CN103063818A - 一种水岩干湿循环试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水岩干湿循环试验仪，包括试验箱和支座，支座安装在试验箱底部，在试验箱内部顶端上固定有两个相对的真空试验箱和两个相对的烘干试验箱；两个真空试验箱上连接有真空泵和双向水泵，双向水泵通过控水阀门与安装在试验箱内部的储液箱相连，试验箱下端设置有四个试验箱底盘，试验箱底盘底面上装配有可旋转的自动升降旋转轴；本试验仪通过温度传感器、压力传感器、电动机、PLC控制器和继电器组成的控制单元实现自动控制。本发明实现了试验过程的自动化，避免手工操作的繁琐，缩短了试验时间，加快了试验进程，减小了由于人工操作而带来的误差。

Description

一种水岩干湿循环试验仪

技术领域

本发明涉及一种试验仪器，具体涉及一种水岩干湿循环试验仪。

背景技术

近年来，干湿循环对土体强度的影响研究已取得一些进展，但国内外就干湿循环对岩石强度的影响研究仍然偏少。公知的试验操作根据规范规定过程为“吸水-风干”作用。现有的实验操作过程根据规范规定，将岩样竖直置放于饱和缸中，第一次加水至H/4高度(H为试件高度)，以后每隔2小时加水至H/2和3H/4高度,6小时后试件全部淹没于水中。48小时后取出，此时试件吸水已经完成。然后将试件置于的烘箱中，将温度保持在60℃状态不变，开启除湿干燥风机，48小时后取出，经测定此时试件的含水量约0.1%，基本趋于零。这就是试验设计的一个“吸水-风干”作用过程。岩石试样通过以上实验操作，即可用于物理力学参数的测定。此过程均为人工操作，过程繁琐，耗时长，试验精度差。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种水岩干湿循环试验仪，该仪器不仅可以准确完成试验，而且能够实现试验过程自动化，缩短试验时间。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种水岩干湿循环试验仪，包括试验箱和支座，支座安装在试验箱底部，在试验箱内部顶端上固定有两个相对的真空试验箱和两个相对的烘干试验箱，真空试验箱和烘干试验箱的大小相同，真空试验箱和烘干试验箱之间呈直角安装；两个真空试验箱上连接有真空泵和双向水泵，双向水泵通过控水阀门与安装在试验箱内部的储液箱相连，试验箱下端设置有与真空试验箱和烘干试验箱相对应的四个试验箱底盘，试验箱底盘底面上装配有可旋转的自动升降旋转轴；烘干试验箱中安装有温度传感器和电热丝，真空试验箱中安装有压力传感器，温度传感器和压力传感器分别与PLC控制器相连，PLC控制器分别通过继电器与两个电动机驱动电路相连，所述的两个电动机驱动电路分别与第一电动机和第二电动机相连，第一电动机安装在支座上，第一电动机的转轴与自动升降旋转轴配合升降传动；第二电动机安装在试验箱底盘底面上，第二电动机的转轴与自动升降旋转轴配合旋转传动；PLC控制器通过继电器分别与水泵驱动电路和控水阀门相连，水泵驱动电路与双向水泵相连；PLC控制器通过继电器与加热控制电路相连，加热控制电路与电热丝相连；PLC控制器通过继电器与真空泵驱动电路相连，真空泵驱动电路与真空泵相连。

本发明还具有如下技术特点：

所述的PLC控制器采用型号为C200HE-CPU42-E的PLC控制器。

所述的烘干试验箱上加工有通气孔。

所述的四个试验箱底盘上均设有凹槽和网格。

所述的控水阀门采用电磁阀。

所述的第一电动机的转轴与自动升降旋转轴之间通过齿轮齿条啮合传动；所述的第二电动机的转轴与自动升降旋转轴之间通过传动带传动。

本发明通过使用电子程序的控制，实现了试验过程的自动化，避免手工操作的繁琐；试验采用抽真空法使岩石试样完全地达到饱和，缩短了试验时间，加快了试验进程。试验过程为仪器自动操作，降低了由于人工操作而产生的错误，减小了由于人工操作而带来的误差。

