CN108267398B - 一种岩石高速滑动摩擦试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石高速滑动摩擦试验装置及其试验方法，试验装置包括机箱，机箱底部固定设置有两块竖向钢板，竖向钢板间相互平行，竖向钢板上端焊接有呈两级阶梯状的平台结构，平台结构包括相互连接的下层阶梯平台和上层阶梯平台；试验方法包括先使炉内温度加热至预定温度，然后调节与吸盘式电磁铁相连的独立电源的输出功率，对滑动试件施加预定荷载，再启动电机，通过扭矩传递杆带动滑动试件按设定速度在固定圆盘上作圆周滑动；通过扭矩传感器记录扭矩传递杆的扭矩。本发明结构应用了一套电磁力加压的加载装置并能够模拟高温环境中岩石高速滑动条件下的动摩擦效应，具有很高的推广价值。

Description

一种岩石高速滑动摩擦试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及岩石摩擦试验技术领域，具体涉及一种岩石高速滑动摩擦试验装置及其试验方法。

背景技术

高速岩质滑坡是一种突发性地质灾害，常常具有体积大、速度快、滑程远和破坏强的特点。由于高速岩质滑坡滑体运动过程的复杂性，很难监测获取滑动面摩擦力等物理力学数据。

目前，现有的模拟岩石摩擦的试验机存在一些不足。其一由于现实的高速滑坡在运动过程中滑动接触面因摩擦生热使得接触面附近的岩体通常是处于一个高温的环境中，而现有的实验装置还无法模拟高温环境，只能进行常温试验。

其二，现有的实验装置加载方式多为简单的弹簧加载以及液压加载，弹簧加载满足胡克定律：F＝k×△X，而在高速摩擦实验过程中△X通常会因为岩石试件的磨损而减小，因而加载力便会相应的减小，不能达到恒定加载的效果；液压加载也会因为岩石试件磨损而导致液压减小，使得加载力变小不能达到恒定加载的效果，同时液压加载装置结构也相对比较复杂；并且在实验中应用现有的实验加载装置难以对整个滑动摩擦模拟系统施加环境模拟装置，如高温装置，在很大程度上局限了实验装置的应用范围。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供了一种能够模拟高速滑动条件下的动摩擦效应的岩石高速滑动摩擦试验装置及其试验方法。

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

本发明提供了一种岩石高速滑动摩擦试验装置，其包括机箱，机箱底部固定设置有两块竖向钢板，竖向钢板间相互平行，竖向钢板上端焊接有呈两级阶梯状的平台结构，平台结构包括相互连接的下层阶梯平台和上层阶梯平台，上层阶梯平台的外缘与机箱外壁连接；

竖向钢板的下部固定连接有电机，电机主轴从下至上依次连接有减速器、扭矩传感器、转速传感器、轴承和固定试件，固定试件包括吸盘式电磁铁和固定圆盘，减速器、扭矩传感器、转速传感器、轴承分别与竖向钢板的侧面固定连接；

固定圆盘设置于吸盘式电磁铁上侧；吸盘式电磁铁与独立电源连接；吸盘式电磁铁的下端设置于下层阶梯平台上；固定圆盘设置于上层阶梯平台上；

电机的输出轴上端套接有扭矩传递杆，扭矩传递杆的另一端连接有圆形铁盖，圆形铁盖下部套设有滑动试件。

上述技术方案中，吸盘式电磁铁的直径小于下层阶梯平台的外径，且吸盘式电磁铁的厚度与下层阶梯平台的侧壁高度相同；固定圆盘的直径小于上层阶梯平台的外径，且大于下层阶梯平台的外径。

上述技术方案中，上层阶梯平台上设置有加热炉，加热炉与上层阶梯平台连接部的内部为圆柱形空腔，加热炉连接部的内径大于固定圆盘的外径，且小于上层阶梯平台的外径；加热炉外壁以及固定圆盘与吸盘式电磁铁之间均设置有石棉隔热层，加热炉的内壁上贴设有温度传感器，加热炉的外壁上设置有与温度传感器相连的电子显示屏。

