一种测试岩石抗拉强度的实验装置及其实验方法与流程

本发明涉及一种岩石力学性能测试装置，特别是涉及一种测试岩石抗拉强度的实验装置和托举试样的托举组件。本发明还公开了上述实验装置的实验方法。

背景技术：

在研究岩石力学性能中，岩石的抗拉强度是其中的一个研究重点。目前研究岩石抗拉强度主要有两种方法，一种是巴西圆盘劈裂法，一种是直接拉伸法。

目前研究岩石抗拉强度主要采用巴西圆盘劈裂法，通过压裂岩石试样时的压力或压强来换算岩石的抗拉强度。但是这种方法对于试样找准中心线要求非常高，一旦没找准会造成较大误差，而且也无法获得拉应力-应变曲线，对于后期的研究无法提供完善的参考资料。

在专利号为CN2013105070218，名为套筒粘接的岩石直接拉伸实验装置及实验方法的中国发明专利中公开了一种采用直接拉伸法测试岩石抗拉强度的实验装置及其实验方法。其主要采用粘胶、对开筒套、紧箍环固定岩石试样的两端，然后试样进行拉伸，直到岩石被拉断。这种方式虽然比较简单，而且能够获得拉应力-应变曲线，但是仅仅采用粘胶、对开筒套、紧箍环来固定试样两端会导致固定不够牢靠，而且安全性低，另外采用粘胶粘接实验后会导致试样取出时十分困难，大大降低了实验效率和进度。

另外，试样取出时，没有托举或者盛装工具，这容易造成试样掉落，存在较大的安全隐患。

故申请人认为，有必要设计出一种采用直接拉伸法拉伸试样的实验装置，其应当比较牢固、可靠地固定试样两端，且实验完成后能够方便地取出试样。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种测试岩石抗拉强度的实验装置，其采用直接拉伸法测试岩石试样的抗拉强度且能够牢固、可靠地固定试样两端。

为实现上述目的，本发明提供了一种测试岩石抗拉强度的实验装置，包括导向板、导向杆、拉伸组件，所述的导向板上设有通孔，导向杆穿过通孔与导向板可滑动装配；

所述的导向板有两块，且每块导向板外侧均固定有拉伸组件；

所述的拉伸组件，包括，固定在加载杆上的分力环，所述的分力环与分力支杆一端铰接，所述的分力支杆另一端与滑筒上的滑筒交接部铰接，所述的分力支杆至少有两根，且两端均匀分布在分力环和滑筒端部；

所述的滑筒还包括顶部挡环、滑动部分、底部挡环，所述的滑动部分穿过导向板，所述的顶部挡环和底部挡环分别位于导向板外侧和内侧；

所述的滑动部分内设有让位槽，所述的顶部挡环在与让位槽对应位置上设有连接通槽，所述的连接通槽截面小于让位槽截面；

所述的滑筒铰接部的铰接让位端装入让位槽中，且滑筒铰接部与分力支杆铰接端穿出连接通槽；

所述的切换环内壁由凸出弧面段和凹陷弧面段构成，且所述的切换环内孔中设有切换块，所述的切换块通过切换连接销与切换安装座上的切换安装孔装配，且所述的切换连接销装入切换安装孔中部分上还设有扭簧，所述的扭簧用于维持切换块的驱动端始终顶紧在切换环内侧；

所述的切换环外侧还设有卡齿驱动部；

所述的加载杆在与切换块对应位置上设有切换槽，所述的切换块的卡紧端装入切换槽中；

所述的滑筒中设有装卸通孔，所述的装卸通孔中固定有限位环，所述的限位环上开有一能让加载杆穿过的顶出通孔；所述的切换环的最大直径不超出限位环直径；

所述的限位环背向切换环一端上设有装配环，所述的装配环内设有夹装孔且所述的装配环侧壁上设有至少两个滑动通槽；

所述的夹装孔内安装有数量与滑动通槽相同的卡紧弧板，所述的卡紧弧板包括用于卡紧试样的弧板部分和穿过滑动通槽的滑块部分，所述的滑块部分能在滑动通槽中滑动，且所述的滑块部分端部为卡紧斜面；

