CN112986026B - 一种岩石高频高载的循环动载试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种岩石高频高载的循环动载试验装置及试验方法。所述循环动载试验装置包括三轴仪、静载油缸、动载油缸、循环动载泵和监控系统；所述静载油缸为试体提供轴向静载；静载油缸置于刚性反力架的下横梁上，动载油缸同轴置于静载油缸的上部，动载油缸的下活塞杆与静载油缸的上活塞杆连接；所述循环动载泵在变频电动机循环往复的驱动下2台活塞泵通过大通量通油腔孔及大通量油管分别向动载油缸的上缸、下缸输送经滚珠丝杠推动活塞泵的缸体在滑行导轨上移动而调节压力的油液为试体提供零至设定值的循环动载，监控系统包括电液伺服仪和计算机。本发明可为岩石试验提供高频、高载且无级可调的循环动载，特别适用于现有岩石三轴仪的改造。

Description

一种岩石高频高载的循环动载试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于岩石力学试验领域，涉及岩石循环动载试验技术，具体是一种岩石高频高载的循环动载试验装置及试验方法。

背景技术

在土木工程领域，岩土体作为建筑物、构筑物的基础，不仅承受着静态荷载的作用，还要经受着爆炸、冲击、地震等动态荷载的不利影响。地震和工程爆破直接给附近建筑物、构筑物、自然山体和地基基础带来动力荷载的冲击作用，奔驰中的列车给轨道、桥梁带来反复的循环荷载，高速运转的大型机械对地基基础带来长时间、高频率的持续振动，高坝发电厂房的引水管中高速紊流对弯曲管壁的冲击震动，这些问题对岩土体动力学研究提出了新的课题。土体动三轴试验起步较早，已有满足科研和工程需求的动三轴试验设备和研究方法。因此，研究循环荷载作用下岩石的动力学特性，提出岩体疲劳破坏准则和应对措施是当前需要解决的工程问题。

目前，由于岩土动力学试验研究目的、方法的不同，加载装置的侧重点有所不同，存在较大差异。土体动三轴试验的动荷载试验采用液体加载方式的荷载低，气液联动加载的最大动荷载1000kN，一般频率0.01Hz～1Hz，最高10Hz。国外岩石动三轴试验最大动荷载800kN，一般频率0～10Hz，最高20Hz。国内的大型粗粒土动三轴仪1可进行粗粒土的双向激振动力三轴试验，最大轴向静荷载1500kN，最大轴向动荷载500kN，最大动载频率10Hz；双向振动大型三轴仪1轴向荷载1000kN，双向同步耦合有效频率2Hz，轴向加载频率20Hz，横向加载有效频率2Hz；RMT-150B、RMT-401多功能全自动刚性岩石伺服试验机的振动频率范围为0.01Hz～1Hz,最大荷载1500kN。英国GDS公司的DYNTTS全自动多功能静/动三轴仪1竖向激振频率0.01Hz～5Hz，轴向静/动荷载0～40kN。美国GCTS公司RTX-1000轴向压力1000kN，轴向拉力820kN，动态荷载800kN，加载频率0～10Hz。

SHPB圈试验装置(岩石霍普金森杆试验系统)主要是材料的冲击应力波试验，不能进行循环试验和疲劳试验。圆柱型音电机虽然频率高，但仅能够产生0.7N～2500N的动荷载，提供的循环动载偏低。目前国内岩体动三轴试验设备仅能做振动荷载下的三轴试验，不能进行循环动荷载下的动载试验，国外设备昂贵。气液联动加载管路复杂，需配备高压、高速启闭的电磁阀，国内尚无性能匹配的替代产品，进口价格昂贵，且电磁阀流量小，启闭延时长，使动荷载频率较低，不能满足高频率、高荷载的循环动载试验的需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种岩石高频高载的循环动载试验装置及试验方法，可进行循环动荷载下的动载试验，满足高频率、高荷载的循环动载试验的需求。

本发明具体的技术方案如下：

一种岩石高频高载的循环动载试验装置，包括三轴仪、循环动载泵和监控系统，三轴仪中设有静载油缸、动载油缸，所述静载油缸置于三轴仪的刚性反力架的下横梁上，用于向岩石试体提供轴向静载，动载油缸同轴置于静载油缸的上部，动载油缸由与上活塞杆、下活塞杆一体连接的活塞分隔为上缸和下缸，动载油缸的下活塞杆与静载油缸的活塞杆连接，所述循环动载泵用于在变频电动机的驱动下向动载油缸的上缸、下缸输送经滚珠丝杠推动左活塞泵的缸体、右活塞泵的缸体移动而调节压力的油液给岩石试体提供循环动载，所述监控系统包括计算机、与计算机连接的电液伺服仪。

