CN110006765B - 便携式岩石转动摩擦试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

一种便携式岩石转动摩擦试验装置及其试验方法，钢板底座锚固在试验岩壁上，机箱顶板和底板经滑块与钢板底座上的两根卡槽形成滑动配合，内置机箱通过其顶板和底板上的滑槽与机箱顶板和底板内壁的两排滑槽滚珠形成滑动配合，电机安装在内置机箱内，电机轴与减速器连接，转速传感器、扭矩传感器设置在减速器输出轴上，减速器输出轴外端穿过轴承后与岩石夹具连接，轴承安装在内置机箱的前侧立板上，旋拧活塞与设置在机箱后侧立板上的圆筒螺旋连接，旋拧活塞经承接装置与电磁铁连接，圆筒内由从后向前依次活动设置有电磁铁、永久磁铁以及应力传感器，应力传感器顶靠在内置机箱后侧立板上。本装置可应用于现场原位测试，具有制样简单、测试方便等特点。

Description

便携式岩石转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，具体涉及一种便携式岩石转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，很难监测获取转动面摩擦力等物理力学数据。这使得物理模型试验被广泛应用于高速远程滑坡的运动机理研究中。

目前，现有的模拟岩石摩擦的试验机存在一些不足。

其一，现有的模拟岩石摩擦的试验机多为室内试验装置，体型较为笨重，无法应用于现场测试，且针对一些特殊的高寒地区的高速滑坡，即使采用低温模拟试验也达不到现场测试的效果。

其二，现有的试验装置加载方式多为简单的弹簧加载以及液压加载装置，试验过程种通常需要手动进行加载，使得试验过程中难以精确控制试验加载力的大小。而且液压加载装置结构相对复杂，适用范围多限于室内试验。

其三，现有的试验装置对岩石摩擦试件的样品形状及规格要求十分严格，往往需要精良的岩石加工工艺，增加了试验经费。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术上的不足而提供一种能够应用于现场原位测试、具有制样工序简单、能够测试岩石摩擦界面在不同法向载荷、不同摩擦速度下的动摩擦系数的变化的便携式岩石转动摩擦试验装置。

本发明的目的是这样实现的：一种便携式岩石转动摩擦试验装置，长方体形的机箱由左、右侧立板，顶板，底板以及后侧立板围合组成；矩形框状的钢板底座采用膨胀螺栓锚固在试验岩壁上，钢板底座的两个长边框上上下对称地开有两排螺孔，该两个长边框上位于两排螺孔内侧分别焊接有一个矩形卡槽，机箱的顶板和底板的前端上固定的两排矩形滑块分别活动置于两个矩形卡槽内并与之形成滑动配合，机箱的顶板和底板二者前端外表面上分别焊接有两个耳板，每个耳板上开有采用长螺栓将机箱在钢板底座的上下两排螺孔上进行固定的外伸螺孔；隔磁材料的机箱的顶板和底板的内表面上分别设置有一排滑槽滚珠，内置机箱的顶板和底板上分别安装固定有用作与滑槽滚珠形成滑动配合的滑槽，电机安装在内置机箱内，电机主轴与减速器连接，减速器输出轴经轴承连接位于内置机箱外的岩石夹具，轴承安装固定在内置机箱的前侧立板上，岩石夹具前端面上有一供圆柱状岩芯作为动摩擦试件插入的盲孔，岩石夹具前部外周上均布有供锁紧螺钉旋入来固定动摩擦试件的多个螺孔，岩石夹具后端面上有一供减速器输出轴插入的盲孔，岩石夹具后部上开有一个供插销插入的贯通孔，减速器输出轴前部沿垂直于其轴线方向开有一个供插销穿过将其与岩石夹具相固定的通孔；扭矩传感器和转速传感器均设置在位于内置机箱内的减速器输出轴上；机箱的后侧立板上固定有一个隔磁材料的圆筒，旋拧活塞与该圆筒的内螺纹形成螺旋配合，旋拧杆固定在旋拧活塞上，应力传感器、永久磁铁以及通电后产生与永久磁铁相互排斥电磁力的电磁铁从前向后顺次活动地设置在该圆筒内，旋拧活塞前端面经承接装置与电磁铁后端面连接，该承接装置为：半球形壳体固定在电磁铁后端面上，圆球上的短轴伸出该半球形壳体后固定在旋拧活塞上；应力传感器前端面顶靠在内置机箱的后侧立板上。

