CN103837468A - 一种检测端部摩擦效应及减摩材料性能的试验方法 - Google Patents

一种检测端部摩擦效应及减摩材料性能的试验方法 Download PDF

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Abstract

一种检测端部摩擦效应及减摩材料性能的试验方法，属于岩石力学试验技术领域。本发明的试验方法包括减摩材料的摩擦系数测定试验及减摩材料对端部摩擦效应的影响试验，其中减摩材料对端部摩擦效应的影响试验又分为单轴加载试验和双轴加载试验。减摩材料的摩擦系数测定试验能够通过真三轴试验机施加的水平推力值及竖向压力值计算出摩擦系数，通过摩擦系数检测减摩材料的适用性；而单轴加载试验和双轴加载试验，均能验证减摩材料的过度减摩现象，可以帮助技术人员准确了解端部摩擦效应对试验结果的影响。本发明的试验方法最终目的是帮助相关技术人员寻找更合适的减摩材料，并且检测该减摩材料的性能指标，以提高试验结果的真实性。

Description

一种检测端部摩擦效应及减摩材料性能的试验方法
技术领域
本发明属于岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种用于检测岩石试样与承压垫块之间端部摩擦效应及减摩材料性能的试验方法。
背景技术
岩石力学试验中，岩石试样与承压垫块之间的端部摩擦效应会影响到试验结果的真实性和可靠性，为了尽可能的降低端部摩擦效应对试验结果的影响，相关技术人员通过在岩石试样与承压垫块之间加装减摩材料的方法，来降低岩石试样与承压垫块之间的摩擦力，用以降低端部摩擦效应对试验结果的影响。
目前，所使用的效果最好的减摩材料为聚四氟乙烯膜，但是聚四氟乙烯膜仍然存在着一个无法克服的缺点，在加载过程中会出现过度减摩的现象，进而出现附加应力场，导致试验结果真实性的降低。
而现阶段还没有一种有效的方法，用以帮助相关技术人员寻找更合适的减摩材料及检测该减摩材料的性能指标，也无法有效帮助相关技术人员准确了解端部摩擦效应对试验结果的影响。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种检测端部摩擦效应的试验方法，该方法能够帮助相关技术人员寻找更合适的减摩材料，并且能够检测该减摩材料的性能指标，帮助相关技术人员准确了解端部摩擦效应对试验结果的影响，以提高试验结果的真实性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种检测端部摩擦效应及减摩材料性能的试验方法，包括如下步骤：
步骤一：准备三个试样，包括一个铁质试样和两个岩石试样；
步骤二：选取试样的一个非加载面贴上应变片，应变片分布于试样非加载面的四个顶角及非加载面的中部；
步骤三：试验前，需要通过导线将应变片与外部的应变采集仪相连接，其中与应变片相连接的导线一端需要焊接在应变片固定端子上；
步骤四：选取一种测试用的减摩材料，再准备一些薄铜片，薄铜片的尺寸与试样加载面的尺寸相同；其中减摩材料和薄铜片需要加装在试样与承压垫块之间，且减摩材料位于承压垫块与薄铜片之间；
步骤六：进行减摩材料的摩擦系数测定试验
试验前，准备两块承压垫块和一块辅助垫块，先将一块承压垫块送入真三轴试验机的竖向下侧加载活塞上，按照步骤四的要求安装减摩材料和薄铜片，再将试样放置在该承压垫块上，然后将第二块承压垫块放置在试样上，试样与第二块承压垫块之间同样按照步骤四的要求安装减摩材料和薄铜片，控制竖向上侧加载活塞下行，直到活塞端部与上侧承压垫块相接触，并稍微加力夹紧即可；
将辅助垫块送到一侧水平加载活塞与试样之间，辅助垫块同时贴靠在两承压垫块侧部，控制水平加载活塞伸出，直到活塞端部与辅助垫块相接触顶住辅助垫块；