附图说明

图1是水岩干湿循环试验仪的整体结构示意图。

图2是水岩干湿循环试验仪的上部构件的俯视图。

图3是水岩干湿循环试验仪的下部构件的俯视图。

图4是水岩干湿循环试验仪的剖面图。

图5是自动升降旋转轴的驱动部分结构示意图。

图6是水岩干湿循环试验仪的控制部分连接关系示意图。

图中各个标号的含义有：1-真空泵，2-双向水泵，3-控水阀门，4-储液箱，5-真空试验箱，6-烘干试验箱，7-自动升降旋转轴，8-试验箱底盘，9-试验箱，10-温度传感器，11-压力传感器，12-PLC控制器，13-继电器，14-电动机驱动电路，15-第一电动机，16-水泵驱动电路，17-加热控制电路，18-电热丝，19-通气孔，20-第二电动机，21-凹槽，22-网格，23-支座，24-真空泵驱动电路。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

遵从上述技术方案，如图1至图6所示，一种水岩干湿循环试验仪，包括试验箱9和支座23，支座23安装在试验箱9底部，在试验箱9内部顶端上固定有两个相对的真空试验箱5和两个相对的烘干试验箱6，真空试验箱5和烘干试验箱6的大小相同，真空试验箱5和烘干试验箱6之间呈直角安装；两个真空试验箱5上连接有真空泵1和双向水泵2，双向水泵2通过控水阀门3与安装在试验箱9内部的储液箱4相连，试验箱9下端设置有与真空试验箱5和烘干试验箱6相对应的四个试验箱底盘8，试验箱底盘8底面上装配有可旋转的自动升降旋转轴7；烘干试验箱6中安装有温度传感器10和电热丝18，真空试验箱5中安装有压力传感器11，温度传感器10和压力传感器12分别与PLC控制器12相连，PLC控制器12分别通过继电器13与两个电动机驱动电路14相连，所述的两个电动机驱动电路14分别与第一电动机15和第二电动机20相连，第一电动机15安装在支座23上，第一电动机15的转轴与自动升降旋转轴7配合升降传动；第二电动机20安装在试验箱底盘8底面上，第二电动机20的转轴与自动升降旋转轴7配合旋转传动；PLC控制器12通过继电器13分别与水泵驱动电路16和控水阀门3相连，水泵驱动电路16与双向水泵2相连；PLC控制器12通过继电器13与加热控制电路17相连，加热控制电路17与电热丝18相连；PLC控制器12通过继电器13与真空泵驱动电路24相连，真空泵驱动电路24与真空泵1相连。

烘干试验箱6上加工有通气孔19，用于在对岩样加热过程中排出从岩样中蒸发出来的水分。

四个试验箱底盘8上均设有凹槽21和网格22。凹槽21在试验过程中用来让真空试验箱5中的水充分排出，网格22用来防止岩样的滑动。

控水阀门3采用电磁阀，用于与双向水泵2同时打开和关闭，控制水的进入和流出。

第一电动机15的转轴与自动升降旋转轴7之间通过齿轮齿条啮合传动，用于控制自动升降旋转轴7的升降运动；第二电动机20的转轴与自动升降旋转轴7之间通过传动带传动，用于控制自动升降旋转轴7的旋转运动。

PLC控制器12采用型号为C200HE-CPU42-E的PLC控制器，基本参数如下：

程序容量：7.2K字

数据存储器：6K字

处理时间(基本时间)：0.3微秒

I/O点数：880点

RS-232C：有

实时时钟：有

可否装载通信板：可以

输入接口模块：共计5个，包括温度传感模块、压力传感模块、交流输入口模块、位置控制模块、拨码开关模块。温度和压力为连续变化的量，但只有当温度和压力达到试验要求的设定值时，后续动作才能被触发，即温度信号和压力信号均为开关量，不需要A/D转换模块；交流输入口模块用来与电源连接，为PLC控制器12供电，位置控制模块用于设定自动升降旋转轴7的升降高度和旋转角度；拨码开关用来设定烘干试验箱6烘烤岩石的具体时间。

