一体式岩石力学试验机加热系统及液压伺服系统研究

2022-02-25 08:15:45

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岩石力学试验机在页岩气开采、核废料处置、石油和天然气勘探和地震发生时大地物性变化研究等领域都有着重要的应用价值。电液伺服试验机可以测试岩石被压裂的σ-ε曲线,压力室具有围压和加热功能,但是目前的试验机仍然不能实现三轴加载、地下高温环境模拟、裂纹实时CT成像三者同时进行。本论文致力于研制一种一体式试验机,压力室具有加压、加热功能;在加载的同时,试验机绕自身中心轴旋转,CT射线透过压力室对岩石的内部裂纹进行实时扫描,获得其裂纹发生发展图像。针对一体式结构试验机方案,本文设计了其机械结构、液压系统以及加热系统,完成了压力室加热控制系统的数学建模,对压力室温度场分布进行了仿真计算。完成了试验机的加工、组装和调试工作,进行了岩石压裂试验和加热试验。设计了一体式结构试验机,放置于转台上实现旋转。以压力室兼做试验机的反力架来避免对高能射线的遮挡,这种结构还可以避免转台承受试样加载的载荷。在岩石试样底座内置多个电热棒对岩石试样进行加热,以模拟地下高温环境,使试验机整体结构紧凑。为了增大试验机的整机刚度,将伺服缸和压力室做成一体。同时利用压力传感器来间接测量试验机的轴向力,尽量减少试验机的弹性零件来提高试验机刚度,但是压力室与伺服缸一体也使压力室内的热量会传递到上部的伺服缸和下部的精密转台,给控制带来困难。基于传热学理论,计算了压力室在受迫对流、自然对流、无隔热、有隔热四种工况下的传热边界条件,然后利用ICEM CFD对计算域进行了结构网格划分,并利用Fluent工具对计算域的温度场分布进行了计算,最后确定了一种对液压系统和转台影响小的隔热方案。建立了试验机的液压系统的阀控非对称缸的线性数学模型,分别对高温和常温两种情况下的数学模型参数进行了计算,对得到的传递函数利用Matlab Simulink工具进行了仿真。最后对试验机进行了三轴加载试验和加热试验,获得了岩样破坏过程的σ-ε曲线,试验表明试验机轴压最大可达1OOkN,围压可稳定在20MPa,试验机整机刚度为0.19GN/m。加热实验表明岩样温度可满足达到200℃的要求,控制精度为±0.5°℃。试验机完成了设计指标,可胜任岩石力学试验要求。

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