CN107192834B - 一种土工试样标准化自动制样机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土工试样标准化自动制样机。其包括：控制模块，所述控制模块包括控制终端和与所述控制终端相连接的伺服控制器；伺服加载模块，所述伺服加载模块由所述控制模块控制，其包括一活塞组件；试样模具模块，所述试样模具模块与所述活塞组件活动连接，使所述活塞组件能够在所述试样模具模块的筒体内滑动；传感器模块，所述传感器模块设置于所述伺服加载模块上并与所述伺服控制器相连接；以及与所述试样模具模块相连通的上排气排液壶和下排气排液壶。采用本发明进行标准化自动制样,去掉了因人工操作而引起的误差,可以实现同一批试样的各项性能统一性,提高实验结果的准确性；并提高了GDS土动三轴仪等土力学仪器的有效使用率。

Description

一种土工试样标准化自动制样机

技术领域

本发明涉及土工试样制备设备技术领域，具体的说是涉及一种土工试样标准化自动制样机。

背景技术

在进行土工试验前，首先需要进行土样制备的工作。实验室主要依据国标《土工试验方法标准》GB/T50123-1999和水利部行业标准《土工试验规程》SL237-1999中的“试样制备和饱和”一节的击样法进行试样制备。即根据套筒容积和试验要求的干密度所需质量的湿土倒入装有套筒的击样器内，击实到所需密度。击样器结构如图1所示。

若需要饱和试样进行试验，可在上样前进行饱和，使用抽气饱和法，让土样内部形成负压后，放置在纯水中静置10～24小时再用于试验。如果在GDS土动三轴仪上使用饱和程序进行饱和，则需要通过逐级施加反压，向试样中注水同时将试样中气体排出，然后检测程序检测试样饱和情况。

现有的制样设备主要存在以下不足：

1.多数土力学实验需要3块以上同一状态的土样。制样过程中从称土，加水到击样，每个步骤都有人工操作带来的随机误差，尤其在击样过程中，不能保证击样器垂直，使得试样表面不平整。

2.制备密度较高的土样时，击样器提供的冲击力不够，土样内部空气不能及时排出，很难达到预期密度。当使用分层击实时，这样虽然能使样品密实度较好，但是对样品的均一性不好，下部土样密度大于上部土样。同时在每一层交界处，有可能存在弱结合面。

以上两个原因使得在同一组实验中的多块样品状态差距较大，当实验样品本身出现较大误差时，在实验开始前已带入无法修正的误差，进而影响了试验所得结果的准确度和可信度。

3.制备高含水率试样时，试样较稀，使用击实器会由于冲击力而让土样四溅，同时，冲击力也会使土样内部孔隙水压升高，不易于土样成形。

4.重塑土只能达到原状样的密度和含水，由于缺乏固结作用，其结构、空隙、均匀性和原状土差别很大。

5.制备饱和试样时，真空饱和法需要花费大量时间，仪器程序饱和更要占用大量仪器使用时间，影响实验效率。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种土工试样标准化自动制样机。本发明一种土工试样标准化自动制样机的具体技术方案如下：

一种土工试样标准化自动制样机，其包括：控制模块，所述控制模块包括控制终端和与所述控制终端相连接的伺服控制器；伺服加载模块，所述伺服加载模块由所述控制模块控制，其包括一活塞组件；试样模具模块，所述试样模具模块与所述活塞组件活动连接，使所述活塞组件能够在所述试样模具模块的筒体内滑动；传感器模块，所述传感器模块设置于所述伺服加载模块上并与所述伺服控制器相连接；以及与所述试样模具模块相连通的上排气排液壶和下排气排液壶。

根据一个优选的实施方式，所述伺服加载模块包括：与所述伺服控制器相连接的伺服电机、与所述伺服电机相连接的减速机构、与所述减速机构相连接的传动箱、与所述传动箱相连接的直线型电动缸；所述直线型电动缸的推杆通过一万向连接头与所述活塞组件相连接。