本发明还提供了一种利用上述岩石高速滑动摩擦试验装置的进行试验的方法，其包括如下步骤：

S1、机箱置于水平，先将扭矩传递杆从电机主轴上方取出；

S2、在电机主轴上依次安装吸盘式电磁铁，石棉隔热层和固定圆盘；

S3、将圆形铁盖固定安装于滑动试件上，然后将滑动试件放置在固定圆盘上，再将扭矩传递杆套设于电机主轴上；使得扭矩传递杆自由端刚好嵌入圆形铁盖上表面的凹槽中，通过插销将扭矩传递杆与圆形铁盖固定，此时扭矩传递杆与圆形铁盖凹槽底部不接触；

S4、在固定圆盘上套设加热炉，然后在加热炉的外侧包裹设置一层石棉隔热层，开启加热炉，对试验装置进行加温，通过温度传感器监测加热炉内环境温度，直至加热炉内环境温度稳定在预设值；

S5、调节与吸盘式电磁铁相连的独立电源的输出功率，对滑动试件施加预定荷载，再启动电机，通过扭矩传递杆带动滑动试件按设定速度在固定圆盘上作圆周滑动；

S6、通过扭矩传感器记录扭矩传递杆的扭矩。

本发明提供的上述岩石高速滑动摩擦试验装置的主要有益效果在于：

通过设置吸盘式电磁铁、电机和独立电源，可控制滑动试件与圆盘间接触应力的大小以及滑动试件与固定圆盘间相对速度的大小，从而能实现不同压力、不同运动速度高速滑坡运动的滑动摩擦模拟试验。

通过设置扭矩传递杆、圆形铁盖和滑动试件，方便更换试件，从而根据实验需要选择不同的岩石类型。改变圆盘与滑动试件的材料可模拟不同岩石种类的同类岩石间，与不同类岩石间的高速摩擦试验。

本发明提供的上述岩石高速滑动摩擦试验装置的试验方法的主要有益效果在于：

通过调节吸盘式电磁与电机的输出功率，可十分方便且精确地控制滑动试件与圆盘间接触应力的大小以及滑动试件与圆盘间相对速度的大小，能实现不同压力、不同运动速度高速滑坡运动的滑动摩擦模拟试验。

通过引入加热炉，能真实模拟岩质高速滑坡在滑动过程中滑带所处的高温环境，并能研究在这种高温条件下，滑动试件与固定圆盘的滑动接触面动摩擦特性，如动摩擦系数与摩擦磨损率，及其与竖向压力、滑动速度的相互关系。与常温试验做对比，高温试验更能反映高温对滑动接触面动摩擦特性影响的显著性，从而有助于揭示高速岩质滑坡运动机理。

附图说明

图1为模拟高温环境中岩石高速滑动摩擦试验装置正视图。

图2为模拟高温环境中岩石高速滑动摩擦试验装置俯视图。

图3为扭矩传递及滑动试件固定装置结构示意图。

其中，1、机箱，11、竖向钢板，12、平台结构，121、下层阶梯平台，122、上层阶梯平台，2、电机，21、电机主轴，22、减速器，23、扭矩传感器，24、转速传感器，25、轴承，26、独立电源，3、固定试件，31、吸盘式电磁铁，32、固定圆盘，4、扭矩传递杆，41、滑动试件，42、圆形铁盖，5、加热炉，51、石棉隔热层，52、温度传感器，53、电子显示屏。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，其为模拟高温工况时的岩石高速滑动摩擦试验装置正视图。

如图1和图2所示，本发明提供的机箱1，机箱1底部固定设置有两块竖向钢板11，竖向钢板11间相互平行，竖向钢板11上端焊接有呈两级阶梯状的平台结构12，平台结构12包括相互连接的下层阶梯平台121和上层阶梯平台122，上层阶梯平台122的外缘与机箱1外壁连接。

