一種高溫真三軸巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，具體涉及一種高溫巖石真三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)是研究巖石各種力學(xué)特性的重要手段，是支撐巖石力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。按照加載方式將巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)分為真三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)與假三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)，真三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)可給巖石試件施加三個(gè)方向互不相等的壓應(yīng)力，可以模擬巖石在地層中真實(shí)的受力狀態(tài)。假三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)僅能提供兩個(gè)互不相等的壓力，其中兩個(gè)壓力相等方向的壓力稱為圍壓壓力，與圍壓壓力不等，且與之垂直的壓力稱為軸向壓力，假三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)可以模擬特殊條件下巖石在地層中的受力狀態(tài)。由于假三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用極為廣泛。按照實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度，巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)又分為常溫實(shí)驗(yàn)機(jī)和高溫實(shí)驗(yàn)機(jī)。在地表巖層中，巖體的溫度與環(huán)境溫度相同，因此研究地表巖層巖石的力學(xué)特性，采用常溫實(shí)驗(yàn)機(jī)。但隨著地層深度的增加，巖層溫度上升，因此研究地層深部巖石的力學(xué)特性時(shí)，必須采用高溫實(shí)驗(yàn)機(jī)才能還原巖層的真實(shí)狀態(tài)。
[0003]目前最為廣泛使用的高溫真三軸巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)，是由美國(guó)GCTS公司生產(chǎn)的RPX-150型真三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)。該實(shí)驗(yàn)機(jī)由兩大部件組成，一是裝載巖石試件的高壓容器及其壓力控制和測(cè)量系統(tǒng)，二是包裹高壓容器的高溫加熱爐及其溫度控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于真三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)三向獨(dú)立加載，加之現(xiàn)有高溫真三軸巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)采用加熱爐式結(jié)構(gòu)(高壓容器放入加熱爐中)，為了實(shí)現(xiàn)給巖石試件施加較大的荷載，不使設(shè)備體積更加龐大，只好采用很小尺寸的巖石試件(一般為25_的立方體或直徑為25_的圓柱體)?，F(xiàn)有技術(shù)的巖石試件僅為巖石力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)試件的一半，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很難反應(yīng)大巖石試件的高溫力學(xué)特性。另外，由于現(xiàn)有高溫真三軸巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)三個(gè)方向采用耐高溫的氟橡膠進(jìn)行密封，實(shí)驗(yàn)溫度一般不得高于200°C，因此，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)機(jī)不能完成更高溫度條件下大巖石試件的力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種高溫真三軸巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)，解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)機(jī)加熱溫度低，巖石試件尺寸小，不能完成大巖石試件在更高溫度(200°C以上)條件下，進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)問題。
