CN109883844B - 一种小尺寸试样阵列线载荷加载箱及加载方法 - Google Patents

Abstract

一种结合交错双缸和错距加载板的小尺寸试样阵列线载荷加载箱及加载方法，所述的加载箱包括箱体（8）、液压缸（7）和加载板（1），所述的液压缸安装在箱体（8）中，其特征是所述的加载板（1）由中部加载板（11）、中部加载板（11）两侧的凸形加载板（12）及凸形加载板外侧的矩形加载板（13）组成，中部加载板（11）、凸形加载板（12）及矩形加载板（13）的上端平齐伸出箱体（8）的顶盖（2）外以支承试样（9），它们的下端高低不平呈空间错位布置；本发明体积小，加载方便，能满足小尺寸试样的加载需要。

Description

一种小尺寸试样阵列线载荷加载箱及加载方法

技术领域

本发明涉及一种矿山抗压试验技术，尤其是一种小尺寸试样的抗压试验方法，具体地说是一种结合交错双缸和错距加载板的小尺寸试样阵列线载荷加载箱及加载方法。

背景技术

众所周知，地下岩体的开挖，如开掘巷道或进行回采作业时，会破坏原岩应力的平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布。在采掘形成应力的作用下，会引起各种力学现象，如岩体的变形、破坏、塌落等以及在岩体中产生的动力现象。

目前，岩石力学研究领域开展的岩石力学实验多集中在单轴、双轴、三轴等均匀加载实验，实验中采用伺服控制，以实现精确的位移和应力控制，来研究研究煤岩石所显现的力学特性及变形破坏特征。由于受到实验装置所限制，液压伺服加载设备难以在小尺寸试样上产生密集的、非均匀的应力且强度达到实验要求的高应力。因此，岩石力学研究领域研究中很少有局部不等应力加载下的岩石力学特性的研究。

发明内容

本发明的目的是针对现有的液压伺服加载设备难以在小尺寸试样上产生密集的、非均匀的应力且强度达到实验要求的高应力的问题，设计一种结合交错双缸和错距加载板的小尺寸试样线载荷施加箱和方法，通过本装置及方法，能够在实验室针对小尺寸煤岩试样（实验试样的圆形截面尺寸为Ф50至Ф300，矩形截面尺寸为50 mm×50 mm至300 mm×300 mm）表面施加阵列式线载荷加载，每个加载板采用伺服控制，可以精准控制及监测每个加载板的输出载荷，多个液压伺服控制单元控制加载板组的每个加载板输出相同和不同的载荷，研究阵列式线载荷作用下的煤岩力学特性和变形破坏特征。

本发明的技术方案之一是：

一种结合交错双缸和错距加载板的小尺寸试样阵列线载荷加载箱，它包括箱体8、液压缸7和加载板1，所述的液压缸安装在箱体8中，其特征是所述的加载板1由一个中部加载板11、三个凸形加载板12及二个矩形加载板13组成，中部加载板11、凸形加载板12及矩形加载板13间隔布置，它们的上端平齐并伸出箱体8的顶盖2外以支承试样9，它们的下端高低不平呈空间错位布置；两个矩形加载板13的两端下部分别支承在四个相切的液压缸7上，中部加载板11支承在辅助加载板4上，辅助加载板4的两端支承在各自的液压缸7上，辅助加载板4的长度方向垂直于其余各加载板的长度方向，每个凸形加载板12两侧的凸出端各自支承在对应的液压缸7上，支承辅助加载板4及凸形加载板12的两端的两个液压缸与支承矩形加载板13两端的液压缸交错布置且两两同步升降、两两一组独立控制；中部加载板11、凸形加载板12、矩形加载板13的厚度之和即加载板1的厚度与试样厚度相匹配。

所述的液压缸缸体为圆柱体结构时，为了减小箱体的尺寸，所述的支承辅助加载板4的两个液压缸7与支承矩形加载板13的两个液压缸7的外圈相切。

所述的液压缸缸体为圆柱体结构时，为了减小箱体的尺寸，所述的两个凸形加载板1中的两端的液压缸与支承矩形加载板13的液压缸7相切，支承中间凸形加载板12的液压缸7与支承另二个凸形加载板12的液压缸7相切。

