受載煤巖體熱流固耦合CT三軸壓力腔的制作方法

本發明涉及巖土工程領域，尤其涉及一種受載煤巖體熱流固耦合ct三軸壓力腔。

背景技術：

隨著城鎮化建設的推進，基礎設施的不斷完善，施工工藝的不斷改進。對三軸試驗機的需求已不僅僅局限于材料工程，已經廣泛的應用于巖土工程、建筑材料、地質災害研究與應用等領域。特別是在巖石力學領域，對巖石在應力作用下的變形及滲流特性的研究是巖石力學領域的主要方向之一，常規三軸試驗儀是試驗巖石力學領域最常見的儀器之一，后經學者們改造后能夠完成熱流固耦合條件下的三軸試驗。然而由于加載腔體需承受高強度的載荷，很難將腔體實現透明化。所以，試驗過程中試樣的變形的可視化問題一直困擾著廣大科研工作者。

ct技術已經廣泛的應用于醫療診斷以及工業無損檢測領域，有學者已經開始將ct應用于巖石力學領域，但由于受到限制ct穿透性能和腔體對射線的吸收。目前用于ct的加載腔體的材料普遍為有機玻璃或者鋁合金材料，這些材料的強度密度比不高，用這些材料制作的加載腔體所能承受的應力也不高，難以適用于ct掃描要求。因此，需要開發一種應用于通過醫用ct掃描的熱流固耦合三軸試驗系統的ct三軸壓力腔。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種受載煤巖體熱流固耦合ct三軸壓力腔，該壓力腔的腔體采用臺階結構使試件區的壁厚減薄，提高射線穿透性，并通過內襯絕熱套形成保溫結構，降低對ct掃描機的熱影響，同時，壓力腔采用鈦合金制造不僅可減輕重量，還可確保高壓試驗要求。

為實現前述目的，本發明采用如下技術方案。

一種受載煤巖體熱流固耦合ct三軸壓力腔，包括筒形結構的壓力腔體，壓力腔體由后端的連接盤通過四根柱桿和軸壓加載缸安裝板形成反力架結構，壓力腔體采用鈦合金制造，壓力腔體內部兩端分別設有一盤絲加熱器，壓力腔體的筒形部內壁上襯有由納米氣凝膠材料制成的絕熱套，壓力腔體的筒部外壁在與巖石試樣的對應區域形成壁厚減小的內凹結構。

采用前述技術方案的本發明，壓力腔采用臺階結構的鈦合金制造，不僅可減輕重量，還可確保高壓試驗要求。同時，臺階結構可使試件區的壁厚盡量減薄，提高ct掃描射線的穿透性，并通過內襯絕熱套形成保溫結構，降低對ct掃描機的熱影響。

優選的，所述反力架還包括通過螺栓與連接盤和軸壓加載缸安裝板分別固定連接的安裝底板上。安裝底板構成壓力腔反力架的一部分，可有效增強試驗腔結構強度，可有效滿足高壓試驗要求，確保試驗過程穩定；另外，安裝底板還用于與其他構件連接，滿足安裝連接要求。

進一步優選的，所述壓力腔體的前端形成連接法蘭，連接法蘭通過螺栓連接有下底盤；下底盤內側裝設有固定壓頭組合體，固定壓頭組合體由固定壓頭主體和具有蜂窩孔結構的蜂窩孔固定壓頭軸向組合形成，蜂窩孔固定壓頭自由端用于承載巖石試樣；所述連接盤中部間隙配合有具有法蘭盤的透蓋，透蓋具有的法蘭盤位于連接盤內側，透蓋通過其法蘭盤與連接盤形成端面密封結構，透蓋內徑向密封配合有活動壓頭組合體，活動壓頭組合體由活動壓頭主體和具有蜂窩孔結構的蜂窩孔活動壓頭軸向組成形成，蜂窩孔活動壓頭用于向巖石試樣施加軸向載荷；固定壓頭主體和活動壓頭主體上均設有用于捆扎鐵絲的環形凹槽。壓力腔中部的試件安裝部分可方便的與壓力腔分離，試件安裝操作方便，并可有效確保試件自身密封，避免圍壓流體進入試件內部確保試件內部滲流符合試驗要求，確保試驗結果準確。

進一步優選的，所述兩個盤絲加熱器分別包圍在固定壓頭主體和活動壓頭主體一段桿部的外周。以形成布局緊湊的結構，且兩個加熱器分布在壓力腔兩端，加熱圍壓液體均勻性好，確保試驗結果可靠。

