一种基于电磁力控制的岩石拉压力学实验机及实验方法

本发明涉及岩石力学测试，尤其涉及一种基于电磁力控制的岩石拉压力学实验机及实验方法。

背景技术：

1、在巷道围岩开挖时，围岩应力会重分布，导致工程岩体大量产生局部拉应力并发生拉伸破坏，使主应力均为压缩状态。由于岩石材料具有典型的低拉压强度比，因此受开挖卸荷诱发的拉应力在深部开采中的影响不能忽略，随着开挖过程的持续进行，深部围岩长期处于拉压交互状态。

2、当前对于岩石在循环载荷作用下的失稳特性研究，绝大多数局限于受压状态下的疲劳破坏特性，最主要还是压缩实验机技术较为成熟，利于开展相关压缩实验，而现有的万能试验机受液压流量控制技术和岩石试样制取的限制，对于开展岩石灵敏拉压交互循环实验还是一个难题。这也导致岩石拉压循环载荷下的相关试验研究极度匮乏，与现场开挖真实载荷形式存在差异。

3、上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是最接近的现有技术。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电磁力控制的岩石拉压力学实验机，该实验机解决了传统岩石实验机不能实现高效拉压快速交互加载的缺点，实现了岩石拉压高效灵敏交互实验。

2、为达到所述目的，本发明的技术方案是这样实现的，包括：实验平台、计算机、电磁加载组件和用于将圆柱形待测岩石固定在实验平台上的固定组件；所述固定组件安装在圆柱形待测岩石的上下端，固定组件和圆柱形待测岩石上安装有用于测量圆柱形待测岩石受力和形变数据的测量组件；所述电磁加载组件设置在实验平台上方，且电磁加载组件通电后对固定组件产生引力或斥力；所述计算机与测量组件和电磁加载组件均电连，计算机内设的控制系统控制电磁加载组件中电流的方向，从而电磁加载组件对固定在实验平台上的圆柱形待测岩石施加压力或拉力。

3、优选的，所述实验平台、上端面设有固定圆台、；所述固定圆台的下端与实验平台连接，固定圆台的上端圆心处设有连接螺栓；所述固定组件包括第一固定铁片和第二垫片；所述第二垫片安装在圆柱形待测岩石的上端；所述第一固定铁片安装在圆柱形待测岩石的下端，且第一固定铁片的圆心处设有螺栓孔，所述螺栓孔的内螺纹与连接螺栓外螺纹构成螺纹配合。

4、优选的，还包括竖直支撑平台；所述实验平台安装在竖直支撑平台的底端；所述电磁加载组件包括圆柱铁芯和激磁线圈；所述圆柱铁芯竖直布置在实验平台的上方，顶端与竖直连接杆的下端固定连接；竖直连接杆的上端与竖直支撑平台的顶部连接；所述激磁线圈沿圆柱铁芯的长度方向缠绕，且激磁线圈与计算机电连接。

5、优选的，所述测量组件包括与计算机均电连接的径向位移传感器、轴向位移传感器和应力传感器；所述径向位移传感器套装圆柱形待测岩石上，并与圆柱形待测岩石的表面紧密贴合；所述第一固定铁片上端面设有连接孔；所述轴向位移传感器的顶端与第二垫片的下端面相抵靠，底端与连接孔构成插接配合；所述应力传感器安装在圆柱形待测岩石的上端面，并位于第二垫片与圆柱形待测岩石的上端面之间。

6、优选的，所述电磁加载组件还包括压头；所述压头设置为圆台形，压头上端面的直径与圆柱铁芯的直径相同，压头下端面的直径与圆柱形待测岩石的直径相同。

7、优选的，所述轴向位移传感器至少有两个，并对称布置在圆柱形待测岩石的两侧。

8、优选的，所述第二垫片为强永磁铁垫片；所述第一固定铁片和第二垫片与圆柱形待测岩石的连接处均采用环氧树脂粘贴。

9、优选的，还包括电磁防护壳和拉压防护罩；所述电磁防护壳套装在圆柱铁芯外部，且电磁防护壳的长度与圆柱铁芯长度相同，并由高强度的绝缘材质制成；所述拉压防护罩由透明材质构成，将固定在固定圆台上的圆柱形待测岩石罩在其中，且拉压防护罩内径大于电磁防护壳的外径。

10、优选的，所述竖直支撑平台包括电机控制箱、第一竖直支撑箱和第二竖直支撑箱；所述电机控制箱水平放置，电机控制箱的上表面与实验平台底端连接；所述第一竖直支撑箱与电机控制箱的一侧固定连接，且第一竖直支撑箱内设有第一竖直丝杆；所述第二竖直支撑箱安装在电机控制箱的另一侧，且第二竖直支撑箱内设有第二竖直丝杆；还包括横梁；所述横梁的两端分别套设在第一竖直丝杆和第二竖直丝杆的杆身上，并与之构成螺纹螺杆传动；所述竖直连接杆上端与横梁的中部连接；所述第一竖直丝杆和第二竖直丝杆的底端均设有传动机构，且传动机构在电机控制箱中的电机带动下带动第一竖直丝杆和第二竖直丝杆转动。

11、优选的，所述的具体操作步骤如下：

12、s1，首先制取不同直径的圆柱形待测岩石作为实验试样，用环氧树脂先在圆柱形待测岩石的下端面贴上第一固定铁片，在圆柱形待测岩石的上端面先贴上应力传感器，再用环氧树脂贴上第二垫片；

