專利名稱：大型多功能材料三軸靜動試驗(yàn)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大型多功能材料三軸靜動試驗(yàn)設(shè)備，屬于試驗(yàn)裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于測量土石和混凝土材料的力學(xué)性能，還能進(jìn)行單獨(dú)滲流以及滲流與應(yīng)力耦合的各種材料試驗(yàn)功能試驗(yàn)等。
背景技術(shù)：
土木、水利工程的安全性，在一定意義上取決于工程材料的強(qiáng)度與變形特性。目前常應(yīng)用三軸試驗(yàn)設(shè)備通過特定的方法來測定材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，進(jìn)一步求得材料的強(qiáng)度指標(biāo)。對于土石材料，目前我國都是采用大型常規(guī)三軸試驗(yàn)機(jī)。存在的問題主要是不能施加較大的應(yīng)力比來模擬實(shí)際地震情況；同時圍壓與豎向壓力具有耦合現(xiàn)象，都需用軟件方法加以修正。這不但影響試驗(yàn)力值精度，而且會影響加載路徑。對于混凝土材料試驗(yàn)，都采用真三軸試驗(yàn)機(jī)。雖然這種試驗(yàn)機(jī)能考慮中間主應(yīng)力對材料的影響，但不能進(jìn)行試件受均勻外部壓力與內(nèi)部孔隙壓力的試驗(yàn)；而應(yīng)用于土石材料的常規(guī)三軸試驗(yàn)機(jī)由于剛度不足都不能進(jìn)行混凝土靜動力試驗(yàn)。到目前為止，無論國內(nèi)還是國外，還都沒有同時能適應(yīng)土石和混凝土材料的試驗(yàn)機(jī)，更沒有獨(dú)立施加雙方向動力荷載的試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)一步考慮滲流與應(yīng)力耦合的大型試驗(yàn)機(jī)更未見有實(shí)例。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種多功能材料三軸靜動試驗(yàn)機(jī)，不但能進(jìn)行土石和混凝土材料試驗(yàn)，具有軸向與周向獨(dú)立靜動荷載的試驗(yàn)?zāi)芰?，而且還具有單項(xiàng)滲流以及滲流與應(yīng)力多項(xiàng)耦合的各種材料試驗(yàn)功能。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下大型多功能材料三軸靜動試驗(yàn)機(jī)，由主機(jī)部分、油路部分、三軸儀和相應(yīng)的電液伺服控制系統(tǒng)組成；所述主機(jī)部分包括主機(jī)架，安裝在機(jī)架頂部的軸向激振器、三軸壓力室和設(shè)置主機(jī)底部的水平移動三軸壓力室，其特征在于所述主機(jī)部分還包括側(cè)向油水交換缸，驅(qū)動側(cè)向油水交換缸的側(cè)向液壓缸；設(shè)置在主機(jī)底部的與所述三軸壓力室內(nèi)部裝載的試樣連通的滲流水缸，以及驅(qū)動所述滲流水缸的滲流液壓缸；所述串聯(lián)水缸是與活塞桿的上部串聯(lián)，下部通過側(cè)向油水交換缸與三軸壓力室水路連通，從而保持由軸向激振器驅(qū)動的活塞桿上下運(yùn)動時，不引起三軸壓力室內(nèi)部液體的附加壓力。
本發(fā)明所述側(cè)向油水交換缸裝有動態(tài)密封的活塞。
本發(fā)明所述油路部分包括兩個并聯(lián)油箱、兩個與并聯(lián)油箱相對應(yīng)的并聯(lián)油泵。
本發(fā)明與普通試驗(yàn)機(jī)相比，其顯著特點(diǎn)為本發(fā)明能施加較大的應(yīng)力比來模擬實(shí)際地震情況，同時圍壓與豎向壓力互不影響。不同類型材料的試驗(yàn)僅需更換加載頭，部件利用率高；并聯(lián)的液壓系統(tǒng)能有效的適應(yīng)各種試驗(yàn)；數(shù)據(jù)采集與控制模式自動化程度高。


