CN113075049B - 一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机及试验方法，属于岩石力学试验技术领域。试验机包括顶梁、立柱、动载施加装置、静载施加装置、监测装置、底座、加载控制系统和信号采集装置，其中，顶梁通过立柱连接至底座，底座上设置静载施加装置，静载施加装置上方的顶梁上设置动载施加装置，静载施加装置和动载施加装置均连接至加载控制系统，试验机上还设置有监测装置，监测装置连接至信号采集装置。本发明结构简单，设计合理，实现静载以及不同频率、强度动载的施加，为煤岩石在动静组合载荷下的破坏机理提供理论依据。

Description

一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机及试验方法

技术领域

本发明涉及一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机及试验方法，属于岩石力学试验技术领域。

背景技术

当前，我国深部煤炭资源储量约占煤炭资源总储量的53％，深部煤层必将成为我国煤炭开采的主战场，在深部开采过程中，由于动载扰动所引起的冲击地压现象的发生频率、强度及复杂性显著增加，片帮、冒顶等事故以及冲击地压等动力灾害明显增多，严重制约着深部煤炭资源的安全高效开采。

室内岩石力学试验是揭示煤岩石试样在动静组合载荷下的破坏特征及力学特性的重要手段，现有岩石试验机通过动静组合加载获得不同静载和动载条件下煤岩石的瞬时破坏特征，这对于揭示深部开采条件下冲击地压诱发机理具有重要意义，然而，现有岩石试验机在加载过程中缺乏对动载条件的有效调整，特别是不能改变动载荷频率，无法进一步获得深部“高静载+循环动载”条件下煤岩石的力学特性。

中国专利文件CN106198227A公开了一种蓄能落锤式动静组合加载试验装置，该试验装置用来研究冲击动载作用下岩石瞬时破坏特征，无法获得煤岩石试件在多次动载扰动条件下的力学演化特性。中国专利文件CN110031321B公开了一种动静载叠加式岩石力学试验机及试验方法，该试验机只能施加冲击动载载荷，无法改变动载频率的大小；另外，电磁铁控制受电压影响较大且要求有较大功率的直流电源，需要额外配置与之相应的试验条件。中国专利文件CN102116720B公开了一种变频变幅动态加载岩石力学试验系统，该试验机只能实现不同动载条件的施加，无法施加静载荷；另外，该试验机结构复杂，操作困难，所需配置成本较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机，结构简单，设计合理，实现静载以及不同频率、强度动载的施加，为煤岩石在动静组合载荷下的破坏机理提供理论依据。

本发明还提供上述变频变强度动静组合加载岩石力学试验机的试验方法。

本发明的技术方案如下：

一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机，包括顶梁、立柱、动载施加装置、静载施加装置、监测装置、底座、加载控制系统和信号采集装置，其中，

顶梁通过立柱连接至底座，底座上设置静载施加装置，静载施加装置上方的顶梁上设置动载施加装置，静载施加装置和动载施加装置均连接至加载控制系统，试验机上还设置有监测装置，监测装置连接至信号采集装置。

优选的，动载施加装置包括外壳、蓄能油缸、冲击螺杆、引发装置和旋转控制器，蓄能油缸连接至顶梁，蓄能油缸输出端外侧设置外壳，外壳为钢制筒状结构，蓄能油缸输出端连接冲击螺杆，冲击螺杆置于外壳内，冲击螺杆连接引发装置，引发装置穿过外壳连接旋转控制器，旋转控制器连接至加载控制系统。

旋转控制器可根据需求为传动杆提供不同大小的转动圆频率，并通过传动杆和齿轮作用在杆体上，实现加载底盘的轴向简谐运动，轴向简谐运动频率f为：

f＝2π/ω

式中：ω为传动杆的转动圆频率，单位为rad/s；

进一步优选的，冲击螺杆包括蓄能弹簧、杆体和加载底盘，蓄能弹簧一端连接至蓄能油缸输出端，蓄能弹簧另一端连接杆体，杆体连接至加载底盘，杆体表面竖向设置传动螺纹，杆体通过传动螺纹连接至引发装置，蓄能油缸连接至加载控制系统。

