一种岩样点荷载试验仪及试验方法与流程

1.本发明涉及岩石力学试验仪器技术领域，更具体地说，它涉及一种岩样点荷载试验仪，还涉及一种岩样点荷载试验方法。


背景技术：

2.点荷载试验是间接获取岩石强度的一种试验方法，以其快速性、易操作性，不规则试件适应性强等优点被广泛的用于岩体工程中，但是目前现有的点荷载试验仪都是采用手动泵进行加载，而手动加载会产生压力的波动，将导致测试过程可靠性差的问题，影响岩样点载荷试验的稳定性。
3.因此需要提出一种新的方案来解决这个问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决上述的问题而提供一种岩样点荷载试验仪。
5.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种岩样点荷载试验仪，包括夹持模块和加载模块，所述夹持模块包括用于夹持岩样的上压头和下压头；所述加载模块包括千斤顶，用于驱动上压头和下压头挤压岩样并连续均匀增加对岩样的压力。
6.本发明进一步设置为：所述夹持模块还包括上底板、下底板和立柱，所述上底板和下底板之间通过立柱固定，所述上底板、下底板之间设置可上下移动的下横梁，所述下横梁上设置下压头，所述千斤顶设置于下底板上，用于向上驱动下横梁。
7.本发明进一步设置为：所述下横梁的上方设置可上下移动的上横梁，所述上横梁上设置上压头，所述上横梁的上方设置高度可调节的限位块，所述限位块抵压于横梁上侧，用于限制上横梁向上位移。
8.本发明进一步设置为：所述限位块的上方连接有限位柱，所述限位柱穿过上底板，并与上底板螺纹连接。
9.本发明进一步设置为：所述上横梁和下横梁均通过滑套与所述立柱滑动连接。
10.本发明进一步设置为：所述上横梁和下横梁之间设有弹簧，所述弹簧用于弹性抵压上横梁。
11.本发明进一步设置为：所述加载模块还包括注射泵和泵送驱动机构，所述注射泵内设置与千斤顶连通的注射腔，所述注射腔内设置活塞，所述泵送驱动机构与活塞连接，用于驱动活塞匀速移动。
12.本发明进一步设置为：所述注射腔的输出端通过连接管连接有油路阀块，所述油路阀块阀块上设置油压传感器，所述油压阀块通过油管与千斤顶连接。
13.本发明进一步设置为：所述泵送驱动机构包括电机、螺杆和螺母，所述螺杆的一端连接于活塞，另一端伸出注射腔与所述电机的输出端连接，所述螺母固定连接于注射泵，并与螺杆螺纹连接。
14.本发明进一步设置为：所述泵送驱动机构还包括滑动适配的滑轨和滑块，所述滑
轨与所述注射泵固定连接，所述滑块的滑动方向与螺杆平行，所述电机固定于所述滑块。
15.本发明进一步设置为：所述滑块上开设滑槽，所述滑槽两侧设置滑杆，所述滑块的底部设置若干滑轮，所述滑轮的外周开设与滑杆适配的环槽，相邻的滑轮相互交错，分别与两侧的滑杆滑动滚动连接。
16.本发明进一步设置为：还包括电路控制模块，所述电路控制模块用于控制电机匀速转动，所述电机为伺服行星减速电机。
17.本发明还提供一种岩样点荷载试验系统，包括上述的岩样点荷载试验仪，还包括箱体，所述箱体内设置支撑架，所述岩样点荷载试验仪通过支撑架支撑。
18.本发明还提供一种岩样点荷载试验方法，采用上述的岩样点荷载试验仪进行试验，包括如下步骤：
19.步骤一：将千斤顶调节至最低位置，加载模块调节至初始状态；
20.步骤二：将岩样放置在上压头和下压头之间，岩样与下压头接触，调节上压头的高度，使上压头和下压头夹紧所述岩样；
21.步骤三：加载模块驱动上压头和下压头挤压岩样，并连续且地均匀增加对岩样的压力，直至岩样破碎后停止加载，通过传感器捕捉加载模块内的最大压力值，得到岩样点荷载的最大荷载值。
22.本发明进一步设置为：在步骤三中，在岩样破碎时，电路控制模块控制加载模块停顿2秒，而后自动回复至初始状态。
23.综上所述，本发明具有以下有益效果：
24.1.该岩样点荷载试验仪能够连续且匀速地增加上压头和下压头对岩样的压力，连续低速增加的载荷，能够更加准确地得到岩样破裂时的压力，并通过传感器捕捉压力，从而得到准确的获取岩石强度参数；
