技术领域本发明涉及小角散射原位压剪扭领域，尤其涉及一种小角散射研究煤岩材料纳观压剪扭装置及方法。
背景技术：
纳米材料力学性能事关其力学及微观孔隙结构变化响应特征。纳米材料弹塑性条件下内部纳米尺度微观孔隙结构改变是煤岩材料损伤的开始，材料损伤一直是科学与工程界讨论的焦点。现有煤岩材料测试系统都是从宏观尺度的破坏入手，基于宏观破坏后的大尺度裂缝来表征煤岩体破坏过程，之后进行数值模拟重构，而这些数值模拟软件在图像过滤噪声消除及图像分割处理后，只能表征大尺度的样品破坏形态特征，无法获得纳米尺度下煤岩体损伤变化特征。煤岩体的拉伸破坏必然涉及内部非均质孔隙结构的位移、错位、滑动响应，孔形态发生改变，纳米孔隙数量及大小也会发生变化。而现有煤岩材料测试系统无法获得纳米尺度下动态拉伸过程孔隙结构变化，载荷作用下煤岩纳观结构对应的力学模型首先需建立在大量的观测实践上，常规的实验分析方法显然已经不能满足要求。随着国家大科学装置X射线小角散射与散裂源中子散射试验站的建成，势必为纳米尺度下煤岩纳米材料提供先进研究手段和设备，因此迫切需要一种成本低，操作简便、体积小的用于测试煤岩材料压缩、剪切、扭转条件下纳米尺度孔隙结构变化实验装置，来揭示纳米尺度材料损伤过程，提高微观孔隙结构变化定量化表征研究能力。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种小角散射研究煤岩材料纳观压剪扭装置及方法，通过微型伺服第一电机、行星齿轮箱、磁电式编码器、螺母旋转式丝杠、滚珠式螺母滑块、导轨、固定端、压力传感器、多通道采集端、LabVIEW虚拟仪器数据采集系统、卡套、螺钉、应变片、加载端、微型伺服第二电机、扭转微型伺服第三电机进行有序组合，所述微型伺服第一电机通过驱动行星齿轮箱进而实现螺母旋转式丝杠运传动，所述螺母旋转式丝杠与滚珠式螺母滑块滚动接触，所述加载端在微型伺服电机驱动作用下滚珠式螺母滑块带动卡套沿着导轨向固定端进给，所述卡套通过螺钉与滚珠式螺母滑块固定一体，并且卡套与固定端通过各自具有的两种不同类型切口使得待研究煤岩样品固于其上进行压缩、剪切、扭转实验。达到在中子小角散射和X射线小角散射的透射下测试纳米尺度固体煤岩材料动态压缩、剪切、扭转过程中纳米孔隙结构变化特征的目的。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种小角散射研究煤岩材料纳观压剪扭装置，包括:微型伺服第一电机1、行星齿轮箱2、磁电式编码器3、螺母旋转式丝杠4、滚珠式螺母滑块5、导轨6、固定端7、压力传感器8、多通道采集端9、LabVIEW虚拟仪器数据采集系统10、卡套11、螺钉12、应变片13、加载端14、微型伺服第二电机15、扭转微型伺服第三电机16，所述微型伺服电机1通过驱动星星齿轮箱2进而实现螺母旋转式丝杠3传动，所述螺母旋转式丝杠4与滚珠式螺母滑块5滚动接触，所述加载端14在微型伺服第一电机1和微型伺服第二电机15驱动作用下滚珠式螺母滑块5带动卡套11沿着导轨6向固定端7进给，所述卡套11通过螺钉12与滚珠式螺母滑块5固定一体，并且卡套11与固定端7通过各自具有的两种不同类型切口使得待研究煤岩样品固于其上进行压缩、剪切、扭转实验。优选地，所述微型伺服电机其与行星齿轮箱连接传动带动两个螺母旋转式丝杠转动，螺母旋转式丝杠的转动进而带动滚珠式螺母滑块沿导轨平动促使通过螺钉固与其上的卡套进行一维平动。优选地，所述卡套具有一个狭缝，长×宽×高为30mm×1.5mm×30mm，矩形煤岩薄板呈竖直状卡入卡套中并与卡套进行耦合连接进而进行压缩实验；卡套具有另外一个斜槽，尺寸同为长×宽×高为30mm×1.5mm×30mm，将矩形薄板成竖直状卡入卡套中耦合连接进而进行剪切实验；将矩形煤岩薄板呈竖直状卡入卡套并与卡套进行耦合连接，启动扭转微型伺服第三电机，通过控制电机转速进行不同速率下扭转实验。优选地，该装置采用计算机测控领域先进的LabVIEW(LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发)虚拟仪器软件作为开发平台，将微型伺服电机控制系统、压力传感器的载荷、压缩产生的位移形变、压缩速度、煤岩表面应变片进行在线数据监测与采集，通过反馈调节实现同步控制与数据集成采集。