[发明专利]一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机及试验方法

说明书

本发明涉及一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机及试验方法，属于岩石力学试验技术领域。试验机包括顶梁、立柱、动载施加装置、静载施加装置、监测装置、底座、加载控制系统和信号采集装置，其中，顶梁通过立柱连接至底座，底座上设置静载施加装置，静载施加装置上方的顶梁上设置动载施加装置，静载施加装置和动载施加装置均连接至加载控制系统，试验机上还设置有监测装置，监测装置连接至信号采集装置。本发明结构简单，设计合理，实现静载以及不同频率、强度动载的施加，为煤岩石在动静组合载荷下的破坏机理提供理论依据。

技术领域

本发明涉及一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机及试验方法，属于岩石力学试验技术领域。

背景技术

当前，我国深部煤炭资源储量约占煤炭资源总储量的53％，深部煤层必将成为我国煤炭开采的主战场，在深部开采过程中，由于动载扰动所引起的冲击地压现象的发生频率、强度及复杂性显著增加，片帮、冒顶等事故以及冲击地压等动力灾害明显增多，严重制约着深部煤炭资源的安全高效开采。

室内岩石力学试验是揭示煤岩石试样在动静组合载荷下的破坏特征及力学特性的重要手段，现有岩石试验机通过动静组合加载获得不同静载和动载条件下煤岩石的瞬时破坏特征，这对于揭示深部开采条件下冲击地压诱发机理具有重要意义，然而，现有岩石试验机在加载过程中缺乏对动载条件的有效调整，特别是不能改变动载荷频率，无法进一步获得深部“高静载+循环动载”条件下煤岩石的力学特性。

中国专利文件CN106198227A公开了一种蓄能落锤式动静组合加载试验装置，该试验装置用来研究冲击动载作用下岩石瞬时破坏特征，无法获得煤岩石试件在多次动载扰动条件下的力学演化特性。中国专利文件CN110031321B公开了一种动静载叠加式岩石力学试验机及试验方法，该试验机只能施加冲击动载载荷，无法改变动载频率的大小；另外，电磁铁控制受电压影响较大且要求有较大功率的直流电源，需要额外配置与之相应的试验条件。中国专利文件CN102116720B公开了一种变频变幅动态加载岩石力学试验系统，该试验机只能实现不同动载条件的施加，无法施加静载荷；另外，该试验机结构复杂，操作困难，所需配置成本较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机，结构简单，设计合理，实现静载以及不同频率、强度动载的施加，为煤岩石在动静组合载荷下的破坏机理提供理论依据。

本发明还提供上述变频变强度动静组合加载岩石力学试验机的试验方法。

本发明的技术方案如下：

一种变频变强度动静组合加载岩石力学试验机，包括顶梁、立柱、动载施加装置、静载施加装置、监测装置、底座、加载控制系统和信号采集装置，其中，

顶梁通过立柱连接至底座，底座上设置静载施加装置，静载施加装置上方的顶梁上设置动载施加装置，静载施加装置和动载施加装置均连接至加载控制系统，试验机上还设置有监测装置，监测装置连接至信号采集装置。

优选的，动载施加装置包括外壳、蓄能油缸、冲击螺杆、引发装置和旋转控制器，蓄能油缸连接至顶梁，蓄能油缸输出端外侧设置外壳，外壳为钢制筒状结构，蓄能油缸输出端连接冲击螺杆，冲击螺杆置于外壳内，冲击螺杆连接引发装置，引发装置穿过外壳连接旋转控制器，旋转控制器连接至加载控制系统。

旋转控制器可根据需求为传动杆提供不同大小的转动圆频率，并通过传动杆和齿轮作用在杆体上，实现加载底盘的轴向简谐运动，轴向简谐运动频率f为：

f＝2π/ω

式中：ω为传动杆的转动圆频率，单位为rad/s；

进一步优选的，冲击螺杆包括蓄能弹簧、杆体和加载底盘，蓄能弹簧一端连接至蓄能油缸输出端，蓄能弹簧另一端连接杆体，杆体连接至加载底盘，杆体表面竖向设置传动螺纹，杆体通过传动螺纹连接至引发装置，蓄能油缸连接至加载控制系统。