一种等离子岩石点荷载试验装置

本技术涉及岩石强度测试，特别涉及一种等离子岩石点荷载试验装置。

背景技术：

1、由于岩石的点荷载强度可用于估算岩石强度，因此，岩石点荷载试验是一种快速获得岩石强度的有效试验方法。

2、目前，现有的岩石点荷载试验仪为点荷载试验仪，其由于便携性和适用于不规则岩块试验的特点能够实现间接估算岩石的相关强度指标，且能有效克服直接法中取样困难、成本昂贵、费时费力等诸多局限。对一些工期紧张的勘测，能够在短时间快速获取岩石力学参数，为涉及施工提供力学参数，例如硬岩掘进机tbm、凿岩机或者钻爆法施工的初步方案设计和可行性分析。

3、然而，在针对超硬岩的试验环境下，现有的点荷载试验仪不仅会存在机械破岩会造成高刀具磨损的问题，而且有可能存在无法有效机械破岩的问题，进而导致岩石点荷载试验失败。等离子辅助机械破岩是一种极具潜力的新型破岩方法，然而针对这种新型破岩方法的分析，缺乏有效的实验数据和实验装置。因此，有必要设计开发一种将等离子辅助机械破岩技术引入至点荷载试验中的相应实验装置，以获取岩石在复杂物理场条件下的基础力学特性和物理实验数据，为优化和研发高效的等离子破岩技术提供实验支持。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种解决上述现有技术问题，实现有效获取超硬岩点荷载强度的等离子岩石点荷载试验装置。

2、为此，本实用新型技术方案如下：

3、一种等离子岩石点荷载试验装置，包括岩石样本固定架、等离子-超声复合压头、等离子发生器和超声波测试仪；等离子-超声复合压头由超声上压头和等离子下压头构成；其中，

4、岩石样本固定架包括自上而下依次设置在架体上的压力监测器、承压板和千斤顶；压力监测器由内置于监测器外壳内的压力传感器、及外置的压力传感器检测仪构成，且压力传感器以其探测端竖直朝下设置；千斤顶以其活塞杆朝上的方式竖直设置，且活塞杆杆端固定在承压板的底面中心处；千斤顶、下压头安装螺孔、上压头安装螺孔和压力传感器呈同轴设置；

5、超声上压头包括上压头壳体和超声传感器；上压头壳体为一具有锥形底端的中空壳体，且锥形底端的底端端面为平面并居中开设有与壳体内腔相连通的中心通孔；超声传感器以其探测端竖直朝下的方式居中设置在上压头壳体内，超声传感器的探测端端部穿设在中心通孔内，且其探测端端面与锥形底端的底端端面齐平；超声上压头固定在监测器外壳的底面上，且压力传感器以其探测端抵在超声上压头的顶面中心处；超声传感器上的超声数据传输线通过开设在上压头壳体上的过线通孔引出至壳体外侧，并与超声波测试仪电性连接；

6、等离子下压头包括下压头壳体、阳电极、阴电极和两条高压电缆线；下压头壳体为一具有锥形顶端的中空壳体，且锥形顶端的顶端端面为平面；在锥形顶端两侧对称开设有两个轴向通孔；阳电极和阴电极分别以加工为弧形片状的电极片的方式竖向穿设并固定在两个轴向通孔内，且二者的顶端端面与锥形顶端的顶端端面齐平；两条高压电缆线的一端分别与阳电极和阴电极的底端电性连接、另一端通过开设在下压头壳体上的过线通孔引出至壳体外侧，并与等离子发生器电性连接。

7、进一步地，岩石样本固定架还包括顶板、内支撑柱组、外支撑柱组和底板；其中，顶板、承压板和底板自上而下相互平行且呈间隔设置；外支撑柱组由两根呈竖直设置的外支撑柱构成，二者对称设置在顶板与底板之间，且两根外支撑柱的顶端固定在顶板上、底端固定在底板上，使顶板与底板之间的间距不变；内支撑柱组由两根相同规格的滚珠丝杠构成，二者呈竖直设置，并对称设置在顶板与承压板之间，且滚珠丝杠的顶端固定在顶板上，滚珠丝杠的螺母穿设并固定在承压板上开设的通孔内，使承压板能够通过两根滚珠丝杠沿轴向往复运动；千斤顶的底端固定在底板的顶面中心处，压力监测器通过监测器外壳固定在顶板的底面中心处。

8、进一步地，监测器外壳底面居中位置处开设有上压头安装螺孔，且压力传感器的探测端端面与上压头安装螺孔孔底齐平；相应地，在上压头壳体的顶面中心处还固定有呈竖直设置的上螺纹连接柱，上螺纹连接柱螺纹连接固定在上压头安装螺孔内，且保持压力传感器的探测端抵在上螺纹连接柱的顶面中心处。

9、进一步地，承压板顶面中心处开设有下压头安装螺孔，相应地，在下压头壳体的底面中心处还固定有呈竖直设置的下螺纹连接柱，下螺纹连接柱螺纹连接固定在下压头安装螺孔内，且其底面压配在下压头安装螺孔孔底。

