CN110286028B - 一种多维动静组合加载岩石力学实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石力学实验领域，具体是涉及一种多维动静组合加载岩石力学实验装置，包括工作台、调节机构、一维水平动静组合加载机构、升降机构和二维动静组合加载机构，一维水平动静组合加载机构包括动载组件和静载组件，二维动静组合加载机构包括移动组件，水平加载组件和竖直加载组件。本发明通过控制动载组件、静载组件、水平加载组件和竖直加载组件的组合工作，能够进行不同维度的实验，通过调节机构、升降机构和移动组件工作进行调节，改变一维水平动静组合加载机构和二维动静组合加载机构的位置，从而方便对不同尺寸的岩石进行固定和实验，进一步完善实验。

Description

一种多维动静组合加载岩石力学实验装置

技术领域

本发明涉及岩石力学实验领域，具体是涉及一种多维动静组合加载岩石力学实验装置。

背景技术

岩石是一种常见的地质材料，岩石不仅是矿、岩采掘作业的重要对象，还被广泛应用与国民经济建设的多种行业中，研究岩石在各种复杂载荷在用下的力学性质和脆断强度是采矿、水利水电、土木建筑、隧道和底下建筑中岩石工程设计与开挖的主要依据。

专利一：中国专利号为CN200510032031.6公布了一种动静组合加载岩石力学实验装置，包括固定框架，固定框架内试件的二端分别设有入射杆、透射杆，透射杆的外端设置有轴向静压加载器，入射杆的外端设有薄垫片，在薄垫片处设有冲头、冲头发射机构及高压气罐，冲头对准薄垫片，在入射杆和透射杆上贴有应变片。本发明提供了一种其结果与工程实际更为符合的动静组合加载实验装置。

专利二：中国专利号为CN201610309168.X公布了一种岩石全断面加载装置，包括固定设置在外框架侧面和顶部的液压缸群,还包括:实现岩石到达指定加载位置的上料部分和将岩石封闭的闸门,闸门置于导轨上。本发明的加载装置具有框架式排缸结构,能提供大吨位的载荷,对方形岩石进行全断面加载,满足深部岩石的物理灾害模拟试验的加载要求。缸组前端的平板可以保证载荷始终垂直作用于模型表面,使模型受力均衡,提高模型试验结果的准确性和可靠性。

上述专利一和专利二在使用过程中均存在不足；第一、专利一是在霍普金森杆的原理上进行改进，从而实现能够动静组合加载岩石，但是，该专利只能够进行一维研究，从岩石的两侧施加动载荷和静载荷，这样的研究方式并不完善，不能判断岩石在其他维度受力时对其力学性质的影响，第二，专利二是利用分布在x、y、z三个方向上的三个液压缸从三个方向对岩石进行施力，进而进行多维度实验，但是，这样的实验方式只能进行静载荷情况下岩石的力学性质，到时实验能力不完善；其三，专利一和专利二在使用时均需要将岩石切割成指定的大小，才能在设备上进行实验，但是，岩石的大小是否会影响其力学性质也需要进行实验探究，导致专利一和专利二的试验不完整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多维动静组合加载岩石力学实验装置。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：一种多维动静组合加载岩石力学实验装置，包括工作台、调节机构、一维水平动静组合加载机构、升降机构和二维动静组合加载机构，所述调节机构安装在工作台的上端，所述一维水平动静组合加载机构包括动载组件和静载组件，所述动载组件和静载组件相对设置在调节机构的两端，所述升降机构安装在工作台的上端且升降机构位于调节机构中部的上方，所述二维动静组合加载机构包括移动组件，水平加载组件和竖直加载组件，所述移动组件安装在升降机构的上端，所述水平加载组件安装在移动的上端，所述竖直加载组件安装在升降机构的上端且竖直加载组件位于水平加载组件的正上方。