進一步優選的，所述下底盤和透蓋之間通過至少兩個定位桿連接，定位桿一端固定在下底盤上，另一端與透蓋上的配合孔形成滑動配合的連接關系，多根定位桿周向均布在固定壓頭主體外周，以在巖石試樣安裝后固定壓頭主體和活動壓頭主體同軸線。以通過定位桿形成固定壓頭與活動壓頭的同軸線定位，確保試件承載均勻，試驗結果準確。

進一步優選的，所述下底盤外側固定連接有定位盤，定位盤上設有用于與第三構件形成定位的定位結構。以通過定位盤使下底盤軸線位置固定，便于下底盤與腔體連接時找正螺栓連接孔位置，提高試件安裝的方便性和快捷性。

本發明的有益效果是，壓力腔重量輕、強度高，對ct掃描熱影響及射線吸收小，且結構穩定、試件裝拆方便。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

圖2是本發明中部分結構的結構示意圖。

圖3是應用本發明的應用醫用ct進行動態觀測的熱流固耦合三軸試驗系統的結構示意圖。

圖4是本發明位于裝載單元上并處于水平狀態的結構示意圖。

圖5是本發明位于裝載單元上并翻轉成豎直狀態的結構示意圖。

圖6是本發明中的安裝底板與移動驅動裝置連接關系的結構示意圖。

圖7是通過導軌副與本發明中的安裝底板連接的裝載單元中裝載臺的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的說明，但并不因此將本發明限制在所述的實施例范圍之中。

參見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7，一種用于應用醫用ct進行動態觀測的熱流固耦合三軸試驗系統的受載煤巖體熱流固耦合ct三軸壓力腔，包括筒形結構的壓力腔體120，壓力腔體120由后端的連接盤120a通過四根柱桿122和軸壓加載缸安裝板123形成反力架結構，反力架還包括通過螺栓與連接盤120a和軸壓加載缸安裝板123分別固定連接的安裝底板110上；壓力腔體120采用鈦合金制造，壓力腔體120內部兩端分別設有一盤絲加熱器138，壓力腔體120的筒形部內壁上襯有由納米氣凝膠材料制成的絕熱套121，壓力腔體120的筒部外壁在與巖石試樣133的對應區域形成壁厚減小的內凹結構。

其中，壓力腔體120的前端形成連接法蘭120b，連接法蘭120b通過螺栓連接有下底盤129；下底盤129內側裝設有固定壓頭組合體，固定壓頭組合體由固定壓頭主體131和具有蜂窩孔結構的蜂窩孔固定壓頭132軸向組合形成，蜂窩孔固定壓頭132自由端用于承載巖石試樣133；連接盤120a中部間隙配合有具有法蘭盤的透蓋137，透蓋137具有的法蘭盤位于連接盤120a內側，透蓋137通過其法蘭盤與連接盤120a形成端面密封結構，透蓋137內徑向密封配合有活動壓頭組合體，活動壓頭組合體通過加載壓頭施加軸向載荷，活動壓頭組合體由活動壓頭主體134和具有蜂窩孔結構的蜂窩孔活動壓頭135軸向組成形成，蜂窩孔活動壓頭135用于向巖石試樣133施加軸向載荷；固定壓頭主體131和活動壓頭主體134上均設有用于捆扎鐵絲136的環形凹槽。兩個盤絲加熱器138分別固定在下底盤129和透蓋137上，并包圍在固定壓頭主體131和活動壓頭主體134一段桿部的外周。

下底盤129和透蓋137之間通過至少兩個定位桿139連接，定位桿139一端固定在下底盤129上，另一端與透蓋137上的配合孔形成滑動配合的連接關系，多根定位桿139周向均布在固定壓頭主體131外周，以在巖石試樣133安裝后固定壓頭主體131和活動壓頭主體134同軸線。下底盤129和活動壓頭主體134上設有滲流流體接口，兩個滲流流體接口之間依次通過活動壓頭主體134上設有的流體通道、蜂窩孔活動壓頭135上的滲流流體通道及蜂窩孔、巖石試樣133的滲流流道、蜂窩孔固定壓頭132上的蜂窩孔及滲流流體通道、固定壓頭主體131的滲流流體通道，以及下底盤129上的滲流流體通道接通；并通過外接滲流管路和滲流泵形成滲流流體循環通路；下底盤129上和連接盤120a上設有與壓力腔體120內部空腔接通的圍壓加載流體通道接口，兩個圍壓加載流體通道接口通過外接管路與圍壓加載用電液壓伺服加載系統形成圍壓加載循環回路，該電液伺服加載系統包括加載伺服電機，伺服電機通過滾珠絲杠副加載，電液伺服加載系統由中央控制計算機控制。