进一步的，静载油缸的缸体与动载油缸的缸体为一体结构或可同轴组合的分体结构，静载油缸包括缸体、设于缸体内的活塞、与活塞连接的活塞杆，缸体的上下两端分别设有上缸盖、下缸盖，活塞将活塞腔分隔为上缸和下缸，上缸设有上通油孔，下缸设有下通油孔，动载油缸的下活塞杆3d与静载油缸的活塞杆丝接，

进一步的，动载油缸包括缸体、设于缸体内的活塞、与活塞一体连接的上活塞杆、下活塞杆，上活塞杆和下活塞杆的直径相等，活塞将缸体分隔为上缸和下缸，上缸和下缸四周分别环向对称设置2个同等截面积的圆形通油腔孔，即上缸左通油腔孔、上缸右通油腔孔、下缸左通油腔孔、下缸右通油腔孔，且动载油缸的上缸左通油腔孔、上缸右通油腔孔、下缸左通油腔孔、下缸右通油腔孔的截面积与动载油缸的活塞出力面积相等。

进一步的，循环动载泵包括变频电动机、设于变频电动机两侧的左活塞泵、右活塞泵，所述变频电动机两转轴端设有飞轮，飞轮、分别使用连杆与左活塞泵、右活塞泵的活塞杆连接；所述左活塞泵、右活塞泵外端侧安装由伺服电机驱动的滚珠丝杠，下方敷设可使左活塞泵、右活塞泵移动的滑行轨道，外端侧安装滚珠丝杠，滚珠丝杠、中的丝杠螺杆分别与左活塞泵的左端盖、右活塞泵的右端盖丝接。

进一步的，循环动载泵的左活塞泵的活塞、右活塞泵的活塞的出力面积等于动载油缸的活塞出力面积，在左活塞泵、右活塞泵的出口段设置与动载油缸相同的通油腔孔，循环动载泵的左活塞泵、右活塞泵的通油腔孔与动载油缸的下缸的通油腔孔、和上缸的通油腔孔、之间分别用2根大通量的金属油管连接。

进一步的，循环动载泵的左活塞泵的缸体、右活塞泵的缸体上开设阀腔孔，阀腔孔中安装锥形阀，锥形阀的活塞至锥形柱塞中间开设中心油孔，中心油孔与锥形柱塞上的水平油孔联通，与左活塞泵的活塞腔、右活塞泵的活塞腔连通的通油孔直径小于阀腔孔的直径，阀盖上的锥孔与阀锥柱塞相匹配，阀盖与缸体丝接，锥形阀出油口用油管接溢流油箱，溢流油箱上开设溢流孔，油液液面及溢流孔底面与动载油缸的活塞的中心水平截面在同一水平面上。

进一步的，循环动载泵的左活塞泵、右活塞泵的活塞杆外露段分别穿过靠近变频电动机的导向柱中的导向孔后由连杆分别连接到变频电动机飞轮的边缘上，在变频电动机运行过程中两飞轮上的左连杆连接点、右连杆连接点与变频电动机中心点在同一条直线上且对称。

进一步的，还包括岩石试体变形测量仪、静载油泵、围压油泵、压力监测仪，静载油泵与静载油缸、围压油泵与三轴压力室分别用油管联通，静载油缸、静载油泵、动载油缸、循环动载泵、三轴压力室和围压油泵及压力监测仪通过油压管路和线路接入监控系统的电液伺服仪，岩石试体上安装的环向引伸仪、轴向引伸仪接入岩石试体变形测量仪，石试体变形测量仪和变频电动机的变频控制器接入计算机。

进一步的，在动载油缸、循环动载泵的活塞泵和金属油管表面包裹水冷外壳层，分别用水管接入水冷管路。

一种基于上述岩石高频高载的循环动载试验装置进行的循环动载试验方法，包括如下步骤：

(1)接通电源、水源，打开计算机，启动电液伺服仪预热，打开水冷开关，检查线路、管路，检查、调试各仪器；

(2)安装岩石试体于试验压力台中间，在岩石试体上安装测量的引伸仪，下移三轴压力室与试验压力台对接，升长上压柱使岩石试体轴压传感器预接触岩石试体，用螺丝固定、密封三轴压力室；

(3)通过计算机操控电液伺服仪，将变频电动机的飞轮上的左连杆连接点、右连杆连接点处于铅直位置，且左连杆连接点处于最低点，向动载油缸的上缸、下缸和循环动载泵的左活塞泵的、右活塞泵充满零压力的油液，并使动载油缸的活塞处于动载油缸的中部且活塞的中心水平截面与溢流油箱中的油液液面在同一高程，并排净空气；