所述电机主轴通过插销还能与岩石取芯机头或岩石打磨机头连接；所述两排矩形滑块均为多个相同的矩形滑块；所述动摩擦试件、电机主轴、圆筒以及旋拧杆的中轴线均为同一直线；所述卡槽内装有润滑油。

所述机箱顶板上安装有一个机箱扶手。

所述机箱左侧立板上开设有矩形操作窗口。

所述机箱的左侧立板上设置有电机电源线接口以及电磁铁电源线接口。

本发明便携式岩石转动摩擦试验装置，包括机箱锚固系统，机箱及分别设置在机箱内部的动摩擦模拟系统、动力及传输系统、电磁加载系统、检测系统；

机箱锚固系统包括试验岩壁、中空的矩形钢板底座、膨胀螺栓；膨胀螺栓将钢板底座固定在试验岩壁上；

根据上述方案，所述矩形钢板底座四个顶角附近均设置一个膨胀螺栓螺孔，在矩形钢板上表面平行于其两条长边方向上，各设置有一排矩形卡槽和一排螺孔，卡槽位于矩形钢板底座中心一侧。

机箱包括矩形滑块，外伸螺孔，长螺栓，矩形操作窗口，机箱扶手，滑槽滚珠；两排矩形滑块刚结设置于机箱底端，矩形操作窗口设置于靠近机箱底部的机箱侧面，四个外伸螺孔设置于机箱底部外表面，机箱扶手设置于机箱中部上表面，两排滑槽滚珠固定设置于靠近机箱中部的内表面；

根据上述方案，所述两排矩形滑块刚好可卡入矩形钢板底座上的两排卡槽内，并可在抹有润滑油的卡槽内滑动；

根据上述方案，所述长螺栓可穿过机箱底部设置的外伸螺孔，并螺旋拧入机箱底座上对应设置的螺孔中，将机箱固定在矩形钢板底座上；

根据上述方案，所述矩形操作窗口的设置可方便岩石摩擦试件的制作、安装、更换等试验操作的开展。

动摩擦模拟系统包括静止摩擦试件，动摩擦试件，岩石夹具；圆柱状的动摩擦试件嵌套固定于岩石夹具内，岩石夹具通过插销固定于电机主轴端部；

根据上述方案，所述静止摩擦试件与动摩擦试件均现场制样于试验岩壁；

进一步的，现场制样为：先将电机主轴端部嵌套连接的岩石夹具更换为岩石打磨机头对待测岩壁进行打磨至平整光滑（打磨平整区域为静止摩擦试件），然后再更换为岩石取芯机头在待测岩壁已打磨好区域进行钻孔取得岩芯（岩芯为动摩擦试件）；

更进一步的，动摩擦试件与静止摩擦试件相对位置可由旋拧活塞调节，试验中动摩擦试件打磨平整一端紧贴于静止摩擦试件表面，即两摩擦面为平面接触；

根据上述方案，所述岩石夹具、岩石打磨机头、岩石取芯机头与电机主轴端部连接方式相同，均通过插销固定于电机主轴端部；

动力及传输系统包括内置机箱、电机、电机电源、轴承、减速器、电机主轴；电机与轴承刚接固定于内置机箱内壁上，电机电源外置连接，电机主轴贯穿减速器与轴承；

根据上述方案，所述内置机箱与机箱上下接触面之间各设置有一排滚珠滑槽装置，可供内置机箱在机箱内部作纵向平移；

根据上述方案，所述内置机箱设置为隔磁材料，以防止电磁铁与电机产生的磁场发生相互干扰；

根据上述方案，所述电机电源为电池组电源设置于机箱外部，电源线接口设置于机箱外表面。

加载系统包括永久磁铁、电磁铁、电磁铁电源、承接装置、旋拧活塞、旋拧杆、螺纹通道；永久磁铁的左端面固定在应力传感器右端面，永久磁铁右端面平面接触于电磁铁的左端面，电磁铁的右端通过承接装置连接旋拧活塞左端，旋拧活塞内置于圆筒状螺纹通道中，旋拧杆嵌套于旋拧活塞右端；

