一种岩石轴向抗拉的三向校正系统

1.本发明涉及岩石类材料力学试验设备技术领域，尤其涉及一种岩石轴向抗拉的三向校正系统。


背景技术：

2.岩石属于典型的非均质准脆性材料，内部强度差异较大，与抗压强度相比，其抗拉强度和极限变形都很小。由于工程中岩石类材料的拉压比很小，即使在压缩应力状态下，岩石的破坏形态也往往表现为拉伸断裂模式。因此，岩石的抗拉力学特性是岩石力学领域中重要的力学参数，也是岩石力学工程界研究的重点和热点之一。但是在岩石的单轴抗拉试验中，由于岩石试样属于脆性材料，夹持过程中极易发生微小破碎，且存在拉伸偏心问题很难克服等难题，导致目前尚未出现成熟准确的方法，直接进行岩石轴向拉伸测试的难度比较大，具体体现在：(1)岩石试样的上下两个端部如何有效与拉力试验机进行连接；(2)如何确保拉伸过程中岩石试样的轴线与荷载施加的方向同直线；(3)拉力试验机在长时间多次试验之后存在上下两个夹头不完全对称，水平方向上存在一定的位移偏差，导致对试验的拉伸作用力不在同一直线上。
3.因此，如何提供一种行之有效的用于岩石单轴抗拉试验的三向校正系统，以克服现有轴向拉伸过程中可能出现的端部应力集中和拉伸偏心问题，以及试验机上下拉力方向不在同一直线上，最大程度的还原岩石直接抗拉的真实受力状态，已经成为一个岩石力学领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种岩石轴向抗拉的三向校正系统，以克服现有轴向拉伸过程中可能出现的端部应力集中和拉伸偏心问题，以及试验机上下拉力方向不在同一直线上的问题，最大程度的还原岩石直接抗拉的真实受力状态。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种岩石轴向抗拉的三向校正系统，其特征在于：包括试样顶部竖直转角校正组件、试样顶部水平位移校正组件，试样顶部夹持组件、试样底部夹持组件、试样底部水平位移校正组件和试样底部竖直转角校正组件，所述试样顶部竖直转角校正组件的顶端与试验机的上夹头相匹配，且所述试样顶部竖直转角校正组件的底端与所述试样顶部水平位移校正组件的顶端固定连接，所述试样顶部水平位移校正组件的底端与所述试样顶部夹持组件的顶端固定连接，试样夹持在所述试样顶部夹持组件和所述试样底部夹持组件之间，所述试样底部夹持组件的底部与所述试样底部水平位移校正组件的顶部固定连接，所述试样底部水平位移校正组件的底部与所述试样底部竖直转角校正组件的顶部固定连接，所述试样底部竖直转角校正组件的底端与是样机的下夹头相匹配。
7.进一步的，所述试样顶部竖直转角校正组件包括第一连接杆、第一半圆盘、第一转动球、第二半圆盘、第二连接杆和第一传力球；所述第一传力球的内部为空心结构，且所述
第一传力球的顶部和底部均为开口结构，所述第一半圆盘和所述第二半圆盘相向且对称设置，且所述第一半圆盘和所述第二半圆盘均与所述第一传力球的内侧壁转动连接；所述第一半圆盘和所述第二半圆盘之间通过第一转动球连接，所述第一转动球与所述第一半圆盘和所述第二半圆盘均为转动连接；
8.所述第一连接杆的底部与所述第一半圆盘的顶部固定连接，所述第二连接杆的顶部与所述第二半圆盘的底部固定连接，所述第一连接杆和所述第二连接杆均贯穿所述第一传力球。
9.进一步的，所述试样顶部水平位移校正组件包括第一外壳体，所述第一外壳体内开设有第一水平移动槽，所述第一水平移动槽中水平设有第一水平位移校正板，所述第一水平位移校正板的直径小于所述第一水平移动槽的尺寸，且所述第一水平位移校正板的顶部和底部与所述第一水平移动槽的顶部和底部之间对应设有多个第一滚珠；所述第一水平位移校正板的底部固设有第三连接杆，所述第三连接杆贯穿所述第一外壳体的底部，且所述第一外壳体的底面上开设有用于所述第三连接杆移动的第一通孔。
