CN108007763A - 一种侧向双轴加载试验装置及方法 - Google Patents

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李邦翔
蔡卫兵
朱维申
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    • G01N3/10Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces generated by pneumatic or hydraulic pressure
    • G01N3/12Pressure testing

Abstract

本发明公开了一种侧向双轴加载试验装置及方法,它解决了现有技术中真三轴试验存在偏心的问题,具有对试件施加均匀双向载荷的有益效果,其方案如下:一种侧向双轴加载试验装置,包括底板,表面可设置试件;第一加载单元和第一测力单元,二者相对设置并设于底板;第二加载单元和第二测力单元,二者相对设置并设于底板,第二加载单元与第一加载单元垂直设置,第一加载单元、第一测力单元、第二加载单元和第二测力单元均围绕试件设置。

Description

一种侧向双轴加载试验装置及方法
技术领域
[0001]本发明属于工程材料,结构变形以及力学实验技术领域,特别是涉及一种侧向双 轴加载试验装置及方法。
背景技术
[0002]通过地质力学模型试验或室内试验研宄岩土体的力学性质是岩土工程专业中非 常重要的研宄手段,例如研究岩土体抗压强度的三轴压缩试验,在试验中,对岩土体模型施 加荷载的轴向合力是否交于一点是非常重要的环节,这一过程通常是利用液压控制系统推 动油缸活塞加载板对模型表面施加作用力来实现的。因此,液压控制系统的三向轴向加载 性能对试验的实施与结果有着决定性的影响。
[0003]随着我国工程技术的不断发展,对设备能力和技术有了更高的要求。在实际应用 中,许多试验要求液压控制系统能够得到岩土体在三轴加载下的力学参数,针对于高精度 三轴加载试验装置的开发也刻不容缓。目前国内使用的大多数三轴加载试验装置是伪三轴 试验装置,即施加的侧向围压相等,这与大多数的工程实况不符;高精度真三轴试验装置造 价颇高,应用范围受限,此外,较为廉价的真三轴试验装置大多采用焊接连接,由于存在焊 接应力和钢板定位不准的情况,使得三轴加载方向上合力与各自的反力均不在同一条直线 上,真三轴试验装置便存在偏心加载作用,使得试验装置在加载的过程中对试件施加了扭 矩,从而产生了剪应力,原来的简单轴向应力状态会转化成复杂的应力状态,而一般试件多 为脆性材料,对剪应力和拉应力较为敏感,因此由于存在扭矩对试件产生的剪应力作用,试 件的破坏强度低于轴向应力下的破坏强度,在相同荷载作用下,试件的变形量大于轴向应 力状态下的变形量,试件的整体力学性能都下降了,对试验结果有很大影响。此外,当试验 荷载逐渐增大时,最终的承载组件必将产生弹性变形能,由于整个实验装置的最终承载组 件只有一侧与底座是刚性连接,弹性变形能得不到释放,原先均匀的轴向荷载会出现沿竖 直面不均匀的情况,使试验产生偏心荷载,进而产生偏心应力,试件的力学性能变差。
[0004] 因此,需要对一种侧向双轴加载试验装置进行新的研究设计。
发明内容
[0005] 为了克服现有技术的不足,本发明提供了 一种侧向双轴加载试验装置,该装置通 过螺栓连接,形成整体装配式结构,保证施加在试件表面的荷载合力精准交于一点,整个实 验装置在加载方向上保持了一定的柔性,不会使作用在试件表面的荷载因装置本身的弹性 变形能得不到释放而出现沿竖直面不均匀的情况,故在整个实验加载的过程中,作用在试 件表面的荷载始终是均匀轴向的。
[0006] 一种侧向双轴加载试验装置的具体方案如下:
[0007] 一种侧向双轴加载试验装置,包括:
[0008] 底板,表面可设置试件;
[0009]第一加载单元和第一测力单元,二者相对设置并设于底板;
[0010]第二加载单元和第二测力单元,二者相对设置并设于底板,第二加载单元与第一 加载单元垂直设置,第一加载单元、第一测力单元、第二加载单元和第二测力单元均围绕试 件设置;
[0011]第一测力单元包括可与试件接触的第一反力板,第一反力板的侧部设置第一力传 感器,第一力传感器与用于确定第一力传感器位置的第一定位部件连接,第一定位部件与 第一立板连接,第一立板与底板固连。
[0012]该试验装置实现对试件两个方向的轴向加载,通过第一加载单元、第一测力单元、 第二加载单元和第二测力单元相互间隔90°设置,避免对试件偏心加载,保证了试验结果的 准确性。
