CN108827759B - 岩石流变扰动效应仪冲击扰动系统 - Google Patents

岩石流变扰动效应仪冲击扰动系统 Download PDF

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Abstract

岩石流变扰动效应仪冲击扰动系统，本发明属于岩石流变扰动领域。传力轴上套装有冲击弹簧，冲击弹簧上端顶靠在固定环上，下端与连接环片固定连接，连接环片与冲击砝码固定连接，冲击砝码设置在找平器上，扰动动态传感器套装在找平器上，扰动动态传感器设置在上承压板上，上承压板设置在三轴箱上，动力油缸的缸杆与三轴箱之间设置压力传感器，触发触杆与冲击砝码固定连接，复位弹簧支架与可伸缩双层管固定连接，冲击复位弹簧固定在可伸缩双层管的内管凸台上，冲击复位弹簧上端固定有弹簧卡片，传力绳一端与控制卡片固定连接，另一端绕过定滑轮后穿入可伸缩双层管的内管以及冲击复位弹簧内并与弹簧卡片固接。本发明用于岩石流变扰动效应冲击试验中。

Description

岩石流变扰动效应仪冲击扰动系统
技术领域
本发明属于岩石流变扰动领域，具体涉及一种岩石流变扰动效应仪冲击扰动系统。
背景技术
岩石流变扰动效应仪冲击扰动装置适用于岩石流变扰动相关特性研究。即对处于不同蠕变阶段的岩石进行扰动，使其蠕变量出现瞬时变化，以此来研究分析外界扰动荷载与其蠕变增量之间的关系。公告号为CN206161442U的实用新型专利公开了一种“岩石流变扰动效应三轴实验设备”，公开号为CN106370526A的发明专利申请公开了一种“岩石流变扰动效应三轴实验设备及实验方法”，当冲击砝码受到冲击时，存在上下振动时间长、幅度大的问题，致使监测系统在后期处理时扰动时间t和扰动力F难以确定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种岩石流变扰动效应仪冲击扰动系统，以解决现有技术存在的上述问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
岩石流变扰动效应仪冲击扰动系统，其组成包括扰动动态传感器、上承压板、三轴箱、压力传感器、动力油缸、找平器、底座、传力轴、冲击扰动动力装置及两个冲击扰动复位装置，每个所述冲击扰动复位装置包括控制器和复位器，每个所述控制器均包括控制卡片、控制触杆、可伸缩套管一、可伸缩套管二、控制器支架、控制器弹簧、钢筋、固定卡板及控制卡框，每个所述复位器均包括冲击复位弹簧、可伸缩双层管、复位弹簧支架、定滑轮支架、弹簧卡片、传力绳及定滑轮，所述冲击扰动动力装置包括固定环、冲击弹簧、冲击砝码、连接环片、两个触发触杆；
所述传力轴竖直设置，传力轴上套装有冲击弹簧，所述冲击弹簧上端顶靠在固定环上，所述固定环固定套装在传力轴上端，冲击弹簧下端与连接环片固定连接，所述连接环片套装在传力轴上，连接环片下端面与冲击砝码固定连接，冲击砝码套装在传力轴上，所述冲击砝码设置在找平器上，所述扰动动态传感器套装在所述找平器外侧，所述扰动动态传感器设置在上承压板上，所述上承压板设置在三轴箱上，所述三轴箱设置在动力油缸上方，所述动力油缸的缸杆与三轴箱之间设置压力传感器，所述动力油缸固定在底座上，所述两个触发触杆一端均与冲击砝码侧壁固定连接，两个触发触杆相对于传力轴轴线对称设置；
所述两个复位弹簧支架对称设置在三轴箱两侧，两个复位弹簧支架均固定在底座上，每个复位弹簧支架上端均与一个可伸缩双层管的外管固定连接，每个所述可伸缩双层管的内管上端设有凸台，所述冲击复位弹簧下端固定在可伸缩双层管的内管的凸台上，冲击复位弹簧上端固定有弹簧卡片，两个定滑轮支架固定在底座上并位于对应的复位弹簧支架内，每个定滑轮支架上均固定有一个定滑轮，每根传力绳一端与控制卡片固定连接，每根传力绳另一端绕过定滑轮后穿入可伸缩双层管的内管以及冲击复位弹簧内并与弹簧卡片固定连接，所述控制卡片匹配设置在控制卡框与固定卡板之间的空隙内，固定卡板与底座上端面固定连接；
