一种多功能固气耦合测试装置

1.本实用新型属于瓦斯灾害防治技术领域，尤其涉及一种多功能固气耦合测试装置。


背景技术：

2.随着矿井开采深度的增加，高瓦斯煤层开采逐渐成为常态。因此研究煤与瓦斯的作用机理，对动力灾害预测与防治具有重要意义。煤岩力学特性实验是研究动力灾害发生机理的重要途径。中国专利(公开号：cn109187760a，公开日：2019年01月11日)公开了一种真三轴气固耦合煤样滞弹性各向异性探测装置，中国专利(公开号：cn112763329a，公开日：2021年05月07日)公开了一种气固耦合煤岩三轴力学损伤实时探测装置、系统及方法，这两种装置均可实现常规三轴应力及气体充填条件下煤岩试件受压全过程损伤度的实时测试，从而得出不同物理力学性质的煤样在不同瓦斯压力及不同三轴加载应力共同影响下不同层理方向上超声波衰减系数各向异性的特征，但以上发明均为三轴条件下的固气耦合装置。中国专利(公开号：cn101354356，公开日：2009年01月28日)公开了一种煤岩固气耦合细观力学加载装置，既可进行固气祸合环境下单轴力学试验，也可进行固气耦合环境下平面应变力学试验，但该装置试件尺寸的可选择性较少且只有单侧可观察透明视窗。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种多功能固气耦合测试装置，能够在实验室深入研究煤岩体在不同瓦斯压力作用下的力学性质变化规律和变形破坏特征。本实用新型在满足固气耦合实验条件下，进一步丰富了监测手段，弥补了已有仪器在观测手段上的不足，设置了双侧透明视窗和同轴信号转换器，可与多种测量设备、观测设备配合使用，实现了压力仓内试件力学变化过程和能量积累过程的采集，同时外部能够通过高透明视窗对试件变形破坏过程进行实时观测与记录。
4.一种多功能固气耦合测试装置，包括气压釜，气压釜前后两侧的开口内均设置有用于观察试样的变化的法兰式透明视窗组件；气压釜上、下两端分别插接有上活塞和下压块，气压釜、气压釜前后两侧的法兰式视窗组件、上活塞、下压块形成压力仓；所述气压釜上部开设有活塞孔，上活塞从气压釜内部穿过活塞孔，上压板通过紧固件连接在上活塞顶部；下压块底部通过紧固件连接有下压板；所述气压釜左右两侧的厚壁上同轴开设有同轴信号转换口，与压力仓相通，同轴信号转换口内部设置有同轴信号转换器，同轴信号转换器两侧连接有带插头的同轴线缆，带插头的同轴线缆外部通过密封方形法兰固定密封；所述气压釜侧面厚壁上开设有抽气及注气孔，用于连接外部管路。
5.所述法兰式透明视窗组件包括密封法兰、透明视窗、受力法兰，密封法兰通过紧固件连接在气压釜的侧面，密封法兰上开有卡槽，透明视窗安装在密封法兰内部，透明视窗外侧通过受力法兰固定。
6.所述上活塞与气压釜之间设置密封圈。
7.所述密封法兰上设置有顶丝。
8.所述同轴信号转换器为自带密封圈的转换器。
9.所述密封法兰与压力仓间、密封法兰与受力法兰间、受力法兰与透明视窗间均设置有密封圈，保证装置的气密性。
10.所述气压釜、密封法兰、受力法兰均使用高强度不锈钢材料制作而成。
11.所述下压块、上活塞、上压板、下压板、密封方形法兰均使用40cr高强合金材料。
12.所述透明视窗为至少承受15mpa高压的耐冲击透明材料制作而成，外形为圆形，通透度为90％。
13.本实用新型的有益效果是：采用本实用新型提供的测试装置可在实验室完成气体压力与轴向载荷对试件的耦合作用实验。
14.1、本装置前后两侧设置了采用耐高压耐冲击的高透明度材料制作的透明视窗，可多角度对内部试件进行观测；且前后两侧的透明视窗均可拆卸，增大了放置试件的操作空间。
15.2、本装置设置了同轴信号转换口，作为装置自配的信号输入及输出装置，带插头的同轴线缆可根据具体的实验条件进行配备，降低了实验数据采集的局限性。
16.3、本装置可根据实验需要连接声发射放大器及声发射数据采集仪器，可观察煤体破坏和能量积累的力学过程。
17.4、本装置安装拆卸简单、便于操作，装置采用高强度材料、安全性能高；该装置中的各连接处设有密封圈，具有良好的密封性。
附图说明
18.图1为本实用新型的外部结构示意图；
