一种岩心连续划痕测试装置

本发明属于岩石宏观力学性能测试，尤其涉及一种岩心连续划痕测试装置。

背景技术：

1、煤炭、石油、地热等深部能源蕴藏在岩石基质中，提高能源开采效率与资源利用率离不开对岩石力学特性的深刻认识，岩体抗压强度、粘聚力、内摩擦角、断裂韧性等宏观强度参数的准确获取与定量表征意义重大。

2、常规岩石强度获取依赖于单轴/三轴压缩试验，通过压缩破坏的峰值载荷确定岩体强度。常规压缩试验对于岩石制样的平整度、高径比、垂直度要求较高，一般需要将岩石运至室内实验室进行加工制样，过程繁杂、消耗大量时间，不利于岩体强度的高效即时测定。此外，压缩试验为一次性岩石破碎试验，单次试验存在一定偏差，测试时需要制取大量岩样进行压缩试验，以充分剔除因岩样自身缺陷或装置测试系统产生的误差。因此，常规压缩试验受限于高标准制样要求、大样本岩心数量，在实际工程应用中存在困难，尤其对于从深部地层钻取的少量珍贵岩样，用压缩破坏方式获取岩石强度参数不具有普适性，亟需一种不破碎岩心的高效技术手段。

3、岩石划痕装置作为一种岩心强度微损测试设备，能够很好解决常规岩石压缩测试中的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种岩心连续划痕测试装置，其能够在不破坏岩心完整性的条件下实现岩石力学强度参数的连续测量，对于岩心制样要求较低，钻孔取心的岩样一般可直接用于现场测试，且每块岩心可翻转角度进行多次刻划测试，大幅提升了岩心强度测试的效率与准确性。

2、为了实现上述目的，本技术采用了如下技术方案：

3、一种岩心连续划痕测试装置，所述测试装置包括横向伺服加载机构、竖向伺服加载机构、划痕试验机构、刻划槽、横向力传感器和控制单元；

4、所述刻划槽用于放置岩心试样；

5、所述划痕试验机构上设有刀头、竖向力传感器和滚珠型lvdt，所述滚珠型lvdt用于划过所述岩心试样表面并记录所述岩心试样表面的深度变化并将信号传输到所述控制单元，所述刀头用于刻划所述岩心试样，所述横向力传感器和竖向力传感器用于记录刻划过程中横向及竖向力的变化并将信号传输到所述控制单元，所述控制单元与所述横向伺服加载机构和竖向伺服加载机构电连接；

6、所述横向伺服加载机构用于控制所述划痕试验机构在划痕移动方向上的横向移动；

7、所述竖向伺服加载机构用于控制所述划痕试验机构在划痕深度方向上的竖向移动。

8、在以上技术方案中，所述测试装置还包括二维移动装置，所述二维移动装置包括竖向伺服电机、竖向行星减速机、竖向伸缩传动机和竖向支撑架；

9、所述竖向伺服电机、竖向行星减速机和竖向伸缩传动机构成所述竖向伺服加载机构，所述划痕试验机构设置于所述竖向伺服加载机构上；

10、所述竖向伺服加载机构与所述竖向支撑架通过滚珠丝杠连接，所述滚珠丝杠传递竖向位移，所述竖向伺服加载机构可在所述竖向支撑架上竖向移动，并带动所述划痕试验机构竖向移动。

11、在以上技术方案中，所述划痕试验机构包括加强连接件、所述竖向力传感器、滚针轴承、刀头组件、所述滚珠型lvdt和竖向连接件，所述刀头组件上设有所述刀头；

12、所述加强连接件与所述竖向伺服加载机构固定连接，所述竖向力传感器固定在所述加强连接件的下方，所述竖向连接件固定在所述竖向力传感器下方，所述刀头组件固定在所述竖向连接件下方，所述滚珠型lvdt设置于所述竖向连接件一侧；

