三轴加载下岩石的直接拉伸实验仪器

1.本发明涉及岩石类材料力学实验测试仪器技术领域，尤其涉及三轴加载下岩石的直接拉伸实验仪器。


背景技术：

2.在实际的地下岩石工程中，地下围岩在开挖前处于复杂的三维应力场中，岩石的破坏通常是由于其所赋存的应力状态发生改变引起的，因此，三轴应力状态下岩石的力学特性研究可以模拟岩石所处的真实受力环境，已经成为岩石力学与工程界发展的主要趋势。尤其是，三轴加载下岩石的轴向直接抗拉强度的测试属于岩石室内力学试验中亟需解决的难点问题。专利号为zl201611187539.8的发明专利中公开了一种可加围压的岩石抗拉强度测试装置，在一定程度上解决了不同围压条件下试样抗拉强度的测试问题，但是该技术针对的是岩石的间接劈裂拉伸试样，也就是巴西圆盘测试，相比于直接拉伸测试，巴西圆盘测试结果存在显著误差，所以该技术方案并未解决三轴加载下岩石的直接拉伸测试问题；此外，现有的三轴加载岩石直接拉伸实验装置在对试样进行固定时可能出现拉力轴心与试样轴心不在同一条直线上，从而导致实验精度不高。


技术实现要素：

3.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种三轴加载下岩石的直接拉伸实验仪器，不仅可以还原实际工程中岩石的三维应力环境，还能够大大提高三轴加载下岩石的直接拉伸测试的效率和精度，适用于不同轴向尺寸的试样。
4.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
5.三轴加载下岩石的直接拉伸实验仪器，包括仪器台，其特征在于：所述仪器台的顶部设有操作框，所述操作框的左侧面和右侧面上均设有激光对中组件和传送组件，所述传送组件位于对应的激光对中组件下方，两个所述传送组件之间连接有安装板，所述安装板的顶面以及所述操作框的顶部底面上对称设有两个用于固定试样的环状杠杆夹持连接组件；所述仪器台的顶部还设有用于夹持所述试样的夹持护臂对中装置；
6.所述直接拉伸实验仪器还包括围压施加装置，所述围压施加装置与所述试样可拆卸连接。
7.进一步的，所述激光对中组件包括开设在所述操作框左侧面和右侧面上的弧形凹槽，所述弧形凹槽以拉力轴心为圆形，两个所述弧形凹槽侧壁上的任一点与拉力轴心的距离均相同；
8.每个所述弧形凹槽内均匀布设有若干激光。
9.进一步的，所述环状杠杆夹持连接组件包括连接件，所述连接件远离试样的一端与相互对应的安装板或者操作框顶部固定连接；
10.所述连接件外转动设有旋转螺母，所述旋转螺母内螺纹连接有螺纹套筒组件，所述螺纹套筒组件滑动套设在所述连接件外，且所述螺纹套筒组件远离所述旋转螺母的一侧
面与所述连接件自由端之间活动连接有若干用于对试样进行夹持固定的夹持杆。
11.进一步的，所述连接件包括连接柱和连接筒，所述连接筒与所述连接柱远离安装板或者操作框的一端固定连接，所述连接柱上开设有一圈转动槽，所述旋转螺母的内侧壁上设有一圈与所述转动槽相匹配的连接环；
12.所述螺纹套筒组件包括与所述旋转螺母螺纹连接的螺纹套筒，所述螺纹套筒远离所述旋转螺母的一端固设有圆盘，所述圆盘的中心开设有与所述螺纹套筒相对应的通孔，试样贯穿所述螺纹套筒的中心以及所述通孔，所述通孔的侧壁上对称设有多个限位块，相邻两个所述限位块之间形成限位槽，所述连接筒的外侧壁上固设有多个与所述限位槽相匹配的卡块；
13.所述连接筒远离所述连接柱的一端开设有若干用于与所述夹持杆连接的第一连接槽。
14.进一步的，所述圆盘远离所述旋转螺母的一侧面上对称设有多个铰接件，所述铰接件包括滑动轮，所述滑动轮的两侧均固设有与所述夹持杆连接的铰接轴，所述滑动轮与所述圆盘滚动连接，所述夹持杆与所述铰接件连接的一端开设有第二连接槽。
15.进一步的，所述夹持护臂对中装置包括固定在所述仪器台顶部的固定轴，所述固定轴上滑动连接有两个限位卡扣，两个所述限位卡扣之间设有夹持护臂组件。