25.2.通过可调节的限位块和限位柱结构，能够对上压头的高度进行预先调节，在试验加载之前，可先将岩样夹持于上、下压头之间，保持岩样的固定，克服了目前的点荷载试验仪必须先通过手压泵施加一定的压力压紧岩样的过程，简化了试验流程，节省了试验时间；
26.3.通过上下横梁分别对上下压头进行支撑，能够提高上下压头对岩样夹持的稳定性，具有良好的侧向稳定性，克服了其他点荷载试验仪压不规则试件时试件左右偏移，上下压头不同轴的问题，提高了试验数据的可靠性；
27.4.电路控制模块为配备显示器的计算机，能够对伺服电机的输出数据进行控制，控制加载模块的均匀连续加载，并能够获取压力传感器的压力值，得到测试参数，同时也便于实现测试参数的记录和获取。
附图说明
28.图1为本发明一种岩样点荷载试验仪的结构示意图；
29.图2为本发明的夹持模块的结构示意图；
30.图3为本发明的加载模块的结构示意图；
31.图4为本发明的加载模块的剖视图；
32.图5为本发明的油路阀块的内部结构示意图；
33.图6为本发明的电机的安装结构示意图；
34.图7为本发明的滑块和滑轮的结构示意图；
35.图8为本发明一种岩样点荷载试验系统的结构示意图一；
36.图9为本发明一种岩样点荷载试验系统的结构示意图二；
37.图10为本发明的岩样的压力上升曲线图。
38.附图标记：100、夹持模块；101、下底板；102、立柱；103、下横梁；104、弹簧；105、上横梁；106、上底板；107、限位柱；108、限位块；109、上压头；110、下压头；111、支架；112、螺帽；113、滑套；200、加载模块；201、注射泵；202、连接管；203、油路阀块；204、油压传感器；205、油路接头；206、油管；207、滑轨；208、滑块；209、电机；210、联轴器；211、螺杆；212、注射腔；213、活塞；214、螺母；215、阀腔；216、滑槽；217、滑杆；218、滑轮；219、环槽；220、千斤顶；221、缸体；222、柱塞；300、箱体；301、支撑架；302、盖板；303、缺口；400、电路控制模块；500、岩样。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
40.本实施例公开一种岩样点荷载试验仪，参照图1所示，包括夹持模块100和加载模块200，夹持模块100包括上压头109和下压头110，能够对岩样500进行夹持固定；加载模块200包括千斤顶220，能够驱动上压头109和下压头110相对运动，并能够连续均匀地线性增加对岩样500的压力，提高了试验数据的可靠性。
41.参照图2所示，夹持模块100还包括上底板106、下底板101、两个立柱102、上横梁105和下横梁103，两个立柱102通过螺帽112固定在上底板106和下底板101之间，形成夹持模块100的主体框架结构，并在下底板101两侧安装支架111对整个夹持模块100进行支撑；上横梁105和下横梁103位于上底板106和下底板101之间，并通过滑套113与两侧的立柱102滑动连接，形成可上下滑动调节结构；上横梁105上安装上压头109，下横梁103上安装下压头110，两个压头相对的一侧为锥形的抵压端，并且处于同轴状态，夹持过程中使得岩样500上受到的载荷处于上下同轴位置，避免岩样500不规则而产生左右偏移的问题。
42.千斤顶220的缸体221通过螺栓可拆卸安装在下底板101上，千斤顶220的柱塞222可向上活动，与下横梁103下侧相抵，通过千斤顶220向上活动，能够推动下横梁103及下压头110同步向上移动，增加上压头109和下压头110对岩样500的压力，实现点载荷试验；
43.在上横梁105的上方位置具有限位块108，上横梁105的向上滑动位置受到限位块108的限制，在测试过程能够保持上横梁105及上压头109的固定；而限位块108的高度可进行调节，能够在加载之前，预先对限位块108的位置进行调节，通过调节缩小上压块和下压块之间的间距，可将岩样500预先夹持，无需调节千斤顶220的伸缩长度对岩样500进行预紧，可缩短千斤顶220的伸缩行程，也简化了试验流程，节省了试验时间；
