CN103969107B - 高压伺服动真三轴试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高压伺服动真三轴试验机，主机由互相独立的三套加卸载系统组成，其中包括两套垂直加卸载系统和一套水平加卸载系统，均为高刚度加卸载框架。该试验机是可以进行简单单轴拉伸、压缩、剪切试验和常规三轴试验以及真三轴试验等多种试验的综合型刚性试验机，而且试验机能提供足够大的压力以满足绝大多数岩石等材料的实验要求，能够实现在三维空间中相互垂直的三个方向上独立向岩样试件加静荷载以及扰动荷载，还能单面快速卸荷。而且全部操作由计算机键盘及鼠标来完成，同时设有必要的手动控制装置，操作具有方便灵活的特点。

Description

高压伺服动真三轴试验机

技术领域

本发明涉及岩体力学和岩石工程研究领域，特别涉及一种模拟岩体受扰动开挖状态下的真三轴岩爆实验设备，具体是高压伺服动真三轴试验机。

背景技术

关于岩爆的力学实验，国内外都进行了大量的研究工作，从单轴压缩试验、双轴加载试验、常规三轴试验到真三轴试验都曾有过尝试，由于单轴压缩试验和双轴加载试验与实际岩爆发生所处的三维状态不符合，而且常规三轴试验是理想的轴对称状态，不能真实的反映工程实际中岩石的强度参数，所以只有通过真三轴来模拟岩爆试验，但是目前的真三轴试验的特点是刚度不足或者无法扰动或者不能快速卸荷，试验机不能同时具备以上三种功能，刚度不足，会使实验过程中压板存储和释放能量，无法扰动，就不能再现开挖或者其他振动对岩体产生的影响，不能快速卸荷，很难分析迅速开挖岩体过后与发生岩爆之间有何联系，总之，如果不同时不具备以上三个条件，无法准确地模拟岩爆实验。

目前出现的真三轴试验机只能做简单的拉伸试验和常规三轴试验等单个实验，但不能同时做拉伸、压缩、剪切、常规三轴和真三轴试验，为了做各种不同的试验，需要不同的试验机，成本花费较大。

目前真三轴岩爆实验需要在岩样试件添加应变片，然后通过人为分析计算，求出岩样的极限强度、弹性模量、泊松比等岩石力学参数，实验过程繁琐复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有实验存在的不足，提供高压伺服动真三轴试验机。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下。

高压伺服动真三轴试验机，主要由X轴方向加卸载机构、Y轴方向加卸载机构和Z轴方向加卸载机构构成，包括机架、夹具、安装在所述机架上的X轴左右方向加卸载机构、Y轴前后方向加卸载机构、Z轴上下方向加卸载机构以及分别用于控制所述X轴方向加卸载机构、Y轴方向加卸载机构、Z轴方向加卸载机构的三套互相独立的控制系统，水平加载框架包括X轴方向上的框架，为浮动框架；垂直加载框架包括Z轴和Y轴的方向上的框架；水平加载框架和垂直加载框架均为高刚度整体框架，垂直加载框架刚度是10000kN/mm，水平加卸载框架刚度是4000kN/mm。总共有六个储存气罐和六个伺服阀，分别与六个不同方向上的油压缸配合工作，水平移动加载油缸和摆杆油缸分别配有水平移动加载油缸电磁阀和摆杆油缸电磁阀。

所述X轴方向加卸载机构位于水平加载框架中，其中包括：

所述X轴方向加卸载机构包括：

四根X向拉杆，其布置成矩形。

第一X向框架是浮动加载框架，安装在所述机架上，并固定在所述四根X向拉杆的一端，主要包括第一X向扰动压板、第一X向球头、第一X向刚性框、第一X向扰动传力杆、第一X向力传感器、第一X向活塞、第一X向扰动油缸、第一X向位移传感器、水平移动加载油缸。

第二X向框架是浮动加载框架，安装在所述机架上，并固定在所述四根X向拉杆的另一端，且与所述第一X向框架对正，主要包括第二X向压板、第二X向球头、第二X向传力杆、第二X向力传感器、第二X向活塞、第二X向加卸载油缸、第二X向位移传感器、支撑环。