(4)操作计算机给岩石试体施加静载、围压至设定值，在一个荷载组合的试验过程中，始终保持静载油缸的油液处于稳压状态；通过计算机将静载轴压、围压加载至预定荷载，设置循环动载最高荷载值和频率；

(5)当安装调试完成后，按照设置预定的荷载组合，通过计算机操控电液伺服仪，启动变频电动机和滚珠丝杠，使循环动载达到预定荷载和频率进行循环动载试验；

(6)试验完成后，先停止变频电动机和滚珠丝杠的伺服电机，使动载油缸内的油液压力为零，缓慢匀速卸掉静载油缸的油液压力；上升三轴压力室，取出岩石试体；

(7)关闭电液伺服仪和计算机，关闭电源和水源，结束试验。

本发明的有益效果：

1.采用双活塞泵、双向加载的动载油缸和循环动载泵，动载油缸与静载油缸分离，避免荷载相互干扰，控制方便，且可大幅提高循环荷载幅值；

2.动载油缸与循环动载泵的活塞泵直接用管路连接，且流量相等，无需使用昂贵的进口大流量、高频率电磁阀，使荷载传递无延迟，从而提高循环荷载加载频率，加载频率与变频电动机的频率相等且可调；

3.采用滚珠丝杠调节活塞泵至变频电动机的距离，使活塞泵和动载油缸的油液压力可调，从而可以在试验过程中提供无级调节的、稳定的循环荷载；

4.特别利于现有静三轴仪的改造，将动载油缸置于静载三轴仪的轴向油缸上对接活塞杆，循环动载泵装置接入控制系统，增加伺服控制模块即可完成改造，且改造成本低。

附图说明

图1是本发明实施例岩石高频高载的循环动载试验装置的结构示意图；

图2是本发明中动载油缸与静载油缸的立剖面图；

图3是本发明中动载油缸上缸通油腔孔横截面图；

图4是本发明中动载油缸下缸通油腔孔横截面图；

图5是本发明中循环动载泵的平剖面图；

图6是本发明中锥形阀及油箱立剖面图；

图7是本发明中循环动载泵中活塞泵及滑行轨道的立剖面图；

图8是本发明岩石试体静载和动载P-W飞轮转角曲线图；

图9是本发明中岩石试体循环动载P-W飞轮转角曲线图。

图中附图标记分述如下：

1—三轴仪，1a—刚性反力架，1b—三轴压力室，1b1—三轴压力室压环，1c—上压柱，1d—岩石试体，1e—试验压力台，1f—油缸室；

2—静载油缸，2a—缸体，2b—活塞杆，2c—活塞，2d—活塞腔，2d1—上缸，2d2—下缸，2e—上缸盖，2f—下缸盖，2g—上通油孔，2h—下通油孔；

3—动载油缸，3a—缸体，3b—上活塞杆，3c—活塞，3d—下活塞杆，3e—上缸，3f—下缸，3g—上缸盖，3h—下缸盖，3i—上缸左通油腔孔，3j—上缸右通油腔孔，3k—下缸左通油腔孔，3l—下缸右通油腔孔；

4—动载油缸与静载油缸连接段，4a—动载油缸与静载油缸分界面，4b—动载油缸下活塞杆与静载油缸上活塞杆对接面；

5—循环动载泵，

5a—左活塞泵，5a1—缸体，5a2—通气孔，5a3—左活塞杆导向孔，5a4—通油腔孔，5a5—活塞，5a6—活塞腔，5a7—左活塞杆，5a8—右端盖，

5b—活塞泵活塞杆导向柱，5b1—左活塞泵右活塞杆导向柱，5b2—右活塞泵5d活塞杆导向柱，

5c—变频电动机，5c1—基座，5c2—飞轮，5c2a—飞轮a，5c2b—飞轮b，5c3—转轴，5c4—左连杆，5c5—右连杆，5c6—变频控制器，5c7—左连杆连接点，5c8—右连杆连接点，

5d—右活塞泵，5d1—缸体，5d2—左端盖，5d3—通油腔孔，5d4—活塞杆，5d5—活塞，5d6—活塞腔，5d7—右端盖，5d8—通气孔，

5e—左滚珠丝杆，5e1—伺服电机，5e2—丝杠螺杆，5e3—固定架，5e4—滑行导轨，

5f—右滚珠丝杆，5f1—伺服电机，5f2—丝杠螺杆，5f3—固定架，5f4—滑行导轨，

5g—锥形阀，5g1—左锥形阀，5g2—右锥形阀，5g3—阀体活塞，5g4—阀锥柱塞，5g5—阀腔孔，5g5a—阀腔，5g5b—通孔，5g6—阀盖，5g6a—锥孔，5g7—O形密封圈，5g8—中心油孔，5g9—水平油孔，