[0013]进一步地,所述第一反力板与第一力传感器之间设置第一过渡部件,通过第一过 渡部件的设置避免对第一力传感器的破坏,同时第一过渡部件的尺寸与试件的尺寸相适 应,通过调整第一过渡部件的尺寸以满足不同试件尺寸的试验要求。
[0014]进一步地,所述第二测力单元包括第二反力板,第二反力板的侧部通过第二过渡 部件与第二定位部件连接,第二过渡部件与第二定位部件之间设置第二压力传感器,第二 定位部件与第二立板连接,第二立板与底板固连。
[0015] 进一步地,所述第一加载单元包括第一加载板,第一加载板与动力源推动端连接, 动力源另一端设置第三立板,第三立板相对于所述底板活动设置;动力源为液压油缸。
[0016] 或者,所述第三立板表面设置带螺纹的孔洞,动力源端部与该孔洞配合连接。
[0017] 进一步地,所述第三立板与第一立板之间设置拉杆;
[0018] 或者,所述底板为十字型结构件,这样第一加载单元、第一测力单元、第二加载单 元和第二测力单元分别设于底板的每一侧上表面。
[0019] 进一步地,所述拉杆两端分别穿过第一立板、第三立板设置,且拉杆两端分别设置 螺纹。同样,所述第二立板与第四立板之间设置拉杆;该拉杆与连接第一立板、第三立板的 拉杆相互交错且相互垂直设置。由于拉杆和底板的约束作用,两相对设置的立板在空间位 置上是相互平行的,并且处于同一水平面上。动力源一侧的第三立板与第四立板底部均通 过导轨与底板相连,当试验荷载较大时,整个实验装置便会产生较大的弹性变形能,为了使 弹性变形能得到一定的释放,实验装置允许立板沿加载方向的导轨发生一段微小的位移, 故使整个装置具有一定的柔性。
[0020] 进一步地,所述第二加载单元包括第二加载板,第二加载板与动力源推动端连接, 动力源另一端设置第四立板,第四立板相对于所述底板活动设置。
[0021] 进一步地,为了方便安装和拆卸,所述第一加载板一侧预留带螺纹的卡槽,卡槽与 动力源推动端连接;
[0022] 或者,第一加载板与第一反力板相互平行,且轴心在同一直线设置。
[0023] 进一步地,所述第一过渡部件为第一过渡板,第一过渡板一侧通过螺栓与第一反 力板螺纹连接,另一侧与所述的第一力传感器连接;同样,第二过渡部件同样为第二过渡 板,两个过渡板均与底板垂直设置。
[0024]或者,为了方便第一反力板中心轴线与第一加载单元轴线在同一直线的确认,所 述第一定位部件为圆筒轴。
[0025] 此外,两个动力源、第一力传感器、第二力传感器分别与可编程的控制器连接,以 实现控制器控制两个动力源的动作,并显示检测到的压力数值。
[0026]为了克服现有技术的不足,本发明还提供了一种侧向双轴加载试验装置的使用方 法,包括如下步骤:
[0027] 1)将试件设于底板表面;
[0028] 2)将第一加载单元、第二加载单元、第一测力单元、第二测力单元分别与控制器连 接;
[0029] 3)由第一加载单元、第二加载单元对试件进行两个方向力的加载;
[0030] 4)由第一测力单元、第二测力单元对试件所受载荷大小进行测量,并由控制器控 制第一加载单元与第二加载单元持续施加载荷。
[0031] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0032] 1)本发明通过两组加载单元、测力单元的设置,有效实现对试件两个轴向方向力 的加载,避免偏心加载,有效保证试验结果的准确性。
[0033] 2)本发明通过拉杆的设置,在试验加载过程中,动力源作用在试件表面的力最终 实现由拉杆承担。
[0034] 3)本发明通过加载板、反力板的设置,保证施加在试件表面的荷载是轴向均匀的。
附图说明
[0035]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示 意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
[0036]图1是本发明装置整体外观示意图;
[0037]其中:1.拉杆,2.立板,3.油缸,4.加载板,5•反力板,6.过渡部件,7.力传感器,8. 定位部件,9.底板。
具体实施方式
[0038]应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另 有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常 理解的相同含义。