优选的，加载底盘为钢制圆盘，加载底盘半径小于外壳内径。

优选的，引发装置包括稳定器、肋板、传动杆和齿轮，齿轮为一侧设置轮齿的非对称齿轮，齿轮通过传动螺纹啮合至杆体，传动螺纹和齿轮上的轮齿相匹配，齿轮带动杆体向上运动，齿轮中部设置通孔，通孔内设置肋板，传动杆通过肋板连接至齿轮，传动杆穿过肋板的一端设置稳定器，传动杆另一端连接至旋转控制器。

进一步优选的，稳定器为钢制实心圆柱体，用于平衡传动杆和齿轮的质量以保持传动过程的稳定性。

优选的，静载施加装置包括加载油缸和静载加压台，静载加压台设置于底座上，静载加压台上设置加载油缸，加载油缸连接至加载控制系统。

优选的，监测装置包括上传感器、下传感器、动载传感器和蓄能传感器，上传感器、下传感器、动载传感器和蓄能传感器均为应力传感器，蓄能油缸和外壳之间设置上传感器，静载加压台和加载油缸之间设置下传感器，上传感器和下传感器用于监测煤岩石试件在静载或动静组合加载过程中所受应力，外壳内设置动载传感器，动载传感器一端固定于外壳内部上表面，另一端固定于加载底盘，通过动载传感器监测动载频率及动载强度，蓄能油缸和蓄能弹簧之间设置蓄能传感器，通过蓄能传感器监测蓄能载荷的大小。

上述变频变强度动静组合加载岩石力学试验机的静态加载试验方法，操作步骤如下：

(1)将煤岩石试件固定在静载加压台上；

(2)通过加载控制系统控制加载油缸对煤岩石试件施加不同轴压，实现静态加载；

(3)利用上传感器和下传感器监测静态加载过程中煤岩体应力数据并计算得到应变数据，记录在信号采集装置内，完成静态加载试验。

上述变频变强度动静组合加载岩石力学试验机的动静组合加载试验方法，操作步骤如下：

(1)将煤岩石试件固定在静载加压台上，通过加载控制系统控制加载油缸对煤岩石试件施加轴压，施加轴压小于煤岩石单轴抗压强度，实现静态加载，并利用上传感器和下传感器监测静态加载过程中煤岩体应力数据并计算得到应变数据，记录在信号采集装置内；

(2)根据试验方案设计的动载强度和蓄能弹簧自身的劲度系数确定蓄能弹簧所需的压缩变形值，加载控制系统控制蓄能油缸压缩蓄能弹簧至压缩变形值，蓄能传感器监测蓄能载荷大小；

(3)控制旋转控制器设定转动圆频率，利用传动杆旋转带动齿轮作用在杆体上，使得杆体带动加载底盘做轴向简谐运动，加载底盘通过外壳对煤岩石试件进行设定频率强度下的动载施加，动载传感器对动载荷频率和强度进行监测；

(4)调整蓄能弹簧的压缩变形值和转动圆频率，重复步骤(2)(3)，进行不同频率强度下的动载施加，直至煤岩石破坏；

(5)试验结束后，加载油缸停止加载，纪录信号采集装置内的试验数据，并计算岩石试件破坏过程中蓄能弹簧压缩后的内部弹性能。

本发明的有益效果在于：

1、本发明结构简单，设计合理，实现静载以及不同频率、强度动载的施加，为煤岩石在动静组合载荷下的破坏机理提供理论依据。

2、本发明根据蓄能弹簧所需压缩变形量控制蓄能油缸行程，可实现不同动载强度的施加，结构简单，设计合理。

3、本发明通过控制旋转控制器带动传动杆做轴向转动，利用冲击螺杆与非对称齿轮的螺纹配合实现啮合传动，进而实现扭矩的传递与转化，即传动杆轴向转动转化为加载底盘的轴向简谐运动，在此基础上，通过改变旋转控制器的转动圆频率，可实现不同动载频率的施加，操作便捷，可行性高。

