CN114858624A - 一种用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，包括框架、二级杠杆、导向板、丝杠、第二连杆和冲击砝码；框架包括上下平行设置的支撑板和底板、以及用于连接支撑板和底板的若干支柱；二级杠杆的支点与支撑板铰接，导向板位于支撑板和底板之间且与若干支柱固定连接，导向板上设有与丝杠匹配的螺纹孔、与第二连杆匹配的导向孔，丝杠与螺纹孔螺接，且上端抵在二级杠杆一端的底部、下端与底板滑动连接；二级杠杆另一端连接有球铰连接杆，第二连杆滑动连接在导向孔内，且上端与球铰连接杆铰接；试样设置于底板上，且位于冲击砝码下方；转动丝杠，丝杠和二级杠杆带动冲击砝码对试样加载。本发明装置可以提供恒定大小以及恒定位移的加载。

Description

一种用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置
技术领域
本发明涉及一种用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，属于岩石蠕变扰动技术领域。
背景技术
岩石的蠕变、应力松弛是岩石时间效应的重要性质，岩石在深部的力学环境中，会表现出应力不变，变形随时间变化或者变形不变岩体中的应力随时间逐渐降低的特性，即岩石的蠕变和应力松弛特性，也叫做岩石的时间效应。岩石的蠕变会引起地下隧洞的大变形，而应力松弛则会导致岩石内部持续的损伤和裂纹扩展，因此，深入了解岩石的蠕变和应力松弛特性，对于研究深部隧洞或地下工事的安全是非常重要的。
然而，目前市场上关于岩石蠕变和应力松弛试验仪器，存在着造价高、施加荷载不稳定、操作复杂等缺点，而且现有的加载装置无法施加恒定位移的加载。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种扩力效果好，且可以输出长期稳定的恒定位移量的加压装置。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，包括框架、与框架铰接的二级杠杆、固定在框架上的导向板、与导向板螺纹连接的丝杠、与二级杠杆铰接的第二连杆和设置于第二连杆下端的冲击砝码；所述框架包括上下平行设置的支撑板和底板、以及用于连接支撑板和底板的若干支柱；所述二级杠杆的支点与支撑板铰接，所述导向板位于支撑板和底板之间且与若干支柱固定连接，所述导向板上设有与丝杠匹配的螺纹孔、与第二连杆匹配的导向孔，所述丝杠与螺纹孔螺接，且上端抵在二级杠杆一端的底部、下端与底板滑动连接；所述二级杠杆另一端连接有球铰连接杆，所述第二连杆滑动连接在导向孔内，且上端与球铰连接杆铰接；试样设置于底板上，且位于冲击砝码下方；转动丝杠，丝杠上端推动二级杠杆该端向上移动，二级杠杆另一端下移并带动冲击砝码对试样加载。
对上述技术方案的进一步设计为：所述丝杠上部设有与螺纹孔匹配的外螺纹，中部设有沿径向设置的通孔。
所述底板在与丝杠对应处设有安装孔，所述丝杠底部滑动连接在安装孔内。
所述底板在安装孔处设有环形的固定插销台，所述固定插销台沿径向设有若干凹槽，所述凹槽内设有插销，所述丝杠底部设有宽度与凹槽匹配的条形通孔，所述插销一端可伸入条形通孔内。
所述球铰连接杆上端与二级杠杆另一端铰接，下端与第二连杆铰接。
所述第二连杆下端还设有动态传感器和压盘，所述压盘用于与试样接触并对试样加载。
所述底板上与试样之间自下而上依次设有垫块、传感器固定座、静态传感器和试验台。
上述加载装置还包括一级杠杆、第一连杆和托盘，所述一级杠杆的支点与导向板铰接，所述托盘铰接在一级杠杆的一端，第一连杆的两端分别与一级杠杆另一端和二级杠杆一端铰接。
所述导向板上固定设有支架，所述一级杠杆的支点与支架铰接。
所述导向板上设有供第一连杆穿过的通孔。
本发明相较于现有技术，具有如下优点：
（1）本发明采用丝杠和一级力臂杠杆或两级力臂杠杆进行加载，由于丝杠在加载不会产生竖直位移，因此可以提供恒定大小的加载以及恒定位移的加载，同时满足了岩石蠕变与松弛特性的试验研究要求。
（2）本发明的机械式的装置造价低、操作简单，并且这种方式能保证施加的应力始终恒定，不存在油泵加载控制产生的荷载不稳定的缺点。
附图说明
图1 是本发明一种研究岩石蠕变与松弛特性的机械式竖直加载装置的结构示意图；
图2 是本发明一种研究岩石蠕变与松弛特性的机械式竖直加载装置的扩力部分的结构示意图；
图3 是本发明一种研究岩石蠕变与松弛特性的机械式竖直加载装置的丝杠部分的结构示意图；
图4为本发明一种研究岩石蠕变与松弛特性的机械式竖直加载装置中丝杠与固定插销台连接示意图。
