CN109883848A - 一种全液压非伺服岩石蠕变试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩石蠕变试验领域，具体涉及一种全液压非伺服岩石蠕变试验装置及方法。本发明的技术方案如下：一种全液压非伺服岩石蠕变试验装置，包括碟式密封单作用加载液缸和液压稳压系统。本发明提供的全液压非伺服岩石蠕变试验装置及方法，以达到试验机结构简单，载荷控制精度高，在早晚温差较大的试验环境下，载荷控制精度也满足要求，采购成本低，使用维护成本低，无环境污染的目的。

Description

一种全液压非伺服岩石蠕变试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩石蠕变试验领域，具体涉及一种全液压非伺服岩石蠕变试验装置及方法。

背景技术

岩石蠕变是指在岩石应力恒定不变的情况下，随时间的流逝，岩石变形持续增长的现象。对服务年限较长的岩石工程，岩石蠕变特性对岩体工程结构的稳定性有重要影响。室内蠕变试验是获取和评价岩石蠕变特性的主要手段之一，岩石蠕变试验机是进行室内岩石蠕变试验的基本设备，对蠕变试验机的基本要求是提供恒定的载荷。

岩石蠕变性质的测试，一个岩石样品一般需要15～20天。而岩石的其他力学性质，每个岩石样品仅需15～30分钟。因此岩石蠕变性质的测试，所需时间远远大于岩石其他力学性质(比如强度、变形模量、泊松比等)的测试。这是岩石蠕变性质的测试最主要的特点。因此用一台岩石蠕变试验机进行试验，难以满足科研和工程咨询的需求，配置足够多的岩石蠕变试验机同时试验，是最理想的情况。但是电液伺服式岩石蠕变试验机采购成本很高，在预算有限的情况下，大部分实验室不具备配备多台这类岩石蠕变试验机的条件。

现有的岩石蠕变试验技术主要有两种，电液伺服控制技术的岩石蠕变试验机和利用重物重力不变原理的岩石蠕变试验机。

1.基于电液伺服控制技术的岩石蠕变试验机

基于电液伺服控制技术的岩石蠕变试验机用加载液缸产生试验蠕变试验所需的载荷，可以很好地满足岩石蠕变试验对大载荷、高应力的需求。电液伺服控制技术是保证试验机输出载荷恒定的主要方法之一，技术成熟，精度可以满足要求，但是存在控制技术复杂，试验机结构复杂，采购成本高，使用维护难度大，使用成本高，对实验室环境有一定污染，在非等温环境下载荷控制难度较大的问题。利用基于重物自重产生载荷是进行岩石蠕变试验的另一类方法。试验机结构简单，但理论放大倍数和实际放大倍数差距大，无法事先设定试验条件(即试验机载荷)，载荷控制精度较低，且难于应用到高应力、大载荷条件下的岩石蠕变试验。

用液压缸产生载荷的岩石蠕变试验机的加载机构(框架)如附图1所示。

从原理上讲，只要加载液缸的压力恒定，其活塞输出的载荷就恒定，岩样的应力也恒定。如附图2所示，实际上，由于活塞和密封之间的摩擦力，不能从加载液缸的压力直接换算得到液缸输出载荷和岩样应力。

而且密封产生的摩擦阻力不是恒定值，电液伺服控制技术只能将与岩样串联的载荷传感器测到的力值(载荷)作为信号，反馈给试验机的控制系统，控制系统向电液比例(伺服)阀发出相应指令，调节液缸的压力，达到保持岩样应力恒定的目的。由于摩擦阻力的存在，而且摩擦阻力不是定值，载荷恒定意味着加载液缸的压力是变化的。

电液伺服阀是利用电液伺服技术控制和调节加载液缸压力的关键液压元件。采用电液伺服阀控制液缸压力的典型流程如附图3所示，其中(a)为加载状态，(b)为卸载状态，(c)为零位状态。从图中可以看出，电液比例(或伺服)阀和油源(包括油箱、电动机、油泵、冷却器、其他管阀件等液压元件)组成一个液压油循环的通路。电液比例(或伺服)阀和加载液缸组成另一个液压油流动的通路。这是两个相对独立但又以特定方式联系的液压流动的通路。当载荷低于设定值时，从油源输出的高压油进入加载缸下腔，同时上腔的低压油流回油箱，这样活塞伸出，载荷增加，压缩岩样。反之，电液比例(或伺服)阀换向，高压油进入上腔，低压油从下腔返回油箱，活塞缩回，载荷减小，试样变形恢复。

