本實用新型涉及一種結(jié)構(gòu)面抗剪強度尺寸效應(yīng)試驗機。

背景技術(shù)：

尺寸效應(yīng)是指事物的某種特性隨研究對象的尺寸不同而變化的現(xiàn)象，是巖體力學(xué)性質(zhì)試驗中常見的一種特征。巖石的力學(xué)性質(zhì)隨試件尺寸增大而降低的特性不僅存在于巖體抗拉、抗壓、抗剪、彈模和流變性質(zhì)中，而且還存在于結(jié)構(gòu)面抗剪特性中。為研究巖石的結(jié)構(gòu)面抗剪強度尺寸效應(yīng)，需要用一個尺寸效應(yīng)測試系統(tǒng)完成巖石結(jié)構(gòu)面的測試，它需要建立對不同尺寸的巖石結(jié)構(gòu)面試樣在不同載荷下進行直剪試驗。

目前專門針對巖石尺寸效應(yīng)的直剪試驗研究設(shè)備中，杜時貴提出了結(jié)構(gòu)面抗剪強度尺寸效應(yīng)試驗機(CN201410149668.2)、多尺度巖石直剪儀(CN201310273743.1)，它們從多尺度巖石試樣的安裝、運輸、部件保護和測試機理等方面開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計。但是由于每一種傳感器存在測試荷載和測試范圍的限制以及每一種作動器和控制器存在加載載荷范圍的限制。為此采用一套加載系統(tǒng)不能很好滿足大范圍載荷精度的要求。為此開發(fā)一種多套機構(gòu)組合式結(jié)構(gòu)面抗剪強度大范圍和高精度的直剪測試非常重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服已有直剪儀的無法滿足多尺度試樣的抗剪強度測試要求、可靠性較低的不足，本實用新型提供了一種有效滿足大跨度載荷下多尺度巖石結(jié)構(gòu)面試樣尺寸的測試、可靠性良好的結(jié)構(gòu)面抗剪強度尺寸效應(yīng)陣列式加載試驗機。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種結(jié)構(gòu)面抗剪強度尺寸效應(yīng)陣列式加載試驗機，包括框架、水平向加載機構(gòu)、水平向支撐測力機構(gòu)、垂向加載機構(gòu)和用于放置多尺度巖石結(jié)構(gòu)面試樣的試樣安裝升降臺，所述水平向加載機構(gòu)、水平向支撐測力機構(gòu)和試樣安裝升降臺安裝在框架底部的平臺上，所述水平向加載機構(gòu)和水平向支撐測力機構(gòu)分別位于試樣安裝升降臺的兩側(cè)，所述多尺度巖石結(jié)構(gòu)面試樣以裂隙為界分為上部和下部，所述水平向加載機構(gòu)加載位于多尺度巖石結(jié)構(gòu)面試樣的上部，所述水平向支撐測力機構(gòu)支撐多尺度巖石結(jié)構(gòu)面試樣的下部；所述垂向加載機構(gòu)位于多尺度巖石結(jié)構(gòu)面試樣上方，所述垂向加載機構(gòu)可上下移動地安裝在框架上；

所述水平向加載機構(gòu)包括至少兩個的切向作動器，所述垂向加載機構(gòu)包括至少兩個的垂向作動器組成的垂向作動器組。

進一步，所述水平向支撐測力機構(gòu)包括至少兩個測力傳感器，所述至少兩個測力傳感器上下布置。

更進一步，所述的垂向加載機構(gòu)包括活動橫梁、垂向作動器、鏈輪傳動機構(gòu)、電機、垂向測力傳感器、活動關(guān)節(jié)、加載板和導(dǎo)軌塊，所述活動橫梁兩側(cè)設(shè)有蝸輪，所述蝸輪外圈可轉(zhuǎn)動地套裝在活動橫梁的安裝孔內(nèi)，所述框架的四根立柱穿過蝸輪并與所述蝸輪的內(nèi)圈之間可轉(zhuǎn)動地配合，所述鏈輪傳動機構(gòu)分別與電機和蝸桿的軸端連接，所述蝸桿與蝸輪嚙合，所述電機轉(zhuǎn)動帶動蝸輪轉(zhuǎn)動使得活動橫梁沿著立柱上下移動，所述活動橫梁設(shè)置由2n+1個對中分布的作動器組成的作動器組，n為自然數(shù)，每個垂向作動器的活塞桿上安裝有垂向測力傳感器，所述垂向測力傳感器另一端與活動關(guān)節(jié)連接，所述活動關(guān)節(jié)與加載板連接，所述加載板底部安裝有一組導(dǎo)軌塊。

