一种柔性千斤顶的制作方法

本发明属于岩土力学与工程技术领域，涉及岩体力学试验的加载设备，具体是一种柔性千斤顶。

背景技术：

目前，液压钢枕也称作液力钢枕，是岩体力学试验的一种加载设备，是用两块相同形状的薄钢板弯曲、焊接而成的扁平油腔，通过向油腔内加液压油使油腔壁膨胀变形以挤压使岩体受力，液压钢枕在出力的前期与受压岩体或单层刚性板接触面积随出力增大的增大，后期随出力增大而减小，荷载逐渐集中，无法精确计算受力面积，因而获取的岩体受力是不准确的。由于液压钢枕为钢材制作的壳体，具较大的刚性，且液压钢枕行程短、承受压力低，使用后大部分变形不能恢复，再次使用需用普通千斤顶将其压回到原来的厚度，高压也可致钢枕壳体破裂喷射出高压液压油，存在安全隐患。其他柔性千斤顶基本也是通过膨胀变形对物体进行施加压力，虽然具有柔性，但同样存在行程短、出力低等问题，不适合作为加载设备用于岩体力学试验。上述加载设备均存在出力无法准确计量、岩体受力不均匀和岩体变形偏差问题，从而得到的岩体力学试验有关参数不准确。

除此之外，采用普通千斤顶加载于垫板上，使荷载传到岩体中也是比较常规的岩体试验测试方法，将刚性板贴合在岩体表面，再叠加钢板在刚性板上，然后直接用普通千斤顶对叠加的钢板施加荷载，因荷载经多层传递到至岩体，摩擦损失部分荷载，活塞杆截面小于活塞截面，因集中出力也常产生偏载，载荷有局部集中现象，故存在实际岩体受压荷载小而计量值偏大、岩体所受压应力不均匀和岩体变形偏差的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有岩体力学试验所用的液压(液力)钢枕非全柔性，液压钢枕在出力的前期与受压岩体或单层刚性板接触面积随出力增大的增大，后期随出力增大而减小，荷载逐渐集中，大部分变形不能恢复，和其他柔性千斤顶一样存在出力无法精确计算，且行程短、出力小的问题，而现有的岩体力学试验一般是在试体表面贴合单层刚性板再叠加钢板，然后用普通千斤顶加载，多层传递造成荷载损失，荷载集中在活塞杆前端也会发生偏载，载荷有局部集中现象，存在出力计量不准确、受压岩体表面应力不均匀和岩体变形偏差问题，提出一种柔性千斤顶，该柔性千斤顶具有传力路径明确、简单，结构合理、可靠，操作简便，保证受压岩体各点压应力相等，岩体受力计量准确，变形偏差得以消除，可以提高岩体力学试验的可靠性、精确性。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：所述一种柔性千斤顶，其特征在于：所述千斤顶包括缸体、活塞杆和置于缸体内的活塞，活塞将缸体分隔形成上油缸和下油缸，在下油缸的下部设有加压油嘴，上油缸的上部设有退压油嘴；在活塞杆远离活塞的顶出端、或在缸体底部设有下凸块上设置有柔性腔，在柔性腔内设有与腔体形状相匹配的柔性承压囊，并在柔性承压囊位于柔性腔腔口部位设有柔性承压囊垫，所述柔性承压囊垫的面积与下油缸有效出力面积相等，并与柔性腔的腔口固定连接；所述柔性承压囊均通过通油孔与下油缸连通，从通油孔向柔性承压囊充填非腐蚀性液压油使柔性承压囊膨胀致柔性承压囊垫直接或经过单层刚性板与受压岩体紧密贴合并将荷载均与传递至受压岩体。所述柔性承压囊垫的面积理论上与下油缸横截面面积相同，考虑活塞与缸体内壁的摩擦，实际可略小于下油缸横截面面积，应根据需要的出力大小，初拟千斤顶下油缸横截面积，待缸体、活塞和活塞杆装配完成后，校验千斤顶，取得校验系数，确定柔性腔开口尺寸和壁厚，从而使柔性承压囊垫的面积与下油缸有效出力面积相等；柔性承压囊垫与岩体或单层刚性板表面贴合严密，在相同的液压油压力作用下，柔性承压囊及柔性承压板与活塞杆或缸体底板同步进退，柔性承压板与岩体或单层承压板紧密贴合，柔性承压囊和柔性承压板不会膨胀突出，柔性承压囊垫将荷载直接或经过单层刚性板将均匀传递至岩体，从而保证受压岩体各点压应力相等，岩体受力计量准确。