上述技术方案中，所述电磁铁为一带有铁芯的通电线圈，通电后的电磁铁产生与永久磁铁右端磁极相异的电磁力，通过永久磁铁间接作用于应力传感器上，因永久磁铁，应力传感器，电机，电机主轴，岩石夹具，动摩擦试件一一紧密相连（且各部件的中轴线设置重合于同一直线），故通过力的传递，电磁力最终作用在动摩擦试件上，为动摩擦试验中的岩石摩擦试件提供加载力；

进一步的，所述电磁铁的电源为电池组设置于机箱外，并于机箱外表面设置电源线接口；

上述技术方案中，所述承接装置为设置在电磁铁与旋拧活塞之间的一球形连接装置，使得电磁铁仅随着旋拧活塞在螺纹通道中旋进、旋退时作前、后平移运动，而不跟随旋拧活塞旋转；

进一步的，螺纹通道为隔磁材料，刚接设置于机箱右端。

检测系统包括应力传感器、转速传感器、扭矩传感器，其中应力传感器固定安装在内置机箱右侧外端面，扭矩传感器与转速传感器并排安装在内置机箱中的电机主轴上；

上述技术方案中，所述应力传感器、转速传感器、扭矩传感器分别实时监测动摩擦模拟系统中岩石摩擦接触面之间的接触应力、相对运动速度、摩擦系数大小的变化。

本发明的另一目的是提供一种采用上述装置的试验方法。

本发明的另一目的是这样实现的：

一种便携式岩石转动摩擦试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、选取滑坡后壁或与滑坡后壁岩性相同的岩体上较平整的部位，用充电式钻机钻好安装膨胀螺栓的钻孔，随后用膨胀螺栓将钢板底座固定于试验岩壁上。

S2、组装好机箱，并将机箱底部两排矩形滑块对应套入钢板底座上的两排定向滑槽中，然后用长螺栓穿过机箱底部外伸螺孔，并旋拧入钢板底座上对应设置的螺孔中，从而将机箱固定在矩形钢板底座上。

S3、电机主轴端部安装上岩石打磨机头，转动调节旋拧杆使岩石打磨机头接触到滑坡后壁待打磨区域，接通电磁铁电源施加压力并启动电机，开始打磨，直至打磨出一个圆形平整区域，然后多次更换机箱位置（拧出长螺栓，推动机箱在钢板底座上设置的滑槽中左右横移一定距离，再拧入螺母将机箱固定在钢板底座上）再打磨，直至打磨出满足试验要求数量的圆形平整区域 。

S4、将电机主轴端部的岩石打磨机头拆掉，再安装上岩石取芯机头，调整机箱位置，转动旋拧杆调整岩石取芯机头，使其接触到滑坡后壁已打磨好的圆形平整区域（设置岩石取芯半径小于岩石打磨半径），接通电磁铁电源施加压力并启动电机，开始钻进取芯，取得一根长约3cm左右的岩芯（岩芯取自打磨平整岩面，所以岩芯一端面平整，另一端面不规则），然后多次更换机箱位置重复钻进取芯，直至取得1/2倍已打磨好的圆形区域数量的岩芯，试验前样品准备就绪（其中试验岩壁已打磨平整区域为静止摩擦试件，取得的岩芯为动摩擦试件）。

S5、在电机主轴端部重新安装上岩石夹具，将动摩擦试件固定于岩石夹具中，使其打磨平整的一端朝外，更换机箱位置至动摩擦试件对准一处已打磨好但未取芯的圆形平整区域（静止摩擦试件），然后转动旋拧杆使得动摩擦试件打磨平整一端刚好平面接触静止摩擦试件表面。

S6、电磁铁接通预设组数电池组电源，使应力传感器读数恰好达到预设压力值，试验前加载系统准备就绪。

S7、启动电机，同时调节电机电源输出功率，使其转速达到预设试验速度，岩石摩擦试验开始。试验中扭矩传感器实时监测动摩擦系统中岩石转动摩擦接触面之间动摩擦系数的变化。

S8、改变电磁铁电源接入电池组的组数，重复S5~S7，可开展不同法向荷载作用下的岩石转动摩擦试验。

S9、改变电机电源接入电池组的组数，重复S5~S7，可开展不同摩擦速度下的岩石转动摩擦试验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明安装、使用、测量方便，可在滑坡后壁进行原位岩石转动摩擦试验，并实现岩石摩擦界面在不同法向荷载、不同摩擦速度下的动摩擦系数变化实时可测。