13、s2，通过开启电机控制箱中的电机带动第一竖直丝杆和第二竖直丝杆转动，横梁带动圆柱铁芯向上移动，在圆柱铁芯与实验平台之间留出可以安装圆柱形待测岩石的空间，再将第一固定铁片上的螺栓孔与固定圆台上的连接螺栓顶部对齐，旋转后使之构成螺纹连接，使得处理好的圆柱形待测岩石安装至实验平台的固定圆台上；

14、s3，将径向位移传感器套在圆柱形待测岩石的中间位置，轴向位移传感器的顶端与第二垫片的下端面相抵靠，底端插入第一固定铁片上的连接孔中，挑选下端面的直径与圆柱形待测岩石直径相同的压头，并将压头放置在第二垫片上端面，调整压头位置，使压头与圆柱形待测岩石同轴心；

15、开启电机控制箱中的电机带动第一竖直丝杆和第二竖直丝杆反向转动，带动横梁沿竖直方向下位移，进而带动圆柱铁芯向下位移，当轴向位移传感器在计算机中显示的数值出现明显的数值波动时停止圆柱铁芯下降，此时圆柱铁芯的下端与压头的上端面已经接触；

16、s4，将激磁线圈通电，并通过计算机内的控制系统可自动实施多种拉压循环加载路径命令，或通过实验人员手动编码生成拉压循环加载路径命令，调控激磁线圈中的电流大小和方向，从而改变圆柱铁芯上的电磁力大小、方向；

17、当实验人员在计算机上输入正弦波拉压循环加载命令时，计算机内的控制系统会输出正弦波型变化的电流值大小，激磁线圈通过圆柱铁芯在压头上产生正弦波型变化的电磁力，此时压头与圆柱形待测岩石上端面第二垫片(35)的磁极方向相同，利用同极相斥的原理对圆柱形待测岩石进行加压；

18、当实验人员在计算机上输入负弦波拉压循环加载命令时，计算机通过控制系统改变激磁线圈中的电流方向，此时压头与第二垫片磁极方向相反，利用异性相吸的原理对圆柱形待测岩石进行拉伸；

19、s5，计算机内部系统自动实时收集实验过程中径向位移传感器、轴向位移传感器和应力传感器测量的数据，并对测量的数据进行分析处理；计算机内的控制系统根据激磁线圈中电流的大小、方向和电磁力的关系，可在计算机中得到不同模式电磁力载荷谱；

20、s6，通过计算机内的控制系统持续改变激磁线圈中的电流方向，并使得激磁线圈中的电流大小呈阶梯式增加，直至圆柱形待测岩石应力的作用下发生破坏后，停止激磁线圈中的电流，通过电机提升圆柱铁芯的高度，取出圆柱形待测岩石，清理实验平台，结束实验。

21、本发明的有益效果体现在：

22、(1)、本发明通过计算机内部的控制系统转换圆柱铁芯上的激磁线圈中的电流方向、微控电流波型及电流大小，实现对岩石试样受到的拉力或压力进行调控改变。当选择正弦波拉压循环加载命令时，电脑控制系统会输出正弦波型变化的电流值大小，圆柱铁芯在激磁线圈的作用下在压头上产生正弦波型变化的电磁力，压头与试样上端面强永磁铁片磁极方向相同，利用同极相斥的原理永磁铁片对岩石试样进行加压，使得岩石试样受到压力。同理，电脑控制系统改变激磁线圈中的电流方向，压头与试样上端面强永磁铁片磁极方向相反，利用异性相吸的原理对试样进行拉伸。通过应力传感器传输的压力数据，径向或轴向位移传感器传输的位移数据，可实时观察岩石试样在实验中的拉压过程。这种通过电磁力对岩石试样受到的应力进行控制加载，并实时显示变化的方式，不仅解决了传统岩石实验机不能实现高效拉压快速交互加载的缺点，实现了岩石拉压高效灵敏交互实验，而且实验机能够真实模拟出岩石试样在自然环境中，随着施工的不停进行，岩石中的应力会不断的重分布的过程，同时能够使得岩石试样受到的应力值接近自然状态下的数值，提升了岩石试样拉压实验结果的准确性。

23、(2)、本发明在固定圆台的上端圆心处设有连接螺栓，将第一固定铁片安装在岩石试样的下端，同时在第一固定铁片的圆心处设有螺栓孔，螺栓孔的内螺纹与连接螺栓外螺纹构成螺纹配合。这样的设计不仅能够将岩石试样在实验时稳定的安装在实验台上，而且保证了岩石试样在受到的拉力超过其重力时，由于岩石试样底部固定其内部受到应力依旧可以持续增大，提升了实验结果的准确性。

24、(3)、本发明将压头设置为圆台形，压头上端面的直径与圆柱铁芯的直径相同，压头下端面的直径与圆柱形待测岩石的直径相同。这使得压头受到的电磁力能够全部传递至圆柱形待测岩石上，提升岩石拉压实验数据的精确度。

25、(4)、本发明将第一固定铁片和第二垫片与圆柱形待测岩石的连接方式均采用环氧树脂粘贴，实现了岩石与铁不同材质的完美连接，确保了实验的可行性。同时，将第二垫片设为强永磁铁垫片，使得第二垫片与通电后的激磁线圈形成电磁感应，并将形成的电磁力转换成压力或拉力传递至圆柱形待测岩石上，提升了岩石拉压实验的效果。