優(yōu)選的，所述的垂向加載機構(gòu)中，所述2n+1個垂向作動器呈一字型或“X”型分布。當(dāng)然，也可以是其他對中分布方式；當(dāng)然，也可以是其他分布方式，例如陣列式等。

再進一步，所述的水平向支撐測力機構(gòu)包括水平向第二測力傳感器、水平向支撐頭、導(dǎo)向桿、第一導(dǎo)向座、第一測力傳感器、第二導(dǎo)向座、卡環(huán)、支撐液壓缸、安裝架、導(dǎo)向桿、直線軸承、千斤頂和底座，所述安裝架高度上分為三層，所述安裝架的底層兩側(cè)用直線軸承安裝四根導(dǎo)向桿，四根導(dǎo)向桿的底部安裝底座上，中間安裝千斤頂，所述千斤頂?shù)膭幼鞫伺c所述安裝架的底部連接；

所述安裝架的中間層安裝有第一測力傳感器；

所述安裝架的頂層上安裝有支撐液壓缸，活塞桿與平向支撐頭固定，平向支撐頭在支撐液壓缸推動下可作為試驗后上部試樣的復(fù)位，同時平向支撐頭前端安裝連桿以用于安裝第二測力傳感器。

優(yōu)選的，所述平向支撐頭兩側(cè)安裝導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿穿過固定在安裝架上的第一導(dǎo)向座和第二導(dǎo)向座，所述導(dǎo)向桿尾端設(shè)置多組軸肩，移動到一定位置后用兩個卡環(huán)套在第二導(dǎo)向座兩側(cè)用于對導(dǎo)向桿的限位。

所述框架包括固定橫梁、立柱和平臺，所述框架采用四立柱機構(gòu)，所述平臺和固定橫梁兩側(cè)安裝四根立柱，所述固定橫梁位于立柱上方，平臺位于立柱下方，立柱上半部分為梯形螺紋。

所述的試樣安裝升降臺包括試樣限位座、試樣加載板、L型板、試樣安裝板、切向?qū)к?、小車、二級伸縮油缸、升降液壓缸、試樣輸送架和支撐桿，試樣上下兩部分分別對角型安裝L型板，所述試樣安裝在試樣安裝板上并用試樣限位座限位，所述小車上安裝切向?qū)к墸邢驅(qū)к壣显嚇影惭b板；所述框架的平臺一側(cè)安裝有試樣輸送架，二級伸縮油缸安裝在平臺內(nèi)部，二級伸縮油缸活塞桿上安裝有支撐頭，支撐頭上安裝有支撐桿；所述小車安裝有固定在小型短程液壓缸上的4個車輪，所述車輪沿著試樣輸送架兩側(cè)的限位槽上移動，所述支撐桿與小車連接，升降液壓缸的動作端位于小車及試樣安裝板的下方。

所述的試樣安裝升降臺還包括墊板、墊板推力液壓缸、墊板框、推力桿、導(dǎo)向條、墊板輸送架、升降臺、導(dǎo)向桿和支撐頭，根據(jù)試樣尺寸安裝設(shè)定數(shù)量的墊板使得試樣切縫在同一高度上；所述框架的平臺另一側(cè)安裝有墊板輸送架，墊板輸送架里面安裝一個墊板升降臺，所述墊板升降臺上安裝有墊板，平臺另一側(cè)兩邊各安裝一個墊板推力液壓缸，兩個墊板推力液壓缸活塞桿上安裝推力桿，墊板正上方有一個墊板框并與推力桿固定，墊板框兩邊可移動安裝在墊板輸送架上的導(dǎo)向條上。

所述的水平向剪切機構(gòu)包括切向電機、絲桿、燕尾槽滑臺、切向作動器、移動板、固定架、水平向測力傳感器和剪切頭，所述移動板上安裝至少兩個對中分布的切向作動器，所述移動板與固定架之間通過一組燕尾槽滑臺連接，所述移動板底部安裝絲桿安裝座并與絲桿連接，所述絲桿一端與切向電機連接；每個切向作動器的活塞桿上安裝有水平向測力傳感器，水平向測力傳感器上安裝有剪切頭。