竖向钢板11的下部固定连接有电机2，电机2与外部电源连接，电机主轴21从下至上依次贯穿连接有减速器22、扭矩传感器23、转速传感器24、轴承25和固定试件3，固定试件3包括吸盘式电磁铁31和固定圆盘32，减速器22、扭矩传感器23、转速传感器24、轴承25分别与竖向钢板2的侧面固定连接。

固定圆盘32设置于吸盘式电磁铁31上侧；吸盘式电磁铁31与独立电源26连接，独立电源26设置于机箱1的底部，独立电源26为直流电源，可选用电池组，电池组通过常见的电源控制电路与吸盘式电磁铁31连接，通过调节电池组接入电路中的电池数，实现调节独立电源26的输出功率的作用。

吸盘式电磁铁31的下端设置于下层阶梯平台121上；固定圆盘32设置于上层阶梯平台122上；吸盘式电磁铁31刚好设置于下阶梯平台中；固定圆盘32的直径小于上层阶梯平台122的外径，且大于下层阶梯平台121的外径。

如图3所示，电机2的输出轴上端套接有扭矩传递杆4，扭矩传递杆4的另一端连接有圆形铁盖42，圆形铁盖42下部套设有滑动试件41。

上层阶梯平台122上设置有加热炉5，加热炉5与上层阶梯平台122连接部呈内部为空腔的圆柱形，加热炉5连接部的内径大于固定圆盘32的外径，且小于上层阶梯平台122的外径。

加热炉5连接部的内侧和外侧分别设置有石棉隔热层51，加热炉5的内壁上贴设有温度传感器52，加热炉5的外壁上设置有与温度传感器52相连的电子显示屏53。

通过引入加热炉5可以实现模拟包含天然工况、高温工况的岩石高速摩擦实验，方便可靠，实用性强。

下面是利用上述岩石高速滑动摩擦试验装置的试验方法，其包括如下步骤：

S1、机箱1置于水平，先将扭矩传递杆4从电机主轴21上方取出。

S2、在电机主轴21上依次安装固定试件3。

先安装吸盘式电池铁31，再在吸盘式电磁铁31上方套设安装固定圆盘32，通过插销将固定圆盘32安装于上部阶梯平台122上。

S3、将圆形铁盖42固定安装于滑动试件41上，然后将滑动试件41后放置在固定圆盘42上，再将扭矩传递杆4套设于电机主轴21上。

将扭矩传递杆4套设于电机主轴21上并使得扭矩传递杆4自由端刚好嵌入圆形铁盖42上表面的凹槽中，通过插销将扭矩传递杆4与圆形铁盖42固定，此时扭矩传递杆4与圆形铁盖42凹槽底部不接触，以避免施加非试验需要压力或其他应力。

S4、在固定圆盘32上套设加热炉5，然后在加热炉5的外侧包裹设置一层石棉隔热层51，开启加热炉5，对试验装置进行加温，通过温度传感器52监测加热炉5内环境温度，直至加热炉5内环境温度稳定在预设值。

S5、调节与吸盘式电磁铁31相连的独立电源26的输出功率，对滑动试件41施加预定荷载，再启动电机2，通过扭矩传递杆4带动滑动试件41按设定速度在固定圆盘32上作圆周滑动。

独立电源26为直流电源，可选用电池组，电池组通过常见的电源控制电路与吸盘式电磁铁31连接，通过调节电池组接入电路中的电池数，实现调节独立电源26的输出功率的作用。

S6、通过扭矩传感器23记录扭矩传递杆4的扭矩。

通过调节独立电源26输出功率，可十分方便且精确地控制滑动试件与圆盘间接触应力的大小以及滑动试件与圆盘间相对速度的大小，能实现不同压力、不同运动速度高速滑坡运动的滑动摩擦模拟试验。

通过引入加热炉5，能真实模拟岩质高速滑坡在滑动过程中滑带所处的高温环境，并能研究在这种高温条件下，滑动试件41与固定圆盘32的滑动接触面动摩擦特性随竖向压力荷与滑动速度的变化而变化的规律。与常温试验做对比，高温试验更能反映高温对滑动接触面动摩擦特性影响的显著性，从而有助于揭示高速岩质滑坡运动机理。