输出接口模块：包括10个开关量和1个RS-232串行接口。10个开关量用继电器输出，包括：KM1和KM2（分别控制第一电动机15的正反转），KM3和KM4(分别控制第二电动机20的正反转)，KM5和KM6（分别控制双向水泵2和控水阀门3的启停），KM7和KM8（分别控制电热丝18的加热和停止加热），KM9和KM10（分别控制真空泵1的启停）；RS-232串行接口（与上位计算机连接具体显示温度和压力的变化，可随时改变对温度和压力的控制）。

PLC的联网能力：即可与其他C系列PLC组成通信网络，也可通过PLc的连接单元RS-232串行接口与上位计算机连用，组成主从式通信网络

抗干扰能力：PLC内置信号调节和滤波电路，具有良好的抗电子噪声干扰性能，不需要配置隔离变压器

温度传感器10优选PT1000温度传感器，常数B值为3470K±1%，基准电阻为25℃对应电阻5KΩ±1%。能够满足室温25℃到控制箱内60℃温度的温度变化范围的测试要求。

压力传感器12优选真空压力传感器，该压力传感器供电电压为24DCV，产品零点温漂移≤±0.05%FS℃；量程温度漂移≤±0.05%FS℃；安全过载：150%FS；极限过载：200%FS，适用于本装置的测量环境。

电动机驱动电路14、水泵驱动电路16、加热控制电路17和真空泵驱动电路24均为本领域常规的能够实现相应功能的电路。

本装置的工作过程如下所述：

两个相对的烘干试验箱6分别记为：烘干试验箱A和烘干试验箱C；两个相对的真空试验箱5分别记为：真空试验箱B和真空试验箱D；四个试验箱底盘8顺次分别记为：底盘a，底盘b，底盘c和底盘d。

步骤1：试验者将做好的标准岩样放入试验箱底座8，根据研究目的在PLC控制器12中设定相关试验参数，可以根据试验要求及仪器的承载量，一次性放入多个岩样。试验者检查试验仪，在连接正常的情况下开始试验。

步骤2：PLC控制器12通过第一电动机15控制自动升降旋转轴7自动上升，带动试验箱底盘8同时上升，使得底盘a和底盘c恰好到达烘干试验箱A和烘干试验箱C底面处，岩样全部处于烘干试验箱6中：底盘b和底盘d也恰好分别与真空试验箱B和真空试验箱D接触、密封。

步骤3：烘干试验箱A和烘干试验箱C中的电热丝18开始工作，烘干试验箱6中的温度控制在PLC控制器12根据试验要求设定的温度下不变，达到PLC控制器12根据试验要求设定时间后停止加温，待岩样自然冷却到室温，PLC控制器12控制第一电动机15带动自动升降旋转轴7下降，下降150mm后，PLC控制器12控制第二电动机20顺时针旋转90°，自动升降旋转轴7再缓慢上升150mm，使岩样进入真空试验箱5中。

步骤4：岩样在真空试验箱5中抽真空，达到试验要求规定的真空度后，PLC控制器12通过真空泵驱动电路24控制真空泵1停止运行，PLC控制器12控制控水阀门3自动打开，同时PLC控制器12通过水泵驱动电路16控制双向水泵2正转，将水从储液箱4中注入真空试验箱5中，PLC控制器12根据试验要求设定双向水泵2的工作时间，该时间段内的注水量刚好能够完全浸没岩样，双向水泵2停止工作，同时控水阀门3自动关闭，真空泵1继续抽真空，保持真空度不变并按照试验要求的时间持续抽真空。