进一步，所述升降机构包括升降座、两个驱动杆和四个导杆，两个所述驱动杆插接在工作台的两侧，且两个驱动杆的下端均与工作台转动连接，两个驱动杆的上部均设有驱动螺纹，四个所述导杆呈两两分布在工作台的两侧且四个导杆均呈竖直设置，所述升降座上设有四个导向孔，四个导向孔分别与四个导杆滑动配合，所述升降座的两端均设有驱动螺孔，两个所述驱动螺孔分别与两个驱动螺纹相配合，两个所述驱动杆的下端均套设有驱动轮，两个驱动轮之间通过皮带传动连接，其中一个所述驱动杆的下端设有输出端与其固定连接的升降电机。

进一步，所述移动组件包括两个移动轨道和移动架，两个所述移动轨道均呈水平设置在升降座的上端，所述移动架的下端与两个移动轨道滑动配合，所述升降座的一端设有移动液压杆，所述移动液压杆的输出端与移动架的一端固定连接。

进一步，所述水平加载组件包括水平液压杆，所述水平液压杆呈水平安装在移动架的一侧且水平液压杆的输出端上设有连接板，所述连接板上设有与其通过螺丝连接的第一加载块，所述移动架的另一侧设有与其固定连接的连接架，所述连接架上设有与其通过螺丝固定连接的第二加载块。

进一步，所述竖直加载组件包括支撑架、竖直加压器和作动器，所述作动器安装在升降座的上端，所述支撑架安装在升降座的上端，所述竖直加压器设置在支撑架的上端且竖直加压器的输出端朝向作动器设置。

进一步，所述作动器的上端设有棱槽，所述作动器上设有固定盘，所述固定盘的下端设有与棱槽插接配合的棱柱，所述固定盘的上端设有校准网线。

进一步，所述调节机构包括调节座，所述调节座的上端设有调节槽，所述调节槽内设有两个调节块且两个调节块均与调节槽滑动配合，所述调节槽内设有调节轴，所述调节轴的两端分别设有第一螺纹和第二螺纹，所述第一螺纹和第二螺纹的螺旋方向相反，两个所述调节块分别与第一螺纹和第二螺纹螺纹配合，所述调节座的一端设有与其固定连接的调节电机，所述调节电机的输出端与调节轴的一端固定连接，所述动载组件和静载组件分别安装在一个调节块的上端。

进一步，所述动载组件包括高压气泵、冲头发射部、冲头、入射杆和第一应变片，所述入射杆呈水平设置在调节块的上方且入射杆的一端朝向二维动静组合加载机构设置，所述高压气泵与冲头发射部连接，所述冲头安装在冲头发射部的前端且冲头朝向入射杆的一端设置，所述第一应变片安装在入射杆的内部，所述入射杆和高压气泵的下端均设有第一固定架，所有第一固定架的下端均与调节块固定连接。

进一步，所述静载组件包括静压加载器、投射杆、静压杆和数据处理系统，所述静压加载器安装在投射杆的一端且投射杆的另一端朝向二维动静组合加载机构设置，所述静压杆安装在投射杆内且静压杆与静压加载器相配合，所述投射杆内设有第二应变片，所述第一应变片和第二应变片均与数据处理系统连接。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

其一，本发明能够根据实验岩石的尺寸进行调节，通过移动液压杆工作推动移动架在水平方向上移动，从而带动安装在移动组件上的水平加载组件的位置进行调节，使用的实验岩石宽度与高度相同，通过移动液压杆工作推动移动架在水平方向上移动，从而带动安装在移动组件上的水平加载组件的位置进行调节，将实验岩石放在固定盘上，并将其一端与第二加载块抵触，根据校准网线调整实验岩石的前后位置，再通过升降电机工作带动与其连接的驱动杆转动，在两个驱动轮和皮带的传动作用下使得两个驱动杆同步转动，由于驱动螺孔与驱动螺纹的配合，进而带动升降座在竖直方向上移动，使得实验岩石位于静载组件和动载组件之间；