4、本发明的监测装置同步监测与反演煤岩石所受静载和动载弹性能、动载强度及频率数据，其中蓄能荷载传感器用于监测蓄能弹簧的压缩载荷，从而计算蓄能弹簧的内部弹性能；上传感器和下传感器用于监测煤岩石试件在试验过程中所受载荷；动载传感器用于监测作用在煤岩石试件上的动载强度及频率，信息监测全面准确，有利于为试验结果分析提供有力支撑。

附图说明

图1为本发明的结构正视图；

图2为本发明的结构立体图；

图3为本发明的动载施加装置沿A-A方向剖面图；

图4为本发明的动载施加装置沿B-B方向剖面图；

图5为本发明的冲击螺杆结构示意图；

图6为本发明的冲击螺杆局部剖面图；

图7为本发明的引发装置结构示意图；

图中：1、顶梁；2、立柱；3、动载施加装置；4、静载施加装置；5、监测装置；6、底座；7、数据传输通道；8、加载控制系统；9、信号采集装置；10、煤岩石试件；

31、外壳；32、蓄能油缸；33、冲击螺杆；34、引发装置；35、旋转控制器；

331、蓄能弹簧；332、杆体；333、传动螺纹；334、加载底盘；

341、稳定器；342、肋板；343、传动杆；344、齿轮；

41、加载油缸；42、静载加压台；

51、上传感器；52、下传感器；53、动载传感器；54、蓄能传感器。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1-7所示，本实施例提供一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机，包括顶梁1、立柱2、动载施加装置3、静载施加装置4、监测装置5、底座6、加载控制系统8和信号采集装置9，其中，

顶梁1通过立柱2连接至底座6，底座6上设置静载施加装置4，静载施加装置4上方的顶梁上设置动载施加装置3，静载施加装置4和动载施加装置3均连接至加载控制系统8，试验机上还设置有监测装置，监测装置连接至信号采集装置。加载控制系统为工业常用计算机控制系统。信号采集装置由CPU、存储器、通信芯片以及电桥组成，用于采集和储存加载过程中的煤岩石试件所受应力及应变，型号选用济南西格马公司ASMB6-60型采集器。

动载施加装置3包括外壳31、蓄能油缸32、冲击螺杆33、引发装置34和旋转控制器35，蓄能油缸32连接至顶梁1，蓄能油缸32输出端外侧设置外壳31，外壳31为钢制筒状结构，蓄能油缸32输出端连接冲击螺杆33，冲击螺杆33置于外壳31内，冲击螺杆33连接引发装置34，引发装置34穿过外壳连接旋转控制器35，旋转控制器连接至加载控制系统。旋转控制器采用基于EtherCAT总线的独立式KAS控制器。

旋转控制器35可根据需求为传动杆提供不同大小的转动圆频率，并通过传动杆和齿轮作用在杆体上，实现加载底盘的轴向简谐运动，轴向简谐运动频率f为：

f＝2π/ω

式中：ω为传动杆的转动圆频率，单位为rad/s；

冲击螺杆33包括蓄能弹簧331、杆体332和加载底盘334，蓄能弹簧331一端连接至蓄能油缸32输出端，蓄能弹簧331另一端连接杆体332，杆体332连接至加载底盘334，杆体332表面竖向设置传动螺纹333，杆体通过传动螺纹连接至引发装置，蓄能油缸连接至加载控制系统。杆体332为实心钢杆。

加载底盘334为钢制圆盘，加载底盘半径小于外壳内径。

引发装置34包括稳定器341、肋板342、传动杆343和齿轮344，齿轮344为一侧设置轮齿的非对称齿轮，齿轮344通过传动螺纹啮合至杆体332，传动螺纹333和齿轮344上的轮齿相匹配，齿轮带动杆体向上运动，齿轮中部设置通孔，通孔内设置肋板，传动杆通过肋板连接至齿轮，传动杆343穿过肋板342的一端设置稳定器，传动杆另一端连接至旋转控制器。

