CN104297453B - 一种自动化岩样干湿循环试验仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动化岩样干湿循环试验仪器，包括干湿循环机构、试样调整机构、加热风干机构和检测控制与处理模块。本仪器由干湿循环机构中的同步带轮及同步带传递步进电机输入的动力，带动安装于两侧的螺纹传动柱转动；横梁通过螺纹和两螺纹传动柱配合，螺纹传动柱的转动驱动横梁上下运动，从而带动试样调整机构将试样循环浸入水槽中浸水和提升到风干区风干。岩样干湿循环试验过程由设在外部的配套检测控制与处理模块按程序进行自动控制。本试验仪器结构简单，使用方便，实用性强，能够全自动化操作提高试验效率和试验精度，具有很强的推广应用前景。

Description

一种自动化岩样干湿循环试验仪器

技术领域

本发明涉及一种自动化岩样干湿循环试验仪器，具体地说是一种与岩土性质试验中干湿循环控制相关的仪器，特别是一种能够自动检测试样在试验过程中的干湿状态并实现干湿循环过程自动控制的试验仪器，属于地质工程岩土性质的动平衡测试领域。

背景技术

近年来，干湿循环对岩土体强度影响的研究引起了人们的重视。随着国民经济的发展，我国兴建了许多大型水利水电工程。长江三峡工程及西南三江水电群等重大工程分布区，存在大量的库岸边坡。在水库运行条件下，引起库岸边坡渗流场的动态变化，处于低水位和高水位浸润线之间的岩土体受到周期性的干湿循环作用，岩土材料的力学性能逐渐弱化，从而影响库岸边坡的稳定性。

对典型库岸滑坡滑带土和对应基岩有必要进行室内水岩作用机制试验，用以揭示库岸水位变动带岩土体在干湿循环作用强度参数的折减规律，为进一步研究库岸边坡的稳定性和演化提供科学依据。但要研究岩土体强度参数随干湿循环次数的衰减规律，首先要制备试验样品，对试样样品进行相应次数的干湿循环操作。这一过程，工作量大，操作繁琐，耗时长，精度控制差。在本发明之前，中国公开了专利申请号为201210542086.1的“有荷作用下土工试件干湿循环试验仪器”技术，该干湿循环试验仪器包括试验台、设置于试验台上的土工试件三瓣模、向土工试件三瓣模中试件施加竖向压力的加载装置和对土工试件三瓣模中试件加热的加热装置。其通过加载装置、水缸和加热装置，实现在加载状态下模拟土体的干湿循环变化，对土工试件的强度衰减规律进行试验研究。该技术不足之处在于该仪器需要人工操作，不能实现自动地进行岩样干湿循环试验。因此，需要创新一种能自动、高效、精确地进行岩样干湿循环试验的自动化岩样干湿循环试验仪器。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述技术不足，解决现有技术急需要一种自动化的岩样干湿循环试验仪器的问题，而提供一种能够实现自动、高效、精确地进行岩样干湿循环试验的自动化岩样干湿循环试验仪器。

为了实现上述目的，本发明采取的技术措施是：提供一种自动化岩样干湿循环试验仪器，包括干湿循环机构、试样调整机构、加热风干机构和检测控制与处理模块；

所述的干湿循环机构设有支架、螺纹传动柱、传动箱体、传动箱盖、步进电机、同步带轮、同步带、横梁和水槽；所述支架的上、下边框中安装有两根对称的螺纹传动柱，支架底部安装有传动箱体，传动箱体中安装有步进电机，传动箱体顶部设有传动箱盖，支架、螺纹传动柱和传动箱体构成试验仪器的整体支撑框架；所述螺纹传动柱上的动力传动器件安装在传动箱体内部，即在传动箱体中，螺纹传动柱上对称地安装有一对同步带轮，所述一对同步带轮与步进电机输出轴上安装的同步带轮通过同步带连接；横梁通过两端的螺纹孔安装在左右两螺纹传动柱中，横梁通过两螺纹传动柱的转动在两螺纹传动柱上作升降运动，螺纹传动柱内侧的传动箱盖上安装有水槽；

所述的试样调整机构安装在横梁下方，试样调整机构设有拉力传感器、托架、辅助托架、防水电机和试样转盘；所述的拉力传感器与横梁连接，两个拉力传感器左右对称布置并分别连接托架的两边，托架底边中心开有安放辅助托架的槽，槽内还开有一个安装孔，架托与辅助托架呈十字交叉设置，辅助托架两端向试样转盘边翘起，且中心也开有一个安装孔，辅助托架用于辅助试样转盘在托架中的定位；安装在托架下的防水电机的输出轴从架托和辅助托架底面穿过所述托架的槽内安装孔和辅助托架中心的安装孔，并在防水电机的输出轴上安装试样转盘，防水电机直接驱动试样转盘转动，用于确保试样在试验过程中各方位能够均匀浸水和风干；

