CN115899013A - 穿心油缸及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿心油缸及其使用方法，穿心油缸包括：缸体，缸体内部中空；活塞杆，其设于缸体内部，活塞杆与缸体内壁滑动连接；力传感器，力传感器与活塞杆的一端连接；压板，压板的一侧与力传感器连接；位移传感器，其位于缸体外部，位移传感器与压板连接；其中，活塞杆、力传感器、压板内部均为中空且相互连通。本发明的穿心油缸，内部为中空，可以实现同时进行压力加载、挖掘两个模拟过程，不仅可以提高试验模拟效率，还能够节约成本；另外，通过位移传感器及力传感器，能够精准控制活塞杆的位移、输出力，有利于提高试验精度，提高试验结果的准确度。

Description

穿心油缸及其使用方法

技术领域

本发明涉及液压设备技术领域，尤其涉及一种穿心油缸及其使用方法。

背景技术

油缸是指将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。目前，油缸被广泛应用于锻压机械、注塑机、机床、加工中心、机器人、矿山机械、包装机械等领域。

岩石破裂是地质灾害的根源，例如，地震时大地物性变化，矿井出现水灾害、滑坡等灾害。尤其是隧道、矿井等对岩石进行挖掘、开采过的地方，塌方等现象会更加严重。然而，深部地层无法进入，因此，利用岩石力学试验模拟地下环境进行地层情况的研究分析变得至关重要。目前，岩石力学试验一般采用油缸对岩石模型进行施加恒定的压力，然后观察岩石模型的变化情况。

但是，现有的油缸结构，对于岩石力学试验模拟来说，至少存在以下不足：（1）现有的油缸仅能够进行施压模拟，功能单一，无法实现挖掘、施压等多种模拟情况。（2）现有的油缸没有防尘措施，油缸在使用时，岩石碎屑会进入油缸内部，导致油缸容易损坏，寿命减短。（3）现有的油缸拆卸不方便，不利于维护、更换零部件。因此，现有的油缸结构对于岩石力学试验来说，使用上存在很多不便之处，需要改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有的油缸在进行岩石力学试验时，使用不方面的技术问题。本发明提供一种穿心油缸及其使用方法，能够用于多种模拟场景，不仅可以提高试验模拟效率，还能够节约成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种穿心油缸，包括：

缸体，所述缸体内部中空；

活塞杆，其设于所述缸体内部，所述活塞杆与所述缸体内壁滑动连接；

力传感器，所述力传感器与所述活塞杆的一端连接；

压板，所述压板的一侧与所述力传感器连接；

位移传感器，其位于缸体外部，所述位移传感器与所述压板连接；

其中，所述活塞杆、力传感器、压板内部均为中空且相互连通。

本发明的穿心油缸，内部为中空，可以实现同时进行压力加载、挖掘两个模拟过程，不仅可以提高试验模拟效率，还能够节约成本；另外，通过位移传感器及力传感器，能够精准控制活塞杆的位移、输出力，有利于提高试验精度，提高试验结果的准确度。

进一步的，还包括：

套管，所述套管设于所述活塞杆内部，所述套管与所述缸体固定连接；

套筒，所述套筒设于所述套管内，所述套筒与所述套管的端部连接。

进一步的，还包括：保护套，所述保护套设于所述套管内，且所述保护套的一端与所述活塞杆相连接。

进一步的，所述缸体靠近所述力传感器的一端设有连接块，所述连接块设有防转杆，所述防转杆的一端与所述压板固定连接，所述防转杆的另一端贯穿所述连接块。

进一步的，所述力传感器与所述活塞杆之间设有一推板，所述推板与所述活塞杆的一端固定连接，所述力传感器与所述推板之间固定连接。

进一步的，所述保护套包括：保护套本体和连接部，所述连接部与所述保护套本体的一端固定连接，所述连接部与所述活塞杆的一端固定连接，所述保护套本体位于所述套管内部，所述保护套本体的另一端设有刮尘部。