5h—溢流油箱，5h1—油液液面，5h2—溢流孔，5h3—油管；

6—水冷外壳层，6a—动载油缸外包水冷层，6b—左活塞泵外包水冷层，6c—右活塞泵外包水冷层，6d—水管；

7—岩石试体变形测量仪，7a—环向引伸计，7b—轴向引伸计；

8—静载油泵；

9—围压油泵；

10—压力监测仪；

11—监控系统，11a—电液伺服仪，11b—计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供一种岩石高频高载的循环动载试验装置，包括三轴仪1、循环动载泵5和监控系统11。

所述三轴仪1包括刚性反力架1a、三轴压力室1b、油缸室1f，三轴压力室1b内上压柱1c和试验压力台1e之间放置岩石试体1d，油缸室1f位于三轴压力室1b下方，油缸室1f中设置静载油缸2和动载油缸3。

请结合参考图2，所述静载油缸2置于三轴仪1的刚性反力架1a下横梁上，用于向岩石试体1d提供轴向静载，动载油缸3同轴置于静载油缸2的上部，动载油缸3和静载油缸2可一体设置或分体叠置安装，分体叠置安装的动载油缸3底端翼缘与静载油缸2顶面使用螺栓连接固定。动载油缸3由与上活塞杆3b、下活塞杆3d一体连接的活塞3c分隔为上缸3e和下缸3f，动载油缸3的下活塞杆3d与静载油缸2的活塞杆2b连接，所述循环动载泵5用于在变频电动机5c的驱动下向动载油缸3的上缸3e、下缸3f输送经滚珠丝杠5e、5f推动循环动载泵5的左活塞泵5a的缸体5a1、右活塞泵5d的缸体5d1移动而调节的压力油液给岩石试体1d提供循环动载。

所述静载油缸2与普通油缸结构相同，静载油缸2包括缸体2a、设于缸体2a内的活塞腔2d，活塞腔2d中的活塞2c、与活塞2c连接的活塞杆2b，活塞2c将缸体2a分隔为上缸2d1和下缸2d2，上缸2d1设有上通油孔2g，下缸2d2设有下通油孔2h；缸体2a的上下两端分别设有上缸盖2e、下缸盖2f，动载油缸3的下活塞杆3d与静载油缸2的上活塞杆2b丝接。

所述动载油缸3同轴置于静载油缸2的正上方，动载油缸3包括缸体3a、设于缸体3a内的活塞3c、与活塞3c一体连接的上活塞杆3b、下活塞杆3d，上活塞杆3b和下活塞杆3d直径相等，活塞3c将缸体3a分隔为上缸3e和下缸3f，上缸3e和下缸3f四周分别环向对称设置数量相等、单个截面积相等的圆形通油腔孔(如图3和图4中所示：上缸3e左通油腔孔与上缸3e右通油腔孔，下缸3f左通油腔孔与下缸3f右通油腔孔)，动载油缸3的上缸3e通油腔孔面积、下缸3f通油腔孔横截面积之和均与动载油缸3的活塞3c出力面积相等。

如图5所示，所述循环动载泵5包括变频电动机5c、设于变频电动机5c两侧的左活塞泵5a、右活塞泵5d，左活塞泵5a的活塞5a6、右活塞泵5d的活塞5d5出力面积均等于动载油缸3的活塞3c出力面积，左活塞泵5a、右活塞泵5d出口段环形对称设置的通油腔孔5a5、5d3的数量、单个通油腔孔截面积与动载油缸3相同。

左活塞泵5a、右活塞泵5d布置在变频电动机5c两侧，左活塞泵5a缸体5a1、右活塞泵5d的缸体5d1轴线垂直变频电动机5c的转轴5c3轴线且在同一平面上，左活塞泵5a的活塞杆5a8、右活塞泵5d的活塞杆5d4外露段分别穿过靠近变频电动机5c侧的左活塞泵活塞杆导向柱5b1、右活塞泵活塞杆导向柱5b2中设置的导向孔与左连杆5c4、右连杆5c5连接。

所述变频电动机5c转轴5c3两端设置同样大小的飞轮5c2(飞轮5c2a、飞轮5c2b)，飞轮5c2a与左活塞泵5a的立纵剖面靠近且平行，飞轮5c2b与左活塞泵5d的立纵剖面靠近且平行，用连杆(左连杆5c4、右连杆5c5)将变频电动机5c的飞轮(飞轮5c2a、飞轮5c2b)分别与左活塞泵5a的右活塞杆5a8、右活塞泵5d的活塞杆5d4连接。左连杆5c4、右连杆5c5与飞轮5c2的左连杆连接点5c7、右连杆连接点5c8与变频电动机5c的转轴5c3轴中心点在一条直线上且对称。