图中，1.托盘，2.一级杠杆，3.第一连杆，4.支撑板，5.支柱，6.二级杠杆连接销，7.丝杠推盘，8.丝杠螺母，9.二级杠杆，10.二级杠杆销轴，11.轴套 12.球铰连接杆，13.导向板，14.第二连杆，15.冲击砝码，16.动态传感器，17.球面座，18.压盘，19.岩石试样，20.试验台，21.静态传感器，22.传感器固定座，23.垫块，24.底板，25.固定插销，26.固定插销台，27.丝杠，28.一级杠杆连接销，29.支架，30.凹槽。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例一
如图1所示，本实施例的一种用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，包括框架，框架包括上下平行设置的支撑板4和底板24，支撑板4和底板24的四角均通过支柱5进行连接，在支撑板4和底板24之间还设有导向板13，支撑板4和导向板13在与支柱5对应处均设有轴套11，通过轴套11套在支柱5上来与支柱5连接。
支撑板4中部镂空，并在该镂空区域内设置有二级杠杆9，二级杠杆9的支点处设有二级杠杆销轴10，并通过二级杠杆销轴10与支撑板4铰接。
结合图3所示，本实施例的加载装置还包括丝杠27和第二连杆14，所述导向板13上设有通孔，并在通孔内固定有丝杠螺母8，丝杠27上部设有与丝杠螺母8匹配的外螺纹，并与丝杠螺母8螺纹连接，丝杠27顶部转动连接有丝杠推盘7，丝杠27位于二级杠杆9一端的底部，通过丝杠推盘7抵住二级杠杆9来推动二级杠杆9一端向上移动，二级杠杆9另一端铰接有球铰连接杆12，球铰连接杆12下端设有球铰连接头，并铰接有第二连杆14，第二连杆14顶部为球面连接头，导向板13在与第二连杆14对应处设有导向孔，第二连杆14滑动连接在该导向孔内，并在导向孔的作用下竖直滑动，第二连杆14下端穿过导向板13并连接有冲击砝码15、动态传感器16、球面座17和压盘18，压盘18用于与岩石试样19接触并对岩石试样19加载。
本实施例中岩石试样19底部自上而下依次设有试验台20、静态传感器21、传感器固定座22和垫块23，垫块23设置在底板24上。
本实施例中丝杠27中部设有通孔，可利用铁棒插入该通孔中来旋转丝杠27；底板24在对应位置设有安装孔，丝杠27底部伸入安装孔并与安装孔转动和滑动连接；结合图4所示，底板24在安装孔处设有呈圆环形的固定插销台26，固定插销台26上均匀设有沿径向设置的八个凹槽30，凹槽30内设有固定插销25，丝杠27上对应处设有条形通孔，当丝杠27旋转到与一凹槽30对应的位置时，固定插销25可插入条形通孔内，限制丝杠转动，从而限制丝杠27上下移动，是丝杠处于稳定状态。
实施例二
本实施例的用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置结构与实施例一基本相同，不同之处在于，本实施例的加载装置还包括一级杠杆2、第一连杆3和托盘1，结合图1和图2所示，导向板13上固定设有支架29，所述一级杠杆2的支点与支架29铰接，所述一级杠杆2的支点与导向板13铰接，所述托盘1铰接在一级杠杆2的一端，用于放置砝码，一级杠杆2的另一端与第一连杆3下端铰接，第一连杆3上端与二级杠杆靠近丝杠一端端部铰接；所述导向板13上还设有供第一连杆3穿过的通孔。
本实施例的工作原理为：扩力机构部分如图2所示，在托盘1上放置砝码，一级杠杆2的长端（靠近托盘一端）受力向下运动，短端（靠近第一连杆3一端）向上运动，可以带动第一连杆3向上，以此推动二级杠杆9的长端向上、短端向下运动，带动第二连杆14向下挤压岩石试样19。该装置工作时，在一级杠杆2的长端的托盘1中放入砝码，砝码的最大重量可达1t，经过一级杠杆和二级杠杆扩力50倍，最终可以施加近50t的载荷于试样上。
丝杠机构部分如图3，丝杠27与二级杠杆9通过丝杠推盘7与杠杆下端面相抵，可以利用铁棒插入丝杠27中部的通孔中来旋转丝杠，本实施例中由于丝杠螺纹采用右旋，因此从上往下逆时针旋转可以使丝杠杆27抬高，使二级杠杆9的长端上升，短端下降，以此为岩石试样19提供恒定位移量的垂直静载。
本实施例中丝杠采用T型标准丝杠，大径50mm，螺距8mm，得到丝杠螺纹的螺旋升角的正切值
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE002
，因为丝杆材料选用45钢，而45钢在无润滑剂的情况下摩擦系数为0.15，有润滑剂摩擦系数为0.10.12，因此