本发明较优的技术方案：所述柔性承压囊和柔性承压囊垫是采用耐腐蚀性、高韧性、高弹性的非金属材料制成的一体式结构。

本发明较优的技术方案：当在活塞杆顶出端设置柔性腔时，所述柔性腔是直接在活塞杆顶出端的端面向下切削形成的腔体；当在缸体底部设置柔性腔时，所述柔性腔是在下凸块底面向上切削形成的腔体；所述柔性腔侧壁的厚度相同。

本发明较优的技术方案：所述柔性腔形状为圆柱体或圆台体或正方体或正梯形体。

本发明较优的技术方案：所述柔性承压囊垫与柔性腔外横截面面积相等。柔性承压囊垫与岩体或单层刚性板面紧密贴合，柔性承压囊、柔性承压囊垫和柔性腔共进退，柔性承压囊垫上各点压应力相等，不会因柔性承压囊、柔性承压囊垫膨胀破裂泄露液压油。

本发明较优的技术方案：所述柔性承压囊的腔囊为弹性密封空腔，其形状与柔性腔相匹配，嵌设于柔性腔内，在柔性承压囊上设有承压囊油嘴，并通过承压囊油嘴与通油孔密封对接，其柔性承压囊对接部位的囊外壁与柔性腔内壁固定粘结。

本发明较优的技术方案：当在活塞杆顶出端设置柔性腔时，其通油孔为开设在活塞和活塞杆中轴线上的通油孔；当在缸体底部设有柔性腔时，其通油孔为开设在缸体底板中轴线上的通油孔。

本发明较优的技术方案：所述柔性千斤顶还包括设置在活塞杆顶出端端面或缸体下凸块端面的保护盖，所述保护盖的材质与活塞杆或缸体的材质相同，并将柔性承压囊垫完全遮盖。

本发明较优的技术方案：所述柔性承压囊和柔性承压囊垫材质为橡胶或具有柔性的复合材料。

本发明较优的技术方案：所述柔性承压囊的柔性承压囊垫四周与柔性腔腔壁的端面粘结固定，不与柔性腔内壁粘结。

本发明的缸体、活塞、活塞杆的制备方法均与现有的千斤顶制备方法相同，在千斤顶活塞杆前端或缸底部凸块中切削形成柔性腔，柔性囊与柔性腔形状相匹配，采用由高韧性、柔性的非金属材料制成的可承受一定的压力的密封空腔囊作为柔性承压囊，置于柔性腔内，柔性承压囊油嘴连接的通油孔与下油缸连通，通过加压泵经加压油嘴向下油缸压入液压油，液压油通过油孔向柔性承压囊内充满液压油，柔性承压囊膨胀，并使囊壁与柔性缸内壁贴合，柔性承压囊垫与岩体或单层刚性板表面紧密贴合，柔性承压囊垫与柔性缸为一整体共同出力同进退，囊腔内油压与油缸内液压油压强相等，因考虑了千斤顶摩擦力后柔性承压囊垫面积与下油缸有效出力面积相等，可使柔性腔壁截面的压力与囊腔内液压油压力相等，柔性承压囊垫直接或经过单层刚性板将荷载传力至受压岩体，从而保证受压岩体各点压应力相等，岩体受力计量准确，变形偏差也得以消除，提高了岩体力学试验质量。

