一種巖體三軸實驗剛性加載裝置的製作方法

2023-11-12 01:45:12 4

專利名稱：一種巖體三軸實驗剛性加載裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種巖體高溫三軸實驗的軸壓側壓剛性加載機構，尤其適用於進行不同軸壓、側壓組合條件下的高溫三軸的實驗，屬於礦業工程領域。
背景技術：
自從十八世紀初材料試驗機問世以來，經過了二百多年的發展和提高，試驗機愈趨完善和精確。但是，在材料試驗機中都是傳統地把力作為自變量，用恆定加載率進行力學試驗。這種試驗技術對於材質比較均勻、各向同性的連續的理想彈性材料(如金屬材料和木材)來講，在一般情況下尚能滿足工程設計的需要。但是，由於巖石(煤或其它脆性材料) 是非均質、各向異性的非連續介質，是一種多孔隙、多節理、多弱面的脆性材料，其性質與前者截然不同，若仍利用普通材料試驗機進行試驗，即以恆定的加載速率對巖石類試樣加載達到其強度極限值(亦稱峰值)時，試驗產生脆裂破壞，試驗機在試驗過程中貯存的彈性變形能量急劇而猛烈地釋放使巖樣在峰值處失控而立即崩潰，假若使用應力一應變曲線來描繪試樣破壞過程的話，則該曲線只能描繪到峰值以前的一段曲線(即前半程應力一應變曲線)，而峰值後的曲線(即後半程應力一應變曲線)便會突然消失，顯然不符合工程實際。出現上述現象的原因在於普通試驗機的剛度小於巖石類材料的剛度，使得巖石實驗結果並不能真實地反映巖石的力學性態(包括治石的強度特徵、變形特徵和破壞過程)。 而大剛度的試驗機順利地描繪出了巖石的全程應力一應變曲線，對於巖體工程結構的設計具有重要意義。之後，大剛度試驗機(即剛性試驗機)作為巖石類材料實驗的新手段，成為巖石力學實驗技術的新發展。多年來，國內外許多巖石力學學者做了大量的研究工作，研製了若干種不同原理、不同結構的剛性試驗機，如圍壓三軸試驗機、真三軸試驗機(儀)、高溫高壓三軸試驗機、大型真三軸試驗機等，並隨之進行了大量相關試驗的研究，揭示了巖石、 巖體的許多鮮為人知的特性，大大推動了巖石力學學科的發展，成為對國民經濟中有重要影響的新興學科。隨著人類對深部資源能源開發工程的迅速發展，諸如煤炭地下氣化、高溫巖體地熱開發、深部油氣開採、廢料處置等與溫度有關的工程問題越來越多，迫切需要了解深部巖體的特性，這些問題的解決離不開實驗技術的發展和進步，離不開試驗機技術的發展。而國內外現有的高溫高壓試驗機，儘管能實現在高溫度和高壓力下的實驗，但試樣尺寸(Φ20 mmX40 mm)非常小，且功能單一，僅可以進行變形特性和彈性波等地球物理方面的研究，較難提供與人類工程活動相關的巖體性態。

發明內容
技術問題本發明的目的是克服已有技術中的不足之處，提供一種結構簡單、 操作方便、可完成大試樣試驗的巖體高溫三軸實驗軸壓側壓剛性加載設備。技術方案本發明的巖體三軸實驗剛性加載裝置，主要由主機框架和壓頭構成，所述的主機框架包括主機底座、設在主機底座中部的軸壓缸，主機底座的四個角上分別設有通過鎖緊螺母固定連接的立柱，軸壓缸的兩側對稱設有兩個側壓缸，兩個側壓缸上設有套在立柱上的下託滑塊，兩個側壓缸外側的主機底座上分別設有液壓支柱，液壓支柱上設有套裝在立柱上的上託滑塊，立柱上設有上梁；所述的壓頭包括軸壓壓頭和套在軸壓壓頭上的側壓壓頭，軸壓壓頭設在軸壓缸上，側壓壓頭固定在下託滑塊上。所述的軸壓壓頭外徑為下大上小的變徑結構；所述的側壓壓頭的內徑為下大上小的變徑結構；所述的上梁、主機底座、上託滑塊均由Q-235-A鋼板焊接而成。有益效果本發明的軸壓與側壓可通過伺服控制各自獨立進行加載，側壓採用固體傳壓方式，可為大尺寸試樣(Φ200 mmX400 mm)的高溫三軸實驗提供不同組合的軸壓和側壓，更好的提供與人類工程活動相關的巖體性態，可應用於探索深部採礦、煤炭地下直接液化與氣化、地熱開採、煤層氣開採、深部油氣開採、廢料處置、礦山安全、建築安全等極為廣泛的工程領域的深刻科學規律與自然現象，可為能源與資源開發提供原創性的思路與研究方向。其結構簡單、剛性強、可完成大試樣的試驗。