10.进一步的，所述试样顶部夹持组件包括第二外壳体，所述第二外壳体的内部为空心结构，且所述第二外壳体的侧壁上对称开设有两个安装孔，所述第二外壳体的内部活动设有第一夹具套筒，所述第一夹具套筒为柔性材质，且所述第一夹具套筒的侧壁上开设有让位槽；所述第二外壳体内还设有用于对所述第一夹具套筒进行夹紧调节的限位组件，所述限位组件贯穿两个所述安装孔。
11.进一步的，所述限位组件包括两个手柄，两个所述手柄分别对应贯穿两个所述安装孔，两个所述手柄之间固定连接有内螺纹套筒，所述第一夹具套筒的外表面设有与所述螺纹套筒相匹配的外螺纹；所述第一夹具套筒的外表面为上小下大的梯形结构，所述内螺纹套筒的内表面与所述第一夹具套筒的外表面结构相匹配。
12.进一步的，所述试样底部夹持组件包括第三外壳体，所述第三外壳体为顶部和底部均开口的空心结构，所述第三外壳体的一侧面固设有两个连接板，两个所述连接板之间转动设有旋转轴，所述旋转轴的一端固设有限位齿轮，所述旋转轴的另一端固设有把手，靠近所述限位齿轮的连接板上开设有与所述限位齿轮相匹配的限位齿槽；所述旋转轴上缠绕设有锁紧钢丝，所述锁紧钢丝的一端与所述旋转轴固定连接，所述锁紧钢丝的另一端贯穿所述第三外壳体后与所述第三外壳体的内侧壁固定连接。
13.进一步的，所述试样底部夹持组件与所述试样顶部夹持组件结构相同。
14.进一步的，所述试样底部水平位移校正组件包括第四外壳体，所述第四外壳体内开设有第二水平移动槽，所述第二水平移动槽中水平设有第二水平位移校正板，所述第二水平位移校正板的直径小于所述第二水平移动槽的尺寸，且所述第二水平位移校正板的顶部和底部与所述第一水平移动槽的顶部和底部之间对应设有多个第二滚珠；所述第二水平位移校正板的顶部固设有第四连接杆，所述第四连接杆贯穿所述第四外壳体的顶部，且所述第四外壳体的顶面上开设有用于所述第四连接杆移动的第二通孔。
15.进一步的，所述第三外壳体的底部固设有连接柱，所述连接柱的直径大于所述第三外壳体的内径，所述连接柱的内部也为空心结构，且所述第四连接杆的顶部套设在所述连接柱内，所述连接柱的侧壁上对称开设有两个第一螺纹孔，所述第四连接杆上开设有与所述第一螺纹孔相匹配的第二螺纹孔。
16.进一步的，所述试样底部竖直转角校正组件包括第五连接杆、第二传力球、第二转动球和第六连接杆，所述第五连接杆的底部与所述第二传力球的顶部固定连接，所述第二传力球内部为空心结构，所述第二转动球位于所述第二传力球内，且所述第二转动球的外表面与所述第二传力球的内表面转动连接，所述第二转动球的底部固定连接有所述第六连接杆，所述第六连接杆贯穿所述第二传力球的底部，且所述第二传力球的底部开设有用于所述第六连接杆穿过的第三通孔。
17.本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的改进之处在于，
18.1、本发明岩石轴向抗拉的三向校正系统通过试样顶部竖直转角校正组件和试样底部竖直转角校正组件可实现对试验竖直方向的调整，使整个装置在竖直方向上保持垂直状态，拉力试验机的上夹头和下夹头分别夹住第一连接杆和第六连接杆后，即可保证第一连接杆和第二连接杆保持在同一条直线上，且与第六连接杆所在的直线保持平行；试样顶部水平位移校正组件和试样底部水平位移校正组件可对与顶部竖直转角校正组件和试样底部竖直转角校正组件连接的第二连接杆和第五连接杆的水平位置进行调节，避免试验机在长时间使用之后上下夹头不在同一竖直线上时，无法对第一连接杆和第六连接杆进行夹紧固定。在试样顶部竖直转角校正组件、试样底部竖直转角校正组件、试样顶部水平位移校正组件和试样底部水平位移校正组件的配合作用下，既可以保证岩石试样的上下两个端部有效与拉力试验机进行连接；还可以确保拉伸过程中岩石试样的轴线与荷载施加的方向同直线；克服了现有轴向拉伸过程中可能出现的端部应力集中和拉伸偏心问题，以及试验机上下拉力方向不在同一直线上的问题，最大程度的还原岩石直接抗拉的真实受力状态。
19.2、本发明岩石轴向抗拉的三向校正系统通过试样顶部夹持组件和试样底部夹持组件分别对试样的顶部和底部进行夹持固定，试样顶部夹持组件和试样底部夹持组件在对试样进行夹持固定时，是同时对试样的外侧壁产生均匀的挤压作用力，既能保证试样的稳定性，还能避免试样在夹持过程中由于受力不均匀发生微小破碎。