2、相比大多数室内试验机繁琐的制样工序，本发明装置可进行原位制样，且制样过程简单：通过在钻机主轴端部先后安装岩石打磨机头与岩石取芯机头，在试验现场仅进行岩壁打磨、岩石取芯两道工序便可制得一组摩擦试验试件，同时机箱底座设置的滑槽装置可轻松调整打磨头、取芯头与滑壁待测岩体表面的相对位置，进而重复进行打磨、取芯便可制得多组摩擦试验试件，既大大精简了制样的工序，又满足了多组平行试验对大量实验样品的需求。

3、本发明的机箱固定系统、动摩擦系统、电磁加载系统以及电源装置中的各部件可进行适当的拆卸，便于携带，在岩质高速滑坡的运动机理及防治研究方面具有较高的推广价值。

附图说明

图1为本发明装置的结构正视图。

图2为本发明装置的结构俯视图。

图3为本发明装置的动摩擦系统结构放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，图中各标号的释义为：11、试验岩壁；12、钢板底座；121、卡槽；122、膨胀螺栓；123、螺孔；13、机箱；131、矩形滑块；132、外伸螺孔；133、长螺栓；134、矩形操作窗口；135、机箱扶手；136、滑槽滚珠；21、静止摩擦试件；22、动摩擦试件；23、岩石夹具；231、插销；232插销螺帽；233、凹槽；234、锁紧螺钉（6～8颗）；31、内置机箱；311、滑槽；32、电机； 322、电机电源线接口； 33、电机主轴；34、减速器；35、轴承；41、永久磁铁；42、电磁铁；421、电磁铁电源线接口43、承接装置（半球形壳体固定在电磁铁后端面，圆球位于该壳体内，圆球上短轴从壳体伸出后固定在旋拧活塞上）；44、旋拧活塞；45、旋拧杆；46、螺纹通道；51、应力传感器；52、转速传感器；53、扭矩传感器；

如图1和图2所示，本发明包括机箱锚固系统，机箱及分别设置在机箱内的动摩擦模拟系统、动力及传输系统、电磁加载系统、检测系统；

一种便携式岩石转动摩擦试验装置，长方体形的机箱13由左、右侧立板，顶板，底板以及后侧立板围合组成；矩形框状的钢板底座12采用膨胀螺栓122锚固在试验岩壁11上，钢板底座12的两个长边框上上下对称地开有两排螺孔123，该两个长边框上位于两排螺孔123内侧分别焊接有一个矩形卡槽121，机箱13的顶板和底板的前端上固定的两排矩形滑块131分别活动置于两个矩形卡槽121内并与之形成滑动配合，机箱的顶板和底板二者前端外表面上分别焊接有两个耳板，每个耳板上开有采用长螺栓133将机箱13在钢板底座12的上下两排螺孔123上进行固定的外伸螺孔132；隔磁材料的机箱13的顶板和底板的内表面上分别设置有一排滑槽滚珠136，内置机箱31的顶板和底板上分别安装固定有用作与滑槽滚珠136形成滑动配合的滑槽311，电机32安装在内置机箱31内，电机主轴33与减速器34连接，减速器34输出轴经轴承35与岩石夹具连接（即减速器输出轴固定在轴承内圈上），轴承安装固定在内置机箱的前侧立板上。或者，采用直线轴承替代轴承35，减速器输出轴穿过与之形成滑动配合的直线轴承后、连接位于内置机箱31外的岩石夹具23，直线轴承安装固定在机箱13的底板上，岩石夹具23前端面上有一供圆柱状岩芯作为动摩擦试件22插入的盲孔，岩石夹具23前部外周上均布有供锁紧螺钉234旋入来固定动摩擦试件的多个螺孔，岩石夹具23后端面上有一供减速机输出轴插入的盲孔，岩石夹具23后部上开有一个供插销231插入的贯通孔，减速器输出轴前部沿垂直于其轴线方向开有一个供插销231穿过将其与岩石夹具23相固定的通孔；扭矩传感器53和转速传感器52均设置在位于内置机箱31内的减速器输出轴上；机箱13的后侧立板上固定有一个隔磁材料的圆筒，旋拧活塞44与该圆筒的内螺纹46形成螺旋配合，旋拧杆45固定在旋拧活塞44上，应力传感器51、永久磁铁41以及通电后产生与永久磁铁41相互排斥电磁力的电磁铁42从前向后顺次活动地设置在该圆筒内，旋拧活塞44前端面经承接装置43与电磁铁后端面连接，该承接装置为：半球形壳体固定在电磁铁后端面上，圆球上的短轴伸出该半球形壳体后固定在旋拧活塞44上；应力传感器51前端面顶靠在内置机箱31的后侧立板上。