进一步的，所述刮尘部与所述套管内壁之间的夹角α为锐角，且所述夹角α朝向所述连接部。

进一步的，所述套管与所述缸体通过卡环相连接，所述卡环的一部分嵌设在所述套管内，所述卡环的另一部分与所述缸体固定连接，所述卡环为两瓣式。

进一步的，所述压板包括第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和第二侧面相对设置，所述第一侧面与所述力传感器连接，所述第一侧面和第二侧面相互平行，且所述第一侧面和第二侧面的长度、宽度均相同。

本发明还提供一种所述的穿心油缸的使用方法，包括：

S1、设置岩石物理模型以及试验策略；

所述岩石物理模型包括：软性岩石物理模型和刚性岩石物理模型，所述试验策略包括：力加载试验、挖掘试验、岩爆试验；

S2、根据选择的岩石物理模型、试验策略，通过活塞杆带动压板接触岩石物理模型并施加压力；

S3、通过力传感器监测所述压板对岩石物理模型施加的压力值F，通过位移传感器监测所述压板移动的位移值X；

S4、记录所述岩石物理模型的变化情况。

进一步的，

当选择软性岩石物理模型进行力加载试验时，

通过所述活塞杆带动所述压板接触所述软性岩石物理模型，

通过给穿心油缸增加油压来增加对软性岩石物理模型施加的压力直至软性岩石物理模型被破坏，

通过所述力传感器采集试验过程中的压力值F，通过位移传感器采集试验过程中压板移动的位移值X，

根据所述压力值F和位移值X分析软性岩石物理模型再轴向压力下的破坏形式。

进一步的，

当选择刚性岩石物理模型进行力加载试验时，

先设置一个固定压力值F_set，通过所述活塞杆带动所述压板接触所述刚性岩石物理模型，

通过增加油压来增加对刚性岩石物理模型施加的压力值，通过所述力传感器检测对刚性岩石物理模型施加的压力值是否达到固定压力值F_set，若是，则停止增加油压，保持固定压力值F_set对刚性岩石物理模型进行施压；

施压一段时间后，观察所述刚性岩石物理模型长时间在恒压作用下的状态，并通过位移传感器记录保持恒压的过程中，压板的位移变化情况。

进一步的，

当对软性岩石物理模型或刚性岩石物理模型进行挖掘试验时，在物理模型的每个面上均设置相同数量的穿心油缸，每个面上的穿心油缸的活塞杆带动压板接触物理模型的表面，

设置试验所需的压力值F_s，通过控制油压大小使得压板作用在物理模型表面的压力保持F_s，同时，掘进机器人穿过其中一个穿心油缸对物理模型进行挖掘作业；当挖掘完成后，所有穿心油缸保持对物理模型的施加压力一段时间，观察是否出现坍塌情况；

或者，设置一个初始压力值F₀，通过控制油压大小使得压板作用在物理模型表面的压力达到F₀，同时，掘进机器人穿过其中一个穿心油缸对物理模型进行挖掘作业；在挖掘过程中，通过控制油压改变对物理模型的施加压力，监测在挖掘过程中出现坍塌情况的压力临界值。

进一步的，

当对软性岩石物理模型或刚性岩石物理模型进行岩爆试验时，在物理模型的每个面上均设置相同数量的穿心油缸，每个面上的穿心油缸的活塞杆带动压板接触物理模型的表面，

设置试验所需的压力值F_s，通过控制油压大小使得压板作用在物理模型表面的压力保持F_s，同时，掘进机器人穿过其中一个穿心油缸对物理模型进行挖掘作业；

挖掘完成后，控制穿心油缸的压板以0.2mm/min的移动速度缓慢压物理模型，同时，通过位移传感器监测压板的移动速度，在压缩过程中，物理模型会逐渐产生裂纹直至破裂；

利用超声监测技术监测裂纹的变化情况，同时记录在压缩过程中力传感器采集的压力数值。

本发明的有益效果是，

本发明的穿心油缸，能够同时模拟挖掘、施压两种过程，使得模拟场景更加符合实际情况，从而提高试验结果的准确度。通过保护套可以对活塞杆和套管之间的密封进行全方位的防护，防止油缸损坏，延长油缸的使用寿命。通过设计套筒可以适配不同尺寸的掘进机器人作业，卡环两瓣式的设计方便拆装套管，便于组装和维护。