为提高电液比例(或伺服)阀控制载荷的精度，阀芯始终处于高频、小幅振荡之中，这样阀芯和阀体之间没有停止到启动和启动到停止的运动，不会产生突然停止和突然启动的过冲。由于阀芯质量很小，其运动的惯性阻力也很小。这两个原因使阀芯动作灵敏，大大提高电液比例(或伺服)阀控制载荷的精度。

由于阀芯始终处于高频或频繁的、小幅振荡中，电液伺服控制技术的载荷输出特性如附图4所示。

电液伺服阀(或比例阀)阀芯的振荡频率一般为100～500Hz，高的可以达到上千赫兹，在某些情况下只需要几十赫兹。不管所需要的振荡频率是多少，阀芯处于高频、小幅振荡是电液伺服岩石蠕变试验机提高载荷控制精度的关键。为了维持阀芯的高频或频繁的、小幅振荡，在岩石蠕变试验机运行期间(一个岩样的蠕变试验约需15～20天)，油源始终处于工作状态。大量的液压油在油源与电液比例(或伺服)阀的通路中循环。当载荷偏离设定值时，只有一小部分液压油经电液比例(伺服)阀分配到加载液缸，调节载荷的大小。

就电液伺服控制技术的液压系统而言，高频和小幅振荡的阀芯以及两个相对独立又有一定联系的液压油流动的通路是电液伺服控制技术实现高精度载荷控制的关键。

基于电液伺服技术的岩石蠕变试验机，技术成熟，精度满足要求，但是控制技术复杂，所使用的液压元件精密、昂贵，液压系统复杂，采购成本高，绝大部分单位难以配置足够多的试验机，同时进行岩石蠕变试验。

现有的基于电液伺服技术的岩石蠕变试验机，虽然技术成熟，精度满足要求，但存在以下问题：

1)一方面，用加载液缸产生岩石蠕变试验所需的载荷，另一方面，因为摩擦阻力的存在，无法从加载液缸的压力直接得到试验机载荷，只能以载荷传感器测到的力值(载荷)作为反馈信号，控制液缸的压力(在载荷恒定的情况下，液缸的压力是变动的)，因此控制技术复杂；

2)液压系统的关键控制元件电液伺服(或比例)阀是精密液压元器件，价格昂贵，对使用维护要求高，容易损坏；

3)电液伺服(或比例)阀的正常工作对工质要求高，因此要采用高品质的液压油。对工质工作温度的要求也很高，而液压油的循环产生很多热量，因此要用较大的油箱，较好的冷却装置控制油温，导致试验机液压系统复杂；

4)由于以上原因，基于电液伺服控制的岩石蠕变试验机采购成本高；

5)由于采用液压油作工质，对实验室环境污染大。由于油源持续工作，能源消耗较大，因此使用维护成本高；

6)在非等温的环境下，高精度恒载荷控制比较困难。

2.利用物体重力不变的原理维持恒定载荷的技术

利用物体重力不变的原理维持恒定载荷时，由于所需要的载荷常常是高达几十吨甚至几百吨的力，如此庞大的载荷完全靠重物的重力产生在技术上难度很大，因此可行的方法是将较轻的重物产生的重力放大。放大的方法主要有三种：1.采用多级杠杆与液压缸联合放大重力的方法；2.采用齿轮与增压缸两级放大重力的方法；3.采用滑轮组与增压缸两级放大重力的方法。

(1)采用多级杠杆与液压缸联合放大重力的方法

本方法利用杠杆原理使较轻的重物放大后产生很大力。由于单臂放大杠杆很长，因此利用多级杠杆进行放大，二级放大的倍数可达60～100倍。将放大后的力作用在油缸上，使油缸内液压油的压力提高，油缸和加载液缸用油管联通，液压油的高压力就可以直接作用在加载液缸的活塞上，推动加载活塞运动为岩石试样加载。

(2)采用齿轮与增压缸两级放大重力的方法

将重物挂在传动链条上，利用大小不同的齿轮对载荷进行一级放大，一级放大倍数取决于齿轮组的减速比。一级放大的力作用在增压缸上，进行二级放大，二级放大的倍数取决于增压缸的增压比。二级放大的总倍数可达60～80倍。

(3)采用滑轮组与增压缸两级放大重力的方法

将重物挂在钢丝绳上，利用滑轮组进行一级放大，放大倍数取决于联结动滑轮钢绞线的条数，一级放大后的力作用在增压缸上，进行二级放大，二级放大的倍数取决于增压缸的增压比。二级放大的总倍数一般为60～80倍。

基于重物自重的岩石蠕变试验机结构简单，采购成本小，但实际放大倍数与理论放大倍数之间的差距较大，无法事先准确设定实验条件(对蠕变试验就是岩样应力)，载荷控制精度难以满足要求。因此基于重物自重的岩石蠕变试验机，虽然采购成本低，但难以满足科研和工程咨询的要求。