所述Y轴方向加卸载机构位于垂直加卸载框架中，其中包括：

第一Y向框架是垂直加载框架的前侧加载框架，主要包括第一Y向压板、第一Y向球头、第一Y向传力杆、第一Y向力传感器、第一Y向活塞、第一Y向加卸载油缸、第一Y向位移传感器、摆杆、弹簧、摆杆油缸，摆杆上有环，可与第一Y向传力杆安装连接。

第二Y向框架是垂直加载框架的后侧加载框架，主要包括第二Y向压板、第二Y向球头、第二Y向力传感器、第二Y向活塞、第二Y向加卸载油缸、第二Y向位移传感器。

所述Z轴方向加卸载机构位于垂直加载框架中，其中包括：

第一Z向框架是垂直加载框架的上方加卸载框架，主要包括第一Z向扰动压板、第一Z向球头、第一Z向刚性框、第一Z向扰动传力杆、第一Z向力传感器、第一Z向活塞、第一Z向扰动油缸、第一Z向位移传感器。

第二Z向框架是垂直加载框架的下侧加载框架，主要包括第二Z向压板、第二Z向球头、第二Z向力传感器、第二Z向活塞、第二Z向加卸载油缸、基座、第二Z向位移传感器。

所述摆杆上有环，可将第一Y向压板套上去。

所述第一X向扰动油缸、第二X向加卸载油缸、第一Y向加卸载油缸、第二Y向加卸载油缸、第一Z向扰动油缸、第二Z向加卸载油缸、摆杆油缸和水平移动加载油缸均可独立施加荷载。

所述X向、Y向、Z向的第一、第二的力传感器与压板之间的球头为球型连接，使得传感器和压板之间能在一点角度范围内自由转动，保证传力可靠和避免力各传感器变形受损。

所述的X向、Y向、Z向的第一、第二上的力传感器和位移传感器均有接口，与外部测试和数据处理系统连接。

所述的第一X向扰动压板通过第一X向扰动传力杆将荷载传给式样，以此方式对试样施加扰动荷载，第二X向压板通过第二X向传力杆将荷载传给式样，以此方式对试样施加静荷载，第一Y向压板通过第一Y向传力杆将荷载传给式样，以此方式对试样施加静荷载，第一Z向扰动压板通过第一Z向扰动传力杆将荷载传给式样，以此方式对试样施加扰动荷载。

所述的安装在摆杆上的第一Y向传力杆，通过控制卸载摆杆油缸和第一Y向加卸载油缸，并在摆杆自重作用和弹簧作用下，使摆杆带动第一Y向传力杆被迅速拉回以达到快速卸载。

本发明优点：

1.本发明是一种简单的单轴拉伸、压缩、剪切试验和常规三轴试验等不同三向应力作用下的多种形式实验，也能进行复杂的真三轴试验，特别是真三轴下的岩爆试验，加载系统三向独立，能够模拟单向突然卸载以及扰动荷载的岩爆试验。此装置具有施加荷载量程较大且稳定、操作方便和实验成本相对低廉等特点。

