一種提升扭矩施加精度的巖石空心圓柱扭剪儀的製作方法
2023-07-08 17:39:07 2
本發明涉及巖體力學試驗設備技術領域，特別涉及一種提升扭矩施加精度的巖石空心圓柱扭剪儀。
背景技術：
在交通、水利水電、採礦等基礎工程建設和資源/能源開發領域需要建設大量深埋長大隧道(隧洞、巷道)，TBM(全斷面巖石隧道掘進機)以其安全、高效、經濟等獨特優勢成為深埋長大隧道(隧洞、巷道)施工的最佳選擇和必然發展方向。TBM開挖過程會引起圍巖應力發生持續調整，其突出特點是：主應力量值大幅度改變同時伴隨應力主軸大角度旋轉。在深埋高應力條件下，圍巖應力的上述變化常導致高強度巖爆、大變形卡機等重大工程災害頻發，嚴重威脅人員和施工安全，經濟損失巨大。因此，深入揭示深部地層TBM掘進圍巖主應力量值改變和應力主軸旋轉組合條件下圍巖破壞機理和力學特徵是進行上述重大工程災害準確預測與可靠防控的基本前提和科學依據，也是深部地層TBM選型和系統適應性設計需要重點考慮的關鍵因素。
國內外現有的巖石力學試驗儀器中，可以模擬複雜應力路徑的包括：巖石空心圓柱扭剪儀。但是在其工作過程中，施加的扭矩是通過扭矩施加動力原件反算得到的，但是由於機械傳導結構本身的縫隙間隙，摩擦等因素等，導致實際作用在終端試樣上的值損失了部分，從而導致實驗數據嚴重失真。
技術實現要素：
本發明提供一種提升扭矩施加精度的巖石空心圓柱扭剪儀，解決現有技術中扭矩施力過程結構性扭矩損失，導致試驗可靠性和精度的技術問題。
為解決上述技術問題，本發明提供了一種提升扭矩施加精度的巖石空心圓柱扭剪儀，包括：框架、升降裝置、底座、圍壓桶、上座、傳力軸組、傳力軸支架、扭矩施加結構、扭矩傳感器、聯軸器和控制器；
所述傳力軸組包括：通過所述聯軸器連接的第一聯軸器和第二聯軸器；所述扭矩傳感器設置在所述聯軸器上，用於檢測傳力軸組上的扭矩；
所述升降裝置固定在所述框架上，所述底座固定在所述升降裝置上；
所述圍壓桶固定在所述底座上，所述底座上，圍壓桶內腔中設置一用於固定試樣底端的下壓頭；
所述上座固定在所述圍壓桶上部，與所述圍壓桶以及所述底座圍成試樣反應空間；
所述第一傳力軸中部嵌於所述上座內，底部位於所述反應空間內，所述第一傳力軸底端設置一用於固定試樣頂端的上壓頭；
所述第一傳力軸中部位於所述上座內的桿身上設置一活塞，所述上座內設置一與所述活塞匹配的施力油腔，所述活塞將所述施力油腔分隔成上施力油腔和下施力油腔；
所述傳力軸組通過所述傳力軸支架固定在所述框架上，相對所述框架保持軸向和徑向靜止；
所述扭矩施加結構固定在所述框架上，與所述第二傳力軸上部相連，用於施加扭矩；
所述圍壓桶、所述上施力油腔和所述下施力油腔均設置用於與外部液壓元件連接的輸油通道；
所述控制器分別與所述扭矩施加結構、所述升降結構、液壓元件以及所述扭矩傳感器相連；
其中，所述扭矩傳感器經由所述控制器控制所述扭矩施加結構；
所述控制器對所述升降結構以及所述液壓元件實現連鎖控制，當所述液壓原向所述施力油腔供油或者洩油，驅動所述反應空間相對於所述傳力軸上下移動時，所述升降裝置跟所述反應空間移動。
進一步地，所述升降裝置包括：液壓動力元件、導軌以及升降支座；
所述導軌固定在所述框架上，所述升降支座通過與所述導軌匹配的滑塊固定在所述導軌上；
所述液壓動力元件固定在所述框架與所述升降支座之間，驅動所述升降支座沿所述導軌移動。
進一步地，所述液壓動力元件包括：液壓千斤頂。
進一步地，所述圍壓桶內開設的輸油通道包括：