本发明的使用方法，利用穿心油缸进行不同的模拟试验，可以预先了解岩石的力学特性以及在挖掘过程中的变化情况，提供数据给工作人员参考，从而降低在实际挖掘等工作中的事故风险，提高工作的安全性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的穿心油缸的立体图。

图2是本发明的穿心油缸的剖视图。

图3是本发明的保护套的剖视图。

图4是本发明的刮尘部的示意图。

图5是本发明的力传感器的结构示意图。

图6是本发明的活塞杆伸出状态的示意图。

图7是本发明的穿心油缸的剖面立体图。

图8是本发明变截面压板结构的压力分布模拟结果图。

图9是本发明的非变截面压板结构的压力分布模拟结果图。

图中：1、缸体；2、活塞杆；3、力传感器；4、压板；5、位移传感器；6、套管；7、套筒；8、保护套；9、连接块；10、防转杆；11、推板；12、卡环；101、缸底；102、缸筒；103、端盖；31、固定孔；401、第一侧面；402、第二侧面；801、保护套本体；802、连接部；803、空腔；8011、刮尘部。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：如图1至图7所示，本实施例的穿心油缸包括：缸体1、活塞杆2、力传感器3、压板4及位移传感器5，缸体1内部中空，活塞杆2设于缸体1内部，活塞杆2与缸体1内壁滑动连接，力传感器3与活塞杆2的一端连接，压板4的一侧与力传感器3连接，位移传感器5位于缸体1外部，位移传感器5与压板4连接。其中，活塞杆2、力传感器3、压板4内部均为中空且相互连通。换言之，活塞杆2可以沿缸体1内壁来回滑动，活塞杆2伸出时，可以带动力传感器3、压板4一起移动，并且，当压板4移动时，位移传感器5可以监测压板4移动的距离，力传感器3可以监测压板4对岩石物理模型施加的压力。活塞杆2、力传感器3、压板4内部中空，使得掘进机器人可以穿过穿心油缸内部对岩石物理模型进行挖掘作业。本实施例的穿心油缸，内部为中空，可以实现同时进行压力加载、挖掘两个模拟过程，不仅可以提高试验模拟效率，还能够节约成本；另外，通过位移传感器5及力传感器3，能够精准控制活塞杆2的位移、输出力，有利于提高试验精度，提高试验结果的准确度。

具体的，本实施例的缸体1包括：缸底101、缸筒102和端盖103，缸筒102的一端与缸底101连接，缸筒102的另一端与端盖103连接。活塞杆2位于缸筒102和端盖103内部，活塞杆2与缸筒102之间形成有油腔，活塞杆2与端盖103内壁之间密封连接，油腔与缸筒102上的油口相连通，液压油可以通过油口进入油腔内，从而实现活塞杆2的移动，通过控制液压油油压的大小可以改变活塞杆2的移动行程以及移动速度。

本实施例的穿心油缸还包括：套管6和套筒7，套管6设于活塞杆2内部，套管6与缸体1固定连接，套筒7设于套管6内，套筒7与套管6的端部连接。套管6和套筒7内部均为中空，套管6靠近左端的侧壁与缸底101连接，套管6靠近右端侧壁与活塞杆2内壁密封连接。当活塞杆2移动时，套管6是不动的。套筒7的左端与套管6的左端通过螺钉连接，这样便于更换套筒7。当挖掘试验需要采用不同直径的掘进机器人时，只需要更换不同内径的套筒7即可，不需要将整个穿心油缸进行更换。例如，套筒7可以采用非金属材料，质量轻，便于拆装更换。例如，套管6与缸体1通过卡环12相连接，卡环12的一部分嵌设在套管6内，卡环12的另一部分与缸体1固定连接（例如是通过螺钉连接），卡环12为两瓣式。这样，便于拆装套管6。