机箱锚固系统包括试验岩壁11、中空的矩形钢板底座12、膨胀螺栓122；所述矩形钢板底座12，在其四个顶角附近均设置一个膨胀螺栓螺孔，利用膨胀螺栓122可将钢板底座12固定在试验岩壁11上；在平行于矩形钢板长边方向上，各设置有一排矩形卡槽121和一排螺孔123，卡槽121位于矩形钢板底座中心一侧。

机箱13包括矩形滑块131，外伸螺孔132，矩形操作窗口134，机箱扶手135，滑槽滚珠136；两排矩形滑块131刚结设置于机箱13底端，电机主轴33通过插销231还能与岩石取芯机头或岩石打磨机头连接；所述两排矩形滑块131均为多个相同的矩形滑块；所述动摩擦试件22、电机主轴33、圆筒以及旋拧杆45的中轴线均为同一直线；所述卡槽121内装有润滑油。四个外伸螺孔132设置于机箱13底部外表面，矩形操作窗口134（如图1虚线134表示区域）设置于靠近机箱13底部的机箱13左侧立板上，机箱扶手135设置于机箱13顶板中部上表面，两排滑槽滚珠136（钢珠可滚动地安装在滑槽内）固定设置于靠近机箱13中部的内表面上；其中平行于机箱13底部设置的两排光滑矩形滑块131刚好可卡入矩形钢板底座12上的两排平行卡槽121内，且卡槽121内壁设有润滑油，矩形滑块131带动整个机箱13可在卡槽121内做直线滑移，待机箱13滑移至预定位置时，可通过长螺栓133穿过所述外伸螺孔132并旋拧入矩形钢板底座12上对应设置的螺孔123中，将机箱13固定在矩形钢板底座12上；其中矩形操作窗口134（以图2为例，机箱左侧立板上开有窗口，窗口上安装透明板构成）的设置可方便岩石摩擦试件的制作、安装、更换等试验操作的开展；其中机箱扶手135的设置能够辅助机箱13的安装。

如图3所示，动摩擦模拟系统包括静止摩擦试件21，动摩擦试件22，岩石夹具23；圆柱状动摩擦试件22嵌套固定于岩石夹具23内，岩石夹具23通过插销231固定于电机主轴33端部；其中动摩擦试件22现场取样于试验岩壁11，为了实现现场制样，电机主轴33端部嵌套连接的岩石夹具23需要先更换为岩石打磨机头，对试验岩壁11多处待测部位进行打磨至平整光滑（打磨平整区域即为静止摩擦试件21），然后再更换为岩石取芯机头在试验岩壁11上部分已打磨好的区域进行钻孔取得若干岩芯（取得的岩芯即为动摩擦试件22），且机箱13侧面设置有操作窗口，可方便岩石摩擦试件的制作、安装及更换；试验中动摩擦试件22未打磨一端置于岩石夹具23中，打磨平整一端朝外，通过旋进旋拧活塞44可将动摩擦试件22打磨平整一端调整至紧贴于静止摩擦试件21表面，以保证试验中岩石转动摩擦时的两摩擦接触面完全平面接触；其中岩石夹具23、岩石打磨机头、岩石取芯机头与电机主轴33端部连接方式相同，以岩石夹具23为例，具体为：电机主轴33左端部与岩石夹具23右端部均设置有相同内径的圆孔，电机主轴33左端部可插入岩石夹具23右端部预设凹槽233使得二者圆孔的中轴线共线，使用与孔径同等粗细的插销231穿过二者孔洞，并拧上插销螺帽232，即可将岩石夹具23固定于电机主轴33左端部；其中动摩擦试件22与岩石夹具23的嵌套固定方式为：圆柱状的动摩擦试件22刚好套摄入岩石夹具23左端设置的套筒内，套筒侧面设置有螺孔，通过向螺孔内旋拧入锁紧螺钉234（由螺杆和螺母组成）即可将动摩擦试件22固定于岩石夹具23中。