16.进一步的，所述限位卡扣包括限位框，所述限位框的一边设有开口，所述开口的两端均固设有锁紧块，两个所述锁紧块之间连接有锁紧螺母，所述限位框内固设有连接块，所述连接块上开设有用于与所述夹持护臂组件连接有的连接孔，所述限位框与所述连接块之间形成夹持孔，所述夹持孔与所述固定轴相匹配。
17.进一步的，所述夹持护臂组件包括第一夹持臂和第二夹持臂，所述第一夹持臂与所述第二夹持臂活动连接，所述第二夹持臂远离所述第一夹持臂的一端活动连接有两个护臂，两个所述护臂对称设置。
18.进一步的，所述围压施加装置包括两个手柄，两个所述手柄相互靠近的一端均连接有分仓围压施加器，且两个所述分仓围压施加器之间可拆卸连接，两个所述手柄相互远离的一端均与围压控制器连接。
19.进一步的，所述分仓围压施加器包括刚性的半圆形板，所述半圆形板的前侧边缘和后侧边缘处均设有电磁外沿，且所述半圆形板的内侧壁上设有柔性套，所述柔性套上连通设有多个围压管，多个所述围压管贯穿所述半圆形板后连接同一个油压仓，所有油压仓与所述半圆形板固定连接。
20.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，
21.1、本发明中的三轴加载下岩石的直接拉伸实验仪器引入了激光技术，在操作框的左侧面和右侧面上均开设有弧形凹槽，且弧形凹槽侧壁上的任一点与拉力轴心的距离均相同，在该弧形凹槽中设置激光，当所有激光光束到达试样表面的距离处处相等时，表明试样轴心与拉力轴心处于同一轴心线上，即对中工作完成，如此可实现试样与真空套筒组件的快速精确对中。
22.2、本发明中的三轴加载下岩石的直接拉伸实验仪器通过环状杠杆夹持连接组件对试样进行固定，转动旋转螺母即可调节夹持杆端部围成的圆形空间的内径，利用杠件动力臂远大于阻力臂的特性可对试样的侧壁提供较大的环向压力，在摩擦力的作用下实现对
试样的固定连接，连接件不仅能够对旋转螺母、螺纹套筒组件和夹持杆起到连接作用，还能够通过连接筒的设置对不同轴向尺寸的试样进行固定，根据试样的尺寸调整试样插入连接筒内的长度，保证试样的轴心与拉力轴心和激光对中组件的相互对应，从而进一步的提高实验精度。
23.3、本发明中的三轴加载下岩石的直接拉伸实验仪器通过夹持护臂对中装置对试样进行水平移动，能够将试样快速移动至两个环状杠杆夹持连接组件之间，辅助环状杠杆夹持连接组件对试样进行对中固定，同时，限位卡扣在固定轴上移动，带动夹持护臂组件上下移动，从而可对不同轴向尺寸的试样进行对中和固定操作，保证试样与拉力轴心处于同一直线，方便试样安装过程中的水平对中操作。
24.4、本发明中的三轴加载下岩石的直接拉伸实验仪器通过围压施加装置对试样外周均匀施加围压，围压施加装置材料外刚内柔的设计思路，使得内部柔性材料与试样之间紧密结合，使得试样外周围压分布均匀，通过围压控制器和柔性材料中的油压液体相互配合，可对不同围压下试样的直接拉伸进行试验。
25.5、本发明中的三轴加载下岩石的直接拉伸实验仪器从整体上不仅可以还原实际工程中岩石的三维应力环境，还大大提高了三轴加载下岩石的直接拉伸测试的效率和精度。
附图说明
26.图1为本发明三轴加载下岩石的直接拉伸实验仪器整体结构示意图。
27.图2为本发明操作框结构轴测图。
28.图3为本发明操作框结构侧视图。
29.图4为本发明环状杠杆夹持连接组件与操作框和安装板之间位置关系示意图。
30.图5为本发明环状杠杆夹持连接组件轴测图。
31.图6为本发明环状杠杆夹持连接组件内部结构剖视图。
32.图7为本发明连接件结构示意图。
33.图8为本发明旋转螺母结构示意图。
34.图9为本发明螺纹套筒组件结构示意图。
35.图10为本发明夹持杆结构示意图。
36.图11为本发明铰接件结构示意图。
37.图12为本发明夹持护臂对中装置结构示意图。
38.图13为本发明限位卡扣结构示意图。