圖1為本發(fā)明的多功能材料靜動三軸試驗(yàn)機(jī)的示意圖。
圖2為本發(fā)明主機(jī)部分的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的工作原理圖。
圖4為本發(fā)明油路部分的液壓原理圖。
圖5為本發(fā)明的水氣原理圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的多功能材料三軸靜動試驗(yàn)機(jī)由以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)來實(shí)現(xiàn)1)為了適應(yīng)不同材料試驗(yàn)的需求，采用并聯(lián)油源的液壓系統(tǒng)，這可以針對試驗(yàn)需要的油量隨時靈活添加；2)為了克服軸向荷載作用引起三軸壓力室壓力不穩(wěn)定或圍壓荷載作用引起軸向荷載不穩(wěn)定的問題，采用與三軸壓力室相連通的串聯(lián)水缸的穩(wěn)壓設(shè)備，達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)量不變來保證壓力室壓力穩(wěn)定；3)為了實(shí)現(xiàn)試樣孔隙壓力的主動控制，采用了一套獨(dú)立的電液伺服控制系統(tǒng)參與孔隙壓力測控，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力與滲流耦合。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的主要部件及結(jié)構(gòu)。
請參見圖1，本發(fā)明由主機(jī)部分1、油源部分2、三軸儀3和電液伺服控制系統(tǒng)4組成。如圖2和圖3所示，主機(jī)部分1包括主機(jī)架，安裝在機(jī)架頂部的軸向激振器104、側(cè)向油水交換缸102和串聯(lián)水缸103，驅(qū)動側(cè)向油水交換缸102的側(cè)向液壓缸101，設(shè)置主機(jī)底部可水平移動的三軸壓力室107，設(shè)置在主機(jī)底部的與所述三軸壓力室107內(nèi)部裝載的試樣連通的滲流水缸109，以及驅(qū)動所述滲流水缸109的滲流液壓缸110；軸向激振器104的活塞桿114下方端部安裝一個負(fù)荷傳感器106，由軸向激振器104驅(qū)動的活塞桿114的上部與串聯(lián)水缸103連接，下部與所述三軸壓力室107內(nèi)部裝載的試樣連接；所述串聯(lián)水缸103通過鋼管119與側(cè)向油水交換缸102水路連通，通過高壓軟管與三軸壓力室107水路連通，從而保持液體質(zhì)量不變，并保持由軸向激振器104驅(qū)動的活塞桿114上下運(yùn)動時，不引起三軸壓力室107內(nèi)部液體的附加壓力。
機(jī)架由升降機(jī)構(gòu)，底座，4根立柱，上橫梁構(gòu)成足夠剛度的框架。上橫梁上裝有軸向激振器104，按常規(guī)連接方式設(shè)有軸向電液伺服閥113，蓄能器，電磁換向閥121和軸位移傳感器等裝置。側(cè)向油水交換缸102內(nèi)設(shè)有動態(tài)密封與非金屬噴涂支承，具有磨擦力小，活塞桿支承長的優(yōu)點(diǎn)，可承受較大的側(cè)向力。
側(cè)向液壓缸101設(shè)置在主機(jī)架的側(cè)面，利用側(cè)向電液伺服閥116和側(cè)位移傳感器驅(qū)動側(cè)向油水交換缸102。
三軸壓力室107是安裝試樣的壓力容器，它由加荷的活塞桿114、室筒、壓力室蓋、底盤、支架、密封圈等組成。三軸壓力室107的底盤接頭上裝有常規(guī)的側(cè)壓力傳感器，上孔壓力傳感器，下孔壓力傳感器，反壓力傳感器等量測裝置。
