来愈复杂。除了典型的岩爆、冲击地压、高水压可能导致岩石破裂以外，破裂方式也趋近于复杂化。岩石扭裂破坏是一种三向受力形成的反平面剪切破坏，岩石破坏的本质原因是内部微裂隙的萌生、扩展，以及裂隙间相互贯通，最后形成宏观断裂面的过程，受力方式、岩石的破裂方式均较为复杂。

目前在本领域仍没有针对性的设备，这意味着无法真正实验岩石的扭裂破坏，这无疑为开展该问题的相应研究带来了无法克服的困难。为了适应采矿活动发展的需求，进一步拓宽岩石破裂实验研究的范畴。有必要针对性地研发一台试验设备，再现岩石扭裂破坏全过程，为开展该领域的研究提供实验基础。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种能够给岩石试样施加轴向压力和扭矩的岩石试样扭裂破坏实验装置及模拟岩石试样扭裂破坏方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种岩石试样扭裂破坏实验装置，其包括主机架，主机架上横梁和下横梁上分别安装有用于给岩石试样施加压力的主液压缸组和双杆液压缸组，主液压缸组的主活塞杆穿过上横梁的端部设置有一负荷传感器；上横梁的下表面正对主活塞杆处设置有限制负荷传感器和主活塞杆旋转的防转机构；

防转机构上设置有其上具有与岩石试样配合的凹槽的试样上压块；双杆液压缸组的副活塞杆一端穿过下横梁、并在其上安装上试样下压块，试样下压块上开设有与试样上压块上的凹槽配合用于装夹岩石试样的凹槽；副活塞杆另一端穿出副缸体、并在其上安装上轴承；

下横梁的一侧设置有给岩石试样施加扭矩的动力输出机构，动力输出机构通过传动机构与连接轴连接；连接轴上安装有扭矩传感器，扭矩传感器另一端与副活塞杆设置有轴承的端部固定连接；扭矩传感器、负荷传感器、主液压缸组、双杆液压缸组和动力输出机构均与控制模块连接。

优选地，防转机构包括防转固定套和与负荷传感器固定连接的防转压板，防转固定套套设在主液压缸组穿过上横梁的主活塞杆上、并用锁紧件固定在上横梁上；防转固定套上设置有防转立柱，防转压板上设置有与所述防转立柱配合、用于限制防转压板转动的限位孔；试样上压块安装于防转压板的下表面。

优选地，动力输出机构包括相互连接的伺服电机和行星减速机，伺服电机和行星减速机均固定在与下横梁固定连接的安装架上，伺服电机与控制模块连接。

优选地，传动机构包括安装于行星减速机动力输出轴上的皮带轮和固定在连接轴上的同步轮，同步轮和皮带轮通过传输皮带连接。

优选地，同步轮的直径大于皮带轮的直径。

优选地，主液压缸组包括主缸体、与液压站连接的伺服阀和设置于主缸体内、且两端延伸出主缸体的主活塞杆，主活塞杆中部的活塞将主缸体分割成上油缸和下油缸，伺服阀穿过平衡阀固定在主缸体上设置的阀座上；

伺服阀的四个油孔通过油管分别与主液压缸组的上油缸和下油缸上的进油孔、出油孔连通；主活塞杆未设置负荷传感器的一端处设置有采集主活塞杆位移量的光电编码器；光电编码器、伺服阀和平衡阀均与控制模块连接。

优选地，双杆液压缸组包括副缸体、与液压站连接的电磁阀和设置于副缸体内、且两端延伸出副缸体的副活塞杆，副活塞杆中部的活塞将副缸体分割成上油缸和下油缸；双杆液压缸组的上油缸和下油缸的进油孔、出油孔通过油管和电磁阀与液压站连接；电磁阀与控制模块连接。