所述控制器弹簧竖向设置，控制器弹簧下端与底座固定连接，控制器弹簧上端与控制卡框下端面固定连接，控制器弹簧及控制卡框均设置在控制器支架内，所述控制卡框上端与竖向设置的钢筋下端螺纹连接，所述钢筋上端穿过可伸缩套管二与可伸缩套管一固定连接，所述控制触杆竖向设置在触发触杆下方，控制触杆下端设置在可伸缩套管一的内管内，可伸缩套管一的内管通过顶丝一与控制触杆固定连接，所述控制器支架下端与底座固定连接，控制器支架上端与可伸缩套管二的外管外壁固定连接。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、扰动荷载加载方式采用冲击砝码配合冲击弹簧综合加载的方式，其可操作性较高，冲击形式稳定，有效的避免了冲击砝码振动现象，使后期的数据处理更加简便。
2、扰动动态传感器为圆环状，在试验过程中不受轴压影响，确保了传感器的量程不会过大，保证了传感器的精度，为试验提供了良好的监测基础。
3、冲击扰动复位装置使每次扰动加载时间极短，不会影响试件总体蠕变性能。
4、冲击扰动复位装置并非整体结构，其中的可伸缩双层管、可伸缩套管一及可伸缩套管二可根据需要进行调节，从而满足不同需求的试验。
综上，本发明适用于岩石流变扰动相关特性研究中，即对处于不同蠕变阶段的岩石进行扰动，使其蠕变量出现瞬时变化，以此来研究分析外界扰动荷载与其蠕变增量之间的关系。
附图说明
图1是本发明的整体结构主视图；
图2是图1中底座的俯视示意图；
图3是图1中的找平器主视示意图；
图4是图1中的复位器主视示意图；
图5是图1中的控制器主视示意图；
图6是图1中的可伸缩双层管、可伸缩套管一或可伸缩套管二的主剖视示意图。
图中各部件名称及标号说明如下：
固定环1、冲击弹簧2、冲击砝码3、扰动动态传感器4、上承压板5、三轴箱6、压力传感器7、动力油缸8、冲击复位弹簧9、可伸缩双层管10、复位弹簧支架11、定滑轮支架12、找平器13、触发触杆14、控制卡片15、控制触杆16、可伸缩套管一17、可伸缩套管二18、控制器弹簧19、底座20、传力轴21、弹簧卡片22、传力绳23、定滑轮24、固定卡板25、控制卡框26、钢筋27、控制器支架28。
具体实施方式
为了更好的理解本发明专利的方案，结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1-图6所示，本实施方式披露了一种岩石流变扰动效应仪冲击扰动系统，其组成包括扰动动态传感器4、上承压板5、三轴箱6、压力传感器7、动力油缸8、找平器13、底座20、传力轴21、冲击扰动动力装置及两个冲击扰动复位装置，每个所述冲击扰动复位装置包括控制器和复位器，每个所述控制器均包括控制卡片15、控制触杆16、可伸缩套管一17、可伸缩套管二18、控制器支架28、控制器弹簧19、钢筋27、固定卡板25及控制卡框26，每个所述复位器均包括冲击复位弹簧9、可伸缩双层管10、复位弹簧支架11、定滑轮支架12、弹簧卡片22、传力绳23及定滑轮24，所述冲击扰动动力装置包括固定环1、冲击弹簧2、冲击砝码3、连接环片、两个触发触杆14；
