一種剛性隨動加載框架結構的制作方法
【專利摘要】一種剛性隨動加載框架結構，屬于硬巖真三軸試驗機【技術領域】，可作為硬巖真三軸試驗機基本加載框架結構。本發(fā)明包括框架單元和氣動液壓平衡單元，框架單元內的水平框架設置在上支撐平臺上方，兩者滑動配合；上支撐平臺固定在下支撐平臺上方，下支撐平臺固裝在地面上；豎直框架設置在下支撐平臺上方，兩者通過氣動液壓平衡單元的支撐油缸相連接；支撐油缸與蓄能器相連通，蓄能器通過電子調壓閥與氮氣瓶相連通，電子調壓閥信號控制端與主控計算機相連；采用本發(fā)明的硬巖真三軸試驗機，通過豎直框架和水平框架的隨動方式，能夠實現(xiàn)巖石試樣幾何中心的不變；本發(fā)明的豎直框架和水平框架均采用整體鑄造工藝制造，完全能夠滿足硬巖峰后破壞的需要。
【專利說明】一種剛性隨動加載框架結構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于硬巖真三軸試驗機【技術領域】，特別是涉及一種可作為硬巖真三軸試驗機基本加載框架結構的剛性隨動加載框架結構。
【背景技術】
[0002]對于現(xiàn)階段深部巖體工程領域，如采礦和水電硐室工程，受開挖影響，巷道近場的應力狀態(tài)均在真三軸應力空間內變化，開展硬巖真三軸條件下的室內力學試驗可以較好地研究實際深部巖體應力場下的力學行為。
[0003]現(xiàn)有的硬巖真三軸試驗機所采用的各種加載框架結構，在試驗過程中均無法實現(xiàn)巖石試樣幾何中心的不變，原因為巖石試樣在加載過程中會出現(xiàn)壓縮變形，進而使巖石試樣的幾何中心產生偏移，而現(xiàn)有的硬巖真三軸試驗機均無法有效的將偏移消除，以至于如何實現(xiàn)巖石試樣的幾何中心不變的難題至今仍未得到解決。
[0004]按照常規(guī)設計思路，相關技術人員可能會選擇在同一個加載軸系上采用兩個作動器單元進行加載，首先這種設計思路會極大的增加硬巖真三軸試驗機的制造成本，其次為了保證兩個作動器的加載力保持一致，就需要對兩個作動器的控制器單元進行精密設計，但是現(xiàn)在還沒有現(xiàn)成的解決辦法，來解決作動器的控制問題，所以這種設計思路也是很難實現(xiàn)，即使實現(xiàn)，所花費的成本也會非常之高。
[0005]再有，現(xiàn)階段的硬巖真三軸試驗機所采用的各種加載框架結構，其加載框架結構普遍采用低剛度的拉桿，或者采用立柱式框架結構，但是傳統(tǒng)的加載框架結構在面對幾百噸的加載力時，根本無法滿足硬巖峰后破壞的需要，硬巖峰后破壞會直接導致試驗的失敗及試驗結果的嚴重失真，也無法為實際深部巖體應力研究提供理論依據(jù)。

【發(fā)明內容】

[0006]針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種剛性隨動加載框架結構，采用該加載框架結構的硬巖真三軸試驗機，在不增加試驗機制造成本的前提下，能夠實現(xiàn)巖石試樣幾何中心的不變，摒棄了傳統(tǒng)的加載框架結構采用的低剛度拉桿和立柱式框架結構，采用整體鑄造工藝制造，完全滿足了硬巖峰后破壞的需要。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:一種剛性隨動加載框架結構，包括框架單元和氣動液壓平衡單元，所述框架單元包括豎直框架、水平框架、上支撐平臺、下支撐平臺及平臺間支撐立柱，所述氣動液壓平衡單元包括支撐油缸、蓄能器、氮氣瓶及電子調壓閥；
[0008]所述水平框架設置在上支撐平臺上方，水平框架與上支撐平臺之間為滑動配合；所述上支撐平臺通過平臺間支撐立柱固定在下支撐平臺上方，下支撐平臺固裝在地面上；