本发明柔性出力的千斤顶具有传力路径明确、简单，结构合理、可靠，使用方法和普通千斤顶基本相同，操作简便，解决了现有岩体力学试验中使用液压钢枕、柔性千斤顶和普通千斤顶岩体受力计量不准确、岩体或刚性板受力不均匀和变形偏差的问题，对提高岩体力学试验技术和试验质量，具有现实意义。

附图说明

图1是本发明的柔性腔设置在活塞杆顶出端的千斤顶结构示意图；

图2-1是本发明的柔性腔为方形的俯视图；

图2-2是本发明的柔性腔为圆形的俯视图；

图3是本发明的柔性承压囊结构示意；

图4是本发明的柔性腔设置在油缸底部的千斤顶结构示意图；

图中：1—缸体，1-1—下凸块，2—上油缸，3—下油缸，4—活塞杆，4-1—顶出端，5—柔性腔，6—柔性承压囊，7—加压油嘴8—退压油嘴9—柔性承压囊垫，10—承压囊油嘴，11—通油孔，12—活塞。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在以下实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一提供的一种柔性千斤顶，如图1至图3所示包括缸体1、活塞杆4和置于缸体1内的活塞12，其缸体1为圆形，活塞12为圆形，在缸体1内设有活塞腔，活塞腔被活塞12分隔形成上油缸2和下油缸3，在下油缸3的下部设有加压油嘴7，上油缸2的上部设有退压油嘴8，加压油嘴7和退压油嘴8伸出缸体1外，并用于与外界的液压管路连接。所述活塞杆4采用高强度的钢材制作而成，其一端与活塞12连接，远离活塞12的一端伸出活塞腔，并在其端部设有截面与活塞12截面相同的顶出端4-1，其顶出端面与受压件表面接触。

如图1至图3的提供的实施例，在活塞杆4的顶出端4-1端面开设有柔性腔5，所述柔性腔5是直接在活塞杆4的顶出端4-1端部切削形成，其侧壁的厚度相同，其腔口与顶出端4-1的端面平齐；在柔性腔5内设置有与腔体形状相匹配的柔性承压囊6，并在柔性承压囊6位于柔性腔5腔口部位设有柔性承压囊垫9。所述柔性承压囊6和柔性承压囊垫9是采用耐腐蚀性、高韧性、高弹性的非金属材料制成的一体式结构，两者一次性成型，其具体材料可以采用高韧性、高柔性的橡胶复合材料。所述柔性承压囊垫9与柔性腔5的腔壁的端面粘结固定，不与柔性腔5内壁粘结，柔性承压囊垫9将活塞杆14的顶出端4-1端面完全覆盖，确保能够完全通过柔性承压囊垫9与受压岩体或刚性板紧密贴合。在活塞12和活塞杆4中轴线上开设有通油孔，在柔性承压囊6下部对应通油孔的位置设有承压囊油嘴10，柔性承压囊6置于柔性腔5之后，其承压囊油嘴10与活塞杆4上的通油孔对接连通，通过通油孔向柔性承压囊6充填非腐蚀性液压油使柔性承压囊6膨胀，并通过柔性承压囊垫9直接或经过单层刚性板将传递荷载至受压岩体。

实施例提供的一种柔性千斤顶的下油缸3以及活塞12的内横截面相同为圆形，初拟半径均为17.0cm，其活塞顶出端切削成方形，并在其方形的顶出端开设柔性腔5，根据半成品千斤顶校验系数，确定柔性腔5开口尺寸23cm×23cm，柔性腔壁厚3.5cm，柔性承压囊垫9的面积与柔性腔5外截面面积相等且均为正方形，边长为30cm，面积为900cm²。实施例中的柔性承压囊的腔囊6形状和柔性腔5同为方形，尺寸均为长×宽×厚＝30cm×30cm×5cm，柔性承压囊的腔囊嵌设与柔性腔3内，靠近柔性承压囊6的油嘴10的囊外壁与柔性腔3的内壁固定粘接。为了增加柔性腔5承载内压力，可以在活塞杆4对应柔性腔5的部分套设有加强钢箍。