[0039]需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根 据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式 也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包 括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0040] 实施例1
[0041] 正如背景技术所介绍的,现有技术中存在的不足,为了解决如上的技术问题,本申 请提出了一种侧向双轴加载试验装置。
[0042] 本申请的一种典型的实施方式中,如图1所示,一种侧向双轴加载试验装置,包括 底板,表面可设置试件;第一加载单元和第一测力单元,二者相对设置并设于底板;第二加 载单元和第二测力单元,二者相对设置并设于底板,第二加载单元与第一加载单元垂直设 置,第一加载单元、第一测力单元、第二加载单元和第二测力单元均围绕试件设置。各单元 轴心均在同一条直线上,并且沿加载方向的一侧均相互平行,为了使试件的轴心也处于这 条直线上,底座表面设置垫块,垫块有多个,各个垫块的高度不同,这样满足不同尺寸试件 的使用需求。
[0043]第一测力单元包括可与试件接触的第一反力板,第一反力板的侧部设置第一力传 感器,第一力传感器与用于确定第一力传感器位置的第一定位部件连接,第一定位部件与 第一立板连接,第一立板与底板固连。
[0044]第一反力板与第一力传感器之间设置第一过渡部件,通过第一过渡部件的设置避 免对第一力传感器的破坏。
[0045]第二测力单元包括第二反力板,第二反力板的侧部通过第二过渡部件与第二定位 部件连接,第二过渡部件与第二定位部件之间设置第二压力传感器,第二定位部件与第二 立板连接,第二立板与底板固连。
[0046]第一加载单元包括第一加载板,第一加载板与动力源推动端连接,动力源另一端 设置第三立板,第三立板相对于所述底板活动设置;动力源为液压油缸。
[0047]第三立板与第一立板之间设置拉杆1,同样,第二立板与第四立板之间设置拉杆1, 拉杆是指两竖直对应立板之间的水平圆柱形杆件,拉杆1两端有螺纹,分别垂直嵌入两个竖 直对应立板预留的孔洞中,再用螺帽拧紧与相应立板2相连组成整体,每个加载方向上均有 四根拉杆,在竖直平面上呈正方形的四个角点分布,两个加载方向上的两组拉杆在水平方 向上呈垂直交错布置。在实验加载的过程中,油缸3作用在试件表面的力最终由拉杆1承担。 [0048] 所有立板2是指在空间上用于固定油缸3或定位部件的竖直板件,立板2的底部通 过螺栓与底板9垂直相连;立板2—侧的四个角点位置分别与四根拉杆1通过螺纹和螺帽紧 密相连,在立板2—侧的中间位置上预留了带螺纹的孔洞以便与加载油缸3或定位部件预留 的连接,立板2的另一侧处于临空状态。每个加载方向上均有两个立板2,由于拉杆1和底板9 的约束作用,两立板2在空间位置上是相互平行的,并且处于同一水平面上。
[0049] 油缸3是液压能转变为机械能的、做直线往复运动(或摆动运动)的液压执行元件, 油缸的一侧通过预留的螺栓与立板带螺纹的孔洞连接,沿轴向方向可以轻微转动,故在实 验加载过程中,如果因操作不当而引起扭矩可通过油缸自身的微小转动来消除其影响;油 缸3的另一侧与第一加载板或第二加载板相连。
[0050] 两个加载板4是指将油缸活塞传递过来荷载均匀施加到试件的表面的立方体块, 加载板一侧的中心位置预留带螺纹的孔洞与加载油缸自带螺栓连接,另一侧与试件表面完 全贴合,因此加载板的尺寸是由试件的尺寸来决定的。
[0051] 两个反力板5是指能将试件传递过来的荷载均匀地反作用在试件的表面上的立方 体块,反力板5—侧中心位置预留的螺栓与对应的力传感器预留的带螺纹的孔洞连接,另一 侧与试件另一表面完全贴合。反力板与其对应加载板的轴向中心处在同一直线,并且在空 间位置是相互平行的,其沿着加载方向的侧面尺寸均与试件尺寸保持一致,故在加载板4和 反力板5的共同作用下,施加在试件表面的荷载是轴向均匀的。
[0052] 两个过渡部件6是指将与其连接的反力板传递过来的荷载均匀过渡到力传感器的 装置,过渡部件一侧中心的螺栓与反力板预留带螺纹的孔洞轴向连接,另一侧中心的螺栓 与力传感器预留带螺纹的孔洞轴向连接;当试件沿加载方向一侧的尺寸大小根据试验需求 发生改动时,只需调整过渡部件6的尺寸即可,由于力传感器的大小是固定的,不便轻易改 变,故可通过过渡部件6来满足不同尺寸试件的试验需求。
