CN109738279B - 一种多角度岩石剪切实验夹具 - Google Patents

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本发明属于材料力学性能测试领城，具体涉及一种多角度岩石剪切实验夹具。本发明的技术方案如下：包括上部外齿盒、下部外齿盒、上部内齿轮和下部内齿轮；上部外齿盒下端设有凹状的圆弧形柱面一，圆弧形柱面一的两侧设有齿槽一；下部外齿盒上端设有凹状的圆弧形柱面二，圆弧形柱面二的两侧设有齿槽二；上部内齿轮的一面为圆弧形柱面三，圆弧形柱面三的两侧设有轮齿一，上部内齿轮的另一面设有卡槽一；下部内齿轮的一面为圆弧形柱面四，圆弧形柱面四的两侧设有轮齿二，下部内齿轮的另一面设有卡槽二。本发明可以夹持岩石试样进行静态剪切试验、动态剪切试验、剪切蠕变试验以及动态扰动诱致的岩石剪切蠕变破坏试验。

Description

一种多角度岩石剪切实验夹具
技术领域
本发明属于材料力学性能测试领城，具体涉及一种多角度岩石剪切实验夹具。
背景技术
在岩石工程实践及实验过程中常常会涉及到岩石剪切破坏、岩石剪切蠕变破坏等问题，这类问题对工程的安全高效进行具有极其重要的意义。在进行相关参数测试过程中主要用到直剪仪直接测试、单轴压力机与夹具配合使用两种方式。前者需要将试样放到实验机上，先施加控制法向力，当法向力达到目标值时再从水平方向施加剪切力，进而得到相关参数及破坏规律。后者需要将试样放到夹具之内，将夹具放到单轴液压机下，夹具将受到垂直压力分解为法向和切向两个方向的应力，作用到试样上面。该方法存在的问题是一个夹具只能产生一系列比例固定的法向力和剪切力。不同应力状态需要不同的夹具，操作繁琐，成本高，难以满足实验需求。现有的少量变角度剪切实验夹具多以插销方式实现变角度目标，一方面角度调节范围有限，体积较大，造价过万，结构复杂，另一方面仅仅局限于静态实验，不能进行动态扰动冲击实验。
发明内容
本发明提供一种多角度岩石剪切实验夹具，利用齿轮调节剪切盒摆放角度实现不同法向应力和切向应力加载，不仅可以夹持岩石试样进行静态剪切试验，也可以夹持岩石试样进行动态剪切试验、剪切蠕变试验以及动态扰动诱致的岩石剪切蠕变破坏试验。
本发明的技术方案如下：
一种多角度岩石剪切实验夹具，包括上部外齿盒、下部外齿盒、上部内齿轮和下部内齿轮；上部外齿盒下端设有凹状的圆弧形柱面一，圆弧形柱面一的两侧设有齿槽一；下部外齿盒上端设有凹状的圆弧形柱面二，圆弧形柱面二的两侧设有齿槽二；上部内齿轮的一面为圆弧形柱面三，圆弧形柱面三的两侧设有轮齿一，上部内齿轮的另一面设有卡槽一；下部内齿轮的一面为圆弧形柱面四，圆弧形柱面四的两侧设有轮齿二，下部内齿轮的另一面设有卡槽二。
进一步地，所述的多角度岩石剪切实验夹具，其中上部内齿轮设有横承力面一和竖承力面一，横承力面一与竖承力面一垂直相交形成卡槽一；下部内齿轮设有横承力面二和竖承力面二，横承力面二与竖承力面二垂直相交形成卡槽二。
进一步地，所述的多角度岩石剪切实验夹具，其中上部内齿轮配合安装在上部外齿盒中，下部内齿轮配合安装在下部外齿盒中，卡槽一与卡槽二互为对角状态设置，岩石试样放置于卡槽一与卡槽二之间。
本发明的有益效果为：
(1)本发明利用齿轮转动调节剪切盒的角度实现不同法向力和切向力加载，调节范围更广泛。