[0005]本發(fā)明是通過下面的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種高溫真三軸巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)，包括:機(jī)架、軸向加載油缸、保溫外殼、主機(jī)、隔熱板、電源開關(guān)、壓力-溫度-位移控制和測(cè)量系統(tǒng)、壓力源，所述軸向加載油缸安裝在所述機(jī)架的頂部橫梁上，所述主機(jī)放置在所述機(jī)架的平臺(tái)上，并與所述軸向加載油缸連接，所述主機(jī)與所述機(jī)架平臺(tái)之間設(shè)置所述隔熱板；所述主機(jī)包括:軸向加載桿、軸向冷卻器、軸向加載定位套、壓力室、水平加載油缸、水平冷卻器、水平壓桿，所述軸向加載桿的上部與所述軸向加載油缸的活塞桿連接，所述軸向加載桿的桿體與所述軸向加載定位套滑動(dòng)配合，所述軸向加載定位套的上端與所述軸向加載桿的桿體接觸處設(shè)置軸向加載桿密封組件，位于所述軸向加載桿密封組件的下方、所述軸向加載定位套的上部、在所述軸向加載定位套的外圍，套裝所述軸向冷卻器，所述軸向加載定位套通過螺栓與所述壓力室連接；所述壓力室的中心部位設(shè)置巖石試件腔，所述巖石試件腔內(nèi)放置由銅套包裹、疊放在一起的巖石試件及剛性墊塊，所述軸向加載桿的下端插入所述銅套內(nèi)，與所述巖石試件緊密接觸；所述壓力室的水平方向上對(duì)稱加工兩個(gè)與所述巖石試件腔相通并垂直的水平孔，兩個(gè)所述水平壓桿分別放置在兩個(gè)水平孔內(nèi)，兩個(gè)所述水平壓桿的一端分別伸入所述巖石試件腔內(nèi)，兩個(gè)所述水平壓桿的另一端伸出水平孔外分別與兩個(gè)所述水平加載油缸的活塞連接，兩個(gè)伸出水平孔外的所述水平壓桿與所述壓力室側(cè)端分別設(shè)置水平壓桿密封組件；所述壓力室與兩個(gè)所述水平加載油缸之間分別安裝所述水平冷卻器；所述軸向加載油缸和所述水平加載油缸通過油管分別與所述壓力源接，所述壓力室的中部與所述巖石試件腔相通布置注油孔，所述注油孔通過油管與所述壓力源連接，所述巖石試件腔上部布置排氣孔，所述排氣孔與截止閥連接，所述壓力源與所述壓力-溫度-位移控制和測(cè)量系統(tǒng)導(dǎo)線連接；所述壓力室底部及所述巖石試件腔周圍布置若干個(gè)電加熱管；所述壓力室周圍包裹所述保溫外殼。
[0007]進(jìn)一步，所述電加熱管共20根分為四組，通過導(dǎo)線分別與所述電源開關(guān)連接，所述電源開關(guān)與所述壓力-溫度-位移控制和測(cè)量系統(tǒng)連接。
[0008]進(jìn)一步，所述水平冷卻器一端通過螺栓連接在所述壓力室側(cè)面，所述水平冷卻器另一端通過螺栓連接在所述水平加載油缸的外殼上。
[0009]進(jìn)一步，所述水平冷卻器設(shè)有進(jìn)水口和出水口，所述水平冷卻器與所述壓力室之間構(gòu)成水循環(huán)冷卻空間。
[0010]進(jìn)一步，所述軸向冷卻器設(shè)有進(jìn)水口和出水口，所述軸向冷卻器與所述軸向加載定位套之間構(gòu)成水循環(huán)冷卻空間。
[0011]進(jìn)一步，所述巖石試件腔底部有一個(gè)與所述剛性墊塊外形相同的定位槽。
[0012]進(jìn)一步，兩個(gè)伸入所述巖石試件腔內(nèi)的所述水平壓桿頭部設(shè)有壓頭。
