一种针对深部岩体工程的霍普金森压杆围压自动控制系统的制作方法

本发明涉及深部岩体工程（高应力状态下）动态力学性能实验测试技术领域，具体是一种针对深部岩体工程的霍普金森压杆围压自动控制系统。

背景技术：

爆破开挖以其高效、经济、快捷的特点广泛应用于岩体隧洞施工过程中，同时随着地下空间开发深度的不断增加，涉及到深部岩体的工程实践越来越多。因此，深部岩体隧洞施工过程中掌子面附近岩体处于高地应力及频繁的爆破扰动联合作用的环境下，严重威胁工程岩体的稳定性。

为了研究围岩岩体在爆破扰动作用下的力学性能，提出了一系列的实验装置，其中霍普金森压杆是目前国际上应用最广泛的研究岩体材料在爆破冲击荷载作用下力学性能的实验装置。霍普金森压杆有着结构简单，操作方便等优点，是研究一维应力状态下材料动态力学性能的推荐设备。考虑到工程实际中岩石等材料不仅受到轴向动荷载，还受到围压作用，尤其是在研究高应力状态下的深部岩体动态力学性能时，单轴应力状态不能满足工程需要，因此研究材料在三维应力状态下的动态力学特性成为必然。

目前，霍普金森压杆所采用的围压加载系统如说明书附图2所示，由围压缸体、压力腔、橡皮套、压力表、放气阀、进/出油管、加压装置组成。其中加压装置是手动液压泵，进/出油管与手动液压泵相连接，位于围压缸体底部，放气阀位于围压缸体上部。爆破冲击实验的具体操作过程如下：首先将试样放在入射杆与透射杆之间，并用围压装置套住试样、入射杆以及透射杆；然后打开放气阀，将液压手动泵上的手轮旋紧，摇动液压手动泵的手柄将液压油通过进油管压入压力腔内，当压力腔内液压油快溢出时，关闭放气阀；继续摇动手柄进行加压以达到施加围压的效果，待压力表稳定后，打开充气开关使冲头撞击入射杆；实验结束后，关闭充气开关，将液压手动泵上的手轮旋松，液压油通过出油管回流到手动液压泵内完成卸压，最后将试样取出。

现有围压加载系统针对深部岩体工程的模拟主要存在如下缺点：1）围压加载范围为0-60MPa，缺少模拟深部岩体高围压（60-130MPa）状态下的实验环境；2）设备自动化程度低，在实验过程中向压力腔内加压需手动打开放气阀，当液压油快溢出缸体时又需将放气阀关闭，然后摇动液压手动泵的手柄进行加压，上述实验过程需要多人同时进行操作；3）运用液压手动泵加压，压力值会缓慢减小，所以需要随时准备摇动手柄进而保持所需的压力，然而人工手动加压很难保证压力恒定，导致实际压力与所需压力之间产生偏差，大大的降低了实验精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种针对深部岩体工程的霍普金森压杆围压自动控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种针对深部岩体工程的霍普金森压杆围压自动控制系统，包括自动加压装置、围压装置和管路系统，所述自动加压装置包括数字压力表、油源、增压泵、变频控制器、压力传感器和稳压罐并且自动加压装置与电源相连，压力传感器和数字压力表均安装在进油管上并且压力传感器与数字压力表电连接，增压泵与油源相连并且增压泵位于油源和稳压罐之间，压力传感器和增压泵通过线缆与变频控制器相连，围压装置包括围压缸体、压力腔、橡皮套和自动排气阀，自动排气阀位于围压缸体上部，管路系统包括进油管、出油管、进油阀和出油阀，所述进油管分别连接围压缸体的上部和自动加压装置，所述出油管分别连接围压缸体的底部和自动加压装置，进油管和出油管上分别设置有进油阀和出油阀。

作为本发明进一步的方案：围压缸体、压力腔和橡皮套组成围压装置的主体并且围压缸体、压力腔和橡皮套从外至内依次设置。

所述针对深部岩体工程的霍普金森压杆围压自动控制系统的操作方法，具体步骤如下：

步骤一，检查实验仪器各部分是否完好，将岩石试样由围压缸体放置在入射杆和透射杆之间并用橡胶套套住试样，保证入射杆、试样和透射杆在同一水平线上，并将自动加压装置接通电源；

步骤二，将出油阀关闭，打开进油阀，使用变频控制器设定高地应力条件所需压力范围（60-130MPa）；

步骤三，在变频控制器与增压泵共同作用下，使自动加压装置中的液压油增压到预先设定的压力值；

步骤四，通过压力传感器和稳压罐的共同作用使围压装置中的压力值保持稳定；

步骤五，由进油管将自动加压装置中加压后的液压油输送到压力腔中，当液压油充满压力腔时，自动排气阀内浮子上升作用在内部机械装置上阻塞排气口，从而对围压装置进行加压，压力腔内的油压可由数字压力表读出；

