CN110501240A - 一种冲击孔围岩特性测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击孔围岩特性测试系统，压力室总成内设有测试腔，岩样置于测试腔内的下压头上，且冲击钻头的顶端和岩样下端面接触，密封套套设于岩样的外壁上，且密封套的上下两端分别固定连接在上压头和下压头上，岩样密封置于密封套内，轴向引伸计与径向引伸计均固定于密封套的外壁上，加压杆下压上压头，并将上压头压触于岩样上，并将岩样固定于测试腔内。本发明可同时对不同围压、不同冲击频率、不同冲击载荷组合下的冲击孔围岩的变形特性进行测量，使用效果好。

Description

一种冲击孔围岩特性测试系统

技术领域：

本发明涉及一种冲击孔围岩特性测试系统。

背景技术：

在矿山凿岩领域，为了提高钻机的作业效率，往往采用冲击切削复合破岩方法。冲击诱导凿岩原理，如图8所示（图中：44、诱导损伤区岩石，45、冲击破碎区岩石），其工作原理如下：冲击钻43在冲击活塞41的作用下冲击钻凿中心孔，冲击诱导中心孔周围的岩石卸载，且在原岩应力及冲击扰动载荷的作用下产生裂纹，使岩石强度弱化。同时牙轮钻头42对冲击诱导孔周边岩石施加旋转切削力，使岩石切削破碎， P为施加的轴向压力，Q为冲击载荷，T为回转切削力矩。牙轮切削钻具切削诱导围岩损伤区时极大的减小了钻头的磨损、提高了钻孔的效率，然而牙轮切削孔径D和冲击孔d如何匹配，冲击间距L如何选择，尚无明确规范。

因此，在目前冲击切削复合破岩的基础上提出一种冲击孔围岩特性测试系统，为冲击切削复合钻具的合理设计提供试验基础，从而进一步提高冲击切削复合破岩的钻进效率。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种冲击孔围岩特性测试系统。

本发明所采用的技术方案有：一种冲击孔围岩特性测试系统，包括机架、液压马达、加压杆、增压器、空气压缩机、伺服阀、电液比例阀、油源、上压头、轴向引伸计、冲击钻头、振动油缸、径向引伸计、岩样、密封套和设有下压头的压力室总成，所述压力室总成固定于机架上，在压力室总成内设有测试腔，上压头插接于压力室总成上，且上压头的一端伸于压力室总成的测试腔内，下压头的上端置于所述测试腔内，液压马达固定于机架上，且液压马达的输出轴与振动油缸固定连接，振动油缸的输出轴与冲击钻头固定连接，冲击钻头的顶端伸于测试腔内，在冲击钻头上设有吹气孔，空气压缩机通过管路与吹气孔相连通；伺服阀和电液比例阀均与油源相连，伺服阀通过两根管路对应与振动油缸上的进油口和回油口相连通，电液比例阀通过管路与液压马达相连，增压器通过管路与测试腔相连通；加压杆设于机架上，岩样置于测试腔内的下压头上，且冲击钻头的顶端和岩样下端面接触，密封套套设于岩样的外壁上，且密封套的上下两端分别固定连接在上压头和下压头上，岩样密封置于密封套内，轴向引伸计与径向引伸计均固定于密封套的外壁上，加压杆下压上压头，并将上压头压触于岩样上，并将岩样固定于测试腔内。

进一步地，所述压力室总成包括上盖、筒体、下压头和底座，所述筒体上设有测试腔，上盖与底座分别固定于测试腔的上下两侧，下压头固定于底座上，且下压头的顶端伸于测试腔内；上压头依次穿过上盖和筒体并伸于测试腔内，且上压头与下压头同轴线设置。

进一步地，所述下压头的轴心方向上设有钻头孔，冲击钻头置于钻头孔内。

进一步地，所述底座上设有振动油缸上腔孔道、气压孔道和排渣孔，所述伺服阀上的一根管路通过振动油缸上腔孔道与所述振动油缸上的进油口相连，伺服阀上的另一根管路直接与振动油缸上的回油口相连；空气压缩机上的管路与气压孔道相连，排渣孔与下压头上的钻头孔相连通。

进一步地，所述上盖和筒体上设有相互贯通的液压油孔道，液压油孔道与所述测试腔相贯通，增压器通过液压油孔道向测试腔注入液压油。

进一步地，所述机架包括下横梁、立柱和上横梁，两所述立柱固定于下横梁上，上横梁固定于立柱的顶端，液压马达固定于下横梁上，压力室总成置于两立柱之间，加压杆设于上横梁上。