基于重物自重的岩石蠕变试验机存在以下缺点：

1.因为不能完全依靠重物的重力产生所需的载荷，需要对重力进行二级或多级放大。各种放大技术都会产生摩擦阻力，且阻力较大。因此采用这类技术的实际放大倍数与理论放大倍数之间的差别较大；

2.由于摩擦阻力不是恒定值，不能用重物的重量(重力)乘理论放大倍数计算载荷，采用这类技术的岩石蠕变试验机无法事先准确设定实验条件(对蠕变试验就是岩样应力)；

3.采用多级杠杆与加载液压缸联合的蠕变试验机，也存在活塞和密封之间的摩擦阻力，因此也无法根据加载液缸的压力直接计算岩样应力；

4.因为完全没有对载荷的控制，受试验环境影响大，试验精度难以满足要求。

5、难以适应高应力、大载荷条件下(如高达几百吨的载荷)的岩石蠕变试验。

发明内容

本发明提供一种全液压非伺服岩石蠕变试验装置及方法，以达到试验机结构简单，载荷控制精度高，在早晚温差较大的试验环境下，载荷控制精度也满足要求，采购成本低，使用维护成本低，无环境污染的目的。

本发明的技术方案如下：

一种全液压非伺服岩石蠕变试验装置，包括碟式密封单作用加载液缸和非伺服液压稳压系统；所述碟式密封单作用加载液缸包括加载柱塞、外壳、碟形橡胶密封件、放空塞、压紧板和底座；所述加载柱塞放置在所述外壳内，所述外壳安装在所述底座上，所述外壳与所述底座之间设有所述碟形橡胶密封件，所述碟形橡胶密封件的中心设有圆孔，所述加载柱塞的中心设有通孔，所述压紧板的中心设有放气孔，所述压紧板将所述碟形橡胶密封件压紧安装在所述加载柱塞上，所述放空塞用于塞紧所述通孔；所述底座设有进液孔和出液孔，所述底座与所述碟形橡胶密封件之间形成液压腔；所述非伺服液压稳压系统包括加压泵、蓄能器一、精密减压阀、蓄能器二和精密背压阀，蓄能器一设置在精密减压阀上游，并通过管路连接精密减压阀，再连通所述加载液缸的进液孔；蓄能器二设置在加载液缸的下游，并通过管路分别连接精密背压阀及连通所述加载液缸的出液孔；蓄能器一外接进液管，所述进液管上设有截止阀，所述加压泵通过所述进液管进行加液；精密背压阀外接放空出液管。

所述的全液压非伺服岩石蠕变试验装置，其优选方案为，蓄能器一、精密减压阀、蓄能器二和精密背压阀分别安装压力表。

所述的全液压非伺服岩石蠕变试验装置，其优选方案为，蓄能器一、精密减压阀、蓄能器二、精密背压阀和截止阀安放在恒温箱内。

所述的全液压非伺服岩石蠕变试验装置，其优选方案为，所述加压泵为手摇泵。

一种全液压非伺服岩石蠕变试验方法，利用上述的全液压非伺服岩石蠕变试验装置，包括如下步骤：

1)打开所述放空塞、截止阀和精密减压阀，加压泵通过所述进液管向所述液压腔注入蒸馏水，直至所述通孔出水；关闭放空塞，继续向所述液压腔注水，直至所述加载柱塞与试件完全接触，并达到设定的接触载荷；

2)关闭精密减压阀，加压泵向蓄能器一注入高压蒸馏水，直至达到蓄能器一的设定压力；

3)开启精密减压阀，并设定岩石蠕变试验所需的工作压力，蓄能器一中高压蒸馏水通过精密减压阀减压后，以所述工作压力，同时向所述液压腔和蓄能器二注入高压蒸馏水，使所述液压腔和蓄能器二同时达到所述工作压力值；

4)在蓄能器一向所述液压腔和蓄能器二注入高压蒸馏水的过程中，如果蓄能器一的压力低于所述设定压力值时，则启动加压泵继续注入高压蒸馏水；所述液压腔和蓄能器二的压力达到所述工作压力后，同时蓄能器一的压力维持在所述设定压力值，关闭所述截止阀，断开所述加压泵。