2.本发明能实现单向突然卸载及多种应力路径等多种加、卸载控制试验。

附图说明

图1是本发明高压伺服动真三轴试验机的主视结构示意图。

图2是图1的A—A剖视结构示意图。

图3是图1的B—B剖视结构示意图。

以上三幅图中，拉杆1、第一X向扰动传力杆2、第一X向球头3、第一X向力传感器4、第一X向活塞5、第一X向扰动油缸6、第一X向位移传感器7、水平移动加载油缸8、送试样小车9、岩石试件10、第二Z向活塞11、支撑环12、第二X向传力杆13、第二X向球头14、第二X向力传感器15、第二X向活塞16、滑轮17、第二X向位移传感器18、第二X向加卸载油缸19、第二X向储存气罐20、第二X向伺服阀21、摆杆油缸22、摆杆油缸电磁阀23、摆杆24、第一Z向扰动油缸25、夹具26、第一Y向球头27、第一Y向传力杆28、第一Y向力传感器29、第一Y向活塞30、第一Y向位移传感器31、第一Y向加卸载油缸32、第一Z向扰动传力杆33、第一Z向活塞34、机架35、第一Z向力传感器36、第一Z向球头37、垂直加载框架38、第二Y向球头39、第二Y向位移传感器40、第二Y向加卸载油缸41、第二Y向活塞42、第二Y向力传感器43、导轨44、第二Z向球头45、第二Z向加卸载油缸46、第二Z向力传感器47、第一X向扰动压板48、第二X向压板49、第一Y向压板50、第二Y向压板51、第一Z向扰动压板52、第二Z向压板53、第一Z向位移传感器54、第二Z向位移传感器55、基座56、水平加载框架57、水平移动加载油缸电磁阀58、第一Z向伺服阀59、第一Z向储存气罐60、第一Y向伺服阀61、第一Y向储存气罐62、第一X向伺服阀63、第一X向储存气罐64、第二Y向伺服阀65、第二Y向储存气罐66、第二Z向伺服阀67、第二Z向储存气罐68、弹簧69、第一X向刚性框70、第一Z向刚性框71。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明：

本发明高压伺服动真三轴试验机的结构如图1、图2和图3所示，

高压伺服动真三轴试验机，主要由X轴方向加卸载机构、Y轴方向加卸载机构和Z轴方向加卸载机构构成，包括机架35、夹具26、安装在所述机架35上的X轴左右方向加卸载机构、Y轴前后方向加卸载机构、Z轴上下方向加卸载机构以及分别用于控制所述X轴方向加卸载机构、Y轴方向加卸载机构、Z轴方向加卸载机构的三套互相独立的控制系统，水平加载框架57包括X轴方向上的框架，为浮动框架；垂直加载框架38包括Z轴和Y轴的方向上的框架；水平加载框架57和垂直加载框架38均为高刚度整体框架，垂直加载框架38刚度是10000kN/mm，水平加卸载框架57刚度是4000kN/mm。总共有六个储存气罐和六个伺服阀，分别与六个不同方向上的油压缸配合工作，水平移动加载油缸8和摆杆油缸22分别配有水平移动加载油缸电磁阀58和摆杆油缸电磁阀23。

所述X轴方向加卸载机构位于水平加载框架57中，其中包括：

所述X轴方向加卸载机构包括：

四根X向拉杆1，其布置成矩形。

第一X向框架是浮动加载框架，安装在所述机架35上，并固定在所述四根X向拉杆1的一端，主要包括第一X向扰动压板48、第一X向球头3、第一X向刚性框70、第一X向扰动传力杆2、第一X向力传感器4、第一X向活塞5、第一X向扰动油缸6、第一X向位移传感器7、水平移动加载油缸8。

第二X向框架是浮动加载框架，安装在所述机架35上，并固定在所述四根X向拉杆1的另一端，且与所述第一X向框架对正，主要包括第二X向压板49、第二X向球头14、第二X向传力杆13、第二X向力传感器15、第二X向活塞16、第二X向加卸载油缸19、第二X向位移传感器18、支撑环12。

所述Y轴方向加卸载机构位于垂直加卸载框架38中，其中包括：

第一Y向框架是垂直加载框架38的前侧加载框架，主要包括第一Y向压板50、第一Y向球头27、第一Y向传力杆28、第一Y向力传感器29、第一Y向活塞30、第一Y向加卸载油缸32、第一Y向位移传感器31、摆杆24、弹簧69、摆杆油缸22，摆杆24上有环，可与第一Y向传力杆28安装连接。

第二Y向框架是垂直加载框架38的后侧加载框架，主要包括第二Y向压板51、第二Y向球头39、第二Y向力传感器43、第二Y向活塞42、第二Y向加卸载油缸41、第二Y向位移传感器40。

