CN112014227A - 一种活塞杆自平衡主动卸载作动器及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种活塞杆自平衡主动卸载作动器及使用方法，包括作动器端盖；所述作动器端盖、环形端盖、单利缸筒及密封法兰依次连接，所述作动器端盖中心孔内安装有位移传感器，在所述反力缸筒内安装有自平衡活塞杆，自平衡活塞杆将作动器端盖、环形端盖及反力缸筒形成的腔体分隔成自平衡腔、液压加载腔及气压保护腔，所述自平衡活塞杆伸出反力缸筒部分端部设置有测力传感器，所述测力传感器及位移传感器通过光纤电缆依次与控制器及电脑连接。采用三腔结构设计，使压力室高液压对活塞加载没有影响，使测力传感器直接测试作用于岩样表面的应力，使压力卸载使作动器自动退回底部。新的作动器系统保证了试验获得岩样强度值得准确性，保证了系统安全性。

Description

一种活塞杆自平衡主动卸载作动器及使用方法

技术领域

本发明属于岩石室内加载试验技术领域，具体涉及一种活塞杆自平衡主动卸载作动器及使用方法，活塞杆自平衡主动卸载作动器主要适用于真三轴试验机。

背景技术

岩石作为地壳的主要组成物质，不可或缺的影响着人类的生活。地铁隧道、深部矿山、水利水电、核废料处置库的建设都需要面临着岩石失稳破坏引起的塌方、岩爆及大变形等灾害。为了充分揭示岩石的力学特性，岩石室内试验是最简单最直接的方法。岩石力学试验机是室内研究岩石力学特性不可或缺的手段之一。

随着科学技术的发展，真三轴试验机逐渐取代以往只能进行σ₂＝σ₃状态下加载的常规试验机。真三轴试验机液包括两种，一种采用6个刚性压头对方形岩样6个加载面直接接触的加载方式进行试验；另一种是最大主应力方向和中间主应力方向采用4个刚性压头直接接触的加载方式，而最小主应力方向通过高压油进行加载。这种利用高压油进行最小主应力加载的试验机均包含了一个可以承受高液压压力的压力室。

含高液压压力室的真三轴试验装置在对最大主应力和最小主应力方向进行刚性加载时，需要采用作动器提供力的输出。如果采用传统作动器直接与岩石接触进行加载，由于作动器此时也处于高液压压力室内，其输出力必定受压力室内的高液压影响。另一种加载结构是将作动器置于压力室外部，在压力室四周装有自平衡活塞，然后自平衡活塞与岩样直接接触。自平衡活塞的作用是保证高液压对作动器输出的力没有影响。但是，由于自平衡活塞运动时产生摩擦力，使作动器作用于岩样的力并不真实。因此，有必要发明一种新的作动器，同时满足压力室内高液压对作动器输出力没有影响。而且作动器可以直接作用于岩石表面，使获得的岩石强度更加精确。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种活塞杆自平衡主动卸载作动器及使用方法，采用该活塞杆自平衡主动卸载作动器的硬岩真三轴剪切试验机，能够实现作动器与岩样直接接触式加载，而且作动器输出应力始终为σ₁-σ₃，即作动器不受压力室高液压影响。除此之外，在完成实验后进行压力卸载时，活塞杆可以自主运动至作动器底部。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种活塞杆自平衡主动卸载作动器，包括自平衡活塞杆、作动器端盖及密封法兰；所述作动器端盖中心孔内安装有位移传感器，用于测量自平衡活塞杆位移量，所述环形端盖的中心孔内套有高压密封套，所述作动器端盖嵌入环形端盖的中心孔一端且通过螺栓紧固，环形端盖另一端小直径处嵌入反力缸筒中心孔内且通过螺栓紧固，反力缸筒通过环形端盖的大直径处端面定位，所述反力缸筒内安装有自平衡活塞杆，自平衡活塞杆将作动器端盖、环形端盖及反力缸筒形成的腔体分隔成自平衡腔、液压加载腔及气压保护腔，自平衡活塞杆外圆套装有密封法兰，密封法兰嵌入反力缸筒中心孔另一端且通过螺栓紧固，所述自平衡活塞杆伸出反力缸筒部分端部设置有测力传感器，用于测量施加于岩石试样的真实力值大小，所述测力传感器及位移传感器通过光纤电缆依次与控制器及电脑连接，实施采集数据。