所述的加热风干机构安装在支架的上部，加热风干机构设有风扇电机、防护架、风扇、防护罩和电热管；所述的风扇电机、防护架安装在支架上，防护架起到安全防护的作用，防护架内安装有风扇、防护罩和电热管；

所述的检测控制与处理模块为一个设在外部的配套模块，用于采集拉力传感器的输出信号，记录试验过程中试样的实时重力变化，并按程序和试样的重力变化控制三个电机的工作状态，完成整个试验过程的自动检测、控制、处理和保存。

所述的干湿循环机构中对称的左右两螺纹传动柱通过步进电机带动同步带、同步带轮传动，使安装于两侧螺纹传动柱的横梁上下移动时左右两端保持同步，从而带动与横梁连接的整个试样调整机构能作将试样浸入水槽和提升至加热风干机构区进行风干的循环运动。

所述的水槽通过卡槽直接卡在传动箱盖上，方便拆卸和安装。

所述的拉力传感器承受并感应整个试样调整机构连同试样的重力变化。

所述的防水电机外部经过防腐蚀及防水处理，具有防腐防水性能；安装防水电机时将连接的电线顺沿托架布置，并穿过拉力传感器的安装孔连同拉力传感器的连接线一同引出，把防水电机的引线对重力感应的干扰降到最低程度。

所述的试样转盘为耐酸碱腐蚀的材料制成，试样转盘上开有筛孔，能够在试验过程中试样出水后及时滤除试样转盘上的残留水。

所述的加热风干机构通过风扇电机驱动风扇转动，产生可调节的风速，风扇的风经过功率可调的电热管加热后吹向试样，加速试样风干，以缩短试验时间。

本发明的自动化岩样干湿循环试验仪器与现有技术相比有益效果在于：

1.本发明的试验仪器充分考虑了岩土自然环境下干湿循环的真实条件，能够根据设定试验过程和参数自动完成岩土体干湿循环性质的试验，并记录试验全过程中的数据。

2.本发明采用风速可调的风扇和功率可调的电热管构成加热与风干机构，能够满足不同岩土体干湿循环条件的试验。

3.本发明的干湿循环机构和加热风干机构布置在同一对螺纹传动柱上，干、湿状态转换效率高，且两种状态下界线明显，能够较好排除状态之间的干扰。

4.本发明的试样转盘安装在拉力传感器之下，拉力传感器实时感应试样的干湿状态，保证了试验的实时性和精度。

5.本发明的试样转盘在加热风干过程中匀速转动，使试样各个风干面的风干速度趋于一致，最大限度地接近于自然真实情况，所进行的试验数据可为进一步研究库岸边坡的稳定性和演化提供科学依据。

6.本发明的试验仪器结构简单，易于实现，使用方便，实用性强，能够全自动化操作，提高试验效率，试验精度好，应用市场广大，具有很强的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明的自动化岩样干湿循环试验仪器结构正视示意图。

图2为图1的左视图。

图3本发明的试验仪器结构立体示意图。

图4本发明的试验仪器工作原理运动简图。

上述图中：1—支架，2—防护架，3—防护罩，4—风扇，5—电热管，6—螺纹传动柱，7—横梁，8—拉力传感器，9—托架，10—试样转盘，11—辅助托架，12—同步带，13—传动箱体，14—步进电机，15—同步带轮，16—传动箱盖，17—防水电机，18—水槽，19—风扇电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

实施例1：本发明提供一种自动化岩样干湿循环试验仪器，其结构如图1、2、3所示。本发明是一种在岩土性质试验中与干湿循环控制相关的自动化试验仪器。试验仪器包括干湿循环机构、试样调整机构、加热风干机构和检测控制与处理模块。