请参阅图6，所述循环动载泵5的左活塞泵5a的缸体5a1、右活塞泵5d的缸体5d2上均开设阀腔孔5g5，阀腔孔5g5中安装锥形阀5g，锥形阀5g的活塞5g3至锥形柱塞5g4中间开设中心油孔5g8，中心油孔5g8与锥形柱塞5g4上的水平油孔5g9联通，与左活塞泵5a的活塞腔5a6、右活塞泵5d的活塞腔5d6连通的通油孔5g5a直径小于阀腔孔5g5的直径，阀盖5g6上的锥孔5g6a与阀锥柱塞5g4相匹配，阀盖5g6与缸体5a1、5d1丝接，锥形阀5g出口用油管5h3接溢流溢流油箱5h，溢流油箱5h上开设的溢流孔5h1、动载油缸3活塞3c的中心水平截面在同一水平面上。锥形阀5g的作用是在加载过程中动载油缸3上缸的油液压力为零，减载过程中动载油缸的下缸油液压力为零，不产生负压给活塞3C增加荷载。

所述动载油缸3的上缸左通油腔孔3i、上缸右通油腔孔3j与循环动载泵5的左活塞泵5a的通油腔孔5a5，以及动载油缸3的下缸左通油腔孔3k、下缸右通油腔孔3l与右活塞泵5d的通油腔孔5d3之间用金属油管连接，油管数量与通油腔孔数量相等，单个油管截面积与单个通油腔孔截面积相等。

所述循环动载泵5的左活塞泵5a下敷设滑行导轨5e4、右活塞泵5d下敷设滑行导轨5f4(如图6所示)，循环动载泵5的左活塞泵5a、右活塞泵5d远离变频电动机5c两侧分别设置左滚珠丝杠5e、右滚珠丝杠5f，左滚珠丝杠5e、右滚珠丝杠5f中的丝杠螺杆分别与左活塞泵5a的左端盖、右活塞泵5d的缸体5d1右端盖螺接，左活塞泵5a的左端盖、右活塞泵5d的缸体5d1分别在滚珠丝杠5e、5f的推动下可在滑行导轨5e4、5f4上移动。以左滚珠丝杆5e为例进行说明，左滚珠丝杠5e下方设置左滑行导轨5e4，左滚珠丝杠5e包括滚珠丝杠5e1电机、丝杠螺杆5e2，左伺服电机5e1固定在固定架5f3上，丝杠螺杆5e2与左活塞泵5a的左端盖5d2连接，丝杠螺杆5e2由伺服电机5e1驱动，从而推动左活塞泵5a的缸体5d1在滑行导轨5e4上移动。

如图1所示，在动载油缸3、循环动载泵5的左活塞泵5a的缸体5a1、右活塞泵5d的缸体5d1的大部份和油管表面包裹水冷外壳层66，分别用水管6d接入水冷管路，具体的，在动载油缸3表面包裹动载油缸外包水冷层6a，循环动载泵5的左活塞泵5a的缸体5a1上部表面包裹左活塞泵外包水冷层6b，右活塞泵6d的缸体6d1上部表面包裹右活塞泵外包水冷层6c。

所述监控系统11包括计算机11b、与计算机11b连接的电液伺服仪11a、岩石试体变形测量仪7、与电液伺服仪11a连接的压力监测仪10。所述静载油缸2、动载油缸3、与动载油缸3经金属油管连接的循环动载泵5接入电液伺服仪11a。静载油缸液压传感器接在静载油缸下缸2d2靠近下通油孔2h的管路上，动载油缸液压传感器接在动载油缸3的上缸3e、下缸3f靠近通油腔孔3j、3k的管路上，循环动载泵5的活塞泵液压传感器接在靠近通油腔孔5a5、5d3的管路上，岩石试体轴压传感器接在三轴压力室1b中的上压柱1c下端，静载油缸液压传感器、动载油缸液压传感器、岩石试体轴压传感器与压力监测仪10连接，压力监测仪10接入电液伺服仪11a，电液伺服仪11a、岩石试体变形测量仪7和变频电动机5c的变频控制器5c6接入计算机11b。压力监测仪10采集压力传感器(10a、10b、10c、10d)传送的液压和轴力电信号给电液伺服仪11a，经电液伺服仪11a传送给计算机11b，岩石变形信号经岩石试体变形测量仪7传入计算机11b，计算机11b根据压力和岩石变形信号向电液伺服仪11a发送反馈的控制信号，电液伺服仪11a向循环动载泵5、静载油泵8和围压油泵9的传送减压、增压的信号，计算机11b根据岩石试验软件和设置的试验流程和压力及变形向电液伺服仪11a发出指令信号，使静载油泵8、围压油泵9、循环动载泵5的左活塞泵5a和右活塞泵5d配合滚珠丝杆5e、5f分别产生加压、卸压的动作。

