CN103822833A

CN103822833A - 一种变尺寸真三轴试验系统

Info

Publication number: CN103822833A
Application number: CN201410090301.8A
Authority: CN
Inventors: 赵海斌; 刘大安; 梅松华; 牛晶蕊; 陈建胜; 王洪建
Original assignee: Institute of Geology and Geophysics of CAS; Hydrochina Zhongnan Engineering Corp
Current assignee: Institute of Geology and Geophysics of CAS; Hydrochina Zhongnan Engineering Corp
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: CN103822833B

Abstract

本发明公开了一种变尺寸真三轴试验系统，包括第一加载框架、第二加载框架，第一加载框架包括用于Z向加载的上端面、与上端面位置相对的用于放置试件的下端面、用于X向加载的右端面、与右端面位置相对的左端面、用于Y方向加载的后端面；上端面、右端面和/或左端面、后端面上均固定有用于对试件进行加载的加载装置；后端面相对位置的第一加载框架前端面外侧的第一加载框架上设有安装条；第二加载框架上开设有与安装条形状大小匹配的滑槽；前端面外侧的第一加载框架一侧固定有用于推动第二加载框架沿所述安装条滑动的推拉机构。本发明解决了现有真三轴试验机在试样尺寸上的局限性。

Description

一种变尺寸真三轴试验系统

技术领域

本发明涉及试验装置领域,特别是一种变尺寸真三轴试验系统。

背景技术

目前已有的真三轴试验机只能进行小尺寸试验，试样尺寸一般为100mm左右，另外一部分大尺寸真三轴试验机则只能进行大尺寸模型试验，试样尺寸一般为1000mm左右。若既需要进行常规尺寸试验室试验，又需要进行大尺寸模型试验，则需购置两套试验设备，在空间与经费上都构成很大的浪费。此外，目前已有的大尺寸模型试验机加载时，通常只是单面整个加压板直接加载，不利于应力的均匀分布，更无法实现单个加载面上多种不同加载路径的要求。

CN202599762公开了一种真三轴大物模应力加载装置，在其加载机构的八边形支撑框架上设有九个千斤顶，不涉及到各个千斤顶的出力转换，不能进行小尺寸试验。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种既可进行小尺寸试验，又可进行大尺寸模型试验的变尺寸真三轴试验系统，解决现有真三轴试验机在试样尺寸上的局限性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种变尺寸真三轴试验系统，包括第一加载框架、第二加载框架，所述第一加载框架包括用于Z向加载的上端面、与所述上端面位置相对的用于放置试件的下端面、用于X向加载的右端面、与所述右端面位置相对的左端面、用于Y方向加载的后端面；所述上端面、右端面和/或左端面、后端面上均固定有用于对所述试件进行加载的加载装置；所述后端面相对位置的第一加载框架前端面开口；所述前端面外侧的第一加载框架上设有安装条；所述第二加载框架上开设有与所述安装条形状大小匹配的滑槽；所述前端面外侧第一加载框架一侧固定有用于推动所述第二加载框架沿所述安装条滑动的推拉机构。

还包括用于将试件经所述前端面开口运送到下端面的输送机构；所述输送机构包括两根平行设置的导轨和设置在两根导轨上且能在所述两根导轨上滑动的小车；所述两根导轨的同一端下表面均固定有支撑杆，且所述支撑杆高度与所述第一加载框架下端面高度匹配。输送机构不但可以运送试件，还可以运送加载过程中所需要的别的物件，如垫片等。

所述下端面上固定有顶升油缸，所述小车放置试件的位置和远离所述支撑杆一侧的部位开设有与所述顶升油缸的活塞杆大小匹配的槽。当试件被运送到下端面时，顶升油缸的活塞杆将试件顶起，手动拉动小车，通过小车上的槽使小车方便地退出。

所述加载装置包括轴动器底座，所述轴动器底座一侧固定有轴动器，所述轴动器底座另一侧固定有多个加载油缸，且所述多个加载油缸排布成油缸阵列，所述油缸阵列外周的每个加载油缸的活塞杆均与一个小压盘固定连接，所述油缸阵列内圈的所有加载油缸的活塞杆与同一块大压盘固定连接，且所述大压盘与所述小压盘接触形成一块对所述试件加载的加压板；本发明中，所述加载油缸共九个，九个加载油缸排布成油缸阵列，所述油缸阵列外周的每个加载油缸的活塞杆各与一个小压盘固定连接，所述油缸阵列内圈的一个加载油缸的活塞杆与同一个大压盘固定连接，且所述大压盘与分布在所述大压盘周围的各个小压盘接触。在大尺寸模型试验中9个加载油缸均实施加载，在小尺寸真三轴加载时只用到中间主出力加载油缸（即油缸阵列内圈的油缸）进行加载。

对所述试件加载时，所述下端面上设置有直角钢垫片；所述直角钢垫片包括下底面和与所述下底面垂直连接的两个侧面，且两个侧面相互垂直连接。直角钢垫片可以保证试件受力更加均匀。

