一種煤巖樣真三軸豎向動靜加載試驗機的制作方法

本發明專利涉及煤巖樣真三軸豎向動靜加載試驗機，主要使用于礦井沖擊動力災害機理研究及實驗室模擬再現。

背景技術：

隨著煤炭資源的不斷開采，開采深度不斷加大，保證高深度下的礦井安全開采是為我國能源安全供給，社會經濟穩定發展的必要條件。然而，進入深部開采，礦山壓力規律與淺部明顯不同，其中以沖擊礦壓為代表的煤巖動力災害給礦井安全開采帶來了新的挑戰。深部開采條件下沖擊礦壓發生的頻率與強度遠高于淺部開采，所造成的人員傷亡與經濟損失也呈現重大惡性事故特點，因此必須引起科學界的關注。目前與沖擊礦壓實驗研究相關的大部分研究內容都是在靜態力學試驗機上完成的，在靜態力學實驗中有MTS材料力學試驗機，該試驗機可完成靜力學試驗、常溫常壓試驗、高溫高壓試驗、破壞力學試驗、全過程試驗，但振動頻率最大只能到5Hz左右，這與煤礦礦震發生的高頻率震動相差較遠，不能夠滿足沖擊礦壓機理研究水平的要求。在動態實驗設備方面先后發展了落錘、輕氣炮和霍普金森壓桿。但無論那種設備，都只能單純完成靜載和動載載實驗，而事實上驅動煤巖體發生沖擊礦壓的載荷為動靜組合載荷。為此，研究發明煤巖樣真三軸豎向動靜加卸載試驗機，以重現煤巖動力災害發生時應力環境特征與演化過程，為沖擊礦壓機理研究提供依據。

技術實現要素：

目前存在的單獨的動載（疲勞試驗機或霍普金森壓桿）、靜載（伺服剛性壓力機）和假三軸動靜組合試驗系統限制了對沖擊礦壓現象、機理及參數的研究，因此本發明就是針對以上現有技術的不足，提供了一種可進行靜態三軸試驗、動態沖擊試驗和快速卸載試驗的真三軸動靜組合加卸載沖擊顯現試驗機。

為了實現上述發明目的，本發明是通過如下技術方案實現的，本發明包括：三軸加載系統、測量控制系統、動力加載源系統、保護系統。其中，三軸加載系統、測量控制系統和動力加載源系統固定在底座上。三軸加載系統用于實現靜態三軸試驗和快速卸載試驗，靜態三軸試驗可完成單軸、雙軸、三軸分別或同時加卸載，不等應力加載、卸載。快速卸載試驗完成對試樣實施雙軸、三軸不等應力作用下的Y軸單方向突然卸載試驗。動力加載源系統在試樣處于穩定應力狀態下，在Z軸方向上施加一沖擊動載荷。測量控制系統用于測量力和位移大小，從而用于控制整個設備的運轉和記錄試驗數據。保護系統用于保護人員及設備安全。

所述三軸加載系統包括：剛性框架、水平平臺、卸載缸、單活塞高頻響伺服缸、中空式雙活塞桿伺服缸、升降伺服機構、立柱、跌落桿、氣動催力裝置、底座，連接關系為：X軸采用從兩個剛性框架中分別穿過的兩個單活塞高頻響伺服缸和與剛性框架相連的四個立柱的結構形式。Y軸采用從兩個剛性框架中分別穿過的一個單活塞高頻響伺服缸和一個卸載缸，及與剛性框架相連的2個立柱的結構形式。X、Y軸安裝在水平平臺上，并與升降伺服機構相連。Y軸卸載缸突然卸載后，跌落桿在氣動催力裝置作用下快速跌落，讓出高速攝像所需的空間和時間；所述氣動催力裝置包括卸載缸、杠桿裝置；跌落桿與杠桿裝置一端連接，卸載缸與杠桿裝置的另一端聯動，杠桿裝置一端與杠桿裝置的另一端移動方向相反，杠桿裝置上設有支點，卸載缸與杠桿裝置的另一端連接的位置為第一點，杠桿裝置與跌落桿連接的位置為第二點，支點與第一點之間的距離明顯小于支點與第二點之間的距離，故卸載缸的卸載帶動跌落桿快速移動；當需要跌落桿升起時，卸載缸通過氣泵管道給杠桿裝置加壓，杠桿裝置的另一端下移，通過杠桿作用將跌落桿升起；Y軸加載系統的卸載缸突然卸載后，杠桿裝置的另一端上移，跌落桿在氣動催力裝置作用下快速跌落，跌落桿以接近自由落體方式下降，讓出高速攝像所需的空間和時間。

