可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸及实现方法

1.本发明涉及加载装置领域，尤其是可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸及实现方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加，矿井冲击地压灾害日益加剧，严重地威胁着煤矿开采的安全。同时，我国煤矿地质条件极为复杂，开采煤层大都具有冲击倾向性，尤其过渡到深部开采以后，地下工程原岩应力增大，围岩温度增加，岩石破坏过程强化，巷道围岩变形剧烈，冲击地压已成为许多矿区的第一大灾害。冲击地压主要发生在巷道，能瞬间释放大量能量，引起强烈震动、巷道变形、煤岩瞬间大量冲出，常常造成大量人员伤亡和严重经济损失，已成为煤矿矿井中最严重的灾害之一。到目前为止，由于人们缺乏深部岩石工程经验，煤岩研究与认识相对不足，使得在深部岩石工程当中对突发性的事故和灾害难以做到有效的预测和控制，工程支护设计无法满足深部岩体工程的安全条件，从而产生冲击地压、岩爆等现象，严重威胁着工程人员的人身安全和工程质量。
4.目前，针对煤岩冲击扰动试验仪器加载装置的研究，已开展了大量的研究工作。
5.申请号为cn 102012337 a的中国发明专利，公开了《地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置》，(王汉鹏李术才王琦李为腾张庆松李智)将液压加载装置、球铰、推力器、柔性传力垫层有机的融合在一起，均布加载效果更好，但是不具有施加冲击的荷载的功能；
6.申请号为cn 10106996903 a的中国发明专利，公开了《一种用于模拟深埋酮室岩爆的试验装置及方法》，(高富强张坤王晓强刘鹏何朋立郭进军刘翠然)，该装置通过一种碟形弹簧片作为弹性加载体,当试验模型被加载到一定应力条件时,碟形弹簧片的变形也达到临界位移,再施加一定荷载后,相对设置呈椭球形的两个碟形弹簧片中的某一片会发生翻转,造成弹性能释放,从而满足岩爆发生的条件。弹簧加载系统所能达到的刚度和荷载有限，不能满足大型试验的要求，且需要通过改变弹簧改变储能大小，难以适应不同试件试验。
7.申请号为cn 203455238u的中国实用新型专利，公开了一种《深埋隧洞岩爆简易模拟试验系统》，该试验系统通过多根反力钢绞线代替普通试验机的立柱对试件施加反力,试件破坏时反力钢绞线会瞬间收缩,对试件进行破坏能量的迅速补充,满足了岩爆的发生条件。但是无法与其他冲击动力源配合同时施加不同应变率的冲击荷载。
8.《岩石力学与工程学报》2014年1月份第33卷增1期由贺永胜发表的“气液复合型岩爆模拟加载器研制”一文中公开了气液复合型岩爆模拟加载器，该装置利用蓄能腔压缩气体绝热膨胀来快速补偿试样破坏时加载器的压力突降，但是无法与其他冲击动力源配合同时施加不同应变率的冲击荷载。
9.综上，发明人发现，现有冲击扰动试验加载装置还存在以下不足之处：
10.(1)现有的冲击扰动加载装置一般为单独施加静载与动载，无法真实模拟深部煤岩体在动载
‑
静静载
‑
不同应变率扰动荷载的组合受力状态下的煤岩物理力学性质；
11.(2)无法与现有的冲击动力源(摆锤、重锤、霍布金森杆等)结合，功能较为单一；
12.(3)普通液压加载装置补压的滞后性，试件受到冲击扰动破坏瞬间，表面荷载难以保持恒定，无法完全还原煤岩受到冲击扰动破坏瞬间的物理力学状态。


技术实现要素：

13.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸，能够实现在模型受到扰动作用发生较大变形时，利用压缩气体快速补偿液压力突降，以尽量准确地模拟结构发生快速变形破坏时的真实情况，具有结构紧凑、功能多样等特点。
14.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
15.一种可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸，包括缸体，缸体为密封结构，缸体内部空间依次为回程腔、油压腔和储能腔，回程腔和储能腔中可分别通入气体，油压腔内可通入油液以实现静压荷载或动态荷载的施加，油缸内设置密封件以使得回程腔、油压腔和储能腔相互隔离，避免油气混合；缸体内部设置中空加载杆，中空加载杆内活动设置冲击杆，冲击杆一端可与冲击荷载施加系统连接。