軸壓加載缸安裝板123上設有軸壓加載油缸124，軸壓加載油缸124連接有軸壓加載用電液伺服加載系統，軸壓加載油缸124的缸底蓋124a上裝設有磁致伸縮位移傳感器124b，磁致伸縮位移傳感器124b的探頭軸向伸入軸壓加載油缸124的活塞內，且磁致伸縮位移傳感器124b的磁環也嵌設在活塞內，軸壓加載油缸124的活塞桿前端依次設有應力傳感器125和加載壓頭，加載壓頭由加載壓頭主體126和加載活動頭127組成，加載活動頭127和加載壓頭主體126之間形成有內外球面配合結構，加載活動頭127和加載壓頭主體126通過螺栓和預緊彈簧128連接，預緊彈簧128通過彈性力使加載活動頭127和加載壓頭主體126之間的內外球面保持結合；磁致伸縮位移傳感器124b和應力傳感器125構成軸壓加載控制系統，軸壓加載油缸124、軸壓加載用電液伺服加載系統和軸壓加載控制系統通過中央計算機連接并控制。

其中，應用醫用ct進行動態觀測的熱流固耦合三軸試驗系統包括三軸試驗單元100、醫用ct單元200和裝載單元300，三軸試驗單元100由受載煤巖體熱流固耦合ct三軸壓力腔構成，三軸試驗單元100通過裝載單元300進行巖石試樣安裝，醫用ct單元200用于對巖石試樣進行ct掃描，醫用ct單元200包括ct掃描主機210和病床系統220，病床系統220由病床固定托架220a和病床活動托架組成，病床活動托架組成可移動的設在病床固定托架220a上；裝載單元300位于ct掃描主機210前方；裝載單元300與三軸試驗單元100之間設有供三軸試驗單元100直線水平移動的直線形導軌副結構；直線形導軌副結構中的軌道由主體段301和延伸段組成，主體段301用于三軸試驗單元100在裝載單元300上直線移動，延伸段主要用于三軸試驗單元100從裝載單元300直線移動至病床活動托架上。主體段301兩端設有可拆卸的限位擋鐵305。

其中，主體段301固定連接在裝載臺310a上，裝載臺310a與三軸試驗單元100之間設有驅動三軸試驗單元100移動的移動驅動裝置，該移動驅動裝置采用由電機驅動的絲桿螺母副傳動結構；其絲杠螺母副傳動結構采用具有自鎖角的絲杠螺母副；三軸試驗單元100通過裝載臺310a與裝載單元300連接，裝載臺310a通過鉸接結構鉸接在裝載單元300的機架320上，鉸接結構用于裝載單元300從水平狀態翻轉到豎直狀態，且機架320一側下端設有裝件臺330，裝件臺330通過桿部形成t字形，裝件臺330通過桿部可轉動的支撐在機架320上，裝件臺330還設有扳動用手輪331，手輪331上連接有手柄，以通過手柄扳動裝件臺330轉動。其中，三軸試驗單元100中下底盤129外側固定連接有定位盤130，在三軸試驗單元100翻轉呈豎直狀態時，下底盤129通過定位盤130與裝件臺330連接，且下底盤129與裝件臺330形成同軸線的連接關系；三軸試驗單元100通過安裝底板110與裝載臺310a連接；安裝底板110底面中部形成有矩形開口的通槽，裝載臺310a中部設有條形腰槽a；移動驅動裝置中絲杠螺母副的絲杠311通過其兩端的固定連接在裝載臺310a底面上的絲杠座312可轉動的設在裝載臺310a上，絲杠311一端與驅動電機313的輸出軸同軸固定連接，驅動電機313安裝固定在裝載臺310a上，絲杠螺母副中的螺母111構成安裝底板110與移動驅動裝置連接的第三構件，螺母111穿過裝載臺310a的條形腰槽a，其上端伸入安裝底板110底面中部的通槽內，螺母111與安裝底板110之間通過鎖緊插孔與鎖緊塊或鎖緊插銷112相配合形成可拆卸的鎖緊固定；螺母111中部兩側與條形腰槽a形成滑動配合，并由條形腰槽a限制其轉動。以在鎖固結構鎖固后，由驅動電機313驅動安裝底板110及三軸試驗單元100同步移動，主要用于在三軸試驗單元100、安裝底板110以及裝載臺310a處于豎直狀態時，通過移動驅動裝置提升三軸試驗單元100主體部分的方式，形成巖石試樣安裝空間，提高安裝方便性；而在三軸試驗單元100處于水平狀態，且鎖緊固定解除后，便于推動三軸試驗單元100隨安裝底板110同步移動至ct掃描機的病床上。顯然，為滿足安裝巖石試樣需要，裝載臺310a與機架320之間設有水平限位結構和豎直限位鎖緊結構，水平限位結構和豎直限位鎖緊結構分別用于將三軸試驗單元100限制在水平狀態和豎直狀態。