根据一个优选的实施方式，所述伺服加载模块包括：与所述伺服控制器相连接的伺服电机、与所述伺服电机相连接的减速机构、与所述减速机构相连接的传动箱、与所述传动箱相连接的液压伸缩装置；所述液压伸缩装置的伸缩杆通过一万向连接头与所述活塞组件相连接。

根据一个优选的实施方式，所述试样模具模块包括试样模具和安装架；所述试样模具包括筒体和上盖组件；所述上盖组件通过铰接连接机构和锁扣连接机构可开合地设置于所述筒体的上端；所述筒体的下端通过连接组件固定于所述安装架上。

根据一个优选的实施方式，所述上盖组件包括呈倒U型的上盖板；在所述上盖板的开口端设置有带孔支撑板，所述带孔支撑板与所述上盖板之间形成有一腔体，在所述腔体内设置有透水石；在所述上盖板上还设置有与所述腔体连通的带阀门的快速管接头；在所述上盖板上位于所述带孔支撑板外侧设置有密封圈。

根据一个优选的实施方式，所述连接组件包括锁紧螺钉、带孔的归零限位块和安装板；所述安装板安装于所述安装架上，所述带孔的归零限位块设置于所述筒体与所述安装板之间，所述锁紧螺钉将所述筒体和所述带孔的归零限位块固定于所述安装板上；并且所述带孔的归零限位块的开孔尺寸小于所述筒体的内径，以防止所述活塞组件退出所述筒体。

根据一个优选的实施方式，所述活塞组件包括活塞固定座和设置于所述活塞固定座上的活塞环；在所述活塞环的顶部设置有第二带孔支撑板，所述活塞环与所述第二带孔支撑板之间形成有一腔体，在所述腔体内设置有第二透水石；在所述活塞环的底部还设置有与所述腔体连通的带阀门的第二快速管接头；并且，在所述活塞环与所述筒体内壁之间还设置有副密封圈和主密封圈。

根据一个优选的实施方式，传感器模块包括压力传感器；所述压力传感器设置于所述伺服加载模块与所述活塞组件的连接处。

本发明还提供了一种土工试样标准化自动制样机，其具体技术方案如下：

一种土工试样标准化自动制样机，其包括一个如上所述的控制模块和多组由如上所述的伺服加载模块、试样模具模块、传感器模块、上排气排液壶和下排气排液壶组成的被控制模块；并且至少其中一组用于制备直径为150mm的大体积试样。

与现有技术相比，本发明的土工试样标准化自动制样机具有如下有益效果：

1.采用本发明的土工试样标准化自动制样机进行标准化自动制样,去掉了因人工操作而引起的误差,可以实现同一批试样的各项性能统一性,提高实验结果的准确性。

2.本发明的土工试样标准化自动制样机在伺服加载模块作用下，能以稳定的速率压缩土样,使样品密度均匀,同时伺服加载模块能提供足充足的法向压力，可制备较大密度的样品。同时，在力控制模式下可对样品进行预固结，能更加真实地模拟土体的原始状态。

