CN110208104B - 一种自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室 - Google Patents

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Abstract

一种自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室，取消了加载框架，压力室壳体与作动器壳体之间通过高强螺栓固连形成大主应力加载的反力主体，净空节省了50％，在试验能力不降低的前提下，为结构刚度进一步提升创造了条件；摒弃了上下运动的开启方式，在压力室壳体外套装有密封限位套筒，密封限位套筒可转动，在压力室壳体和密封限位套筒的筒壁上均有岩样装取孔，压力室壳体上的岩样装取孔内设有可拆卸的封堵块，实现了快速旋转的开启方式，省去了传统需要拆装高强螺栓的过程，可使岩石试样的安装和拆卸时间节省1小时，既降低了人员的劳动强度，也提高了试验效率，同时快速旋转的开启方式也避免了因液压油滴落造成的周围环境污染问题。

Description

一种自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室
技术领域
本发明属于室内岩石三轴压缩试验技术领域，特别是涉及一种自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室。
背景技术
岩石类地质材料不同于金属材料，其压缩强度受围压(也称侧向应力)影响显著，通常在圆柱形岩石试样周围施加一个更高的围压，该岩石试样的压缩强度就会有一定的提高，为了获得不同围压条件下岩石的压缩强度和变形等力学特性，通常采用岩石常规三轴试验机作为试验设备。
尽管深部地下岩体都不同程度的承受着三个正交方向不等的地应力，即大主应力、中主应力及小主应力，但是，出于试验机设计难易程度和试验效率方面的考虑，绝大多数的岩石力学试验中都会采用圆柱形的岩石试样，同时利用岩石常规三轴试验机开展不同围压(中主应力和小主应力相等)条件下的常规三轴压缩试验。
对于岩石常规三轴试验机来说，其主要由加载框架和压力室两部分组成，加载框架负责施加大主应力，而压力室负责施加围压，当密封好的圆柱形试样放置到压力室后，先施加等效围压以模拟不同的地层压力，然后由加载框架施加荷载，直到将岩石试样压至破坏失效。其中，压力室由上下两部分结构组成，并采用采用上下运动的开启方式，且压力室的上下两部分结构采用高强螺栓进行连接，其需要承受压力室内部高压产生的拉力，为了施加轴向的大主应力，压力室上部还需要设置一个具有密封结构的金属传力杆。最为经典的岩石常规三轴试验机包括美国的MTS Model 815型和GCTS RTR-4000型。
再有，岩石常规三轴试验机为了能够获得硬岩压缩破坏的峰后曲线，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(DraftISRM Suggested Method for the complete stress–strain curve for intact rock inuniaxial compression)，该方法推荐了5MN/mm作为加载框架刚度的设计标准。
由于加载框架中部需要安置金属压力室，导致加载框架的上下净空和两个立柱之间的跨度增大，在保证加载框架刚度达到推荐值5MN/mm时，必须增加立柱的截面积，同时还需要使用高弹性模量的合金钢材料，在这样的设计方案下，将导致合金钢材料大幅增加，并使总成本提高，而且加载框架的安装和定位精度也不易保障。
另外，由于岩石常规三轴试验机的金属压力室采用上下运动的开启方式来实现岩石试样的安装和拆卸，因此需要借助扳手人工完成10～16个高强螺栓的拆装，而高强螺栓的拆装过程相当的费时费力，且每个高强螺栓的预紧力也不易保障，同时也大大降低了岩石常规三轴试验的效率。