39.图14为本发明夹持护臂组件结构示意图。
40.图15为本发明围压施加装置结构示意图。
41.图16为本发明分仓围压施加器结构示意图。
42.其中：1-仪器台，2-操作框，3-激光对中组件，301-弧形凹槽，302-激光，4-安装板，5-试样，6-环状杠杆夹持连接组件，601-连接件，6011-连接柱，6012-连接筒，6013-转动槽，6014-卡块，6015-第一连接槽，6016-铰接环，602-旋转螺母，6021-连接环，603-螺纹套筒组件，6031-螺纹套筒，6032-圆盘，6033-通孔，6034-限位块，6035-限位槽，604-夹持杆，6041-第二连接槽，605-铰接件，6051-滑动轮，6052-铰接轴，7-传送组件，8-夹持护臂对中装置，
801-固定轴，802-限位卡扣，8021-限位框，8022-锁紧块，8023-夹持孔，8024-连接块，8025-连接孔，8026-锁紧螺母，803-夹持护臂组件，8031-第一夹持臂，8032-第二夹持臂，8033-护臂，9-围压施加装置，901-手柄，902-分仓围压施加器，9021-半圆形板，9022-围压控制器，9023-柔性套，9024-围压管，8025-油压仓，903-围压控制器，9031-油压电源，9032-油压大小控制器，9033-磁铁电源开关。
具体实施方式
43.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。
44.参照附图1-16所示的三轴加载下岩石的直接拉伸实验仪器，包括仪器台1，所述仪器台1的顶部设有操作框2，所述操作框2包括左侧板、右侧板和顶板，左侧板、右侧板和顶板固定连接形成直角拱门结构，所述操作框2的左侧面和右侧面均设有激光对中组件3，且所述操作框2的左侧面和右侧面之间滑动连接有安装板4，所述安装板4的顶面以及所述操作框2的底部底面对称设有两个用于固定试样5的环状杠杆夹持连接组件6；所述仪器台1的顶部还设有用于夹持所述试样5的夹持护臂对中装置8；
45.所述直接拉伸实验仪器还包括围压施加装置9，所述围压施加装置9与所述试样5可拆卸连接。
46.具体的，所述操作框2的左侧面和右侧面上对称设有两个传送组件7，两个所述传送组件7均对于对应的激光对中组件3的下方，所述安装板4的两侧与相互对应的传送组件7固定连接，通过传动组件7可带动安装板4上下移动，在安装板4向下移动时可对试样5进行直接拉伸，所述传送组件7可采用传送带或者液压杆等现有机构，只要能带动安装板4上下移动即可。
47.所述激光对中组件3包括开设在所述操作框2左侧面和右侧面上的弧形凹槽301，所述弧形凹槽301以拉力轴心为圆形，两个所述弧形凹槽301侧壁上的任一点与拉力轴心的距离均相同；每个所述弧形凹槽301内均匀布设有若干激光302。在加工弧形凹槽301时，以拉力轴心为圆形画圆，与操作框2的左侧板和右侧板相割，刻出凹槽，则凹槽上各点到拉力轴心位置的距离处处相等，同理，当试样5的轴心与拉力轴心重合时，激光302到试样5表面的距离也处处相等，因此，可通过测量激光302到试样5表面的距离，电脑分析测量的距离数据，快速判断试样5的轴心是否与拉力轴心重合，分析试样5轴心位置的误差。
48.进一步的，所述环状杠杆夹持连接组件6包括连接件601，所述连接件601远离试样5的一端与相互对应的安装板4或者操作框2顶部固定连接；
49.所述连接件601外转动设有旋转螺母602，所述旋转螺母602内螺纹连接有螺纹套筒组件603，所述螺纹套筒组件603滑动套设在所述连接件601外，且所述螺纹套筒组件603远离所述旋转螺母602的一侧面与所述连接件601自由端之间活动连接有若干用于对试样5进行夹持固定的夹持杆604。