通过计算机11b的操控电液伺服仪11a，静载油缸2在电液伺服仪11a作用下向岩石试体1d预加载后加载至恒定荷载，连接变频电动机5c飞轮5c2与循环动载泵5的左活塞泵5a的右活塞杆5a8连接的左连杆5c4在飞轮5c2上连接点5c7处于最低位，此时动载油缸3的上缸3e、下缸3f和2台活塞泵5a、5d中充满零压力的油液，动载油泵3的活塞3c对应位置为零压力位；启动变频电动机5c，当飞轮5c2顺时针旋转1/4圆周的第1阶段，在左连杆5c4的带动下，随着活塞泵5a中油液压力的逐渐增大，锥形阀5h关闭，左活塞泵5a的右活塞杆5a8带动活塞3c向左移动到最大行程，此时右活塞泵5d上的锥形阀5g处于开启状态，与溢流油箱5h中的油液联通的右活塞泵5d中的油液压力为零，动载油缸3下缸3f的油液压力从零逐渐增加至最大值；当飞轮5c2向继续旋转1/4圆周的第2阶段，左活塞泵5a的活塞5a6右移，油液压力逐渐降低，到该阶段结束时动载油缸3的活塞3c从液压最高位回位至零压力位，此时活塞泵5a上的锥形阀5h开启；第1阶段、第2阶段过程中，在锥形阀5g作用下右活塞泵5d的活塞5d5在变频电动机5c的驱动下向右移动过程动载油缸3的上缸3e、右活塞泵5d的活塞腔5a7中的油液与油箱5g的油液联通，因而动载油缸3的上缸3e油液压力始终为零；当飞轮向继续旋转1/4圆周的第3阶段，右活塞泵5d的活塞杆5d4带动活塞5d5向左移动到最大行程，动载油缸3的上缸3e的油液压力从零逐渐增加至最大值；当飞轮5c2向继续旋转1/4圆周的第4阶段，右活塞泵5d的活塞5d5右移，油液压力逐渐降低，至该阶段结束时动载油缸3的活塞3e回位至零压力位，第3阶段、第4阶段过程中动载油缸3的下缸3f油液压力始终为零。变频电动机5c的飞轮5c2顺时针旋转一周即完成一个循环动载的加减载，随着变频电动机5c持续运行，变频电动机5c驱动循环动载泵5的左动载泵5a、右动载泵5分别交替、循环向动载油缸3的下缸3f、上缸3e压入等油量、等压力的油液，在此过程中滚珠丝杠5e、5f推动循环动载泵5的左动载泵5a的缸体5a1、右动载泵5d的缸体5d1在滑行导轨5e4、5f4上移动调节油液压力至设定的最高值；计算机11b向变频控制器5c6发送频率控制信号使变频电动机5c的频率可调，动载加载频率与变频电动机5c的频率相同，滚珠丝杠5e、5f推左动载泵5a的缸体5a1、右动载泵5d的缸体5d1移动调节油液压力，从而实现向岩石试体1d在静载恒定的情况下施加高频率、高荷载的循环荷载。

参看图8、图9，本发明工作原理：在加载前，通过电液伺服仪11a给岩石试体1d预加静载P_s＝60Mpa、最高动载P_d＝20MPa，向动载油缸3的上缸3e、下缸3f和循环动载泵5的左活塞泵5a、右活塞泵5d充满零压力油液，使动载油缸3的活塞3c处于动载油缸3的中部且活塞3c的中心平面与溢流油箱5h中的油液液面5h1在同一高程，左活塞泵5a的右活塞杆5a8连接的连杆5c4与变频电动机5c的飞轮5c2连接点处于最低点；保持静载油缸2的下缸2d2内的油液处于稳压状态，启动变频电动机5c，左活塞泵5a、右活塞泵5d分别依次向动载油缸3的上缸3e、下缸3f的油液施加从零至最大值P_d＝20MPa的推力，推动动载油缸3的活塞3c作上下往复运动；在左活塞泵5a压送油液过程中，与左活塞腔5a6联通的阀腔孔5g5中油液推动锥形阀5g1关闭，同时与右活塞腔5d6联通的阀腔孔5g5的油液推动锥形阀5g2开启，在右活塞泵5a压送油液过程中，与右活塞腔5d6联通的阀腔孔5g5中油液推动锥形阀5g2关闭，同时与左活塞腔5a6联通的阀腔孔5g5的油液推动锥形阀5g1开启，使动载油缸3的活塞杆3b向岩石试体1d施加循环荷载；通过电液伺服仪11a向滚珠丝杠5e、5f的伺服电机5e1、5f1发送控制信号，滚珠丝杠5e、5f推动循环动载泵5的左活塞泵5a、右活塞泵5d同时等速率、等位移的向左或向右移动，左活塞泵5a、右活塞泵5d的活塞腔5a7、5d6的长度增加或减小，当滚珠丝杠5e、5f向左推动时左活塞泵5a、右活塞泵5d的活塞腔5a7、5d6有效活塞腔变长、体积增大，油液压力减小，当滚珠丝杠5e、5f向右推动时有效活塞腔变短、体积缩小，油液压力增大，逐渐将油液压力调节至预定值并维持稳压状态，从而实现向岩石试体1d施加往复循环的、压力稳定可调和无级调频的循环动载。