所述传力轴21竖直设置，传力轴21上套装有冲击弹簧2，所述冲击弹簧2上端顶靠在固定环1上，所述固定环1固定套装在传力轴21上端，冲击弹簧2下端(通过焊接)与连接环片固定连接，所述连接环片套装在传力轴1上，连接环片下端面与冲击砝码3(通过螺栓)固定连接，冲击砝码3套装在传力轴21上，所述冲击砝码3设置在找平器13上，所述扰动动态传感器4套装在所述找平器13外侧，所述扰动动态传感器4设置在上承压板5上，所述上承压板5设置在三轴箱6上，所述三轴箱6设置在动力油缸8上方，所述动力油缸8的缸杆与三轴箱6之间设置压力传感器7，所述动力油缸8固定在底座20上(底座20上设有圆孔，动力油缸8固定在底座20的圆孔内)，所述两个触发触杆14一端均与冲击砝码3侧壁固定连接，两个触发触杆14相对于传力轴21轴线对称设置；
所述两个复位弹簧支架11对称设置在三轴箱6两侧，两个复位弹簧支架11均固定在底座20上，每个复位弹簧支架11上端均与一个可伸缩双层管10的外管固定连接，每个所述可伸缩双层管10的内管上端设有凸台，所述冲击复位弹簧9下端固定在可伸缩双层管10的内管的凸台上，冲击复位弹簧9上端固定有弹簧卡片22，两个定滑轮支架12固定在底座20上并位于对应的复位弹簧支架11内，每个定滑轮支架12上均固定有一个定滑轮24，每根传力绳23一端与控制卡片15固定连接，每根传力绳23另一端绕过定滑轮24后穿入可伸缩双层管10的内管以及冲击复位弹簧9内并与弹簧卡片22固定连接，所述控制卡片15匹配设置在控制卡框26与固定卡板25之间的空隙内，固定卡板25与底座20上端面固定连接；
所述控制器弹簧19竖向设置，控制器弹簧19下端与底座20固定连接，控制器弹簧19上端与控制卡框26下端面固定连接，控制器弹簧19及控制卡框26均设置在控制器支架28内，所述控制卡框26上端与竖向设置的钢筋27下端螺纹连接(控制卡框26上端面固定有螺母，所述钢筋27下端设有外螺纹，钢筋27与控制卡框26上的螺母螺纹连接)，所述钢筋27上端穿过可伸缩套管二18与可伸缩套管一17固定连接，所述控制触杆16竖向设置在触发触杆14下方，控制触杆16下端设置在可伸缩套管一17的内管内，可伸缩套管一17的内管通过顶丝一与控制触杆16固定连接，所述控制器支架28下端与底座20固定连接，控制器支架28上端与可伸缩套管二18的外管外壁固定连接。
冲击弹簧2的作用是：为冲击扰动提供能量，并有效消除冲击砝码3上下振动现象；
冲击砝码3的作用是：为冲击扰动提供载荷；
扰动动态传感器4的作用是：用于测量扰动信号，动态传感器4是现有技术，型号为JM5936的IEPE动态传感器。外部采购件；
三轴箱6的作用是：通过注油为试件提供围压，三轴箱为现有技术，如公告号为CN206161442U、名称为“岩石流变扰动效应三轴实验设备”的实用新型专利，以及公开号为CN106370526A、名称为“岩石流变扰动效应三轴实验设备及实验方法”的发明专利申请中都有记载。
压力传感器7的作用是：压力传感器7可以进行平衡清零，用来测量试件(试件放置于三轴箱内)承受的压力，即轴向压力。为外部采购件；
动力油缸8的作用是：为试验提供初始动力，动力油缸8通过油泵充油，为外部采购件；
找平器13的作用是：确保试件受力均匀，为外部采购件；
触发触杆14的作用是：触发冲击复位弹簧9的复位功能，冲击弹簧2处于压缩蓄能状态，之后伸长，此时触发触杆14获得推力，然后撞向控制触杆16，以此触发冲击复位弹簧9的复位功能。
控制卡片15的作用是：控制冲击复位弹簧9，控制卡片15与传力绳23连接，冲击复位弹簧9压缩蓄力后，将控制卡片15置于控制卡框26与固定卡板25之间卡住，使冲击复位弹簧9保持蓄力状态，当控制触杆16受到来至于触发触杆14向下的力时，控制器弹簧19压缩，控制卡框26下移，此时控制卡片15下端不在受控制卡框26下边缘部分约束而弹出，同时冲击复位弹簧9弹出；
控制触杆16的作用是：传递发出信号；