所述的卡紧斜面与驱动斜面配合，所述的驱动斜面设置在驱动筒内侧且所述的驱动筒外侧与装卸通孔内壁固定；

所述的驱动斜面为由试样往加载杆方向逐渐往上的斜面；

所述的驱动筒的驱动筒内端面与限位环的限位环内端面之间有间槽；

所述的间槽的间槽宽度为L3；

所述的让位端端部与让位槽底部之间的距离为L2；

所述的加载杆的加载杆内端面与驱动筒内端面之间的距离为L1；

L1、L2、L3的关系为：

(L3/8)<L1<(L3/5)；1.5*L2>L1>L2。

作为本发明的进一步改进，所述的加载杆与液压油缸的伸缩轴连接或直接为液压油缸的伸缩轴。

作为本发明的进一步改进，所述的顶部挡环端面上设有切换环，所述的切换环中心线与分力环、加载杆在同一直线上。

作为本发明的进一步改进，所述的卡齿驱动部分为能与外部齿轮或齿条等啮合的齿形。

作为本发明的进一步改进，所述的L2至少要比L1短1毫米以上。

作为本发明的进一步改进，还包括取样槽板，所述的卡紧在两个拉紧组件A间，所述的取样槽板上设有一横截面不大于1/2圆的圆弧形取样槽；

所述的取样槽板的内径、外径与装配环相同，且所述的取样槽板的轴线与装配环轴线重合。

作为本发明的进一步改进，在夹装孔内壁上固定一个导向内环，所述的导向内环厚度应当为弧板部分厚度的至少1.2倍且导向内环内径应当不小于试样直径；

所述的驱动筒外端面上固定一个外导向半环，所述的外导向半环横截面为不超过1/2圆环的半圆环；

所述的外导向半环内壁与导向内环外壁之间形成卡装槽，所述的卡装槽与取样槽板两端装配。

作为本发明的进一步改进，所述的取样槽板与卡装槽装配后，取样槽开口朝上。

作为本发明的进一步改进，还包括用于托举和运送取样槽板的托架组件，所述的拖架组件，包括，用于支撑取样槽板的支撑半环；所述的支撑半环底部与升降螺杆顶部连接固定，所述的升降螺杆底部穿过支撑板与驱动筒通过螺纹旋合装配；

所述的支撑板上设有安装托块，取件轴穿过设置在安装托块上的通孔，所述的取件轴有两根且所述的取件轴上安装有取件凸轮，其中一根取件轴一端上安装有取件带轮，另一根取件轴上安装有副取件带轮，所述的取件带轮与副取件带轮之间通过取件皮带连接形成带传动结构；

其中的一根取件轴远离取件皮带一端与取件电机输出轴连接固定；所述的取件电机能够带动取件轴转动；

所述的支撑板底部固定有导向轴，所述的导向轴与机箱上的导向通孔装配以对支撑板的上下移动提供导向作用；

所述的升降螺杆底部装入机箱中且与驱动筒内螺纹装配；

所述的驱动筒有两根且其中一根驱动筒上固定有主动带轮和从动齿轮，另一根驱动筒上固定有从动带轮；

所述的主动带轮与从动带轮之间通过升降同步带连接并形成带传动结构；

所述的从动齿轮与主动齿轮相互啮合形成齿轮传动结构，所述的主动齿轮安装在升降电机的输出轴上；

所述的取样槽板上设有取件通槽，所述的取件凸轮截面为椭圆，且所述的取件凸轮包括直径最大的长轴端和直径最小的短轴端，所述的短轴端最高点不超过取样槽底部；

所述的机箱底部设有移动块，所述的移动块通过螺纹与移动螺杆旋合装配，所述的移动螺杆两端分别固定在第一固定板和第二固定板上，且所述的移动螺杆能相对于第一固定板和第二固定板转动；