优选地，副活塞杆的活塞上设置的与副缸体接触的密封圈的摩擦系数小于0.11。

第二方面，提供一种岩石试样扭裂破坏实验装置模拟岩石试样扭裂破坏方法，其包括：

选取工程现场的岩体，并将其制备成中间段具有凹陷槽的条形岩石试样；

将岩石试样放置于试样下压块的凹槽内，控制模块开启伺服阀，平衡阀调整流入伺服阀的油液使液压站压力与主液压缸组的上油缸的压力之间的差值达到设定正差值；

控制主活塞杆向下移动，控制双杆液压缸组的副活塞杆向上移动，直至副活塞杆处于悬空状态，并使设定正差值作用在轴承上；

继续控制主活塞杆移动，直至主活塞杆与岩石试样接触，并控制伺服阀加载恒定压力；

之后，控制动力输出机构通过传动机构带动连接轴、扭矩传感器和副活塞杆旋转，给岩石试样加载恒定扭力方式或逐渐增大扭矩方式，直至岩石试样发生破坏；

控制模块根据光电编码器上传的主活塞杆下移的距离及扭矩传感器和负荷传感器反馈的信号，计算岩石试样的应力场。

优选地，副活塞杆处于悬空状态时，副活塞杆上的轴承与副油缸接触。

本发明的有益效果为：通过本方案提供的装置能够同时给岩石试样施加轴向压力和扭矩，能够研究不同扭转速率、不同正应力、不同岩性、不同尺寸等条件下岩石发生扭转破坏特性，真正实现了岩石反平面剪切破坏，与工程实际的相似度更高。

本发明直接将岩石试样装夹在试样上压块与试样下压块之间，启动装置就可以实现模拟实验，采集的数据采集真实可靠，数据量丰富，试验精度高，能够实时监测，且采用的监测设备多为非接触式不易受破坏的影响。本发明具有和工程相似度高、适用范围广、可靠度高、采集数据丰富和实验精度高等特点。

另外，本装置还可以直接与实验室现有的非接触式应变测量系统、声发射监测系统和高速数字型摄像机配合实现岩石的变形场、声发射场和可见光场的实时监测。

附图说明

图1为岩石试样扭裂破坏实验装置的结构示意图。

图2为岩石试样扭裂破坏实验装置的剖视图。

图3为主液压缸组的俯视图。

图4为主机架的结构示意图。

图5为岩石试样的立体图。

其中，1、主液压缸组；11、光电编码器；12、上端盖；13、柱状缸体；14、主活塞杆；16、下端盖；17、伺服阀；18、阀座；19、平衡阀；2、主机架；21、上横梁；22、支撑柱；23、下横梁；3、防转机构；31、防转固定套；32、防转立柱；33、防转压板；34、试样上压块；4、负荷传感器；5、岩石试样；6、双杆液压缸组；61、试样下压块；62、副活塞缸；7、动力输出机构；71、伺服电机；72、电机安装架；73、行星减速机；74、主连接架；8、传动机构；81、传输皮带；82、皮带轮；83、同步轮；84、连接轴；9、扭矩传感器；10、轴承。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1和图2，图1示出了岩石试样5扭裂破坏实验装置的结构示意图；图2示出了岩石试样5扭裂破坏实验装置的剖视图；如图1和图2所示，该岩石试样5扭裂破坏实验装置包括主机架2、控制模块(优选控制模块选用edc控制器)及主机架2的上横梁21和下横梁23上分别安装有用于给岩石试样5施加压力的主液压缸组1和双杆液压缸组6。

如图1至图3，在本发明的一个实施例中，主液压缸组1包括主缸体、与液压站连接的伺服阀17和设置于主缸体内、且两端延伸出主缸体的主活塞杆14，主活塞杆14中部的活塞将主缸体分割成上油缸和下油缸，伺服阀17穿过平衡阀19固定在主缸体上设置的阀座18上。

伺服阀17的四个油孔通过油管分别与主液压缸组1的上油缸和下油缸上的进油孔、出油孔连通；主活塞杆14未设置负荷传感器4的一端处设置有采集主活塞杆14位移量的光电编码器11；光电编码器11、伺服阀17和平衡阀19均与控制模块连接。

如图2所示，其中主缸体包括柱状缸体13及固定在柱状缸体13上的上端盖12和下端盖16，主活塞杆14的两端分别穿过上端盖12和下端盖16的两端，为了保证柱状缸体13、上端盖12和下端盖16组成的主缸体之间的稳定性，上端盖12和下端盖16之间通过若干锁紧螺栓固定连接。