44.而限位块108安装方式可采用多种，例如，螺纹、凸轮或楔块等结构，能够实现限位块108的调节，并在调节后能够对上横梁105进行抵压限位即可。以螺纹连接结构为例，在限
位块108的上方固定连接限位柱107，限位柱107的外周具有外螺纹；在上底板106上开设螺孔，限位柱107螺纹连接于该螺孔中，形成螺纹连接结构，通过螺纹旋转限位柱107，可将周向的旋转转化为轴向的位移，形成限位块108的上下位置调节，实现对上横梁105的抵压限位。
45.在上横梁105和下横梁103之间设置弹簧104，弹簧104可套接在立柱102外，并与上横梁105和横梁弹性抵压，在上横梁105和下横梁103靠近时弹簧104进一步压缩，限制两者的间距，即能够限制上压头109和下压头110的间距，避免在岩样500碎裂后下压头110下行而产生两个压头碰撞的情况，延长两个压头的使用寿命。
46.参照图3、4所示，该加载模块200还包括注射泵201和泵送驱动机构，注射泵201内的注射腔212通过油管206与千斤顶220的缸体221连通，注射腔212内安装活塞213，通过活塞213运动能够增加注射泵201中的油压，从而对千斤顶220进行加载；而且泵送驱动机构能够驱动活塞213匀速移动，从而实现千斤顶220的连续线性地加载，提高岩样500试验的稳定性和准确性；
47.在注射泵201和千斤顶220之间的油路上安装油压传感器204，从而能够对加载模块200内的油压进行检测；可在注射腔212的输出端连接一条连接管202，并在连接管202末端连接油路阀块203，油路阀块203内开设阀腔215，实现油管206和油压传感器204的转接；油路阀块203上安装油路接头205和油压传感器204，油管206则通过油路接头205连接。
48.该泵送驱动机构为伺服系统，其主体为伺服电机209，还包括适配的螺杆211和螺母214，螺杆211的一端伸入注射腔212内并与活塞213连接，另一端伸出注射腔212，通过联轴器210与电机209的输出轴连接，实现轴向传动；而螺母214则固定安装在注射泵201上，螺杆211从螺母214内穿过，形成螺纹连接的结构，从而在电机209驱动螺杆211轴向旋转时，螺杆211能够同时与螺母214产生轴向移动，带动螺杆211末端的活塞213在注射腔212内活塞213运动，实现液压油的加压；通过控制伺服电机209的旋转角度和速度，即可调节螺杆211和活塞213的位移，从而调节活塞213在注射腔212内的活塞213位移行程，即可控制对油压进行连续线性地加载。
49.该电机209具体可采用伺服行星减速电机209，具有较大的输出扭矩，能够稳定对注射泵201进行加载。
50.注射腔212可呈圆柱形结构，活塞213与螺杆211之间可固定连接，在螺杆211螺纹转动过程中，能够带动活塞213旋转的同时形成轴向伸缩，实现活塞213运动。为了保持活塞213的稳定，也可在注射腔212内设置导向筋，在活塞213上开设导向槽，实现活塞213的轴向旋转限位，活塞213仅能够实现轴向的活塞213运动，而活塞213与螺杆211之间通过转动结构连接，从而实现活塞213运动；由于活塞213运动过程中不产生轴向的旋转，能够提高活塞213的密封稳定性。
51.泵送驱动机构还包括滑轨207和滑块208，通过滑轨207和滑道的适配，对螺纹丝杆结构进行导向；其中滑轨207固定安装在注射泵201上，并与注射泵201平行；滑块208则滑道连接在滑轨207上，且滑块208的滑动方向也与螺杆211平行；而电机209固定安装在滑块208上部，保持电机209的输出轴与螺杆211处于同轴，并通过联轴器210连接，实现电机209和螺杆211的传动。
52.参阅图5
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7所示，在滑块208上部开设滑槽216，滑槽216两侧固定圆柱形的滑杆