上述全液压非伺服岩石蠕变试验装置的稳压原理：在载荷作用下，当岩样被压缩时，所述加载柱塞伸出，导致所述液压腔容积增大，压力下降，低于所述工作压力，此时储存在蓄能器一中的高压蒸馏水通过精密减压阀向所述液压腔和蓄能器二补液，使其恢复到所述工作压力值；如果因各种原因，所述液压腔的压力高于所述工作压力，此时精密背压阀开启，通过出液管放出少量液体，并卸压，使所述液压腔的压力恢复到所述工作压力；由于精密背压阀大部分时间是关闭的，所述液压腔超压时精密背压阀的阀芯从静止到运动，难免产生因过冲引起压力波动；蓄能器二可以平缓精密背压阀的阀芯启动时的压力波动，使所述碟式密封单作用加载液缸的稳压质量大大提高。

在蠕变试验过程中，标准岩样的压缩量一般不超过1mm，碟式密封单作用加载液缸的加载柱塞允许的上下位移为10mm，远远大于试验过程中的岩石变形量，可以满足要求。因为加载柱塞与密封之间没有相对运动，因此加载柱塞移动过程中与外壳之间没有摩擦阻力。

岩样所受应力的计算公式为：

式中：σ为设定的岩石蠕变试验应力，p为加载液缸的压力，A₁为加载柱塞的截面积，A₂为岩石试件的截面积，式中右端的p、A₁和A₂是确定的。因此对于本发明的碟式密封单作用加载液缸，可以通过(1)式直接计算试样应力。

在现有的蠕变试验机中，活塞与密封之间的相对运动产生一定的摩擦阻力，试件所受应力由下式计算：

式中：f为摩擦阻力；由于f的大小不是恒定值。因此，无法从(2)式直接计算试件应力。

本发明提出的非伺服全液压系统具有以下特点：

(1)本发明利用碟式密封单作用加载液缸，产生作用在试件上的载荷，因为加载柱塞与密封之间没有摩擦阻力，可以利用加载液缸的压力直接计算试验机产生的载荷和岩样应力；

(2)当试验准备工作完成后，可以切断手摇泵与液压系统其余部分的联系，开始岩石蠕变试验；此时，从截止阀的下游到精密背压阀上游之间的流程中，高压蒸馏水的质量基本恒定；只有当精密背压阀开启时，才有少量高压蒸馏水泄漏，引起其质量和体积的微小变化；

(3)从截止阀的下游到精密背压阀上游之间的流程中，高压蒸馏水占据的体积基本恒定；只有当岩样压缩，加载柱塞伸出，液压腔体积扩大，工作介质占据的体积才会有改变；由于岩样的压缩很小(一般最大不超过1mm)，岩石蠕变试验期间，从截止阀的下游到精密减压阀之间高压蒸馏水占据的体积相对变化微小；

(4)由于蠕变试验期间，流程中高压蒸馏水的体积和质量变化均很微小；按本发明设计的试验机在进行岩石蠕变试验时，流程中的高压蒸馏水只有微小的运动(即从蓄能器一输出少量高压蒸馏水)，没有持续不断的流体循环流动；因此，不需要类似于油源的系统，只需要利用蓄能器即可稳定加载液缸的压力；稳压的精度取决于蓄能器的容积与加载液缸容积的匹配，以及蓄能器容积与岩样断面积和岩样压缩量的匹配；蓄能器的容积越大，稳压精度越高；本发明稳压的精度还取决于精密减压阀和精密背压阀的精度；这两个阀的精度越高，液缸稳压的精度越高。

本发明与电液伺服控制的岩石蠕变试验机有以下区别：

1.本发明不需要任何反馈信息，既不需要利用载荷传感器测试到的力值也不需要压力传感器测到的液缸的压力值作为反馈信息，进行伺服控制；而电液伺服控制技术必须要以载荷传感器测到的力值作为反馈信号；

2.本发明保证试验机载荷恒定的关键液压元器件是蓄能器、精密减压阀和精密背压阀，而电液伺服控制技术的关键液压元器件是电液伺服阀或电液比例阀；

3.本发明可以利用加载液缸的压力直接计算试验机载荷和试样应力，而电液伺服控制技术无法利用加载液缸的压力直接计算试验机载荷与试样应力；

4.本发明使用单作用加载液缸，而电液伺服控制技术必须使用双作用加载液缸；

5.本发明不需要油源(包括油箱、电动机、油泵、溢流阀、冷却器等与高压油源有关的一切元器件)；而电液伺服控制技术因为在蠕变试验期间液压油在伺服阀与油源之间持续循环，必须要使用油源，且油源必须处于持续工作状态。