[0009]所述豎直框架設置在下支撐平臺上方，豎直框架通過支撐油缸與下支撐平臺相連接，支撐油缸固定在下支撐平臺上，支撐油缸的活塞與豎直框架相連接；所述支撐油缸與蓄能器出氣口相連通，蓄能器進氣口通過電子調壓閥與氮氣瓶出氣口相連通，電子調壓閥信號控制端與主控計算機相連。
[0010]所述豎直框架和水平框架均采用整體鑄造工藝制造。
[0011]在所述水平框架下部設置有滑塊，在上支撐平臺上表面設置有導軌，水平框架通過滑塊和導軌與上支撐平臺相配合。
[0012]在所述滑塊內設置有鋼珠，滑塊通過鋼珠與導軌滾動摩擦配合。
[0013]在所述下支撐平臺上設置有豎向滑軌，豎直框架與豎向滑軌之間滑動接觸配合。
[0014]在所述支撐油缸的活塞與豎直框架之間設置有鋼珠，支撐油缸與豎直框架之間通過鋼珠點接觸配合。
[0015]本發(fā)明的有益效果:
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，采用了本發(fā)明的剛性隨動加載框架結構的硬巖真三軸試驗機，通過豎直框架和水平框架的隨動方式，即隨動對中的方法，實現(xiàn)了巖石試樣幾何中心不變的目的，而采用傳統(tǒng)加載框架結構的硬巖真三軸試驗機是無法實現(xiàn)的；在實現(xiàn)巖石試樣幾何中心不變的同時，只需一個作動器及控制器單元，并不會增加硬巖真三軸試驗機制造成本，相對而言反倒降低了制造成本；本發(fā)明的豎直框架和水平框架摒棄了傳統(tǒng)加載框架結構采用的低剛度拉桿和立柱式框架結構，均采用了整體鑄造工藝制造，同時滿足高剛度和大載荷輸出的要求，特別是豎直框架的剛度超過5GN/m，使硬巖真三軸試驗機完全能夠滿足硬巖峰后破壞的需要，進而為硬巖峰后試驗數(shù)據(jù)的獲得提供了保障。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的一種剛性隨動加載框架結構的結構示意圖；
[0018]圖2為圖1的側視圖；
[0019]圖3為本發(fā)明安裝支撐油缸后的框架單元立體圖；
[0020]圖4為巖石試樣在水平方向的變形量與水平框架隨動位移的關系曲線圖；
[0021]圖5為巖石試樣在豎直方向的變形量及豎直框架隨動位移的關系曲線圖；
[0022]圖中，1-豎直框架，2-水平框架，3-上支撐平臺，4-下支撐平臺，5-導軌，6-滑塊，7-平臺間支撐立柱，8-豎向滑軌，9-支撐油缸，10-蓄能器，11-氮氣瓶，12-電子調壓閥，13-壓力室，14-豎直作動器安裝孔，15-水平作動器安裝孔。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0024]如圖1、2、3所示，一種剛性隨動加載框架結構，包括框架單元和氣動液壓平衡單元，所述框架單元包括豎直框架1、水平框架2、上支撐平臺3、下支撐平臺4及平臺間支撐立柱7，所述氣動液壓平衡單元包括支撐油缸9、蓄能器10、氮氣瓶11及電子調壓閥12 ；
[0025]所述水平框架2設置在上支撐平臺3上方，水平框架2與上支撐平臺3之間為滑動配合；所述上支撐平臺3通過平臺間支撐立柱7(數(shù)量為三個)固定在下支撐平臺4上方，下支撐平臺4固裝在地面上(具體為通過地腳螺栓將下支撐平臺4固定在地槽內)；用于放置及加載巖石試樣的壓力室13設置在水平框架2內；
[0026]所述豎直框架I設置在下支撐平臺4上方，豎直框架I通過支撐油缸9(數(shù)量為四個)與下支撐平臺4相連接，支撐油缸9固定在下支撐平臺4上，支撐油缸9的活塞與豎直框架I相連接；所述支撐油缸9與蓄能器10出氣口相連通，蓄能器10進氣口通過電子調壓閥12與氮氣瓶11出氣口相連通，電子調壓閥12信號控制端與主控計算機相連。
[0027]所述豎直框架I和水平框架2均采用整體鑄造工藝制造，以滿足硬巖峰后破壞的需要。