如图4所示，主机架2包括上横梁21、下横梁23及连接上横梁21和下横梁23的支撑柱22，由于主机架2上端需要安装主液压缸组1，下端需要安装双杆液压缸组6，其稳定性对试验的顺利进行尤为重要，对此本方案优选上横梁21、下横梁23分别通过若干固定螺栓安装在支撑柱22的上下两端。

再次参考图1和图2，主液压缸组1的主活塞杆14穿过上横梁21的端部设置有一负荷传感器4；上横梁21的下表面正对主活塞杆14处设置有限制负荷传感器4和主活塞杆14旋转的防转机构3；防转机构3上设置有其上具有与岩石试样5配合的凹槽的试样上压块34。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，防转机构3包括防转固定套31和与负荷传感器4固定连接的防转压板33，防转固定套31套设在主液压缸组1穿过上横梁21的主活塞杆14上、并用固定螺栓固定在上横梁21上；防转固定套31上设置有防转立柱32，防转压板33上设置有与防转立柱32配合、用于限制防转压板33转动的限位孔；试样上压块34安装于防转压板33的下表面。

由于限位孔与防转立柱32之间未固定，主液压缸组1的主活塞杆14在带动负荷传感器4向下运动时，使防转立柱32进入限位孔向下移动，由于限位孔的直径与防转立柱32的直径相匹配(略大于防转立柱32的直径)，可以避免岩石试样5在受到扭力旋转时带动负荷传感器4和主活塞杆14旋转。

双杆液压缸组6的副活塞杆62一端穿过下横梁23、并在其上安装上试样下压块61，试样下压块61上开设有与试样上压块34上的凹槽配合用于装夹岩石试样5的凹槽；副活塞杆62另一端穿出副缸体、并在其上安装上轴承10。实施时，可以优选轴承10为向心圆锥滚珠轴承。

如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，双杆液压缸组6包括副缸体、与液压站连接的电磁阀和设置于副缸体内、且两端延伸出副缸体的副活塞杆62，副活塞杆62中部的活塞将副缸体分割成上油缸和下油缸；双杆液压缸组6的上油缸和下油缸的进油孔、出油孔通过油管和电磁阀与液压站连接；电磁阀与控制模块连接。

由于本方案的双杆液压缸组6和主液压缸组1除了电磁阀、平衡阀19、伺服阀17和光电编码器11不是两者均需要有的部件外，其他机械结构两者均相同，此处就不在单独提供双杆液压缸组6的附图对其进行说明。

实施时，本方案优选副活塞杆62的活塞上设置的与副缸体接触的密封圈的摩擦系数小于0.11。由于副活塞杆62在扭矩的作用下会发生旋转进而带动岩石试样5旋转，较小摩擦系数的密封圈采用，可以降低副活塞杆62克服摩擦力所需做的功，这样可以降低扭矩传递过程的能量损耗，从而保证了试验过程得到的应力场的精度。

如图1和图2所示，下横梁23的一侧设置有给岩石试样5施加扭矩的动力输出机构7，动力输出机构7通过传动机构8与连接轴84连接；连接轴84上安装有扭矩传感器9，扭矩传感器9另一端与副活塞杆62设置有轴承10的端部固定连接；扭矩传感器9、负荷传感器4、主液压缸组1、双杆液压缸组6和动力输出机构7均与控制模块连接。

如图1所示，其中动力输出机构7包括相互连接的伺服电机71和行星减速机73，伺服电机71和行星减速机73均固定在与下横梁23固定连接的安装架上，伺服电机71与控制模块连接。

参考图1，安装架包括与下横梁23固定连接的主连接架74和与主连接架74固定连接的电机安装架72，电机安装架72与主连接架74的下端固定连接，伺服电机71安装在电机安装架72的上表面，行星减速机73安装在电机安装架72的下表面。