位於所述上座以及底座上，連通所述圍壓桶內腔的輸油通道；
位於所述底座上，連通巖石空心圓柱試樣內腔的輸油通道。
進一步地，所述上壓頭以及所述下壓頭上設置粘連結構，用於將所述試樣的端部分別粘接在所述上壓頭和下壓頭上。
進一步地，傳力軸支架包括：第一支架以及第一法蘭絲扣；
所述第一支架一端固定在所述框架上，另一端通過所述第一法蘭絲扣與所述第一傳力軸相連。
進一步地，所述傳力軸支架還包括：第二支架以及第二法蘭絲扣；
所述第二支架一端固定在所述框架上，另一端通過所述第二法蘭絲扣與所述第二傳力軸相連。
進一步地，所述扭矩施加結構包括：扭矩傳力杆、扭矩施加油缸以及油缸固定基座；
所述扭矩傳力杆一端與所述傳力杆上部相連，另一端通過關節軸承與所述扭矩施加油缸的活塞頭相連。
進一步地，所述扭矩傳力杆固定在所述第二傳力軸上。
進一步地，所述底座與所述圍壓桶之間、所述上座與所述圍壓桶之間以及所述上座與所述傳力軸之間均設置密封圈。
本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：
本申請實施例中提供的提升扭矩施加精度的巖石空心圓柱扭剪儀，通過在與試樣直接接觸的傳力軸組上設置終端扭矩傳感器，檢測作用在試樣的實際扭矩，反饋控制扭矩施加動力元件，從而保證作用在力學傳導結構終端的試樣上的扭矩是試驗要求的值，充分保證了實驗數據的可靠性。
進一步地，本扭剪儀還革新扭剪儀的扭矩和軸向施力方式，協調兩個操作過程，避免其相互幹擾；具體來說，通過將傳力軸固定在框架上，保持軸向和徑向相對於框架靜止；將扭矩施加結構固定在所述框架上，以其為施力支點；設置升降結構，執行抬升主體反應空間操作，使得軸向施力過程的動件由常規的傳力軸改成主體反應空間；從而使得傳力軸在軸向和徑向都不存在位移的情況下完成軸向施力，同時扭矩施力操作由於傳力軸在軸向和徑向上相對於框架靜止，而扭矩施力組件只向傳力軸施加切向扭矩，在軸向和切向上相對靜止，從而實現了施加扭矩操作與軸向施力操作的，相對獨立，從而避免了相互幹擾；保證了試驗可靠性和精度。克服了現有結構中扭矩施加結構與傳力軸的剛性連接，避免了產生由於運動趨勢產生的結構應力，而影響施力精度，角度和穩定性的問題。
附圖說明
圖1為本發明提供的提升扭矩施加精度的巖石空心圓柱扭剪儀的結構示意圖；
圖2為本發明提供的提升扭矩施加精度的巖石空心圓柱扭剪儀的外形圖。
具體實施方式
本申請實施例通過提供一種提升扭矩施加精度的巖石空心圓柱扭剪儀，解決現有技術中扭矩施力過程扭矩結構性損失，導致試驗可靠性和精度的技術問題；達到了提升試驗可靠性和精度的技術效果。
為了更好的理解上述技術方案，下面將結合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術方案進行詳細說明，應當理解本發明實施例以及實施例中的具體特徵是對本申請技術方案的詳細的說明，而不是對本申請技術方案的限定，在不衝突的情況下，本申請實施例以及實施例中的技術特徵可以相互組合。
參見圖1和圖2，一種提升扭矩施加精度的巖石空心圓柱扭剪儀，包括：框架1、升降裝置(2、3)、底座4、圍壓桶10、上座18、傳力軸26、傳力軸支架(29、30、34、38)、扭矩施加結構和控制器。
具體來說，所述傳力軸組包括：通過所述聯軸器連接的第一聯軸器26和第二聯軸器33；所述扭矩傳感器32設置在所述聯軸器31上，用於檢測傳力軸組上的扭矩；所述扭矩傳感器與控制相連，所述控制與扭矩施加結構相連；從而通過實施檢測終端試樣的實際扭矩，來反饋控制扭矩施加結構的輸出，保證處於力學傳導結構終端的實驗所受到的施加扭矩為試驗要求值，保證試驗的精度和可靠性。