静载施加装置4包括加载油缸41和静载加压台42，静载加压台设置于底座上，静载加压台上设置加载油缸，加载油缸连接至加载控制系统。

监测装置5包括上传感器51、下传感器52、动载传感器53和蓄能传感器54，上传感器、下传感器、动载传感器和蓄能传感器均为电阻应变式应力传感器，型号选用爱塞尔科技T70系列，蓄能油缸和外壳之间设置上传感器，静载加压台和加载油缸之间设置下传感器，上传感器和下传感器用于监测煤岩石试件在静载或动静组合加载过程中所受应力，外壳内设置动载传感器，动载传感器一端固定于外壳内部上表面，另一端固定于加载底盘，通过动载传感器监测动载频率及动载强度，蓄能油缸和蓄能弹簧之间设置蓄能传感器，通过蓄能传感器监测蓄能载荷的大小。

上述变频变强度动静组合加载岩石力学试验机的静态加载试验方法，操作步骤如下：

(1)将煤岩石试件固定在静载加压台上；

(2)通过加载控制系统控制加载油缸对煤岩石试件施加不同轴压，实现静态加载；

(3)利用上传感器和下传感器监测静态加载过程中煤岩体应力数据并计算得到应变数据，记录在信号采集装置内，完成静态加载试验。

应变计算公式如下：

ε＝σ/E

式中：σ为煤岩石试件所受应力，单位为MPa；E为煤岩石弹性模量，为材料自身固有特性，单位为GPa。

实施例2：

一种如实施例1所述的变频变强度动静组合加载岩石力学试验机的动静组合加载试验方法，操作步骤如下：

(1)将煤岩石试件固定在静载加压台上，通过加载控制系统控制加载油缸对煤岩石试件施加轴压，施加轴压小于煤岩石单轴抗压强度，实现静态加载，并利用上传感器和下传感器监测静态加载过程中煤岩体应力数据并计算得到应变数据，记录在信号采集装置内；

(2)根据试验方案设计的动载强度和蓄能弹簧自身的劲度系数确定蓄能弹簧所需的压缩变形值，加载控制系统控制蓄能油缸压缩蓄能弹簧至压缩变形值，蓄能传感器监测蓄能载荷大小；

(3)控制旋转控制器设定转动圆频率，利用传动杆旋转带动齿轮作用在杆体上，使得杆体带动加载底盘做轴向简谐运动，加载底盘通过外壳对煤岩石试件进行设定频率强度下的动载施加，动载传感器对动载荷频率和强度进行监测；

(4)调整蓄能弹簧的压缩变形值和转动圆频率，重复步骤(2)(3)，进行不同频率强度下的动载施加，直至煤岩石破坏；

(5)试验结束后，加载油缸停止加载，纪录信号采集装置内的试验数据，并计算岩石试件破坏过程中蓄能弹簧压缩后的内部弹性能。

弹性能计算公式为现有公式，利用试验数据做出应力应变曲线，根据应力应变曲线计算获得煤岩石试件破坏过程中蓄能弹簧压缩后的弹性能。

实施例3：

一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机，结构如实施1所述，不同之处在于，稳定器341为钢制实心圆柱体，用于平衡传动杆和齿轮的质量以保持传动过程的稳定性。

Claims (7)

1.一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机，其特征在于，包括顶梁、立柱、动载施加装置、静载施加装置、监测装置、底座、加载控制系统和信号采集装置，其中，

顶梁通过立柱连接至底座，底座上设置静载施加装置，静载施加装置上方的顶梁上设置动载施加装置，静载施加装置和动载施加装置均连接至加载控制系统，试验机上还设置有监测装置，监测装置连接至信号采集装置；