本實用新型的技術(shù)構(gòu)思為：直剪儀一般都是采用一套垂向加載機構(gòu)和切向加載機構(gòu)，每套加載機構(gòu)都有一個液壓缸和一個測力傳感器組成且使用一個控制器，由于液壓加載系統(tǒng)、測力傳感器存在著測試載荷范圍和測試精度的限制。當(dāng)測試載荷范圍無法用一套加載機構(gòu)完成時，需要有多套加載機構(gòu)協(xié)調(diào)控制滿足加載精度和載荷要求。為此在垂向加載機構(gòu)和切向加載機構(gòu)中設(shè)置一組對中分布的多套加載機構(gòu)，根據(jù)試樣尺寸和載荷要求采用多套加載機構(gòu)聯(lián)合控制的方案，同時為有效使得試樣切縫的高度達到同一個高度并保證試樣在加載時其安裝臺的高剛性要求，采用一種自動化程度很高的試樣輸送和墊板安裝裝置。為有效獲得切向力的精度，采用支撐測力機構(gòu)使得根據(jù)不同載荷選擇不用的測力傳感器。

本實用新型具有的有益效果：1、有效滿足大范圍載荷下同精度直剪測試、可靠性良好；2、適合不同尺寸規(guī)格的多尺度巖石結(jié)構(gòu)面試樣的測試要求。

附圖說明

圖1為結(jié)構(gòu)面抗剪強度尺寸效應(yīng)陣列式加載試驗機為大巖石結(jié)構(gòu)面試樣時的主視圖。

圖2為結(jié)構(gòu)面抗剪強度尺寸效應(yīng)陣列式加載試驗機為小巖石結(jié)構(gòu)面試樣時的主視圖。

圖3為垂向加載機構(gòu)主視圖。

圖4為一種垂向加載機構(gòu)作動器安裝位置俯視圖。

圖5為一種垂向加載機構(gòu)作動器安裝位置下作動器與加載板對應(yīng)關(guān)系的俯視圖。

圖6為另一種垂向加載機構(gòu)作動器與加載板安裝位置俯視圖。

圖7水平向支撐測力機構(gòu)主視圖。

圖8為框架主視圖。

圖9為試樣安裝升降臺主視圖。

圖10為試樣安裝升降臺右視圖。

圖11試樣安裝升降臺試樣安裝板俯視圖。

圖12為水平向加載機構(gòu)俯視圖。

圖13為水平向加載機構(gòu)主視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述。

參照圖1～圖13，一種結(jié)構(gòu)面抗剪強度尺寸效應(yīng)陣列式加載試驗機，包括框架3、水平向加載機構(gòu)6、水平向支撐測力機構(gòu)2、垂向加載機構(gòu)1和試樣安裝升降臺5，所述框架3采用四立柱結(jié)構(gòu)，水平向加載機構(gòu)6、水平向支撐測力機構(gòu)2和試樣安裝升降臺5安裝在框架3底部的平臺33上，水平向加載機構(gòu)6和水平向支撐測力機構(gòu)2分別位于試樣安裝升降臺5的兩側(cè)并安裝在框架3底部的平臺33兩側(cè)。多尺度巖石結(jié)構(gòu)面試樣4安裝在試樣安裝升降臺5上，水平向加載機構(gòu)6加載位于多尺度巖石試樣的上部，水平向支撐測力機構(gòu)2支撐多尺度巖石結(jié)構(gòu)面試樣4的下部；垂向加載機構(gòu)1位于多尺度巖石結(jié)構(gòu)面試樣4上方并安裝在框架3的立柱32上，同時可沿著立柱32上下移動。

所述的垂向加載機構(gòu)1主要由活動橫梁11、蝸輪12、垂向作動器13、鏈輪傳動機構(gòu)14、電機15、垂向測力傳感器16、活動關(guān)節(jié)17、加載板18和導(dǎo)軌塊19組成。所述活動橫梁11兩側(cè)設(shè)有蝸輪12，所述蝸輪12外圈可轉(zhuǎn)動地套裝在活動橫梁11的安裝孔內(nèi)，框架3的四根立柱32穿過活動橫梁11并與兩側(cè)的蝸輪12的內(nèi)圈螺紋配合。鏈輪傳動機構(gòu)14分別與電機15和蝸桿(附圖中未畫出)的軸端連接，電機15轉(zhuǎn)動帶動蝸桿和蝸輪12轉(zhuǎn)動，從而使得活動橫梁11沿著立柱上下移動。活動橫梁11設(shè)置由2n+1個對中分布的作動器13組成的作動器組，每個垂向作動器13的活塞桿上安裝有垂向測力傳感器16，垂向測力傳感器16另一端與活動關(guān)節(jié)17連接，活動關(guān)節(jié)17與加載板18連接，加載板18底部安裝有一組導(dǎo)軌塊19。