一种小角散射研究煤岩材料纳观压剪扭装置及方法利用上述的小角散射研究煤岩材料纳观压剪扭装置，该方法可以在散裂中子源中子散射中心和X射线小角散射试验站进行。一种小角散射研究煤岩材料纳观压剪扭方法，具体操作步骤如下：a、将压缩(剪切)装置，控制柜和电脑主机进行连接，选择需要的实验目的压缩、剪切、扭转，将煤岩矩形薄板置于卡套不同试验模式专用槽中并耦合连接。b、将煤岩样品加工为长×宽×高为200mm×30mm×1mm条带状矩形薄板。随后将其两端分别固定于两个卡套处，为消除端部效应的影响，矩形薄板煤岩样品两端深入卡套各30mm，薄板与卡套耦合连接。压缩和扭转试验模式时，两卡套中心轴线与矩形薄板煤岩样品中轴线保持在一个水平。在放置样品的过程中条带状矩形薄板需要与卡套槽平整耦合接触，使之在压缩过程中矩形薄板接触面良好，防止出现点接触行为。c、将压剪扭装置置于小角散射试验站样品台，开启中子散射和X射线小角散射系统，调整试验台高低进行对光，以使中子或X射线从煤岩矩形薄板中央透射出去。d、打开LabVIEW虚拟仪器数据采集系统窗口控制微型电机转速，设定压缩、剪切、扭转速度。e、待一切就叙后启动装置按既定参数进行压力、位移、速度、应变和时间的数据采集，直至煤岩材料在压缩、剪切、扭转作用下发生断裂时，停止压力、剪切力、扭矩、位移、速度、应变和时间的数据采集，将其保存到预设存储位置；f、通过实验煤岩材料进行不同加载速率下，不同压缩、剪切、扭转模式实验，考察其内部纳米孔隙结构变化规律，进而研究纳米尺度下煤岩材料的细观损伤机理。g、结合小角散射实验系统，提取各项试验数据，最后按相反顺序拆除装置，并妥善保存。本发明具有如下优点：本发明述及的一种小角散射研究煤岩材料纳观压剪扭装置，具有微型伺服电机、螺母旋转式丝杠、滚珠式螺母滑块卡套、LabVIEW虚拟仪器数据采集系统，各结构紧凑，设计合理，安装拆卸简单；微型伺服电机通过驱动星星齿轮箱进而实现螺母旋转式丝杠运传动，螺母旋转式丝杠与滚珠式螺母滑块滚动接触，所述加载端在微型伺服电机驱动作用下滚珠式螺母滑块带动卡套沿着导轨向固定端进给，所述卡套通过螺钉与滚珠式螺母滑块固定一体，并且卡套与固定端通过各自具有的两种不同类型切口使得待研究煤岩样品固于其上进行压缩、剪切、扭转实验。各结构部件生产成本低，且整体装置操作简单，最终在中子小角散射或X射线小角散射系统产生的射线透射下测试纳米尺度固体煤岩材料动态压缩、剪切、扭转过程中纳米孔隙结构变化特征。附图说明图1为本发明实施例的结构示意图；图2为本发明实施例的样品受压缩时工作效果图；图3为本发明实施例的样品受剪切力时工作效果图；图中：1—微型伺服第一电机；2—行星齿轮箱；3—磁电式编码器；4—螺母旋转式丝杠；5—滚珠式螺母滑块；6—导轨；7—固定端；8—压力传感器；9—多通道采集端；10—LabVIEW虚拟仪器数据采集系统；11—卡套；12—螺钉；13—应变片；14—加载端；15—微型伺服第二电机；16—扭转微型伺服第三电机。具体实施方式下面对本发明做进一步描述，但本发明的保护范围并不局限于以下所描述具体实施方式的范围。结合图1所示，一种小角散射研究煤岩材料纳观压剪扭装置，微型伺服第一电机1，行星齿轮箱2，磁电式编码器3，螺母旋转式丝杠4，滚珠式螺母滑块5，导轨6，固定端7，压力传感器8，多通道采集端9，LabVIEW虚拟仪器数据采集系统10，卡套11、螺钉12、应变片13、加载端14、微型伺服第二电机15、扭转微型伺服第三电机16，所述微型伺服电机1通过驱动星星齿轮箱2进而实现螺母旋转式丝杠3传动，所述螺母旋转式丝杠4与滚珠式螺母滑块5滚动接触，所述加载端14在微型伺服第一电机1和微型伺服第二电机15驱动作用下滚珠式螺母滑块5带动卡套11沿着导轨6向固定端7进给，所述卡套11通过螺钉12与滚珠式螺母滑块5固定一体，并且卡套11与固定端7通过各自具有的两种不同类型切口使得待研究煤岩样品固于其上进行压缩、剪切、扭转实验。结合图2所示，组装完毕本发明后，将矩形薄板状煤岩固定于卡套11中部位置，与卡套进行耦合连接，启动微型伺服第一电机1和微型伺服第二电机15，启动LabVIEW虚拟仪器数据采集系统配合小角散射系统进行矩形薄板煤岩受压缩下纳米孔隙结构变化监测。