通过上述步骤的调节使得本发明能够对不同尺寸的实验岩石进行实验操作，提高了本发明装置的应用范围，能够判断岩石大小对其在受压是的变化情况影响，提高了本发明实验效果的完善和全面性。

其二，本发明在使用时，可以通过控制动载组件、静载组件、水平加载组件和竖直加载组件的组合工作，能够进行不同维度的实验，当只有动载组件和静载组件工作时，进行一维动静组合加载岩石力学实验，还可以选择水平加载组件和竖直加载组件工作进行二维动静组合加载岩石力学实验，若动载组件、静载组件、水平加载组件和竖直加载组件同时工作，能够进行三维维动静组合加载岩石力学实验，进一步使得本发明的实验效果更好，实验更加完善。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的局部立体结构示意图一；

图3为本发明的局部立体结构示意图二；

图4为本发明的局部立体结构示意图三；

图5为本发明的局部拆分图一；

图6为本发明的局部拆分图二。

图中标号为：工作台1，调节机构2，调节座21，调节槽22，调节轴23，第一螺纹24，第二螺纹25，调节电机26，调节块27，一维水平动静组合加载机构3，动载组件31，高压气泵311，冲头发射部312，入射杆313，静载组件32，静压加载器321，投射杆322，数据处理系统323，升降机构4，升降座41，驱动杆42，导杆43，驱动螺纹44，导向孔45，驱动螺孔46，驱动轮47，升降电机48，二维动静组合加载机构5，移动组件51，移动轨道511，移动架512，移动液压杆513，水平加载组件52，水平液压杆521，第一加载块523，连接架524，第二加载块525，竖直加载组件53，支撑架531，竖直加压器532，作动器533，棱槽6，固定盘7，棱柱8，校准网线9。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1至图6可知，一种多维动静组合加载岩石力学实验装置，包括工作台1、调节机构2、一维水平动静组合加载机构3、升降机构4和二维动静组合加载机构5，所述调节机构2安装在工作台1的上端，所述一维水平动静组合加载机构3包括动载组件31和静载组件32，所述动载组件31和静载组件32相对设置在调节机构2的两端，所述升降机构4安装在工作台1的上端且升降机构4位于调节机构2中部的上方，所述二维动静组合加载机构5包括移动组件51，水平加载组件52和竖直加载组件53，所述移动组件51安装在升降机构4的上端，所述水平加载组件52安装在移动的上端，所述竖直加载组件53安装在升降机构4的上端且竖直加载组件53位于水平加载组件52的正上方；本发明在使用时，可以通过控制动载组件31、静载组件32、水平加载组件52和竖直加载组件53的组合工作，能够进行不同维度的实验，当只有动载组件31和静载组件32工作时，进行一维动静组合加载岩石力学实验，还可以选择水平加载组件52和竖直加载组件53工作进行二维动静组合加载岩石力学实验，若动载组件31、静载组件32、水平加载组件52和竖直加载组件53同时工作，能够进行三维维动静组合加载岩石力学实验，其实验效果更好，实验更加完善，还能够通过调节机构2、升降机构4和移动组件51工作进行调节，改变一维水平动静组合加载机构3和二维动静组合加载机构5的位置，从而方便对不同尺寸的岩石进行固定和实验，进一步完善实验，判断岩石大小是否会造成影响。