50.更具体的，所述连接件601包括连接柱6011和连接筒6012，所述连接柱6011用于与安装板4或操作框2的顶部连接，所述连接筒6012与所述连接柱6011远离安装板4或者操作框2的一端固定连接，所述连接柱6011上开设有一圈转动槽6013，所述旋转螺母602的内侧壁上设有一圈与所述转动槽6013相匹配的连接环6021，所述连接环6021卡设在所述转动槽
6013中，使得旋转螺纹602可以绕着所述连接件601转动。
51.所述螺纹套筒组件603包括与所述旋转螺母602螺纹连接的螺纹套筒6031，所述螺纹套筒6031的外侧面上设有用于与所述旋转螺母602螺纹连接的外螺纹，所述螺纹套筒6031的中心为空心结构，用于所述连接件601穿过，所述螺纹套筒6031远离所述旋转螺母602的一端固设有圆盘6032，所述圆盘6032的中心开设有与所述螺纹套筒6031相对应的通孔6033，试样5贯穿所述螺纹套筒6031的中心以及所述通孔6033，所述通孔6033的侧壁上对称设有多个限位块6034，相邻两个所述限位块6034之间形成限位槽6035，所述连接筒6012的外侧壁上固设有多个与所述限位槽6035相匹配的卡块6014；所述连接筒6012的外径小于所述连接柱6011的外径，所述卡块6014的外径与所述连接柱6011的外径相同，所述连接柱6011、连接筒6012和卡块6014固定连接形成一个整体的结构，在卡块6014与限位槽6035的相互配合作用下，转动旋转螺母602，螺纹套筒组件603只能沿着连接筒6012的轴向上下移动。
52.所述连接筒6012远离所述连接柱6011的一端开设有若干用于与所述夹持杆604连接的第一连接槽6015，所述圆盘6032远离所述旋转螺母602的一侧面上对称设有多个铰接件605，所述铰接件605包括滑动轮6051，所述滑动轮6051的两侧均固设有与所述夹持杆604连接的铰接轴6052，所述滑动轮6051与所述圆盘6032滚动连接，所述夹持杆604与所述铰接件605连接的一端开设有第二连接槽6041，所述铰接件604位于所述第二连接槽6041中，且所述铰接轴6052与所述第二连接槽6041的侧壁转动连接，所述夹持杆604与所述连接筒6012连接的一端位于对应的第一连接槽6015内，且所述夹持杆604的端部与所述第一连接槽6015铰接连接，多个所述第一连接槽6015之间贯穿设有一个圆形的铰接环6016，所述夹持杆604靠近端部处套设在所述铰接环6016上，且所述夹持杆604与所述铰接环6016连接的一端可绕着铰接环6016转动。转动旋转螺母602时，螺纹套筒组件603上下移动，即圆盘6032上下移动，从而带动滑动轮6051在圆盘6032上滚动，带动夹持杆604发生转动，角度发生变化，夹持杆604与连接筒6012连接的一端围成的圆形空间的直径随之变化，利用杠件动力臂远大于阻力臂的特性可对试样5的侧壁提供较大的环向压力，在摩擦力的作用下实现对试样5的固定连接，为了增大对试样5的摩擦作用力，夹持杆604与连接筒6012连接的一端为球面结构，且该端设有螺纹；对不同轴向尺寸的试样5进行实验时，根据试样5的尺寸调整试样5插入连接筒6012内的长度，保证试样5的轴心与拉力轴心和激光对中组件3的相互对应，可以提高实验精度。
53.进一步的，所述夹持护臂对中装置8包括固定在所述仪器台1顶部的固定轴801，所述固定轴801上滑动连接有两个限位卡扣802，两个所述限位卡扣802之间设有夹持护臂组件803。
54.所述固定轴801包括两个垂直设置的立方柱，两个立方柱的顶部通过横杆连接形成整体的结构，所述限位卡扣802套设在两个立方柱上，所述限位卡扣802包括弹性的限位框8021，所述限位框8021的一边设有开口，所述开口的两端均固设有锁紧块8022，两个所述锁紧块8022之间连接有锁紧螺母8026，通过锁紧螺母8026可将限位框8021固定在固定轴801上，松开锁紧螺母8026，则限位卡扣802可沿着固定轴801上下移动，所述限位框8021内固设有连接块8024，所述连接块8024上开设有用于与所述夹持护臂组件803连接有的连接孔8025，所述限位框8021与所述连接块8024之间形成夹持孔8023，所述夹持孔8023与所述