所述的垂向加載機構(gòu)1中的活動橫梁11上設(shè)置的2n+1個對中分布的作動器13可根據(jù)試樣形狀進行分布，n為自然數(shù)，針對正方向試樣，可以在活動橫梁11中間設(shè)置一個作動器133，以它的中心為原點，設(shè)置“X”型作動器分布，以9個作動器為例，作動器131、作動器132、作動器133、作動器138、作動器139構(gòu)成一條直線和作動器136、作動器137、作動器133、作動器134、作動器135構(gòu)成的一條支撐呈以作動器133為原點的交叉安裝，作動器上對應(yīng)的加載板設(shè)置如下：作動器131與加載板181匹配，作動器132與加載板182匹配，作動器133與加載板183匹配，作動器134與加載板184匹配，作動器135與加載板185匹配，作動器136與加載板186匹配，作動器137與加載板187匹配，作動器138與加載板188匹配，作動器139與加載板189匹配。

所述的垂向加載機構(gòu)1中的活動橫梁11上設(shè)置的2n+1個對中分布的作動器13也可直線安裝，n為自然數(shù)，比如以活動橫梁11上安裝一排直線安裝的作動器140，作動器141，作動器142，作動器143，作動器144，分別對應(yīng)的加載板為加載板190、加載板191、加載板192、加載板193、加載板194。當(dāng)然，也可以是其他對中分布方式；當(dāng)然，也可以是其他分布方式，例如陣列式等。

所述的水平向支撐測力機構(gòu)2主要由水平向第二測力傳感器20、水平向支撐頭21、導(dǎo)向桿22、第一導(dǎo)向座23、第一測力傳感器24、第二導(dǎo)向座25、卡環(huán)26、支撐液壓缸27、安裝架28、導(dǎo)向桿29、直線軸承201、千斤頂202、底座203組成。安裝架28高度上分為三層，安裝架28的底層兩側(cè)用直線軸承201安裝四根導(dǎo)向桿29，四根導(dǎo)向桿29的底部安裝底座203上，中間安裝千斤頂30，安裝架28在四根導(dǎo)向桿29上通過千斤頂30可上下移動。安裝架28的中間層安裝有第一測力傳感器24。安裝架28的頂層上安裝有支撐液壓缸27，活塞桿與平向支撐頭21固定，平向支撐頭21在支撐液壓缸27推動下可作為試驗后上部試樣的復(fù)位，同時平向支撐頭21前端可安裝連桿以用于安裝第二測力傳感器20。平向支撐頭21兩側(cè)安裝導(dǎo)向桿22，導(dǎo)向桿22穿過固定在安裝架28上的第一導(dǎo)向座23和第二導(dǎo)向座25。導(dǎo)向桿22尾端設(shè)置多組軸肩，移動到一定位置后用兩個卡環(huán)26套在第二導(dǎo)向座25兩側(cè)用于對導(dǎo)向桿22的限位。

所述框架3包括橫梁31、立柱32和平臺33。所述框架3采用四立柱機構(gòu)，平臺33和橫梁31兩側(cè)安裝4根立柱32，橫梁31位于立柱11上方，平臺33位于立柱32下方，立柱32上半部分為梯形螺紋。