[0013]進(jìn)一步，所述水平軸向加載桿設(shè)有溫度傳感器放置孔，溫度傳感器放置孔為盲孔，盲孔端接近巖石試件。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于壓力室底部及巖石試件腔周圍布置若干個(gè)電加熱管，將壓力室與加熱裝置設(shè)計(jì)為一體，熱量通過金屬的熱傳導(dǎo)和流體的對(duì)流加熱巖石試件，加熱速度快，加熱均勻；由于加載油缸通過冷卻裝置間接連接在壓力室上，隔絕了熱量從壓力室傳導(dǎo)到油缸上，大大地提高了壓力室的溫度，根據(jù)加熱管功率的不同，壓力室的設(shè)計(jì)溫度可以達(dá)到400°C以上；由于保溫殼體僅包裹壓力室，所有加載油缸位于保溫殼體外部，因此試件腔可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸(50mmX 50mm X 50mm或50mm X 50mm X 100mm)設(shè)計(jì)，可以完成大巖石試件的高溫力學(xué)實(shí)驗(yàn)。
【附圖說明】
[0015]圖1是高溫真三軸巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是高溫真三軸巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖(主視圖);
[0017]圖3是圖2的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。
[0019]如圖1、2、3所示，一種高溫真三軸巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)，包括:機(jī)架1、軸向加載油缸2、保溫外殼3、主機(jī)4、隔熱板5、電源開關(guān)6、壓力-溫度-位移控制和測(cè)量系統(tǒng)7、壓力源8，所述軸向加載油缸2安裝在所述機(jī)架1的頂部橫梁上，所述主機(jī)4放置在所述機(jī)架1的平臺(tái)上，并與所述軸向加載油缸2連接，所述主機(jī)4與所述機(jī)架1平臺(tái)之間設(shè)置所述隔熱板5。
[0020]所述主機(jī)4包括:軸向加載桿41、軸向冷卻器42、軸向加載定位套43、壓力室44、水平加載油缸45、水平冷卻器46、水平壓桿47。
[0021]所述軸向加載桿41的上部與所述軸向加載油缸2的活塞桿連接，所述軸向加載桿41的桿體與所述軸向加載定位套43滑動(dòng)配合，所述軸向加載定位套43的上端與所述軸向加載桿41的桿體接觸處設(shè)置軸向加載桿密封組件48。由于軸向加載桿與定位套之間的間隙，依靠軸向加載桿密封組件進(jìn)行密封，密封組件既能保證加載桿滑動(dòng)，又能防止高壓流體從加載桿與定位套之間的間隙泄漏。
[0022]位于所述軸向加載桿密封組件48的下方、所述軸向加載定位套43的上部、在所述軸向加載定位套43的外圍，套裝所述軸向冷卻器42 ;所述軸向冷卻器42設(shè)有進(jìn)水口 421和出水口 422，所述軸向冷卻器42與所述軸向加載定位套43之間構(gòu)成水循環(huán)冷卻空間。軸向冷卻器42可防止壓力室內(nèi)的熱量沿加載桿傳導(dǎo)到軸向加載油缸和軸向加載桿密封組件上，損壞密封組件。
[0023]所述軸向加載定位套43通過螺栓與所述壓力室44連接。
[0024]所述壓力室44的中心部位設(shè)置巖石試件腔441，所述巖石試件腔441內(nèi)放置由銅套10包裹、疊放在一起的巖石試件11及剛性墊塊12，所述軸向加載桿41的下端插入所述銅套10內(nèi)，與所述巖石試件11緊密接觸；所述巖石試件腔441底部有一個(gè)與所述剛性墊塊12外形相同的定位槽。由于巖石試件裝在特制的銅套內(nèi)，銅套下端由剛性墊塊密封，銅套上端套在軸向加載桿上；試件腔底部有定位槽，在軸向壓緊的條件下，定位槽既能保證試件中心定位，又能與剛性墊塊擠緊銅套，防止銅套外側(cè)的流體滲入。
[0025]所述壓力室44的水平方向上對(duì)稱加工兩個(gè)與所述巖石試件腔441相通并垂直的水平孔，兩個(gè)所述水平壓桿47分別放置在兩個(gè)水平孔內(nèi)，兩個(gè)所述水平壓桿47的一端分別伸入所述巖石試件腔441內(nèi)，兩個(gè)所述水平壓桿47的另一端伸出水平孔外分別與兩個(gè)所述水平加載油缸45的活塞連接，保證水平壓桿與油缸活塞運(yùn)動(dòng)一致；兩個(gè)伸出水平孔外的所述水平壓桿47與所述壓力室44側(cè)端分別設(shè)置水平壓桿密封組件49。由于水平壓桿安裝在壓力室兩側(cè)的孔內(nèi)，可以在孔內(nèi)滑動(dòng)，水平壓桿與孔之間的間隙依靠水平加載桿密封組件進(jìn)行密封，密封組件既能保證加載桿滑動(dòng)，又能防止高壓流體從加載桿與孔壁之間的間隙泄漏。
[0026]兩個(gè)伸入所述巖石試件腔441內(nèi)的所述水平壓桿47頭部設(shè)有壓頭471。
[0027]所述壓力室44與兩個(gè)所述水平加載油缸45之間分別安裝所述水平冷卻器46 ;所述水平冷卻器46