所述的移动螺杆有两根，其中一根一端上固定有移动带轮，另一根一端上固定有副移动带轮和副驱动带轮；所述的移动带轮和副移动带轮间通过移动皮带连接并形成带传动结构；

所述的副驱动带轮与主驱动带轮通过主驱动皮带连接并形成带传动结构；

所述的主驱动带轮固定在主驱动电机的输出轴上。

作为本发明的进一步改进，所述的长轴端最高点超过取样槽底部0.5-1.2毫米。

一种基于上述实验装置的实验方法，包括如下步骤：

S1，将试样两端分别装入夹装孔中使卡紧弧板的弧板部分内侧与试样外侧接触；

S2，转动切换环，使切换块的驱动端由与凹陷弧面段顶紧切换为与凸出弧面段顶紧，此时，切换块的卡紧端卡入切换槽中；

S3，启动液压油缸，使加载杆对滑筒产生推力，使滑筒带动驱动斜面与卡紧斜面卡紧；

S4，再次转动切换环，使驱动端恢复与凹陷弧面段顶紧，此时，卡紧端退出切换槽；

S5，反向驱动液压油缸，使加载杆产生远离试样方向上的拉力，直到将试样拉断，这个过程中通过液压油缸的进油量、加载杆拉力获得拉应力-应变曲线；

S6，取出拉断后的试样，首先将两侧的拉伸组件向与和远离试样方向拉动，直到两个卡装槽能够与取样槽板装配，然后安装取样槽板，最后使加载杆面向试样方向施加压力，直到顶出试样到取样槽中。

作为本发明的进一步改进，S3中加载杆对滑筒产生推力为0.1MP-0.5MP。这既能够保证弧板部分卡紧试样，又能够防止影响到试样的抗拉强度，从而造成测试不精确。

本发明的有益效果是：

1、本发明能够牢靠地固定试样两端，防止在实验过程中试样脱落而造成的安全隐患。

2、本发明在实验结束后，能够快速、方便地取出试样，从而提高实验效率。

3、本发明的拉伸组件在进行拉伸时能够对试样产生自锁式卡紧，而在需要取出试样时则可以将试样推出卡紧组件，十分方便、实用。

4、本发明采用取样槽板来取出试样，能够防止试样在取出时掉落，而且两端的试样可同时取出到取样槽板中，十分的方便、快捷。

5、本发明在取出试样时，能够实现在弧板部分松开试样端部的同时推出实验，使得试样的取出变得十分方便。

6、本发明的托举组件能够实现通过取样槽板托举、转送试样，既能够解决掉试样容易掉落的安全隐患，又能够有效保护试样，为后续的研究提供基础。

7、本发明通过取件凸轮实现自动将试样取出到取样槽中，节省了人力，提高而实验效率。

附图说明

图1是本发明一种测试岩石抗拉强度的实验装置具体实施方式的结构示意图。

图2是本发明一种测试岩石抗拉强度的实验装置具体实施方式的拉伸组件结构示意图。

图3是本发明一种测试岩石抗拉强度的实验装置具体实施方式的拉伸组件结构示意图。

图4是本发明一种测试岩石抗拉强度的实验装置具体实施方式的拉伸组件结构示意图。

图5是本发明一种测试岩石抗拉强度的实验装置具体实施方式的拉伸组件俯视图。

图6是本发明一种测试岩石抗拉强度的实验装置具体实施方式的拉伸组件前视图。

图7是图6中F1处放大图。

图8是本发明一种测试岩石抗拉强度的实验装置具体实施方式的拉伸组件剖面图。

图9是图8中F3处放大图。

图10是图8中F2处放大图。

图11是本发明一种测试岩石抗拉强度的实验装置具体实施方式的拉伸组件剖面图。

图12是本发明一种测试岩石抗拉强度的实验装置具体实施方式的拆除试样状态图。

图13是本发明一种测试岩石抗拉强度的实验装置具体实施方式的拆除试样状态图。

图14是本发明一种应用于测试岩石抗拉强度的托举组件具体实施方式的结构示意图。

图15是本发明一种应用于测试岩石抗拉强度的托举组件具体实施方式的结构示意图。

图16是本发明一种应用于测试岩石抗拉强度的托举组件具体实施方式的结构示意图。

图17是本发明一种应用于测试岩石抗拉强度的托举组件具体实施方式的结构示意图。

图18是本发明一种应用于测试岩石抗拉强度的托举组件具体实施方式的结构示意图。

图19是本发明一种应用于测试岩石抗拉强度的托举组件具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参见图1至图11，一种测试岩石抗拉强度的实验装置，包括导向板100、导向杆200、拉伸组件A，所述的导向板100上设有通孔，导向杆200穿过通孔与导向板100可滑动装配；

