CN110160875B - 一种适用于真三轴试验机的双层同心式加载框架结构 - Google Patents

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Abstract

一种适用于真三轴试验机的双层同心式加载框架结构，包括内层框架、外层框架及基座；内层框架为圆柱形结构，其中部设有用于放置岩石试样安装盒的方形槽孔，方形槽孔两侧壁设有圆形加载通孔；内层框架通过支撑台竖直安装在基座上，内层框架顶端和底端分别竖直安装有作动器；外层框架为圆环形结构，外层框架同心套装在内层框架上，两者间留有环向间隙；外层框架外圆周侧均布有四个作动器；内层框架顶端固装有支撑板，支撑板上竖直安装有两个升降驱动缸且沿支撑板对角线分布；升降驱动缸活塞杆延伸至支撑板下方且固连在外层框架上表面；外层框架上表面竖直固装有导向柱，导向柱穿过支撑板上导向孔并延伸至支撑板上方；外层框架上固装有辅助支撑耳板。

Description

一种适用于真三轴试验机的双层同心式加载框架结构
技术领域
本发明属于硬岩真三轴试验机技术领域，特别是涉及一种适用于真三轴试验机的双层同心式加载框架结构。
背景技术
对于深部采矿、深部水电洞室群开挖、深部页岩气开采、深部地热开发等深部岩石工程来说，通常会将岩体由三个正交方向的初始通用应力状态(σ1>σ2>σ3>0，σ1为大主应力，σ2为中主应力，σ3为小主应力)改变为地下工程围岩表层应力状态(σ1>σ2>σ3＝0)，且建设开挖期和工程运营期的岩石不仅承受静力变形和破坏，也经历长期时效性流变诱发的变形和破坏，还会受到低频扰动应力引起新的破坏与小断层失稳。
真三轴试验机加载框架的刚度直接影响压缩条件下岩石破坏后的力学行为，如果碳钢材料的加载框架刚度设计过低，则储存在试验机加载框架内的弹性能会在岩石破坏瞬间同步释放，并形成弹性冲击波，不仅会加速岩石破坏，还会造成试验过程中飞石损伤设备和人身等危险。为此，在岩石真三轴试验机加载框架的刚度设计中，通常会参考国际岩石力学学会1999年提出的岩石单轴压缩全应力–应变曲线试验建议方法(Draft ISRMSuggested Method for the complete stress–strain curve for intact rock inuniaxial compression)中的推荐值5MN/mm作为设计标准，而当5MN/mm的推荐值被应用到一些岩石常规三轴试验机或真三轴试验机之后，发现对于一些极硬岩仍很难得到完整的破坏后具有脆性特种的应力–应变曲线，对于中高硬度岩石需要匹配良好的伺服反馈控制系统才能弥补刚度不足。
申请号为201410055022.8的中国专利公开的一种刚性随动加载框架结构，以及申请号为201611187101.X的中国专利公开的一种高压真三轴硬岩恒温时效破裂试验装置及方法，虽然从不同层面解决了硬岩真三轴加载和试验方法问题，并且上述框架加载结构也能够满足常规试验机设计要求，但仍然存在浪费空间、结构不紧凑、框架跨度大、刚度提升能力有限的不足。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种适用于真三轴试验机的双层同心式加载框架结构，具有节省空间、结构紧凑、框架跨度小、刚度提升明显的特点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于真三轴试验机的双层同心式加载框架结构，包括内层框架、外层框架及基座；所述内层框架采用圆柱形结构，在内层框架中部开设有水平方向的方形槽孔，方形槽孔内用于放置岩石试样安装盒，在方形槽孔的两个侧壁上开设有水平方向的圆形加载通孔；所述内层框架竖直安装在基座上，在内层框架底部与基座之间设置有支撑台，在内层框架顶端竖直安装有第一作动器，在内层框架底端竖直安装有第二作动器，第二作动器位于支撑台内侧；所述外层框架采