3.本发明的土工试样标准化自动制样机将试样模具上下端都设置排水口,利用对过饱和土样进行加压排水，快速实现饱和试样的制备，能极大的缩减制样时间。

4.本发明的土工试样标准化自动制样机能根据不同试样尺寸的制作要求，选择不同尺寸的制样模具，能适应多种实验需求。

5.本发明的土工试样标准化自动制样机节约了试验人员制样时间，缩短制样周期，提高了GDS土动三轴仪等土力学仪器的有效使用率。

附图说明

图1是现有技术中击样器的结构示意图；

图2是本发明土工试样标准化自动制样机的结构框图；

图3是本发明土工试样标准化自动制样机的立体图；

图4是本发明土工试样标准化自动制样机的主视图；

图5是本发明土工试样标准化自动制样机的剖视图。

附图标记列表

1-套环 2-定位螺丝 3-导杆

4-击锤 5-底板 6-套筒

7-击样筒 8-底座

100-控制模块

110-控制终端

120-伺服控制器

200-伺服加载模块

210-伺服电机

220-减速机构

230-传动箱

240-直线型电动缸

241-推杆

242-万向连接头

300-活塞组件

310-活塞固定座

320-活塞环

330-第二带孔支撑板

340-第二透水石

350-第二快速管接头

360-副密封圈

370-主密封圈

400-试样模具模块

410-安装架

420-筒体

430-上盖组件

431-上盖板

432-带孔支撑板

433-透水石

434-快速管接头

435-密封圈

442-带孔的归零限位块

443-安装板

451-铰接座

452-铰接板

453-连接件

460-锁扣

470-模具安装孔

500-传感器模块

510-压力传感器

600-上排气排液壶

700-下排气排液壶

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

实施例1

如图2至5所示，一种土工试样标准化自动制样机，其包括：控制模块100、伺服加载模块200、试样模具模块400、传感器模块500上排气排液壶600和下排气排液壶700。

控制模块100包括控制终端110和与控制终端110相连接的伺服控制器120。优选的，控制终端110可以为电脑、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等。

伺服加载模块200，伺服加载模块200由控制模块100控制，其包括一活塞组件300。

本实施例中，伺服加载模块200包括与伺服控制器120相连接的伺服电机210、与伺服电机210相连接的减速机构(如减速箱)220、与减速机构220相连接的传动箱230、与传动箱230相连接的直线型电动缸240。直线型电动缸240的推杆241通过一万向连接头(鱼眼万向连接头)242与活塞组件300相连接。

伺服控制器通过控制伺服电机直接控制推杆的伸缩速度和行程。伺服电机210通过伺服控制器120与控制终端110相连接，并将转动角度的数据反馈至控制终端，控制终端通过反馈的转动角度数据实时换算出推杆的实际运行行程。

活塞组件300包括活塞固定座310和设置于活塞固定座310上的活塞环320。直线型电动缸240的推杆241通过一万向连接头(鱼眼万向连接头)242与活塞固定座310相连接。

在活塞环320的顶部设置有第二带孔支撑板330。第二带孔支撑板用以防止压力过大而造成第二透水石破裂。当需要排水时，可以打开第二快速管接头上的阀门。不需要排水时，关闭第二快速管接头上的阀门，此时也可以把第二透水石换成一铁块。活塞环320与第二带孔支撑板330之间形成有一腔体，在腔体内设置有第二透水石340。优选的，第二透水石可以是气孔石或透水石。在活塞环320的底部还设置有与腔体连通的带阀门的第二快速管接头350。

活塞环的外径和筒体的内径相同，使用精加工技术,保证筒体的内径和活塞环表面光滑的同时，使两者间的间隙足够小。并且，在活塞环320与筒体100内壁之间还设置有副密封圈360和主密封圈370，起到密闭防水的作用。防止土样和多余的水会从活塞环520和筒体420之间的间隙中挤出，导致制样失败。

优选的，副密封圈设置有两个，主密封圈设置于两个副密封圈之间。

试样模具模块400，试样模具模块400与活塞组件300活动连接，使活塞组件300能够在试样模具模块400的筒体420内滑动。

具体的，试样模具模块400包括试样模具和安装架410。试样模具包括筒体420和上盖组件430。筒体420的下端通过连接组件固定于安装架410上。

伺服加载模块安装在试样模具模块400下方，并且直线型电动缸的推杆、筒体和活塞环同轴布置。

上盖组件430包括呈倒U型的上盖板431。在上盖板431的开口端设置有带孔支撑板432。带孔支撑板用以防止压力过大透水石破裂。当需要排水时，可以打开快速管接头上的阀门。不需要排水时，关闭快速管接头上的阀门，此时也可以把透水石换成一铁块。带孔支撑板432与上盖板431之间形成有一腔体，在腔体内设置有透水石433。优选的，透水石可以是气孔石或透水石。在上盖板431上还设置有与腔体连通的带阀门的快速管接头434。在上盖板431上位于带孔支撑板432外侧设置有密封圈435。