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE004
摩擦系数f，因此丝杠可以实现自锁，即竖直方向的力不能够使丝杠位移，而丝杠下面的条形通孔，通过与凹槽30对齐并插入任一固定插销25，可起保险作用，用于确保丝杠没有打滑。因为丝杠螺纹的螺距为8mm，保险杆每旋转45度可放入一个保险槽进行一次保险，又由于丝杠的位移又由二级杠杆进行了约为0.1倍的缩小，因此此静载在有保险的情况下固定位移的精度约为0.1mm，若根据需求可以将螺距改为6mm，以及添加更多的保险槽来实现更高的精度。另外，在使用前需要对试验台的上下位移进行校核，或者可以添加一个位移传感器，方便实验时进行读数。
在试验台部分，主要通过一个静态压力传感器21和一个动态压力传感器16进行数据测量，冲击砝码15可以在垂直方向上施加一定的冲击载荷，可在一定程度上进行扰动作用下的岩石蠕变与松弛特性的研究。
本实施例由两级力臂杠杆组成的扩力装置可实现对岩石进行恒定的加载，且扩力倍数较大，非常适合应用于岩石的蠕变试验装置，另外用垂直丝杠与第二级的力臂杠杆相结合可以实现对岩石进行恒定位移的加载，适合应用于岩石的松弛实验。
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，其特征在于：包括框架、与框架铰接的二级杠杆、固定在框架上的导向板、与导向板螺纹连接的丝杠、与二级杠杆铰接的第二连杆和设置于第二连杆下端的冲击砝码；所述框架包括上下平行设置的支撑板和底板、以及用于连接支撑板和底板的若干支柱；所述二级杠杆的支点与支撑板铰接，所述导向板位于支撑板和底板之间且与若干支柱固定连接，所述导向板上设有与丝杠匹配的螺纹孔、与第二连杆匹配的导向孔，所述丝杠与螺纹孔螺接，且上端抵在二级杠杆一端的底部、下端与底板滑动连接；所述二级杠杆另一端连接有球铰连接杆，所述第二连杆滑动连接在导向孔内，且上端与球铰连接杆铰接；试样设置于底板上，且位于冲击砝码下方；转动丝杠，丝杠上端推动二级杠杆该端向上移动，二级杠杆另一端下移并带动冲击砝码对试样加载。
2.根据权利要求1所述用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，其特征在于：所述丝杠上部设有与螺纹孔匹配的外螺纹，中部设有沿径向设置的通孔。
3.根据权利要求2所述用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，其特征在于：所述底板在与丝杠对应处设有安装孔，所述丝杠底部滑动连接在安装孔内。
4.根据权利要求3所述用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，其特征在于：所述底板在安装孔处设有环形的固定插销台，所述固定插销台沿径向设有若干凹槽，所述凹槽内设有插销，所述丝杠底部设有宽度与凹槽匹配的条形通孔，所述插销一端可伸入条形通孔内。
5.根据权利要求1所述用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，其特征在于：所述球铰连接杆上端与二级杠杆另一端铰接，下端与第二连杆铰接。
6.根据权利要求5所述用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，其特征在于：所述第二连杆下端还设有动态传感器和压盘，所述压盘用于与试样接触并对试样加载。
7.根据权利要求6所述用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，其特征在于：所述底板上与试样之间自下而上依次设有垫块、传感器固定座、静态传感器和试验台。
8.根据权利要求1所述用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，其特征在于：还包括一级杠杆、第一连杆和托盘，所述一级杠杆的支点与导向板铰接，所述托盘铰接在一级杠杆的一端，第一连杆的两端分别与一级杠杆另一端和二级杠杆一端铰接。
9.根据权利要求8所述用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，其特征在于：所述导向板上固定设有支架，所述一级杠杆的支点与支架铰接。
10.根据权利要求9 所述用于岩石蠕变和松弛特性试验的恒定加载装置，其特征在于：所述导向板上设有供第一连杆穿过的通孔。
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