所述的导向板100有两块，且每块导向板100外侧均固定有拉伸组件A；

所述的拉伸组件A，包括，固定在加载杆300上的分力环A100，所述的加载杆300与液压油缸的伸缩轴连接或直接为液压油缸的伸缩轴，所述的分力环A100与分力支杆A200一端铰接，所述的分力支杆A200另一端与滑筒A300上的滑筒交接部A304铰接，所述的分力支杆A200至少有两根，且两端均匀分布在分力环A100和滑筒A300端部，这样能够使得加载杆300通过分力支杆A200对滑筒A300的各个滑筒铰接部A304上的力是均匀的；

所述的滑筒A300还包括顶部挡环A301、滑动部分A303、底部挡环A302，所述的滑动部分A303穿过导向板100，所述的顶部挡环A301和底部挡环A302分别位于导向板100外侧和内侧；

所述的滑动部分A303内设有让位槽A3031，所述的顶部挡环A301在与让位槽A3031对应位置上设有连接通槽A3011，所述的连接通槽A3011截面小于让位槽A3031截面；

所述的滑筒铰接部A304的铰接让位端A3041装入让位槽A3041中，且滑筒铰接部A304与分力支杆A200铰接端穿出连接通槽A3011；

所述的顶部挡环A301端面上设有切换环A400，所述的切换环A400中心线与分力环A100、加载杆300在同一直线上；

所述的切换环A400内壁由数个凸出弧面段A4021和凹陷弧面段A4022构成，且所述的切换环A400内孔中设有切换块A403，所述的切换块A403通过切换连接销A404与切换安装座A4023上的切换安装孔A40231装配，且所述的切换连接销A404装入切换安装孔A40231中部分上还设有扭簧A405，所述的扭簧A405用于维持切换块A403的驱动端A4032始终顶紧在切换环A400内侧；

所述的切换环A400外侧还设有卡齿驱动部A401，所述的卡齿驱动部分A401可以为能与外部齿轮或齿条等啮合的齿形，主要用于驱动切换环A400转动；

所述的加载杆300在与切换块A403对应位置上设有切换槽301，所述的切换块A403的卡紧端A4031能够装入切换槽301中；

所述的滑筒A300中设有装卸通孔A3032，所述的装卸通孔A3032中固定有限位环A500，所述的限位环A500上开有一能让加载杆穿过的顶出通孔A501；

所述的切换环A400的最大直径不超出限位环A500直径；

所述的限位环A500背向切换环A400一端上设有装配环A502，所述的装配环A502内设有夹装孔A5021且所述的装配环A502侧壁上设有至少2个滑动通槽A5022；

所述的夹装孔A5021内安装有数量与滑动通槽A5022相同的卡紧弧板A900，所述的卡紧弧板A900包括用于卡紧试样400的弧板部分A901和穿过滑动通槽A5022的滑块部分A902，所述的滑块部分A902能在滑动通槽A5022中滑动，且所述的滑块部分A902端部为卡紧斜面A9021；

所述的卡紧斜面A9021与驱动斜面A801配合，所述的驱动斜面A801设置在驱动筒A800内侧且所述的驱动筒A800外侧与装卸通孔A3032内壁固定；

所述的驱动筒A800的驱动筒内端面A802与限位环A500的限位环内端面A503之间有间槽B100；

所述的间槽B100的间槽宽度为L3；

所述的让位端A3041端部与让位槽A3031底部之间的距离为L2；

所述的加载杆300的加载杆内端面302与驱动筒内端面A802之间的距离为L1（即为顶出通孔深度）；

L1、L2、L3的关系为：

(L3/8)<L1<(L3/5)；

L1>L2；所述的L2至少要比L1短1毫米以上。

参见图12-图13，进一步地，为了能够方便，快速地取出实验后的试样300，可以在取出试样300前在两个拉紧组件A间固定一块取样槽板B200，所述的取样槽板B200上设有一横截面不大于1/2圆的圆弧形取样槽B201；