[0028]在所述水平框架2下部設置有滑塊6，在上支撐平臺3上表面設置有導軌5 (數(shù)量為兩個，兩個導軌平行設置)，水平框架2通過滑塊6和導軌5與上支撐平臺3相配合。
[0029]在所述滑塊6內設置有鋼珠，滑塊6通過鋼珠與導軌5滾動摩擦配合。
[0030]為了保證豎直框架I通過支撐油缸9上、下浮動過程中的精度，防止豎直框架I發(fā)生偏斜，在所述下支撐平臺4上設置有豎向滑軌8，豎直框架I與豎向滑軌8之間滑動接觸配合，此時豎向滑軌8起到了限位的作用。
[0031]在所述支撐油缸9的活塞與豎直框架I之間設置有鋼珠，支撐油缸9與豎直框架I之間通過鋼珠點接觸配合。
[0032]下面結合【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的一次使用過程:
[0033]采用了本發(fā)明的一種剛性隨動加載框架結構的硬巖真三軸試驗機，豎直框架I和水平框架2在豎直平面內正交，屬于立式結構，符合人體工程學的裝樣工位；其中豎直框架I內的作動器安裝在豎直框架I頂端的豎直作動器安裝孔14內，水平框架2內的作動器安裝在水平框架2右端的水平作動器安裝孔15內。
[0034]安裝巖石試樣前，水平框架2位于導軌5的右側，巖石試樣安裝到位后，水平框架2內的作動器先對巖石試樣施加一個較小的夾緊力，此時巖石試樣的幾何中心距地面高度約一米左右，推動水平框架2進入豎直框架I內，直到巖石試樣水平中心線與水平框架2的水平中心線相重合，同時巖石試樣豎直中心線與豎直框架I的豎直中心線相重合為止，下面進入豎直框架I施加夾緊力階段。
[0035]豎直框架I內的作動器對巖石試樣也施加一個較小的夾緊力，但在加載過程中，豎直框架I會有一個較大的空行程，在豎直框架I上升過程中，豎直框架I的重量會被四個支撐油缸9平衡掉，具體步驟為，設定豎直框架I內作動器的輸出力為2kN，使作動器內的活塞與巖石試樣的上表面相接觸，然后提高氣動液壓平衡單元的壓力，直到豎直框架I開始緩慢向上移動，在豎直框架I向上移動過程中，作動器的輸出力仍保持在2kN不變，此時氣動液壓平衡單元輸出的上浮力與豎直框架I的自重力是平衡的。
[0036]當巖石試樣在豎直方向和水平方向都被較小的夾緊力約束后，便可正式進入真三軸試驗狀態(tài)。在巖石試樣加載破壞過程中,水平框架2通過其內的作動器施加大主應力，豎直框架I通過其內的作動器施加中主應力,壓力室施加小主應力,直到巖石試樣被破壞。
[0037]在加載過程中，巖石試樣受壓會變形，巖石試樣的幾何中心在水平方向和豎直方向上都會發(fā)生偏移，此時調整水平框架進行隨動，隨動距離是巖石試樣被壓縮尺寸的一半，即對巖石試樣水平方向的中心偏移距離進行補償，保證了巖石試樣幾何中心在水平方向上保持不變；而在豎直方向上，巖石試樣通常表現(xiàn)為輕微膨脹變形，則豎直框架I需要向下浮動膨脹變形量的一半，由于豎直框架I的重量已經被氣動液壓平衡單元平衡掉了，再通過電子調壓閥12控制蓄能器10向氮氣瓶11內放氣，實現(xiàn)支撐油缸9內油位的輕微改變，保證了巖石試樣幾何中心在豎直方向上保持不變，最終使巖石試樣幾何中心整體保持不變。
[0038]本實施例中，豎直框架I和水平框架2采用的是ZG270-500鑄鋼材料，框架剛度為5GN/m以上，豎直框架I的自重為60kN左右；框架內的作動器輸出力范圍為2000?3000kN，水平框架2上的滑塊6與上支撐平臺3的導軌5之間的摩擦力為500N左右，按照作動器輸出力2000kN計算，摩擦力只占作動器輸出力的0.025%，這對硬巖破壞強度試驗的影響可以忽略不計；蓄能器10的型號為NXQ-80-L-A，電子調壓閥11的型號為Alicat-P⑶；巖石試樣米用的是花崗巖試樣，巖石試樣的尺寸為50X50X 100mm。
