本發(fā)明涉及煤巖動力破壞試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于霍普金森壓桿的真三軸動靜組合加卸載試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著礦井開采深度的逐年增加，以煤礦礦震為代表的深部開采誘發(fā)災(zāi)害更具突發(fā)性，表現(xiàn)出明顯的非線性動力特征，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致沖擊礦壓、煤與瓦斯突出和突水等礦井災(zāi)害。目前國內(nèi)有關(guān)于真三軸加卸載、假三軸動靜組合加載的發(fā)明，均無法真實(shí)模擬煤巖動力災(zāi)害發(fā)生時(shí)的環(huán)境特征，阻礙了煤巖動力災(zāi)害研究的理論突破。為此，本發(fā)明研發(fā)了基于霍普金森桿的真三軸動靜組合加卸載試驗(yàn)系統(tǒng)，從而模擬開采條件下圍巖的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)和破壞特征，為沖擊礦壓理論研究提供依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、能實(shí)現(xiàn)煤巖樣真三軸靜態(tài)加載、軸向沖擊動力加載、瞬間卸載以及各種組合形式下的基于霍普金森壓桿的真三軸動靜組合加卸載試驗(yàn)系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明由x、y、z三個(gè)方向施加靜載荷的靜載壓力裝置、x方向施加動載的動載裝置和瞬間卸載跌落裝置構(gòu)成；所述的靜載壓力裝置包括xz軸油缸座、安裝在xz軸油缸座上的z軸上油缸和固定在xz軸油缸座上的z軸上負(fù)荷傳感器；所述的x方向的動載裝置由x軸右油缸、安裝在x軸右油缸上的透射桿、x軸左油缸、從x軸左油缸中穿過的入射桿、沖擊桿、導(dǎo)向管和氣室構(gòu)成；瞬間卸載跌落裝置由驅(qū)動油缸、安裝在驅(qū)動油缸中的驅(qū)動桿、固定在xz軸油缸座上的固定部件、安裝在固定軸并可繞固定軸轉(zhuǎn)動的連接桿和從連接桿中穿過的跌落桿；所述的氣室、導(dǎo)向管、沖擊桿、入射桿順序連接，導(dǎo)向管端部插入所述的沖擊桿。

x軸采用在xz油缸座左右兩側(cè)分別穿過一個(gè)中空式雙活塞桿伺服缸、一個(gè)中空式單活塞伺服缸，即x軸左油缸和x軸右油缸，在x軸左油缸、x軸右油缸中分別穿過入射桿、透射桿的結(jié)構(gòu)。

y軸采用從y軸前油缸座和y軸后油缸座中分別穿過一個(gè)單活塞高頻響伺服缸，即y軸前油缸和y軸后油缸，瞬間卸載跌落裝置中的驅(qū)動油缸，及與y軸前油缸座和y軸后油缸座相連的四根橫柱的結(jié)構(gòu)。

z軸采用從xz油缸座中穿過的兩個(gè)單活塞高頻響伺服缸即z軸上油缸和z軸下油缸的結(jié)構(gòu)。

所述x軸左油缸、x軸右油缸上分別安裝有x軸左磁致伸縮傳感器、x軸右磁致伸縮傳感器，用于精確測量x軸壓頭移動位置；所述y軸前油缸、y軸后油缸上分別安裝有y前磁致伸縮傳感器、y軸后磁致伸縮傳感器，用于精確測量y軸壓頭移動位置；所述z軸上油缸、z軸下油缸上分別安裝有z軸上磁致伸縮傳感器、z軸下磁致伸縮傳感器，用于精確測量z軸壓頭移動位置。

所述y軸前油缸、y軸后油缸上分別安裝有y軸前負(fù)荷傳感器、y軸后負(fù)荷傳感器，用于精確測量y軸作用在試樣上的力；所述z軸上油缸、z軸下油缸上分別安裝有所述的z軸上負(fù)荷傳感器、z軸下負(fù)荷傳感器，用于精確測量z軸作用在試樣上的力；所述x軸左油缸和x軸右油缸安裝有壓差傳感器，壓差傳感器用于精確測量x軸作用在試樣上的力。