所述Z轴方向加卸载机构位于垂直加载框架38中，其中包括：

第一Z向框架是垂直加载框架38的上方加卸载框架，主要包括第一Z向扰动压板52、第一Z向球头37、第一Z向刚性框71、第一Z向扰动传力杆33、第一Z向力传感器36、第一Z向活塞34、第一Z向扰动油缸25、第一Z向位移传感器54。

第二Z向框架是垂直加载框架38的下侧加载框架，主要包括第二Z向压板53、第二Z向球头45、第二Z向力传感器47、第二Z向活塞11、第二Z向加卸载油缸46、基座56、第二Z向位移传感器55。

所述摆杆24上有环，可将第一Y向压板50套上去。

所述第一X向扰动油缸6、第二X向加卸载油缸19、第一Y向加卸载油缸32、第二Y向加卸载油缸41、第一Z向扰动油缸25、第二Z向加卸载油缸46、摆杆油缸22和水平移动加载油缸8均可独立施加荷载。

所述X向、Y向、Z向的第一、第二的力传感器与压板之间的球头为球型连接，使得传感器和压板之间能在一点角度范围内自由转动，保证传力可靠和避免力各传感器变形受损。

所述的X向、Y向、Z向的第一、第二上的力传感器和位移传感器均有接口，与外部测试和数据处理系统连接。

所述的第一X向扰动压板48通过第一X向扰动传力杆2将荷载传给式样，以此方式对试样施加扰动荷载，第二X向压板49通过第二X向传力杆13将荷载传给式样，以此方式对试样施加静荷载，第一Y向压板50通过第一Y向传力杆28将荷载传给式样，以此方式对试样施加静荷载，第一Z向扰动压板52通过第一Z向扰动传力杆33将荷载传给式样，以此方式对试样施加扰动荷载。

所述的安装在摆杆24上的第一Y向传力杆28，通过控制卸载摆杆油缸22和第一Y向加卸载油缸32，并在摆杆24自重作用和弹簧69作用下，使摆杆24带动第一Y向传力杆28被迅速拉回以达到快速卸载。

本发明实例：

本发明的适用试样尺寸可变，试样尺寸范围：200mm～50mm×200mm～50mm×200mm～50mm多种组合规格，配置相对应的压头夹具26，通过改变试件六面承压板的尺寸可进行多种尺寸的真三轴试验，位移传感器和采集系统配合，通过连接计算机同时采集六个面的变形，然后再通过力传感器采集压力信息，再通过力采集仪连接计算机，能获得任意时刻的应力应变的曲线。

上述技术方案中，它还包括位移采集仪，每个位移传感器的信号输出端通过位移采集仪连接计算机。位移传感器测量试件六个面的变形并自动记录。第一X向扰动油缸6设有第一X向伺服阀63和第一X向储存气罐64，第二X向加卸载油缸57设有第二X向伺服阀20和第二X向储存气罐21，第一Y向加卸载油缸32设有第一Y向伺服阀61和第一Y向储存气62，第二Y向加卸载油缸41设有第二Y向伺服阀65和第二Y向储存气罐66，第一Z向扰动油缸25设有第一Z向伺服阀6和第一Z向储存气罐6，第二Z向加卸载油缸46设有第二Z向伺服阀67和第二Z向储存气罐68，油缸活塞上的压力传感器的信号输出端通过力采集仪连接计算机，其主要作用是伺服控制压力并通过计算机采集压力值。这样设计的主要作用是通过专用软件实时分析压力和位移信号，并发出指令给伺服控制仪执行，同时采集压力和位移值，并实时成图。