动力及传输系统包括内置机箱31、电机32、电机电源（电机电源线接口322设置在机箱左侧立板外表面上）、电机主轴33、减速器34、轴承35（可采用塑料直线轴承，因为与圆柱轴形成面接触，适用于中低速高负荷工况）；滑槽311固定设置于内置机箱31上下表面，电机32与轴承35固定于内置机箱31内壁上，电机电源外置连接，电机主轴33贯穿减速器34与轴承35并在电机32驱动下旋转为动摩擦模拟系统提供转动摩擦动力；其中内置机箱31与机箱13上下接触面之间各设置有一排滚珠136滑槽装置，可供内置机箱31在机箱13内部作纵向平移（参见图2）；其中内置机箱31设置为隔磁材料，以防止电磁铁42与电机32产生的磁场发生相互干扰；其中电机电源321为充电电瓶（即蓄电池）设置于机箱13外，并于机箱13外表面设置电机电源线接口322。

加载系统包括永久磁铁41、电磁铁42（带有铁芯的通电线圈）、电磁铁电源421、承接装置43、旋拧活塞44、旋拧杆45、螺纹通道46；永久磁铁41的左端面固定在应力传感器表面，永久磁铁41右端面平面接触于电磁铁42的左端，电磁铁42的右端通过承接装置43连接旋拧活塞44左端，旋拧活塞44内置于机箱13尾部圆筒状螺纹通道46中，旋拧杆45嵌套于旋拧活塞44右端；其中加载系统中的电磁铁42为一带有铁芯的通电线圈，通电后的电磁铁42产生与永久磁铁41右端磁极相斥的电磁力，通过永久磁铁41间接作用于应力传感器上，因永久磁铁41，应力传感器，电机32，电机主轴33，岩石夹具23，动摩擦试件22一一紧密相连（且各部件的中轴线设置重合于同一直线），故通过力的传递，电磁力最终作用在动摩擦试件22上，为动摩擦试验中的岩石摩擦试件提供加载力；其中承接装置43为设置在电磁铁42与旋拧活塞44之间的一球形连接装置，使得电磁铁42仅随着旋拧活塞44旋拧时作前后平移运动，而不跟随旋拧活塞44旋转；其中螺纹通道46为隔磁材料，刚接设置于机箱13右端；其中电磁铁电源为电池组设置于机箱13外，并于机箱13左侧立板外表面上设置电磁铁电源线接口421。

检测系统包括应力传感器51、转速传感器52、扭矩传感器53，其中应力传感器51固定安装在内置机箱31右侧外端面，扭矩传感器53与转速传感器52并排安装在电机主轴33上，实验中应力传感器51、转速传感器52、扭矩传感器53分别实时监测动摩擦模拟系统中岩石摩擦接触面之间的接触应力、相对运动速度、摩擦系数大小的变化。

下面是利用上述岩石转动摩擦试验装置的进行试验的方法，其包括如下步骤：

S1、选取滑坡后壁或与滑坡后壁岩性相同的岩体11上较平整的部位，用充电式钻机钻好安装膨胀螺栓的钻孔，随后用膨胀螺栓将钢板底座12固定于试验岩11上。

S2、组装好机箱13，并将机箱13底部两排矩形滑块131对应套入钢板底座12上的两排定向滑槽121中，然后用长螺栓133穿过机箱13底部外伸螺孔132，并旋拧入矩形钢板底座12上对应设置的螺孔123中，从而将机箱13固定在矩形钢板底座12上。

S3、电机主轴33端部安装上岩石打磨机头，转动调节旋拧杆45使岩石打磨机头接触到试验岩壁11待打磨区域，接通电磁铁电源施加压力并启动电机32，开始打磨，直至打磨出一个圆形平整区域，然后多次更换机箱13位置（拧出长螺栓133，推动机箱13在钢板底座12上所设置的滑槽121中左右横移一定距离，再拧入长螺栓133将机箱13固定在钢板底座12上）再打磨，直至打磨出满足试验要求数量的圆形平整区域 。