所述的干湿循环机构设有支架1、螺纹传动柱6、传动箱体13、传动箱盖16、步进电机14、同步带轮15、同步带12、横梁7和水槽18；所述的支架1的上、下边框中安装有两根对称的螺纹传动柱6，支架的底部安装有传动箱体13，传动箱体中安装有步进电机14，传动箱体顶部设有传动箱盖16，支架、螺纹传动柱和传动箱体构成试验仪器的整体支撑框架。所述的螺纹传动柱6上的动力传动器件安装在传动箱体13内部，即在传动箱体13中，螺纹传动柱6上对称地安装有一对同步带轮15，所述一对同步带轮与步进电机14输出轴上安装的同步带轮通过同步带12连接；横梁7通过两端的螺纹孔安装在左右两螺纹传动柱中，通过两螺纹传动柱的转动使横梁在两螺纹传动柱中作升降运动，螺纹传动柱内侧的传动箱盖16上安装有水槽18；水槽通过卡槽直接卡在传动箱盖上，方便拆卸和安装。

所述的试样调整机构安装在横梁7下方，试样调整机构设有拉力传感器8、托架9、辅助托架11、防水电机17和试样转盘10；所述的拉力传感器8与横梁7连接，两个拉力传感器左右对称布置并分别连接托架9的两边，托架底边中心开有安放辅助托架11的槽，槽内还开有一个安装孔，架托与辅助托架呈十字交叉设置，辅助托架两端向试样转盘10边翘起，且中心也开有一个安装孔，辅助托架用于辅助试样转盘10在托架中的定位；安装在托架下的防水电机17的输出轴从架托和辅助托架底面穿过所述托架的槽内安装孔和辅助托架中心的安装孔，并在防水电机的输出轴上安装试样转盘10，防水电机直接驱动试样转盘转动，用于确保试样在试验过程中各方位能够均匀浸水和风干。

所述的防水电机17外部经过防腐蚀及防水处理，具有防腐防水性能；安装防水电机时将连接的电线顺沿托架9布置，并穿过拉力传感器8的安装孔连同拉力传感器的连接线一同引出，把防水电机的引线对重力感应的干扰降到最低程度。所述的试样转盘10为耐酸碱腐蚀的材料制成，试样转盘上开有筛孔，能够在试验过程中试样出水后及时滤除试样转盘上的残留水。

所述的加热风干机构安装在支架1的上部，加热风干机构设有风扇电机19、防护架2、风扇4、防护罩3和电热管5；所述的风扇电机19、防护架2安装在支架1上，防护架起到安全防护的作用，防护架内安装有风扇4、防护罩3和电热管5。

所述的检测控制与处理模块为一个设在外部的配套模块，用于采集拉力传感器的输出信号，记录试验过程中试样的实时重力变化，并按程序和试样的重力变化控制三个电机的工作状态，完成整个试验过程的自动检测、控制、处理和保存。

所述的干湿循环机构中对称的左右两螺纹传动柱通过步进电机带动同步带、同步带轮传动，使安装于两侧螺纹传动柱的横梁上下移动时左右两端保持同步，从而带动与横梁连接的整个试样调整机构能作将试样浸入水槽和提升至加热风干机构区进行风干的循环运动。

图4所示为仪器工作原理的运动结构简图，螺纹传动柱6的动力传动器件安装在传动箱体13内部，安装同步带轮15和同步带12是为了使对称安装的两根螺纹传动柱6同步转动，使横梁7两端同步升降，也使两个拉力传感器同步承受并感应整个试样调整机构连同试样的重力变化。步进电机14输出轴的正反转动带动螺纹传动柱6的正反转动，相应带动横梁7上下运动，带动放置在试样调整机构试样转盘中的试样上下运动，循环进入水箱18和进入加热风干区进行岩样干湿循环试验。

本发明的自动化岩样干湿循环试验仪器进行岩样干湿循环试验的工作过程为：

⑴、确定及设置试验参数：先确定试验所需的试验参数，包括试验中每个干湿循环中试样所需达到的失水率和浸泡时间，三个电机的转速等，通过外部的检测控制与处理模块设置试验参数。

⑵、试样装载：把干湿循环机构的横梁7提升至支架的上部，在试样转盘10上装载所要试验的试样；若是第一次试验，需要把水槽18加入适量水后通过卡槽直接卡在传动箱盖16上，若非第一次试验，亦需检查水槽18中的水位，以试样刚好能够完全浸入且不会使水溢出为宜。

⑶、开启自动干湿循环试验仪器：仪器进行自动试验，由检测控制与处理模块控制干湿循环机构的步进电机14转动，横梁7下降，使试样浸入水槽18中，浸入时间达到设定值后横梁7提升至加热风干机构的风口处，然后按照设定的风速和加热功率启动风扇4和电热管5，对试样进行风干；风干过程中，拉力传感器8实时感应试样的重力变化，当试样的失水率达到设定值后加热风干机构停止工作，干湿循环机构的横梁7下降，试验进入下一个循环。循环次数达到设定次数后，仪器停止工作。