上述技术方案中，水平移动加载油缸8与机架35配合，使该水平加载框架57在机架35上整体单向水平移动。

上述技术方案中，垂直加载框架38刚度是10000kN/mm，水平加载框架57刚度是4000kN/mm。

上述技术方案中，上下方向Z可施加静动荷载和逐渐卸载，第二Z向加卸载油缸46的最大试验力为5000kN；测力范围30kN～5000kN(1～100％FS)，测力分辨率20N(±1/180000、不分档、全程分辨率不变)，测力精度示值的±1％以内，力值控制波动度小于0.1％；垂直方向加载速率：10N～10KN/s。位移测控范围:0～100mm测量精度<±0.5％FS，测量分辨率0.001mm，位移控制波动度小于0.1％；变形测量范围：0～10mm，变形测量分辨率0.001mm，变形测量精度<±0.5％FS；第一Z向扰动油缸25的扰动载荷波形可以是随机波形、正弦波、三角波、方波、斜波等，振动载荷幅值可变0～500kN，频率可变0～50HZ(幅值和频率可协调变化)，扰动载荷的有效测力范围0～500kN，测力精度±0.5％FS。

上述技术方案中，前后方向(Y)可施加静荷载和快速卸载，第一Y向加卸载油缸32和第二Y向加卸载油缸41最大压试验力为3000kN，有效测力范围20kN～3000kN(1～100％FS)，测力分辨率15N(±1/180000、不分档、全程分辨率不变)，测力精度示值的±1％以内，力值控制波动度小于0.1％；前后方向加载速率：10N～10KN/s。位移测控范围:0～100mm，测量精度<±0.5％FS，测量分辨率0.001mm，位移控制波动度小于0.1％；变形测量范围：0～10mm，变形测量分辨率0.0005mm，精度±0.5％FS；

上述技术方案中，左右方向(X)可施加静动荷载和逐渐卸载，第二X向加卸载油缸19的最大试验力为3000kN，有效测力范围20kN～3000kN(1～100％FS)，测力分辨率15N(±1/180000、不分档、全程分辨率不变)，测力精度示值的±1％以内，力值控制波动度小于0.1％；水平方向加载速率：10N～10KN/s。位移测控范围:0～200mm，测量精度<±0.5％FS，测量分辨率0.001mm，位移控制波动度小于0.1％；变形测量范围：0～10mm，变形测量分辨率0.0005mm，变形测量精度<±0.5％FS；第一X向扰动油缸6的扰动载荷波形可以是随机波形、正弦波、三角波、方波、斜波等，振动载荷幅值可变0～500kN，频率可变0～50HZ(幅值和频率可协调变化)，扰动载荷的有效测力范围0～500kN，测力精度±0.5％FS。

上述技术方案中，配置有快速卸载装置，可以自动锁紧、自动脱落。

上述技术方案中，在真三轴三向六面受压力状态下的快速卸荷扰动实验，第一Y向传力杆28可套在摆杆24的环上，通过控制卸载摆杆油缸22和第一Y向加卸载油缸32，并在摆杆24自重作用和弹簧69作用下，使摆杆24带动第一Y向传力杆28被迅速拉回以达到快速卸载，实现第一Y向的单面突然卸载的卸载实验；还可通过第一X向扰动油缸6和第一Z向扰动油缸25可实现在单面突然卸载后第一X向和第一Z向增加扰动荷载；当在第二X向加卸载油缸19的加卸载时，能够在在第一X向刚性框70上产生反作用力，使得在试件的X方向上产生一对作用力和反作用力，当在第二Z向加卸载油缸46的加卸载时，能够在第一Z向刚性框71产生反作用力，使得在试件的Z方向上产生一对作用力和反作用力，从而实现在单面突然卸载后在X方向和Z方向上压力的加载和卸载试验，其中Z方向和X方向上压力的加载和卸载试验，可实现上下、左右的水平方向压力逐渐加载和卸载试验，要求上下或左右水平方向的压力加载和卸载同步。

本说明书未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.高压伺服动真三轴试验机，其特征在于，主要由X轴方向加卸载机构、Y轴方向加卸载机构和Z轴方向加卸载机构构成，包括机架(35)、夹具(26)、安装在所述机架(35)上的水平加载框架(57)，其为高刚度浮动框架，刚度为4000kN/mm，主要包括X轴左右方向加卸载机构、垂直加载框架(38)，其为高刚度整体框架，刚度为10000kN/mm，主要包括Y轴前后方向和Z轴上下方向加卸载框架、三套互相独立的控制系统，其分别用于控制所述X轴方向、Y轴方向、Z轴方向加卸载机构，主要包括六个储存气罐和六个伺服阀，分别与六个不同方向上的油压缸配合工作、以及水平移动加载油缸(8)与摆杆油缸(22)及其分别配有的水平移动加载油缸电磁阀(58)与摆杆油缸电磁阀(23)，

