CN104614247A - 可视化三轴试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可视化三轴试验系统，透明压力室(5)由手动泵(17)供油，透明压力室(5)的正上方设有液压缸(7)，液压缸(7)由变量柱塞式液压泵(34)供油，液压缸(7)活塞的下端设有加载头(8)，该加载头(8)正对透明压力室(5)的压杆，在液压缸(7)的正上方设有线性差动变压器(9)，线性差动变压器(9)的探头与液压缸(7)活塞的上端接触；在透明压力室(5)的外围设有四个照相机(11)和三台摄像机(12)。本发明结构简单、紧凑，组装方便，成本低，稳定性好；由硬件控制试验精度高，可靠性好，保载时间长；可直观观察试件的径向变形，通过拍摄设备并结合图像处理系统软件，更能准确的测量试件的径向变形。

Description

可视化三轴试验系统

技术领域

本发明涉及一种可视化三轴试验系统，用于岩石(土)力学特征的试验。

背景技术

三轴试验机，是一种符合现代岩土力学研究领域，研究岩石(土)力学特性的新型试验设备。可根据不同要求配置围压系统、岩石引伸计、高低温系统、孔隙水压系统、岩石直剪试验系统、及岩石剪切、劈裂夹具等。可自动完成岩石在不同围压下的三轴压缩试验，孔隙渗透试验、高低温环境试验等，并可进行单向低周循环及用户自行设置的组合波形程序控制等多种控制方式的三轴试验。岩石三轴试验是研究岩石力学的重要手段，岩石三轴试验数据是岩石力学一个重要参数。它能比较完整地模拟岩土在原始地应力状态下的力学性能，是工程设计的重要依据。由于深部岩石处于复杂的应力状态，采矿工程中所遇到的岩体或矿体多处于三向应力状态，本身又是一种十分复杂的天然材料；在很多情况下,简单应力状态下的岩石应力试验不能完全反映工程实际中的岩体应力状态，必须充分认识复杂应力状态下岩石的力学性质。因此开展三轴状态下的岩石试验研究显得十分重要。

1、常规岩石三轴试验机

岩石三轴试验机是研究岩石力学性质的基本试验设备，根据岩石试验规程以及目前的工程建设的特点，用现有的压力试验机改装研制出高性能的岩石三轴试验机，它可以应用于高围压的岩石三轴剪切试验、围压恒定条件下的岩石三轴蠕变实验。可以根据要求设定试验参数，整个试验过程采用微机控制，自动记录试验数据，是目前自动程度较高的、比较经济实用的岩石三轴试验设备。常规三轴试验机金属材质的底座和压力室侧壁构成一个高强度的封闭空间，液压系统通过进油口向密闭空间提供高压油，高压油通过试件表面强度可以忽略不计的热缩管给试件提供围压，轴压则同过试件上部的压杆，由液压千斤顶施加。轴压和围压都配备有伺服控制系统，可以伺服控制，保证围压和轴压加载的稳定性。

缺陷：常规三轴试验设备最主要目的在于研究不同材料试件在三轴压缩条件下，试件的变形破坏规律。由于压力室(腔体)由合金制成，在保证高强度的时候，牺牲了试件变形的可视性，试件的轴向变形由压杆的位移量确定，而径向变形只能通过在试件侧面设置环向引伸计间接测量。而在无法研究该某一试验条件下试件的径向变形规律的前提下，由于许多岩石的破坏，并不发生在岩石试件的中间部分，所以，采用在岩石中间部分套用环向引伸计测量径向变形的结果不够精确。而且引伸计在保证精度的同时，量程是有限的，所以得到的变形也是有限的，得到的变化规律是不完整的。材料在实验过程中的弯曲、破裂、裂纹扩展等重要信息也无法得到。

2、透明压力室土体试验设备

在研究土体力学性质和变形规律的时候，时常会用到透明压力室的三轴试验机，压力室一般由玻璃制成，能保证较好的可视性。但是由于玻璃材料的脆性，在密封环节就不能采用强有力的密封，否则玻璃会碎裂。故土体力学试验中的可视的压力室能提供的围压一般不高于2MPa。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、精确性好的可视化三轴试验系统。