217，而滑块208的底部安装四个滑轮218，而滑轮218外周开设环槽219，滑槽216的形状能够与滑杆217固定适配；滑轮218嵌入滑槽216内，相邻的滑轮218相互交错，分别与两侧的滑杆217滑动滚动连接，从而能够保持滑块208的稳定的滑动。
53.为了对加载模块200中的伺服电机209进行控制，该岩样点荷载试验仪还包括电路控制模块400，电路控制模块400可采用计算机，能够对伺服电机209的输出数据进行控制，通过控制电机209的速度和总旋转角度，即可调节注射泵201的加载速度和总加载量；同时记录压力传感器的油压变化，通过油压变化情况，对电机209的转速进行控制，可保持油压的稳定连续增加，在岩样500碎裂前形成稳定连续的压力上升曲线；而且在上升过程中也不存在压力暂停增加的情况，提高岩样500试验的稳定性和可靠性，也便于实现测试参数的记录和获取。
54.电路控制模块中输入模块与油压传感器耦接，能够读取油压传感器的数据，根据时间与油压的变化可生成时间和压力的数据，形成压力随时间变化的曲线，如图10所示；电路控制模块中的比较模块能够将油压传感器采集的实时油压数据与预设油压数据进行对比，当实时油压数据大于预设油压数据时，控制伺服电机转速下降，减少伺服系统增压速度；当实时油压数据小于预设油压数据时，控制伺服电机转速上升，提高伺服系统增压速度，从而保持油压能够稳定上升，千斤顶能够稳定对岩样进行压力加载，减少岩样的突变和停顿，避免波动产生不稳定的情况，保持岩样试验的稳定性；
55.而且电路控制模块还包括存储模块和显示模块，存储模块能够记录岩样的信息、压力数据变化信息、岩样破裂时的最大点荷载信息等，便于对岩样试验信息进行记录；而显示模块为显示器，能够对数据进行显示查看，提高点荷载试验的便捷性。
56.本实施例还公开一种岩样点荷载试验系统，参阅图8、9所示，包括上述实施例中的岩样点荷载试验仪以及箱体300，可将岩样点荷载试验仪整体安装在箱体300内进行收纳。
57.在箱体300内安装泡沫支撑架301，岩样点荷载试验仪通过该支撑架301支撑固定，而且该岩样点荷载试验仪中的千斤顶220可从下底板101上拆卸，并单独放置于支撑架301的对应容腔内实现固定；而在支撑架301的上侧通过盖板302进行覆盖，在盖板302上开设夹持模块100和千斤顶220取出的缺口303以及操作电路控制模块400的缺口303。
58.可在箱体300上安装拉杆和滚轮，从而便于对收纳后的箱体300进行搬运移动，提高整个岩样点荷载试验系统的使用便捷性。
59.本实施例还公开一种岩样点荷载试验方法，采用上述实施例中的岩样点荷载试验仪进行试验，包括如下步骤：
60.步骤一：调节电路控制模块400，将千斤顶220调节至最低位置，加载模块200调节至初始状态；电路控制模块400中可输入此次试验的岩样500的序号、尺寸等信息，便于后续记录和查看；
61.步骤二：将岩样500放置在上压头109和下压头110之间，岩样500与下压头110接触，调节上压头109的高度；螺旋转动限位柱107，将限位块108下调，向下挤压上横梁105，使上压头109和下压头110夹紧岩样500；可将岩样500预先夹持，防止岩样500掉落，也可缩小千斤顶220的形成，减少千斤顶220的无效伸缩，简化试验流程，节省试验时间；
62.步骤三：电路控制模块400控制加载模块200均匀加载，可控制压力的加载速度，保持岩样500受到的压力按照设定的加载增速线性增加；同时记录压力传感器的油压变化，通
过油压变化情况，对电机209的转速进行控制，可保持油压的稳定连续增加，在岩样500碎裂前形成稳定连续的压力上升曲线，如图10所示；直至岩样500破碎后停止加载，通过压力传感器捕捉加载模块200内的最大压力值；可根据千斤顶220的缸体221内腔尺寸，将油压转化为单轴抗压强度，得到岩样点荷载的最大荷载值；
63.步骤四：在岩样500破碎时，电路控制模块400控制加载模块200停顿2秒，而后控制千斤顶220、加载模块200自动回复至初始状态，准备下一次试验。
64.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。