进一步地，所述上横梁的外壁上设有提升油缸，在一根立柱的外壁上设有导轨，导轨上设置移动小车。

进一步地，所述加压杆上设有压力传感器。

进一步地，所述测试系统还包括控制柜，所述增压器、空气压缩机、伺服阀、电液比例阀以及轴向、径向引伸计均对应与控制柜相连。

进一步地，所述密封套为橡胶套，密封套套紧在岩样的外部，且密封套的两端均通过卡箍固定于上压头下部和下压头上部。

本发明具有如下有益效果：

1）液压马达连同冲击钻头共同位于岩样的下部，上压头和加压杆作用于岩样的上部，从而更好的模拟实际凿岩状况。

2）压力室总成内部可以增加加热装置，可以测试不同温度下冲击孔围岩的动态特性。

3）本发明可同时对不同围压、不同冲击频率、不同冲击载荷组合下的冲击孔围岩的变形特性进行测量，是一种新型的复合测试系统。

附图说明：

图 1 为本发明结构图。

图 2 为提升油缸提起筒体放置岩样示意图。

图3 为提升油缸放下筒体示意图。

图4 为移动小车放置压力室总成示意图。

图 5 为本发明中压力室总成的结构图。

图 6 为本发明中振动油缸的原理示意图。

图7 为岩样密封安装示意图。

图 8 为现有的冲击诱导凿岩原理。

图中：

1-液压马达； 2-下横梁；3-立柱； 4-压力室总成 ；5、加压杆；6、压力传感器；7、上横梁；8-增压器；9-空气压缩机；10-伺服阀；11-电液比例阀；12-油源；13-控制柜；14-提升油缸；15-移动小车；16-导轨；17-上盖；18-上压头；20-筒体；21-轴向引伸计；22-冲击钻头；23-下压头；24、液压油孔道；25-底座；26-振动油缸上腔孔道；27-气压孔道；29-振动油缸；30-排渣孔；31-径向引伸计；32-岩样；33-密封套；34-卡箍。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1至图7，本发明一种冲击孔围岩特性测试系统，包括机架、液压马达1、压力室总成4、加压杆5、增压器8、空气压缩机9、伺服阀10、电液比例阀11、油源12、上压头18、轴向引伸计21、冲击钻头22、振动油缸29、径向引伸计31、岩样32和密封套33。

压力室总成4置于机架上，在压力室总成4上设有测试腔40，上压头18插接于压力室总成4上，且上压头18的一端伸于压力室总成4的测试腔40内。液压马达1固定于机架上，且液压马达1的输出轴与振动油缸29固定连接，振动油缸29的输出轴与冲击钻头22固定连接，冲击钻头22的末端和岩样32接触，在冲击钻头22上设有吹气孔220，空气压缩机9通过管路与吹气孔220相连通。

伺服阀10和电液比例阀11均与油源12相连，伺服阀10通过两根管路对应与振动油缸29上的进油口和回油口相连通，电液比例阀11通过管路与液压马达1相连，增压器8通过管路与测试腔40相连通。

加压杆5设于机架中的上横梁7上，套紧岩样的密封套33位于测试腔内，密封套33两端通过卡箍34固定于上压头18下部和下压头23上部，轴向引伸计21与径向引伸计31固定于密封套33的外壁上，

加压杆5下压上压头18，并将上压头18压触于岩样32上，并将岩样32固定于测试腔40内。

本发明中的压力室总成4包括上盖17、筒体20、下压头23和底座25，筒体20上设有测试腔40，上盖17与底座25分别固定于测试腔40的上下两侧，下压头23固定于底座25上，且下压头23的一端伸于测试腔40内；上压头18依次穿过上盖17和筒体20并伸于测试腔40内，且上压头18与下压头23同轴线设置。

在筒体20上端设有滑动孔200，该滑动孔200与测试腔40同轴且贯通，上压头18的外壁上设有台阶部181，在台阶部181的外壁上套设有密封圈，在上压头18与筒体20的穿接结合处设有密封圈和密封垫结构210，密封圈和密封垫结构210为现有技术中的常规密封手段，故本发明不再对此部分内容进行赘述。

在下压头23的轴心方向上设有钻头孔，冲击钻头22置于钻头孔内。

在上压头18将岩样32压触于下压头23上时，为避免测试腔40内的测试液体从下压头23上的钻头孔漏出，因此在岩样32的外部套有密封套33，密封套33套紧岩样32的同时，密封套33的上部和下部被卡箍34卡紧与上压头的下端和下压头的上端，密封套33将岩样、钻头和测试腔40隔开。

在底座25上设有振动油缸上腔孔道26、气压孔道27和排渣孔30，伺服阀10上的一根管路通过振动油缸上腔孔道26与所述振动油缸29进油口相连，伺服阀10上的另一根管路直接与振动油缸29上的回油口相连。

