工業(yè)ct掃描機同步加載試驗裝置及工業(yè)ct掃描機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明主要用于實現工業(yè)CT掃描機的配套加載，特別設計用于研究土木工程材料的損傷和破壞機理，實現材料在加載損傷過程中，實時采集CT斷層圖像的目的，屬于土木工程材料試驗設備領域。
【背景技術】
[0002]近年來，利用工業(yè)CT掃描機無損的采集和分析材料的內部細觀組成結構及損傷機理逐漸成為土木工程材料研究的重要技術手段之一。其基本原理是通過工業(yè)CT機發(fā)射射線穿透被測物體，通過射線能量的衰減規(guī)律，重構計算形成圖像進行組成結構的分析。但由于工業(yè)CT掃描機本身不具備同步加載條件，研究中往往僅能采用力學加載與CT掃描分離的方式，先進行加載，之后將存在了損傷的試件移至工業(yè)CT掃描機的承重轉臺上進行掃描，這種方式對于具有粘彈性或準脆性材料往往存在荷載卸除后，裂縫閉合、損傷恢復等問題，CT圖像表達的損傷無法全面、完整的反映材料損傷過程，影響損傷機理分析的準確性，因此一直是該技術應用的瓶頸之一。
[0003]實現工業(yè)CT掃描機的同步加載存在以下技術難題:(I)工業(yè)CT掃描機一般采用將試件放置在承重轉臺上旋轉完成掃描的方式，承重轉臺由于承重能力有限，本身變形精度要求高，一般設計僅可承載試件重量，無法提供加載所需的反力，因此，如果開發(fā)CT掃描機同步加載裝置必須采用自反力設計，同時自反力倉應盡可能少對X射線的能量吸收，以免影響X射線對材料本身的穿透效率。(2)試件需要持續(xù)旋轉360度完成掃描，因此，要求加載裝置可與CT機承重轉臺同步旋轉；(3)加載裝置必須體積小、振動小、無油漬污染等問題；(4)需要考慮工業(yè)CT掃描機工作期間的射線防護問題，射線出射期間荷載應持續(xù)恒定，不需人工干預。
[0004]目前，尚沒有專門針對工業(yè)CT掃描機開發(fā)的同步加載裝置，曾有研究機構開發(fā)了配合醫(yī)用CT掃描機的加載設備，但一方面，由于醫(yī)用CT掃描機的射線功率偏低(適用于人體掃描，強度低于40kv)無法對密度較大的工程類材料試件進行掃描，射線穿透能力有限，僅能滿足小于5cm直徑試件的掃描與探傷，無法滿足常規(guī)工程類材料的探測要求，而工業(yè)CT掃描機超過200kv的射線強度，可以滿足直徑1cm以上的土木工程類材料的掃描與探傷要求。另一方面，醫(yī)用CT掃描機所獲取的圖像是基于人體特征進行的重構，其圖像的閾值分割、模式識別對于土木類材料適用性差，且程序難以進行二次開發(fā)。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種可在工業(yè)CT掃描機內提供自反力加載的試驗裝置，該試驗裝置與一般工業(yè)CT掃描機配套使用，可以同步完成材料的加載與損傷過程圖像掃描。
[0006]同時本發(fā)明提供包括該試驗裝置的工業(yè)CT掃描機。
[0007]工業(yè)CT掃描機同步加載試驗裝置，其特征在于:該試驗裝置包括單作用旋轉加載油缸、可透視碳纖維反力架、微扭矩旋轉機構、油壓加載系統(tǒng)和壓力顯示系統(tǒng)；