上盖组件430通过铰接连接机构和锁扣连接机构锁可开合地设置于筒体420的上端。并且铰接连接机构和锁扣连接机构锁是对称设置的。

具体的，铰接连接机构包括固定于筒体420上端侧面的铰接座451、设置于上盖板431侧面的铰接板452以及使铰接板452可转动的与铰接座451相连接的连接件(如内六角螺钉)453。通过该铰接连接机构使上盖组件430可转动的连接在一起。锁扣连接机构为带弹簧的自动锁止扣460。

连接组件包括锁紧螺钉、带孔的归零限位块442和安装板443。在筒体420、带孔的归零限位块442和安装板443上均设置有模具安装孔470。

安装板443通过螺钉或螺栓可拆卸地安装于安装架410上，带孔的归零限位块442设置于筒体420与安装板443之间，锁紧螺钉穿过筒体420、带孔的归零限位块442和安装板443上的模具安装孔470将筒体420和带孔的归零限位块442可拆卸地安装于安装板443上。并且带孔的归零限位块442的开孔尺寸小于筒体420的内径，以防止活塞组件300退出筒体420。

优选的，传感器模块500包括直线电动缸240的位移检测和压力传感器510组成。压力传感器510设置于伺服加载模块200与活塞组件300的连接处，并与伺服控制器120相连接。。

具体的，直线电动缸的推杆顶部连接压力传感器510，压力传感器连接万向连接头，万向连接头连接活塞组件中的活塞固定座。压力传感器通过万向鱼眼接头安装于推杆与活塞间，可以实现被检测土样在被压缩过程中实时的压力信号，并反馈给控制终端。

优选的，压力传感器510为量程大于4MP，精度等级0.5的压力传感器。

上排气排液壶600通过管道与上盖组件430上的带阀门的快速管接头434相连接，使上排气排液壶600可以与上盖组件430中带孔支撑板432与上盖板431之间形成的腔体相连通。

下排气排液壶700通过管道与活塞组件300上的第二快速管接头350相连接，使下排气排液壶700可以与活塞组件300中活塞环320与第二带孔支撑板330之间形成的腔体相连通。

本实施中，通过更换试样模具和活塞组件可以制备不同规格的试样。例如，当需要制备直径为50mm的试样时，只需将试样模具更换为筒体内径为50mm的模具和将活塞组件更换为活塞环外径为50mm的活塞组件即可。当需要制备直径为150mm的试样时，只需将试样模具更换为筒体内径为150mm的模具和将活塞组件更换为活塞环外径为150mm的活塞组件即可。

本实施例的土工试样标准化自动制样机可以制作非饱和土试样、饱和土试样和模拟野外固结土试样。

制备非饱和土试样时，根据试样含水率配制好土样，倒入制样模具中，制样机将样土压缩到制定密度，不需要打开带阀门的快速管接头和带阀门的第二快速管接头排水，并且在上下两端垫上不透水膜。

制备饱和土试样时，配制过饱和土样，倒入制样模具中，制样机将样土压缩到制定密度，并通过打开带阀门的快速管接头和带阀门的第二快速管接头，同时在上下两端垫上能透水的滤纸排出多余水分，通过测量排水质量能算出饱和土样的含水率。

制备野外固结土试样时，根据含水率配置好土样，倒入制样模具中，制样机按照预定压力压缩样土，并保持目标压力不变，模拟天然固结而成的土样。

下面对本实施例的标准化自动制样机的使用过程进行具体的说明。

1.在控制终端上设置好样品尺寸，试样类型，加载方式，输入样品编号创建数据保存文件(编号+时间.txt)；

2.通过控制终端设置系统归零；

3.打开上盖板，加入试样，盖上上盖板；

4.控制终端控制伺服控制器，让伺服电机驱动直线型电动缸的推杆按照预定速度加压，并每秒采集压力传感器和伺服电机转动角度的数据反馈至控制终端，控制终端记录存储并实时输出时间，压力，行程曲线图；