所述三軸六面夾具上安裝有變形傳感器，變形傳感器用于測量試驗(yàn)過程中試樣沿各方向的變形。所述入射桿和透射桿上貼有應(yīng)變片，用來精確測量入射桿和透射桿的應(yīng)變。三軸六面夾具裝配在試樣表面，裝配好后三軸六面夾具放于z軸下壓頭上方；通過控制系統(tǒng)使各軸壓頭貼在三軸六面夾具表面后，按各軸向靜載加載目標(biāo)值進(jìn)行加載；三軸六面夾具的每個(gè)面均與試樣表面完全貼合。

通過控制y軸的驅(qū)動油缸的油壓，使得跌落桿瞬間跌落，實(shí)現(xiàn)對試樣y軸后側(cè)的突然卸載，卸載時(shí)間約為0.15s，讓出攝像所需的空間和時(shí)間。

本試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單軸、雙軸、三軸加載，分別在y軸和x軸上實(shí)現(xiàn)對試件兩端不等壓加載，每軸的加載速率可控制并調(diào)整。

本試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)中心點(diǎn)自動調(diào)節(jié)，半徑rs不大于0.5mm。x軸最大靜載噸位為2500kn，y軸最大靜載噸位為1500kn，z軸最大靜載噸位為1500kn，力值精度為±1%，達(dá)到最大靜載噸位的最快加載時(shí)間為20s。x軸最大沖擊動載為2000kn，最大沖擊壓強(qiáng)200mpa，動載最大作用時(shí)間為300~400us。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：目前國內(nèi)外還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦動力災(zāi)害的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，已成為制約學(xué)科發(fā)展的主要因素?，F(xiàn)有理論、模型與現(xiàn)場脫節(jié)，不能有效指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)。本發(fā)明一種基于霍普金森桿的真三軸動靜組合加卸載試驗(yàn)系統(tǒng)可研究煤巖體在真三軸動靜組合加卸載試驗(yàn)條件下，應(yīng)力分布、聲電參數(shù)和應(yīng)力波傳播的演化規(guī)律，揭示動靜合力誘災(zāi)機(jī)理和建立沖擊破壞的多參量模型，進(jìn)而提高沖擊礦壓災(zāi)害理論研究的有效性和針對性，提升學(xué)科的理論研究水平和裝備水平。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明xz軸部件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明xz軸部件的剖面示意圖。

圖4是本發(fā)明y軸部件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明瞬間卸載跌落裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1—xz軸油缸座，2—z軸上油缸，3—z軸上負(fù)荷傳感器，4—x軸右油缸，5—x軸右磁致伸縮傳感器，6—透射桿，7—z軸下油缸，8—z軸下負(fù)荷傳感器，9—三軸六面夾具，10—x軸左磁致伸縮傳感器，11—x軸左油缸，12—入射桿，13—沖擊桿，14—導(dǎo)向管，15—?dú)馐遥?6—左底座，17—左導(dǎo)軌，18—左滑輪組件，19—y軸前磁致伸縮傳感器，20—y軸前油缸座，21—y軸前油缸，22—y軸前負(fù)荷傳感器，23—y軸前壓頭，24—橫柱，25—y軸后壓頭，26—y軸后負(fù)荷傳感器，27—y軸后油缸，28—y軸后油缸座，29—y軸后磁致伸縮傳感器，30—右滑輪組件，31—右導(dǎo)軌，32—右底座，33—跌落桿，34—驅(qū)動油缸，35—驅(qū)動桿，36—固定部件，37—連接桿，38—變形傳感器，39—z軸下磁致伸縮傳感器，40—z軸上磁致伸縮傳感器，41—壓差傳感器，42—固定軸。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明專利的實(shí)施例作詳細(xì)說明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