6.本发明可以使用手摇泵，电液伺服控制技术必须使用电动泵；

7.由于恒载荷控制的原理和液压元器件不同，本发明和电液伺服控制技术的(液压)流程完全不同；

8.本发明的液压系统远比电液伺服控制技术方法简单；

9、本发明可以使用蒸馏水做工质，而电液伺服控制技术必须使用高品质的液压油做工质。

本发明与基于自重的蠕变试验技术的区别：

1.本发明与基于自重控制的岩石蠕变试验机载荷恒定在原理上有根本的区别。

2.本发明不需要载荷放大，加载系统中没有摩擦阻力；而基于自重的蠕变试验技术自重载荷需要二级或多级放大，加载系统中的摩擦阻力无法避免。

本发明的有益效果为：

1.使用本发明设计制造的岩石蠕变试验机不需要自动控制，不需要相应的电子器件，整机结构简单；使用、操作、维护方便，故障少，使用成本低，岩石蠕变性质测试效率高；

2.液压系统简单，没有精密昂贵的液压元器件，不需要专用油源，使用维护方便；

3.采用无摩擦碟式密封加载液缸，可以直接以液缸压力计算试验机载荷和岩样应力；

4.不需要将整个实验机放在恒温环境中即可在早晚温差较大的情况下维持试验载荷恒定和岩样应力恒定；

5.购置成本低，使用费用低；在预算相同的情况下，可以配置多台试验机同时进行试验，大大提高了相关问题的研究进度；

6.可以使用蒸馏水做工质，对环境污染小；

7.与基于重力的蠕变试验机相比，由于本发明采用液缸加载，可以方便地提高试验机输出载荷；更适应高应力、大载荷条件下的岩石蠕变试验；

8.只要适当提高蓄能器的容积和精密减压阀、精密背压阀的品质，基于本发明的岩石蠕变试验机的载荷控制精度不会低于电液伺服岩石蠕变试验机；

9.在早晚温差较大的非恒温实验室环境下，基于本发明岩石蠕变试验机的载荷控制精度不低于、甚至精度可以高于电液伺服控制式岩石蠕变试验机；

10.温度对岩石或其他常用工程材料的蠕变(流变)性质影响很大。对于高纬度地区(包括东北)，夏季早晚温差可达10～20℃。因此一天之内蠕变试验机(包括其中的液压部分)的机械(力学)性能是变化的，这种变化将影响岩石蠕变试验系统载荷的稳定性。在本发明中，对试验机载荷稳定性有影响的是两个蓄能器、精密减压阀、精密背压阀和若干截止阀。将这些器件置于恒温箱中，可以避免早晚温差引起的试验机机械(力学)性能变化对系统输出恒定载荷的影响。可以在市场选购温度控制精度符合要求的恒温箱，稍加改造，将上述器件安装在其中，即可实现非等温的实验室环境下岩石蠕变试验机输出恒定载荷的目的。

附图说明

图1为液压缸产生载荷的岩石蠕变试验机的加载机构示意图；

图2为加载液缸活塞与密封件间的摩擦关系示意图；

图3为电液比例阀控制压力的典型流程状态示意图；其中(a)为加载状态，(b)为卸载状态，(c)为零位状态；

图4为电液伺服控制技术载荷输出特性曲线图；

图5为碟式密封单作用加载液缸工作状态示意图；(a)碟形橡胶密封件处于最低位(b)碟形橡胶密封件处于最高位；

图6为非伺服液压稳压系统机构示意图；

图7为载荷与水压力的关系图；

图8中(a)为砂岩分级加载蠕变试验结果图；(b)为花岗岩分级加载蠕变试验结果图；(c)为石灰岩分级加载蠕变试验结果图。

图中：1，加载框架；2，球头球窝机构；3，上加载压头；4，试样；5，载荷传感器；6，加载平台；7，加载液缸；8，下进液口；9，上进液口；10，O型橡胶密封圈；11，PTFE挡圈；12，油源；13，电机；14，液压泵；15，溢流阀；16，过滤器；17，流量阀；18，换向阀；19，加载缸；20，活塞；21，放空塞；22，加载柱塞；23，外壳；24，碟形橡胶密封件；25，底座；26，进液孔；27，出液孔；28，压紧板；31，手摇泵；32，截止阀；33，蓄能器一；34，精密减压阀；35，蓄能器二；36，精密背压阀；37，碟式密封单作用加载液缸；38，压力表。