所述X轴方向加卸载机构位于水平加载框架(57)中，其中包括：

四根X向拉杆(1)，其布置成矩形；

第一X向框架是浮动加载框架，安装在所述机架(35)上，并固定在所述四根X向拉杆(1)的一端，主要包括第一X向扰动压板(48)、第一X向球头(3)、第一X向刚性框(70)、第一X向扰动传力杆(2)、第一X向力传感器(4)、第一X向活塞(5)、第一X向扰动油缸(6)、第一X向位移传感器(7)、水平移动加载油缸(8)；

第二X向框架是浮动加载框架，安装在所述机架(35)上，并固定在矩形布置的四根X向拉杆(1)的另一端，且与所述第一X向框架对正，主要包括第二X向压板(49)、第二X向球头(14)、第二X向传力杆(13)、第二X向力传感器(15)、第二X向活塞(16)、第二X向加卸载油缸(19)、第二X向位移传感器(18)、支撑环(12)；

所述Y轴方向加卸载机构位于垂直加卸载框架(38)中，其中包括：

第一Y向框架是垂直加载框架(38)的前侧加载框架，主要包括第一Y向压板(50)、第一Y向球头(27)、第一Y向传力杆(28)、第一Y向力传感器(29)、第一Y向活塞(30)、第一Y向加卸载油缸(32)、第一Y向位移传感器(31)、摆杆(24)、弹簧(69)、摆杆油缸(22)，其中，摆杆(24)上有环，可与第一Y向传力杆(28)安装连接；

第二Y向框架是垂直加载框架(38)的后侧加载框架，主要包括第二Y向压板(51)、第二Y向球头(39)、第二Y向力传感器(43)、第二Y向活塞(42)、第二Y向加卸载油缸(41)、第二Y向位移传感器(40)；

所述Z轴方向加卸载机构位于垂直加载框架(38)中，其中包括：

第一Z向框架是垂直加载框架(38)的上方加卸载框架，主要包括第一Z向扰动压板(52)、第一Z向球头(37)、第一Z向刚性框(71)、第一Z向扰动传力杆(33)、第一Z向力传感器(36)、第一Z向活塞(34)、第一Z向扰动油缸(25)、第一Z向位移传感器(54)；

第二Z向框架是垂直加载框架(38)的下侧加载框架，主要包括第二Z向压板(53)、第二Z向球头(45)、第二Z向力传感器(47)、第二Z向活塞(11)、第二Z向加卸载油缸(46)、基座(56)、第二Z向位移传感器(55)；

所述第一X向扰动油缸(6)、第二X向加卸载油缸(19)、第一Y向加卸载油缸(32)、第二Y向加卸载油缸(41)、第一Z向扰动油缸(25)、第二Z向加卸载油缸(46)、摆杆油缸(22)和水平移动加载油缸(8)均可独立施加荷载；

所述X向、Y向、Z向的第一、第二向力传感器与压板之间的球头为球型连接，使得传感器和压板之间能在一点角度范围内自由转动，保证传力可靠和避免力传感器变形受损；

所述的X向、Y向、Z向的第一、第二向力传感器和位移传感器均有接口与外部测试和数据处理系统连接；

所述第一X向扰动传力杆(2)通过第一X向扰动压板(48)将荷载传给试样，以此方式对试样施加扰动荷载，第一Z向扰动传力杆(33)通过第一Z向扰动压板(52)将荷载传给试样，以此方式对试样施加扰动荷载；

所述摆杆(24)及安装于其一侧的传力杆(28)和通过环套于其另一侧的压板(50)，在摆杆油缸(22)和第一Y向加卸载油缸(32)的控制以及自重作用和弹簧(69)的作用下，可迅速拉回，以实现单面快速卸载的特殊功能。