Z軸采用從上剛性框架中穿過的一個中空式雙活塞桿伺服缸和與底座相連的4個立柱的結構形式。

所述測量系統包括：負荷傳感器、回彈式位移傳感器、位移傳感器，連接關系為：回彈式位移傳感器安裝在水平平臺上，測量數據反饋給升降伺服機構控制水平平臺升降，從而隨試樣幾何中心變化而隨動，保證加載時X、Y、Z軸中心始終交于一點，保證水平X、Y軸加載中心始終交于一點且中心點不變（對中過程，首先通過加載力的作用使試樣在Y軸方向位于中心位置，然后通過X方向力的作用使其位于X方向中心位置，水平平臺隨試樣幾何中心變化而升降，從而保證X,Y,Z軸始終交予一點且中心點不變）。位移傳感器安裝在Z軸框架上反饋控制升降伺服機構驅動水平平臺上下移動，使加載中心適應不同試樣尺寸。高速伺服缸上安裝有負荷傳感器，用于控制動載作用時間和沖擊載荷大小。升降伺服機構位于水平平臺下表面，內置液壓驅動裝置。

所述動力加載系統包括：高速伺服缸、活塞桿、沖擊桿、直線軸承，連接關系為：中空式雙活塞桿伺服缸上連接有高速伺服缸。高速伺服缸中的活塞桿沖擊一個安裝在中空式雙活塞伺服缸中的沖擊桿，直線軸承對沖擊桿起支撐導向作用。

所述保護系統包括：擋板、減振阻尼器，連接關系為：底座下方安裝有減振阻尼器，瞬間吸收沖擊帶來的振動，X、Y軸共四個剛性框架周圍安裝有擋板，保護外圍安全。

本發明工作原理：利用X軸、Y軸和Z軸加載系統共5個液壓缸模擬井下不同開采條件下煤巖體的靜態受力條件，其特點是Y軸一個方向安裝有卸載缸，通過氣動催力裝置實現跌落桿的快速跌落，從而完成一面臨空的卸荷試驗。為保證中心點不偏移，安裝位移傳感器和回彈式位移傳感器，測量數據反饋給升降伺服機構驅動水平平臺升降，利用Z軸的高速伺服缸沖擊在真三軸靜載作用下達到力學平衡條件的煤巖體，完成動靜組合試驗。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：目前國內外還沒有能夠實現煤礦動力災害的實驗系統，已成為制約學科發展的主要因素。現有理論、模型與現場脫節，不能有效指導防災減災。本發明煤巖樣真三軸豎向動靜加卸載試驗機可研究煤巖體在真三軸動靜組合加卸載試驗條件下，應力分布、聲電參數和應力波傳播的演化規律，揭示動靜合力誘災機理和建立沖擊破壞的多參量模型，進而提高沖擊礦壓災害理論研究的有效性和針對性，提升學科的理論研究水平和裝備水平。

附圖說明

圖1是本發明的立體結構示意圖；

圖2是本發明的測控系統局部示意圖；

圖3是本發明的三軸加載系統的X軸立體結構示意圖；

圖4是本發明的三軸加載系統的Y軸立體結構示意圖；

圖5是本發明的三軸加載系統的Z軸立體結構示意圖。

在上述附圖中：1-負荷傳感器、2-回彈式位移傳感器、3-高速伺服缸、4-擋板、5-剛性框架、6-水平平臺、7-卸載缸、8-單活塞高頻響伺服缸、9-中空式雙活塞桿伺服缸、10-升降伺服機構、11-立柱、12-跌落桿、13-氣動催力裝置、14-位移傳感器、15-底座、16-減振阻尼器、17-活塞桿、18-沖擊桿、19-直線軸承。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明專利的實施例作詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖1、2、3、4、5所示：本實例包括負荷傳感器1、回彈式位移傳感器2、高速伺服缸3、擋板4、剛性框架5、水平平臺6、卸載缸7、單活塞高頻響伺服缸8、中空式雙活塞桿伺服缸9、升降伺服機構10、立柱11、跌落桿12、氣動催力裝置13、位移傳感器14、底座15、減振阻尼器16、活塞桿17、沖擊桿18、直線軸承19。

