[發明專利]一種巖石力學高幅頻響應特性液壓作動器

有效

• 申請號: 202210190037.X
• 申請日: 2022-02-28
• 公開（公告）號: CN114483703B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 張希巍;苑藝笑;石磊;薛淳元;王宏圣;周晃
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: F15B15/14
• 分類號: F15B15/14;F15B15/20;F15B19/00;F16J15/16;F16C32/06;F16N1/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

一種巖石力學高幅頻響應特性液壓作動器，活塞桿采用輕量化復合結構，由固定套裝的內桿體和外桿體組成，內桿體采用空心桿結構且材質為鈦合金；外桿體中部設為活塞，活塞周向表面沿軸向均布設有若干環向油槽，活塞與缸筒內表面采用間隙配合；外桿體與活塞為一體式結構且材質均為碳纖維；外桿體及活塞外表面設有陶瓷鍍膜；活塞與缸筒內表面之間的間隙內用于形成潤滑油膜和間隙密封，通過潤滑油膜使活塞與缸筒內表面脫離直接接觸；上下缸蓋的活塞桿穿裝孔內表面與活塞桿之間為間隙配合，活塞桿穿裝孔內表面設有沿周向均布的靜壓油槽；靜壓油槽內用于形成靜壓潤滑支承油墊，通過靜壓潤滑支承油墊使活塞桿與上下缸蓋的活塞桿穿裝孔內表面脫離直接接觸。

技術領域

本發明屬于巖石力學實驗儀器技術領域，特別是涉及一種巖石力學高幅頻響應特性液壓作動器。

背景技術

人類在巖石圈的工程活動日漸頻繁，深度也持續加深，例如大陸/海洋巖石圈深部科學鉆孔、深部油氣資源開發、深部地熱開發、深部金屬礦和煤礦開采、深埋鐵路隧道等工程活動。作為工程對象的深部巖體，均承受初始三向正交地應力靜荷載和工程爆破/機械破巖等激發的動荷載共同作用，只有通過開展面向動力擾動觸發巖石破裂的巖石力學實驗模擬研究，才能有助于理解巖石臨界失穩的動力誘導機制，更有助于獲得地震誘發機制的巖石構造動力學實驗基礎數據。

在巖體工程進入深部后，原巖三向正交地應力顯著提高，在這種應力環境下，工程巖體開挖/掘進時受TBM和鉆爆法破巖過程產生的動力擾動影響，隧道圍巖產生了許多動力災害，例如巖爆和塌方等，這些動力災害不僅會造成設備損壞和經濟損失、危及施工人員的生命安全，甚至會影響大尺度的工程巖體的結構穩定，因此深部工程巖體的擾動型動力災害已經成為制約深部工程安全建設的關鍵瓶頸問題。

在鉆爆法破巖過程中，機械沖擊鉆孔時的頻率可以達到幾百Hz，爆破沖擊荷載頻率的高頻成分可達MHz級，TBM機械破巖可產生幾Hz到幾百Hz的循環低頻振動波。此外，在TBM機械破巖和鉆爆法破巖過程中，產生的沖擊波由于多次震蕩和衰減，可在巖體中形成1-100Hz頻段的中低頻擾動應力波，會導致臨界強度巖體在此應變率下破壞。

因此，開展巖石在高應力條件下高頻動態載荷的實驗十分必要，只有通過高應力條件下的高頻動態載荷實驗，才能更好的認識深部硬巖動力擾動下的漸進破裂和快速動態破裂機制，而高(大)荷載輸出、高速率、高頻率、長時間循環激振的液壓作動器成為開展相關巖石力學實驗研究的關鍵部件，由于液壓作動器能量轉換效率高、輸出荷載大、易于控制，98％以上的巖石力學實驗機都采用基于液壓作動器的加載方式，只有極少部分低荷載輸出的軟巖巖石力學實驗機采用電動伺服缸。

自20世紀70年代起，液壓作動器從滿足靜力實驗機需要，逐漸發展到需要滿足具有一定低荷載、低頻率、低幅值性能的動力實驗機的階段，而目前滿足該階段的商用液壓作動器的動態荷載在5～10Hz頻段下，其荷載最大可以輸出可達到200-2000kN，幅值可輸出1-5mm，盡管如此，這些商用液壓作動器仍無法滿足更高幅頻特性需要的巖石力學實驗條件，導致現階段能夠同時模擬深部工程擾動破壞行為的高(大)荷載、高頻型動態巖石三軸/真三軸實驗機始終未能面世。因此，動態液壓作動器響應頻率已經成為制約開展中低頻動態載荷的實驗瓶頸問題。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種巖石力學高幅頻響應特性液壓作動器，通過輕量化、低摩擦設計方案，大幅度提升了液壓作動器的動態響應能力，能夠模擬硬巖在高靜荷載3000kN、承受上限頻率100Hz時，動荷載輸出可達500kN、振動幅值1mm的實驗需要，為深部硬巖動力擾動破壞實驗研究提供了必要條件，為能夠同時模擬深部工程擾動破壞行為的高(大)荷載、高頻型動態巖石三軸/真三軸實驗機提供了技術支持。