所述的中部加载板11的底部低于凸形加载板12及矩形加载板13的底部，以防止驱动其上移的辅助加载板4与凸形加载板12及矩形加载板13产生运动干涉。

所述的液压缸7的输出杆等高时，驱动凸形加载板12升降的液压缸的底部安装有底垫块6，驱动矩形加载板13升降的液压缸7的液压杆上部安装有顶垫块5。

所述的箱体8安装有固定凸形加载板12两端防止其晃动的夹持块3。

所述的试样9的截面形状为圆形或矩形，圆形试样的截面尺寸为Ф50至Ф300，矩形试样的截面尺寸为50 mm×50 mm至300 mm×300 mm。

本发明的技术方案之二是：

一种基于结合交错双缸和错距加载板的小尺寸试样阵列线载荷加载箱的加载方法，其特征是将一个或多个结合交错双缸和空间错距加载板的线阵列载荷施加箱安装在试样9的一个面或多个面，试样9上施加线阵列载荷面的相对面由力学压力机的位移加载抵紧或利用反力架抵紧；加载板组1中每个加载板都由单独的液压伺服控制单元控制其动作；液压伺服控制矩形加载板13底部的双缸7伸出，通过液压缸7顶部安装的顶垫块5，推动矩形加载板13伸出，对试样9接触的矩形加载板13上表面的位置施加载荷；液压伺服控制凸形加载板12底部的双缸7伸出，推动凸形加载板12伸出，对试样9接触的凸形加载板12上表面的位置施加载荷；液压伺服控制一个辅助加载板4底部的双缸7伸出，推动中部加载板11伸出，对试样9接触的中部加载板11上表面的位置施加载荷；多个液压伺服控制单元控制加载板1中的每个加载板单元输出相同或不同的载荷，在试样表面施加阵列式线载荷。

所述的加载板单元包括中部加载板11、凸形加载板12及矩形加载板13，中部加载板11、凸形加载板12及矩形加载板13的上端平齐伸出箱体8的顶盖2外以支承试样9，它们的下端高低不平呈空间错位布置。

本发明的有益效果：

本发明能够在实验室针对小尺寸煤岩试样（实验试样的圆形截面尺寸为Ф50至Ф300，矩形截面尺寸为50 mm×50 mm至300 mm×300 mm）表面施加阵列式线载荷加载，可以精准控制及监测每个加载板的输出载荷，研究阵列式线载荷作用下的煤岩力学特性和变形破坏特征。

本发明通过调整液压缸的位置，进行错位配置，同时利用辅助加载板实现空间交错顶升，在一个较小的空间内完成五块加载板的分别或同步加载，能更好地模拟试样受力情况。

本发明结构简单，制造方便，体积小，效果好。

附图说明

图1是本发明的加载箱的立体透视结构示意图。

图2是本发明的加载板组底部错距配置示意图。

图3是本发明的各加载板单元在液压缸上的支承状态示意图。

图4是图3的俯视结构示意图。

图5是本发明的液压缸通过底垫块和顶垫块增高的结构示意图。

图6是本发明的加载箱加载状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-5所示。

一种结合交错双缸和错距加载板的小尺寸试样阵列线载荷加载箱，它包括箱体8、液压缸7和加载板1，所述的液压缸安装在箱体8中，所述的加载板1由一个中部加载板11、三个凸形加载板12及二个矩形加载板13组成，如图1所示，中部加载板11、凸形加载板12及矩形加载板13间隔布置，它们的上端平齐并伸出箱体8的顶盖2外以支承试样9（截面形状为圆形或矩形，圆形试样的截面尺寸为Ф50至Ф300，矩形试样的截面尺寸为50 mm×50 mm至300 mm×300 mm），它们的下端高低不平呈空间错位布置，如图2所示；两个的矩形加载板13的两端下部分别支承在四个相切的液压缸7上，中部加载板11支承在辅助加载板4上，辅助加载板4的两端支承在各自的液压缸7上，辅助加载板4的长度方向垂直于其余各加载板的长度方向，每个凸形加载板12两侧的凸出端各自支承在对应的液压缸7上，支承辅助加载板4及凸形加载板12的两端的两个液压缸与支承矩形加载板13两端的液压缸交错布置且两两同步升降、两两一组独立控制；中部加载板11、凸形加载板12、矩形加载板13的厚度之和即加载板1的厚度与试样厚度相匹配。具体实施时，由于目前市场的液压缸大多为圆柱形结构，因此为了减小箱体的尺寸，所述的支承辅助加载板4的两个液压缸7与支承矩形加载板13的两个液压缸7的外圈相切。所述的两个凸形加载板1中的两端的液压缸与支承矩形加载板13的液压缸7相切，支承中间凸形加载板12的液压缸7与支承另二个凸形加载板12的液压缸7相切，如图4所示。所述的中部加载板11的底部低于凸形加载板12及矩形加载板13的底部，以防止驱动其上移的辅助加载板4与凸形加载板12及矩形加载板13产生运动干涉。同时由于液压缸7的输出杆等高，因此驱动凸形加载板12升降的液压缸的底部安装有底垫块6，驱动矩形加载板13升降的液压缸7的液压杆上部安装有顶垫块5，如图3、5所示。箱体8安装有固定凸形加载板12两端防止其晃动的夹持块3，如图4所示。