具体地，所述升降机构4包括升降座41、两个驱动杆42和四个导杆43，两个所述驱动杆42插接在工作台1的两侧，且两个驱动杆42的下端均与工作台1转动连接，两个驱动杆42的上部均设有驱动螺纹44，四个所述导杆43呈两两分布在工作台1的两侧且四个导杆43均呈竖直设置，所述升降座41上设有四个导向孔45，四个导向孔45分别与四个导杆43滑动配合，所述升降座41的两端均设有驱动螺孔46，两个所述驱动螺孔46分别与两个驱动螺纹44相配合，两个所述驱动杆42的下端均套设有驱动轮47，两个驱动轮47之间通过皮带传动连接，其中一个所述驱动杆42的下端设有输出端与其固定连接的升降电机48；通过升降电机48工作带动与其连接的驱动杆42转动，在两个驱动轮47和皮带的传动作用下使得两个驱动杆42同步转动，由于驱动螺孔46与驱动螺纹44的配合，进而带动升降座41在竖直方向上移动，导向孔45与导向杆的设置用于限制升降座41的移动方向，对升降座41进行限位。

具体地，所述移动组件51包括两个移动轨道511和移动架512，两个所述移动轨道511均呈水平设置在升降座41的上端，所述移动架512的下端与两个移动轨道511滑动配合，所述升降座41的一端设有移动液压杆513，所述移动液压杆513的输出端与移动架512的一端固定连接；通过移动液压杆513工作推动移动架512在水平方向上移动，从而带动安装在移动组件51上的水平加载组件52的位置进行调节，从而对不同尺寸的岩石进行实验。

具体地，所述水平加载组件52包括水平液压杆521，所述水平液压杆521呈水平安装在移动架512的一侧且水平液压杆521的输出端上设有连接板，所述连接板上设有与其通过螺丝连接的第一加载块523，所述移动架512的另一侧设有与其固定连接的连接架524，所述连接架524上设有与其通过螺丝固定连接的第二加载块525；通过移动组件51工作带动第二加载块525移动，使得第二加载块525与实验岩石的一侧抵触，进而通过水平液压杆521工作推动第一加载块523对实验岩石进行水平施压对其力学性质进行检测，第一加载块523和第二加载块525均用螺丝固定的目的是便于对两者进行更换，在对不同尺寸的实验岩石进行实验时，能够更换相匹配尺寸的第一加载块523和第二加载块525。

具体地，所述竖直加载组件53包括支撑架531、竖直加压器532和作动器533，所述作动器533安装在升降座41的上端，所述支撑架531安装在升降座41的上端，所述竖直加压器532设置在支撑架531的上端且竖直加压器532的输出端朝向作动器533设置；通过竖直加压器532工作在竖直方向对实验岩石进行施压，检测其力学性质，其中，竖直加压器532能够是液压装置，也可以是气压泵，均为现有技术，在此不对其进行详述，此外，作动器533也是现有技术，其作用是能够提供微小的外力干扰，从而判定在外力干扰情况下实验岩石的力学性质，使得本发明的实验效果更加完善。

具体地，所述作动器533的上端设有棱槽6，所述作动器533上设有固定盘7，所述固定盘7的下端设有与棱槽6插接配合的棱柱8，所述固定盘7的上端设有校准网线9；棱槽6与棱柱8的插接配合使得固定盘7不会转动，校准网线9的设置是用于判断实验岩石摆放的位置是否在固定盘7的中部，防止一维水平动静组合加载机构3和二维动静组合加载机构5对实验岩石施力倾斜导致实验数据不准。

具体地，所述调节机构2包括调节座21，所述调节座21的上端设有调节槽22，所述调节槽22内设有两个调节块27且两个调节块27均与调节槽22滑动配合，所述调节槽22内设有调节轴23，所述调节轴23的两端分别设有第一螺纹24和第二螺纹25，所述第一螺纹24和第二螺纹25的螺旋方向相反，两个所述调节块27分别与第一螺纹24和第二螺纹25螺纹配合，所述调节座21的一端设有与其固定连接的调节电机26，所述调节电机26的输出端与调节轴23的一端固定连接，所述动载组件31和静载组件32分别安装在一个调节块27的上端；通过调节电机26工作带动调节轴23转动，两个调节块27与第一螺纹24和第二螺纹25的配合使得两个调节块27相向移动或者相离移动，从而带动分别安装在两个调节块27上的动载组件31和静载组件32相向移动或者相离移动，进而对不同尺寸的实验岩石进行实验，使得本发明实验的进一步完善。