[0008]所述單作用旋轉加載油缸包括回轉接油口、油缸體、位于油缸體內的反力彈簧和油缸活塞，所述回轉接油口套接于油缸活塞上部，采用可回轉式結構，回轉接油口的外部與油源相連，內部通入油缸體內，所述回轉接油口與油缸活塞能相對旋轉，所述油缸活塞上部且位于油缸體上部與回轉接油口之間有一壓緊螺母，所述油缸體通過壓緊螺母固定于油缸連接筒內，油缸體底部固定有球形壓頭，油缸通過球形壓頭對試件垂直加壓；
[0009]所述可透視碳纖維反力架包括上連接框和下連接板，以及碳纖維支撐，所述上連接框與油缸連接筒底部采用螺栓連接，下連接板通過底板連接法蘭的插銷與CT機承重轉臺連接；所述油缸活塞頂部固定于微扭矩旋轉機構內。
[0010]所述微扭矩旋轉機構包括連接芯軸、旋轉軸承組、軸承座套、連接法蘭。所述軸承座套和連接法蘭通過螺栓固定成封閉結構，軸承座套中間有一固定的連接芯軸，軸承座套與連接芯軸之間有旋轉軸承組，所述旋轉機構能以連接芯軸為中心轉動；油缸活塞頂部插入連接法蘭中，通過油缸活塞頂部的油缸連接螺母與連接法蘭固定。
[0011]所述微扭矩旋轉機構上方有一連接固定架，所述連接芯軸固定于連接固定架上，所述連接固定架能懸掛于CT試驗設備上方的鋁型材橫梁上。
[0012]所述試驗試件上、下兩端有尼龍墊塊。
[0013]所述上連接框、下連接板均為方形，在方形的四個角上有螺栓孔，所述可透視碳纖維反力架上方通過螺栓與油缸連接筒固定，下方與CT機承重轉臺靠插銷相接，所述試驗試件位于上連接框與下連接板之間。
[0014]所述試驗裝置還包括油壓加載系統(tǒng)，所述油壓加載系統(tǒng)包括液壓栗站、油箱和油壓恒壓機構，所述液壓栗站通過管路一端與回轉接油口相連通，另一端與油箱相通，所述加載油壓恒壓機構是由若干個(本發(fā)明優(yōu)選四個)不同壓力的囊式蓄能器組成，所述油壓蓄能器通過截止球閥與通油接管連通，根據需要補償的壓力大小選擇四個囊式蓄能器組合或單獨工作，通過截止球閥連接于鄰近油箱的管路上。
[0015]所述試驗裝置還包括壓力顯示系統(tǒng)，所述壓力顯示系統(tǒng)由帶電源的壓力顯示器和油壓傳感器組成，所述油壓傳感器一端與進油口連通，另一端與壓力顯示器連接。
[0016]工業(yè)CT掃描機，包括上述工業(yè)CT掃描機同步加載試驗裝置，該裝置懸掛于鋁型材橫梁上。
[0017]本發(fā)明的工業(yè)CT掃描機同步加載試驗裝置，包括單作用旋轉加載油缸、可透視碳纖維反力架、微扭矩旋轉機構、油壓加載系統(tǒng)和壓力顯示系統(tǒng)。油缸上的回轉接油口采用可回轉式結構，此結構優(yōu)點在于油缸加載時，油缸接口可以旋轉。液壓油通過回轉接油口進入油缸內推動油缸伸縮，當試驗試件隨承重轉臺轉動進行CT測試時，回轉接油口不轉動；油缸通過球形壓頭對試驗試件垂直加壓?？赏敢曁祭w維反力架通過上連接件四角處的四個螺栓與油缸連接筒底部相連，構成一個閉合的自內力反力加載機構，使得油缸加載時，承重轉臺還同樣能自由轉動。同時可透視碳纖維反力架對X射線幾乎無吸收，試件處在反力架中間位置，使射線通過碳纖維照射試件不會發(fā)生能量衰減。本發(fā)明可透視碳纖維反力架可承受最大荷載為30T。所述單作用旋轉加載油缸，采用的單作用缸形式，油缸里面加有反力彈簧，油缸在加載完成后可通過油缸內的反力彈簧自行卸載，從而使油路簡單化。
[0018]所述微扭矩旋轉機構是為滿足試件要旋轉和旋轉驅動力小的要求設計的微阻力旋轉結構。通過連接法蘭與油缸連接，再通過連接芯軸壓在旋轉軸承組上，實現微阻力旋轉。整個旋轉機構在旋轉的時候回轉接油口不會轉動，而微扭矩旋轉機構與油缸及油缸連接筒是一體旋轉的，即回轉接油口和油缸發(fā)生相對轉動。微扭矩旋轉機構、單作用旋轉加載油缸和可透視碳纖維反力架可以通過連接固定架安裝和固定在CT試驗設備上方的鋁型材橫梁上。連接固定架通過鋁型材橫梁三個方向上的滑動使機構實現不同中心位置的調整。