本发明的技术方案如下：一种可视化三轴试验系统，具有固定架(1)，其关键在于：在所述固定架(1)的顶部设置下定位板(2)，该下定位板(2)的上方通过反力柱(3)支撑有上定位板(4)，在所述下定位板(2)顶面的中央固定台座，该台座上装有测力计(6)，并在台座的顶部安装透明压力室(5)，在所述透明压力室(5)的正上方设置液压缸(7)，该液压缸(7)安装于上定位板(4)上，液压缸(7)活塞的下端设有加载头(8)，该加载头(8)位于上定位板(4)的下方并正对透明压力室(5)的压杆，在所述液压缸(7)的正上方设有线性差动变压器(9)，该线性差动变压器(9)通过支架(10)安装在液压缸(7)的缸体上，所述线性差动变压器(9)的探头竖直向下，并与液压缸(7)活塞的上端接触；

在所述透明压力室(5)的外围设有四个照相机(11)和三台摄像机(12)，四个照相机(11)在同一高度上，这四个照相机(11)按圆周均匀分布，且四个照相机(11)所在圆周的圆心位于透明压力室(5)的轴心线上，三台摄像机(12)在同一高度上按圆周均匀分布，摄像机(12)的位置高于照相机(11)的位置，其中一台摄像机(12)和其中一个照相机(11)位于同一竖直面内；

所述透明压力室(5)的进油口接有供油管(16)，该供油管(16)与手动泵(17)连接，在所述透明压力室(5)与手动泵(17)之间的连接管路上设有第一蓄能器(A)，该第一蓄能器(A)包括蓄能器外壳(20)、囊袋(22)、阀芯(23)和油嘴(24)，在蓄能器外壳(20)内设有囊袋(22)，该囊袋(22)中填充有惰性气体(21)，在囊袋(22)的顶部安装阀芯(23)，阀芯(23)向上伸出蓄能器外壳(20)外，在所述囊袋(22)与蓄能器外壳(20)所形成的空间内填充有液压油(19)，所述蓄能器外壳(20)的底部设置油嘴(24)，油嘴(24)与第一支管(18)的一头连接，第一支管(18)的另一头连接在供油管(16)上；

在所述液压缸(7)的背面安装伺服阀(13)，液压缸(7)的进油口和出油口均与伺服阀(13)连通，所述伺服阀(13)的进油口通过第一油管(33)与变量柱塞式液压泵(34)的出油口连接，变量柱塞式液压泵(34)安装于油箱(35)上，伺服阀(13)的回油出口通过第二油管(36)与变量柱塞式液压泵(34)的回油口连接；在所述伺服阀(13)与变量柱塞式液压泵(34)的连接管路上设有第二蓄能器(B)，该第二蓄能器(B)的结构与第一蓄能器(A)相同，第二蓄能器(B)底部的油嘴与第二支管(37)的一头连接，第二支管(37)的另一头连接在第二油管(36)上。

采用以上技术方案，先将试件放入透明压力室内，使试件位于透明压力室中的上压头与下压头之间，接着操作手动泵的手柄，使手动泵通过供油管向透明压力室中通液压油，以提供围压，模拟岩石、煤岩的真实状态，然后控制液压缸的活塞向下运动，使试件被压缩，液压缸活塞向下运动的同时，线性差动变压器的探头发生位移，线性差动变压器和测力计配合，在相应控制电路的作用下，即可测量试件的轴向变形和所受压力。

透明压力室中进油，可直观观察试件的变形特征。在试验过程中，照相机拍摄图片，摄像机拍摄视频，在控制电脑上打开图像处理系统软件，进行图像的采集、分析、处理，对图片像素进行解析，可分析计算试件的径向变形；图像处理系统软件对试验过程拍摄到的视频进行导入和控制，以时间为单位，对视频进行编辑、分析、处理，形成全自动的过程。

本发明一方面结构简单、紧凑，组装容易，成本低；另一方面，测力计、试件、液压缸和线性差动变压器在同一竖直线上，从而有效避免了压缩条件下的应力集中，使试验过程中试件完全处于被压缩状态，试验数据精确、可靠；同时，采用可视化方式并结合图像分析方法，能更准确地测量试件的径向变形。

