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原文传递一种岩石界面高频摩擦力的振动测量方法和设备

专利名称：	一种岩石界面高频摩擦力的振动测量方法和设备
摘要：	本发明涉及一种岩石界面高频摩擦力的振动测量方法和设备，所述测量设备包括侧推装置、测力单元和试块剪切装置；试块剪切装置包括第一固定盒、滑轨和第二固定盒；第一固定盒能够在侧推装置驱动下沿滑轨自由无阻尼水平往复循环滑动；下试块置于第一固定盒中；第二固定盒设置在第一固定盒上方；上试块置于第二固定盒中；颗粒介质的上部和下部紧压在上试块和下试块之间；第二固定盒上方设有垂直加载装置；垂直加载装置向下施加法向压力紧压颗粒介质；测力单元包括拉压力传感器，拉压力传感器用于检测颗粒介质的上部和下部接触面的摩擦力。本发明通过简单的装置固定测力单元，测力单元能够高频地且不失真地接收振动环境下试样的力学信号。
专利类型：	发明专利
申请人：	清华大学
发明人：	刘耀儒;张凯;王兴旺;郑双凌;侯少康
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T10:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T15:00:00+0805
申请号：	CN202010025315.7
公开号：	CN111157443A
代理机构：	北京律谱知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	孙红颖
分类号：	G01N19/02;G01L5/00;G;G01;G01N;G01L;G01N19;G01L5;G01N19/02;G01L5/00
申请人地址：	100084 北京市海淀区清华园1号
主权项：	1.一种岩石界面高频摩擦力的振动测量设备，其特征在于，所述测量设备包括侧推装置、测力单元和试块剪切装置，所述侧推装置通过所述测力单元与所述试块剪切装置相连；所述试块剪切装置包括第一固定盒(10)、滑轨(14)和第二固定盒(18)；所述滑轨(14)长度方向与所述侧推装置的推动方向平行；所述第一固定盒(10)设置在所述滑轨(14)上，所述第一固定盒(10)能够在所述侧推装置驱动下沿所述滑轨(14)自由无阻尼水平往复循环滑动；所述下试块(13)置于所述第一固定盒(10)中；所述第二固定盒(18)设置在所述第一固定盒(10)上方；所述上试块(17)置于所述第二固定盒(18)中；所述颗粒介质(16)的上部和下部紧压在所述上试块(17)和所述下试块(13)之间；所述第二固定盒(18)上方设有垂直加载装置；所述垂直加载装置向下施加法向压力紧压所述颗粒介质(16)；所述测力单元包括拉压力传感器(7)，所述拉压力传感器(7)用于检测所述颗粒介质(16)的上部和下部接触面的摩擦力。 2.根据权利要求1所述的岩石界面高频摩擦力的振动测量设备，其特征在于，所述测量设备包括多个所述测力单元，所述拉压力传感器7包括NI板卡(71)和NI主机(72)，多个所述测力单元分别连接所述NI板卡(71)，所述NI板卡(71)采集数据后将数据信息传送至所述NI主机(72)，所述NI主机(72)用于计算所述颗粒介质(16)上部和下部接触面的摩擦力和摩擦系数。 3.根据权利要求1所述的岩石界面高频摩擦力的振动测量设备，其特征在于，所述测力单元还包括第一螺杆(8)和第二螺杆(9)，所述拉压力传感器(7)一端通过所述通过第一螺杆(8)与所述侧推装置相连，另一端通过所述第二螺杆(9)与所述第一固定盒(10)相连。 4.根据权利要求1所述的岩石界面高频摩擦力的振动测量设备，其特征在于，所述试块剪切装置还包括滑块(12)、固定底座(15)，所述固定底座(15)固定在地面上，两根所述滑轨(14)平行安装在所述固定底座(15)上，所述滑块(12)置于所述滑轨(14)上，能够沿所述滑轨(14)自由无阻尼滑动，所述第一固定盒(10)固定于所述滑块(12)上。 5.