圖1是本發明的結構圖； 圖2是圖1的A-A剖視圖。圖中1-上梁，2-立柱，3-側壓壓頭，4-軸壓壓頭，5-高溫三軸壓力室，6-鎖緊螺母，7-側壓紅，8-液壓支柱，9-上託滑塊，10-下託滑塊，11-軸壓缸，12-圍壓套，13-葉臘石粉，14-鹽，15-下軸壓頭，16-上軸壓頭，17-試樣，18-壓力室蓋板，19-主機蓋板，20-主機底座。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的一個實施例作進一步的說明
如圖1所示，本發明的巖體三軸實驗剛性加載裝置，主要由主機框架和壓頭構成，配與壓系統及控制臺協同作業。所述的主機框架採用三梁四柱立式結構，呈矩形式樣，它由上梁 1、主機底座20、軸壓缸11、側壓缸7、液壓支柱8、立柱2、鎖緊螺母6、上託滑塊9、下託滑塊 10組成。軸壓缸11、側壓缸7均為柱塞式油缸，缸體為ZG270-500，柱塞為45#鍛鋼，柱塞表面淬火處理。柱塞端面裝有一塊4Cr5MoSiVl合金鋼板，增壓杆均採用H13合金鋼材料， 留有排水孔，表面淬火處理。其中，立柱2上端與上梁1固定連接，軸壓缸11設在主機底座 20的中部，主機底座20的四個角上分別設有通過鎖緊螺母6固定連接的立柱2，軸壓缸11 的兩側對稱設有兩個側壓缸7，側壓缸7通過螺母固定在立柱2中部，兩個側壓缸7上設有套在立柱2上的下託滑塊10，兩個側壓缸7外側的主機底座20上分別設有液壓支柱8，液壓支柱8上設有套裝在立柱2上的上託滑塊9，上託滑塊9、下託滑塊10以立柱2為導向， 在液壓支架8、側壓缸7驅動下可做上下運動；立柱2上設置上梁1。所述的壓頭包括軸壓壓頭4和套在軸壓壓頭4上的側壓壓頭3，軸壓壓頭4固定於軸壓缸11上，側壓壓頭3固定於下託滑塊10上表面，軸壓壓頭4和側壓壓頭3全部採用變徑結構，軸壓壓頭4外徑為下大上小的變徑結構，側壓壓頭3的內徑為下大上小的變徑結構；所述的上梁1、主機底座 20、上託滑塊10均由Q-235-A鋼板焊接而成，焊後均做退火處理。軸壓壓頭4採用直徑為 195 mm的壓頭，側壓壓頭3採用內徑為200 mm，外徑為300 mm的環形壓頭，高溫三軸壓力室5之外，採用較大直徑的壓頭逐漸過渡，加載機構整體剛度不小於9X K^N/m。
工作過程首先給該加載機構供電，之後啟動液壓支柱8使上託滑塊9上升，當高溫三軸壓力室5上端面壓力室蓋板18與主機蓋板19儘量接觸大致沒有縫隙後，停止上升9 上託滑塊。然後啟動軸壓缸11和側壓缸7，交替上升軸壓缸11和側壓缸7加載，須保證讓軸壓先接觸到15下軸壓頭。通過控制軸壓缸使軸壓壓頭上升施壓於上軸壓頭16，軸壓通過上軸壓頭16作用於試樣17，實現對試樣軸壓加載；控制側壓缸7使下託滑塊上升，側壓壓頭3隨下託滑塊一起上升施壓於圍壓套12，側壓再依次作用於葉臘石粉13、鹽14、試樣17， 從而實現對試樣17的側壓加載。
權利要求
1.一種巖體三軸實驗剛性加載裝置，其特徵在於它主要由主機框架和壓頭構成，所述的主機框架包括主機底座(20)、設在主機底座(20)中部的軸壓缸(11)，主機底座(20)的四個角上分別設有通過鎖緊螺母(6)固定連接的立柱(2)，軸壓缸(11)的兩側對稱設有兩個側壓缸(7)，兩個側壓缸(7)上設有套在立柱(2)上的下託滑塊(10)，兩個側壓缸(7)外側的主機底座(20 )上分別設有液壓支柱(8 )，液壓支柱(8 )上設有套裝在立柱(2 )上的上託滑塊(9)，立柱(2)上設有上梁(1);所述的壓頭包括軸壓壓頭(4)和套在軸壓壓頭(4)上的側壓壓頭(3 )，軸壓壓頭(4 )設在軸壓缸(11)上，側壓壓頭(3 )固定在下託滑塊(10 )上。
2.根據權利要求1所述的巖體三軸實驗剛性加載裝置，其特徵在於所述的軸壓壓頭 (4)外徑為下大上小的變徑結構。
3.根據權利要求1所述的巖體三軸實驗剛性加載裝置，其特徵在於所述的側壓壓頭 (3)的內徑為下大上小的變徑結構。
4.根據權利要求1所述的巖體三軸實驗剛性加載裝置，其特徵在於所述的上梁(1)、 主機底座(20)、上託滑塊(10)均由Q-235-A鋼板焊接而成。
全文摘要
一種巖體三軸實驗剛性加載裝置，主要由主機框架和壓頭構成，主機框架包括主機底座、軸壓缸，主機底座上設有立柱，軸壓缸的兩側對稱設有兩個側壓缸，兩個側壓缸上設有套在立柱上的下託滑塊，兩個側壓缸外側的主機底座上分別設有液壓支柱，液壓支柱上設有套裝在立柱上的上託滑塊，立柱上設有上梁；壓頭包括軸壓壓頭和套在軸壓壓頭上的側壓壓頭，軸壓壓頭設在軸壓缸上，側壓壓頭固定在下託滑塊上。可通過伺服控制對三軸實驗試樣施加軸壓和側壓。主機框架由下往上移動對試樣加壓，側壓採用固體傳壓方式，軸壓和側壓各自獨立加載，軸壓和側壓壓頭均採用變徑結構，其結構簡單、操作方便、可完成較大試樣的試驗。
文檔編號G01N3/02GK102564847SQ20111043893
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者萬志軍, 周長冰, 國峰, 張源, 賀中海, 趙陽升 申請人:中國礦業大學