蓄能落锤式动静组合加载试验装置的制作方法

本发明属于矿山灾害防治技术领域，是涉及一种岩石动力学试验装置，特别是涉及一种研究大尺寸、高应力条件下深部岩体动力力学特征及煤岩冲击地压机理研究的蓄能落锤式动静组合加载试验装置。

背景技术：

我国煤炭资源丰富，随着矿山开采深度的不断增加，大部分矿井进入深部开采，一些矿井开采深度接近1500m。深部开采，岩体处于“三高一扰动”(高地应力、高地温、高岩溶水压和爆破、冲击等动力扰动)的复杂力学环境中，与浅部岩石的受力特点有显著的区别。深部岩石处于高应力状态下，同时受到爆破开挖扰动或冲击机械扰动等动力影响。深部岩体所表现出来的力学与工程特征主要是在高应力作用和开挖扰动耦合作用下孕育发展形成的，具有复杂的动力学演化特征。目前，国内外针对深部岩体动力学问题的研究主要利用霍普金森杆实验装置开展研究工作，该装置采用的试样尺寸较小，并且该装置是常规三轴实验装置，无法反映深部大试件岩体在开挖扰动和动载荷冲击叠加过程的应力状态及破坏规律。因此，研制高应力、大尺寸、真三轴动静组合加载试验装置对于研究深部岩体冲击动力学问题有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种蓄能落锤式动静组合加载试验装置，该装置结构设计合理，试验过程操作简单，能够分析深部岩体在动静组合加载下的破坏特征和煤岩冲击地压发生机理。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种蓄能落锤式动静组合加载试验装置，包括框架、冲击力加载系统、静载荷加载系统、载荷控制系统及高速数据信号采集系统；

所述冲击力加载系统包括第三液压油缸、伸缩限位套筒、落锤释放装置、拉杆、套筒、弹簧及落锤；所述落锤释放装置包括中心具有定位孔的定位套，在定位套的底部设置有凹槽，在凹槽的底部设置有压盖，所述凹槽的内端与定位孔相连通；在凹槽内设置有卡爪，在卡爪与定位套之间的凹槽内设置有复位弹簧，在卡爪的中部设置有定位卡槽，定位体的下部设置在所述定位卡槽内，所述定位体下部的外侧面具有斜面；所述套筒的一端封闭，另一端敞开，在套筒封闭端的中心处设置有通孔，所述落锤设置在套筒内；拉杆的上端穿过套筒的通孔后，设置在落锤释放装置的定位孔内，在拉杆的上端设置有卡槽，所述卡爪的内端设置在拉杆的卡槽内，拉杆的下端与落锤固定连接，在落锤上方的套筒内设置有弹簧；所述伸缩限位套筒固定于落锤释放装置定位套上方的框架上，第三液压油缸固定于框架顶部的中心处，第三液压油缸的活塞杆穿过伸缩限位套筒后与落锤释放装置的定位套固定连接；所述套筒固定于框架中部的中心处；

所述静载荷加载系统包括反力箱体，在反力箱体内分别设置有上压头、下压头、左压头和右压头；所述左压头与第一液压油缸的第一静载活塞相连接，所述右压头与第二液压油缸的第二静载活塞相连接，所述上压头与第四液压油缸的动载活塞相连接，所述动载活塞设置在落锤的下方，所述下压头固定于反力箱体的底部，与上压头相对设置；

所述载荷控制系统包括液压泵站，所述液压泵站分别通过高压油管与第一液压油缸、第二液压油缸、第三液压油缸及第四液压油缸相连接；

所述高速数据信号采集系统包括冲击力传感器和计算机，所述冲击力传感器设置在动载活塞的顶部，其与计算机相连接。

所述落锤释放装置的定位套底部的凹槽设置有三个，三个凹槽沿圆周均匀分布。

所述拉杆的上端为锥形，其与落锤通过螺纹固定连接，第三液压油缸的活塞杆与落锤释放装置的定位套通过螺纹固定连接。

所述框架包括底板、立柱、横梁及顶板梁，由下至上依次为底板、横梁和顶板梁，所述底板、横梁和顶板梁通过立柱相连接。

本发明的有益效果：

本发明的蓄能落锤式动静组合加载试验装置结构设计合理，试验过程操作简单，能够分析深部岩体在动静组合加载条件下的变形破坏特征和煤岩冲击地压发生机理。

附图说明

图1为本发明的蓄能落锤式动静组合加载试验装置的结构示意图；

图2为图1中冲击力加载系统的结构示意图；

图3为图2中落锤释放装置的结构示意图；

图4为图3去掉压盖后的仰视图；

图5为图1中静载荷加载系统的结构示意图；

图中：1-第三液压油缸，2-活塞杆，3-落锤释放装置，4-弹簧，5-套筒，6-拉杆，7-落锤，8-定位体，9-定位套，10-复位弹簧，11-卡爪，12-压盖，13-定位孔，14-凹槽，15-定位卡槽，16-卡槽，17-顶板梁，18-立柱，19-横梁，20-第四液压油缸，21-螺帽，22-端盖，23-上压头，24-第一液压油缸，25-试件，26-左压头，27-反力箱体，28-第二液压油缸，29-右压头，30-下压头，31-下垫板，32-计算机，33-高压油管，34-液压泵站，35-底板，36-冲击力传感器，37-动载活塞，38-第二静载活塞，39-第一静载活塞，40-伸缩限位套筒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～图5所示，一种蓄能落锤式动静组合加载试验装置，包括框架、冲击力加载系统、静载荷加载系统、载荷控制系统及高速数据信号采集系统。