所述的取样槽板B200的内径、外径与装配环A502相同，且所述的取样槽板B200的轴线与装配环A502轴线重合。

更进一步地，为了能够方便地固定取样槽板B200而不会导致取样槽板B200使用时不容易固定而造成使用不便，可以在夹装孔A5021内壁上固定一个导向内环A600，所述的导向内环A600厚度应当为弧板部分A901厚度的至少1.2倍，即所述的导向内环A600在横截面上部分遮挡弧板部分A901，但是所述的导向内环A600内径应当不小于试样400直径，这主要是为了防止导向内环A600妨碍试样400的夹装；

所述的驱动筒A800外端面上固定一个外导向半环A700，所述的外导向半环A700横截面为不超过1/2圆环的半圆环；

所述的外导向半环A700内壁与导向内环A600外壁之间形成卡装槽A701，所述的卡装槽A701能与取样槽板B200两端装配。

更进一步地，所述的取样槽板B200与卡装槽A701装配后，取样槽B201开口朝上。

参见图14-图19进一步地，还包括用于托举和运送取样槽板B200的托架组件，所述的拖架组件，包括，用于支撑取样槽板B200的支撑半环C100，所述的支撑半环C100可以和取样槽板B200固定或可拆卸连接；

所述的支撑半环C100底部与升降螺杆C101顶部连接固定，所述的升降螺杆C101底部穿过支撑板C400与驱动筒C102通过螺纹旋合装配；

所述的升降螺杆C101外侧上设有外螺纹，所述的驱动筒C102内设有内螺纹，所述的外螺纹与内螺纹能够相互旋合装配；

所述的支撑板C400上设有安装托块C402，取件轴C311穿过设置在安装托块C402上的通孔，所述的取件轴C300有两根且所述的取件轴C300上安装有取件凸轮C300，其中一根取件轴C300一端上安装有取件带轮C911，另一根取件轴C300上安装有副取件带轮C912，所述的取件带轮C911与副取件带轮C912之间通过取件皮带C913连接形成带传动结构；

其中的一根取件轴C300远离取件皮带C913一端与取件电机C801输出轴连接固定；所述的取件电机C801能够带动取件轴转动；

所述的支撑板C400底部固定有导向轴C401，所述的导向轴C401与机箱C500上的导向通孔C502装配以对支撑板C400的上下移动提供导向作用；

所述的升降螺杆C101底部装入机箱C500中且与驱动筒C102内螺纹装配；

所述的驱动筒C102有两根且其中一根驱动筒C102上固定有主动带轮C941和从动齿轮C951，另一根驱动筒C102上固定有从动带轮C942；

所述的主动带轮C941与从动带轮C942之间通过升降同步带C943连接并形成带传动结构；

所述的从动齿轮C951与主动齿轮C952相互啮合形成齿轮传动结构，所述的主动齿轮C952安装在升降电机C803的输出轴上。使用时，升降电机C803通过主动齿轮C952驱动两根驱动筒C102转动，由于驱动筒固定在机箱中，故驱动筒转动时，就能带动升降螺杆C101在驱动筒内上/下移动；

所述的取样槽板B200上设有取件通槽B202，所述的取件凸轮C300截面为椭圆，且所述的取件凸轮包括直径最大的长轴端C302和直径最小的短轴端C301，所述的短轴端C301最高点不超过取样槽B201底部；所述的长轴端C302最高点略超过取样槽B201底部（超过取样槽B201底部0.5-1.2毫米）。初始状态时，短轴端C301处于最高点，当取样槽板B200两端与卡装槽A701固定后，取样电机C801开始驱动取件凸轮C300转动，取件凸轮C300的长轴端C302就会与试样400底部发生摩擦，在试样400被松开后，所述的取件凸轮通过这种摩擦将试样取出拉伸组件中（相当于输送辊轧）；