详述如下：

一种结合交错双缸和错距加载板的小尺寸试样阵列线载荷加载箱，它包括加载板组1、顶盖2、夹持块3、辅助加载板4、顶垫块5、底垫块6、液压缸7、箱体8；所述加载板组1由依次间隔布置有三个凸形加载板12和二块矩形加载板13组成，凸形加载板12、矩形加载板13、中部加载板11底面形成空间错距，中部加载板11两侧的凸形加载板12底部沿底面长边方向的宽度不同，凸形加载板12、矩形加载板13底部沿底面长边方向的两侧分别布置有两个液压缸7，液压缸7布置在凸形加载板12、矩形加载板13底面沿长边方向的中线上，中部加载板11底部布置有辅助加载板4，辅助加载板4底部布置有液压缸7，两个液压缸7分别布置在辅助加载板4底面长度方向的两端，液压缸7固定在箱体8底面上，凸形加载板12底部的液压缸7安装有底垫块6，矩形加载板13底部的液压缸7顶部安装有顶垫块5，中部加载板11底部液压缸7的行程小于中部加载板11底面与矩形加载板13底面的错距，矩形加载板13底部液压缸7的行程小于矩形加载板13底面与凸形加载板12底面的错距，各个双缸7之间交错布置，沿中部加载板11对称布置的矩形加载板13底部的液压缸7外径相切，底面长边方向短的凸形加载板12与矩形加载板13底部液压缸7的外径相切，底面长边方向长的凸形加载板和短的凸形加载板12底部液压缸外径相切；所述顶盖2开有孔口，孔口容纳加载板组1的上部在其中上下运动。所述夹持块3固定在顶盖2上，抵住加载板组1；所述液压缸7中同一加载板单元使用的两个液压缸7连接同一液压控制油路，多个液压缸7连接多个独立的液压控制油路。