控制竖向加载活塞施加竖向压力，同时另一侧水平加载活塞以0.03mm/min的速度推动试样，此时可以通过水平推力值及竖向压力值计算出摩擦系数，并通过试验数据确定减摩材料的适用性；
步骤七：进行减摩材料对端部摩擦效应的影响试验
（1）单轴加载试验
试验前，准备两块承压垫块，先将一块承压垫块送入真三轴试验机的竖向下侧加载活塞上，按照步骤四的要求安装减摩材料和薄铜片，再将试样放置在该承压垫块上，然后将第二块承压垫块放置在试样上，试样与第二块承压垫块之间同样按照步骤四的要求安装减摩材料和薄铜片，控制竖向上侧加载活塞下行，直到活塞端部与上侧承压垫块相接触，并稍微加力夹紧即可；此时试样需要按照步骤三的要求，将应变片与外部的应变采集仪相连接；
试验中，控制竖向加载活塞施加竖向压力，同时记录下应变片采集到的应变值；
上述试验一共做三组，一个铁质试样和两个岩石试样全部试验一遍，分析三种试样的试验数据，通过试验数据验证减摩材料的过度减摩现象；
（2）双轴加载试验
准备四块承压垫块，两块承压垫块位于试样上、下两侧，另两个承压垫块位于试样左、右两侧，直到将试样和承压垫块全部预装夹到真三轴试验机内为止；此时试样与承压垫块之间已经安装了减摩材料和薄铜片，然后试样需要按照步骤三的要求，将应变片与外部的应变采集仪相连接；
试验中，先对竖向加载活塞施加竖向压力，在一定压力值下，再对水平加载活塞施加横向压力，同时记录下应变片采集的应变值；
上述试验一共做三组，一个铁质试样和两个岩石试样全部试验一遍，分析三种试样的试验数据，通过试验数据验证减摩材料的过度减摩现象。
所述的单轴加载试验需要进行以下三种情况的对比试验，分别包括：
①.只在上侧承压垫块与试样间安装减摩材料和薄铜片；
②.只在下侧承压垫块与试样间安装减摩材料和薄铜片；
③.承压垫块与试样间完全不安装减摩材料和薄铜片。
所述的双轴加载试验要以完全不安装减摩材料和薄铜片的情况，进行一次对比试验。
本发明的有益效果：
本发明能够帮助相关技术人员寻找更合适的减摩材料，并且能够检测该减摩材料的性能指标，帮助相关技术人员准确了解端部摩擦效应对试验结果的影响，以提高试验结果的真实性。
附图说明
图1为实施例中应变片的贴片位置示意图；
图2为实施例中不同试验状态下的摩擦系数对比图；
图3为实施例中完全不安装减摩材料和薄铜片时应力与应变关系图；
图4为实施例中安装聚四氟乙烯膜和和薄铜片时应力与应变关系图；
图5为实施例中摩擦系数测定试验的试样加载状态图；
图6为实施例中单轴加载试验的试样加载状态图；
图7为实施例中双轴加载试验的试样加载状态图；
图中，1—应变片，2—试样，3—承压垫块，4—减摩材料，5—辅助垫块，6—薄铜片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
所述的一种检测端部摩擦效应及减摩材料性能的试验方法，包括如下步骤：
步骤一：需要准备三个试样（三个试样的尺寸均为50×50×100mm），具体包括一个铁质试样和两个岩石试样；
步骤二：选取试样2的一个非加载面（尺寸为50×100mm的面）贴上应变片1（应变片具体为三向应变片），应变片的数量为七个，其中非加载面的四个顶角均匀分布四个应变片，另外三个应变片竖向均匀分布在非加载面的中部，两个位于边线处，一个位于非加载面正中心，具体的贴片位置如图1所示；
步骤三：试验前，需要通过导线将应变片与外部的应变采集仪相连接，其中与应变片相连接的导线一端需要焊接在应变片固定端子上，这样可以防止试验过程中导线间互相接触，同时还能防止导线因受力而被扯断；再对各条导线进行编号，具体可以用标签纸进行标记；
步骤四：选取一种测试用的减摩材料，再准备一些薄铜片，薄铜片的尺寸与试样加载面的尺寸相同（即尺寸分别为50×100mm和50×50mm）；
本实施例中所选用的减摩材料为硬脂酸合成减摩剂，硬脂酸合成减摩剂需提前制备，制备过程为：先准备一份颗粒状的硬脂酸和一份医用凡士林，将硬脂酸和凡士林按重量1∶1的比例在烧杯中混合，然后再将烧杯放入70度的热水槽中进行加热，直到烧杯中的混合物全部融化，此时迅速将烧杯放入冷水槽中进行冷却，可以防止混合物凝固过程中硬脂酸与凡士林的分离，待冷却结束后，在烧杯中会形成乳白色油脂状膏体；