[0019]油壓加載系統(tǒng)為整個加載系統(tǒng)提供液壓壓力。采用液壓栗站加壓，加壓后截止球閥關閉保證系統(tǒng)壓力不泄露。
[0020]加載油壓恒壓系統(tǒng)是保證加載系統(tǒng)穩(wěn)定的重要組件。由若干個(本發(fā)明優(yōu)選四個)囊式蓄能器沖入的壓力不同，通過截止球閥將不同壓力的蓄能器接入油路中來實現在不同壓力下整個系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。囊式蓄能器在油壓加壓時會將蓄能器內氣囊壓縮儲存能量，加壓結束使系統(tǒng)在氣囊下保持穩(wěn)定。
[0021]壓力顯示系統(tǒng)由壓力顯示器，高精度油壓傳感器，供電電池組成。壓力顯示系統(tǒng)是用來顯示整個系統(tǒng)壓力的一個數字顯示系統(tǒng)。通過接入到油路系統(tǒng)中的高精度油壓傳感器檢測到的系統(tǒng)壓力，通過電路轉換在數碼管上顯示出來。此外系統(tǒng)供電采用蓄電池供電。使此系統(tǒng)成為一個完全獨立的系統(tǒng)，不會和CT掃描機有任何的干擾。
[0022]含有該試驗裝置的工業(yè)CT掃描機，能對試件進行加載，并實現加載過程中試驗試件內部結構的實時掃描。
[0023]與現有技術相比的優(yōu)勢特征
[0024]1.通過自反力設計實現與工業(yè)CT掃描同步的加載功能
[0025]由于現有工業(yè)CT掃描機(一般功率<450kv)的試件承重平臺設計往往僅能滿足試件的重量要求(不大于15kg)，且容許變形僅為0.5%，無法承受垂直加載，因此，加載裝置需采用自反力設計。一般土木工程材料試件，加載設備應可提供0.5T?30T的荷載，本發(fā)明采用的碳纖維高強度反力架可提供足夠的強度，配合油缸使用可實現足夠能力的加載。因此本試驗裝置能滿足工業(yè)CT掃描機的需求。
[0026]2.通過微扭矩旋轉機構實現了自反力加載機構與CT掃描機承重平臺的同步旋轉
[0027]由于工業(yè)CT掃描機的工作方式采用射線源固定，被測樣品旋轉的方式完成掃描，要求加載裝置需要以完全相同的轉速與試件同步旋轉。本發(fā)明裝置采用連接固定架，將整個自反力加載機構吊裝在CT掃描機上方的鋁型材橫梁，承載試件及加載裝置的重量，設計微扭矩旋轉機構，實現僅靠CT掃描機的試件承重平臺轉動來帶動自反力加載機構的勻速轉動。
[0028]3.通過油壓恒壓機構實現了加載過程中的荷載穩(wěn)定補償
[0029]試件加載過程中，由于內部損傷的積聚將產生應力松弛，施加的荷載將不斷降低，本發(fā)明通過4個囊式蓄能器的設置，實現加載過程中的應力補償，從而實現了加載油壓的恒定。
[0030]4.通過碳纖維反力架設計解決了要求反力架高強度與低X射線吸收率之間的矛盾
[0031]反力架材料必須選用高強度、低X射線吸收率的材料，以降低對反力倉內材料芯樣掃描形成的CT圖像的干擾，本發(fā)明采用了碳纖維材料作為反力架，滿足高強度與低X射線吸收率的雙重要求，使射線穿過反力架時，幾乎無能量吸收損耗，因此對所成CT圖像幾乎沒有影響。
【附圖說明】
[0032]圖1旋轉透視反力加載機構；
[0033]圖2