S4、将电机主轴33端部的岩石打磨机头拆掉，再安装上岩石取芯机头，调整机箱13位置，转动旋拧杆45调整岩石取芯机头接触到滑坡后壁已打磨好的圆形平整区域（设置岩石取芯半径小于岩石打磨半径），接通电磁铁电源421施加压力并启动电机32，开始钻进取芯，取得一根长约3cm左右的岩芯（岩芯取自打磨平整岩面，所以岩芯一端面平整，另一端面不规则），然后多次更换机箱13位置重复钻进取芯，直至取得1/2倍已打磨好圆形区域数量的岩芯，试验前样品准备就绪（其中试验岩壁11已打磨平整区域为静止摩擦试件21，取得的岩芯为动摩擦试件22）。

S5、在电机主轴33端部重新安装上岩石夹具23，将动摩擦试件22固定于岩石夹具23中，使其打磨平整一端朝外，更换机箱13位置至动摩擦试件22对准一处已打磨好但未取芯的圆形平整区域（静止摩擦试件21），然后转动旋拧杆45使得动摩擦试件22打磨平整一端刚好平面接触静止摩擦试件21表面。

S6、电磁铁42接通预设组数电池组电源，使应力传感器51读数恰好达到预设压力值，试验前加载系统准备就绪。

S7、启动电机32，同时调节电机电源输出功率，使其转速达到预设试验速度，岩石转动摩擦试验开始。试验中扭矩传感器53实时监测动摩擦系统中岩石转动摩擦接触面之间动摩擦系数的变化。

S8、改变电磁铁电源421接入电池组的组数，重复S5~S7，可开展不同法向荷载作用下的岩石转动摩擦试验。

S9、改变电机电源321接入电池组的组数，重复S5~S7，可开展不同摩擦速度下的岩石转动摩擦试验。

Claims (6)

1.一种便携式岩石转动摩擦试验装置，其特征在于，长方体形的机箱（13）由左、右侧立板，顶板，底板以及后侧立板围合组成；矩形框状的钢板底座（12）采用膨胀螺栓（122）锚固在试验岩壁（11）上，钢板底座（12）的两个长边框上上下对称地开有两排螺孔（123），该两个长边框上位于两排螺孔（123）内侧分别焊接有一个矩形卡槽（121），机箱（13）的顶板和底板的前端上固定的两排矩形滑块（131）分别活动置于两个矩形卡槽（121）内并与之形成滑动配合，机箱的顶板和底板二者前端外表面上分别焊接有两个耳板，每个耳板上开有采用长螺栓（133）将机箱（13）在钢板底座（12）的上下两排螺孔（123）上进行固定的外伸螺孔（132）；隔磁材料的机箱（13）的顶板和底板的内表面上分别设置有一排滑槽滚珠（136），内置机箱（31）的顶板和底板上分别安装固定有用作与滑槽滚珠（136）形成滑动配合的滑槽（311），电机（32）安装在内置机箱（31）内，电机主轴（33）与减速器（34）连接，减速器（34）输出轴经轴承（35）连接位于内置机箱（31）外的岩石夹具（23），轴承（35）安装固定在内置机箱（31）的前侧立板上，岩石夹具（23）前端面上有一供圆柱状岩芯作为动摩擦试件（22）插入的盲孔，岩石夹具（23）前部外周上均布有供锁紧螺钉（234）旋入来固定动摩擦试件的多个螺孔，岩石夹具（23）后端面上有一供减速器输出轴插入的盲孔，岩石夹具（23）后部上开有一个供插销（231）插入的贯通孔，减速器输出轴前部沿垂直于其轴线方向开有一个供插销（231）穿过将其与岩石夹具（23）相固定的通孔；扭矩传感器（53）和转速传感器（52）均设置在位于内置机箱（31）内的减速器输出轴上；机箱（13）的后侧立板上固定有一个隔磁材料的圆筒，旋拧活塞（44）与该圆筒的内螺纹（46）形成螺旋配合，旋拧杆（45）固定在旋拧活塞（44）上，应力传感器（51）、永久磁铁（41）以及通电后产生与永久磁铁（41）相互排斥电磁力的电磁铁（42）从前向后顺次活动地设置在该圆筒内，旋拧活塞（44）前端面经承接装置（43）与电磁铁后端面连接，该承接装置为：半球形壳体固定在电磁铁后端面上，圆球上的短轴伸出该半球形壳体后固定在旋拧活塞（44）上；应力传感器（51）前端面顶靠在内置机箱（31）的后侧立板上；所述电机主轴（ 33 ） 端部通过插销（231）与岩石夹具（23）、岩石取芯机头或岩石打磨机头可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的便携式岩石转动摩擦试验装置，其特征在于，所述两排矩形滑块（131）均为多个相同的矩形滑块；所述动摩擦试件（22）、电机主轴（33）、圆筒以及旋拧杆（45）的中轴线均为同一直线；所述卡槽（121）内装有润滑油。