所述框架包括底板35、立柱18、横梁19及顶板梁17，由下至上依次为底板35、横梁19和顶板梁17，所述底板35、横梁19和顶板梁17通过立柱18相连接。

所述冲击力加载系统包括第三液压油缸1、伸缩限位套筒40、落锤释放装置3、拉杆6、套筒5、弹簧4及落锤7；所述落锤释放装置3包括中心具有定位孔13的定位套9，在定位套9的底部设置有凹槽14，在凹槽14的底部设置有压盖12，所述凹槽14的内端与定位孔13相连通；在凹槽14内设置有卡爪11，在卡爪11与定位套9之间的凹槽14内设置有复位弹簧10，在卡爪11的中部设置有定位卡槽15，定位体8的下部设置在所述定位卡槽15内，所述定位体8下部的外侧面具有斜面；所述套筒5的一端封闭，另一端敞开，在套筒5封闭端的中心处设置有通孔，所述落锤7设置在套筒5内；所述拉杆6的上端为锥形，拉杆6的上端穿过套筒5的通孔后，设置在落锤释放装置3的定位孔13内，在拉杆6的上端设置有卡槽16，所述卡爪11的内端设置在拉杆6的卡槽16内，拉杆6的下端与落锤7通过螺纹固定连接，在落锤7上方的套筒5内设置有弹簧4；所述伸缩限位套筒40固定于落锤释放装置3定位套9上方的顶板梁17上，第三液压油缸1固定于顶板梁17的中心处，第三液压油缸1的活塞杆2穿过伸缩限位套筒40后与落锤释放装置3的定位套9通过螺纹固定连接。所述落锤释放装置3的定位套9底部的凹槽14设置有三个，三个凹槽14沿圆周均匀分布。所述套筒5固定于横梁19的中心处。

所述静载荷加载系统包括反力箱体27，所述反力箱体27设置在底板35上，在下压头30与底板35之间设置有下垫板31；在反力箱体27内分别设置有上压头23、下压头30、左压头26和右压头29；所述左压头26与第一液压油缸24的第一静载活塞39相连接，所述右压头29与第二液压油缸28的第二静载活塞38相连接，所述上压头23与第四液压油缸20的动载活塞37相连接，所述动载活塞37设置在落锤7的下方，所述下压头30固定于反力箱体27的底部，与上压头23相对设置，所述第四液压油缸20为轴压液压油缸，第一液压油缸24和第二液压油缸28为侧压液压油缸；所述第四液压油缸20通过端盖22固定在反力箱体27上，在第四液压油缸20的外表面设置有螺纹，在第四液压油缸20外套装有螺帽21，所述螺帽21与第四液压油缸20螺纹连接；所述端盖22通过螺栓和螺母与反力箱体27固定连接。

所述载荷控制系统包括液压泵站34，所述液压泵站34分别通过高压油管33与第一液压油缸24、第二液压油缸28、第三液压油缸1及第四液压油缸20相连接。所述液压泵站34由电机、电磁换向阀、压力表及控制器等组成，利用控制器控制电磁换向阀的开关，以此来实现同时控制第一液压油缸24、第二液压油缸28、第三液压油缸1及第四液压油缸20，从而使第一液压油缸24、第二液压油缸28、第三液压油缸1及第四液压油缸20实现恒位移、恒载荷、恒位移速率、恒载荷速率控制进行加载，并通过液压泵站34的压力表采集压力数据，通过控制器调节载荷大小。

所述高速数据信号采集系统包括冲击力传感器36和计算机32，所述冲击力传感器36设置在动载活塞37的顶部，其与计算机32相连接。高速数据信号采集系统通过冲击力传感器36可以实现对碰撞瞬间力值的采集，并利用计算机32分析冲击过程力-应变关系曲线和力值。

下面结合附图说明应用本发明进行岩石动静态冲击试验的一次试验过程，按如下步骤执行：

步骤一：施加静载荷，

将试件25放入静载荷加载系统的反力箱体27内，开启液压泵站34，打开控制侧压液压油缸的阀门，通过第一液压油缸24和第二液压油缸28向试件25施加侧压，同时观察压力表读数，待加载到要求压力时关闭阀门使压力保持不变；再打开控制轴压液压油缸的阀门，通过第四液压油缸20向试件25施加轴压，同时观察压力表读数，待加载到要求压力时关闭阀门使压力保持不变；

步骤二：施加冲击载荷，

打开控制冲击力加载系统的第三液压油缸1的阀门，拉动拉杆6上升，上升到要求高度时，按压落锤释放装置3的定位体8，使落锤7释放，打击冲击力传感器36，向试件25施加冲击载荷；

步骤三：记录数据，分析实验结果，

冲击力传感器36将冲击过程力值大小通过计算机32记录下来，并通过计算机32分析试件25在动静组合加载下的力学特性。

如需调节冲击力加载系统的弹簧蓄能，只需调节伸缩限位套筒40的长度即可。