其中减摩材料和薄铜片需要加装在试样与承压垫块之间，且减摩材料位于承压垫块与薄铜片之间；
减摩材料以本实施例中硬脂酸合成减摩剂为例，先将硬脂酸合成减摩剂膏体均匀的涂抹在薄铜片的一侧，再将涂抹有硬脂酸合成减摩剂的铜片粘在承压垫块上，然后将承压垫块与试样贴靠在一起即可；
步骤六：进行减摩材料的摩擦系数测定试验
试验前，需要准备两块承压垫块3和一块辅助垫块5，先将一块承压垫块3送入真三轴试验机的竖向下侧加载活塞上，按照步骤四的要求安装减摩材料4和薄铜片6，再将试样2放置在该承压垫块3上，然后将第二块承压垫块3放置在试样2上，试样2与第二块承压垫块3之间同样按照步骤四的要求安装减摩材料4和薄铜片6，控制竖向上侧加载活塞下行，直到活塞端部与上侧承压垫块3相接触，并稍微加力夹紧即可；
将辅助垫块5送到一侧水平加载活塞与试样2之间，辅助垫块5同时贴靠在两承压垫块侧部，控制水平加载活塞伸出，直到活塞端部与辅助垫块5相接触顶住辅助垫块5，防止试验过程中承压垫块3水平移动；
控制竖向加载活塞施加竖向压力，同时另一侧水平加载活塞以0.03mm/min的速度推动试样2，试样加载状态如图5所示，此时可以通过水平推力值及竖向压力值计算出摩擦系数，并通过试验数据确定减摩材料的适用性；
如图2所示，分别为安装聚四氟乙烯膜、涂抹硬脂酸合成减摩剂及未安装任何减摩材料时所测得的相应摩擦系数对比图，可看出硬脂酸合成减摩剂的摩擦系数维持在0.02左右，其减摩性能要优于聚四氟乙烯膜；
步骤七：进行减摩材料对端部摩擦效应的影响试验
（1）单轴加载试验
试验前，需要准备两块承压垫块3，先将一块承压垫块3送入真三轴试验机的竖向下侧加载活塞上，按照步骤四的要求安装减摩材料4和薄铜片6，再将试样放置在该承压垫块3上，然后将第二块承压垫块3放置在试样2上，试样2与第二块承压垫块3之间同样按照步骤四的要求安装减摩材料4和薄铜片6，控制竖向上侧加载活塞下行，直到活塞端部与上侧承压垫块3相接触，并稍微加力夹紧即可；其中试样需要按照步骤三的要求，将应变片1与外部的应变采集仪相连接；
试验中，控制竖向加载活塞施加竖向压力，试样加载状态如图6所示，同时记录下应变片采集到的应变值；接下来需要进行以下三种情况的对比试验，分别包括：
①.只在上侧承压垫块与试样间安装减摩材料和薄铜片
②.只在下侧承压垫块与试样间安装减摩材料和薄铜片
③.承压垫块与试样间完全不安装减摩材料和薄铜片
上述试验一共做三组，一个铁质试样和两个岩石试样全部试验一遍，分析三种试样的试验数据，通过试验数据验证减摩材料的过度减摩现象；
本实施例中，以聚四氟乙烯膜为例，通过本试验来验证聚四氟乙烯膜的过度减摩现象，如图3所示，为完全不安装减摩材料和薄铜片时应力与应变关系图，如图4所示，为安装了聚四氟乙烯膜和和薄铜片时应力与应变关系图，从图4中可以看到试样上、下端部随着应力增加的同时，应变值几乎不再增加，验证了过度减摩现象的发生。
（2）双轴加载试验
准备四块承压垫块3，两块承压垫块位于试样上、下两侧，另两个承压垫块位于试样左、右两侧，直到将试样2和承压垫块3全部预装夹到真三轴试验机内为止，此时试样2与承压垫块3之间已经安装了减摩材料4和薄铜片6，然后试样2需要按照步骤三的要求，将应变片1与外部的应变采集仪相连接；
试验中，先对竖向加载活塞施加竖向压力，在一定压力值下，再对水平加载活塞施加横向压力，试样加载状态如图7所示，同时记录下应变片采集的应变值；再以完全不安装减摩材料和薄铜片的情况，进行一次对比试验；
上述试验一共做三组，一个铁质试样和两个岩石试样全部试验一遍，分析三种试样的试验数据，通过试验数据验证减摩材料的过度减摩现象，并帮助技术人员准确了解端部摩擦效应对试验结果的影响。