具体实施方式

如图5、6所示，一种全液压非伺服岩石蠕变试验装置，包括碟式密封单作用加载液缸37和非伺服液压稳压系统，所述碟式密封单作用加载液缸37包括加载柱塞22、外壳23、碟形橡胶密封件24、放空塞21、压紧板28和底座25，所述加载柱塞22放置在所述外壳23内，所述外壳23安装在所述底座25上，所述外壳23与所述底座25之间设有所述碟形橡胶密封件24，所述碟形橡胶密封件24的中心设有圆孔，所述加载柱塞22的中心设有通孔，所述压紧板28的中心设有放气孔，所述压紧板28将所述碟形橡胶密封件24压紧安装在所述加载柱塞22上，所述放空塞21用于塞紧所述通孔；所述底座25设有进液孔26和出液孔27，所述底座25与所述碟形橡胶密封件24之间形成液压腔；所述非伺服液压稳压系统包括加压泵31、蓄能器一33、精密减压阀34、蓄能器二35和精密背压阀36，蓄能器一33通过管路连接精密减压阀34再连通所述进液孔26，蓄能器二35通过管路分别连接精密背压阀36及连通所述出液孔27，蓄能器一33外接进液管，所述进液管上设有截止阀32，所述加压泵31通过所述进液管进行加液；精密背压阀36外接放空出液管；蓄能器一33、精密减压阀34、蓄能器二35和精密背压阀36分别安装压力表38；蓄能器一33、精密减压阀34、蓄能器二35和精密背压阀36和三个截止阀安放在恒温箱内；所述加压泵31为手摇泵。

一种全液压非伺服岩石蠕变试验方法，利用上述的全液压非伺服岩石蠕变试验装置，包括如下步骤：

1)打开所述放空塞21、截止阀32和精密减压阀34，加压泵31通过所述进液管向所述液压腔注入蒸馏水，直至所述通孔出水；关闭放空塞21，继续向所述液压腔注水，直至所述加载柱塞22与试件完全接触，并达到设定的接触载荷1KN；

2)关闭精密减压阀34，加压泵31向蓄能器一33注入高压蒸馏水，直至达到蓄能器一33的设定压力8～14MPa；

3)开启精密减压阀34，设定岩石蠕变试验所需的工作压力3～6MPa，蓄能器一33中高压蒸馏水通过精密减压阀34减压后，以所述工作压力，同时向所述液压腔和蓄能器二35注入高压蒸馏水，使所述液压腔和蓄能器二35同时达到所述工作压力值；

4)在蓄能器一33向所述液压腔和蓄能器二35注入高压蒸馏水的过程中，如果蓄能器一33的压力低于所述设定压力值时，则启动加压泵31继续注入高压蒸馏水；所述液压腔和蓄能器二35的压力达到所述工作压力后，同时蓄能器一33的压力维持在所述设定压力值，关闭所述截止阀32，断开所述加压泵31与其它部分的连接。

当岩样压缩，加载缸活塞伸出时，加载液缸的储液体积增大，压力降低。此时需要向液缸补充等体积的液体，以维持液缸工作压力不变，及试验机载荷稳定。蓄能器向液缸补液的过程，就是压缩空气膨胀的过程，而膨胀会造成压力降低。因为空气的压缩性极好，体积膨胀许多，才会有压力的微小降低，理论上可以达到很高的稳压(载荷稳定)精度，实际稳压精度的高低取决于蓄能器的容积。若记加载液缸储液体积最大变化量为ΔV，则蓄能器的标称容积大于500倍的ΔV时，则储液体积变化一个ΔV，造成的压力的相对变化，小于设定的工作压力的0.2％，足以满足试验机载荷稳定精度优于1.0％的精度要求。

液缸储液体积的变化主要源于岩样的压缩，标准岩样(φ50×100mm或50×50×100mm)的最大压缩量不会超过1mm(即10,000个微应变)，以岩样压缩量1.5mm计算的液缸储液体积的变换量ΔV，足以满足由于其他各种原因引起的储液体积变化。以此为基准选择蓄能器的容积，可以保证试验机载荷稳定精度。

对于本发明的岩石蠕变试验机，蓄能器二的标称容积按上述原则选取，即可以满足对试验机载荷稳定精度的要求。实际上，在精密减压阀上游的蓄能器一，其设定压力高于试验机工作压力的5～7MPa，其压力下降到略高于试验机工作压力时，释放液量所占的体积可达蓄能器一标称容积的1/3～1/2，远远超过加载液缸最大储液体积变化量，因此蓄能器二的标称容积达到最大储液体积变化量ΔV的50倍即可，不需要按上述方法计算的倍数选择。

试验机正常工作情况下，因偶然原因(如车辆行驶引起的震动等)造成试验机工作压力升高时，需要从加载液缸排出适量体积的液体，保持压力平稳。此时蓄能器二可以吸收液缸排出的液体，保持压力稳定。如果排出的液量较大，蓄能器二难以将液缸工作压力稳定在精度许可范围内时，还可以从精密背压阀排出部分液量，以保证液缸工作压力的升高在精度要求的范围内。