具体地，所述动载组件31包括高压气泵311、冲头发射部312、冲头、入射杆313和第一应变片，所述入射杆313呈水平设置在调节块27的上方且入射杆313的一端朝向二维动静组合加载机构5设置，所述高压气泵311与冲头发射部312连接，所述冲头安装在冲头发射部312的前端且冲头朝向入射杆313的一端设置，所述第一应变片安装在入射杆313的内部，所述入射杆313和高压气泵311的下端均设有第一固定架，所有第一固定架的下端均与调节块27固定连接。

具体地，所述静载组件32包括静压加载器321、投射杆322、静压杆和数据处理系统323，所述静压加载器321安装在投射杆322的一端且投射杆322的另一端朝向二维动静组合加载机构5设置，所述静压杆安装在投射杆322内且静压杆与静压加载器321相配合，所述投射杆322内设有第二应变片，所述第一应变片和第二应变片均与数据处理系统323连接。

本实施例中，动载组件31和静载组件32是在背景技术中专利一的文件上进行了修改，因此，其中的高压气泵311、冲头发射部312、冲头、入射杆313、第一应变片、静压加载器321、投射杆322、静压杆和数据处理系统323均现有技术，在此不做详述，其工作方式是，静载组件32的一端通过静压加载器321提供动力使得静压杆沿着投射杆322抵压在实验岩石的一侧，对其施加静载荷，而动载组件31中高压气泵311工作使得冲头发射部312发射冲头，并通过入射杆313滑行对实验岩石施加动载荷，从而分析实验岩石在动静结合下的力学性质。

本发明的工作原理：根据实验岩石的尺寸进行调节，通过移动液压杆513工作推动移动架512在水平方向上移动，从而带动安装在移动组件51上的水平加载组件52的位置进行调节，使用的实验岩石宽度与高度相同，通过移动液压杆513工作推动移动架512在水平方向上移动，从而带动安装在移动组件51上的水平加载组件52的位置进行调节，将实验岩石放在固定盘7上，并将其一端与第二加载块525抵触，根据校准网线9调整实验岩石的前后位置，再通过升降电机48工作带动与其连接的驱动杆42转动，在两个驱动轮47和皮带的传动作用下使得两个驱动杆42同步转动，由于驱动螺孔46与驱动螺纹44的配合，进而带动升降座41在竖直方向上移动，使得实验岩石位于静载组件32和动载组件31之间，之后选择动载组件31、静载组件32、水平加载组件52和竖直加载组件53进行组合工作，同时，数据处理系统323收集并对数据进行处理。

Claims (3)

1.一种多维动静组合加载岩石力学实验装置，其特征在于：包括工作台(1)、调节机构(2)、一维水平动静组合加载机构(3)、升降机构(4)和二维动静组合加载机构(5)，所述调节机构(2)安装在工作台(1)的上端，所述一维水平动静组合加载机构(3)包括动载组件(31)和静载组件(32)，所述动载组件(31)和静载组件(32)相对设置在调节机构(2)的两端，所述升降机构(4)安装在工作台(1)的上端且升降机构(4)位于调节机构(2)中部的上方，所述二维动静组合加载机构(5)包括移动组件(51)，水平加载组件(52)和竖直加载组件(53)，所述移动组件(51)安装在升降机构(4)的上端，所述水平加载组件(52)安装在移动的上端，所述竖直加载组件(53)安装在升降机构(4)的上端且竖直加载组件(53)位于水平加载组件(52)的正上方；