從上述結(jié)構(gòu)中可以看出，主機(jī)部分1采用了由升降機(jī)構(gòu)，底座，4根立柱，上橫梁構(gòu)成的框架式結(jié)構(gòu)，保證了足夠的機(jī)架剛度，這樣就可以滿足該機(jī)多種材料的試驗(yàn)要求，不但能做土材料的試驗(yàn)還能進(jìn)行巖石和混凝土等剛性較大材料的試驗(yàn)。在本發(fā)明中，采用串聯(lián)水缸的方式解決了軸向受力與圍壓耦合的問題。同樣在本發(fā)明中，增加了一套由滲流液壓缸110等組成的獨(dú)立伺服作動器，它即可單獨(dú)工作，也可與其他兩路伺服作動器(側(cè)向液壓缸101和軸向激振器104)共同工作，使得單項(xiàng)滲流以及滲流與應(yīng)力耦合的試驗(yàn)功能得以實(shí)現(xiàn)。
圖4為油路部分的液壓原理圖。所述油路部分2包括兩個并聯(lián)油箱、兩個與并聯(lián)油箱相對應(yīng)的并聯(lián)油泵，以及受軸向電液伺服閥113、側(cè)向電液伺服閥116和滲流電液伺服閥117控制的壓力油。并聯(lián)油泵可單獨(dú)給系統(tǒng)供壓力油，也可同時給系統(tǒng)供壓力油，可以滿足為不同試驗(yàn)條件提供不同流量的壓力油。兩個并聯(lián)油箱分別裝有散熱器和電接點(diǎn)溫度計(jì)，對系統(tǒng)長時間工作起到降溫和保護(hù)作用。
系統(tǒng)的壓力油分為三路第一路壓力油經(jīng)過400升/分精密濾油器進(jìn)入軸向電液伺服閥113后，再進(jìn)入軸向激振器104，從而控制軸向激振器104產(chǎn)生軸向力。第二路壓力油經(jīng)過精密濾油器進(jìn)入側(cè)向電液伺服閥116后，再進(jìn)入側(cè)向液壓缸101，從而控制側(cè)向液壓缸101產(chǎn)生側(cè)向力。側(cè)向液壓缸101活塞上連接側(cè)向油水交換缸102，推動其活塞使壓力室的水產(chǎn)生壓力，從而使試樣形成圍壓。第三路壓力油經(jīng)過精密濾油器進(jìn)入滲流電液伺服閥117后再進(jìn)入滲流液壓缸110，從而控制所述滲流液壓缸110。滲流液壓缸110上串連滲流水缸109。由滲流液壓缸110活塞的力使?jié)B流水缸109里的水產(chǎn)生反壓從而作用在試樣的內(nèi)部產(chǎn)生反壓力。
所述的三條油路及相應(yīng)的電液伺服閥可以依據(jù)試驗(yàn)的要求既可單獨(dú)工作，也可同時工作，極大的方便了用戶使用。
圖5為水氣原理圖。三軸儀3與三軸壓力室107、側(cè)向油水交換缸102、串聯(lián)水缸103組成水氣系統(tǒng)，三軸儀3主要由反壓罐309、體變量罐308、空壓機(jī)315、真空泵324、脫氣水罐321、飽和真空罐320等構(gòu)成。所述水氣系統(tǒng)具有向三軸壓力室107供水、施加與控制圍壓；對試樣進(jìn)行水頭飽和抽氣飽和反壓飽和施加滲壓，以及測量圍壓、上孔壓、下孔壓與試樣體積變化等功能。
反壓罐309由封閉式水罐(容積12升)，磁致伸縮液位傳感器，管道等組成。其上部是壓縮空氣，下部的水在水閥打開時，經(jīng)管道、閥與三軸壓力室107的試樣下孔相通，使試樣產(chǎn)生反壓。反壓罐309的上蓋上裝有測量體變的磁致伸縮液位傳感器。
體變量罐308通過閥門，管道與反壓罐309相連，它可以用來標(biāo)定磁致位移傳感器的行程，進(jìn)而算出試樣排出的水量。
從上述三軸儀的結(jié)構(gòu)中可以看出，由于采用高精度的磁致位移傳感器裝入加工非常精密的體變量罐內(nèi)，根據(jù)磁致位移傳感器測出的排水高度與體變量罐的面積就可求得體積變化值且能夠保證測量精度。
而空氣減壓閥能把來自空壓機(jī)315的壓力氣體調(diào)到預(yù)定壓力。由于真空泵324的采用，可以對試樣內(nèi)部抽真空，以便使乳膠模與模筒緊密貼合，試樣挺立和浸飽和水。以上結(jié)構(gòu)使得試樣的制備、抽真空以及浸脫氣水變得容易。