实施时，本方案优选传动机构8包括安装于行星减速机73动力输出轴上的皮带轮82和固定在连接轴84上的同步轮83，同步轮83和皮带轮82通过传输皮带81连接。

其中，传动机构8也可以采用类似的齿轮和传输齿条的配合结构，比如传动机构8包括安装于行星减速机73的动力输出轴上的第一齿轮和固定在连接轴84上的第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮通过传输齿条连接。

不过传动机构8不管是采用皮带传输还是齿轮传输，其固定安装在连接轴84的同步轮83或第二齿轮的直径都需要远远大于行星减速机73动力输出轴上的皮带轮82或第一齿轮的直径，这样设置后，可以保证皮带轮82或第一齿轮旋转一圈，同步轮83或第二齿轮只经过一个很小的角度，这样可以避免同步轮83或第二齿轮一次性旋转过大角度而损坏岩石试样5，而达不到最终岩石应力场的模拟。

至此已完成岩石试样5扭裂破坏实验装置的详细说明，下面接着对岩石试样5扭裂破坏实验装置模拟岩石试样5扭裂破坏方法进行说明：

该岩石试样5扭裂破坏实验装置模拟岩石试样5扭裂破坏方法包括步骤101至步骤106。

在步骤101中，选取工程现场的岩体，并将其制备成中间段具有凹陷槽的条形岩石试样5，岩石试样5的结构可以参考图5。

在步骤102中，将岩石试样5放置于试样下压块61的凹槽内，控制模块开启伺服阀17，平衡阀19调整流入伺服阀17的油液使液压站压力与主液压缸组1的上油缸的压力之间的差值达到设定正差值。

在步骤103中，控制主活塞杆14向下移动，控制双杆液压缸组6的副活塞杆62向上移动，直至副活塞杆62处于悬空状态，并使设定正差值作用在轴承10上；在本步骤中，实际上时同时控制主活塞杆14和副活塞杆62运动，由于副活塞杆62只要保证处于悬空状态就可以了，故副活塞杆62会先于主活塞杆14运动。

在步骤104中，继续控制主活塞杆14移动，直至主活塞杆14与岩石试样5接触，并控制伺服阀17加载恒定压力；

在步骤105中，之后，控制动力输出机构7通过传动机构8带动连接轴84、扭矩传感器9和副活塞杆62旋转，给岩石试样5加载恒定扭力方式或逐渐增大扭矩方式，直至岩石试样5发生破坏；

在步骤106中，控制模块根据光电编码器11上传的主活塞杆14下移的距离及扭矩传感器9和负荷传感器4反馈的信号，计算岩石试样5的应力场。

由于副活塞杆62在副缸体内的运动情况是看不见的，在进行副活塞杆62在副油缸中处于悬空状态控制时，为了保证在进行模拟实验时，副活塞杆62是处于悬空状态的，实施时，本方案优先副活塞杆62的活塞与副缸体的下端盖16接触时，副活塞杆62上的轴承10与副缸体之间具有一设定距离，这样副活塞杆62上的轴承10与副油缸接触时，副活塞杆62肯定处于悬空状态。

为了避免副活塞杆62在旋转时克服摩擦力所消耗的扭矩影响实验模拟的精度，本方案优选在进行模拟实验之前，拆除防转机构3安装试件施加旋转力使双杆液压缸组6的副活塞杆62与主液压缸组1的主活塞杆14同时旋转，测出不同压力下的摩擦扭矩。

综上所述，本方案提供的装置和方法可以研究岩石扭转过程的演化规律，捕捉岩石扭裂破坏前兆特征，进而实现岩石扭裂破坏的准确预测。

Claims (7)

1.岩石试样扭裂破坏实验装置，其特征在于，包括主机架，所述主机架的上横梁和下横梁上分别安装有用于给岩石试样施加压力的主液压缸组和双杆液压缸组，所述主液压缸组的主活塞杆穿过上横梁的端部设置有一负荷传感器；所述上横梁的下表面正对主活塞杆处设置有限制负荷传感器和主活塞杆旋转的防转机构；