所述的机箱C500底部设有移动块C501，所述的移动块C501通过螺纹与移动螺杆C700旋合装配，所述的移动螺杆C700两端分别固定在第一固定板C601和第二固定板C602上，且所述的移动螺杆C700能相对于第一固定板C601和第二固定板C602转动；

所述的移动螺杆C700有两根，其中一根一端上固定有移动带轮C921，另一根一端上固定有副移动带轮C922和副驱动带轮C922；所述的移动带轮C921和副移动带轮C922间通过移动皮带C923连接并形成带传动结构；

所述的副驱动带轮C932与主驱动带轮C931通过主驱动皮带C933连接并形成带传动结构；

所述的主驱动带轮C931固定在主驱动电机C802的输出轴上。使用时，主驱动电机通过主驱动皮带带动移动螺杆转动，移动螺杆转动时，机箱就能够在移动螺杆轴向上发生移动。这就能够实现将试样取出到指定位置，以方便操作者取出。

基于上述实验装置的实验方法：

S1，将试样400两端分别装入夹装孔A5021中使卡紧弧板A900的弧板部分A901内侧与试样400外侧接触；

S2，转动切换环A400，使切换块A403的驱动端A4032由与凹陷弧面段A4022顶紧切换为与凸出弧面段A4021顶紧，此时，切换块A403的卡紧端A4031卡入切换槽301中；

S3，启动液压油缸，使加载杆300，对滑筒300产生推力。此时，滑筒A300会带动限位环A500向试样300方向移动，同时装配环A502会带动卡紧弧板A900向试样300方向移动；这就使卡紧斜面A9021与驱动斜面A801发生位移，而驱动斜面A801会将卡紧弧板A900向试样300方向推动，使卡紧弧板A900卡紧试样300；

S4，再次转动切换环A400，使驱动端A4032恢复与凹陷弧面段A4022顶紧，此时，卡紧端A4021退出切换槽301；

S5，反向驱动液压油缸，使加载杆300产生远离试样300方向上的拉力，直到将试样拉断，此时可通过液压油缸的进油量、拉力等获得拉应力-应变曲线。

S6,驱动主驱动电机使机箱达到试样下方且试样与取样槽B201正对；

S7，驱动神将升降电机时取样槽板B200达到与卡装槽A701正对的位置，然后加载杆驱动拉伸组件，使卡装槽A701与取样槽板B200两端装配；

S8，取出拉断后的试样，首先将两侧的拉伸组件A向与和远离试样方向拉动，直到两个卡装槽A701能够与取样槽板B200装配，然后安装取样槽板B200，最后使加载杆300面向试样300方向施加压力。这个过程中，由于L2小于L1，故加载杆内端面302会在让位端A3041接触到让位槽A3031底面后与试样300端部接触，而这个过程中，分力支杆A200会先推动滑筒A300向试样400方向移动，这就使驱动斜面A801与卡紧斜面A9021往松开方向移动，即弧板部分A901与试样400端部松开；

而在后续的加载杆内端面302会与试样400端面接触且将试样400往脱离滑筒A300方向顶松到取样槽板B200中，在这个过程中，弧板部分A901会进一步与试样300松开。最后用手或者其他工具将试样300取出到取样槽B201中，然后托住取样槽板，将拉伸组件往远离试样方向移开使取样槽板脱离卡装槽A701即可。

S9，驱动取件电机，使取件凸轮C300转动，将试样取出拉伸组件；

S10，加载杆将拉伸组件往远离试样方向拉开，直到卡装槽A701脱离取样槽板B200；

S11，停止取样电机，驱动升降电机，使取样槽板B200下降至低于导向杆200的位置，停止升降电机；

S12，启动主驱动电机，使移动螺杆转动，将机箱和取样槽板移动到指定位置。

进一步地，所述的取件凸轮采用软质耐磨材料制成，如橡胶、硅胶等。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。