谷春華，青克爾，金小剛，蔡 宏

(中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130103)

1 引 言

在全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，為滿(mǎn)足我國(guó)水電能源開(kāi)發(fā)、煤礦和金屬開(kāi)采、交通工程建設(shè)、能源儲(chǔ)備、高放廢棄物處理的需要，規(guī)模日益增大的地下巖石工程快速向深部發(fā)展，所涉及的巖石力學(xué)問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜。

巖石力學(xué)試驗(yàn)是研究巖石物理和力學(xué)性質(zhì)的重要手段。在巖土工程中，利用試驗(yàn)參數(shù)可進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)，工程地質(zhì)條件與問(wèn)題評(píng)價(jià)，巖質(zhì)邊坡、巖質(zhì)地基和隧道圍巖變形及穩(wěn)定性分析，以及地質(zhì)災(zāi)害防治工程方案論證等，為巖體工程設(shè)計(jì)與施工提供參數(shù)和依據(jù)。

巖石真三軸試驗(yàn)機(jī)是一種能夠完成室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的設(shè)備，可完成單軸、雙軸和真三軸的拉壓組合試驗(yàn)。若增加一些相應(yīng)的輔助裝置，還可以實(shí)現(xiàn)剪切、彎曲、斷裂和巖爆等試驗(yàn)。其中，室內(nèi)巖爆試驗(yàn)一般采用瞬時(shí)卸載方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)普遍采用液壓提供卸載動(dòng)力，而采用液壓提供卸載動(dòng)力的方式雖然在一定程度上能夠滿(mǎn)足瞬時(shí)卸載速率的要求，但存在資源浪費(fèi)、容易污染環(huán)境、配套液壓站空間占有率高等缺點(diǎn)。因此，本文研制了一種環(huán)保、節(jié)約能源的電磁瞬時(shí)卸載裝置，并將其應(yīng)用于真三軸試驗(yàn)機(jī)。

2 真三軸試驗(yàn)機(jī)瞬時(shí)卸載機(jī)理設(shè)計(jì)

巖爆是地下巖體開(kāi)挖過(guò)程中集聚在巖石中的彈性應(yīng)變能釋放而導(dǎo)致的巖體快速大變形和激烈的巖石破壞現(xiàn)象。

真三軸加載條件下(如圖1所示)，巖石具有較高的強(qiáng)度是巖爆發(fā)生的必要條件。本文應(yīng)用真三軸試驗(yàn)機(jī)，在方形試樣相互垂直的6個(gè)面上分別施加軸向載荷，實(shí)現(xiàn)真三軸加載，加載裝置采用電動(dòng)伺服作動(dòng)器。

(a)加載狀態(tài) (b)卸載狀態(tài)圖1 真三軸加卸載狀態(tài)

巖爆試驗(yàn)的瞬時(shí)卸載功能主要通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：在真三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣的6個(gè)面加載過(guò)程中，突然將一個(gè)側(cè)面的加載桿瞬時(shí)撤回，與試樣相應(yīng)端面之間留出空白區(qū)，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)卸載，模擬巖體試樣在開(kāi)挖過(guò)程中開(kāi)挖面應(yīng)力消失的工況。

3 永磁式電控吸盤(pán)設(shè)計(jì)

3.1 永磁式電控吸盤(pán)工作原理

永磁式電控吸盤(pán)的工作原理是，分別采用高矯頑力與低矯頑力兩種不同的永磁材料作為永磁體，借助盤(pán)體及磁極塊形成磁路，通過(guò)外加激勵(lì)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)改變低矯頑力永磁體的充磁方向，從而使吸盤(pán)達(dá)到對(duì)外吸料、放料兩種工作狀態(tài)，其具體工作原理如圖2所示。當(dāng)線(xiàn)圈通正向電流時(shí)，可逆永磁體極性方向如圖2(a)所示，此時(shí)有磁感線(xiàn)穿過(guò)工件，吸盤(pán)對(duì)外表現(xiàn)為吸料狀態(tài)；當(dāng)線(xiàn)圈通反向電流時(shí)，可逆永磁體極性方向如圖2(b)所示，此時(shí)磁感線(xiàn)在吸盤(pán)內(nèi)部形成閉合回路，沒(méi)有磁感線(xiàn)穿過(guò)工件，吸盤(pán)對(duì)外表現(xiàn)為放料狀態(tài)。

(a)充磁狀態(tài) (b)退磁狀態(tài)圖2 永磁式電控吸盤(pán)工作原理

3.2 磁吸力理論計(jì)算

根據(jù)麥克斯韋公式，得出永磁體對(duì)鐵磁性材料的磁吸力求解公式為：

式中：F為磁吸力(N)；Bg為氣隙磁通密度(T)；Φg為氣隙磁通(Wb)；Ag為磁極面積(m2)；μ0為真空磁導(dǎo)率(4π×10-7H/m)。

當(dāng)電控永磁吸盤(pán)與被吸附工件之間接觸吸合時(shí)，將其之間的氣隙磁通密度看作是均勻的，因此，電控永磁吸盤(pán)對(duì)鐵磁性材料的磁吸力為：

式中：F為磁吸力(N)；Bg為氣隙磁通密度(T)；Φg為氣隙磁通(Wb)；Ag為磁極面積(cm2)。

從上述公式可知，永磁式電控吸盤(pán)的磁吸力與吸盤(pán)和工件間隙的磁通密度的平方和磁極面積成正比。因此，為得到最大的磁吸力，應(yīng)當(dāng)通過(guò)合理設(shè)計(jì)磁路以得到盡可能大的氣隙磁通密度與磁極面積。