本發(fā)明包括x、y、z三個(gè)方向施加靜載荷的靜載壓力裝置、x方向施加動載的動載裝置和瞬間卸載跌落裝置構(gòu)成。其中，所述的靜載壓力裝置包括xz軸油缸座1、安裝在xz軸油缸座1上的z軸上油缸2和固定在xz軸油缸座1上的z軸上負(fù)荷傳感器3；所述的x方向的動載裝置由x軸右油缸4、安裝在x軸右油缸4上的透射桿6、x軸左油缸11、從x軸左油缸11中穿過的入射桿12、沖擊桿13、導(dǎo)向管14和氣室15構(gòu)成；瞬間卸載跌落裝置由驅(qū)動油缸34、安裝在驅(qū)動油缸34中的驅(qū)動桿35、固定在xz油缸座1上的固定部件36、安裝在固定部件36上的固定軸42、安裝在固定軸42并可繞固定軸轉(zhuǎn)動的連接桿37和從連接桿長臂37a中穿過的跌落桿33。其中，驅(qū)動桿35連接連接桿37的短臂37b一側(cè)（以固定軸為支點(diǎn)），通過控制油壓使驅(qū)動桿35上下運(yùn)動可帶動連接桿37長臂一側(cè)的運(yùn)動，進(jìn)而使得跌落桿33瞬時(shí)跌落。

x軸采用在xz油缸座1左右兩側(cè)分別穿過一個(gè)中空式雙活塞桿伺服缸、一個(gè)中空式單活塞伺服缸，即x軸左油缸11和x軸右油缸4，在x軸左油缸11、x軸右油缸4中分別穿過入射桿12、透射桿6的結(jié)構(gòu)。沖擊桿沖擊入射桿產(chǎn)生應(yīng)力波，產(chǎn)生的應(yīng)力波先傳遞到試樣上，再經(jīng)過試樣傳遞給透射桿。入射桿和透射桿上的應(yīng)變片記錄下入射波形和透射波形，利用一維應(yīng)力波理論可對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。入射桿和透射桿是各自獨(dú)立控制的。

y軸采用從y軸前油缸座20和y軸后油缸座28中分別穿過一個(gè)單活塞高頻響伺服缸，即y軸前油缸21和y軸后油缸27，瞬間卸載跌落裝置中的驅(qū)動油缸34，及與y軸前油缸座20和y軸后油缸座28相連的四根橫柱24的結(jié)構(gòu)。y軸前油缸座20底部連接左滑輪組件18，左滑輪組件18下方依次為左導(dǎo)軌17和左底座16，左導(dǎo)軌位于左底座上。y軸后油缸座28底部連接右滑輪組件30，右滑輪組件30下方依次為右導(dǎo)軌31和右底座32，右導(dǎo)軌位于右底座上。y軸前壓頭23位于y軸前負(fù)荷傳感器22外側(cè)，y軸后壓頭25位于y軸后負(fù)荷傳感器26外側(cè)。y軸前油缸座、y軸前油缸、y軸前負(fù)荷傳感器、y軸前壓頭順序連接。y軸后油缸座、y軸后油缸、y軸后負(fù)荷傳感器、y軸后壓頭順序連接。

z軸采用從xz油缸座1中穿過的兩個(gè)單活塞高頻響伺服缸即z軸上油缸2和z軸下油缸7的結(jié)構(gòu)。

所述x軸左油缸11、x軸右油缸4上分別安裝有x軸左磁致伸縮傳感器10、x軸右磁致伸縮傳感器5，用于精確測量x軸壓頭移動位置；所述y軸前油缸21、y軸后油缸27上分別安裝有y前磁致伸縮傳感器19、y軸后磁致伸縮傳感器29，用于精確測量y軸壓頭移動位置；所述z軸上油缸2、z軸下油缸7上分別安裝有z軸上磁致伸縮傳感器40、z軸下磁致伸縮傳感器39，用于精確測量z軸壓頭移動位置。

所述y軸前油缸21、y軸后油缸27上分別安裝有y軸前負(fù)荷傳感器22、y軸后負(fù)荷傳感器26，用于精確測量y軸作用在試樣上的力；所述z軸上油缸2、z軸下油缸7上分別安裝有所述的z軸上負(fù)荷傳感器3、z軸下負(fù)荷傳感器8，用于精確測量z軸作用在試樣上的力；所述x軸左油缸11和x軸右油缸4安裝有壓差傳感器41，壓差傳感器41用于精確測量x軸作用在試樣上的力。

所述三軸六面夾具9上安裝有變形傳感器38，變形傳感器38用于測量試驗(yàn)過程中試樣沿各方向的變形。三軸六面夾具裝配在試樣表面，裝配好后放于z軸下壓頭上方。通過軟件控制系統(tǒng)使得各軸壓頭貼在夾具表面后，可按各軸向靜載加載目標(biāo)值進(jìn)行加載。