19.图2为本实用新型的主视图；
20.图3为本实用新型的主视结构剖视图；
21.图4为本实用新型的侧视图；
22.图5为本实用新型的侧视结构剖视图；
23.图6为本实用新型的俯视结构剖视图；
24.其中，
25.1-气压釜，2-密封法兰，3-透明视窗，4-受力法兰，5-下压块，6-上活塞，7-试件，8-上压板，9-下压板，10-内六角螺栓，13-密封方形法兰，14-同轴信号转换口，15-带插头的同轴线缆，16-压力仓，17-抽气及注气孔，18-顶丝。
具体实施方式
26.为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案和效果作详细描述。
27.实施例1
28.如图1所示，一种多功能固气耦合测试装置，包括气压釜1，气压釜1前后两侧的开口内均设置有法兰式透明视窗组件，用于观察试样的变化情况；如图2-6所示，所述气压釜1上、下两端分别插接有上活塞6和下压块5，用于分别从上下两端夹持试件7；气压釜1、气压
釜1前后两侧的法兰式视窗组件、上活塞6、下压块5形成压力仓；所述气压釜1上部开设有活塞孔，上活塞6从气压釜1内部穿过活塞孔，上压板通过紧固件连接在上活塞6顶部，压力机通过上压板与上活塞6施加力于试件7上；下压块5底部通过紧固件连接有下压板，下压块5和下压板为该测试装置的底座。所述气压釜1左右两侧的厚壁上同轴开设有同轴信号转换口，与压力仓相通，同轴信号转换口内部设置有同轴信号转换器作为多功能信号转换装置，同轴信号转换器两侧连接有带插头的同轴线缆，带插头的同轴线缆外部通过密封方形法兰固定密封；带插头的同轴线缆的使用根据实验所需进行更换，内外两侧分别用于连接内部探头和外部仪器，将压力仓内的信号传输到压力仓外部，以便实时监测试件7变化特征。所述气压釜1侧面厚壁上开设有抽气及注气孔，具有良好的密封性，用于连接外部管路即外部注气增压管路和抽气管路，外部注气增压管路和抽气管路上连接有压力传感器和气体阀门，可对压力仓进行抽真空处理。
29.所述上活塞6与气压釜1之间设置密封圈。
30.本实施例提供一种多功能固气耦合测试装置，包括气压釜1，气压釜1前后两侧的开口内均设置有法兰式透明视窗组件，所述气压釜1上、下两端分别插接有上活塞6和下压块5，用于分别从上下两端夹持试件7；上活塞6顶部连接有上压板，下压块5顶部连接有下压板，气压釜1、气压釜1前后两侧的法兰式视窗组件、上活塞6、下压块5形成压力仓；所述气压釜1上部开设有活塞孔，上活塞6从气压釜1内部穿过活塞孔，上压板通过内六角螺栓连接在上活塞6顶部，下压板通过内六角螺栓可拆卸地连接在下压板底部，下压块5和下压板通过内六角螺栓连接后作为该测试装置的底座。气压釜1左右两侧的厚壁上同轴开设有同轴信号转换口，与压力仓相通，同轴信号转换口内部设置有同轴信号转换器，同轴信号转换器两侧带插头的同轴线缆，插头外部通过密封方形法兰固定密封，密封方形法兰通过内六角螺栓可拆卸地连接在气压釜1上；带插头的同轴线缆的使用根据实验所需进行更换。所述气压釜1侧面厚壁上开设有抽气及注气孔，通过三通接口连接外部注气增压管路和真空泵，外部注气增压管路和抽气管路上连接有压力传感器和气体阀门，用于观察和调整仓内压力，向压力仓内注入实验气体。
31.将同轴信号转换口中的同轴信号转换器上位于压力仓内的带有插头的线缆与声发射探头连接，将压力仓外的带有插头的线缆连接声发射前置放大器，声发射前置放大器连接声发射数据采集仪器；当试件7放置好后，将声发射探头紧贴试件7四周，放置稳定后，安装透明视窗3，之后可进行注气及后续实验操作，从而测得煤样试件7内部破坏特征，监测试件7内部损伤情况；同时将散斑相机对准透明视窗，可以实现在压力仓外部使用散斑仪器测量试件表面变形，得到试件7的表面变形特征。也可将位于压力仓内的带有插头的线缆替换为能够连接应变片的线缆，连接应变片，将压力仓外的带有插头的线缆连接信号采集仪，进行试件7变形数据的监测，从而测量试件7的变形特征，得到应力应变曲线。由于所述测试装置双侧均安装有透明视窗，因此可同步使用高速相机实时记录内部试件的动态破坏过程，观测试件在不同气体压力作用下的变化特征。