一種煤巖樣真三軸豎向動靜加卸載試驗機，包括三軸加載系統、測量控制系統、動力加載源系統，三軸加載系統、測量控制系統和動力加載源系統固定在底座上，其特征在于：所述三軸加載系統包括剛性框架5、水平平臺6、卸載缸7、單活塞高頻響伺服缸8、中空式雙活塞桿伺服缸9、升降伺服機構10、立柱11、跌落桿12、氣動催力裝置13、底座15，三軸加載系統分為X軸加載系統、Y軸加載系統、Z軸加載系統；剛性框架5包括X軸剛性框架、Y軸剛性框架、Z軸剛性框架；X軸加載系統采用從兩個X軸剛性框架中分別穿過的兩個單活塞高頻響伺服缸8和與X軸剛性框架相連的立柱11的結構；Y軸加載系統采用從兩個Y軸剛性框架中分別穿過的一個單活塞高頻響伺服缸8和一個卸載缸7，及與Y軸剛性框架相連的立柱11的結構；X、Y軸加載系統安裝在水平平臺6上，并與升降伺服機構10相連；Y軸加載系統的卸載缸7突然卸載后，跌落桿12在氣動催力裝置13作用下快速跌落；Z軸加載系統采用從Z軸剛性框架5中穿過的一個中空式雙活塞桿伺服缸9和與底座15相連的立柱11的結構。

所述測量系統包括負荷傳感器1、回彈式位移傳感器2、位移傳感器14，回彈式位移傳感器2安裝在水平平臺6上，回彈式位移傳感器2的測量數據反饋給升降伺服機構10并由升降伺服機構控制水平平臺6升降，從而水平平臺隨試樣幾何中心變化而升降，保證加載時X、Y、Z軸加載系統中心始終交于一點。所述的位移傳感器14安裝在Z軸剛性框架上，用于反饋控制升降伺服機構10并驅動水平平臺6上下移動，使加載中心適應不同試樣尺寸。所述的負荷傳感器1安裝于高速伺服缸3上，用于控制動載作用時間和沖擊載荷大小。Y軸加載系統的卸載缸7突然卸載后，跌落桿12在氣動催力裝置13作用下快速跌落，讓出高速攝像所需的空間和時間；所述的卸載缸與跌落桿連接，所述的氣動催力裝置連接跌落桿。試樣位于加載試驗機中央，且由六面夾具完全包圍，六面夾具的六個面對應X、Y、Z軸形成的立體結構的六個面。

所述的動力加載系統包括高速伺服缸3、活塞桿17、沖擊桿18，中空式雙活塞桿伺服缸9上連接有高速伺服缸3；高速伺服缸3中的活塞桿17沖擊安裝在中空式雙活塞伺服缸9中的沖擊桿18。所述的動力加載系統還包括直線軸承19，沖擊桿18被直線軸承19支撐導向。

還包括保護系統，所述的保護系統包括安裝于所述底座15下方的減振阻尼器16。所述的保護系統還包括安裝于X、Y軸剛性框架周圍的擋板4。

上述結構的試驗機使用時，首先打開擋板4，放置煤巖體試樣，使試樣中心與加載中心重合，然后啟動三軸加載系統加載到設計的三向應力狀態，同時回彈式位移傳感器2和位移傳感器14分別測量水平平臺6和Z軸剛性框架5位移，并將數據反饋給升降伺服機構10，從而驅動水平平臺6升降保證在加載過程中中心點不偏離，接著啟動動力加載源系統使高速伺服缸3中的活塞桿17對安裝在Z軸中空式雙活塞伺服缸9中的沖擊桿18進行動力沖擊，沖擊桿18在直線軸承19的支撐導向作用下，施加動載荷至煤巖體，使其在動靜組合載荷下發生破壞，測量控制系統連續采集試驗過程中的力、位移數據，出具X、Y、Z軸應力-應變、應力-時間、位移-時間曲線。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同形式的替換，這些改進和等同替換得到的技術方案也應屬于本發明的保護范圍。