所述自平衡活塞杆为阶梯状，由前段、中段及后段收尾相连一体成型，前段截面面积与后段截面面积相等，所述自平衡活塞杆沿轴向开设有一个贯通自平衡活塞杆前段及后段的自平衡通孔。

所述自平衡活塞杆与作动器端盖及高压密封套之间形成的密封腔为自平衡腔，自平衡腔用于平衡真三轴试验机液压压力室高液压压力；所述自平衡活塞杆与环形端盖及反力缸筒之间形成的密封腔为液压加载腔，液压加载腔提供刚性活塞输出力的动力；所述自平衡活塞杆与反力缸筒及密封法兰之间形成的密封腔为气压保护腔，气压保护腔确保压力卸载时自平衡活塞杆自动向后退回安全位置。

所述环形端盖上开设有与液压加载腔连通的液压加载通孔，液压加载通孔通过管线与液压加载系统连接，用于向液压加载腔中注入高压液体，使自平衡活塞杆运动。

所述反力缸筒为圆环形结构，内部有圆环形空腔，反力缸筒上开设有与气压保护腔连通的气压加载通孔，且气压加载通孔通过管线与气压输送装置连接。

所述自平衡腔通过自平衡活塞杆的自平衡通孔与真三轴试验机的液压压力室连接，保证真三轴试验机的液压压力室内高压油可以通过自平衡通孔进入自平衡腔内，此时自平衡腔内液压作用于自平衡活塞杆末端截面的压力与真三轴试验机的液压压力室内高压液体作用于自平衡活塞杆前端截面的压力相互抵消，达到自平衡作用。

一种活塞杆自平衡主动卸载作动器的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，将测力传感器及位移传感器输出端分别与控制器的输入端连接，将控制器的输出端与电脑连接；将液压加载通孔通过管线与液压加载系统连接，气压加载通孔通过管线与气压输送装置连接；

步骤2，正式试验前，气压输送装置通过气压加载通孔持续向气压加载腔中打入压力，使得自平衡活塞杆和压力传感器在气压作用下处于作动器框架端部；

步骤3，将岩石试样试样放入真三轴试验机的液压压力室中，并确保岩石试样端面与测力传感器端面正对且平行；

步骤4，启动液压加载系统，向液压压力室中注入液压油并使液压压力室内压力达到设置值，此时液压压力室内的液压油通过自平衡通孔进入自平衡腔内，使自平衡活塞杆前段端部和后段端部受压一致，使整个加载过程中，自平横活塞杆保持不动；

步骤5，通过液压加载系统向液压加载腔注入液压油，推动自平衡活塞杆向岩石试样一端移动并将压力作用于岩石试样上，通过位移传感器及测力传感器实施监测，并通过控制器反馈给电脑；当压力加载到设置的目标值后，试验结束；

步骤6，试验结束后，卸载液压加载腔中的压力，气压保护腔中的压力将推动自平衡活塞杆自主向远离岩石试样一端后退归位。

本发明的有益效果为：

本发明与现有技术相比，首次将压力自平衡系统与活塞杆集成在一起。采用三腔结构设计，使压力室高液压对活塞加载没有影响，使测力传感器直接测试作用于岩样表面的应力，使压力卸载使作动器自动退回底部。降低轴向力传导距离，提高作用于岩样上的综合刚度。新的作动器系统保证了试验获得岩样强度值得准确性，保证了系统安全性。