⑷、关闭自动干湿循环试验仪器，取回试样以备后续试验；卸样并清洗水槽18。

本发明的试验仪器结构简单，易于实现，使用方便，实用性强，能够全自动化操作，提高试验效率，试验精度好，应用市场广大，具有很强的推广应用前景。

Claims (7)

1.一种自动化岩样干湿循环试验仪器，包括干湿循环机构、试样调整机构、加热风干机构和检测控制与处理模块；其特征在于：

所述的干湿循环机构设有支架、螺纹传动柱、传动箱体、传动箱盖、步进电机、同步带轮、同步带、横梁和水槽；所述支架的上、下边框中安装有两根对称的螺纹传动柱，支架底部安装有传动箱体，传动箱体中安装有步进电机，传动箱体顶部设有传动箱盖，支架、螺纹传动柱和传动箱体构成试验仪器的整体支撑框架；所述螺纹传动柱上的动力传动器件安装在传动箱体内部，即在传动箱体中，螺纹传动柱上对称地安装有一对同步带轮，所述一对同步带轮与步进电机输出轴上安装的同步带轮通过同步带连接；横梁通过两端的螺纹孔安装在左右两螺纹传动柱中，横梁通过两螺纹传动柱的转动在两螺纹传动柱上作升降运动，螺纹传动柱内侧的传动箱盖上安装有水槽；

所述的试样调整机构安装在横梁下方，试样调整机构设有拉力传感器、托架、辅助托架、防水电机和试样转盘；所述的拉力传感器与横梁连接，两个拉力传感器左右对称布置并分别连接托架的两边，托架底边中心开有安放辅助托架的槽，槽内还开有一个安装孔，托架与辅助托架呈十字交叉设置，辅助托架两端向试样转盘边翘起，且中心也开有一个安装孔，辅助托架用于辅助试样转盘在托架中的定位；安装在托架下的防水电机的输出轴从托架和辅助托架底面穿过所述托架的槽内安装孔和辅助托架中心的安装孔，并在防水电机的输出轴上安装试样转盘，防水电机直接驱动试样转盘转动，用于确保试样在试验过程中各方位能够均匀浸水和风干；

所述的加热风干机构安装在支架的上部，加热风干机构设有风扇电机、防护架、风扇、防护罩和电热管；所述的风扇电机、防护架安装在支架上，防护架起到安全防护的作用，防护架内安装有风扇、防护罩和电热管；

所述的检测控制与处理模块为一个设在外部的配套模块，用于采集拉力传感器的输出信号，记录试验过程中试样的实时重力变化，并按程序和试样的重力变化控制三个电机的工作状态，完成整个试验过程的自动检测、控制、处理和保存。

2.根据权利要求1所述的自动化岩样干湿循环试验仪器，其特征在于：所述的干湿循环机构中对称的左右两螺纹传动柱通过步进电机带动同步带、同步带轮传动，使安装于两侧螺纹传动柱的横梁上下移动时左右两端保持同步，从而带动与横梁连接的整个试样调整机构能作将试样浸入水槽和提升至加热风干机构区进行风干的循环运动。

3.根据权利要求1所述的自动化岩样干湿循环试验仪器，其特征在于：所述的水槽通过卡槽直接卡在传动箱盖上，方便拆卸和安装。

4.根据权利要求1所述的自动化岩样干湿循环试验仪器，其特征在于：所述的拉力传感器承受并感应整个试样调整机构连同试样的重力变化。

5.根据权利要求1所述的自动化岩样干湿循环试验仪器，其特征在于：所述的防水电机外部经过防腐蚀及防水处理，具有防腐防水性能；安装防水电机时将连接的电线顺沿托架布置，并穿过拉力传感器的安装孔连同拉力传感器的连接线一同引出，把防水电机的引线对重力感应的干扰降到最低程度。

6.根据权利要求1所述的自动化岩样干湿循环试验仪器，其特征在于：所述的试样转盘为耐酸碱腐蚀的材料制成，试样转盘上开有筛孔，能够在试验过程中试样出水后及时滤除试样转盘上的残留水。

7.根据权利要求1所述的自动化岩样干湿循环试验仪器，其特征在于：所述的加热风干机构通过风扇电机驱动风扇转动，产生可调节的风速，风扇的风经过功率可调的电热管加热后吹向试样，加速试样风干，以缩短试验时间。