测试表明，按照上述方法计算并选取的蓄能器一和蓄能器二的标称容积，足以满足试验机载荷稳定精度优于0.5％。

全液压非伺服岩石蠕变试验装置在实验过程中要求满足以下条件：

①非等温实验环境(实验室早晚温差)中试验机输出载荷具有良好的稳定性，可以实现早晚温差较大的情况下载荷稳定，精度满足要求；因此岩样应力保持稳定，精度也满足要求；

②长期加载过程中蠕变试验机载荷输出具有良好的稳定性，因此岩石蠕变试验中，岩样应力可以保持长期稳定，精度满足要求。

③试验机加载缸水压与试验机载荷有良好的线性关系，可以从液缸压力直接计算试验机载荷和岩样应力。

因此对本发明的全液压非伺服岩石蠕变试验装置的以上三个性能进行了测试，测试结果如下：

1.加载缸的水压与试验装置载荷的线性关系

为了检验加载液缸的水压力与试验装置输出载荷是否满足线性关系，用手压泵向加载液缸注入高压蒸馏水，令其产生不同的水压力，同时独立测试加载缸的压力和液缸活塞输出的载荷。测试过程中，将载荷传感器与岩石试样串联。测试结果如表1所示。

表1 载荷与水压力

按表1所做的实验曲线如附图7所示，从图中可以看出，加载液缸活塞输出的载荷与其水压力具有很好的线性关系。载荷与水压力的关系可用下式表示：

F＝α×p (3)

式中：α是反映蠕变试验机性能的比例常数，按表1可得比例常数的中位值α＝31.42。

由于测试过程中不可避免的误差，和试验系统的其它误差，比例系数α并不严格等于31.42。按表1逐点计算的比例常数的相对误差ε₁见表2。

表2 比例常数的相对误差ε₁

表2中：

从表2中可以看出，比例常数α最大为31.45，最小为31.3，与31.42的最大相对误差ε₁≤0.5％满足岩石蠕变试验对精度的要求。

上面的测试结果表明，所发明的岩石蠕变试验机由于采用了碟式密封，加载液缸水压与试验装置输出载荷之间具有有良好的线性关系，可以从加载缸的水压力直接计算活塞输出载荷和岩样应力。

2.非等温实验环境(实验室早晚温差)中试验机输出载荷的稳定性

为了测试非等温实验环境(实验室早晚温差)中试验机输出载荷的稳定性，首先将试验机的液压系统与加载系统同时置于非等温实验环境(即早晚温差较大的实验室内)中，测试载荷随温度变化。

晚上从20点开始测试，实验室温度29℃，设定试验机的工作载荷为40KN。此时加载液缸水压力为1.27，加载系数31.49。

次日早晨8点，实验室温度为17℃，加载液缸水压力为1.21，载荷为38.2KN，加载系数31.40。

压力、载荷随温度和时间变化的测试结果见表3。

表3 载荷随时间和环境温度的变化

(注：试验机的液压系统也置于非等温实验环境中)

载荷的相对误差ε₂见表4。

表4 载荷的相对误差ε₂

相对误差按下式计算：

从表3中可以看出，当实验室温度从29℃降低到17℃时，载荷的相对变化为4.5％，不能满足研究岩石蠕变实验对精度的要求。

然后，将试验机的液压系统置于恒温环境(设定温度为25℃)，试验机的加载系统仍处于非等温环境(即有早晚温差的实验室)中。

从晚上20点开始测试，实验室温度28℃，设定试验机的工作载荷为40KN，此时加载液缸水压力为1.27，加载系数31.45。次日早晨8点，实验室温度为18℃，加载液缸水压力为1.27，载荷为40.12KN，加载系数31.40。

压力、载荷随温度和时间变化的测试结果见表5。

表5 载荷随时间和环境温度的变化

(注：试验机的液压系统置于25℃的等温环境中)

载荷的相对误差ε₃见表6。

表6 载荷的相对误差ε₃

ε₃按下式计算：

从表5中可以看出，实验室温度从28℃降低到18℃时，载荷的最大相对变化为0.35％，完全满足研究岩石蠕变实验对载荷精度的要求。

上面的测试结果表明，将岩石蠕变试验机的液压系统置于恒温环境中可以大大降低实验室早晚温差对试验机输出载荷稳定性的影响，达到了早晚温差较大的情况下试验载荷和岩样应力稳定的目的，精度满足实验要求。

3.蠕变试验机输出载荷的长期稳定性

岩石样品一次蠕变试验需要的时间一般为15～20天，试验过程中蠕变试验机输出载荷必须具有良好的稳定性，才能实现岩石蠕变试验中岩样应力的稳定。因此对非等温的实验环境中，试验机载荷的长期稳定性进行了测试。