10、进一步地，在上压头壳体内腔中灌注注满有环氧树脂，使超声传感器和超声数据传输线在环氧树脂固化后固定在壳体内。

11、进一步地，下压头壳体内腔中灌注注满有环氧树脂，使阳电极和阴电极的底端、以及两条高压电缆线在环氧树脂固化后固定在壳体内。

12、与现有技术相比，该等离子岩石点荷载试验装置兼具机械破岩和等离子辅助机械破岩双重功能，可广泛适用于各类岩石样本的点荷载试验，尤其针对超硬岩石样本，能够通过施加有效荷载实现高效、快速、准确的获得岩石强度，且在试验过程中能够获取岩石在复杂物理场条件下的基础力学特性和物理试验数据，包括实时监测并获得岩石样本在施加有效荷载的过程中的所受到的荷载、等离子损伤强度、发生岩样损伤程度的动态数据，为优化和研发高效的等离子破岩技术提供简便的原位测试支持。

技术特征：

1.一种等离子岩石点荷载试验装置，其特征在于，包括岩石样本固定架(1)、等离子-超声复合压头(2)、等离子发生器(3)和超声波测试仪(4)；等离子-超声复合压头(2)由超声上压头(201)和等离子下压头(202)构成；其中，

2.根据权利要求1所述的等离子岩石点荷载试验装置，其特征在于，岩石样本固定架(1)还包括顶板(101)、内支撑柱组(103)、外支撑柱组(105)和底板(107)；其中，顶板(101)、承压板(104)和底板(107)自上而下相互平行且呈间隔设置；外支撑柱组(105)由两根呈竖直设置的外支撑柱构成，二者对称设置在顶板(101)与底板(107)之间，且两根外支撑柱的顶端固定在顶板(101)上、底端固定在底板(107)上，使顶板(101)与底板(107)之间的间距不变；内支撑柱组(103)由两根相同规格的滚珠丝杠构成，二者呈竖直设置，并对称设置在顶板(101)与承压板(104)之间，且滚珠丝杠的顶端固定在顶板(101)上，滚珠丝杠的螺母穿设并固定在承压板(104)上开设的通孔内，使承压板(104)能够通过两根滚珠丝杠沿轴向往复运动；千斤顶(106)的底端固定在底板(107)的顶面中心处，压力监测器(102)通过监测器外壳固定在顶板(101)的底面中心处。

3.根据权利要求1所述的等离子岩石点荷载试验装置，其特征在于，监测器外壳底面居中位置处开设有上压头安装螺孔，且压力传感器的探测端端面与上压头安装螺孔孔底齐平；相应地，在上压头壳体(2011)的顶面中心处还固定有呈竖直设置的上螺纹连接柱(2013)，上螺纹连接柱(2013)螺纹连接固定在上压头安装螺孔内，且保持压力传感器的探测端抵在上螺纹连接柱(2013)的顶面中心处。

4.根据权利要求1所述的等离子岩石点荷载试验装置，其特征在于，承压板(104)顶面中心处开设有下压头安装螺孔，相应地，在下压头壳体(2021)的底面中心处还固定有呈竖直设置的下螺纹连接柱(2024)，下螺纹连接柱(2024)螺纹连接固定在下压头安装螺孔内，且其底面压配在下压头安装螺孔孔底。

5.根据权利要求1所述的等离子岩石点荷载试验装置，其特征在于，在上压头壳体(2011)内腔中灌注注满有环氧树脂(2014)，使超声传感器(2012)和超声数据传输线(2015)在环氧树脂固化后固定在壳体内。

6.根据权利要求1所述的等离子岩石点荷载试验装置，其特征在于，下压头壳体(2021)内腔中灌注注满有环氧树脂，使阳电极(2022)和阴电极(2023)的底端、以及两条高压电缆线(2025)在环氧树脂固化后固定在壳体内。

技术总结
本技术公开了一种等离子岩石点荷载试验装置，包括岩石样本固定架、等离子‑超声复合压头、等离子发生器和超声波测试仪；岩石样本固定架包括自上而下依次设置在架体上的压力监测器、承压板和千斤顶；等离子‑超声复合压头由超声上压头和等离子下压头构成；超声上压头包括上压头壳体和超声传感器，超声传感器通过信号传输线与等离子发生器连接，等离子下压头包括下压头壳体、阳电极、阴电极和两条高压电缆线；阳电极和阴电极通过两条高压电缆线与等离子发生器电性连接；该装置兼具机械破岩和等离子辅助机械破岩双重功能，可广泛适用于各类岩石样本的点荷载试验，尤其对超硬岩石，能够通过施加有效荷载来实现高效、快速、准确的获得岩石强度。

技术研发人员：李琴,闫芳华,杜士政,杨子恒
受保护的技术使用者：天津农学院
技术研发日：20230110
技术公布日：2024/1/13