岩石试体循环动载公式如下：

P＝P_s+P_d1-P_d2

式中：P－岩石试体循环动载；

P_S－岩石试体静荷载；

P_d1－岩石试体增加的循环动荷载；

P_d2－岩石试体降低的循环动荷载。

本发明实施例还提供一种岩石高频高载的循环动载试验方法，其基于上述岩石高频高载的循环动载试验装置进行，所述方法包括如下步骤：

(1)接通电源、水源，打开计算机11b，启动电液伺服仪11a预热，打开水冷开关，检查线路、管路，检查、调试各仪器；

(2)安装岩石试体1d于试验压力台1e中间，在岩石试体1d上安装测量的引伸仪7a、7b，下移三轴压力室1b与试验压力台1e对接，升长上压柱1c使岩石试体轴压传感器10d预接触岩石试体1d，用螺丝固定、密封三轴压力室1b；

(3)通过计算机11b操控电液伺服仪11a，将变频电动机5c的飞轮5c2上的左连杆连接点5c7、右连杆连接点5c8处于铅直位置，且左连杆连接点5c7处于最低点，向动载油缸3的上缸3e、下缸3f和循环动载泵5的左活塞泵5a的、右活塞泵5d充满零压力的油液，并使动载油缸3的活塞3c处于动载油缸3的中部且活塞3c的中心水平截面与溢流油箱5h中的油液液面5h1在同一高程，并排净空气；

(4)操作计算机11b给岩石试体1d施加静载、围压至设定值，在一个荷载组合的试验过程中，始终保持静载油缸2的油液处于稳压状态；通过计算机11b将静载轴压、围压加载至预定荷载，设置循环动载最高荷载值和频率；

(5)当安装调试完成后，按照设置预定的荷载组合，通过计算机11b操控电液伺服仪11a，启动变频电动机5c和滚珠丝杠5e、5f，使循环动载达到预定荷载和频率进行循环动载试验；

(6)试验完成后，先停止变频电动机5c和滚珠丝杠5e、5f的伺服电机5e1、5f1，使动载油缸3内的油液压力为零，缓慢匀速卸掉静载油缸2的油液压力；上升三轴压力室1b，取出岩石试体1d；

(7)关闭电液伺服仪11a和计算机11b，关闭电源和水源，结束试验。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种岩石高频高载的循环动载试验装置，其特征在于：包括三轴仪、循环动载泵和监控系统，三轴仪中设有静载油缸、动载油缸，所述静载油缸置于三轴仪的刚性反力架的下横梁上，用于向岩石试体提供轴向静载，动载油缸同轴置于静载油缸的上部，动载油缸由与上活塞杆、下活塞杆一体连接的活塞分隔为上缸和下缸，动载油缸的下活塞杆与静载油缸的活塞杆连接，所述循环动载泵用于在变频电动机的驱动下向动载油缸的上缸、下缸输送经滚珠丝杠推动左活塞泵的缸体、右活塞泵的缸体移动而调节压力的油液给岩石试体提供循环动载，所述监控系统包括计算机、与计算机连接的电液伺服仪；所述动载油缸包括缸体、设于缸体内的活塞、与活塞一体连接的上活塞杆、下活塞杆，上活塞杆和下活塞杆的直径相等，活塞将缸体分隔为上缸和下缸，上缸和下缸四周分别环向对称设置2个同等截面积的圆形通油腔孔，即上缸左通油腔孔、上缸右通油腔孔、下缸左通油腔孔、下缸右通油腔孔，且动载油缸的上缸左通油腔孔、上缸右通油腔孔、下缸左通油腔孔、下缸右通油腔孔的截面积与动载油缸的活塞出力面积相等；所述循环动载泵包括变频电动机、设于变频电动机两侧的左活塞泵、右活塞泵，所述变频电动机两转轴端设有飞轮，两个飞轮分别使用连杆与左活塞泵、右活塞泵的活塞杆连接；所述左活塞泵、右活塞泵外端侧安装滚珠丝杠，下方敷设可使左活塞泵、右活塞泵移动的滑行轨道，滚珠丝杠中的丝杠螺杆分别与左活塞泵的左端盖、右活塞泵的右端盖丝接；所述循环动载泵的左活塞泵的活塞、右活塞泵的活塞的出力面积等于动载油缸的活塞出力面积，在左活塞泵、右活塞泵的出口段设置与动载油缸相同的通油腔孔，循环动载泵的左活塞泵、右活塞泵的通油腔孔与动载油缸的下缸的通油腔孔和上缸的通油腔孔之间分别用2根大通量金属油管连接；所述循环动载泵的左活塞泵的缸体、右活塞泵的缸体上均开设阀腔孔，阀腔孔中安装锥形阀，锥形阀的活塞至锥形柱塞中间开设中心油孔，中心油孔与锥形柱塞上的水平油孔联通，与左活塞泵的活塞腔、右活塞泵的活塞腔连通的通油孔直径小于阀腔孔的直径，阀盖上的锥孔与阀锥柱塞相匹配，阀盖与缸体丝接，锥形阀出口用油管接溢流溢流油箱，溢流油箱上开设的溢流孔、动载油缸的活塞的中心水平截面在同一水平面上；所述循环动载泵的左活塞泵、右活塞泵的活塞杆的外露段分别穿过靠近变频电动机的导向柱中的导向孔后由连杆分别连接到变频电动机的飞轮的边缘上，在变频电动机运行过程中两飞轮上的左连杆连接点、右连杆连接点与变频电动机中心点在同一条直线上且对称。