控制器弹簧19的作用是：实现控制器复位功能；
固定卡板25及控制卡框26的作用是：用于卡住控制卡片15。
具体实施方式二：如图5所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述钢筋27上端穿过可伸缩套管二18内管并与可伸缩套管一17的内管或外管固定连接。
具体实施方式三：如图6所示，本实施方式是对具体实施方式一或二作出的进一步说明，所述的可伸缩套管一17、可伸缩套管二18以及可伸缩双层管10均包括内管和外管，所述内管与外管相套设置，外管管壁沿径向设有至少一个螺纹通孔，所述至少一个螺纹通孔内旋接有顶丝二，外管通过所述顶丝二与内管紧固连接。
本发明的冲击扰动系统搭载在岩石流变扰动仪上进行运作，实验开始前向上搬动触发触杆14一定距离并固定位置，使冲击弹簧2蓄能；将控制触杆16调整到略高于扰动动态传感器4的位置，通过调节可伸缩双层管10的内管高度使冲击复位弹簧9收缩蓄能，然后将控制卡片15卡在固定卡板25和控制卡框26之间。需要施加扰动荷载时，只需释放触发触杆14，让冲击砝码3在冲击弹簧2弹力作用下下落击打扰动动态传感器4，产生扰动荷载，记录每次数据分析器(为外部采购件)；与此同时，控制触杆16、可伸缩套管一17、控制器弹簧19和控制卡框26整体下移，使控制卡片15从被卡状态中脱出，然后冲击复位弹簧9弹起，一次冲击扰动完成。
工作原理：鉴于本发明的冲击扰动系统采用冲击砝码3配合冲击弹簧2下落击打扰动动态传感器4产生冲击荷载的原理，分析冲击砝码3接触作用于压力传感器7瞬间是一个冲击力F物理量，然而实际通过传力板(外部构件)施加给岩石试件是一种能量w传递的过程。因此可以确定冲击扰动加载是一种能量形式的转换，即冲击砝码3下落后的重力势能和冲击弹簧2的弹性势能转换为动能再转换为对试件的冲量。理论物理公式推导：
释放的弹性能
转化的重力势能EP＝mgh(2)
砝码增加的动能
冲量公式mv＝Ft(4)
其中W弹：弹簧弹性能，N.m；
k：弹簧的劲度系数N/m；
Ep：重力势能，J；
x1：原始弹簧压缩长度，m；
x2：剩余弹簧压缩长度，m；
m：冲击砝码3的质量，kg；
g：重力加速度m/s2；
h：高度，m；
v：瞬间实际速度，m/s；
F：瞬间冲击力，N；
t：冲击扰动作用时间，s。
根据理论公式推导，存在两种测量方式可以得到所需扰动能量：
(1)测量冲击砝码3下落接触压力传感器7瞬间实际速度v，冲击砝码3的质量m，即可通过公式(3)换算得出扰动能量大小。
(2)直接测量瞬间冲击力F，以及冲击扰动作用时间t，即可通过公式(3)和(4)计算得出扰动量大小。
本套冲击扰动系采用第二种测量方式，在扰动荷载实际加载中，可以改变扰动冲击次数N以及冲击砝码3的质量m，冲击弹簧2释放能量W弹三个变量，从而改变每一次瞬间冲击力F、冲击扰动作用时间t值，进一步研究不同冲击能量等级的扰动对岩石蠕变扰动效果的影响；以及在相同冲击能量等级下，不同扰动次数对岩石蠕变扰动效果的影响，从而找出变量之间的定量关系。
因此所设计的冲击扰动系统采用圆环形扰动动态传感器4只需精确读取每一次冲击扰动的瞬间冲击力F、冲击扰动作用时间t，最后通过理论换算即可得到每一次冲击扰动能量。

Claims (3)