再有，压力室在完成每次提升后，都需要花费相当长的时间等待压力室内壁的液压油滴落干净，由于液压油的粘度较大，液压油滴落干净的过程普遍需要10～20分钟，并且液压油也容易滴落到试验台或者地面上，造成周围环境的污染。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室，取消了传统结构设计中的加载框架，在保证试验能力不降低的前提下，净空节省了50％，为结构刚度的进一步提升创造了条件，也有利于设备制造成本的降低；本发明摒弃了传统上下运动的开启方式，首次采用了快速旋转的开启方式，省去了传统需要拆装高强螺栓的过程，可使岩石试样的安装和拆卸时间节省1小时，不但降低了人员的劳动强度，也有效提高了试验效率，同时快速旋转的开启方式也避免了因液压油滴落造成的周围环境污染问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室，包括压力室壳体、压力室密封限位套筒、推力球轴承、作动器缸筒、作动器活塞杆及作动器密封法兰盖；所述压力室壳体采用圆柱筒形结构，压力室壳体竖直设置且筒口朝下，在压力室壳体下端筒口的外圆周处设有法兰边沿；所述推力球轴承套装在压力室壳体外侧，推力球轴承与压力室壳体的中轴线相重合，推力球轴承的下部轴承圈与压力室壳体下端筒口处的法兰边沿相固连；所述压力室密封限位套筒套装在压力室壳体外侧，压力室密封限位套筒与压力室壳体的中轴线相重合，压力室密封限位套筒位于推力球轴承上方，压力室密封限位套筒底端与推力球轴承的上部轴承圈相固连，压力室密封限位套筒与压力室壳体之间留有转动间隙；在所述压力室壳体的侧向筒壁上分别开设有第一岩样装取孔和第二岩样装取孔，第一岩样装取孔和第二岩样装取孔的尺寸、形状以及高度位置均相同，且第一岩样装取孔和第二岩样装取孔正对设置；在所述第一岩样装取孔内设置有第一封堵块，第一封堵块与第一岩样装取孔之间采用密封滑动配合方式；在所述第二岩样装取孔内设置有第二封堵块，第二封堵块与第二岩样装取孔之间采用密封滑动配合方式；在所述压力室密封限位套筒的筒壁上开设有第三岩样装取孔，第三岩样装取孔与第一岩样装取孔和第二岩样装取孔处于同一高度，第三岩样装取孔的孔径大于第一岩样装取孔和第二岩样装取孔的孔径；所述作动器缸筒采用圆柱筒形结构，作动器缸筒竖直设置且筒口朝上，在作动器缸筒上端筒口的外圆周处设有法兰边沿，作动器缸筒上端筒口与压力室壳体下端筒口相对接，且作动器缸筒上端筒口的法兰边沿与压力室壳体下端筒口的法兰边沿之间通过高强螺栓相固连，压力室壳体与作动器缸筒共同构成大主应力加载的反力主体，作动器缸筒与压力室壳体的中轴线相重合；所述作动器活塞杆设置在作动器缸筒内，作动器活塞杆与作动器缸筒的中轴线相重合，作动器活塞杆中部杆体与作动器缸筒密封滑动配合；所述作动器密封法兰盖通过高强螺栓固装在作动器缸筒的上端筒口，且作动器密封法兰盖与作动器缸筒上端筒口之间密封配合，在作动器密封法兰盖的中心开设有活塞杆穿装孔，所述作动器活塞杆上部杆体穿过作动器密封法兰盖的活塞杆穿装孔延伸至压力室壳体内部，作动器活塞杆上部杆体与作动器密封法兰盖密封滑动配合。
在所述压力室壳体底部筒体上开设有围压油口，在所述作动器缸筒底部筒体上开设有压力平衡腔，在压力平衡腔下方的作动器缸筒上开设有压力平衡油口，压力平衡油口与围压油口相通；所述作动器活塞杆下部杆体延伸至压力平衡腔中，作动器活塞杆下部杆体与压力平衡腔密封滑动配合。
所述作动器活塞杆中部杆体下方的作动器缸筒内部环形空间为应力加载腔，应力加载腔对应位置的作动器缸筒上开设有应力加载油口；所述作动器活塞杆中部杆体上方的作动器缸筒内部环形空间为应力卸载腔，应力卸载腔对应位置的作动器缸筒上开设有应力卸载油口。
在所述压力平衡腔下方的作动器缸筒上密封滑动安装有一根活塞位移监测杆，活塞位移监测杆上端固连在作动器活塞杆底端，活塞位移监测杆下端延伸至作动器缸筒外部，在活塞位移监测杆下端固连有一根转接支杆，在转接支杆与作动器缸筒之间连接有位移传感器。
在所述作动器密封法兰盖对应位置的作动器缸筒上开设有漏油监测口。
在所述作动器活塞杆顶部固装有岩样支撑架，岩样支撑架位于压力室壳体内部，岩样支撑架用于放置岩样，在岩样支撑架正上方的压力室壳体顶部内筒壁上固定吊装有测力传感器。
在所述压力室壳体顶部筒体上开设有排气口。
本发明的有益效果：