用圆环形结构，外层框架同心套装在内层框架上，外层框架与内层框架之间留有环向间隙；在所述外层框架的外圆周侧水平安装有第三作动器、第四作动器、第五作动器和第六作动器，且第三作动器、第四作动器、第五作动器及第六作动器在外层框架上均匀分布；在所述内层框架顶端固装有支撑板，在支撑板上竖直安装有第一升降驱动缸和第二升降驱动缸，且第一升降驱动缸和第二升降驱动缸沿支撑板对角线分布；所述第一升降驱动缸和第二升降驱动缸的活塞杆均延伸至支撑板下方且固连在外层框架上表面；在所述外层框架上表面竖直固装有导向柱，在支撑板上开设有导向孔，导向柱穿过导向孔并延伸至支撑板上方。
在所述外层框架上固装有辅助支撑耳板，在加载过程中，外层框架通过辅助支撑耳板与地面进行固定。
本发明的有益效果：
当硬岩真三轴试验机采用了本发明的双层同心式加载框架结构后，可有效简化加工工艺和减少钢材使用量，并使结构更加紧凑，同时有效提升加载框架在三个主应力方向的刚度，再配合闭环伺服反馈控制技术，可有效满足硬岩峰后破坏的需要，能够全面提高硬岩压缩破坏试验数据的质量。
本发明的加载框架结构通过创新设计的双层同心式结构，打破了传统的矩形框架设计思路，在同等载荷条件下，本发明的加载框架与传统矩形框架相比可节省空间约21.5％，从而创造了结构紧凑的条件；在同等吨位条件下，本发明的内层框架与传统的立柱式框架相比，最多可增加有效截面积约200％，这是提高框架刚度的重要因素；由于本发明的内层框架采用了圆柱形结构，最大程度的减少了框架结构的跨度，而跨度的减小也是增加框架刚度的另一个重要因素；本发明的加载框架在任意一个主应力方向上具有不小于10MN/mm的刚度，最高可达20MN/mm。
附图说明
图1为本发明的一种适用于真三轴试验机的双层同心式加载框架结构(外层框架处于低位时)的示意图；
图2为本发明的一种适用于真三轴试验机的双层同心式加载框架结构(外层框架处于高位时)的示意图；
图中，1—内层框架，2—外层框架，3—基座，4—岩石试样安装盒，5—圆形加载通孔，6—支撑台，7—第一作动器，8—第二作动器，9—第三作动器，10—第四作动器，11—第五作动器，12—第六作动器，13—支撑板，14—第一升降驱动缸，15—第二升降驱动缸，16—导向柱，17—辅助支撑耳板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1、2所示，一种适用于真三轴试验机的双层同心式加载框架结构，包括内层框架1、外层框架2及基座3；所述内层框架1采用圆柱形结构，在内层框架1中部开设有水平方向的方形槽孔，方形槽孔内用于放置岩石试样安装盒4，在方形槽孔的两个侧壁上开设有水平方向的圆形加载通孔5；所述内层框架1竖直安装在基座3上，在内层框架1底部与基座3之间设置有支撑台6，在内层框架1顶端竖直安装有第一作动器7，在内层框架1底端竖直安装有第二作动器8，第二作动器8位于支撑台6内侧；所述外层框架2采用圆环形结构，外层框架2同心套装在内层框架1上，外层框架2与内层框架1之间留有环向间隙；在所述外层框架2的外圆周侧水平安装有第三作动器9、第四作动器10、第五作动器11和第六作动器12，且第三作动器9、第四作动器10、第五作动器11及第六作动器12在外层框架2上均匀分布；在所述内层框架1顶端固装有支撑板13，在支撑板13上竖直安装有第一升降驱动缸14和第二升降驱动缸15，且第一升降驱动缸14和第二升降驱动缸15沿支撑板13对角线分布；所述第一升降驱动缸14和第二升降驱动缸15的活塞杆均延伸至支撑板13下方且固连在外层框架2上表面；在所述外层框架2上表面竖直固装有导向柱16，在支撑板13上开设有导向孔，导向柱16穿过导向孔并延伸至支撑板13上方。
在所述外层框架2上固装有辅助支撑耳板17，在加载过程中，外层框架2通过辅助支撑耳板17与地面进行固定。
下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