步骤5：按照试验要求抽真空完毕，真空泵1停止工作，使真空试验箱5内的压力恢复到大气压力，PLC控制器12控制双向水泵2反转，将真空试验箱5中的水抽到储液箱4中。

步骤6：抽水完毕，PLC控制器12控制第一电动机15带动自动升降转轴7下降，带动底盘a、底盘b、底盘c和底盘d同时下降，下降150mm后停止，PLC控制器12控制第二电动机20开始工作使得自动升降转轴7再顺时针旋转90°，此时，底盘a到达底盘d的初始位置，底盘d到达底盘c的初始位置，底盘c到达底盘b的初始位置，底盘b到达底盘a的初始位置。

步骤7：待步骤6完成后，PLC控制器12控制自动升降旋转轴7自动上升，带动底盘a、底盘b、底盘c和底盘d同时上升，此时，底盘b和底盘d恰好到达烘干试验箱A和烘干试验箱C底面处，岩样全部处于烘干试验箱5中；底盘a和底盘c盘也恰好与真空试验箱D和真空试验箱B接触、密封。

重复上述步骤3～步骤7，按此循环规律继续循环操作，具体循环次数依据不同试验要求进行具体的设定，最后试验结束，取出岩样，进行后续相关的试验数据的测定。

Claims (6)

1.一种水岩干湿循环试验仪，包括试验箱（9）和支座（23），支座（23）安装在试验箱（9）底部，其特征在于，在试验箱（9）内部顶端上固定有两个相对的真空试验箱（5）和两个相对的烘干试验箱（6），真空试验箱（5）和烘干试验箱（6）的大小相同，真空试验箱（5）和烘干试验箱（6）之间呈直角安装；两个真空试验箱（5）上连接有真空泵（1）和双向水泵（2），双向水泵（2）通过控水阀门（3）与安装在试验箱（9）内部的储液箱（4）相连，试验箱（9）下端设置有与真空试验箱（5）和烘干试验箱（6）相对应的四个试验箱底盘（8），试验箱底盘（8）底面上装配有可旋转的自动升降旋转轴（7）；烘干试验箱（6）中安装有温度传感器（10）和电热丝（18），真空试验箱（5）中安装有压力传感器（11），温度传感器（10）和压力传感器（11）分别与PLC控制器（12）相连，PLC控制器（12）分别通过继电器（13）与两个电动机驱动电路（14）相连，所述的两个电动机驱动电路（14）分别与第一电动机（15）和第二电动机（20）相连，第一电动机（15）安装在支座（23）上，第一电动机（15）的转轴与自动升降旋转轴（7）配合升降传动；第二电动机（20）安装在试验箱底盘（8）底面上，第二电动机（20）的转轴与自动升降旋转轴（7）配合旋转传动；PLC控制器（12）通过继电器（13）分别与水泵驱动电路（16）和控水阀门（3）相连，水泵驱动电路（16）与双向水泵（2）相连；PLC控制器（12）通过继电器（13）与加热控制电路（17）相连，加热控制电路（17）与电热丝（18）相连；PLC控制器（12）通过继电器（13）与真空泵驱动电路（24）相连，真空泵驱动电路（24）与真空泵（1）相连。

2.如权利要求1所述的水岩干湿循环试验仪，其特征在于，所述的PLC控制器（12）采用型号为C200HE-CPU42-E的PLC控制器。

3.如权利要求1所述的水岩干湿循环试验仪，其特征在于，所述的烘干试验箱（6）上加工有通气孔（19）。

4.如权利要求1所述的水岩干湿循环试验仪，其特征在于，所述的四个试验箱底盘（8）上均设有凹槽（21）和网格（22）。

5.如权利要求1所述的水岩干湿循环试验仪，其特征在于，所述的控水阀门（3）采用电磁阀。

6.如权利要求1所述的水岩干湿循环试验仪，其特征在于，所述的第一电动机（15）的转轴与自动升降旋转轴（7）之间通过齿轮齿条啮合传动；所述的第二电动机（20）的转轴与自动升降旋转轴（7）之间通过传动带传动。

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