本发明的自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室，取消了传统结构设计中的加载框架，在保证试验能力不降低的前提下，净空节省了50％，为结构刚度的进一步提升创造了条件，也有利于设备制造成本的降低；本发明摒弃了传统上下运动的开启方式，首次采用了快速旋转的开启方式，省去了传统需要拆装高强螺栓的过程，可使岩石试样的安装和拆卸时间节省1小时，不但降低了人员的劳动强度，也有效提高了试验效率，同时快速旋转的开启方式也避免了因液压油滴落造成的周围环境污染问题。
附图说明
图1为本发明的自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室的结构示意图；
图中，1—压力室壳体，2—压力室密封限位套筒，3—推力球轴承，4—作动器缸筒，5—作动器活塞杆，6—作动器密封法兰盖，7—第一岩样装取孔，8—第二岩样装取孔，9—第一封堵块，10—第二封堵块，11—第三岩样装取孔，12—围压油口，13—压力平衡腔，14—压力平衡油口，15—应力加载腔，16—应力加载油口，17—应力卸载腔，18—应力卸载油口，19—活塞位移监测杆，20—转接支杆，21—位移传感器，22—漏油监测口，23—岩样支撑架，24—岩样，25—测力传感器，26—排气口。
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所示，一种自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室，包括压力室壳体1、压力室密封限位套筒2、推力球轴承3、作动器缸筒4、作动器活塞杆5及作动器密封法兰盖6；所述压力室壳体1采用圆柱筒形结构，压力室壳体1竖直设置且筒口朝下，在压力室壳体1下端筒口的外圆周处设有法兰边沿；所述推力球轴承3套装在压力室壳体1外侧，推力球轴承3与压力室壳体1的中轴线相重合，推力球轴承3的下部轴承圈与压力室壳体1下端筒口处的法兰边沿相固连；所述压力室密封限位套筒2套装在压力室壳体1外侧，压力室密封限位套筒2与压力室壳体1的中轴线相重合，压力室密封限位套筒2位于推力球轴承3上方，压力室密封限位套筒2底端与推力球轴承3的上部轴承圈相固连，压力室密封限位套筒2与压力室壳体1之间留有转动间隙；在所述压力室壳体1的侧向筒壁上分别开设有第一岩样装取孔7和第二岩样装取孔8，第一岩样装取孔7和第二岩样装取孔8的尺寸、形状以及高度位置均相同，且第一岩样装取孔7和第二岩样装取孔8正对设置；在所述第一岩样装取孔7内设置有第一封堵块9，第一封堵块9与第一岩样装取孔7之间采用密封滑动配合方式；在所述第二岩样装取孔8内设置有第二封堵块10，第二封堵块10与第二岩样装取孔8之间采用密封滑动配合方式；在所述压力室密封限位套筒2的筒壁上开设有第三岩样装取孔11，第三岩样装取孔11与第一岩样装取孔7和第二岩样装取孔8处于同一高度，第三岩样装取孔11的孔径大于第一岩样装取孔7和第二岩样装取孔8的孔径；所述作动器缸筒4采用圆柱筒形结构，作动器缸筒4竖直设置且筒口朝上，在作动器缸筒4上端筒口的外圆周处设有法兰边沿，作动器缸筒4上端筒口与压力室壳体1下端筒口相对接，且作动器缸筒4上端筒口的法兰边沿与压力室壳体1下端筒口的法兰边沿之间通过高强螺栓相固连，压力室壳体1与作动器缸筒4共同构成大主应力加载的反力主体，作动器缸筒4与压力室壳体1的中轴线相重合；所述作动器活塞杆5设置在作动器缸筒4内，作动器活塞杆5与作动器缸筒4的中轴线相重合，作动器活塞杆5中部杆体与作动器缸筒4密封滑动配合；所述作动器密封法兰盖6通过高强螺栓固装在作动器缸筒4的上端筒口，且作动器密封法兰盖6与作动器缸筒4上端筒口之间密封配合，在作动器密封法兰盖6的中心开设有活塞杆穿装孔，所述作动器活塞杆5上部杆体穿过作动器密封法兰盖6的活塞杆穿装孔延伸至压力室壳体1内部，作动器活塞杆5上部杆体与作动器密封法兰盖6密封滑动配合。
在所述压力室壳体1底部筒体上开设有围压油口12，在所述作动器缸筒4底部筒体上开设有压力平衡腔13，在压力平衡腔13下方的作动器缸筒4上开设有压力平衡油口14，压力平衡油口14与围压油口12相通；所述作动器活塞杆5下部杆体延伸至压力平衡腔13中，作动器活塞杆5下部杆体与压力平衡腔13密封滑动配合。当压力室壳体1内腔中完成围压施加后，或者在作动器缸筒4的应力加载腔15充油时，通过压力平衡油口14与围压油口12的连通状态，可以避免作动器活塞杆5不受围压干扰而产生扰动，进而保证作动器活塞杆5始终处于平衡状态。