所述滑槽底部宽于所述滑槽的开口侧，防止第二加载框架划出安装条。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明既可进行小尺寸试验，又可进行大尺寸模型试验，不仅能完成试验室小尺寸的真三轴力学试验，同时能用于测量大尺寸模型试样在真三轴应力状态下的变形与破坏特性，解决了现有真三轴试验机在试样尺寸上的局限性，且本发明的试验系统结构简单，操作方便，加载均匀，节约了成本。

附图说明

图1为本发明一实施例加载系统立体图（装样时）；

图2为本发明一实施例加载系统立体图（试验时）；

图3为本发明一实施例加载系统俯视图（装样时）；

图4为本发明一实施例加载系统俯视图（试验时）；

图5为本发明一实施例加载系统主视图（装样时）；

图6为本发明一实施例加载系统主视图（试验时）；

图7为本发明一实施例第一加载框架立体图；

图8为本发明一实施例第二加载框架立体图；

图9为本发明一实施例轴动器及加压板整体图；

图10为本发明一实施例轴动器及加压板纵向剖视图；

图11为本发明一实施例导轨与小车整体结构图；

图12为本发明一实施例直角钢垫片立体图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例包括第一加载框架1、第二加载框架2，所述第一加载框架1包括用于Z向加载的上端面、与所述上端面位置相对的用于放置试件8的下端面、用于X向加载的右端面、与所述右端面位置相对的左端面、用于Y方向加载的后端面；所述上端面、右端面和/或左端面、后端面上均固定有用于对所述试件8进行加载的加载装置；所述后端面相对位置的第一加载框架1前端面开口；所述前端面外侧（即远离试件8的一侧）的第一加载框架1上设有安装条10；所述第二加载框架2上开设有与所述安装条10形状大小匹配的滑槽15；所述前端面外侧的第一加载框架1一侧固定有2个用于推动所述第二加载框架2沿所述安装条10滑动的推拉油缸4。

加载装置包括轴动器底座13，所述轴动器底座13一侧固定有轴动器固定座3（通过轴动器固定座3可以将加载装置安装在第一加载框架1上），所述轴动器底座13另一侧固定有九个加载油缸11，且九个加载油缸11排布成油缸阵列，所述油缸阵列外周的每个加载油缸的活塞杆各与一个小压盘12固定连接，所述油缸阵列内圈的一个加载油缸11的活塞杆与同一个大压盘17固定连接，且所述大压盘17与分布在所述大压盘17周围的各个小压盘12接触。

本发明还包括用于将试件8经所述前端面开口运送到下端面的输送机构；所述输送机构包括两根平行设置的导轨5和设置在两根导轨5上且能在所述两根导轨5上滑动的小车6；所述两根导轨5的同一端下表面均固定有支撑杆16，且所述支撑杆16高度与所述第一加载框架1下端面高度匹配。

装载试件时，将第二加载框架移到第一加载框架的一侧，将导轨5一端与第一加载框架固定，装载完毕后，移开导轨5与小车6，第二加载框架复位固定后提供Y方向加载的反力支撑。如图9所示，加载装置采用复合加载方式，每个加压板由与9个加载油缸对应的面积不等的9个压盘组成，由此进行加载，从而实现均匀加载，并减小轴动器最大出力要求。在大尺寸模型试验中9个加载油缸均实施加载，在小尺寸真三轴加载时只用到中间主出力加载油缸进行加载。

该系统共有X、Y、Z三个加载方向，六个加载平面，三个主动加载面，三个被动加载面。每个加载方向的其中一侧是被动加载面，另一侧是由加载油缸、加压板组成的主动加载面。三个方向的加载系统各自独立，互不干扰，并能按比例同步加载。加载系统轴向（Z方向）最大加载力1200吨，保证出力1000吨；侧向（X\Y方向）最大加载力600吨，保证出力500吨。因试样尺寸范围较大，正方体试件的单边长度从100mm至1000mm，试验时受力面积根据试样尺寸而不同。在进行大尺寸物理模型试验时，为保证整个受力面上受力分布均匀，提高试验的准确性，需要较大的加载面积；而另一方面从制造、加工的角度考虑，又应尽量降低油缸与活塞的直径，减轻设备重量，因此，在每一个加载面上设置了九个加载油缸（如图9、图10所示），借助由相应的9个面积不等的压盘组成的加压板在试件的一面施加压力。设置中间加载油缸为主出力加载油缸，中间主出力加载油缸对应的压盘面积为A₀，其它八个为辅助加载油缸对应的压盘面积为S₀。在进行中小尺寸岩体真三轴试验时，试样尺寸一般为300mm*300mm*300mm或150mm*150mm*150mm，加载时只用到中间主出力加载油缸；在物理大模型实验中九个加载油缸均实施加载，以保证有足够的加载压力。由于设备施加荷载较大，为了尽量减少因加载板的弯曲、变形而导致试样表面应力分布不均，选择较大厚度的加载板，使荷载更加均匀地扩散于整个加载平面。