本实施例中，内层框架1和外层框架2均采用合金钢锻造与热处理工艺进行制造，是保证框架具有不小于10MN/mm刚度的基础。为了保证内层框架1与外层框架2的同心度，将外层框架2与内层框架1之间留有的环向间隙设计为10mm，为了监控环向间隙的变化，可在内层框架1与外层框架2之间安装位移传感器。岩石试样安装盒4采用导轨结构与内层框架1中部的方形槽孔配合，用以实现岩石试样安装盒4的快速安装和定位。
在加载试验前，第一作动器7、第二作动器8、第三作动器9、第四作动器10、第五作动器11及第六作动器12的活塞杆均处于缩回状态，第一升降驱动缸14和第二升降驱动缸15的均处于外伸状态，外层框架2处于低位，此时内层框架1中部的方形槽孔完成露出。
接下来，先将安装有岩石试样的岩石试样安装盒4插入方形槽孔中并安装到位，然后控制第一升降驱动缸14和第二升降驱动缸15的活塞杆向上回缩，逐渐将外层框架2提升到高位，直到第三作动器9、第四作动器10、第五作动器11及第六作动器12与岩石试样安装盒4处于同一水平高度，同时第三作动器9和第四作动器10的活塞杆与圆形加载通孔5的轴向中心线相重合；最后在辅助支撑耳板17与地面之间安装上外设的支撑物，完成外层框架2与地面之间的固定。
当前期的全部准备工作做完后，可根据实际试验需要，分别完成硬岩真三轴静力型试验、硬岩真三轴流变型试验以及硬岩真三轴拟动力型试验。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种适用于真三轴试验机的双层同心式加载框架结构，其特征在于：包括内层框架、外层框架及基座；所述内层框架采用圆柱形结构，在内层框架中部开设有水平方向的方形槽孔，方形槽孔内用于放置岩石试样安装盒，在方形槽孔的两个侧壁上开设有水平方向的圆形加载通孔；所述内层框架竖直安装在基座上，在内层框架底部与基座之间设置有支撑台，在内层框架顶端竖直安装有第一作动器，在内层框架底端竖直安装有第二作动器，第二作动器位于支撑台内侧；所述外层框架采用圆环形结构，外层框架同心套装在内层框架上，外层框架与内层框架之间留有环向间隙；在所述外层框架的外圆周侧水平安装有第三作动器、第四作动器、第五作动器和第六作动器，且第三作动器、第四作动器、第五作动器及第六作动器在外层框架上均匀分布；在所述内层框架顶端固装有支撑板，在支撑板上竖直安装有第一升降驱动缸和第二升降驱动缸，且第一升降驱动缸和第二升降驱动缸沿支撑板对角线分布；所述第一升降驱动缸和第二升降驱动缸的活塞杆均延伸至支撑板下方且固连在外层框架上表面；在所述外层框架上表面竖直固装有导向柱，在支撑板上开设有导向孔，导向柱穿过导向孔并延伸至支撑板上方。
2.根据权利要求1所述的一种适用于真三轴试验机的双层同心式加载框架结构，其特征在于：在所述外层框架上固装有辅助支撑耳板，在加载过程中，外层框架通过辅助支撑耳板与地面进行固定。
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Application publication date: 20190823

Assignee: Beijing Shuangjie Technology Co.,Ltd.

Assignor: Northeastern University

Contract record no.: X2022210000029

Denomination of invention: A double-layer concentric loading frame structure suitable for true triaxial testing machine

Granted publication date: 20210402

License type: Common License

Record date: 20220718