[0039]經試驗測得，巖石試樣在水平方向上的最終壓縮變形量為0.72mm，此時水平框架2的隨動位移為0.36mm，則在水平方向上的位移值符合理論計算值，保證了巖石試樣幾何中心在水平方向上保持不變；經試驗測得，巖石試樣在豎直方向上的最終膨脹變形量為
0.1mm，此時豎直框架I的隨動位移為0.05mm，則在豎直方向上的位移值符合理論計算值，保證了巖石試樣幾何中心在豎直方向上保持不變，最終使巖石試樣幾何中心整體保持不變，完全符合本發(fā)明的初衷，且效果良好。如圖4所示，為加載試驗過程中，水平方向上巖石試樣變形量與水平框架隨動位移關系曲線圖，如圖5所示，為加載試驗過程中，豎直方向上巖石試樣變形量與豎直框架隨動位移關系曲線圖，從兩幅曲線圖中，可以清晰的看出框架隨動與巖石試樣變形量時刻變化關系，通過這種變化關系來實現(xiàn)巖石試樣幾何中心不變的目的。
[0040]功能擴展方面，采用了本發(fā)明的剛性隨動加載框架結構的硬巖真三軸試驗機，由于豎直框架和水平框架均可獨立工作，當單獨使用豎直框架時，硬巖真三軸試驗機可作為高剛度單軸試驗機使用，配合專門的剪切盒，又可調整為大型巖石剪切儀使用，進而使硬巖真三軸試驗機在原有功能基礎上得到了極大的擴展和延伸，實現(xiàn)了一機多用。
[0041]實施例中的方案并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實施或變更，均包含于本案的專利范圍中。
【權利要求】
1.一種剛性隨動加載框架結構，其特征在于:包括框架單元和氣動液壓平衡單元，所述框架單元包括豎直框架、水平框架、上支撐平臺、下支撐平臺及平臺間支撐立柱，所述氣動液壓平衡單元包括支撐油缸、蓄能器、氮氣瓶及電子調壓閥； 所述水平框架設置在上支撐平臺上方，水平框架與上支撐平臺之間為滑動配合；所述上支撐平臺通過平臺間支撐立柱固定在下支撐平臺上方，下支撐平臺固裝在地面上； 所述豎直框架設置在下支撐平臺上方，豎直框架通過支撐油缸與下支撐平臺相連接，支撐油缸固定在下支撐平臺上，支撐油缸的活塞與豎直框架相連接；所述支撐油缸與蓄能器出氣口相連通，蓄能器進氣口通過電子調壓閥與氮氣瓶出氣口相連通，電子調壓閥信號控制端與主控計算機相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種剛性隨動加載框架結構，其特征在于:所述豎直框架和水平框架均采用整體鑄造工藝制造。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種剛性隨動加載框架結構，其特征在于:在所述水平框架下部設置有滑塊，在上支撐平臺上表面設置有導軌，水平框架通過滑塊和導軌與上支撐平臺相配合。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種剛性隨動加載框架結構，其特征在于:在所述滑塊內設置有鋼珠，滑塊通過鋼珠與導軌滾動摩擦配合。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種剛性隨動加載框架結構，其特征在于:在所述下支撐平臺上設置有豎向滑軌，豎直框架與豎向滑軌之間滑動接觸配合。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種剛性隨動加載框架結構，其特征在于:在所述支撐油缸的活塞與豎直框架之間設置有鋼珠，支撐油缸與豎直框架之間通過鋼珠點接觸配合。
【文檔編號】G01N3/02GK103822831SQ201410055022
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月18日 優(yōu)先權日:2014年2月18日
【發(fā)明者】張希巍, 馮夏庭, 郝慶澤 申請人:東北大學, 長春市朝陽試驗儀器有限公司