附图说明
20.图1为本发明三向校正系统外部结构示意图。
21.图2为本发明图1中aa方向剖面结构示意图。
22.图3为本发明图1中bb方向剖面结构示意图。
23.图4为本发明试样顶部竖直转角校正组件俯视轴测投影图。
24.图5为本发明试样顶部竖直转角校正组件仰视轴测投影图。
25.图6为本发明试样顶部竖直转角校正组件爆炸图。
26.图7为本发明试样顶部水平位移校正组件俯视轴测投影图。
27.图8为本发明试样顶部水平位移校正组件仰视轴测投影图。
28.图9为本发明试样顶部水平位移校正组件爆炸图。
29.图10为本发明试样顶部夹持组件去掉第二外壳体后俯视轴测投影图。
30.图11为本发明试样顶部夹持组件去掉第二外壳体后仰视轴测投影图。
31.图12为本发明试样顶部夹持组件爆炸图。
32.图13为本发明第二外壳体剖面结构示意图。
33.图14为本发明试样底部夹持组件俯视轴测投影图。
34.图15为本发明试样底部夹持组件仰视轴测投影图。
35.图16为本发明试样底部夹持组件爆炸图。
36.图17为本发明试样底部水平位移校正组件俯视轴测投影图。
37.图18为本发明试样底部水平位移校正组件仰视轴测投影图。
38.图19为本发明试样底部水平位移校正组件爆炸图。
39.图20为本发明试样底部竖直转角校正组件俯视轴测投影图。
40.图21为本发明试样底部竖直转角校正组件仰视轴测投影图。
41.图22为本发明试样底部竖直转角校正组件爆炸图。
42.图23为本发明第二传力球剖面结构示意图。
43.其中：1-试样顶部竖直转角校正组件，101-第一连接杆，102-第一半圆盘，103-第一转动球，104-第二半圆盘，105-第二连接杆，106-第一传力球，2-试样顶部水平位移校正组件，201-第一外壳体，202-第一水平移动槽，203-第一水平位移校正板，204-第一滚珠，205-第三连接杆，206-第一通孔，3-试样顶部夹持组件，301-第二外壳体，302-安装孔，303-第一夹具套筒，304-让位槽，305-手柄，306-内螺纹套筒，307-试样安装孔，4-试样底部夹持组件，401-第三外壳体，402-连接板，403-旋转轴，404-限位齿轮，405-把手，406-限位齿槽，407-锁紧钢丝，408-连接柱，409-第一螺纹孔，5-试样底部水平位移校正组件，501-第四外壳体，502-第二水平移动槽，503-第二水平位移校正板，504-第二滚珠，505-第四连接杆，506-第二通孔，507-第二螺纹孔，6-试样底部竖直转角校正组件，601-第五连接杆，602-第二传力球，603-第二转动球，604-第六连接杆，605-第三通孔，7-试样。
具体实施方式
44.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
45.实施例一：
46.参照附图1-23所示的一种岩石轴向抗拉的三向校正系统，包括试样顶部竖直转角校正组件1、试样顶部水平位移校正组件2，试样顶部夹持组件3、试样底部夹持组件4、试样底部水平位移校正组件5和试样底部竖直转角校正组件6，所述试样顶部竖直转角校正组件1的顶端与试验机的上夹头相匹配，且所述试样顶部竖直转角校正组件1的底端与所述试样顶部水平位移校正组件2的顶端固定连接，所述试样顶部水平位移校正组件2的底端与所述试样顶部夹持组件3的顶端固定连接，试样7夹持在所述试样顶部夹持组件3和所述试样底部夹持组件4之间，所述试样底部夹持组件4的底部与所述试样底部水平位移校正组件5的顶部固定连接，所述试样底部水平位移校正组件5的底部与所述试样底部竖直转角校正组件6的顶部固定连接，所述试样底部竖直转角校正组件6的底端与是样机的下夹头相匹配。