空气压缩机9上的管路与气压孔道27相连，排渣孔30与下压头23上的钻头孔相连通。

本发明中的机架包括下横梁2、立柱3和上横梁7，两立柱3固定于下横梁2上，上横梁7固定于立柱3的顶端，液压马达1固定于下横梁2上，压力室总成4置于两立柱3之间，螺栓将压力室底座25固定于下横梁2上，加压杆5设于上横梁7上。本发明中的加压杆5通过油缸驱动，在加压杆5上设有压力传感器6，压杆5的压力值通过压力传感器6测得。

上横梁7的外壁上设有提升油缸14，在一根立柱3的外壁上设有导轨16，导轨16上设置移动小车15。更换岩样32时，松开液压马达和振动油缸的连接，松开压力室底座下横梁的连接，驱动油缸驱动加压杆5下降，下降到位后加压杆5通过特殊连接套和压力室总成4连接，驱动油缸上升带动压力室总成上升，移动小车15滚动至压力室总成4的下方，驱动油缸下降，将压力室总成放置于移动小车15上，移动小车将压力室总成移动于提升油缸14下部。松开压力室总成中的筒体和底座连接的螺栓，提升油缸下降接触压力室总成的上压头，并通过连接套和上压头连接，连接后提升油缸带动筒体上升，打开压力室总成，即可更换岩样。更换完岩样，按相应顺序将压力室总成置于加压杆5下方，即可进行新一轮试验。

本发明还包括控制柜13，增压器8、空气压缩机9、伺服阀10、电液比例阀11以及轴向、径向引伸计均对应与控制柜13相连。

在使用时，在岩样32的外壁的密封套33上固定轴向引伸计21和径向引伸计31，然后将岩样32置于筒体20内（初始位置时压力室总成在加压杆5的作用下置于移动小车15上，安装岩样时，提升油缸14通过转接件将压力室筒体吊起（如图2所示），岩样安装完毕后，提升油缸14下降将筒体放置于压力室总成的底座上（如图3所示），之后提升油缸缩回。移动小车15将压力室总成移动置于加压杆5的下方（如图4所示）。加压杆5在驱动油缸的带动下伸出，并通过连接件连接压力室总成，之后驱动油缸上升，带动整个压力室上升，此时可以将移动小车15移至合适位置，如图4所示。驱动油缸将压力室总成放下，松开并移走加压杆5和压力室总成的连接件，将压力室总成的底座固定于下横梁上，即可开始试验。

为了模拟实际有地压条件下岩样的破碎特性，增压器8通过液压油孔道24向测试腔40冲入液压油，测试腔内液压油的压力（围压压力）由增压器8控制，通过增压器8调定岩样周围不同油压压力（围压压力）来模拟不同深度岩石所受的地压压力。

加压杆5在油缸的作用下伸出压紧上压头18，压紧力可由压力传感器6测得，达到设定压紧力时，加压杆5停止伸出。上压头18将岩样32压紧于下压头23上。

油源12通过电液比例阀11带动液压马达1旋转，由于液压马达1的输出轴通过连接杆和振动油缸29连接，振动油缸29和冲击钻头22通过螺纹直接连接，故振动油缸和冲击钻杆随液压马达共同旋转。

振动油缸29中的活塞杆通过进油和回油实现往复运动（如图6），振动油缸29的结构与原理均为现有的技术内容，故本发明不再对振动油缸29的具体结构和原理进行赘述。

液压马达1通过振动油缸29旋转的同时，伺服阀10带动振动油缸的活塞杆往复振动，从而带动冲击钻头22旋转冲击岩样32，同时空气压缩机9产生的风能通过气压孔道27进入冲击钻头22的吹气孔220内，使得冲击钻头22冲击岩样32过程中的破碎的岩屑通过排渣孔30排出。