由于在实际对岩石的挖掘过程中，当前被挖掘的岩石周围的围岩压力是一直存在的，因此，在模拟挖掘场景时，要保证岩石物理模型周围一直存在一定的压力，这样才能符合实际情况。因此，本实施例的穿心油缸能够实现挖掘、施压两个过程同时存在，且油缸在动作时，挖掘、施压两个过程不会相互干扰。可以理解的是，由于套管6是与缸底101固定连接的，因此，当活塞杆2移动时，套管6是不动的，掘进机器人可以依次穿过套筒7、活塞杆2、力传感器3、压板4对岩石物理模型进行挖掘作业，此时，活塞杆2与掘进机器人是不接触的，活塞杆2可以带动压板4对岩石物理模型施加压力，即，可以实现在挖掘作业的同时模拟围岩压力，使得模拟试验结果更加准确、可靠。

本实施例的穿心油缸还包括一保护套8，保护套8设于套管6内，且保护套8的一端与活塞杆2相连接。保护套8包括保护套本体801和连接部802，连接部802与保护套本体801的一端固定连接，连接部802与活塞杆2的一端固定连接，保护套本体801位于套管6内部，保护套本体801的另一端设有刮尘部8011。保护套本体801的外径与套管6的内径相匹配（例如刚好紧密贴合），连接部802的外径大于保护套本体801的外径，保护套8的截面例如是呈T字形，连接部802的外径大于活塞杆2的内径，以便于连接部802能够与活塞杆2的右端固定连接（例如是通过螺钉连接）。刮尘部8011位于保护套本体801的左端，连接部802位于保护套本体801的右端，刮尘部8011与套管6内壁之间的夹角α为锐角，且夹角α朝向连接部802。换言之，刮尘部8011是一个向连接部802倾斜的斜面。当活塞杆2向右伸出时，会带动保护套8一起移动，此时，保护套本体801的右侧与活塞杆2内壁之间的空腔803会变大。在进行挖掘作业时，岩石碎屑可能会被带入穿心油缸的中空部，一些微小的碎屑如果进入空腔803内会影响活塞杆2的移动以及移动精度，磨损活塞杆2。本实施例的连接部802除了能够起到连接固定的作用以外，还能够起到阻挡作用，防止碎屑、杂物进入空腔803内，避免异物影响活塞杆2和套管6之间的密封。再者，刮尘部8011的尖角与套管6的内壁相贴合。由于套筒7与保护套8之间是不接触的，挖掘作业时，掘进机器人在穿心油缸中空部内伸进、伸出时，不可避免会掉落一些杂物，这些杂物可能附在套管6的内壁上，此时，当保护套8向左移动时（即活塞杆2缩回时），刮尘部8011能够将套管6内壁上的杂物向左刮除，保证套管6内壁与保护套8接触的部分是干净的，防止影响活塞杆2与套管6之间的密封，保证穿心油缸的工作精度，当保护套8不移动时，刮尘部8011也能够起到阻挡作用，防止微小杂物进入保护套8与套管6内壁之间。也就是说，本发明的保护套8具有双重防护，右侧的连接部802和左侧的刮尘部8011能够对活塞杆2与套管6的连接处（即靠近空腔803处）进行全方位的防护，从而保证穿心油缸的工作精度，防止穿心油缸磨损、损坏，延长穿心油缸的使用寿命。

需要说明的是，套管6和活塞杆2的内表面还设有铬镀层，镀层厚度大于或等于20μm，铬镀层不仅可以防止碎裂杂物划伤套管6和活塞杆2的表面，还可以起到防止生锈的作用。

缸体1靠近力传感器3的一端设有连接块9，连接块9设有防转杆10，防转杆10的一端与压板4固定连接，防转杆10的另一端贯穿连接块9。例如，连接块9固定在端盖103的右端面上，连接块9上设有滑动轴套，防转杆10穿过该滑动轴套。例如，连接块9的数量为两个，两个连接块9相对设置。当活塞杆2向右伸出时，压板4会带动防转杆10一起移动，由于连接块9是与缸体1固定的，防转杆10的位置就被固定，由此，便可以保证压板4在安装、使用的过程中不会发生转动，可以提高压板4的稳定性。滑动轴套可以减小防转杆10与连接块9之间的摩擦力，防止影响活塞杆2的移动精度。