所述升降裝置固定在所述框架1上，所述底座4通過底座固定螺栓5固定在所述升降裝置上；從而實現底座的抬升下降控制。
所述圍壓桶10固定在所述底座4上，所述底座4上，圍壓桶內腔17中設置一用於固定試樣11底端的下壓頭9，通過下壓頭固定螺栓8固定在所述底座4上。
所述上座18通過上座固定螺栓14固定在所述圍壓桶10上部，與所述圍壓桶10以及所述底座4圍成試樣反應空間；作為試樣反應的環境空間和圍壓施加空間。且，所述上座18和底座4通過拉緊螺栓16壓緊。
進一步地，施力油腔通常由上座18上的凹槽與槽蓋28圍成，並通過槽蓋固定螺栓25固定；便於拆卸維護。
所述第一傳力軸26中部嵌於所述上座18內，底部位於所述反應空間內，所述第一傳力軸26底端設置一用於固定試樣頂端的上壓頭12。
所述上壓頭12上設置測試設備孔13，用於各類測試傳感器進入。
所述第一傳力軸26中部位於所述上座18內的桿身上設置一活塞22，所述上座內設置一與所述活塞匹配的施力油腔，所述活塞22將所述施力油腔分隔成上施力油腔23和下施力油腔21；從而通過液壓油的輸入輸出實現活塞與施力油腔的相對運動。執行施力卸力操作。
所述第二傳力軸33通過所述傳力軸支架固定在所述框架1上，相對所述框架保持軸向和徑向靜止。所述扭矩施加結構固定在所述框架上，與所述第二傳力軸33上部相連，用於施加扭矩；從而形成傳力軸組與扭矩施加結構的切向側位移相對移動的結構形式，使得軸向施力和切向施力相互獨立；避免相互影響。
所述圍壓桶10、所述上施力油腔23和所述下施力油腔21均設置用於與外部液壓元件連接的輸油通道(24、20、15、6、7)；用於施加圍壓和液壓施力操作。
所述控制器分別與所述扭矩施加結構、所述升降結構以及液壓元件相連；所述控制器對所述升降結構以及所述液壓元件實現連鎖控制，當所述液壓原向所述施力油腔供油或者洩油，驅動所述反應空間相對於所述傳力軸上下移動時，所述升降裝置跟所述反應空間移動。
進一步地，所述升降裝置包括：液壓動力元件、導軌2以及升降支座3；
所述導軌2固定在所述框架1上，所述升降支座3通過與所述導軌2匹配的滑塊固定在所述導軌2上；
所述液壓動力元件固定在所述框架1與所述升降支座3之間，驅動所述升降支座沿所述導軌移動。
具體來講，所述液壓動力元件包括：液壓千斤頂。
進一步地，所述圍壓桶10內開設的輸油通道包括：
位於所述上座18以及底座4上，連通所述圍壓桶內腔的輸油通道(6、15)；
位於所述底座4上，連通巖石空心圓柱試樣11內腔的輸油通道7。
進一步地，所述上壓頭12以及所述下壓頭9上設置粘連結構，用於將所述試樣的端部分別粘接在所述上壓頭和下壓頭上。
進一步地，傳力軸支架包括：第二支架38以及第二法蘭絲扣34；
所述第二支架38一端固定在所述框架1上，另一端通過所述第二法蘭絲扣34與所述第二傳力軸33相連。
進一步地，所述傳力軸支架還包括：第一支架29以及第一法蘭絲扣30；
所述第二支架29一端固定在所述框架1上，另一端通過所述第二法蘭絲扣30與所述第一傳力軸26相連；
其中，所述第二絲扣法蘭34和所述第一絲扣法蘭30分別位於所述第二傳力軸34以及所述第一傳力軸26。從而形成兩個支點，保證傳力軸的穩定。
進一步地，所述扭矩施加結構包括：扭矩傳力杆、扭矩施加油缸37以及油缸固定基座36；