冲击钻头22的冲击频率由伺服阀10调节，排渣气压由空气压缩机9调节。轴向引伸计21和径向引伸计31靠弹簧卡箍卡紧固定在密封套33上，密封套33套紧在岩样的外部，密封套33为薄的带弹性的橡胶套。岩样芯部在冲击钻头的旋转冲击作用下破碎时，岩样的外圈在钻头的旋转冲击作用下会产生裂纹并不断扩张，大量不断扩张的裂纹会使岩样外壁发生轴向和径向位移，岩样的轴向和径向位移可由张紧的密封套传递给轴向和径向引伸计，故轴向和径向引伸计可测量不同冲击频率和冲击载荷作用下，冲击孔围岩的轴向和径向位移特性。冲击孔围岩外部测试腔的围压压力（液压油油压），由增压器调定，这样可对不同围压作用下冲击孔围岩的轴向和径向位移特性进行测定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种冲击孔围岩特性测试系统，其特征在于：包括机架、液压马达（1）、加压杆（5）、增压器（8）、空气压缩机（9）、伺服阀（10）、电液比例阀（11）、油源（12）、上压头（18）、轴向引伸计（21）、冲击钻头（22）、振动油缸（29）、径向引伸计（31）、岩样（32）、密封套（33）和设有下压头（23）的压力室总成（4），所述压力室总成（4）固定于机架上，在压力室总成（4）内设有测试腔（40），上压头（18）插接于压力室总成（4）上，且上压头（18）的一端伸于压力室总成（4）的测试腔（40）内，下压头（23）的上端置于所述测试腔（40）内，液压马达（1）固定于机架上，且液压马达（1）的输出轴与振动油缸（29）固定连接，振动油缸（29）的输出轴与冲击钻头（22）固定连接，冲击钻头（22）的顶端伸于测试腔（40）内，在冲击钻头（22）上设有吹气孔（220），空气压缩机（9）通过管路与吹气孔（220）相连通；伺服阀（10）和电液比例阀（11）均与油源（12）相连，伺服阀（10）通过两根管路对应与振动油缸（29）上的进油口和回油口相连通，电液比例阀（11）通过管路与液压马达（1）相连，增压器（8）通过管路与测试腔（40）相连通；加压杆（5）设于机架上，岩样（32）置于测试腔（40）内的下压头（23）上，且冲击钻头（22）的顶端和岩样下端面接触，密封套（33）套设于岩样（32）的外壁上，且密封套（33）的上下两端分别固定连接在上压头（18）和下压头（23）上，岩样（32）密封置于密封套（33）内，轴向引伸计（21）与径向引伸计（31）均固定于密封套（33）的外壁上，加压杆（5）下压上压头（18），并将上压头（18）压触于岩样（32）上，并将岩样（32）固定于测试腔（40）内。

2.如权利要求1所述的冲击孔围岩特性测试系统，其特征在于：所述压力室总成（4）包括上盖（17）、筒体（20）、下压头（23）和底座（25），所述筒体（20）上设有测试腔（40），上盖（17）与底座（25）分别固定于测试腔（40）的上下两侧，下压头（23）固定于底座（25）上，且下压头（23）的顶端伸于测试腔（40）内；上压头（18）依次穿过上盖（17）和筒体（20）并伸于测试腔（40）内，且上压头（18）与下压头（23）同轴线设置。

3.如权利要求2所述的冲击孔围岩特性测试系统，其特征在于：所述下压头（23）的轴心方向上设有钻头孔，冲击钻头（22）置于钻头孔内。

4.如权利要求3所述的冲击孔围岩特性测试系统，其特征在于：所述底座（25）上设有振动油缸上腔孔道（26）、气压孔道（27）和排渣孔（30），所述伺服阀（10）上的一根管路通过振动油缸上腔孔道（26）与所述振动油缸（29）上的进油口相连，伺服阀（10）上的另一根管路直接与振动油缸（29）上的回油口相连；空气压缩机（9）上的管路与气压孔道（27）相连，排渣孔（30）与下压头（23）上的钻头孔相连通。

5.如权利要求3所述的冲击孔围岩特性测试系统，其特征在于：所述上盖（17）和筒体（20）上设有相互贯通的液压油孔道（24），液压油孔道（24）与所述测试腔（40）相贯通，增压器（8）通过液压油孔道（24）向测试腔（40）注入液压油。

6.如权利要求1所述的冲击孔围岩特性测试系统，其特征在于：所述机架包括下横梁（2）、立柱（3）和上横梁（7），两所述立柱（3）固定于下横梁（2）上，上横梁（7）固定于立柱（3）的顶端，液压马达（1）固定于下横梁（2）上，压力室总成（4）置于两立柱（3）之间，加压杆（5）设于上横梁（7）上。

7.如权利要求6所述的冲击孔围岩特性测试系统，其特征在于：所述上横梁（7）的外壁上设有提升油缸（14），在一根立柱（3）的外壁上设有导轨（16），导轨（16）上设置移动小车（15）。

8.如权利要求1所述的冲击孔围岩特性测试系统，其特征在于：所述加压杆（5）上设有压力传感器（6）。

9.如权利要求1所述的冲击孔围岩特性测试系统，其特征在于：所述测试系统还包括控制柜（13），所述增压器（8）、空气压缩机（9）、伺服阀（10）、电液比例阀（11）以及轴向、径向引伸计均对应与控制柜（13）相连。

10.如权利要求1所述的冲击孔围岩特性测试系统，其特征在于：所述密封套（33）为橡胶套，密封套（33）套紧在岩样（32）的外部，且密封套（33）的两端均通过卡箍（34）固定于上压头（18）下部和下压头（23）上部。