所述作动器活塞杆5中部杆体下方的作动器缸筒4内部环形空间为应力加载腔15，应力加载腔15对应位置的作动器缸筒4上开设有应力加载油口16；所述作动器活塞杆5中部杆体上方的作动器缸筒4内部环形空间为应力卸载腔17，应力卸载腔16对应位置的作动器缸筒4上开设有应力卸载油口18。
在所述压力平衡腔13下方的作动器缸筒4上密封滑动安装有一根活塞位移监测杆19，活塞位移监测杆19上端固连在作动器活塞杆5底端，活塞位移监测杆19下端延伸至作动器缸筒4外部，在活塞位移监测杆19下端固连有一根转接支杆20，在转接支杆20与作动器缸筒4之间连接有位移传感器21。
在所述作动器密封法兰盖6对应位置的作动器缸筒4上开设有漏油监测口22，以保证压力室壳体1内腔中的液压油不与作动器缸筒4内腔中的液压油发生串腔。
在所述作动器活塞杆5顶部固装有岩样支撑架23，岩样支撑架23位于压力室壳体1内部，岩样支撑架23用于放置岩样24，在岩样支撑架23正上方的压力室壳体1顶部内筒壁上固定吊装有测力传感器25。
在所述压力室壳体1顶部筒体上开设有排气口26。
下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
本实施例中，岩样24尺寸为直径50mm、高度为100mm的圆柱形试样；压力室壳体1内部的最大围压为100MPa，最大轴向压力为1000kN；第一岩样装取孔7、第二岩样装取孔8、第三岩样装取孔11、第一封堵块9及第二封堵块10均采用圆形或椭圆形；在第一封堵块9和第二封堵块10外表面均开设有螺纹孔，螺纹孔用于辅助第一封堵块9和第二封堵块10的拆装；压力室壳体1、压力室密封限位套筒2及作动器缸筒4均采用合金钢锻造与热处理工艺进行制造，保证加载结构具有足够的刚度；通过在作动器缸筒4上连接辅助支撑结构，使压力室整体固定放置在试验台上。
在加载试验前，先将制备好的岩样24进行密封处理，密封处理好的岩样24放到一旁等待后续试验，然后再将压力机整体调整到试验前的初始状态，在初始状态下，压力室密封限位套筒2的第三岩样装取孔11与压力室壳体1的第一岩样装取孔7正对，第一岩样装取孔7中并未安装第一封堵块9，而第二岩样装取孔8中已安装第二封堵块10，作动器活塞杆5处于下限位。需要说明的是，第一岩样装取孔7与第二岩样装取孔8作用完全相同，可以根据需要只需决定使用哪一个岩样装取孔，另外，之所以设计两个完全相同的岩样装取孔，也是为了更好的保证压力室壳体1的对称受力状态。
当压力机调整到初始状态后，将密封处理好的岩样24依次通过第三岩样装取孔11和第一岩样装取孔7放置到作动器活塞杆5顶部的岩样支撑架23上，然后将第一封堵块9装回到第一岩样装取孔7中，再将压力室密封限位套筒2旋转90°，此时装有第一封堵块9的第一岩样装取孔7被封闭在压力室密封限位套筒2内，此时岩样24完成安装。
当岩样24完成安装工作后，开始执行围压施加步骤，首先利用低压油泵通过围压油口12向压力室壳体1内腔中充入液压油，充油过程中排气口26处于打开状态，随着液压油的持续充入，压力室壳体1内腔中的空气会逐渐排出，直到排气口26由液压油流出，结束充油；接下来，先关闭排气口26，然后将低压油泵切换为高压油泵，利用高压油泵完成围压加载。
当围压施加结束后，开设执行大主应力加载步骤，首先通过应力加载油口16向作动器缸筒4的应力加载腔15中充油，以驱动作动器活塞杆5上移，并带动岩样24同步上移，直到岩样24与测力传感器25接触，然后根据岩样24的全破坏过程试验要求，开始执行计算机伺服控制加载，直至岩样24破坏失效。
当岩样24的加载试验结束后，先卸载围压，在卸载轴向载荷；卸载围压时，先将高压油泵关停，并使围压油口12的压力降为零，然后打开排气口26，再通过排气口26通入高压空气，以将压力室壳体1内腔中的液压油从围压油口12排出；卸载轴向载荷时，通过应力卸载油口18向作动器缸筒4的应力卸载腔17中充油，以驱动作动器活塞杆5下移至下限位。
当作动器活塞杆5移动到下限位后，重新将压力室密封限位套筒2旋转90°，使第三岩样装取孔11与第一岩样装取孔7恢复正对，再将第一封堵块9从第一岩样装取孔7中取下，最后依次通过第三岩样装取孔11和第一岩样装取孔7将破坏失效后的岩样24取出。
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 (5)