水平限位結構由固定連接在機架320頂部的限位柱321構成，在裝載臺310a處于水平位置時，限位柱321通過裝載臺310a的底面對裝載臺310a形成支撐；豎直限位鎖緊結構包括豎直限位塊322和鎖緊螺桿323，豎直限位塊322設在機架320側面上，在裝載臺310a處于豎直狀態時，豎直限位塊322頂持在裝載臺310a下端背面，該背面與裝載臺310a水平時的底面為同一面，鎖緊螺桿323鉸接在機架320上，并位于裝載臺310a下端部，裝載臺310a下端設有供鎖緊螺桿323桿部卡入的螺桿容納開槽b，鎖緊螺桿323通過螺合的鎖緊螺母對機架320與裝載臺310a形成鎖緊。另外，裝載臺310a與機架320之間設有用于三軸試驗單元100豎直和水平狀態轉換的翻轉驅動裝置，該翻轉驅動裝置由卷揚機324構成，卷揚機324的電機及卷筒固定連接在機架320一側，牽引鋼絲繩325通過過輪326與裝載臺310a的一端端部連接。

其中，直線形導軌副由雙工字形導軌副組合形成組合型的雙導軌副結構；導軌副通過軌道的主體段301和延伸段分別與滾動體形成滾動導軌副結構。滾動體采用滾針形式，多個滾針呈并列設在滾針支架113上，四個滾針支架113固定連接在安裝底板110的四角；滾針支架113呈u形，滾針支架113中u形的至少一側壁與軌道的主體段301或延伸段上部的外側面滑動連接，以形成安裝底板110的側向限位。

其中，延伸段由第一延伸軌道302和第二延伸軌道303組成，第一延伸軌道302連接在機架320和病床活動托架之間，第二延伸軌道303設在病床活動托架上，以使第一延伸軌道302形成連接橋梁；以方便通過拆除第一延伸軌道302實現ct掃描機與裝載單元300的斷開，從而在掃描時獲得所需的必要操作空間，或者，將醫用掃描機恢復原有醫用掃描功用；第二延伸軌道303構成病床活動托架對三軸試驗單元100ct掃描時的支撐，第二延伸軌道303兩端設有可拆卸的限位擋鐵305，以防止三軸試驗單元100意外從病床活動托架上脫出。其中，病床活動托架上設有高分子結構復合材料制成的托板220b，托板220b內嵌設有具有內外絲扣的復合螺母304；第一延伸軌道302和第二延伸軌道303通過固定螺釘與托板220b固定連接，托板220b與病床活動托架之間利用加寬的粘扣帶并采用綁扎的方式將托板220b固定在ct病床活動托架上，從而有效避免對ct病床活動托架造成不可恢復的損傷，同時合理分布重量，將第二延伸軌道303布置在ct病床固定托架上方，導軌采用上窄下寬的大承載面、長支撐段結構，避免活動托架產生彎曲變形而不穩定，從而對掃描結果造成影響。

三軸試驗單元100的采用軸壓與圍壓同時加載的方式形成模擬三軸加載。

本發明的壓力腔在裝拆巖石試樣133時，通過拆卸連接法蘭120b與下底盤129之間的連接螺栓使下底盤129與壓力腔體120分離，并通過提升安裝底板110的方式，使固定壓頭和活動壓頭部分整體露出壓力腔體120；在裝件完成后需要將下底盤129與壓力腔體120通過螺栓連接在一起時，可通過手柄扳動裝件臺330使下底盤129隨裝件臺330同步轉動，達到下底盤129與連接法蘭120b上多個圓周分布的螺栓安裝孔對應同軸線的螺栓安裝要求。

本實施例中的翻轉驅動裝置可采用液壓缸替代；移動驅動裝置也可采用另一液壓缸替代。

本實施例中的雙工字組合導軌副結構，也可采用燕尾形導軌副結構、雙t形導軌副結構，或者，矩形與三角形結合的組合導軌副結構替代。

以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的試驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。