本发明采用手动泵作为围压液压油的动力源，不仅操作简单、方便，而且经济、实用，能有效降低成本。由于试验过程中透明压力室内的压力会下降，因此，采用第一蓄能器中的8Mpa囊袋持续为透明压力室提供10Mpa的压力。在第一蓄能器中，主要有8Mpa惰性气体囊袋，囊袋外面，第一蓄能器外壳中有10Mpa的液压油，此液压油通过第一支管及供油管与透明压力室连通。如果透明压力室的压力保持恒定，则第一蓄能器中液压油和惰性气体囊袋保持稳定状态，如果透明压力室内压力下降造成压力差，则由第一蓄能器中的10Mpa液压油持续给透明压力室补给压力。以上方式补充油压及时，能够为透明压力室提供稳定的压力，从而进一步确保了试验结果真实、可靠。

本发明采用变量柱塞式液压泵作为轴压液压油的动力源，由于变量柱塞式液压泵里斜盘移动，会导致变量柱塞式液压泵压力下降，因此，采用第二蓄能器中的8Mpa囊袋持续为变量柱塞式液压泵活塞提供10Mpa的压力。在第二蓄能器中，主要有8Mpa惰性气体囊袋，囊袋外面，第二蓄能器外壳中有10Mpa的液压油，此液压油通过第二支管及第二油管与变量柱塞式液压泵连通。如果变量柱塞式液压泵的压力保持恒定，则第二蓄能器中液压油和惰性气体囊袋保持稳定状态，如果由于变量柱塞式液压泵斜盘的移动造成压力差，则由第二蓄能器中的10Mpa液压油持续给变量柱塞式液压泵补给压力。以上方式补充油压及时，有效避免了油作业过程中的温度上升问题，不仅确保了液压缸工作的可靠性，而且不需要另行为变量柱塞式液压泵配备冷却系统，大大降低了成本。

为了简化结构、方便装配，并确保试验机上部的稳定性，所述下定位板(2)与上定位板(4)通过两根相互平行的反力柱(3)连接，该反力柱(3)的上下端通过螺母与对应的定位板锁紧。

为了使结构更紧凑，并有利于管路布置，在所述伺服阀(13)的旁边设有过滤器(14)，过滤器(14)的出口与伺服阀(13)的进油口连通。

为了使线性差动变压器安装牢固、可靠，拆装便捷性好，所述线性差动变压器(9)通过上下两个抱箍安装于支架(10)上。

每个蓄能器均配备有一个定位架(27)，该定位架(27)包括底梁(28)、竖梁(29)、托板(30)和竖板(31)，其中，两根底梁(28)平行布置于地面上，在两根底梁(28)之间设有两根相互平行的竖梁(29)，各竖梁(29)的下端与对应侧底梁(28)的中部相贴合固定，在两根竖梁(29)的上部之间连接竖板(31)，该竖板(31)的底部与托板(30)相固定，蓄能器支撑在托板(30)上，蓄能器外壳(20)底部的油嘴(24)穿过托板(30)中部的过孔，在所述蓄能器外壳(20)的中部设有圆弧形的箍带(32)，该箍带(32)与蓄能器外壳(20)相贴合，箍带(32)的两端均焊接有螺柱(25)，该螺柱(25)穿过竖板(31)，并由螺母锁紧。以上结构一方面定位架造型简单，加工制作容易，稳定性好，不会发生晃动；另一方面，蓄能器外壳的底部由托板托住，且箍带以半包围的形式将蓄能器外壳的中部箍紧在竖板上，蓄能器拆装便捷，连接既牢固又可靠。

为了便于选材，进一步降低生产成本，所述底梁(28)和竖梁(29)均为角铁。

加强板起增加结构强度的作用，使竖板与托板之间连接牢靠，不会发生松动或脱落。在所述托板(30)的两端对称设置有加强板(26)，该加强板(26)为直角三角形，加强板(26)的一条直角边与托板(30)焊接固定，加强板(26)的另一条直角边与竖板(31)焊接固定。