2.根据权利要求1所述的高频高载的循环动载试验装置，其特征在于：所述静载油缸的缸体与动载油缸的缸体为一体结构或可同轴组合的分体结构，静载油缸包括缸体、设于缸体内的活塞、与活塞连接的活塞杆，缸体的上下两端分别设有上缸盖、下缸盖，活塞将活塞腔分隔为上缸和下缸，上缸设有上通油孔，下缸设有下通油孔，动载油缸的下活塞杆与静载油缸的活塞杆丝接。

3.根据权利要求1所述的岩石高频高载的循环动载试验装置，其特征在于：还包括岩石试体变形测量仪、静载油泵、围压油泵、压力监测仪，静载油泵与静载油缸、围压油泵与三轴压力室分别用油管联通，静载油缸、静载油泵、动载油缸、循环动载泵、三轴压力室和围压油泵及压力监测仪通过油管和线路接入监控系统的电液伺服仪，岩石试体上安装的环向引伸仪、轴向引伸仪接入岩石试体变形测量仪，石试体变形测量仪和变频电动机的变频控制器接入计算机。

4.根据权利要求1所述的岩石高频高载的循环动载试验装置，其特征在于：在动载油缸、循环动载泵的活塞泵和金属油管的表面包裹水冷外壳层，分别用水管接入水冷管路。

5.一种岩石高频高载的循环动载试验方法，其特征在于按照权利要求1～4中任一项所述高频高载的加载装置进行试验，所述试验方法包括如下步骤：

(1)接通电源、水源，打开计算机，启动电液伺服仪预热，打开水冷开关，检查线路、管路，检查、调试各仪器；

(2)安装岩石试体于试验压力台中间，在岩石试体上安装测量的引伸仪，下移三轴压力室与试验压力台对接，升长上压柱使岩石试体轴压传感器预接触岩石试体，用螺丝固定、密封三轴压力室；

(3)通过计算机操控电液伺服仪，将变频电动机的飞轮上的左连杆连接点、右连杆连接点处于铅直位置，且左连杆连接点处于最低点，向动载油缸的上缸、下缸和循环动载泵的左活塞泵、右活塞泵充满零压力的油液，并使动载油缸的活塞处于动载油缸的中部且活塞的中心水平截面与溢流油箱中的油液液面在同一高程，并排净空气；

(4)操作计算机给岩石试体施加静载、围压至设定值，在一个荷载组合的试验过程中，始终保持静载油缸的油液处于稳压状态；通过计算机将静载轴压、围压加载至预定荷载，设置循环动载最高荷载值和频率；

(5)当安装调试完成后，按照设置预定的荷载组合，通过计算机操控电液伺服仪，启动变频电动机和滚珠丝杠，使循环动载达到预定荷载和频率进行循环动载试验；

(6)试验完成后，先停止变频电动机和滚珠丝杠的伺服电机，使动载油缸内的油液压力为零，缓慢匀速卸掉静载油缸的油液压力；上升三轴压力室，取出岩石试体；

(7)关闭电液伺服仪和计算机，关闭电源和水源，结束试验。

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