步骤六，打开充气开关，进行爆破冲击实验；

步骤七，冲击结束后，停止加压并关闭进油阀，同时打开出油阀，压力腔内的液压油由出油管回流到油源完成卸压；

步骤八，将爆破冲击后的试样从围压装置中取出，实验完毕。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能满足深部岩体工程中高围岩压力环境的实验条件，实现了从人工手动围压加载到自动控制围压加载的转变，同时在围压缸体上安装了自动排气阀，省去了人工打开及关闭放气阀的手动操作步骤；自动加压装置能够自动增压到指定围压且保持稳定；本发明具有工作效率高、实验精度高、操作方便等特点，可以有效解决现有加围压系统无法模拟深部岩体工程高围压状态下的实验环境、实验过程需多人同时进行操作、手动加压较难维持压力稳定等问题。

附图说明

图1为针对深部岩体工程的霍普金森压杆围压自动控制系统的结构示意图。

图2为现有霍普金森压杆围压手动加载系统的整体结构示意图。

其中：1-数字压力表；2-围压缸体；3-压力腔；4-橡胶套；5-试样；6-入射杆；7-透射杆；8-进油管；9-出油管；10-进油阀；11-出油阀；12-油源；13-增压泵；14-压力传感器；15-稳压罐；16-变频控制器；17-自动加压装置；18-自动排气阀；19-普通压力表；20-放气阀；21-进油管/出油管；22-液压手动泵；23-手轮；24-手柄。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-2，一种针对深部岩体工程的霍普金森压杆围压自动控制系统，包括自动加压装置17、围压装置和管路系统，所述自动加压装置17包括数字压力表1、油源12、增压泵13、变频控制器16、压力传感器14和稳压罐15并且自动加压装置17与电源相连，压力传感器14和数字压力表1均安装在进油管8上并且压力传感器14与数字压力表1电连接，增压泵13与油源12相连并且增压泵13位于油源12和稳压罐15之间，压力传感器14和增压泵13通过线缆与变频控制器16相连，围压装置包括围压缸体2、压力腔3、橡皮套4和自动排气阀18，自动排气阀18位于围压缸体2上部，管路系统包括进油管8、出油管9、进油阀10和出油阀11，所述进油管8分别连接围压缸体2的上部和自动加压装置17，所述出油管9分别连接围压缸体2的底部和自动加压装置17，进油管8和出油管9上分别设置有进油阀10和出油阀11。围压缸体2、压力腔3和橡皮套4组成围压装置的主体并且围压缸体2、压力腔3和橡皮套4从外至内依次设置。

所述针对深部岩体工程的霍普金森压杆围压自动控制系统的操作方法，具体步骤如下：

步骤一，检查实验仪器各部分是否完好，将岩石试样5由围压缸体2放置在入射杆6和透射杆7之间并用橡胶套4套住试样5，保证入射杆6、试样5、透射杆7在同一水平线上，并将自动加压装置17接通电源；

步骤二，将出油阀11关闭，打开进油阀10，使用变频控制器16设定高地应力条件所需压力范围（60-130MPa）；

步骤三，在变频控制器16与增压泵13共同作用下，使自动加压装置17中的液压油增压到预先设定的压力值；

步骤四，通过压力传感器14和稳压罐15的共同作用使围压装置中的压力值保持稳定；

步骤五，由进油管8将自动加压装置17中加压后的液压油输送到压力腔3中，当液压油充满压力腔3时，自动排气阀18内浮子上升作用在内部机械装置上阻塞排气口，从而对围压装置进行加压，压力腔3内的油压可由数字压力表1读出；

步骤六，打开充气开关，进行爆破冲击实验；

步骤七，冲击结束后，停止加压并关闭进油阀10，同时打开出油阀11，压力腔3内的液压油由出油管9回流到油源12完成卸压；

步骤八，将爆破冲击后的试样5从围压装置中取出，实验完毕。

本发明的工作原理是：利用自动加压装置17进行加压时，先关闭出油阀11、打开进油阀10，然后使自动加压装置17开始运行；再用变频控制器16设定好所需要增压的压力值，在变频控制器16与增压泵13共同作用下，利用闭环控制原理将实际设定目标压力值与当前检测到的压力值进行对比，并通过一些列函数算法将这个差值更改到趋近于零，使液压油增压到预先设定的压力值；接着通过压力传感器14和稳压罐15的共同作用使压力保持稳定，液压油通过进油管8输送到围压装置；当液压油充满压力腔时，自动排气阀18内浮子上升作用在内部机械装置上阻塞排气口，使围压装置加压；最后，卸压时停止加压并关闭进油阀10，同时打开出油阀11，围压装置内的液压油通过出油管9回流到油源12。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。