本发明的有益效果是：

1、结构简单、紧凑，占用空间小，组装方便，成本低，稳定性好；

2、采用硬件控制，尤其对岩石流变试验，由硬件控制试验精度高，可靠性好，保载时间长；

3、环保节能，耗电量低，是普通试验机耗电量的1/10左右；

4、试件轴向变形采用最先进的线性差动变压器，测量精度高，变形精度为5.0mm±1％，克服了普通试验机测量精度低的缺陷；

5、可直观观察试件的径向变形，通过拍摄设备并结合图像处理系统软件，更能准确的测量试件的径向变形；

6、在试验过程中，观察液气混合物的流动，计算水气混合物的流量等，通过发明的结构，对岩石、煤岩进行相关的渗流特性研究，通过可视化压力室，直观的观测含瓦斯煤岩的单轴、三轴等受力状态渗流作用下的破坏形态，对煤层气、页岩气和原油的开采具有非常重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明上部的侧视图。

图3为本发明中照相机和摄像机的布置示意图。

图4为本发明的围压液路结构示意图。

图5为本发明的轴压液路结构示意图。

图6为定位架的侧视图。

图7为定位架的主视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，固定架1为框架结构，该固定架1底部的四个角处均装有地脚螺栓。在固定架1的顶部设置下定位板2，该下定位板2优选为矩形，并位于水平面上。在下定位板2的正上方设有上定位板4，上定位板4也优选为矩形，上定位板4与下定位板2相平行，上定位板4与下定位板2通过左右两根相互平行的反力柱3连接，反力柱3垂直于上定位板4，该反力柱3的上下端通过螺母与对应的定位板锁紧。

如图1、图2所示，在下定位板2顶面的中央固定台座，该台座上装有测力计6，并在台座的顶部安装透明压力室5，该透明压力室5位于两根反力柱3之间。透明压力室5由顶板、底座、丙烯玻璃、压杆、上压头、透明热缩管和下压头等构成，透明压力室5的压杆向上伸出顶板的顶面。透明压力室5可以采用与中国专利CN 201410269471.2于2014年8月27日公开的可视化三轴渗流装置相同或类似的结构，在此不作赘述。在透明压力室5的正上方设置液压缸7，该液压缸7安装于上定位板4上。液压缸7的轴心线垂直于上定位板4，液压缸7活塞的下端设有加载头8，该加载头8位于上定位板4的下方并正对透明压力室5的压杆。在液压缸7的背面安装伺服阀13，液压缸7的进油口与伺服阀13的出油口连通，液压缸7的出油口与伺服阀13的回油进口连通，伺服阀13控制液压缸7的进出油。在伺服阀13的旁边设有过滤器14，过滤器14的出口与伺服阀13的进油口连通。

如图1、图2所示，在液压缸7的正上方设有线性差动变压器9，该线性差动变压器9的轴心线与上定位板4垂直，线性差动变压器9通过上下两个抱箍安装于支架10上，而支架10固定在液压缸7的缸体上。线性差动变压器9的探头竖直向下，且线性差动变压器9的探头与液压缸7活塞的上端接触。线性差动变压器属于现有技术，其结构及工作原理在此不作赘述。

如图1、图3所示，在透明压力室5的外围设有四个照相机11和三台摄像机12，四个照相机11在同一高度上，这四个照相机11按圆周均匀分布，且四个照相机11所在圆周的圆心位于透明压力室5的轴心线上，各照相机11正对待测试件的中心。三台摄像机12在同一高度上按圆周均匀分布，摄像机12的位置略高于照相机11的位置，其中一台摄像机12和其中一个照相机11位于同一竖直面内。

如图1、图2、图4所述，透明压力室5的进油口接有供油管16，该供油管16与手动泵17连接。在透明压力室5与手动泵17的连接管路之间设有第一蓄能器A，该第一蓄能器A由蓄能器外壳20、囊袋22、阀芯23、油嘴24和护套15等部件构成。其中，囊袋22设置在蓄能器外壳20内，该囊袋22中填充有惰性气体21，惰性气体21优选为氮气，惰性气体21的压力优选为8Mpa。在囊袋22的顶部安装阀芯23，阀芯23向上伸出蓄能器外壳20外，囊袋22通过阀芯23可以进行充气或排气。在阀芯23的上端套装护套15，该护套15由螺母锁紧，护套15对阀芯23起防护作用。在所述囊袋22与蓄能器外壳20所形成的空间内填充有液压油19，液压油19的压力优选为10Mpa。在蓄能器外壳20的底部设置油嘴24，油嘴24与第一支管18的一头连接，第一支管18的另一头连接在供油管16上，蓄能器外壳20内的液压油19通过第一支管18及供油管16与透明压力室5相通。