3.3 永磁式電控吸盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文選擇釹鐵硼永磁材料為主磁體和鋁鎳鈷永磁材料為可逆磁體，磁軛為工業(yè)純鐵，底板為非導(dǎo)磁材料。磁極單元表面尺寸選用目前市場(chǎng)上常用的50mm×50mm尺寸系列，高度尺寸在50mm～100mm之間，此時(shí)在最大脈沖電流的激勵(lì)充磁下，單位面積磁吸力可達(dá)156.06N/cm2。退磁情況下，磁極單元的磁吸力要接近0N。

本文中的真三軸試驗(yàn)機(jī)瞬時(shí)卸載方向軸的加載力為100kN，因此吸盤(pán)磁極數(shù)量采用56個(gè)，此時(shí)吸盤(pán)的最大吸力能夠達(dá)到F=56×(5×5)cm2×156.06N/cm2=218.484kN，此最大吸力大于100kN，滿(mǎn)足使用需求。

4 電磁瞬時(shí)卸載裝置設(shè)計(jì)

4.1 瞬時(shí)卸載裝置原理

根據(jù)上述章節(jié)的磁極單元尺寸及數(shù)量設(shè)計(jì)電磁吸盤(pán)外形，然后再根據(jù)電磁吸盤(pán)外形尺寸設(shè)計(jì)瞬時(shí)卸載裝置。該裝置由2個(gè)電磁吸盤(pán)、加載作動(dòng)器安裝座和加載作動(dòng)器及其加載桿等組成，瞬時(shí)卸載實(shí)現(xiàn)動(dòng)作原理如下：對(duì)試樣加載時(shí)前端電磁吸盤(pán)吸住加載作動(dòng)器安裝座，當(dāng)需要卸載時(shí)前端電磁吸盤(pán)退磁，后端電磁吸盤(pán)充磁將加載作動(dòng)器安裝座吸回，此時(shí)試樣和加載作動(dòng)器的加載桿相互脫離，試樣該端面加載力瞬時(shí)卸掉。瞬時(shí)卸載裝置原理如圖3所示。

(a)加載狀態(tài)

4.2 瞬時(shí)卸載裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中的真三軸試驗(yàn)機(jī)的瞬時(shí)卸載速率要求為不小于200kN/s，為響應(yīng)該指標(biāo)，電磁吸盤(pán)的充磁和退磁時(shí)間必須極短。因此，1個(gè)電磁吸盤(pán)分4個(gè)區(qū)域進(jìn)行同步控制(控制原理如圖4所示)，進(jìn)而將電磁吸盤(pán)的充磁和退磁時(shí)間大大縮短到約0.02s，最終達(dá)到瞬時(shí)卸載速率要求。

圖4 瞬時(shí)卸載裝置控制系統(tǒng)

電磁吸盤(pán)控制器采用鳴士公司生產(chǎn)的KYX型充退磁控制器，該控制器以單片機(jī)為控制中心，根據(jù)設(shè)定的導(dǎo)通角和充退磁時(shí)間控制反并聯(lián)的可控硅的通斷，從而同時(shí)控制1路電控永磁吸盤(pán)充磁和退磁輸出電流，實(shí)現(xiàn)最佳的充退磁效果。

4.3 瞬時(shí)卸載裝置功能驗(yàn)證

瞬時(shí)卸載裝置設(shè)計(jì)加工完成后，將其安裝在真三軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行功能驗(yàn)證。首先驗(yàn)證承載能力：通過(guò)軟件控制對(duì)金屬試樣進(jìn)行加載，比較軟件命令值和反饋值，如表1所示。從試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可知，電控吸盤(pán)的承載力滿(mǎn)足最大加載力100kN的要求，且滿(mǎn)足±0.5%(示值)精度指標(biāo)。

表1 承載能力驗(yàn)證數(shù)據(jù)

電控永磁吸盤(pán)承載能力指標(biāo)驗(yàn)證完成后，再次采用軟件進(jìn)行施加滿(mǎn)載保載，然后進(jìn)行瞬時(shí)卸載功能驗(yàn)證，加載力-時(shí)間曲線(xiàn)如圖5所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知，瞬時(shí)卸載裝置的前后電磁吸盤(pán)充磁、退磁動(dòng)作順暢，滿(mǎn)足瞬時(shí)卸載速率要求。

圖5 加載力-時(shí)間曲線(xiàn)

瞬時(shí)卸載裝置功能驗(yàn)證完成后，采用煤巖試樣進(jìn)行巖爆試驗(yàn)測(cè)試。從成像監(jiān)測(cè)效果圖(如圖6所示)可知，本文設(shè)計(jì)的電磁瞬時(shí)卸載裝置滿(mǎn)足巖爆試驗(yàn)的使用要求。

(a)加載狀態(tài) (b)巖爆狀態(tài)圖6 煤巖試樣巖爆試驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種適用于巖石真三軸試驗(yàn)機(jī)使用的瞬時(shí)卸載裝置，為研究應(yīng)變巖爆誘發(fā)機(jī)制提供了試驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)。該裝置采用永磁式電控吸盤(pán)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，并應(yīng)用到實(shí)際真三軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行性能和功能驗(yàn)證工作，同時(shí)完成了煤巖的巖爆試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該電磁瞬時(shí)卸載裝置完全滿(mǎn)足瞬時(shí)卸載使用功能的要求。

電磁瞬時(shí)卸載裝置只有充退磁瞬間通入脈沖電流，通電時(shí)間短，消耗能量少，基本不會(huì)有溫升，也不存在偶然斷電失磁帶來(lái)的危險(xiǎn)。該裝置節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省空間，具有卸載響應(yīng)快、卸載速率可控、工作效率高、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)。