实施例二。

本实施例与实施例一的区别是中间的凸形加载板12的数量炎二个，它们分别设置在中间加载板的两侧。相应地液压缸的数量可减省为10个。

本领域技术人员根据本发明的思路还可设计出四块加载板或六块以上的加载板，仅仅需要合理配置各种加载板的数量并避免运动干涉即可。

实施例三。

如图6所示。

一种基于结合交错双缸和错距加载板的小尺寸试样阵列线载荷加载箱的加载方法，将一个或多个结合交错双缸和空间错距加载板的线阵列载荷施加箱安装在试样9的一个面或多个面，试样9上施加线阵列载荷面的相对面由力学压力机的位移加载抵紧或利用反力架抵紧；加载板组1中每个加载板都由单独的液压伺服控制单元控制其动作；液压伺服控制矩形加载板13底部的双缸7伸出，通过液压缸7顶部安装的顶垫块5，推动矩形加载板13伸出，对试样9接触的矩形加载板13上表面的位置施加载荷；液压伺服控制凸形加载板12底部的双缸7伸出，推动凸形加载板12伸出，对试样9接触的凸形加载板12上表面的位置施加载荷；液压伺服控制一个辅助加载板4底部的双缸7伸出，推动中部加载板11伸出，对试样9接触的中部加载板11上表面的位置施加载荷；多个液压伺服控制单元控制加载板1中的每个加载板单元输出相同或不同的载荷，在试样表面施加阵列式线载荷。所述的加载板单元包括中部加载板11、凸形加载板12及矩形加载板13，中部加载板11、凸形加载板12及矩形加载板13的上端平齐伸出箱体8的顶盖2外以支承试样9，它们的下端高低不平呈空间错位布置。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种结合交错双缸和错距加载板的小尺寸试样阵列线载荷加载箱的小尺寸试样阵列线载荷加载方法，其特征是：将一个或多个结合交错双缸和空间错距加载板的线阵列载荷加载箱安装在试样（9）的一个面或多个面，试样（9）上施加线阵列载荷面的相对面由力学压力机的位移加载抵紧或利用反力架抵紧；加载板（1）中每个加载板都由单独的液压伺服控制单元控制其动作；液压伺服控制矩形加载板（13）底部的液压缸（7）伸出，通过液压缸（7）顶部安装的顶垫块（5），推动矩形加载板（13）伸出，对试样（9）接触的矩形加载板（13）上表面的位置施加载荷；液压伺服控制凸形加载板（12）底部的液压缸（7）伸出，推动凸形加载板（12）伸出，对试样（9）接触的凸形加载板（12）上表面的位置施加载荷；液压伺服控制一个辅助加载板（4）底部的液压缸（7）伸出，推动中部加载板（11）伸出，对试样（9）接触的中部加载板（11）上表面的位置施加载荷；多个液压伺服控制单元控制加载板（1）中的每个加载板单元输出相同或不同的载荷，在试样表面施加阵列式线载荷；所述的加载箱包括箱体（8）、液压缸（7）和加载板（1），所述的液压缸安装在箱体（8）中，所述的加载板（1）由一个中部加载板（11）、三个凸形加载板（12）及二个矩形加载板（13）组成，中部加载板（11）、凸形加载板（12）及矩形加载板（13）间隔布置，它们的上端平齐并伸出箱体（8）的顶盖（2）外以支承试样（9），它们的下端高低不平呈空间错位布置；两个矩形加载板（13）的两端下部分别支承在四个相切的液压缸（7）上，中部加载板（11）支承在辅助加载板（4）上，辅助加载板（4）的两端支承在各自的液压缸（7）上，辅助加载板（4）的长度方向垂直于其余各加载板的长度方向，每个凸形加载板（12）两侧的凸出端各自支承在对应的液压缸（7）上，支承辅助加载板（4）及凸形加载板（12）的两端的两个液压缸与支承矩形加载板（13）两端的液压缸交错布置且两两同步升降、两两一组独立控制；加载板（1）的厚度与试样厚度相匹配，其中，加载板（1）的厚度为一个中部加载板（11）、三个凸形加载板（12）及二个矩形加载板（13）的厚度之和。

2.根据权利要求1所述的加载方法，其特征是：所述的试样（9）的截面形状为圆形或矩形，圆形试样的截面尺寸为Ф50至Ф300，矩形试样的截面尺寸为50 mm×50 mm至300 mm×300 mm。

3.根据权利要求1所述的加载方法，其特征是：所述的液压缸的缸体为圆柱体结构时，为了减小箱体的尺寸，支承所述的辅助加载板（4）的两个液压缸（7）与支承矩形加载板（13）的两个液压缸（7）的外圈相切。

4.根据权利要求1所述的加载方法，其特征是：所述的液压缸缸体为圆柱体结构时，为了减小箱体的尺寸，所述的三个凸形加载板（12）中的两端的液压缸与支承矩形加载板（13）的液压缸（7）相切，支承中间的凸形加载板（12）的液压缸（7）与支承另二个凸形加载板（12）的液压缸（7）相切。

5.根据权利要求1所述的加载方法，其特征是：所述的中部加载板（11）的底部低于凸形加载板（12）及矩形加载板（13）的底部，以防止驱动其上移的辅助加载板（4）与凸形加载板（12）及矩形加载板（13）产生运动干涉。

6.根据权利要求1所述的加载方法，其特征是：所述的液压缸（7）的输出杆等高时，驱动凸形加载板（12）升降的液压缸的底部安装有底垫块（6），驱动矩形加载板（13）升降的液压缸（7）的液压杆上部安装有顶垫块（5）。

7.根据权利要求1所述的加载方法，其特征是：所述的箱体（8）安装有固定凸形加载板（12）两端防止其晃动的夹持块（3）。

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