5.运行过程中不断采集土样压力和行程数据比对预设值，当接近预设值时降低速度直到达到预设值时停止，并在控制终端提示制样完成；

6.运行过程中如果没有达到预设行程值但是压强超过2.5MP则停止制样，并提示压强超高；

7.制样完成，打开顶盖，通过控制终端控制直线型电动缸的推杆将试样顶出；

8.系统归零：通过伺服电机的运转角度判断初始位置并自动回位，保证设备多次使用的一致性。

本实施例的土工试样标准化自动制样机以机械加工方式，代替传统人工制备试样可以去除传统制样方法中因人工操作而产生的各种误差，制备的试样有更好的均一性、代表性和可重复性，能有效提高土力学试验结果的可信度。同时，该设备能节省大量制样时间，提高土动三轴仪等实验设备的使用效率。

通过使用伺服电机，可以提供足够的压缩力和平稳的压缩速率，配以压力传感器和直线电动缸位移测量反馈信号，能使得制备出的试样表面平整，并能精确的将土样压缩到目标密度。通过设计有排气(水)孔，保证制样过程中多余水分和空气能及时排除。

在传感器模块、伺服加载模块和控制模块的作用下，本发明可以实现试样预固结的功能，能充分地模拟野外土样的原始状态。

实施例2

本实施例与实施例1的主要区别在于：

伺服加载模块200包括与伺服控制器120相连接的伺服电机210、与伺服电机210相连接的减速机构220、与减速机构220相连接的传动箱230、与传动箱230相连接的液压伸缩装置；液压伸缩装置的伸缩杆通过一万向连接头242与活塞组件300相连接。

其余部分与实施例1相同。

实施例3

本实施例还提供了一种土工试样标准化自动制样机。其包括一个如实施例1至3所述的控制模块和多组由如实施例1至2所述的伺服加载模块、试样模具模块、传感器模块、上排气排液壶和下排气排液壶组成的被控制模块。

本实施例的土工试样标准化自动制样机具有多套加载系统，并且每套系统的制样模具可根据不同制样尺寸要求进行更换，从而适应多种尺寸试样制作要求。

例如，本实施例的土工试样标准化自动制样机可以由一套控制系统管理，三套执行系统实现，可分别制作Φ61.8mm*H20mm,Φ50mm*100mm，Φ100mm*H200，Φ150mm*H300mm四种规格的土样。且每个单元的模具可以互换。

或者本实施例的土工试样标准化自动制样机中至少其中一组用于制备直径为150mm的大体积试样。

表1为本发明与现有技术技术指标对比表

从表1可知：

1.采用本发明的土工试样标准化自动制样机进行标准化自动制样,去掉了因人工操作而引起的误差,可以实现同一批试样的各项性能统一性,提高实验结果的准确性。

2.本发明的土工试样标准化自动制样机在伺服加载模块作用下，能以稳定的速率压缩土样,使样品密度均匀,同时伺服加载模块能提供足充足的法向压力，可制备较大密度的样品。同时，在力控制模式下可对样品进行预固结，能更加真实地模拟土体的原始状态。

3.本发明的土工试样标准化自动制样机将试样模具设计为双层结构，设置排水口,利用对过饱和土样进行加压排水，快速实现饱和试样的制备，能极大的缩减制样时间。

4.本发明的土工试样标准化自动制样机能根据不同试样尺寸的制作要求，选择不同尺寸的制样模具，能适应多种实验需求。

5.本发明的土工试样标准化自动制样机节约了试验人员制样时间，缩短制样周期，提高了GDS土动三轴仪等土力学仪器的有效使用率。

需要注意的是，本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

另外，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种土工试样标准化自动制样机，其特征在于，其包括：

控制模块（100），所述控制模块（100）包括控制终端（110）和与所述控制终端（110）相连接的伺服控制器（120）；

伺服加载模块（200），所述伺服加载模块（200）由所述控制模块（100）控制，其包括一活塞组件（300）；

试样模具模块（400），所述试样模具模块（400）与所述活塞组件（300）活动连接，使所述活塞组件（300）能够在所述试样模具模块（400）的筒体（420）内滑动；