(2)在下部内齿轮和下部外齿盒之间的接触为弧面接触和齿轮咬合，弧面接触可以承受动态冲击，齿轮咬合用于调节剪切盒角度和抵抗齿轮转动，由于轮齿与齿盒间有间隙，当进行动态冲击加载时，冲击力作用在弧面上。上部内齿轮和上部外齿盒具有相同的设计和工作原理。因此，利用发明的多角度岩石剪切实验夹具可以施加动静态载荷进行剪切实验。
附图说明
图1为多角度岩石剪切实验夹具结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种多角度岩石剪切实验夹具，包括上部外齿盒13、下部外齿盒7、上部内齿轮12和下部内齿轮6；上部外齿盒13下端设有凹状的圆弧形柱面一2，圆弧形柱面一2的两侧设有齿槽一3；下部外齿盒7上端设有凹状的圆弧形柱面二9，圆弧形柱面二9的两侧设有齿槽二8；上部内齿轮12的一面为圆弧形柱面三10，圆弧形柱面三10的两侧设有轮齿一1，上部内齿轮12的另一面设有卡槽一；下部内齿轮6的一面为圆弧形柱面四4，圆弧形柱面四4的两侧设有轮齿二5，下部内齿轮6的另一面设有卡槽二；上部内齿轮12设有横承力面一和竖承力面一，横承力面一与竖承力面一垂直相交形成卡槽一；下部内齿轮6设有横承力面二和竖承力面二，横承力面二与竖承力面二垂直相交形成卡槽二；上部内齿轮12配合安装在上部外齿盒13中，下部内齿轮6配合安装在下部外齿盒7中，卡槽一与卡槽二互为对角状态设置，岩石试样11放置于卡槽一与卡槽二之间。
上述多角度岩石剪切实验夹具使用过程中，首先根据试验需要设定要施加的法向应力F法和切向应力F切，结合法向应力F法和切向应力F切与试验机提供的垂直方向压力FN、下部内齿轮6的横承力面二与水平面之间的夹角A的关系，计算出垂直方向压力FN和夹角A，计算公式如下式(1)所示：
F法＝FN×cosA F切＝FN×sinA (1)；
然后根据计算得到的夹角A，调整下部内齿轮6在下部齿盒7中的位置，位置确定后将正方体岩石试样11放到下部内齿轮6中，再将上部内齿轮12放置到岩石试样11上面，最后将上部外齿盒13水平放到上部内齿轮12上面；实验机提供的垂直方向压力FN通过夹具分解成法向和切向力作用于岩石试样11上面，进而实现剪切加载目标。
本夹具也可承受动态冲击载荷，动态载荷主要由上部外齿盒13、下部外齿盒7与上部内齿轮12、下部内齿轮6之间的圆弧形柱面一2、圆弧形柱面二9、圆弧形柱面三10及圆弧形柱面四4承载，上部内齿轮12的轮齿一1和下部内齿轮6的轮齿二5承受岩石试样11转动的力。

Claims (1)

1.一种多角度岩石剪切实验夹具，其特征在于，包括上部外齿盒、下部外齿盒、上部内齿轮和下部内齿轮；上部外齿盒下端设有凹状的圆弧形柱面一，圆弧形柱面一的两侧设有齿槽一；下部外齿盒上端设有凹状的圆弧形柱面二，圆弧形柱面二的两侧设有齿槽二；上部内齿轮的一面为圆弧形柱面三，圆弧形柱面三的两侧设有轮齿一，上部内齿轮的另一面设有卡槽一；下部内齿轮的一面为圆弧形柱面四，圆弧形柱面四的两侧设有轮齿二，下部内齿轮的另一面设有卡槽二；上部内齿轮设有横承力面一和竖承力面一，横承力面一与竖承力面一垂直相交形成卡槽一；下部内齿轮设有横承力面二和竖承力面二，横承力面二与竖承力面二垂直相交形成卡槽二；上部内齿轮配合安装在上部外齿盒中，下部内齿轮配合安装在下部外齿盒中，卡槽一与卡槽二互为对角状态设置，岩石试样放置于卡槽一与卡槽二之间。
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