附图说明

图1为本发明活塞杆自平衡主动卸载作动器结构示意图；

1-位移传感器，2-作动器端盖，3-液压加载通孔，4-反力缸筒，5-气压加载通孔，6-密封法兰，7-自平衡活塞杆，8-自平衡通孔，9-气压保护腔，10-液压加载腔，11-环形端盖，12-自平衡腔，13-测力传感器，14-岩石试样。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种活塞杆自平衡主动卸载作动器，包括自平衡活塞杆7、作动器端盖2及密封法兰6；所述作动器端盖2中心孔内安装有位移传感器1，位移传感器1为LVDT位移传感器，用于测量自平衡活塞杆7位移量，所述环形端盖11的中心孔内套有高压密封套，所述作动器端盖2嵌入环形端盖11的中心孔内且通过螺栓紧固，高压密封套一端抵在作动器端盖2位于环形端盖11中心孔内的端面上，环形端盖11另一端小直径处嵌入反力缸筒4中心孔一端且通过螺栓紧固，反力缸筒4通过环形端盖11的大直径处端面定位，所述反力缸筒4内部安装有自平衡活塞杆7，自平衡活塞杆7将作动器端盖2、环形端盖11及反力缸筒4形成的腔体分隔成自平衡腔12、液压加载腔10及气压保护腔9，自平衡活塞杆7外圆套装有密封法兰6，密封法兰6嵌入反力缸筒4中心孔另一端且通过螺栓紧固，所述自平衡活塞杆7伸出反力缸筒4部分端部设置有测力传感器13，用于测量施加于岩石试样14的真实力值大小，所述测力传感器13及位移传感器1通过光纤电缆依次与控制器及电脑连接，实施采集数据。

所述自平衡活塞杆7为阶梯状，由前段、中段及后段收尾相连一体成型，前段截面面积与后段截面面积相等，所述自平衡活塞杆7沿轴向开设有一个贯通自平衡活塞杆7前段及后段的自平衡通孔8。

所述自平衡活塞杆7与作动器端盖2及高压密封套之间形成的密封腔为自平衡腔12，自平衡腔12用于平衡真三轴试验机液压压力室高液压压力；所述自平衡活塞杆7与环形端盖11及反力缸筒4之间形成的密封腔为液压加载腔10，液压加载腔10提供刚性活塞输出力的动力；所述自平衡活塞杆7与反力缸筒4及密封法兰6之间形成的密封腔为气压保护腔9，气压保护腔9确保压力卸载时自平衡活塞杆7自动向后退回安全位置。

所述环形端盖11上开设有与液压加载腔10连通的液压加载通孔3，液压加载通孔3通过管线与液压加载系统连接，用于向液压加载腔10中注入高压液体，使自平衡活塞杆7运动。

所述反力缸筒4为圆环形结构，内部有圆环形空腔，反力缸筒4上开设有与气压保护腔9连通的气压加载通孔5，且气压加载通孔5通过管线与气压输送装置连接。

所述自平衡腔12通过自平衡活塞杆7的自平衡通孔8与真三轴试验机的液压压力室连接，保证真三轴试验机的液压压力室内高压油可以通过自平衡通孔8进入自平衡腔12内，此时自平衡腔12内液压作用于自平衡活塞杆7末端截面的压力与真三轴试验机的液压压力室内高压液体作用于自平衡活塞杆7前端截面的压力相互抵消，达到自平衡作用。

一种活塞杆自平衡主动卸载作动器的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，将测力传感器13及位移传感器1输出端分别与控制器的输入端连接，将控制器的输出端与电脑连接；将液压加载通孔3通过管线与液压加载系统连接，气压加载通孔5通过管线与气压输送装置连接；

步骤2，正式试验前，气压输送装置通过气压加载通孔5持续向气压加载腔中打入0.1MPa压力，使得自平衡活塞杆7和压力传感器在气压作用下处于作动器框架端部；

步骤3，将岩石试样14试样放入真三轴试验机的液压压力室中，并确保岩石试样14端面与测力传感器13端面正对且平行；

步骤4，启动液压加载系统，向液压压力室中注入液压油并使液压压力室内压力达到设置值，此时液压压力室内的液压油通过自平衡通孔8进入自平衡腔12内，使自平衡活塞杆7前段端部和后段端部受压一致，使整个加载过程中，自平横活塞杆保持不动；

步骤5，通过液压加载系统向液压加载腔10注入液压油，推动自平衡活塞杆7向岩石试样14一端移动并将压力作用于岩石试样14上，通过位移传感器1及测力传感器13实施监测，并通过控制器反馈给电脑；当压力加载到设置的目标值后，试验结束；