32.所述压力仓内部，试件7置于下压块5和上活塞6之间，本实施例中试件的尺寸选用50mm*100mm的标准圆柱试件。
33.所述同轴信号转换器为自带密封圈的转换器。
34.所述法兰式透明视窗组件包括密封法兰2、透明视窗3、受力法兰4，密封法兰2通过
紧固件连接在气压釜1的侧面，密封法兰2上开有卡槽，透明视窗3安装在密封法兰2内部，透明视窗3外侧通过受力法兰4固定。
35.本实施例中提供的所述法兰式透明视窗组件包括密封法兰2、透明视窗3、受力法兰4，所述密封法兰2通过内六角螺栓连接在气压釜1的侧面，密封法兰2上开有卡槽，透明视窗3通过卡槽进行横向固定，安装在密封法兰2内部，透明视窗3外侧通过受力法兰4固定，受力法兰4通过内六角螺栓从密封法兰2内侧固定在密封法兰2上，从而对透明视窗3进行密封固定。
36.所述密封法兰2上设置有顶丝。安装试件时，将密封法兰2与气压釜1连接用的内六角螺栓取下，顶丝顶起即可拆卸透明视窗3和受力法兰4，显露出气压釜1内部空间。
37.所述密封法兰2与压力仓间、密封法兰2与受力法兰4间、受力法兰4与透明视窗3间均设置有密封圈，保证装置的气密性。
38.所述气压釜1、密封法兰2、受力法兰4均使用高强度不锈钢材料制作而成。
39.所述下压块5、上活塞6、上压板、下压板、密封方形法兰均使用40cr高强合金材料。
40.所述透明视窗3为耐高压、耐冲击的透明材料制作而成，外形为圆形，通透度为90％，能够在外部多角度细致观察试件状态，将高速摄像机或散斑相机对准透明视窗3，可监测压力仓内部试件的变形与破坏过程，实现使用高速相机、散斑相机实时记录试件的破坏过程的目的。本实施例中所述透明视窗3为可承受20mpa高压的耐冲击帕姆板材料制作而成。
41.采用上述装置分析研究煤岩试件在高压气体作用下的变形及破坏特征，具体步骤如下：
42.步骤一：确认压力仓内压力为零后将压力仓开启。首先确认压力仓内是否有压力，确认方式为：打开压力仓用于排气的的气体阀门，观察抽气及注气孔所连接的外部管路上连接的压力传感器或压力表，看其显示压力是否为零。如果压力仓内有压力，需要确认排气阀门是否打开。压力值为零后，将压力仓前端的内六角螺栓全部拧下，然后拧紧顶丝18，直到密封法兰2上的密封圈显露出来，可将密封法兰2与透明视窗3整体拆卸下来。
43.步骤二：安装试样。将该装置放到压力机下压板正中间，为了实验时压力机直接作用于上压板；然后将声发射探头用胶水粘在试样表面，然后将同轴信号转换口中的同轴信号转换器上位于压力仓内的带有插头的线缆与声发射探头连接，将试样安放在下压块5上面，当试件放置好后，将声发射探头紧贴试件四周；然后将密封法兰2、透明视窗3、受力法兰4安装为一个整体，用内六角螺栓固定即可。将压力仓外的带有插头的线缆连接声发射前置放大器，声发射前置放大器连接声发射数据采集仪器，即可采集试件内部的裂隙发展过程，进行破坏特征试验；在试件表面做好识别标记点后，将散斑相机在压力仓外部对准一侧透明视窗，使用散斑相机实时测量试件表面变形，得到试件的变形特征。同步将高速相机对准压力仓另一侧透明视窗，可跟踪拍摄试件的宏观破坏过程。
44.步骤三：压力仓闭合。将密封法兰2上的顶丝全部退出，顶丝前端不露出密封法兰2端面即可；然后将步骤二中安装为一个整体的带有透明视窗3的密封法兰2塞入到气压釜1的前后两侧的开口内，塞入时注意保持同轴心，塞入前可以在密封圈上涂少量润滑油使其润滑，塞入时注意对准螺栓孔。密封法兰2到达气压釜1后将与气压釜1间的内六角螺栓全部拧紧。
45.步骤四：压力仓注气。在气压釜1侧的抽气及注气孔上通过三通接头连接真空泵和外部注气增压管路。首先，关闭注气增压管路，打开真空泵，达到实验所需的真空环境后关闭真空泵，打开注气增压管路，向压力仓内注气加压，得到实验所需的高压环境。
46.步骤五：开始实验。在固气耦合装置前摆设高速摄像机或散斑相机，通过透明视窗3观测实时观测试件变化，启动压力机对试样进行加压，直至完成试验。试验结束后打开用于排气的气体阀门先将压力仓内压力排出，然后按步骤一打开压力仓取出试样。本装置可满足固气耦合实验环境，研究不同气体压力作用下煤岩力学特性和变形破坏特征。