47.具体的，所述试样顶部竖直转角校正组件1包括第一连接杆101、第一半圆盘102、第一转动球103、第二半圆盘104、第二连接杆105和第一传力球106；所述第一传力球106的内部为空心结构，且所述第一传力球106的顶部和底部均为开口结构，所述第一半圆盘102和所述第二半圆盘104相向且对称设置，且所述第一半圆盘102和所述第二半圆盘104均与所述第一传力球106的内侧壁转动连接，也即第一半圆盘102和第二半圆盘104均可在所述第一传力球106内自由转动，所述第一半圆盘102和所述第二半圆盘104之间通过第一转动
球103连接，所述第一转动球103与所述第一半圆盘102和所述第二半圆盘104均为转动连接；
48.所述第一连接杆101的底部与所述第一半圆盘102的顶部固定连接，所述第二连接杆105的顶部与所述第二半圆盘104的底部固定连接，所述第一连接杆101和所述第二连接杆105均贯穿所述第一传力球106。
49.所述试样顶部水平位移校正组件2包括第一外壳体201，所述第一外壳体201的顶部与所述第二连接杆105的底部固定连接，所述第一外壳体201内开设有第一水平移动槽202，所述第一水平移动槽202中水平设有第一水平位移校正板203，所述第一水平位移校正板203的直径小于所述第一水平移动槽202的尺寸，且所述第一水平位移校正板203的顶部和底部与所述第一水平移动槽202的顶部和底部之间对应设有多个第一滚珠204，所述第一水平位移校正板203的顶部可底部均开设有用于安装所述第一滚珠204的半圆形槽，所述第一滚珠204可自由滚动，第一水平位移校正板203在顶部和底部的第一滚珠204夹持作用下失踪保持水平状态，所述第一水平位移校正板203的底部固设有第三连接杆205，所述第三连接杆205贯穿所述第一外壳体201的底部，且所述第一外壳体201的底面上开设有用于所述第三连接杆205移动的第一通孔206。
50.所述试样顶部夹持组件3包括第二外壳体301，所述第二外壳体301所的顶部与所述第三连接杆205的底部固定连接，所述第二外壳体301的内部为空心结构，且所述第二外壳体301的侧壁上对称开设有两个安装孔302，所述第二外壳体301的内部活动设有第一夹具套筒303，所述第一夹具套筒303为柔性材质，且所述第一夹具套筒303的侧壁上开设有让位槽304；所述第二外壳体301内还设有用于对所述第一夹具套筒303进行夹紧调节的限位组件，所述限位组件贯穿两个所述安装孔302，所述第二外壳体301的底部开设有试样安装孔307，所述试样安装孔307的尺寸与所述第一夹具套筒303的内径相匹配，试样7的顶端可穿过所述试样安装孔307后卡入所述第一夹具套筒303内。
51.所述限位组件包括两个手柄305，两个所述手柄305分别对应贯穿两个所述安装孔302，两个所述手柄305之间固定连接有内螺纹套筒306，所述第一夹具套筒303的外表面设有与所述螺纹套筒306相匹配的外螺纹；所述第一夹具套筒303的外表面为上小下大的梯形结构，所述内螺纹套筒306的内表面与所述第一夹具套筒303的外表面结构相匹配。
52.所述试样底部夹持组件4包括第三外壳体401，所述第三外壳体401为顶部和底部均开口的空心结构，所述第三外壳体401的一侧面固设有两个连接板402，两个所述连接板402之间转动设有旋转轴403，且所述旋转轴403可前后移动，所述旋转轴403的一端固设有限位齿轮404，所述旋转轴403的另一端固设有把手405，靠近所述限位齿轮404的连接板403上开设有与所述限位齿轮404相匹配的限位齿槽406；所述旋转轴403上缠绕设有锁紧钢丝407，所述锁紧钢丝407的一端与所述旋转轴403固定连接，所述锁紧钢丝407的另一端贯穿所述第三外壳体401后与所述第三外壳体401的内侧壁固定连接，所述第三外壳体401的内侧壁上还设有内螺纹，所述第三外壳体401内侧壁上的内螺纹与锁紧钢丝407相配合对试样7的底端进行夹持固定。所述锁紧钢丝407上还安装有拉力传感器，用于监测锁紧钢筋407在对试样7进行缠绕固定时的作用下，一般以试样7抗拉强度的1.5倍最最佳，拉力太大容易造成试样7破碎，拉力太小无法对试样7进行有效的固定。