13、所述刀头组件与所述竖向伺服加载机构之间存在微间隙，在微间隙之间设置所述滚针轴承，所述滚针轴承固定在所述竖向伺服加载机构一侧，所述刀头组件紧贴所述滚针轴承。

14、在以上技术方案中，所述刀头组件包括加强螺杆、刀片夹、所述刀头和刀头底座；

15、所述刀头底座与所述竖向连接件固定，所述刀头置于所述刀头底座的凹槽内，所述刀头顶部紧贴所述刀头底座的凹槽顶部，所述刀头一侧贴紧所述刀头底座，所述刀片夹贴紧所述刀头另一侧，所述加强螺杆穿过所述刀片夹并拧紧，将所述刀头固定在所述刀头底座的凹槽内。

16、在以上技术方案中，所述刀头底座设有三种不同规格，所述凹槽的角度分别设置为15°、30°和45°。

17、在以上技术方案中，所述刀头设有两种规格，分别为尖刀头和钝刀头。

18、在以上技术方案中，所述滚珠型lvdt包括线圈骨架、测杆、伸缩腔体和滚珠型探头；

19、所述滚珠型探头为可拆卸构件，与所述伸缩腔体通过螺纹套筒连接，所述伸缩腔体与所述测杆之间设有高精度弹簧，所述滚珠型探头受力后所述伸缩腔体向里收缩，线圈骨架感知到收缩的位移并将数据传输到所述控制单元。

20、在以上技术方案中，所述滚珠型探头设有多种不同规格，包括但不限于装备2mm、4mm、6mm、8mm直径的滚珠。

21、在以上技术方案中，所述刻划槽包括试样固定夹、试样挡块、试样挡板、橡胶垫、侧板、集尘槽和v形凹槽底座；

22、所述v形凹槽底座承托所述岩心试样，所述v形凹槽底座两侧设有所述侧板，一端设有试样挡板，所述v形凹槽底座上靠近所述试样挡板的位置设有试样挡块，所述试样固定夹设于所述v形凹槽底座两侧用于将所述岩心试样牢牢固定在所述刻划槽中，所述集尘槽设于所述刻划槽两侧用于收集划痕测试时刻划切割下的岩屑。

23、在以上技术方案中，所述测试装置还包括直线导轨组件，所述直线导轨组件设置于所述刻划槽下方；

24、所述直线导轨组件包括横向丝杆轴承、所述横向力传感器、横向主导轨、横向导轨滑块、横向副导轨、横向丝杠螺母、横向丝杠螺母挡块和横向力传感器挡块；

25、所述横向主导轨和横向导轨滑块构成大导轨，所述横向副导轨和横向丝杠螺母构成小导轨，所述所述横向主导轨和横向副导轨均以螺栓连接方式水平固定在所述刻划槽底部，所述横向导轨滑块、横向丝杠螺母与所述竖向支撑架也通过螺栓连接为一个整体以共同移动；

26、所述横向丝杆轴承连接所述横向伺服加载机构，所述横向伺服加载机构带动所述横向丝杆轴承转动，所述横向丝杆轴承上安装有所述横向丝杠螺母，从而带动所述横向丝杠螺母水平移动，进而带动所述竖向支撑架水平移动。

27、本发明的有益效果在于：

28、1、划痕试验机构加装了滚珠型lvdt，可为岩心表面平整度及测试数据稳定性提供可靠判据。

29、2、划痕试验机构与竖向伺服加载机构通过滚针轴承紧密连接，大大削弱了刀头刻划岩心试样时产生的向后形变，提升了划痕试验机构的抗变形韧性及其整体强度。

30、3、横向伺服加载机构采用双导轨，小导轨保持横向丝杆螺母不转动，消除了螺母与力传感器之间的扭力，小导轨带动大导轨水平移动，有效保证了刀头划痕过程的平稳性。

31、4、横向及竖向力传感器分别放置于刀头上方及小导轨丝杆螺母一侧，测得的两组荷载数据独立且真实，将刀头横向、纵向变形之间的相互影响降至最小。

32、5、本发明规避了常规岩石强度压缩测试的繁琐步骤，可直接应用于地质钻探现场的岩心强度测定，通过双导轨、滚针轴承、滚珠型lvdt的设计，以及合理布置分体式传感器，实现了岩心强度的快速、准确、稳定测定。