如图4、图6、图7所述，第一蓄能器A安装在定位架27上，该定位架27由底梁28、竖梁29、托板30、竖板31和加强板26等构成。其中，底梁28优选为角铁，两根底梁28相互平行，并对称布置于地面上。在两根底梁28之间设有两根相互平行的竖梁29，竖梁29也优选为角铁，竖梁29垂直于底梁28，各竖梁29的下端与对应侧底梁28的中部相贴合，并通过焊接固定。在两根竖梁29的上部之间连接竖板31，竖板31与竖梁29焊接，该竖板31的底部与托板30相焊接固定，竖板31和托板30组成“L”形结构。在托板30的两端对称设置有加强板26，该加强板26为直角三角形，加强板26的一条直角边与托板30焊接固定，加强板26的另一条直角边与竖板31焊接固定。

如图6、图7所示，第一蓄能器A的蓄能器外壳20的底部支撑在托板30上，蓄能器外壳20底部的油嘴24向下穿过托板30中部的过孔。在蓄能器外壳20的中部设有圆弧形的箍带32，该箍带32以半包围的形式与蓄能器外壳20相贴合，箍带32的两端均焊接有螺柱25，该螺柱25穿过竖板31，并由螺母锁紧。

如图1、图2、图5所示，过滤器14的进口通过第一油管33与变量柱塞式液压泵34的出油口连接，变量柱塞式液压泵34安装于油箱35上，该变量柱塞式液压泵35由电机驱动。伺服阀13的回油出口通过第二油管36与变量柱塞式液压泵34的回油口连接。在伺服阀13与变量柱塞式液压泵34的连接管路之间设有第二蓄能器B，第二蓄能器B的结构与第一蓄能器A相同，第二蓄能器B安装在另一个定位架27上。第二蓄能器B底部的油嘴与第二支管37的一头连接，第二支管37的另一头连接在第二油管36上，第二蓄能器B内的液压油通过第二支管37及第二油管36与变量柱塞式液压泵34相通。

本发明的工作原理如下：

先将试件放入透明压力室5内，使试件位于透明压力室5中的上压头与下压头之间，接着操作手动泵17的手柄，使手动泵17通过供油管16向透明压力室5中通液压油，以向试件提供围压，模拟岩石、煤岩的真实状态，然后控制液压缸7的活塞向下运动，使试件被压缩，液压缸7活塞向下运动的同时，线性差动变压器9的探头发生位移，线性差动变压器9和测力计6配合，在相应控制电路的作用下，即可测量试件的轴向变形和所受压力。

透明压力室中5进油，可直观观察试件的变形特征；在试验过程中，照相机11拍摄图片，摄像机12拍摄视频，在控制电脑上打开图像处理系统软件，进行图像的采集、分析、处理，对图片像素进行解析，可分析计算试件的径向变形；图像处理系统软件对试验过程拍摄到的视频进行导入和控制，以时间为单位，对视频进行编辑、分析、处理，形成全自动的过程。

本发明拆除透明压力室，在台座上安装底座及下压头，即可进行单轴压缩试验。

Claims (7)

1.一种可视化三轴试验系统，具有固定架(1)，其特征在于：在所述固定架(1)的顶部设置下定位板(2)，该下定位板(2)的上方通过反力柱(3)支撑有上定位板(4)，在所述下定位板(2)顶面的中央固定台座，该台座上装有测力计(6)，并在台座的顶部安装透明压力室(5)，在所述透明压力室(5)的正上方设置液压缸(7)，该液压缸(7)安装于上定位板(4)上，液压缸(7)活塞的下端设有加载头(8)，该加载头(8)位于上定位板(4)的下方并正对透明压力室(5)的压杆，在所述液压缸(7)的正上方设有线性差动变压器(9)，该线性差动变压器(9)通过支架(10)安装在液压缸(7)的缸体上，所述线性差动变压器(9)的探头竖直向下，并与液压缸(7)活塞的上端接触；