所述防转机构上设置有其上具有与岩石试样配合的凹槽的试样上压块；所述双杆液压缸组的副活塞杆一端穿过下横梁、并在其上安装上试样下压块，所述试样下压块上开设有与试样上压块上的凹槽配合用于装夹岩石试样的凹槽；所述副活塞杆另一端穿出副缸体、并在其上安装上轴承；

所述下横梁的一侧设置有给所述岩石试样施加扭矩的动力输出机构，所述动力输出机构通过传动机构与连接轴连接；所述连接轴上安装有扭矩传感器，扭矩传感器另一端与副活塞杆设置有轴承的端部固定连接；所述扭矩传感器、负荷传感器、主液压缸组、双杆液压缸组和动力输出机构均与控制模块连接；

所述防转机构包括防转固定套和与所述负荷传感器固定连接的防转压板，所述防转固定套套设在所述主液压缸组穿过上横梁的主活塞杆上、并用锁紧件固定在所述上横梁上；所述防转固定套上设置有防转立柱，所述防转压板上设置有与所述防转立柱配合、用于限制防转压板转动的限位孔；所述试样上压块安装于所述防转压板的下表面；

所述主液压缸组包括主缸体、与液压站连接的伺服阀和设置于主缸体内、且两端延伸出主缸体的主活塞杆，主活塞杆中部的活塞将主缸体分割成上油缸和下油缸，所述伺服阀穿过平衡阀固定在主缸体上设置的阀座上；

所述伺服阀的四个油孔通过油管分别与主液压缸组的上油缸和下油缸的进油孔、出油孔连通；所述主活塞杆未设置负荷传感器的一端处设置有采集主活塞杆位移量的光电编码器；所述光电编码器、伺服阀和平衡阀均与控制模块连接；

所述双杆液压缸组包括副缸体、与液压站连接的电磁阀和设置于副缸体内、且两端延伸出副缸体的副活塞杆，副活塞杆中部的活塞将副缸体分割成上油缸和下油缸；所述双杆液压缸组的上油缸和下油缸的进油孔、出油孔通过油管和电磁阀与液压站连接；所述电磁阀与所述控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的岩石试样扭裂破坏实验装置，其特征在于，所述动力输出机构包括相互连接的伺服电机和行星减速机，所述伺服电机和行星减速机均固定在与所述下横梁固定连接的安装架上，所述伺服电机与控制模块连接。

3.根据权利要求2所述的岩石试样扭裂破坏实验装置，其特征在于，所述传动机构包括安装于行星减速机动力输出轴上的皮带轮和固定在所述连接轴上的同步轮，所述同步轮和皮带轮通过传输皮带连接。

4.根据权利要求3所述的岩石试样扭裂破坏实验装置，其特征在于，所述同步轮的直径大于所述皮带轮的直径。

5.根据权利要求1所述的岩石试样扭裂破坏实验装置，其特征在于，所述副活塞杆的活塞上设置的与副缸体接触的密封圈的摩擦系数小于0.11。

6.一种权利要求1-5任一所述的岩石试样扭裂破坏实验装置模拟岩石试样扭裂破坏方法，其特征在于，包括：

选取工程现场的岩体，并将其制备成中间段具有凹陷槽的条形岩石试样；

将所述岩石试样放置于试样下压块的凹槽内，所述控制模块开启伺服阀，平衡阀调整流入伺服阀的油液使液压站压力与主液压缸组的上油缸的压力之间的差值达到设定正差值；

控制主活塞杆向下移动，控制双杆液压缸组的副活塞杆向上移动，直至副活塞杆处于悬空状态，并使设定正差值作用在轴承上；

继续控制主活塞杆移动，直至主活塞杆与岩石试样接触，并控制伺服阀加载恒定压力；

之后，控制动力输出机构通过传动机构带动连接轴、扭矩传感器和副活塞杆旋转，给岩石试样加载恒定扭力方式或逐渐增大扭矩方式，直至岩石试样发生破坏；

控制模块根据光电编码器上传的主活塞杆下移的距离及扭矩传感器和负荷传感器反馈的信号，计算岩石试样的应力场。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述副活塞杆处于悬空状态时，副活塞杆上的轴承与副油缸接触。