53.所述试样底部水平位移校正组件5包括第四外壳体501，所述第四外壳体501内开
设有第二水平移动槽502，所述第二水平移动槽502中水平设有第二水平位移校正板503，所述第二水平位移校正板503的直径小于所述第二水平移动槽502的尺寸，且所述第二水平位移校正板503的顶部和底部与所述第一水平移动槽502的顶部和底部之间对应设有多个第二滚珠504；所述第二水平位移校正板503的顶部固设有第四连接杆505，所述第四连接杆505贯穿所述第四外壳体501的顶部，且所述第四外壳体501的顶面上开设有用于所述第四连接杆505移动的第二通孔506，所述试样底部水平校正组件5与所述试样顶部水平见证组件2结构相同，上下对称设置。
54.所述第三外壳体401的底部固设有连接柱407，所述连接柱407的直径大于所述第三外壳体401的内径，所述连接柱407的内部也为空心结构，且所述第四连接杆505的顶部套设在所述连接柱407内，所述连接柱407的侧壁上对称开设有两个第一螺纹孔409，所述第四连接杆505上开设有与所述第一螺纹孔409相匹配的第二螺纹孔506，两个所述第一螺纹孔409与所述第二螺纹孔506之间通过螺纹杆连接，从而实现试样底部夹持组件4与试样底部水平位移校正组件5的连接。
55.所述试样底部竖直转角校正组件6包括第五连接杆601、第二传力球602、第二转动球603和第六连接杆604，所述第五连接杆601的顶部与所述第四外壳体501的底部固定连接，且所述第五连接杆601的底部与所述第二传力球602的顶部固定连接，所述第二传力球602内部为空心结构，所述第二转动球603位于所述第二传力球602内，且所述第二转动球603的结构与所述第二传力球602内部的空心结构相匹配，所述第二转动球603的外表面与所述第二传力球602的内表面转动连接，也即第二转动球603可在所述第二传力球602的空心结构内转动，所述第二转动球603的底部固定连接有所述第六连接杆604，所述第六连接杆604贯穿所述第二传力球602的底部，且所述第二传力球602的底部开设有用于所述第六连接杆604穿过的第三通孔605。
56.本发明的工作原理：本发明中的岩石轴向抗拉的三向校正系统在使用时，将试样7的顶部和底部分别固定在试样顶部夹持组件3和试样底部夹持组件4中，具体的，将试样7的顶部穿过试样安装孔307后卡入第一夹具套筒303内，旋转手柄305，从而带动第二外壳体301和内螺纹套筒306一起转动，内螺纹套筒306向下旋转，与第一夹具套筒306的外壁螺纹连接，从而使柔性的第一夹具套筒306向内挤压试样7，对试样7进行固定；将试样7的底端插入第三外壳体401中，转动把手405，从而带动锁紧钢丝407拉紧，配合第三外壳体401的内螺纹对试样7的底部进行固定；将第一连接杆101安装在试验机的上夹头上，将第六连接杆604安装在试验机的下夹头上，由于试验机的上夹头和下夹头在垂直方向上是竖直的，因此，在上夹头和下夹头的作用下可保证第一连接杆101和第二连接杆105在垂直方向上保持竖直状态，第五连接杆601和第六连接杆604也能在垂直方向上保持竖直状态，从而对竖直转角进行调整，在试验机上夹头和下夹头水平方向存在位移差时，第一水平位移校正板203在第一水平移动槽202中移动，第二水平位移校正板503在第二水平移动槽502中移动，以满足第一连接杆101与试验机上夹头连接时，第六连接杆604也能与试验机下夹头连接。
57.实施例二：
58.在实施例一的基础上，试样底部夹持组件4与试样顶部夹持组件3均采用试样顶部夹持组件3的结构，且二者对称设置，也可对试样7的顶部和底部进行夹持固定。
59.实施例三：
60.在实施例一的基础上，试样底部夹持组件4与试样顶部夹持组件3均采用试样底部夹持组件4的结构，且二者对称设置，也可对试样7的顶部和底部进行夹持固定。
61.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。