所述升降机构(4)包括升降座(41)、两个驱动杆(42)和四个导杆(43)，两个所述驱动杆(42)插接在工作台(1)的两侧，且两个驱动杆(42)的下端均与工作台(1)转动连接，两个驱动杆(42)的上部均设有驱动螺纹(44)，四个所述导杆(43)呈两两分布在工作台(1)的两侧且四个导杆(43)均呈竖直设置，所述升降座(41)上设有四个导向孔(45)，四个导向孔(45)分别与四个导杆(43)滑动配合，所述升降座(41)的两端均设有驱动螺孔(46)，两个所述驱动螺孔(46)分别与两个驱动螺纹(44)相配合，两个所述驱动杆(42)的下端均套设有驱动轮(47)，两个驱动轮(47)之间通过皮带传动连接，其中一个所述驱动杆(42)的下端设有输出端与其固定连接的升降电机(48)；

所述移动组件(51)包括两个移动轨道(511)和移动架(512)，两个所述移动轨道(511)均呈水平设置在升降座(41)的上端，所述移动架(512)的下端与两个移动轨道(511)滑动配合，所述升降座(41)的一端设有移动液压杆(513)，所述移动液压杆(513)的输出端与移动架(512)的一端固定连接；

所述水平加载组件(52)包括水平液压杆(521)，所述水平液压杆(521)呈水平安装在移动架(512)的一侧且水平液压杆(521)的输出端上设有连接板，所述连接板上设有与其通过螺丝连接的第一加载块(523)，所述移动架(512)的另一侧设有与其固定连接的连接架(524)，所述连接架(524)上设有与其通过螺丝固定连接的第二加载块(525)；

所述竖直加载组件(53)包括支撑架(531)、竖直加压器(532)和作动器(533)，所述作动器(533)安装在升降座(41)的上端，所述支撑架(531)安装在升降座(41)的上端，所述竖直加压器(532)设置在支撑架(531)的上端且竖直加压器(532)的输出端朝向作动器(533)设置；

所述作动器(533)的上端设有棱槽(6)，所述作动器(533)上设有固定盘(7)，所述固定盘(7)的下端设有与棱槽(6)插接配合的棱柱(8)，所述固定盘(7)的上端设有校准网线(9)；

所述调节机构(2)包括调节座(21)，所述调节座(21)的上端设有调节槽(22)，所述调节槽(22)内设有两个调节块(27)且两个调节块(27)均与调节槽(22)滑动配合，所述调节槽(22)内设有调节轴(23)，所述调节轴(23)的两端分别设有第一螺纹(24)和第二螺纹(25)，所述第一螺纹(24)和第二螺纹(25)的螺旋方向相反，两个所述调节块(27)分别与第一螺纹(24)和第二螺纹(25)螺纹配合，所述调节座(21)的一端设有与其固定连接的调节电机(26)，所述调节电机(26)的输出端与调节轴(23)的一端固定连接，所述动载组件(31)和静载组件(32)分别安装在一个调节块(27)的上端。

2.根据权利要求1所述的一种多维动静组合加载岩石力学实验装置，其特征在于：所述动载组件(31)包括高压气泵(311)、冲头发射部(312)、冲头、入射杆(313)和第一应变片，所述入射杆(313)呈水平设置在调节块(27)的上方且入射杆(313)的一端朝向二维动静组合加载机构(5)设置，所述高压气泵(311)与冲头发射部(312)连接，所述冲头安装在冲头发射部(312)的前端且冲头朝向入射杆(313)的一端设置，所述第一应变片安装在入射杆(313)的内部，所述入射杆(313)和高压气泵(311)的下端均设有第一固定架，所有第一固定架的下端均与调节块(27)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种多维动静组合加载岩石力学实验装置，其特征在于：所述静载组件(32)包括静压加载器(321)、投射杆(322)、静压杆和数据处理系统(323)，所述静压加载器(321)安装在投射杆(322)的一端且投射杆(322)的另一端朝向二维动静组合加载机构(5)设置，所述静压杆安装在投射杆(322)内且静压杆与静压加载器(321)相配合，所述投射杆(322)内设有第二应变片，所述第一应变片和第二应变片均与数据处理系统(323)连接。

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