3.根据权利要求2所述的便携式岩石转动摩擦试验装置，其特征在于，所述机箱（13）顶板上安装有一个机箱扶手（135）。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的便携式岩石转动摩擦试验装置，其特征在于，所述机箱（13）左侧立板上开设有矩形操作窗口（134）。

5.根据权利要求4所述的便携式岩石转动摩擦试验装置，其特征在于，所述机箱（13）的左侧立板上设置有电机电源线接口（322）以及电磁铁电源线接口（421）。

6.一种采用如权利要求1所述的转动摩擦试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取滑坡后壁或与滑坡后壁岩性相同的岩体上较平整的部位，用充电式钻机钻好安装膨胀螺栓的钻孔，随后用膨胀螺栓将钢板底座（12）固定于试验岩壁（11）上；

S2、组装好机箱（13），并将机箱（13）底部两排矩形滑块（131）对应套入钢板底座（12）上的两排定向卡槽（121）中，然后用长螺栓（133）穿过机箱（13）底部外伸螺孔（132），并旋拧入矩形钢板底座（12）上对应设置的螺孔（123）中，从而将机箱（13）固定在矩形钢板底座（12）上；

S3、电机主轴（33）端部安装上岩石打磨机头，转动调节旋拧杆（45）使岩石打磨机头接触到试验岩壁（11）待打磨区域，接通电磁铁电源施加压力并启动电机（32），开始打磨，直至打磨出一个圆形平整区域，然后多次更换机箱（13）位置，拧出长螺栓（133），推动机箱（13）在钢板底座（12）上所设置的卡槽（121）中左右横移一定距离，再拧入长螺栓（133）将机箱（13）固定在钢板底座（12）上，再打磨，直至打磨出满足试验要求数量的圆形平整区域；

S4、将电机主轴（33）端部的岩石打磨机头拆掉，再安装上岩石取芯机头，调整机箱（13）位置，转动旋拧杆（45）调整岩石取芯机头接触到滑坡后壁已打磨好的圆形平整区域，设置岩石取芯半径小于岩石打磨半径，接通电磁铁电源施加压力并启动电机（32），开始钻进取芯，取得一根长约3cm左右的岩芯，岩芯取自打磨平整岩面，所以岩芯一端面平整，另一端面不规则，然后多次更换机箱（13）位置重复钻进取芯，直至取得1/2倍已打磨好圆形区域数量的岩芯，试验前样品准备就绪，其中试验岩壁（11）已打磨平整区域为静止摩擦试件（21），取得的岩芯为动摩擦试件（22）；

S5、在电机主轴（33）端部重新安装上岩石夹具（23），将动摩擦试件（22）固定于岩石夹具（23）中，使其打磨平整一端朝外，更换机箱（13）位置至动摩擦试件（22）对准一处已打磨好但未取芯的圆形平整区域作为静止摩擦试件（21），然后转动旋拧杆（45）使得动摩擦试件（22）打磨平整一端刚好平面接触静止摩擦试件（21）表面；

S6、电磁铁（42）接通预设组数电池组电源，使应力传感器（51）读数恰好达到预设压力值，试验前加载系统准备就绪；

S7、启动电机（32），同时调节电机电源输出功率，使其转速达到预设试验速度，岩石摩擦试验开始；试验中扭矩传感器（53）实时监测动摩擦系统中岩石转动摩擦接触面之间动摩擦系数的变化；

S8、改变电磁铁电源接入电池组的组数，重复S5~S7，开展不同法向荷载作用下的岩石转动摩擦试验；

S9、改变电机电源接入电池组的组数，重复S5~S7，开展不同摩擦速度下的岩石转动摩擦试验。