在所述透明压力室(5)的外围设有四个照相机(11)和三台摄像机(12)，四个照相机(11)在同一高度上，这四个照相机(11)按圆周均匀分布，且四个照相机(11)所在圆周的圆心位于透明压力室(5)的轴心线上，三台摄像机(12)在同一高度上按圆周均匀分布，摄像机(12)的位置高于照相机(11)的位置，其中一台摄像机(12)和其中一个照相机(11)位于同一竖直面内；

所述透明压力室(5)的进油口接有供油管(16)，该供油管(16)与手动泵(17)连接，在所述透明压力室(5)与手动泵(17)之间的连接管路上设有第一蓄能器(A)，该第一蓄能器(A)包括蓄能器外壳(20)、囊袋(22)、阀芯(23)和油嘴(24)，在蓄能器外壳(20)内设有囊袋(22)，该囊袋(22)中填充有惰性气体(21)，在囊袋(22)的顶部安装阀芯(23)，阀芯(23)向上伸出蓄能器外壳(20)外，在所述囊袋(22)与蓄能器外壳(20)所形成的空 间内填充有液压油(19)，所述蓄能器外壳(20)的底部设置油嘴(24)，油嘴(24)与第一支管(18)的一头连接，第一支管(18)的另一头连接在供油管(16)上；

在所述液压缸(7)的背面安装伺服阀(13)，液压缸(7)的进油口和出油口均与伺服阀(13)连通，所述伺服阀(13)的进油口通过第一油管(33)与变量柱塞式液压泵(34)的出油口连接，变量柱塞式液压泵(34)安装于油箱(35)上，伺服阀(13)的回油出口通过第二油管(36)与变量柱塞式液压泵(34)的回油口连接；在所述伺服阀(13)与变量柱塞式液压泵(34)的连接管路上设有第二蓄能器(B)，该第二蓄能器(B)的结构与第一蓄能器(A)相同，第二蓄能器(B)底部的油嘴与第二支管(37)的一头连接，第二支管(37)的另一头连接在第二油管(36)上。

2.根据权利要求1所述的可视化三轴试验系统，其特征在于：所述下定位板(2)与上定位板(4)通过两根相互平行的反力柱(3)连接，该反力柱(3)的上下端通过螺母与对应的定位板锁紧。

3.根据权利要求1或2所述的可视化三轴试验系统，其特征在于：在所述伺服阀(13)的旁边设有过滤器(14)，过滤器(14)的出口与伺服阀(13)的进油口连通。

4.根据权利要求1所述的可视化三轴试验系统，其特征在于：所述线性差动变压器(9)通过上下两个抱箍安装于支架(10)上。

5.根据权利要求1所述的可视化三轴试验系统，其特征在于：每个蓄能器均配备有一个定位架(27)，该定位架(27)包括底梁(28)、竖梁(29)、托板(30)和竖板(31)，其中，两根底梁(28)平行布置于地面上，在两根底梁(28) 之间设有两根相互平行的竖梁(29)，各竖梁(29)的下端与对应侧底梁(28)的中部相贴合固定，在两根竖梁(29)的上部之间连接竖板(31)，该竖板(31)的底部与托板(30)相固定，蓄能器支撑在托板(30)上，蓄能器外壳(20)底部的油嘴(24)穿过托板(30)中部的过孔，在所述蓄能器外壳(20)的中部设有圆弧形的箍带(32)，该箍带(32)与蓄能器外壳(20)相贴合，箍带(32)的两端均焊接有螺柱(25)，该螺柱(25)穿过竖板(31)，并由螺母锁紧。

6.根据权利要求1所述的可视化三轴试验系统，其特征在于：所述底梁(28)和竖梁(29)均为角铁。

7.根据权利要求5或6所述的可视化三轴试验系统，其特征在于：在所述托板(30)的两端对称设置有加强板(26)，该加强板(26)为直角三角形，加强板(26)的一条直角边与托板(30)焊接固定，加强板(26)的另一条直角边与竖板(31)焊接固定。