结合图3所示，组装完毕本发明后，将矩形薄板状煤岩固定于卡套11斜侧位置，与卡套进行耦合连接，启动微型伺服第一电机1和微型伺服第二电机15，启动LabVIEW虚拟仪器数据采集系统配合小角散射系统进行矩形薄板煤岩受剪切力下纳米孔隙结构变化监测。结合图3所示，组装完毕本发明后，将矩形薄板状煤岩固定于卡套11中部位置，与卡套进行耦合连接，启动微型伺服第一电机1和微型伺服第二电机15以及扭转微型伺服第三电机16，启动LabVIEW虚拟仪器数据采集系统配合小角散射系统进行矩形薄板煤岩受扭转下纳米孔隙结构变化监测。本发明所述的一种小角散射研究煤岩材料纳观压剪扭装置及方法，利用上述的小角散射研究煤岩材料纳观压剪扭装置，可在散裂中子源中子散射中心和X射线小角散射试验站进行。具体操作步骤如下：a、将压剪扭装置，控制柜和电脑主机进行连接，选择需要的实验目的压缩、剪切、扭转，将煤岩矩形薄板置于卡套不同试验模式专用槽中并耦合连接。b、将煤岩样品加工为长×宽×高为200mm×30mm×1mm条带状矩形薄板。随后将其两端分别固定于两个卡套处，为消除端部效应的影响，矩形薄板煤岩样品两端深入卡套各30mm，薄板与卡套耦合连接。压缩和扭转试验模式时，两卡套中心轴线与矩形薄板煤岩样品中轴线保持在一个水平。在放置样品的过程中条带状矩形薄板需要与卡套槽平整耦合接触，使之在压缩过程中矩形薄板接触面良好，防止出现点接触行为。c、将压剪扭装置置于小角散射试验站样品台，开启中子散射和X射线小角散射系统，调整试验台高低进行对光，以使中子或X射线从煤岩矩形薄板中央透射出去。d、打开LabVIEW虚拟仪器数据采集系统窗口控制微型电机转速，设定压缩、剪切、扭转速度。e、待一切就叙后启动装置按既定参数进行压力、位移、速度、应变和时间的数据采集，直至煤岩材料在压缩、剪切、扭转作用下发生断裂时，停止压力、剪切力、扭矩、位移、速度、应变和时间的数据采集，将其保存到预设存储位置；f、通过实验煤岩材料进行不同加载速率下，不同压缩、剪切、扭转模式实验，考察其内部纳米孔隙结构变化规律，进而研究纳米尺度下煤岩材料的细观损伤机理。g、结合小角散射实验系统，提取各项试验数据，最后按相反顺序拆除装置，并妥善保存。实验实例一：小角散射研究煤岩材料纳观压缩时纳米孔隙结构孔径分布和比表面积变化。(1)根据对煤岩样品施加的载荷大小进行电动机的选型设计，使得不同种类煤岩材料的满足最大抗压强度出现压迫坏时所需载荷。实验拟采用功率范围电机为3w～8w的电机，可以针对不同煤岩材料的预估破坏强度对电机进行选型，装卸便捷，以期满足不同煤岩材料的压缩破坏。(2)将计算机、压缩装置及控制柜串口连接：将电机系统连接线和多通道采集端以及压力传感器中的连接线分别与控制柜接通。利用USB线将数据采集卡和电脑主机相连，实现数据实施监测；利用USB线将计算机与控制柜接通，使得计算机主机对电机转动速度及模式的控制以及电机转动过程中电机对电脑在线的反馈。待所有的连接线连接完成之后，打开计算机及控制柜电源。(3)将煤岩样品加工为长×宽×高为200mm×30mm×1mm条带状矩形薄板。随后将其两端分别固定于两个卡套处，为消除端部效应的影响，矩形薄板煤岩样品两端深入卡套各30mm，薄板与卡套耦合连接。为克服矩形薄板煤岩样品在压缩过程中出现剪切、拉扭力学行为，两卡套中心轴线与矩形薄板煤岩样品中轴线保持在一个水平。在放置样品的过程中条带状矩形薄板需要与卡套槽平整耦合接触，使之在压缩过程中矩形薄板接触面良好，防止出现点接触行为。(4)由于X射线光束与光斑小，无法覆盖整个薄板表面的完整区域，但我们要研究的是一个区域的特点来揭示矩形薄板整体纳米微孔结构变化规律。由于煤岩材料压缩过程中去除端部效应后，薄片状样品微孔结构形态、比表面积、平均孔径等参数在射线照射形成的光斑处较样品其他部位存在一样的变形效应。将压缩装置置于国家同步辐射实验室1W2A或1W2B物质区域中心实验站的样品台上，打开X射线光路，调整试验台高低进行对光，以使X射线从煤岩矩形薄板中央透射出去。(5)设定压缩速度为15μm/s，启动压缩装置，卡套以一定的压缩速度实现位移，待受压矩形薄板出现压缩破裂，该压缩装置在计算机的控制下自动停止压缩并维持在这个位置。实验结果表明：本发明不仅能获得应力应变曲线，而且能够实现原位观测煤岩材料纳观压缩时纳米孔隙结构孔径分布和比表面积变化。如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。