实施例一中整个柔性出力的千斤顶的主要参数：本体高度35cm，油缸外径42cm，油缸内径34cm，柔性承压囊垫面积900cm²，柔性腔长×宽×深＝30cm×30cm×5cm，柔性腔壁厚3.5cm，行程10cm，伸展高度45cm，额定压力63mpa，额定出力5670kn，自重355kg。

实施例一提供的柔性千斤顶，其上油缸2、下油缸3和柔性承压囊9内充填的工作介质是非腐蚀性的液压油，加压油嘴7、退压油嘴8分别与外设的加压泵等连接，其连接后具体工作与现有的千斤顶使用相同，在具体使用时，通过加压泵经加压油嘴7向下油缸3压入液压油，压力液通过活塞杆4上的通油孔向柔性承压囊6内充满液压油，柔性承压囊6充填液压油并使囊壁与柔性腔5内壁贴合，柔性承压囊垫9与柔性腔5为一整体协同出力，使承压囊垫9与受压岩体或单层刚性板表面紧密贴合，因柔性承压囊垫9的面积与油缸1有效出力面积相等，柔性承压囊垫9在柔性腔5壁截面的压力与柔性承压囊垫9液压油压力相等，出力计量准确，从而保证受压岩体各点压应力相等，消除了变形偏差。

实施例二提供的一种柔性千斤顶，其缸体1、活塞杆4以及活塞的结构与实施例一相同，其不同点在于在活塞杆顶推端不设置柔性腔，在缸体1底部设有宽度与活塞12的宽度相同的下凸块1-1，并在下凸块1-1的底面设有向上的柔性腔5，在柔性腔5内设有与腔体形状相匹配的柔性承压囊6，并在柔性承压囊6位于柔性腔5腔口部位设有柔性承压囊垫9，所述柔性承压囊垫9的面积与下油缸3有效出力面积相等，并与柔性腔5的腔口固定连接；柔性承压囊6通过设置在缸体1底板中轴线上的通油孔11与下油缸3连通，从通油孔11向柔性承压囊6充填非腐蚀性液压油使柔性承压囊6使承压囊垫9与受压岩体或单层刚性板表面紧密贴合，柔性承压囊垫9与柔性腔5为一整体协同出力，因柔性承压囊垫9的面积与油缸1有效出力面积相等，柔性承压囊垫9在柔性腔5壁截面的压力与柔性承压囊垫9液压油压力相等，柔性承压囊垫9直接或经过单层刚性板将荷载传递至受压岩体，出力计量准确，从而保证受压岩体各点压应力相等，消除了变形偏差。

实施例二提供的柔性千斤顶，其上油缸2、下油缸3和柔性承压囊9内充填的工作介质是非腐蚀性的液压油，加压油嘴7、退压油嘴8分别与外设的加压泵等连接，其连接后具体工作与现有的千斤顶使用相同，在具体使用时，通过加压泵经加压油嘴7向下油缸3压入液压油，压力液通过缸体1上的通油孔向柔性承压囊6内充满液压油，柔性承压囊6充填液压油并使囊壁与柔性腔5内壁贴合，柔性承压囊垫9与柔性腔5为一整体共同出力，因柔性承压囊垫9的面积与油缸1有效出力面积相等，柔性承压囊垫9在柔性腔5壁截面的压力与柔性承压囊垫9液压油压力相等，出力计量准确，从而保证受压岩体各点压应力相等，消除了变形偏差。

本发明中柔性千斤顶还包括设置在活塞杆4顶出端4-1端面或缸体1下凸块1-1端面的保护盖，所述保护盖的材质与活塞杆或缸体的材质相同，并将柔性承压囊垫9完全遮盖。保护盖可以套设在柔性腔5外，保护盖内壁并与承压囊垫9外壁贴合，使千斤顶作为普通千斤顶使用，也可以将其拆掉作为柔性千斤顶使用。

以上所述，只是本发明的其中两个实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。