16.上述的跟随油缸，整体结构密封性能好，避免油气混合液，油压腔内压力升高时，储能腔中的气体压缩产生与油压腔相同的压力，可在试件破坏后，通过气体快速膨胀对试件进行快速补压，回程腔的设置可便于调整油缸油压活塞的位置；冲击杆活动设置，通过冲击荷载施加系统，冲击杆在不影响中空加载杆加载的同时，传递不同应变率的冲击荷载。
17.如上所述的一种可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸，所述缸体包括缸套，缸套内部设置所述的中空加载杆，所述冲击杆相对于所述冲击荷载施加系统的另一端与活性加载板接触，活性加载板设于中空加载杆的一端并与中空加载杆连接，活性加载板用于同试件接触，在冲击荷载施加时，冲击杆推动活性加载板相对于中空加载杆移动。
18.如上所述的一种可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸，所述缸体内还设置有补压活塞，补压活塞相对于所述中空加载杆可移动，中空加载杆设置可相对其移动的油压活塞，补压活塞与油压活塞之间形成所述的油压腔，油压腔能够与静态液压系统或动态液压系统连接以对试件施加静态荷载或动态荷载；当油压压力高时，补压活塞向储能腔方向移动压缩储能腔内气体，当试件破坏瞬间油压压力瞬间降低，补压活塞向油压腔移动，起到补压作用。
19.如上所述的一种可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸，所述回程腔可与气源或抽真空设备相连，通过注气或抽真空调节中空加载杆的位置，所述缸体设有与回程腔连通的第一进气口。
20.如上所述的一种可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸，所述储能腔可储存设定压力的气体，所述油压腔内压力升高时，储能腔中的气体压缩产生与油压腔相同的压力，在试件破坏后，气体快速膨胀对试件快速补压；
21.且缸体设有与储能腔连通的第二进气口。
22.如上所述的一种可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸，所述补压活塞为圆环
结构，与所述中空加载杆同心安装，且补压活塞可相对于中空加载杆产生位移以平衡所述油压腔与所述储能腔的压力；
23.如上所述的一种可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸，所述缸套内设有限位台，限位台设于补压活塞与油压活塞之间，用于限制补压活塞和中空加载杆的移动位置，且中空加载杆移动时不会影响补压活塞的位置。
24.如上所述的一种可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸，所述活性加载板设置锥形孔，连接件穿过锥形孔与所述中空加载杆连接，中空加载杆可沿连接件方向移动设定的距离，避免冲击杆在传递冲击荷载时，活性加载板反作用于中空加载杆；且冲击杆与所述活性加载杆保持接触状态，保证冲击杆的冲击力不会影响中空加载板。
25.第二方面，本发明还提供了一种可施加动静荷载的气液复合快速跟随补压实现方法，采用所述的一种可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸，包括如下内容：
26.向回程腔中注气，使得中空加载杆移动到设定位置；
27.向储能腔中注入设定压力的气体，使得补压活塞移至设定位置，继续注气至预定压力；
28.向油压腔注油，使得活性加载板接触试件，将回程腔抽真空，由静态液压系统或动态液压系统控制中空加载杆对试件施加静载或者设定频率的振动荷载，此时储能腔中的气体压缩，气体压力与油压腔中油压压力相同；
29.冲击荷载施加系统在外部对冲击杆施加不同应变率的冲击荷载，通过冲击杆传递于试件，从而模拟断层破断、断层滑移及整体结构失稳等扰动过程，当试件发生破坏时储能腔气体发生膨胀压力，通过补压活塞传递给油压腔实现快速跟随补压，模拟岩石弹性能释放过程。
30.上述本发明的有益效果如下：
31.1)本发明跟随油缸设置三个腔室，结构密封性能好，避免油气混合液，油压腔内压力升高时，储能腔中的气体压缩产生与油压腔相同的压力，可在试件破坏后，通过气体快速膨胀对试件进行快速补压，回程腔的设置可便于调整油缸油压活塞的位置。
32.2)本发明油压腔相对于储能腔靠近试件设置，即前部加载液压油，后补储存压缩气体，可对试件表面施加恒定荷载，并在试件破坏时实现快速跟随补压；能够实现在试件受到扰动作用发生较大变形时，利用储能腔中压缩气体快速补偿液压力突降，模拟岩石弹性能释放过程，以期尽量准确地模拟结构发生快速变形破坏时的真实情况。