动载施加装置包括外壳、蓄能油缸、冲击螺杆、引发装置和旋转控制器，蓄能油缸连接至顶梁，蓄能油缸输出端外侧设置外壳，外壳为钢制筒状结构，蓄能油缸输出端连接冲击螺杆，冲击螺杆置于外壳内，冲击螺杆连接引发装置，引发装置穿过外壳连接旋转控制器，旋转控制器连接至加载控制系统；

冲击螺杆包括蓄能弹簧、杆体和加载底盘，蓄能弹簧一端连接至蓄能油缸输出端，蓄能弹簧另一端连接杆体，杆体连接至加载底盘，杆体表面竖向设置传动螺纹，杆体通过传动螺纹连接至引发装置，蓄能油缸连接至加载控制系统；

引发装置包括稳定器、肋板、传动杆和齿轮，齿轮为一侧设置轮齿的非对称齿轮，齿轮通过传动螺纹啮合至杆体，齿轮中部设置通孔，通孔内设置肋板，传动杆通过肋板连接至齿轮，传动杆穿过肋板的一端设置稳定器，传动杆另一端连接至旋转控制器。

2.如权利要求1所述的变频变强度动静组合加载岩石力学试验机，其特征在于，加载底盘为钢制圆盘，加载底盘半径小于外壳内径。

3.如权利要求1所述的变频变强度动静组合加载岩石力学试验机，其特征在于，稳定器为钢制实心圆柱体。

4.如权利要求1所述的变频变强度动静组合加载岩石力学试验机，其特征在于，静载施加装置包括加载油缸和静载加压台，静载加压台设置于底座上，静载加压台上设置加载油缸，加载油缸连接至加载控制系统。

5.如权利要求4所述的变频变强度动静组合加载岩石力学试验机，其特征在于，监测装置包括上传感器、下传感器、动载传感器和蓄能传感器，上传感器、下传感器、动载传感器和蓄能传感器均为应力传感器，蓄能油缸和外壳之间设置上传感器，静载加压台和加载油缸之间设置下传感器，外壳内设置动载传感器，动载传感器一端固定于外壳内部上表面，另一端固定于加载底盘，蓄能油缸和蓄能弹簧之间设置蓄能传感器。

6.一种如权利要求5所述的变频变强度动静组合加载岩石力学试验机的静态加载试验方法，其特征在于，操作步骤如下：

(1)将煤岩石试件固定在静载加压台上；

(2)通过加载控制系统控制加载油缸对煤岩石试件施加不同轴压，实现静态加载；

(3)利用上传感器和下传感器监测静态加载过程中煤岩体应力数据并计算得到应变数据，记录在信号采集装置内，完成静态加载试验。

7.一种如权利要求5所述的变频变强度动静组合加载岩石力学试验机的动静组合加载试验方法，其特征在于，操作步骤如下：

(1)将煤岩石试件固定在静载加压台上，通过加载控制系统控制加载油缸对煤岩石试件施加轴压，施加轴压小于煤岩石单轴抗压强度，实现静态加载，并利用上传感器和下传感器监测静态加载过程中煤岩体应力数据并计算得到应变数据，记录在信号采集装置内；

(2)根据试验方案设计的动载强度和蓄能弹簧自身的劲度系数确定蓄能弹簧所需的压缩变形值，加载控制系统控制蓄能油缸压缩蓄能弹簧至压缩变形值，蓄能传感器监测蓄能载荷大小；

(3)控制旋转控制器设定转动圆频率，利用传动杆旋转带动齿轮作用在杆体上，使得杆体带动加载底盘做轴向简谐运动，加载底盘通过外壳对煤岩石试件进行设定频率强度下的动载施加，动载传感器对动载荷频率和强度进行监测；

(4)调整蓄能弹簧的压缩变形值和转动圆频率，重复步骤(2)(3)，进行不同频率强度下的动载施加，直至煤岩石破坏；

(5)试验结束后，加载油缸停止加载，纪录信号采集装置内的试验数据，并计算岩石试件破坏过程中蓄能弹簧压缩后的内部弹性能。

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