1.一种岩石流变扰动效应仪冲击扰动系统，其特征在于：其组成包括扰动动态传感器(4)、上承压板(5)、三轴箱(6)、压力传感器(7)、动力油缸(8)、找平器(13)、底座(20)、传力轴(21)、冲击扰动动力装置及两个冲击扰动复位装置，每个所述冲击扰动复位装置包括控制器和复位器，每个所述控制器均包括控制卡片(15)、控制触杆(16)、可伸缩套管一(17)、可伸缩套管二(18)、控制器支架(28)、控制器弹簧(19)、钢筋(27)、固定卡板(25)及控制卡框(26)，每个所述复位器均包括冲击复位弹簧(9)、可伸缩双层管(10)、复位弹簧支架(11)、定滑轮支架(12)、弹簧卡片(22)、传力绳(23)及定滑轮(24)，所述冲击扰动动力装置包括固定环(1)、冲击弹簧(2)、冲击砝码(3)、连接环片、两个触发触杆(14)；
所述传力轴(21)竖直设置，传力轴(21)上套装有冲击弹簧(2)，所述冲击弹簧(2)上端顶靠在固定环(1)上，所述固定环(1)固定套装在传力轴(21)上端，冲击弹簧(2)下端与连接环片固定连接，所述连接环片套装在传力轴(21)上，连接环片下端面与冲击砝码(3)固定连接，冲击砝码(3)套装在传力轴(21)上，所述冲击砝码(3)设置在找平器(13)上，所述扰动动态传感器(4)套装在所述找平器(13)外侧，所述扰动动态传感器(4)设置在上承压板(5)上，所述上承压板(5)设置在三轴箱(6)上，所述三轴箱(6)设置在动力油缸(8)上方，所述动力油缸(8)的缸杆与三轴箱(6)之间设置压力传感器(7)，所述动力油缸(8)固定在底座(20)上，所述两个触发触杆(14)一端均与冲击砝码(3)侧壁固定连接，两个触发触杆(14)相对于传力轴(21)轴线对称设置；
所述两个复位弹簧支架(11)对称设置在三轴箱(6)两侧，两个复位弹簧支架(11)均固定在底座(20)上，每个复位弹簧支架(11)上端均与一个可伸缩双层管(10)的外管固定连接，每个所述可伸缩双层管(10)的内管上端设有凸台，所述冲击复位弹簧(9)下端固定在可伸缩双层管(10)的内管的凸台上，冲击复位弹簧(9)上端固定有弹簧卡片(22)，两个定滑轮支架(12)固定在底座(20)上并位于对应的复位弹簧支架(11)内，每个定滑轮支架(12)上均固定有一个定滑轮(24)，每根传力绳(23)一端与控制卡片(15)固定连接，每根传力绳(23)另一端绕过定滑轮(24)后穿入可伸缩双层管(10)的内管以及冲击复位弹簧(9)内并与弹簧卡片(22)固定连接，所述控制卡片(15)匹配设置在控制卡框(26)与固定卡板(25)之间的空隙内，固定卡板(25)与底座(20)上端面固定连接；
所述控制器弹簧(19)竖向设置，控制器弹簧(19)下端与底座(20)固定连接，控制器弹簧(19)上端与控制卡框(26)下端面固定连接，控制器弹簧(19)及控制卡框(26) 均设置在控制器支架(28)内，所述控制卡框(26)上端与竖向设置的钢筋(27)下端螺纹连接，所述钢筋(27)上端穿过可伸缩套管二(18)与可伸缩套管一(17)固定连接，所述控制触杆(16)竖向设置在触发触杆(14)下方，控制触杆(16)下端设置在可伸缩套管一(17)的内管内，可伸缩套管一(17)的内管通过顶丝一与控制触杆(16)固定连接，所述控制器支架(28)下端与底座(20)固定连接，控制器支架(28)上端与可伸缩套管二(18)的外管外壁固定连接。
2.根据权利要求1所述的岩石流变扰动效应仪冲击扰动系统，其特征在于：所述钢筋(27)上端穿过可伸缩套管二(18)内管并与可伸缩套管一(17)的内管或外管固定连接。
3.根据权利要求1或2所述的岩石流变扰动效应仪冲击扰动系统，其特征在于：所述的可伸缩套管一(17)、可伸缩套管二(18)以及可伸缩双层管(10)均包括内管和外管，所述内管与外管相套设置，外管管壁沿径向设有至少一个螺纹通孔，所述至少一个螺纹通孔内旋接有顶丝二，外管通过所述顶丝二与内管紧固连接。
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