Claims (3)

1.一种检测端部摩擦效应及减摩材料性能的试验方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：准备三个试样，包括一个铁质试样和两个岩石试样；
步骤二：选取试样的一个非加载面贴上应变片，应变片分布于试样非加载面的四个顶角及非加载面的中部；
步骤三：试验前，需要通过导线将应变片与外部的应变采集仪相连接，其中与应变片相连接的导线一端需要焊接在应变片固定端子上；
步骤四：选取一种测试用的减摩材料，再准备一些薄铜片，薄铜片的尺寸与试样加载面的尺寸相同；其中减摩材料和薄铜片需要加装在试样与承压垫块之间，且减摩材料位于承压垫块与薄铜片之间；
步骤六：进行减摩材料的摩擦系数测定试验
试验前，准备两块承压垫块和一块辅助垫块，先将一块承压垫块送入真三轴试验机的竖向下侧加载活塞上，按照步骤四的要求安装减摩材料和薄铜片，再将试样放置在该承压垫块上，然后将第二块承压垫块放置在试样上，试样与第二块承压垫块之间同样按照步骤四的要求安装减摩材料和薄铜片，控制竖向上侧加载活塞下行，直到活塞端部与上侧承压垫块相接触，并稍微加力夹紧即可；
将辅助垫块送到一侧水平加载活塞与试样之间，辅助垫块同时贴靠在两承压垫块侧部，控制水平加载活塞伸出，直到活塞端部与辅助垫块相接触顶住辅助垫块；
控制竖向加载活塞施加竖向压力，同时另一侧水平加载活塞以0.03mm/min的速度推动试样，此时可以通过水平推力值及竖向压力值计算出摩擦系数，并通过试验数据确定减摩材料的适用性；
步骤七：进行减摩材料对端部摩擦效应的影响试验
（1）单轴加载试验
试验前，准备两块承压垫块，先将一块承压垫块送入真三轴试验机的竖向下侧加载活塞上，按照步骤四的要求安装减摩材料和薄铜片，再将试样放置在该承压垫块上，然后将第二块承压垫块放置在试样上，试样与第二块承压垫块之间同样按照步骤四的要求安装减摩材料和薄铜片，控制竖向上侧加载活塞下行，直到活塞端部与上侧承压垫块相接触，并稍微加力夹紧即可；此时试样需要按照步骤三的要求，将应变片与外部的应变采集仪相连接；
试验中，控制竖向加载活塞施加竖向压力，同时记录下应变片采集到的应变值；
上述试验一共做三组，一个铁质试样和两个岩石试样全部试验一遍，分析三种试样的试验数据，通过试验数据验证减摩材料的过度减摩现象；
（2）双轴加载试验
准备四块承压垫块，两块承压垫块位于试样上、下两侧，另两个承压垫块位于试样左、右两侧，直到将试样和承压垫块全部预装夹到真三轴试验机内为止；此时试样与承压垫块之间已经安装了减摩材料和薄铜片，然后试样需要按照步骤三的要求，将应变片与外部的应变采集仪相连接；
试验中，先对竖向加载活塞施加竖向压力，在一定压力值下，再对水平加载活塞施加横向压力，同时记录下应变片采集的应变值；
上述试验一共做三组，一个铁质试样和两个岩石试样全部试验一遍，分析三种试样的试验数据，通过试验数据验证减摩材料的过度减摩现象。
2.根据权利要求1所述的一种检测端部摩擦效应及减摩材料性能的试验方法，其特征在于：所述的单轴加载试验需要进行以下三种情况的对比试验，分别包括：
①.只在上侧承压垫块与试样间安装减摩材料和薄铜片；
②.只在下侧承压垫块与试样间安装减摩材料和薄铜片；
③.承压垫块与试样间完全不安装减摩材料和薄铜片。
3.根据权利要求1所述的一种检测端部摩擦效应及减摩材料性能的试验方法，其特征在于：所述的双轴加载试验要以完全不安装减摩材料和薄铜片的情况，进行一次对比试验。
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