33.3)本发明通过补压活塞的设置，实现油压腔与储能腔的隔离，能平衡油压腔与储能腔的压力，当油压压力高时，补压活塞向储能腔方向移动压缩储能腔内气体，当试件破坏瞬间油压压力瞬间降低，补压活塞向油压腔移动，起到补压作用。
34.4)本发明油压腔可与静态液压系统或动态液压系统连接，可实现对试件施加静态荷载或多种波形的动态荷载；通过在中空加载杆内安装可自由活动的冲击杆，冲击杆与冲击荷载施加系统连接，可通过冲击杆向试件施加不同应变率的冲击荷载，使得油缸具备加静载或设定频率荷载后施加冲击荷载的功能；从而可实现在动载
‑
静静载
‑
不同应变率扰动荷载的组合受力状态下的模拟。
35.5)本发明通过连接件实现中空加载杆与活性加载板的连接，并在活性加载板设置锥形孔，使得中空加载杆可沿连接件方向移动设定距离，避免冲击杆在传递冲击荷载时，活
性加载板反作用于中空加载杆。
36.6)本发明通过在缸套内部设置限位台，可限制补压活塞和中空加载杆的移动位置。
附图说明
37.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
38.图1是本发明实施例中可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸的1/2剖面图；
39.图2是本发明实施例中可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸的1/4剖面图；
40.图3是本发明实施例中静载状态下活性加载板连接主视图；
41.图4是本发明实施例中冲击状态下活性加载板连接主视图；
42.其中：1、冲击杆，2、第二进气口，3、补压活塞，4、进油口，5、缸套，6、第一进气口，7、第一导向套，8、活性加载板，9、试件，10、第二导向套，11、储能腔，12、油压腔，13、限位台，14、中空加载杆，15、回程腔，16、法兰，17、锥形销，18、锥形孔，19、重锤，20、摆锤，21、霍布金森杆，22、动态液压系统，23、静态液压系统，24、气源，25、真空泵。
具体实施方式
43.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
44.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
45.为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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。
46.术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，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的具体含义。
47.正如背景技术所介绍的，现有技术中只能实现单独荷载的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸。
48.本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种可施加动静荷载的气液复合快速跟随油缸，包括缸体，缸体为密封结构，缸体包括缸套5，缸套内部设置中空加载杆14，中空加载杆14内活动设置冲击杆1，冲击杆1能够相对于中空加载杆实现轴向移动，冲击杆一端穿过中空加载杆设置，且冲击杆能够与冲击荷载施加系统连接，冲击杆另一端能够与
活性加载板接触，活性加载板设于中空加载杆的一端并与中空加载杆连接，且可相对于中空加载杆实现轴向移动。
49.缸套两端分别设置第一导向套7和第二导向套10，缸套5呈圆筒形，缸套5一端通过螺纹连接第二导向套10，另一端同样通过螺纹连接第一导向套7，缸套5在第一导向套设置处的外侧设置法兰，通过法兰16可实现与其他结构的固定，限定缸套5的移动；而中空加载杆14的两端均穿过第一导向套和第二导向套设置，且与第一导向套和第二导向套接触位置处均设置密封件。
50.中空加载杆的环向外侧在中部设置油压活塞，油压活塞与缸套内侧之间设置密封圈，油压活塞与第一导向套之间形成回程腔。
51.在缸套内还设有补压活塞3，补压活塞3为圆环件，补压活塞3内径与中空加载杆14外径同心接触，缸套内在补压活塞与第二导向套之间形成储能腔11，补压活塞与中空加载杆油压活塞之间形成油压腔。
52.参考图1
‑