将试验机的液压系统置于在25℃恒温环境中，设定工作载荷加为40KN，对液缸水压力和液缸活塞输出载荷连续监测480小时，水压力、加载缸输出的载荷随时间、温度变化的测试结果如表7所示。

表7 载荷随时间和环境温度的变化

(注：试验机的液压系统置于25℃的等温环境中)

载荷的相对误差ε₄见表8

表8 载荷的相对误差ε₄

ε₄按下式计算：

从表8中可以看出，载荷值在40KN附近小幅波动，最大相对误差在±0.35％以内，完全满足岩石蠕变试验对精度的要求。

上面的测试结果表明，将本发明的液压系统置于恒温环境中，长期加载过程中蠕变试验机输出载荷具有良好的稳定性，可以实现岩石蠕变试验中施加给岩样的应力的长期稳定，满足岩石蠕变试验载荷长期稳定性的要求。

以上测试表明，按照本发明设计的岩石蠕变试验机在实验过程中可以实现直接以液缸压力计算试验机载荷和岩样应力，在非等温实验环境(实验室早晚温差较大的环境)中，可以实现岩石蠕变试验中施加给岩样的应力的长期稳定。

4.蠕变-时间曲线

按本发明提出的技术方案设计、制造了岩石蠕变试验机，在该试验机上对砂岩、花岗岩、石灰岩进行了分级加载蠕变试验，每级载荷持续2天，试验结果如附图8所示。

上面的蠕变试验表明，该试验机完全满足了岩石蠕变试验对载荷的稳定性和精度的要求。因此本发明提出的新的岩石蠕变实验方法是可行的，精度满足岩石蠕变试验的要求。

Claims (5)

1.一种全液压非伺服岩石蠕变试验装置，其特征在于，包括碟式密封单作用加载液缸和非伺服液压稳压系统；所述碟式密封单作用加载液缸包括加载柱塞、外壳、碟形橡胶密封件、放空塞、压紧板和底座；所述加载柱塞放置在所述外壳内，所述外壳安装在所述底座上，所述外壳与所述底座之间设有所述碟形橡胶密封件，所述碟形橡胶密封件的中心设有圆孔，所述加载柱塞的中心设有通孔，所述压紧板的中心设有放气孔，所述压紧板将所述碟形橡胶密封件压紧安装在所述加载柱塞上，所述放空塞用于塞紧所述通孔；所述底座设有进液孔和出液孔，所述底座与所述碟形橡胶密封件之间形成液压腔；所述非伺服液压稳压系统包括加压泵、蓄能器一、精密减压阀、蓄能器二和精密背压阀，蓄能器一设置在精密减压阀上游，并通过管路连接精密减压阀，再连通所述加载液缸的进液孔；蓄能器二设置在加载液缸的下游，并通过管路分别连接精密背压阀及连通所述加载液缸的出液孔；蓄能器一外接进液管，所述进液管上设有截止阀，所述加压泵通过所述进液管进行加液；精密背压阀外接放空出液管。

2.根据权利要求1所述的全液压非伺服岩石蠕变试验装置，其特征在于，蓄能器一、精密减压阀、蓄能器二和精密背压阀分别安装压力表。

3.根据权利要求1所述的全液压非伺服岩石蠕变试验装置，其特征在于，蓄能器一、精密减压阀、蓄能器二、精密背压阀以及截止阀安放在恒温箱内。

4.根据权利要求1所述的全液压非伺服岩石蠕变试验装置，其特征在于，所述加压泵为手摇泵。

5.一种全液压非伺服岩石蠕变试验方法，其特征在于，利用如权利要求1-4所述的全液压非伺服岩石蠕变试验装置进行试验，包括如下步骤：

1)打开所述放空塞、截止阀和精密减压阀，加压泵通过所述进液管向所述液压腔注入蒸馏水，直至所述通孔出水；关闭放空塞，继续向所述液压腔注水，直至所述加载柱塞与试件完全接触，并达到设定的接触载荷；

2)关闭精密减压阀，加压泵向蓄能器一注入高压蒸馏水，直至达到蓄能器一的设定压力；

3)开启精密减压阀，设定岩石蠕变试验所需的工作压力，蓄能器一中的高压蒸馏水通过精密减压阀减压后，以所述工作压力，同时向所述液压腔和蓄能器二注入高压蒸馏水，使所述液压腔和蓄能器二同时达到所述工作压力值；

4)在蓄能器一向所述液压腔和蓄能器二注入高压蒸馏水的过程中，如果蓄能器一的压力低于所述设定压力值时，则启动加压泵继续注入高压蒸馏水；所述液压腔和蓄能器二的压力达到所述工作压力后，同时蓄能器一的压力维持在所述设定压力值，关闭所述截止阀，断开所述加压泵与其它部分的连接。