步骤6，试验结束后，卸载液压加载腔10中的压力，气压保护腔9中的压力将推动自平衡活塞杆7自主向远离岩石试样14一端后退归位。

Claims (7)

1.一种活塞杆自平衡主动卸载作动器，其特征在于，包括自平衡活塞杆、作动器端盖及密封法兰；所述作动器端盖中心孔内安装有位移传感器，用于测量自平衡活塞杆位移量，所述环形端盖的中心孔内套有高压密封套，所述作动器端盖嵌入环形端盖的中心孔一端且通过螺栓紧固，环形端盖另一端小直径处嵌入反力缸筒中心孔内且通过螺栓紧固，反力缸筒通过环形端盖的大直径处端面定位，所述反力缸筒内安装有自平衡活塞杆，自平衡活塞杆将作动器端盖、环形端盖及反力缸筒形成的腔体分隔成自平衡腔、液压加载腔及气压保护腔，自平衡活塞杆外圆套装有密封法兰，密封法兰嵌入反力缸筒中心孔另一端且通过螺栓紧固，所述自平衡活塞杆伸出反力缸筒部分端部设置有测力传感器，所述测力传感器及位移传感器通过光纤电缆依次与控制器及电脑连接。

2.根据权利要求1所述的一种活塞杆自平衡主动卸载作动器，其特征在于：所述自平衡活塞杆为阶梯状，由前段、中段及后段收尾相连一体成型，前段截面面积与后段截面面积相等，所述自平衡活塞杆沿轴向开设有一个贯通自平衡活塞杆前段及后段的自平衡通孔。

3.根据权利要求1所述的一种活塞杆自平衡主动卸载作动器，其特征在于：所述自平衡活塞杆与作动器端盖及高压密封套之间形成的密封腔为自平衡腔；所述自平衡活塞杆与环形端盖及反力缸筒之间形成的密封腔为液压加载腔；所述自平衡活塞杆与反力缸筒及密封法兰之间形成的密封腔为气压保护腔。

4.根据权利要求所述的一种活塞杆自平衡主动卸载作动器，其特征在于：所述环形端盖上开设有与液压加载腔连通的液压加载通孔，液压加载通孔通过管线与液压加载系统连接。

5.根据权利要求1所述的一种活塞杆自平衡主动卸载作动器，其特征在于：所述反力缸筒为圆环形结构，内部有圆环形空腔，反力缸筒上开设有与气压保护腔连通的气压加载通孔，且气压加载通孔通过管线与气压输送装置连接。

6.根据权利要求1所述的一种活塞杆自平衡主动卸载作动器，其特征在于：所述自平衡腔通过自平衡活塞杆的自平衡通孔与真三轴试验机的液压压力室连接，使真三轴试验机的液压压力室内高压油可以通过自平衡通孔进入自平衡腔内。

7.根据权利要求1所述的一种活塞杆自平衡主动卸载作动器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将测力传感器及位移传感器输出端分别与控制器的输入端连接，将控制器的输出端与电脑连接；将液压加载通孔通过管线与液压加载系统连接，气压加载通孔通过管线与气压输送装置连接；

步骤2，正式试验前，气压输送装置通过气压加载通孔持续向气压加载腔中打入压力，使得自平衡活塞杆和压力传感器在气压作用下处于作动器框架端部；

步骤3，将岩石试样试样放入真三轴试验机的液压压力室中，并确保岩石试样端面与测力传感器端面正对且平行；

步骤4，启动液压加载系统，向液压压力室中注入液压油并使液压压力室内压力达到设置值，此时液压压力室内的液压油通过自平衡通孔进入自平衡腔内，使自平衡活塞杆前段端部和后段端部受压一致，使整个加载过程中，自平横活塞杆保持不动；

步骤5，通过液压加载系统向液压加载腔注入液压油，推动自平衡活塞杆向岩石试样一端移动并将压力作用于岩石试样上，通过位移传感器及测力传感器实施监测，并通过控制器反馈给电脑；当压力加载到设置的目标值后，试验结束；

步骤6，试验结束后，卸载液压加载腔中的压力，气压保护腔中的压力将推动自平衡活塞杆自主向远离岩石试样一端后退归位。

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