力传感器3与活塞杆2之间设有一推板11，推板11与活塞杆2的一端固定连接，力传感器3与推板11之间固定连接。需要说明的是，本实施例的力传感器3包括传感器外壳以及均匀粘贴在传感器外壳内壁的电阻应变片，传感器外壳采用具有一定弹性的40CrNiMoA圆钢，当传感器外壳受力形变时，电阻应变片也会发生形变，从而改变电阻应变片的阻值（阻值和压力成正比关系），电阻应变片可以通过内部的惠斯通电桥把阻值转化为对应的电压或电流信号。该电流或电压信号可以发送给油缸控制系统，从而了解压板4所施加的压力大小。由此，本实施例将力传感器3设于推板11和压板4之间，并且三者之间相互紧密贴合，在未工作状态下，力传感器3未发生形变。当活塞杆2伸出时，推板11、力传感器3、压板4三者被同时推出，当压板4接触到岩石物理模型表面后，活塞杆2继续伸出，此时，力传感器3会受到推板11和压板4的挤压产生形变，从而实现对压力的监测。力传感器3上还均匀分布有多个固定孔31，多个固定孔31均匀对称布置，可以确保力传感器受力均匀，同时尽量减小安装螺钉预紧力对力传感器3自身精度的影响。本实施例的力传感器3的测量量程为0～4000KN，测量精度为0.08%FS（Full scale，满量程）。本实施例的位移传感器5设置两条连接线，以便一条出现问题后，另外一条作为备用，保证试验周期内的稳定运行。另外连接线采用整体式双绞线屏蔽线缆，以避免电磁干扰，且适用于长距离（不小于20m）工况要求。位移传感器5的分辨率为0.1μm，防护等级为IP68，耐压值为35MPa，量程为0～500mm，精度＜±0.01%FS。

在本实施例中，压板4包括第一侧面401和第二侧面402，第一侧面401和第二侧面402相对设置，第一侧面401与力传感器3连接，第一侧面401和第二侧面402相互平行，且第一侧面401和第二侧面402的长度、宽度均相同。换言之，本发明的压板4采用长方体结构。在进行试验模拟时，需要保证压板4施加在岩石物理模型上的压力分布是均匀的，将变截面的压板结构（例如是梯形结构，第一侧面401和第二侧面402的尺寸不相同）和非变截面的压板结构（第一侧面401和第二侧面402的尺寸相同）经过模拟对比（请参考图8和图9），发现，变截面压板结构在物理模型上的应力分布非常不均匀，而非变截面的压板结构于岩石物理模型整体接触部分的应力分布都较为均匀。由此可以证明，本实施例的压板结构可以提高试验模拟的准确度。

因此，本实施例的穿心油缸，通过结构的改进，至少具有以下优势：（1）能够同时模拟挖掘、施压两种过程，使得模拟场景更加符合实际情况，从而提高试验结果的准确度。（2）通过保护套8可以对活塞杆2和套管6之间的密封进行全方位的防护，防止油缸损坏，延长油缸的使用寿命。（3）通过设计套筒7可以适配不同尺寸的掘进机器人作业，卡环12两瓣式的设计方便拆装套管6，便于组装和维护。

实施例二：本实施例提供一种穿心油缸的使用方法，包括：S1、设置岩石物理模型以及试验策略。岩石物理模型包括：软性岩石物理模型和刚性岩石物理模型，试验策略包括：力加载试验、挖掘试验、岩爆试验。S2、根据选择的岩石物理模型、试验策略，通过活塞杆2带动压板4接触岩石物理模型并施加压力。S3、通过力传感器3监测压板4对岩石物理模型施加的压力值F，通过位移传感器5监测压板4移动的位移值X。S4、记录岩石物理模型的变化情况。