根据权利要求1所述的岩石界面高频摩擦力的振动测量设备，其特征在于，所述侧推装置包括振动台(1)、底板(2)、管夹(3)、刚性圆管(5)和连接装置(6)；所述底板(2)安装在所述振动台(1)上，所述振动台(1)能够带动所述底板(2)水平振动；两个所述管夹(3)固定在所述底板(2)上，所述管夹(3)包括夹头部，所述夹头部用于夹装所述刚性圆管(5)一端，所述刚性圆管(5)另一端通过所述连接装置(6)与所述测力单元相连。 6.一种岩石界面高频摩擦力的振动测量方法，其特征在于，所述岩石试样包括上试块(17)、下试块(13)和颗粒介质(16)，所述颗粒介质(16)夹装在所述上试块(17)与所述下试块(13)之间，所述颗粒介质(16)由上、下两部组成；所述颗粒介质(16)上、下两部接触面的高频摩擦力的振动测量方法是：垂直加载装置向所述上试块(17)施加法向压力F0，侧推装置以高频振动形式通过测力单元带动试块剪切装置水平往复循环运动，所述试块剪切装置带动所述下试块(13)和所述颗粒介质(16)的下部相对所述上试块(17)和所述颗粒介质(16)的上部水平往复循环运动；所述测力单元采集摩擦力，并计算所述颗粒介质(16)接触面的摩擦系数。 7.根据权利要求6所述的岩石界面高频摩擦力的振动测量方法，其特征在于，所述测力单元为n个，n＞1，所测摩擦力F＝(F1+F2+……Fn)/n。 8.根据权利要求6所述的岩石界面高频摩擦力的振动测量方法，其特征在于，所述侧推装置包括振动台(1)、管夹(3)、刚性圆管(5)和连接装置(6)；所述测力单元包括拉压力传感器(7)、第一螺杆(8)和第二螺杆(9)；所述试块剪切装置包括第一固定盒(10)、滑块(12)、滑轨(14)和第二固定盒(18)；所述测量方法包括如下步骤： S1、安装测量设备；将相应规格的刚性圆管(5)安装在两个管夹(3)上，并与连接装置(6)相连；通过第一螺杆(8)和第二螺杆(9)将拉压力传感器(7)螺纹连接在连接装置(6)与第一试块盒(10)之间，拉压力传感器(7)通过NI板卡(71)与NI主机(72)相连； S2、拉压力传感器(7)输出信号的率定； S3、岩石界面高频摩擦力的振动测量； (1)、将下试块(13)放入第一固定盒(10)中，并将颗粒介质(16)的下部置于下试块(13)上；将上试块(17)放入第二固定盒(18)中，并通过颗粒介质(16)的上部放置在颗粒介质(16)的下部上； (2)、启动垂直加载装置，向试块施加法向压力F0，随后启动振动台(1)，振动台(1)通过管夹(3)带动刚性圆管(5)以预定频率水平往复循环运动，从而带动第一试块盒(10)运动，使颗粒介质(16)的上部和下部的接触面处产生剪切摩擦； (3)、通过拉压力传感器(7)记录测力单元的读数，并记录对应时间的加速度读数，通过NI主机(72)计算最终测力和颗粒介质(16)接触面的摩擦系数。 9.根据权利要求8所述的岩石界面高频摩擦力的振动测量方法，其特征在于，在S2中拉压力传感器(7)输出信号的率定通过如下方法实现：向第一固定盒10中放入尺寸相同的重块，并固定，记第二螺杆9、第一固定盒10、第二螺栓11、滑块12和重块为“被牵引部分”，其总共质量为M；将加速度计安装在第一固定盒10的侧面，测量被牵引部分的加速度a；牵引力F＝Ma，拉压力传感器(7)的电压幅值线性输出，改变振动台1输入的加速度a，记录多组数据，从而可以完成拉压力传感器(7)的率定： k＝dV/(M·da) F＝(V-V0)/k k表示单位质量上加速度增量引起的电压幅值的增量； V0为初始电压幅值，V为实时测量电压幅值信号。 10.根据权利要求8所述的岩石界面高频摩擦力的振动测量方法，其特征在于，在S2中拉压力传感器(7)输出信号的率定通过如下方法实现：将已知摩擦系数μ的材料作为下试块放入第一固定盒10中，并在下试块上表面叠放一块相同的材料作为上试块，压紧试块后启动垂直加载装置，向试块施加法向压力N，启动振动台1，进行三角波振动，加速度a＝0，使上、下试块界面产生滑动，则此时的摩擦力f＝μN；逐级改变N的大小，记录对应电压幅值V的变化；由牛顿平衡定律和摩擦定律，牵引力F＝摩擦力f＝μN，拉压力传感器(7)的电压幅值为线性输出；。记录多组数据，完成拉压力传感器(7)的率定： k＝dV/(μ·dN) F＝(V-V0)/k k表示加速度增量引起的电压幅值增量的1/μ； V0为初始电压幅值，V为实时测量电压幅值信号。
所属类别：	发明专利