所述扭矩傳力杆一端與所述傳力杆上部33相連，另一端通過關節軸承與所述扭矩施加油缸37的活塞頭相連。
優選的，所述扭矩施加油缸37的尾部通過樞轉軸35與所述油缸固定基座36樞轉連接。
進一步地，所述扭矩傳力杆固定在所述第一絲扣法蘭34和所述第二絲扣法蘭30之間。從而保證扭矩施加，不影響傳力軸的姿態。
進一步地，所述底座與所述圍壓桶之間、所述上座與所述圍壓桶之間以及所述上座與所述第一傳力軸26之間均設置密封圈27、19。
下面具體介紹所述扭剪儀的工作過程。
具體的本發明進行室內試驗，按以下步驟進行：
步驟1：安裝空心巖樣11。將升降支座3下降至最低點，安裝試樣前，將測量儀器放入空心巖樣11內部，將空心巖樣11一端用強力膠粘結下壓頭9，另一端用強力膠粘結上壓頭12，空心巖樣11上包有防滲透的皮管，將其由下壓頭固定螺栓8固定在底座4上，並且將相關測量設備放進空心巖樣11內外部。
步驟2：利用控制器控制底座4上升，使得圍壓桶10與上座18接觸，此時上壓頭12的上的凹槽和第一傳力軸26下部的凸頭咬合，完成空心巖樣的安裝。
步驟3：實施加載。利用控制器控制外圍壓第一輸油通道6和外圍壓第二輸油通道15向圍壓桶內腔17輸油，施加外圍壓。內圍壓輸油通道7往空心巖樣11內的空腔輸油提供內圍壓。通過軸向加載輸油通道23往軸力上施力油腔24輸油，推動槽蓋28使試驗機並使其向上運動，(傳力軸上部33靜止)施加軸力。上壓頭12的上的凹槽和第一傳力軸26下部的凸頭咬合，通過扭矩施加油缸37推動第一傳力軸26做圓周運動為空心巖樣提供扭矩。過程中，通過扭矩傳感器32實時監測終端扭矩，反饋控制扭矩施加油缸37的輸出，使得終端扭矩為試驗要求值。
步驟4：卸載拆樣。內外圍壓的卸載同加載方法大致相同，通過控制器控制抽油，進行卸載。通過軸向卸載輸油通道20向軸力下施力油腔21輸油推動上座18使試驗機整體向下運動，卸載軸向壓力。扭矩的卸載使用扭矩施加油缸37反向運動即可。卸載後，利用控制器控制升降支座3下降，後拆卸空心巖樣。
本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：
本申請實施例中提供的提升扭矩施加精度的巖石空心圓柱扭剪儀，通過在與試樣直接接觸的傳力軸組上設置終端扭矩傳感器，檢測作用在試樣的實際扭矩，反饋控制扭矩施加動力元件，從而保證作用在力學傳導結構終端的試樣上的扭矩是試驗要求的值，充分保證了實驗數據的可靠性。
進一步地，革新扭剪儀的扭矩和軸向施力方式，協調兩個操作過程，避免其相互幹擾；具體來說，通過將傳力軸固定在框架上，保持軸向和徑向相對於框架靜止；將扭矩施加結構固定在所述框架上，以其為施力支點；設置升降結構，執行抬升主體反應空間操作，使得軸向施力過程的動件由常規的傳力軸改成主體反應空間；從而使得傳力軸在軸向和徑向都不存在位移的情況下完成軸向施力，同時扭矩施力操作由於傳力軸在軸向和徑向上相對於框架靜止，而扭矩施力組件只向傳力軸施加切向扭矩，在軸向和切向上相對靜止，從而實現了施加扭矩操作與軸向施力操作的，相對獨立，從而避免了相互幹擾；保證了試驗可靠性和精度。克服了現有結構中扭矩施加結構與傳力軸的剛性連接，避免了產生由於運動趨勢產生的結構應力，而影響施力精度，角度和穩定性的問題。
最後所應說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照實例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。