需要说明的是，不同地区地下深部的地质情况有所不同，有些地质偏硬，有些地质偏软，岩石物理模型可以通过3D打印技术生成，通过调整胶结剂、骨料、外加剂的配比获得软性岩石物理模型和刚性岩石物理模型。胶结剂主要包括石膏、石蜡、水泥等材料，骨料主要包括砂子、矿渣等物质，外加剂主要包括重晶石粉、松香酒精、氧化锌、甘油等物质。

进行试验时，可以将准备好的岩石物理模型放置在试验台上，然后通过油缸控制系统控制穿心油缸工作。

当选择软性岩石物理模型进行力加载试验时，通过活塞杆2带动压板4接触软性岩石物理模型，通过给穿心油缸增加油压来增加对软性岩石物理模型施加的压力直至软性岩石物理模型被破坏，通过力传感器3采集试验过程中的压力值F，通过位移传感器5采集试验过程中压板4移动的位移值X，根据压力值F和位移值X分析软性岩石物理模型再轴向压力下的破坏形式。通过该模拟试验，可以了解软性岩石在多大的压力下会被破坏，分析软性岩石的力学特性。

当选择刚性岩石物理模型进行力加载试验时，先设置一个固定压力值F_set，通过活塞杆2带动压板4接触刚性岩石物理模型，通过增加油压来增加对刚性岩石物理模型施加的压力值，通过力传感器3检测对刚性岩石物理模型施加的压力值是否达到固定压力值F_set，若是，则停止增加油压，保持固定压力值F_set对刚性岩石物理模型进行施压；施压一段时间后（例如是200小时），观察刚性岩石物理模型长时间在恒压作用下的状态，并通过位移传感器5记录保持恒压的过程中，压板4的位移变化情况。在保持恒压的过程中，力传感器3可以实时监测施加压力值的大小并反馈给油缸控制系统，如果施加压力值偏小，则可以增大油压达到恒定值，如果施加压力偏大，则可以减小油压达到恒定值。通过该模拟试验，可以了解刚性岩石的力学特性。

当对软性岩石物理模型或刚性岩石物理模型进行挖掘试验时，在物理模型的每个面上均设置相同数量的穿心油缸，每个面上的穿心油缸的活塞杆2带动压板4接触物理模型的表面。例如，假设岩石物理模型为立方体，具有六个表面，那么每个表面上设置一台穿心油缸，如果岩石物理模型体积较大，每个表面也可以设置多台穿心油缸，以保证岩石物理模型受力均匀。这样设置是为了模拟围岩压力。当某块岩石被挖掘时，这块岩石会受到周围岩石对它的压力。

设置试验所需的压力值F_s，通过控制油压大小使得压板4作用在物理模型表面的压力保持F_s（可以通过力传感器3实时监测反馈，调节油压来保持压力F_s恒定），同时，掘进机器人穿过其中一个穿心油缸对物理模型进行挖掘作业；当挖掘完成后，所有穿心油缸保持对物理模型的施加压力一段时间（例如是1000小时），观察是否出现坍塌情况。该试验的试验结果可以为矿山开采、隧道挖掘等工作提供数据参考，降低在实际挖掘工作中出现事故的概率，可以进行提前预防。

或者，设置一个初始压力值F₀，通过控制油压大小使得压板4作用在物理模型表面的压力达到F₀，同时，掘进机器人穿过其中一个穿心油缸对物理模型进行挖掘作业；在挖掘过程中，通过控制油压改变对物理模型的施加压力，监测在挖掘过程中出现坍塌情况的压力临界值。通过该试验，可以了解在多大压力值下，可能会出现坍塌。