所述的試樣安裝升降臺5主要由試樣限位座50、試樣加載板51、L型板52、試樣安裝板53、切向?qū)к?4、小車55、墊板56、二級伸縮油缸57、升降液壓缸58、試樣輸送架59、支撐桿70、限位桿71、位移傳感器及安裝座72、墊板推力液壓缸73、墊板框74、推力桿75、導(dǎo)向條76、墊板輸送架77、墊板升降臺78、導(dǎo)向桿79和支撐頭80，試樣上下兩部分分別對角型安裝L型板52，安裝在試樣安裝板53上并用試樣限位座50限位，小車55上安裝一定數(shù)量的切向?qū)к?4，切向?qū)к?4上試樣安裝板53。根據(jù)試樣尺寸安裝一定數(shù)量的墊板56使得試樣4切縫在同一高度上。平臺33一側(cè)安裝有試樣輸送架59，二級伸縮油缸57安裝在平臺33內(nèi)部，二級伸縮油缸57活塞桿上安裝有支撐頭80，支撐頭80上安裝有支撐桿70。小車55安裝有固定在小型短程液壓缸上的4個車輪，可沿著試樣輸送架59兩側(cè)的限位槽上移動，支撐桿70可與小車55連接，在二級伸縮油缸57的作用下推動小車55移動。升降液壓缸58可將小車55及上面的試樣升起。平臺33另一側(cè)安裝有墊板輸送架77，墊板輸送架77里面安裝一個墊板升降臺78，墊板升降臺78上安裝有墊板56，平臺33另一側(cè)兩邊各安裝一個墊板推力液壓缸73，兩個墊板推力液壓缸73活塞桿上安裝推力桿75，墊板56正上方有一個墊板框74并與推力桿75固定，墊板框74兩邊可沿著固定在墊板輸送架77上的導(dǎo)向條76移動。

所述的水平向剪切機構(gòu)主要由切向電機61、絲桿62、燕尾槽滑臺63、切向作動器64、移動板65、固定架66、水平向測力傳感器67和剪切頭68組成。移動板65上安裝一組對中分布的切向作動器64，移動板65與固定架66之間通過一組燕尾槽滑臺63連接，移動板65底部安裝絲桿安裝座并與絲桿62連接，絲桿一端與電機61連接。電機61轉(zhuǎn)動帶動移動板65左右移動。每個切向作動器64的活塞桿上安裝有水平向測力傳感器67，水平向測力傳感器67上安裝有剪切頭68。

本實施例的工作過程如下：

小車55安裝有4個車輪，可沿著試樣輸送架59兩側(cè)的限位槽運動，小車55上部安放有L型板52、切向?qū)к?4及試樣安裝板53，試樣上下兩部分分別對角型安裝L型板52，參照圖9，試樣安裝板53上設(shè)置有一排限位槽和定位孔，將試樣及L型板安放在試樣安裝板53上后右側(cè)用限位板鎖定位置，左側(cè)試樣限位座50沿著槽壓緊試樣后固定，試樣加載板51安放在試樣上部分的L型板52上。二級伸縮油缸57縮回使得支撐桿70將小車55推到框架3的平臺33上，小車55上的輪子縮回。四個升降液壓缸58將小車55頂起到一定高度(試樣的切縫處于某個高度)，根據(jù)試樣的尺寸，升降臺78提升一定數(shù)量的墊板56并使其穿過墊板框74達到所需高度，墊板推力液壓缸73縮回并通過推力桿75將墊板框74及穿過墊板框74的墊板56輸送到小車55的正下方。四個升降液壓缸58下降使得小車底部緊靠著最上面墊板56的正上方。四個升降液壓缸58的活塞桿隨后完全縮回到初始位置。

根據(jù)試樣加載載荷要求，水平向支撐測力機構(gòu)2選擇相應(yīng)測力傳感器，當(dāng)是大試樣大載荷時采用第一測力傳感器24，通過千斤頂202調(diào)整第一測力傳感器24高度并安裝支撐桿。當(dāng)是小試樣時選用第二測力傳感器20，在水平向支撐頭21安裝支撐桿后安裝第二測力傳感器20，支撐液壓缸27伸出到位后用卡環(huán)26卡住導(dǎo)向桿位置。從而使得下試樣側(cè)邊用測力傳感器頂住準(zhǔn)備測試。

根據(jù)試樣的尺寸和載荷選擇一定數(shù)量的垂向加載作動器及加載板進行加載，加載前試樣加載板51和加載板18之間通過一長軟繩連接以防止試樣加載板51掉落。當(dāng)一組垂向加載作動器加載到設(shè)定載荷后，選擇選擇一定數(shù)量的切向加載作動器64及剪切頭68進行加載。當(dāng)測試完畢后，安裝在試樣安裝板53左側(cè)的限位桿71端部通過螺紋傳動伸出頂住固定架66以防止試樣安裝板53移動。如果是大試樣用水平向支撐測力機構(gòu)2的支撐液壓缸27及水平向支撐頭21將試樣退回到初始位置，如果是小試樣可采用人工及輔助工具將其退回，試驗結(jié)束。