上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。

Claims (3)

1.一种岩石高速滑动摩擦试验装置的试验方法，其特征在于，该装置包括机箱（1），机箱（1）底部固定设置有两块竖向钢板（11），竖向钢板（11）间相互平行，竖向钢板（11）上端焊接有呈两级阶梯状的平台结构（12），平台结构（12）包括相互连接的下层阶梯平台（121）和上层阶梯平台（122），上层阶梯平台（122）的外缘与机箱（1）外壁连接；

所述竖向钢板（11）的下部固定连接有电机（2），电机主轴（21）从下至上依次连接有减速器（22）、扭矩传感器（23）、转速传感器（24）、轴承（25）和固定试件（3），所述固定试件（3）包括吸盘式电磁铁（31）和固定圆盘（32），所述减速器（22）、扭矩传感器（23）、转速传感器（24）、轴承（25）分别与竖向钢板（11）的侧面固定连接；

所述固定圆盘（32）设置于吸盘式电磁铁（31）上侧；吸盘式电磁铁（31）与独立电源（26）连接；吸盘式电磁铁（31）的下端设置于下层阶梯平台（121）上；固定圆盘（32）设置于上层阶梯平台（122）上；

电机（2）的输出轴上端套接有扭矩传递杆（4），扭矩传递杆（4）的另一端连接有圆形铁盖（42），圆形铁盖（42）下部套设有滑动试件（41）；

该方法包括如下步骤：

S1、机箱（1）置于水平，先将扭矩传递杆（4）从电机主轴（21）上方取出；

S2、在电机主轴（21）上依次安装吸盘式电磁铁（31），石棉隔热层（51）和固定圆盘（32）；

S3、将圆形铁盖（42）固定安装于滑动试件（41）上，然后将滑动试件（41）放置在固定圆盘（32）上，再将扭矩传递杆（4）套设于电机主轴（21）上；使得扭矩传递杆（4）自由端刚好嵌入圆形铁盖（42）上表面的凹槽中，通过插销将扭矩传递杆（4）与圆形铁盖（42）固定，此时扭矩传递杆（4）与圆形铁盖（42）凹槽底部不接触；

S4、在固定圆盘（32）上套设加热炉（5），然后在加热炉（5）的外侧包裹设置一层石棉隔热层（51），开启加热炉（5），对试验装置进行加温，通过温度传感器（52）监测加热炉（5）内环境温度，直至加热炉（5）内环境温度稳定在预设值；

S5、调节与吸盘式电磁铁（31）相连的独立电源（26）的输出功率，对滑动试件（41）施加预定荷载，再启动电机（2），通过扭矩传递杆（4）带动滑动试件（41）按设定速度在固定圆盘（32）上作圆周滑动；

S6、通过扭矩传感器（23）记录扭矩传递杆（4）的扭矩。

2.根据权利要求1所述的岩石高速滑动摩擦试验装置的试验方法，其特征在于，所述吸盘式电磁铁（31）的直径小于下层阶梯平台（121）的外径，且吸盘式电磁铁（31）的厚度与下层阶梯平台（121）的侧壁高度相同；固定圆盘（32）的直径小于上层阶梯平台（122）的外径，且大于下层阶梯平台（121）的外径。

3.根据权利要求2所述的岩石高速滑动摩擦试验装置的试验方法，其特征在于，所述上层阶梯平台（122）上设置有加热炉（5），所述加热炉（5）与上层阶梯平台（122）连接部的内部为圆柱形空腔，所述加热炉（5）连接部的内径大于固定圆盘（32）的外径，且小于上层阶梯平台（122）的外径；

所述加热炉（5）外壁以及固定圆盘（32）与吸盘式电磁铁（31）之间均设置有石棉隔热层（51），加热炉（5）的内壁上贴设有温度传感器（52），加热炉（18）的外壁上设置有与温度传感器相连的电子显示屏（53）。