1.一种自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室，其特征在于：包括压力室壳体、压力室密封限位套筒、推力球轴承、作动器缸筒、作动器活塞杆及作动器密封法兰盖；所述压力室壳体采用圆柱筒形结构，压力室壳体竖直设置且筒口朝下，在压力室壳体下端筒口的外圆周处设有法兰边沿；所述推力球轴承套装在压力室壳体外侧，推力球轴承与压力室壳体的中轴线相重合，推力球轴承的下部轴承圈与压力室壳体下端筒口处的法兰边沿相固连；所述压力室密封限位套筒套装在压力室壳体外侧，压力室密封限位套筒与压力室壳体的中轴线相重合，压力室密封限位套筒位于推力球轴承上方，压力室密封限位套筒底端与推力球轴承的上部轴承圈相固连，压力室密封限位套筒与压力室壳体之间留有转动间隙；在所述压力室壳体的侧向筒壁上分别开设有第一岩样装取孔和第二岩样装取孔，第一岩样装取孔和第二岩样装取孔的尺寸、形状以及高度位置均相同，且第一岩样装取孔和第二岩样装取孔正对设置；在所述第一岩样装取孔内设置有第一封堵块，第一封堵块与第一岩样装取孔之间采用密封滑动配合方式；在所述第二岩样装取孔内设置有第二封堵块，第二封堵块与第二岩样装取孔之间采用密封滑动配合方式；在所述压力室密封限位套筒的筒壁上开设有第三岩样装取孔，第三岩样装取孔与第一岩样装取孔和第二岩样装取孔处于同一高度，第三岩样装取孔的孔径大于第一岩样装取孔和第二岩样装取孔的孔径；所述作动器缸筒采用圆柱筒形结构，作动器缸筒竖直设置且筒口朝上，在作动器缸筒上端筒口的外圆周处设有法兰边沿，作动器缸筒上端筒口与压力室壳体下端筒口相对接，且作动器缸筒上端筒口的法兰边沿与压力室壳体下端筒口的法兰边沿之间通过高强螺栓相固连，压力室壳体与作动器缸筒共同构成大主应力加载的反力主体，作动器缸筒与压力室壳体的中轴线相重合；所述作动器活塞杆设置在作动器缸筒内，作动器活塞杆与作动器缸筒的中轴线相重合，作动器活塞杆中部杆体与作动器缸筒密封滑动配合；所述作动器密封法兰盖通过高强螺栓固装在作动器缸筒的上端筒口，且作动器密封法兰盖与作动器缸筒上端筒口之间密封配合，在作动器密封法兰盖的中心开设有活塞杆穿装孔，所述作动器活塞杆上部杆体穿过作动器密封法兰盖的活塞杆穿装孔延伸至压力室壳体内部，作动器活塞杆上部杆体与作动器密封法兰盖密封滑动配合；在所述压力室壳体底部筒体上开设有围压油口，在所述作动器缸筒底部筒体上开设有压力平衡腔，在压力平衡腔下方的作动器缸筒上开设有压力平衡油口，压力平衡油口与围压油口相通；所述作动器活塞杆下部杆体延伸至压力平衡腔中，作动器活塞杆下部杆体与压力平衡腔密封滑动配合；所述作动器活塞杆中部杆体下方的作动器缸筒内部环形空间为应力加载腔，应力加载腔对应位置的作动器缸筒上开设有应力加载油口；所述作动器活塞杆中部杆体上方的作动器缸筒内部环形空间为应力卸载腔，应力卸载腔对应位置的作动器缸筒上开设有应力卸载油口。
2.根据权利要求1所述的一种自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室，其特征在于：在所述压力平衡腔下方的作动器缸筒上密封滑动安装有一根活塞位移监测杆，活塞位移监测杆上端固连在作动器活塞杆底端，活塞位移监测杆下端延伸至作动器缸筒外部，在活塞位移监测杆下端固连有一根转接支杆，在转接支杆与作动器缸筒之间连接有位移传感器。
3.根据权利要求1所述的一种自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室，其特征在于：在所述作动器密封法兰盖对应位置的作动器缸筒上开设有漏油监测口。
4.根据权利要求1所述的一种自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室，其特征在于：在所述作动器活塞杆顶部固装有岩样支撑架，岩样支撑架位于压力室壳体内部，岩样支撑架用于放置岩样，在岩样支撑架正上方的压力室壳体顶部内筒壁上固定吊装有测力传感器。
5.根据权利要求1所述的一种自带加载结构的快速旋转开启型高压岩石三轴压力室，其特征在于：在所述压力室壳体顶部筒体上开设有排气口。
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