试验时，第一加载框架和第二加载框架作为受力框架承受全部工作载荷。本组合式受力框架设计的最大特点是结构简单实用，并能够满足设计的强度、刚度要求。

在本框架系统的设计中，考虑到各个构件的功用及制造工艺，以及试样在设备中的装卸问题，本发明采用推拉油缸4控制第二加载框架移动，借助导轨与小车解决数吨重的大模型试样，不能进行人工搬移就位的问题。第一加载框架前端面的外侧一端上下各有一个推拉油缸，保证对第二加载框架的均匀出力。该设备配置有导轨与小车。试样测试前，借助滑动燕尾结构（安装条10与滑槽15，滑槽15底部宽于所述滑槽15的开口侧）用推拉油缸移走第二加载框架，之后安装导轨与小车并固定于第一加载框架下端面上，并借助导轨与小车将试样推入第一加载框架中（如图1、3、5所示）。为使小车在试样到位后能顺利退出，在第一加载框架的下端面设置顶升油缸7，小车6放置试件8的位置和远离支撑杆16一侧的部位开设有与顶升油缸7的活塞杆大小匹配的槽18，借助顶升油缸7将试件顶升，即可移除导轨与小车，最后将第二加载框架移回原位并固定，开始试验（如图2、4、6所示）。

为了轴动器能够对试件中心进行加载，防止偏心载荷作用，需通过制作精确的直角钢垫片来调整试样位置（如图12所示）。通过不同尺寸的直角钢垫片14，来实现不同尺寸岩石类材料的真三轴试验。直角钢垫片上面的渗流试验预留槽19一是用于试件对中，一是用于为后续水力压裂和渗流试验预留通道。

Claims

1.一种变尺寸真三轴试验系统，其特征在于，包括第一加载框架（1）、第二加载框架（2），所述第一加载框架（1）包括用于Z向加载的上端面、与所述上端面位置相对的用于放置试件（8）的下端面、用于X向加载的右端面、与所述右端面位置相对的左端面、用于Y方向加载的后端面；所述上端面、右端面和/或左端面、后端面上均固定有用于对所述试件（8）进行加载的加载装置；所述后端面相对位置的第一加载框架（1）前端面开口；所述前端面外侧的第一加载框架（1）上设有安装条（10）；所述第二加载框架（2）上开设有与所述安装条（10）形状大小匹配的滑槽（15）；所述前端面外侧第一加载框架（1）一侧固定有用于推动所述第二加载框架（2）沿所述安装条（10）滑动的推拉机构。

2.根据权利要求1所述的变尺寸真三轴试验系统，其特征在于，还包括用于将试件（8）经所述前端面开口运送到下端面的输送机构；所述输送机构包括两根平行设置的导轨（5）和设置在两根导轨（5）上且能在所述两根导轨（5）上滑动的小车（6）；所述两根导轨（5）的同一端下表面均固定有支撑杆（16），且所述支撑杆（16）高度与所述第一加载框架（1）下端面高度匹配。

3.根据权利要求2所述的变尺寸真三轴试验系统，其特征在于，所述下端面上固定有顶升油缸（7），所述小车（6）放置试件（8）的位置和远离所述支撑杆（16）一侧的部位开设有与所述顶升油缸（7）的活塞杆大小匹配的槽（18）。

4.根据权利要求1～3之一所述的变尺寸真三轴试验系统，其特征在于，所述加载装置包括轴动器底座（13），所述轴动器底座（13）一侧固定有轴动器固定座（3），所述轴动器底座（13）另一侧固定有多个加载油缸（11），且所述多个加载油缸（11）排布成油缸阵列，所述油缸阵列外周的每个加载油缸（11）的活塞杆均与一个小压盘（12）固定连接，所述油缸阵列内圈的所有加载油缸（11）的活塞杆与同一块大压盘（17）固定连接，且所述大压盘（17）与所述小压盘（12）接触形成一块对所述试件（8）加载的加压板（9）。

5.根据权利要求4所述的变尺寸真三轴试验系统，其特征在于，所述加载油缸（11）共九个，九个加载油缸（11）排布成油缸阵列，所述油缸阵列外周的每个加载油缸的活塞杆各与一个小压盘（12）固定连接，所述油缸阵列内圈的一个加载油缸（11）的活塞杆与同一个大压盘（17）固定连接，且所述大压盘（17）与分布在所述大压盘（17）周围的各个小压盘（12）接触。

6.根据权利要求5所述的变尺寸真三轴试验系统，其特征在于，对所述试件（8）加载时，所述下端面上设置有直角钢垫片（14）；所述直角钢垫片（14）包括下底面和与所述下底面垂直连接的两个侧面，且两个侧面相互垂直连接。

7.根据权利要求6所述的变尺寸真三轴试验系统，其特征在于，所述滑槽（15）底部宽于所述滑槽（15）的开口侧。