当对软性岩石物理模型或刚性岩石物理模型进行岩爆试验时，在物理模型的每个面上均设置相同数量的穿心油缸（模拟围岩压力），每个面上的穿心油缸的活塞杆2带动压板4接触物理模型的表面。设置试验所需的压力值F_s，通过控制油压大小使得压板4作用在物理模型表面的压力保持F_s，同时，掘进机器人穿过其中一个穿心油缸对物理模型进行挖掘作业。挖掘完成后，控制穿心油缸的压板4以0.2mm/min的移动速度缓慢压物理模型（可以通过位移传感器5监测压板4的移动速度并反馈给控制系统，控制系统通过调节油压控制活塞杆2的移动速度），同时，通过位移传感器5监测压板4的移动速度，在压缩过程中，物理模型会逐渐产生裂纹直至破裂；利用超声监测技术监测裂纹的变化情况，同时记录在压缩过程中力传感器3采集的压力数值。

需要说明的是，该试验是为了模拟岩石被压爆的场景，例如，隧道挖掘完成后，隧道表面的岩石仍然承受着围岩压力，表面岩石可能会产生裂纹。因此，在压缩过程中，压板4需要以较慢的移动速度移动，如果移动速度太快，岩石裂纹可能会在一瞬间产生而爆裂，导致无法获得有效的试验数据。通过该试验，可以了解岩石在围岩压力产生裂纹的变化情况，了解在什么情况下会因为裂纹而爆裂，为实际工作提供参考。

换言之，本实施例利用穿心油缸进行不同的模拟试验，可以预先了解岩石的力学特性以及在挖掘过程中的变化情况，提供数据给工作人员参考，从而降低在实际挖掘等工作中的事故风险，提高工作的安全性。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (14)

1.一种穿心油缸，其特征在于，包括：

缸体（1），所述缸体（1）内部中空；

活塞杆（2），其设于所述缸体（1）内部，所述活塞杆（2）与所述缸体（1）内壁滑动连接；

力传感器（3），所述力传感器（3）与所述活塞杆（2）的一端连接；

压板（4），所述压板（4）的一侧与所述力传感器（3）连接；

位移传感器（5），其位于缸体（1）外部，所述位移传感器（5）与所述压板（4）连接；

其中，所述活塞杆（2）、力传感器（3）、压板（4）内部均为中空且相互连通。

2.如权利要求1所述的穿心油缸，其特征在于，还包括：

套管（6），所述套管（6）设于所述活塞杆（2）内部，所述套管（6）与所述缸体（1）固定连接；

套筒（7），所述套筒（7）设于所述套管（6）内，所述套筒（7）与所述套管（6）的端部连接。

3.如权利要求2所述的穿心油缸，其特征在于，还包括：保护套（8），所述保护套（8）设于所述套管（6）内，且所述保护套（8）的一端与所述活塞杆（2）相连接。

4.如权利要求1所述的穿心油缸，其特征在于，所述缸体（1）靠近所述力传感器（3）的一端设有连接块（9），所述连接块（9）设有防转杆（10），所述防转杆（10）的一端与所述压板（4）固定连接，所述防转杆（10）的另一端贯穿所述连接块（9）。

5.如权利要求1所述的穿心油缸，其特征在于，所述力传感器（3）与所述活塞杆（2）之间设有一推板（11），所述推板（11）与所述活塞杆（2）的一端固定连接，所述力传感器（3）与所述推板（11）之间固定连接。

6.如权利要求3所述的穿心油缸，其特征在于，所述保护套（8）包括：保护套本体（801）和连接部（802），所述连接部（802）与所述保护套本体（801）的一端固定连接，所述连接部（802）与所述活塞杆（2）的一端固定连接，所述保护套本体（801）位于所述套管（6）内部，所述保护套本体（801）的另一端设有刮尘部（8011）。

7.如权利要求6所述的穿心油缸，其特征在于，所述刮尘部（8011）与所述套管（6）内壁之间的夹角α为锐角，且所述夹角α朝向所述连接部（802）。

8.如权利要求2所述的穿心油缸，其特征在于，所述套管（6）与所述缸体（1）通过卡环（12）相连接，所述卡环（12）的一部分嵌设在所述套管（6）内，所述卡环（12）的另一部分与所述缸体（1）固定连接，所述卡环（12）为两瓣式。