图2所示，缸套设有第二进气口2、进油口4、第一进气口6，具体地，第二进气口2设于缸套中储能腔的外侧，进油口4设于油压腔的外侧，第一进气口设于缸套回程腔15的外侧，回程腔的设置有利于中空加载杆在试验前回位，通过第一进气口的设置有利于向回程腔充入气体，也便于对回程腔抽真空。
53.具体地，第一进气口相对于第二进气口2设于缸套的前侧，更靠近活性加载板设置，进油口设于第一进气口和第二进气口之间。
54.进一步，缸套内侧设置限位凸台13，补压活塞3位于限位凸台13的一侧，中空加载杆油压活塞位于限位凸台的另一侧，通过限位凸台13在试验开始时对中空加载杆的初始位置进行限定。
55.补压活塞3可沿中空加载杆14相对活动，且不影响中空加载杆14，二者之间设计有密封圈，防止油气混合，当油压压力高时，补压活塞3向储能腔11方向移动压缩储能腔内气体，当试件9破坏瞬间油压压力瞬间降低，补压活塞3向油压腔12移动，起到补压作用。
56.进一步地，中空加载杆14为中空结构，冲击杆1与中空加载杆14同心设置，冲击杆1穿过中空加载杆14，冲击杆1一端超出中空加载杆端部设置，冲击杆的该端连接冲击荷载施加系统，冲击荷载施加系统包括摆锤19或重锤20或霍布金森杆21或其他不同应变率的冲击动力源，可在不影响中空加载杆14的同时，由摆锤或重锤或霍布金森杆向试件施加静载或振动荷载的情况下传递冲击荷载。
57.活性加载板8设于缸套的一端，并与中空加载杆固定连接，具体活性加载板8固定于缸套的底部，设于冲击杆设置冲击荷载施加系统的另一端；活性加载板8用于施加于试件9的表面。
58.具体地，活性加载板中部设置凸台，参考图3所示，活性加载板纵向布置多个锥形孔18，中空加载杆14对应布置多个螺栓孔，中空加载杆14与活性加载板8之间通过锥形销17连接，中空加载杆14和活性加载板8之间可以沿锥形销钉轴向活动设定的距离，施加静载时活性加载板8与试件9接触，此时锥形销17处于伸出状态，但伸出距离不会超过活性加载板的厚度；
59.施加冲击动载时，冲击杆1传递冲击荷载，冲击杆推动活性加载板相对于中空加载杆移动；参考图4所示，活性加载板8可沿锥形销向试件方向运动，此时活性加载板8和中空
加载杆14之间能分离一小段距离，避免活性加载板8反作用于中空加载杆14。
60.静载液压系统23可通过进油口4与油压腔12连接，为油压腔12提供静态高压油，从而输出静态荷载；动载液压系统22通过进油口4与油压腔12连接，为油压腔12提供动态高压油，从而输出多种波形的动态荷载；可以理解的是，静载液压系统23和动载液压系统22共同连接到进油口4，配合冲击荷载施加系统，可实现在动载
‑
静静载
‑
不同应变率扰动荷载的组合受力状态下的煤岩物理力学性质的模拟试验。
61.储能腔11通过第二进气口2与外部气源24相连接；由于气体的可压缩性，加载过程中高压气体被油压腔12内的油压进一步压缩，直至达到与油压相同的压力从而使高压气体积累更多能量，当试件9发生破坏时，试件9承载力迅速下降，油压腔12中的压力瞬间降低，仅靠液压系统无法将油压快速补充到原有压力，造成试件端部压力突降，此时储能腔11内的高压气体以原有油压压力迅速膨胀做功，对试件9端部及时补压，更好地模拟岩石弹性能释放过程；
62.试验开始时，气源24通过第一进气口6对回程腔15注气，使得中空加载杆14的凸环回到限位台12处，当油压腔12中充满液压油前推中空加载杆14至活性加载板8接触试件9时，使用真空泵25对回程腔15进行抽真空，可在储能腔11瞬间做功时，消除回程腔15对中空加载杆14的反推力。
63.一种可施加冲击荷载的气液复合快速跟随补压实现方法，包括如下内容：
64.通过第一进气口6向回程腔15中注气，使得中空加载杆14移至限位台13处；
65.通过第二进气口2向储能腔11中注入高压气体，使得补压活塞3移至限位台13处，继续注气至预定压力；
66.通过进油口4向油压腔12注油，使得活性加载板8接触试件9，通过第一进气口6将回程腔15抽真空，由静态液压系统23或动态液压系统22控制中空加载杆14对试件施加静载或者设定频率的振动荷载，此时储能腔11中的气体压缩，气体压力与油压腔13中油压压力相同；
67.重锤19、摆锤20、霍普金森杆21等设备可在外部对冲击杆1施加不同应变率的冲击荷载，并通过冲击杆1传递于内部模型，从而模拟断层破断、断层滑移及整体结构失稳等扰动过程，当试件9发生破坏时储能腔11气体发生膨胀压力，通过补压活塞3传递给油压腔13实现快速跟随补压，模拟岩石弹性能释放过程。
68.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。