所述入射桿12和透射桿6上貼有應(yīng)變片，用來精確測量入射桿12和透射桿6的應(yīng)變。

通過控制y軸的驅(qū)動油缸34的油壓，使得跌落桿33瞬間跌落，實(shí)現(xiàn)對試樣y軸后側(cè)的突然卸載，卸載時(shí)間約為0.15s，讓出攝像所需的空間和時(shí)間。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)單軸、雙軸、三軸加載，分別在y軸和x軸上實(shí)現(xiàn)對試件兩端不等壓加載，每軸的加載速率可調(diào)整。

本試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)試樣對齊中心點(diǎn)（指的是試樣的幾何中心與設(shè)計(jì)的幾何中心重合），各軸壓頭按設(shè)計(jì)好的尺寸移動（即試樣的幾何中心與設(shè)計(jì)的幾何中心重合時(shí)各壓頭所需移動的尺寸）。各壓頭移動至指定位置后，試樣幾何中心與設(shè)計(jì)的幾何中心相重合。半徑rs（指的是各軸的同軸度誤差）不大于0.5mm。x軸最大靜載噸位為2500kn，y軸最大靜載噸位為1500kn，z軸最大靜載噸位為1500kn，力值精度為±1%，達(dá)到最大靜載噸位的最快加載時(shí)間為20s。x軸最大沖擊動載為2000kn，最大沖擊壓強(qiáng)200mpa，動載最大作用時(shí)間為300~400us。

上述結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)機(jī)使用時(shí)，首先給試樣（試樣位于夾具內(nèi)部）安裝三軸六面夾具，控制各軸壓頭（指y軸前壓頭23、y軸后壓頭25等各壓頭）移動到根部位置（根部位置指各壓頭距離試樣最遠(yuǎn)的位置），將裝好的夾具放上去。執(zhí)行各壓頭（包括y軸前壓頭23、y軸后壓頭25以及x軸、z軸壓頭，x軸和z軸壓頭也均為2個(gè)，且位置也與y軸兩個(gè)壓頭在y軸的位置一致）歸零操作（通過軟件控制系統(tǒng)使所有油缸移至位移為零的位置），試樣對齊中心點(diǎn)（指試樣的幾何中心對齊設(shè)計(jì)的幾何中心），使各壓頭與夾具完全貼合。然后啟動三軸加載系統(tǒng)加載到設(shè)計(jì)的三向應(yīng)力狀態(tài)，磁致伸縮傳感器分別測量各軸各方向的位移，并將數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，從而驅(qū)動伺服閥進(jìn)而控制壓頭（即各軸各個(gè)壓頭）移動，以保證在加載過程中中心點(diǎn)不偏離。靜載保壓完成之后，靜載試驗(yàn)進(jìn)入卸載階段試驗(yàn)完成。

動載試驗(yàn)是在靜載加載完成后，接著啟動動力加載源系統(tǒng)使導(dǎo)向管中的沖擊桿對安裝在x軸中空式雙活塞伺服缸中的入射桿進(jìn)行動力沖擊，入射桿在導(dǎo)向管的支撐導(dǎo)向作用下，施加動載荷至煤巖體，使其在動靜組合載荷下發(fā)生破壞，測量控制系統(tǒng)連續(xù)采集試驗(yàn)過程中的力、位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)，出具x、y、z軸應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)力-時(shí)間、位移-時(shí)間曲線。

瞬間卸載是在靜載加載完成后，通過控制系統(tǒng)控制驅(qū)動油缸油壓，使驅(qū)動桿迅速上升，連接桿短臂一側(cè)隨之上升，固定軸為支點(diǎn)，由于杠桿原理，連接桿長臂一側(cè)瞬時(shí)下降，從而使跌落桿瞬間跌落，試樣暴露出一個(gè)自由面，實(shí)現(xiàn)瞬間卸載。為保證瞬間卸載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)能夠得到充分采集，跌落桿落下后，延時(shí)3分鐘后結(jié)束該階段。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和等同形式的替換，這些改進(jìn)和等同替換得到的技術(shù)方案也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。