9.如权利要求1所述的穿心油缸，其特征在于，所述压板（4）包括第一侧面（401）和第二侧面（402），所述第一侧面（401）和第二侧面（402）相对设置，所述第一侧面（401）与所述力传感器（3）连接，所述第一侧面（401）和第二侧面（402）相互平行，且所述第一侧面（401）和第二侧面（402）的长度、宽度均相同。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的穿心油缸的使用方法，其特征在于，包括：

S1、设置岩石物理模型以及试验策略；

所述岩石物理模型包括：软性岩石物理模型和刚性岩石物理模型，所述试验策略包括：力加载试验、挖掘试验、岩爆试验；

S2、根据选择的岩石物理模型、试验策略，通过活塞杆（2）带动压板（4）接触岩石物理模型并施加压力；

S3、通过力传感器（3）监测所述压板（4）对岩石物理模型施加的压力值F，通过位移传感器（5）监测所述压板（4）移动的位移值X；

S4、记录所述岩石物理模型的变化情况。

11.如权利要求10所述的使用方法，其特征在于，

当选择软性岩石物理模型进行力加载试验时，

通过所述活塞杆（2）带动所述压板（4）接触所述软性岩石物理模型，

通过给穿心油缸增加油压来增加对软性岩石物理模型施加的压力直至软性岩石物理模型被破坏，

通过所述力传感器（3）采集试验过程中的压力值F，通过位移传感器（5）采集试验过程中压板（4）移动的位移值X，

根据所述压力值F和位移值X分析软性岩石物理模型再轴向压力下的破坏形式。

12.如权利要求10所述的使用方法，其特征在于，

当选择刚性岩石物理模型进行力加载试验时，

先设置一个固定压力值F_set，通过所述活塞杆（2）带动所述压板（4）接触所述刚性岩石物理模型，

通过增加油压来增加对刚性岩石物理模型施加的压力值，通过所述力传感器（3）检测对刚性岩石物理模型施加的压力值是否达到固定压力值F_set，若是，则停止增加油压，保持固定压力值F_set对刚性岩石物理模型进行施压；

施压一段时间后，观察所述刚性岩石物理模型长时间在恒压作用下的状态，并通过位移传感器（5）记录保持恒压的过程中，压板（4）的位移变化情况。

13.如权利要求10所述的使用方法，其特征在于，

当对软性岩石物理模型或刚性岩石物理模型进行挖掘试验时，在物理模型的每个面上均设置相同数量的穿心油缸，每个面上的穿心油缸的活塞杆（2）带动压板（4）接触物理模型的表面，

设置试验所需的压力值F_s，通过控制油压大小使得压板（4）作用在物理模型表面的压力保持F_s，同时，掘进机器人穿过其中一个穿心油缸对物理模型进行挖掘作业；当挖掘完成后，所有穿心油缸保持对物理模型的施加压力一段时间，观察是否出现坍塌情况；

或者，设置一个初始压力值F₀，通过控制油压大小使得压板（4）作用在物理模型表面的压力达到F₀，同时，掘进机器人穿过其中一个穿心油缸对物理模型进行挖掘作业；在挖掘过程中，通过控制油压改变对物理模型的施加压力，监测在挖掘过程中出现坍塌情况的压力临界值。

14.如权利要求10所述的使用方法，其特征在于，

当对软性岩石物理模型或刚性岩石物理模型进行岩爆试验时，在物理模型的每个面上均设置相同数量的穿心油缸，每个面上的穿心油缸的活塞杆（2）带动压板（4）接触物理模型的表面，

设置试验所需的压力值F_s，通过控制油压大小使得压板（4）作用在物理模型表面的压力保持F_s，同时，掘进机器人穿过其中一个穿心油缸对物理模型进行挖掘作业；

挖掘完成后，控制穿心油缸的压板（4）以0.2mm/min的移动速度缓慢压物理模型，同时，通过位移传感器（5）监测压板（4）的移动速度，在压缩过程中，物理模型会逐渐产生裂纹直至破裂；

利用超声监测技术监测裂纹的变化情况，同时记录在压缩过程中力传感器（3）采集的压力数值。

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