本發(fā)明的電液伺服控制系統(tǒng)4主要包括計(jì)算機(jī)，16位PCIA/D和D/A轉(zhuǎn)換板，以及電液伺服控制柜。所述的計(jì)算機(jī)與通過16位PCI A/D和D/A轉(zhuǎn)換板及串行口與電液伺服控制柜相連。所述的電液伺服控制系統(tǒng)4實(shí)現(xiàn)三路伺服閉環(huán)控制，一路是軸向控制通過電液伺服控制柜與軸向電液伺服閥113相連；第二路是側(cè)向控制通過電液伺服控制柜與側(cè)向電液伺服閥116相連；第三路是滲流控制通過電液伺服控制柜與滲流電液伺服閥117相連。
權(quán)利要求
1.大型多功能材料三軸靜動試驗(yàn)機(jī)，由主機(jī)部分(1)、油路部分(2)、三軸儀(3)和相應(yīng)的電液伺服控制系統(tǒng)(4)組成；所述主機(jī)部分(1)包括主機(jī)架，安裝在機(jī)架頂部的軸向激振器(104)、三軸壓力室(107)和設(shè)置主機(jī)底部的水平移動三軸壓力室(107)，其特征在于所述主機(jī)部分(1)還包括側(cè)向油水交換缸(102)，驅(qū)動側(cè)向油水交換缸(102)的側(cè)向液壓缸(101)；設(shè)置在主機(jī)底部的與所述三軸壓力室(107)內(nèi)部裝載的試樣連通的滲流水缸(109)，以及驅(qū)動所述滲流水缸(109)的滲流液壓缸(110)；所述串聯(lián)水缸(103)是與活塞桿(114)的上部串聯(lián)，下部通過側(cè)向油水交換缸(102)與三軸壓力室(107)水路連通，從而保持由軸向激振器(104)驅(qū)動的活塞桿(114)上下運(yùn)動時，不引起三軸壓力室(107)內(nèi)部液體的附加壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料三軸靜動試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述側(cè)向油水交換缸(102)裝有動態(tài)密封的活塞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料三軸靜動試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述油路部分(2)包括兩個并聯(lián)油箱、兩個與并聯(lián)油箱相對應(yīng)的并聯(lián)油泵。
全文摘要
大型多功能材料三軸靜動試驗(yàn)機(jī)，屬于試驗(yàn)裝置技術(shù)領(lǐng)域。為了提供一種能夠適用于測量土石和混凝土材料的力學(xué)性能，還能進(jìn)行單獨(dú)滲流以及滲流與應(yīng)力耦合的各種材料試驗(yàn)的三軸靜動試驗(yàn)機(jī)，本發(fā)明公開的三軸靜動試驗(yàn)機(jī)的特征在于，其主機(jī)部分包括側(cè)向油水交換缸和串聯(lián)水缸，驅(qū)動側(cè)向油水交換缸的側(cè)向液壓缸，設(shè)置在主機(jī)底部的與所述三軸壓力室內(nèi)部裝載的試樣連通的滲流水缸，以及驅(qū)動所述滲流水缸的滲流液壓缸；所述串聯(lián)水缸通過側(cè)向油水交換缸與三軸壓力室水路連通，由軸向激振器驅(qū)動的活塞桿的上部與串聯(lián)水缸連接，下部與所述三軸壓力室內(nèi)部裝載的試樣連接。本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)剛度大，測量控制精度高，功能多，非常適宜材料科學(xué)研究與工程檢測。
文檔編號G01N3/00GK1641350SQ200510011130
公開日2005年7月20日 申請日期2005年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月7日
發(fā)明者劉天云, 張建民, 賈喜群, 李慶斌, 肖雪紅, 張丙印, 張建衛(wèi), 金峰, 師錄英, 王恩志 申請人:清華大學(xué), 天水紅山試驗(yàn)機(jī)有限公司