固定轴801相匹配(如附图13所示)，具体是夹持孔8023的两个长条形部分与两个立方柱相匹配，夹持护臂组件803位于两个连接孔8025之间，且夹持护臂组件803和两个连接孔8025之间通过中间轴连接，所述中间轴位于两个立方柱之间。
55.所述夹持护臂组件803包括第一夹持臂8031和第二夹持臂8032，所述第一夹持臂8031与所述第二夹持臂8032铰接连接，所述第二夹持臂8032远离所述第一夹持臂8031的一端铰接连接有两个护臂8033，两个所述护臂8033对称设置，第二夹持臂8032与第一夹持臂8031铰接连接，使得第二夹持臂8032在水平方向上可绕着铰接点转动，从而在水平方向上调整两个护臂8033的位置，两个护臂8033的端部可采用磁性材质，当两个护臂8033合拢时，可吸附在一起，从而将试样5夹持在中间，在外力作用下，两个护臂8033可打开，从而接触对试样5的固定作用。
56.进一步的，所述围压施加装置9包括两个手柄901，两个所述手柄901相互靠近的一端均连接有分仓围压施加器902，且两个所述分仓围压施加器902之间可拆卸连接，两个所述手柄901相互远离的一端均与围压控制器903连接。
57.所述分仓围压施加器902包括刚性的半圆形板9021，所述半圆形板9021的前侧边缘和后侧边缘处均设有电磁外沿9022，在电磁外沿9022的作用下可将两个分仓围压施加器902固定在一起，所述半圆形板9021的内侧壁上设有柔性套9023，所述柔性套9023内分隔成多个仓室，且所述柔性套9023内装有油压液体，所述柔性套9023上连通设有多个围压管9024，每个围压管9024对应一个仓室，多个所述围压管9024贯穿所述半圆形板9021后连接同一个油压仓9025，所有油压仓9025与所述半圆形板9021固定连接，所述油压仓9025与手柄901连接，两个手柄901通过输油总管与围压控制器903连接，围压控制器903中也盛装有油液液体，通过输油总管、手柄901、油压仓9025和围压管9024后进入到柔性套9023内，从而可对试样5的外周施加均匀围压。
58.所述围压控制器903上还设有油压电源9031、油压大小控制器9032和磁铁电源开关9033，可对试样5施加不同的围压，控制两个分仓围压施加器902的固定和拆卸。
59.本发明的工作原理：本发明中三轴加载下岩石的直接拉伸实验仪器在使用时，
60.第一步：调整安装板4的位置，调整夹持护臂对中装置8与试样5的轴向尺寸相匹配；
61.第二步：使用夹持护臂对中装置8对试样5进行夹持固定，并调整夹持护臂对中装置8中护臂8033在水平面内移动，使试样5的两端移动至两个环状杠杆夹持连接组件6之间，再次调节安装板4的位置，使试样5的两端分别位于两个环状杠杆夹持连接组件6的内部；
62.第三步：打开激光302的开关，通过激光束测量距离，将数据传输至计算机，分析试样5轴与拉力装置轴心位置的误差；同时调节夹持护臂对中装置8在垂直方向的位置，与激光对中组件3相互配合，使试样5的轴心与拉力轴心重合，完成对中工作；
63.第四步：转动旋转螺母602，带动夹持杆604发生转动，对试样5的固定连接；
64.第五步：手持围压施加装置9的手柄901，放置在试样5的两侧，打开磁铁电源开关9033，在强力磁吸力的作用下，两个分仓围压施加器902固定在试样5上，打开油压电源9031开始对试样5施加围压；
65.第六步：通过油压大小控制器9032调节围压变化，通过传送组件201将安装板4向下移动进行拉伸试验，测量实验数据。
66.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。