传感器模块（500），所述传感器模块（500）设置于所述伺服加载模块（200）上并与所述伺服控制器（120）相连接；

以及与所述试样模具模块（400）相连通的上排气排液壶（600）和下排气排液壶（700）；

其中，所述活塞组件（300）包括活塞固定座（310）和设置于所述活塞固定座（310）上的活塞环（320）；

在所述活塞环（320）的顶部设置有第二带孔支撑板（330），所述活塞环（320）与所述第二带孔支撑板（330）之间形成有一腔体，在所述腔体内设置有第二透水石（340）；

在所述活塞环（320）的底部还设置有与所述腔体连通的带阀门的第二快速管接头（350）；

并且，在所述活塞环（320）与所述筒体（100）内壁之间还设置有副密封圈（360）和主密封圈（370）。

2.根据权利要求1所述的一种土工试样标准化自动制样机，其特征在于，所述伺服加载模块（200）包括：

与所述伺服控制器（120）相连接的伺服电机（210）、与所述伺服电机（210）相连接的减速机构（220）、与所述减速机构（220）相连接的传动箱（230）、与所述传动箱（230）相连接的直线型电动缸（240）；

所述直线型电动缸（240）的推杆（241）通过一万向连接头（242）与所述活塞组件（300）相连接。

3.根据权利要求1所述的一种土工试样标准化自动制样机，其特征在于，所述伺服加载模块（200）包括：

与所述伺服控制器（120）相连接的伺服电机（210）、与所述伺服电机（210）相连接的减速机构（220）、与所述减速机构（220）相连接的传动箱（230）、与所述传动箱（230）相连接的液压伸缩装置；

所述液压伸缩装置的伸缩杆通过一万向连接头（242）与所述活塞组件（300）相连接。

4.根据权利要求1所述的一种土工试样标准化自动制样机，其特征在于，所述试样模具模块（400）包括试样模具和安装架（410）；

所述试样模具包括筒体（420）和上盖组件（430）；

所述上盖组件（430）通过铰接连接机构和锁扣连接机构可开合地设置于所述筒体（420）的上端；

所述筒体（420）的下端通过连接组件固定于所述安装架（410）上。

5.根据权利要求4所述的一种土工试样标准化自动制样机，其特征在于，所述上盖组件（430）包括呈倒U型的上盖板（431）；

在所述上盖板（431）的开口端设置有带孔支撑板（432），所述带孔支撑板（432）与所述上盖板（431）之间形成有一腔体，在所述腔体内设置有透水石（433）；

在所述上盖板（431）上还设置有与所述腔体连通的带阀门的快速管接头（434）；

在所述上盖板（431）上位于所述带孔支撑板（432）外侧设置有密封圈（435）。

6.根据权利要求4所述的一种土工试样标准化自动制样机，其特征在于，所述连接组件包括锁紧螺钉、带孔的归零限位块（442）和安装板（443）；

所述安装板（443）安装于所述安装架（410）上，所述带孔的归零限位块（442）设置于所述筒体（420）与所述安装板（443）之间，所述锁紧螺钉将所述筒体（420）和所述带孔的归零限位块（442）固定于所述安装板（443）上；

并且所述带孔的归零限位块（442）的开孔尺寸小于所述筒体（420）的内径，以防止所述活塞组件（300）退出所述筒体（420）。

7.根据权利要求1所述的一种土工试样标准化自动制样机，其特征在于，传感器模块（500）包括压力传感器；

所述压力传感器设置于所述伺服加载模块（200）与所述活塞组件（300）的连接处。

8.一种土工试样标准化自动制样机，其特征在于，其包括一个如权利要求1至7之一所述的控制模块（100）和多组由如权利要求1至7之一所述的伺服加载模块（200）、试样模具模块（400）、传感器模块（500）、上排气排液壶（600）和下排气排液壶（700）组成的被控制模块；并且至少其中一组用于制备直径为150mm的大体积试样。