[0053]力传感器7是指是能感受压力信号,并能按照一定的规律将压力信号转换成可用 的输出的电信号的器件或装置,力传感器7的一侧与过渡部件通过沿其中心位置呈环向排 列圆形孔洞相连,另一侧与定位部件8预留的螺栓通过螺栓进行中心轴向连接。在实验进行 加载的过程中,作用在试件表面的力经反力板5传至力传感器7,此时力传感器7将压力信号 转化成电信号并实时呈现在控制器。
[0054]定位部件8是指定位力传感器作用的结构件,定位部件8—端预留的螺栓与力传感 器中心位置的孔洞通过连接,另一端与对应的立板相连。
[0055] 实施例2
[0056] 一种侧向双轴加载试验装置的使用方法,包括如下步骤:
[0057] 1)液压油经油路进入油缸3推动活塞开始进程直至加载板紧贴试件表面,荷载经 加载板传递后均匀施加到试件表面;
[0058] 2)当荷载传至反力板5时,反力板5紧贴在试件的另一侧,使得反力板的反作用力 也是均匀轴向的,故在加载板4和反力板5的共同作用下,试件所受荷载必然是均匀轴向的; [0059] 3)荷载经过渡部件6均匀轴向传至压力传感器7,此时压力传感器将压力信号转换 成电信号并实时呈现在人机交互界面上;
[0060] 4)当荷载传递至与力传感器7相连的定位部件8时,由于定位部件8另一侧与立板2 相连并固定在底板上,故荷载经立板最终作用在四根拉杆1,油缸一侧的立板2的底部并未 完全固定于底板9,它的底部与固定在底板9的四根导轨相连,故在实验加载的过程中,随着 拉杆1所承受的拉力越来越大,拉杆1必将产生弹性变形,而力传感器一侧的立板2底部是与 底板9固结在一起,油缸一侧的立板2底部却是与固定在底板9的导轨相连,能够在弹性变形 能较大时顺着导轨发生轻微的移动,使得拉杆1的弹性变形能得到释放,不会使作用在试件 表面的荷载因弹性变形而产生沿竖直面不均匀的情况出现,故在整个实验加载的过程中, 作用在试件表面的荷载始终是均匀轴向。
[0061]以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技 术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修 改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种侧向双轴加载试验装置,其特征在于,包括: 底板,表面可设置试件; 第一加载单元和第一测力单元,二者相对设置并设于底板; 第二加载单元和第二测力单元,二者相对设置并设于底板,第二加载单元与第一加载 单元垂直设置,第一加载单元、第一测力单元、第二加载单元和第二测力单元均围绕试件设 置; 第一测力单元包括可与试件接触的第一反力板,第一反力板的侧部设置第一力传感 器,第一力传感器与用于确定第一力传感器位置的第一定位部件连接,第一定位部件与第 一立板连接,第一立板与底板固连。
2. 根据权利要求1所述的一种侧向双轴加载试验装置,其特征在于,所述第一反力板与 第一力传感器之间设置第一过渡部件。
3. 根据权利要求1所述的一种侧向双轴加载试验装置,其特征在于,所述第二测力单元 包括第二反力板,第二反力板的侧部通过第二过渡部件与第二定位部件连接,第二过渡部 件与第二定位部件之间设置第二压力传感器,第二定位部件与第二立板连接,第二立板与 底板固连。
4. 根据权利要求1所述的一种侧向双轴加载试验装置,其特征在于,所述第一加载单元 包括第一加载板,第一加载板与动力源推动端连接,动力源另一端设置第三立板,第三立板 相对于所述底板活动设置; 或者,所述第三立板表面设置带螺纹的孔洞,动力源端部与该孔洞配合连接。
5. 根据权利要求4所述的一种侧向双轴加载试验装置,其特征在于,所述第三立板与第 一立板之间设置拉杆; 或者,所述底板为十字型结构件。
6. 根据权利要求5所述的一种侧向双轴加载试验装置,其特征在于,所述拉杆两端分别 穿过第一立板、第三立板设置,且拉杆两端分别设置螺纹。 _
7. 根据权利要求1所述的一种侧向双轴加载试验装置,其特征在于,所述第二加载单兀 包括第二加载板,第二加载板与动力源推动端连接,动力源另一端设置第四立板,第四立板 相对于所述底板活动设置。
8. 根据权利要求4所述的一种侧向双轴加载试验装置,其特征在于,所述第一加载板一 侧预留带螺纹的卡槽,卡槽与动力源推动端连接; 或者,第一加载板与第一反力板相互平行,且轴心在同一直线设置。
9. 根据权利要求2所述的一种侧向双轴加载试验装置,其特征在于,所述第一过渡部件 为第一过渡板,第一过渡板一侧通过螺栓与第一反力板螺纹连接,另一侧与所述的第一力 传感器连接; 或者,所述第一定位部件为圆筒轴。
10. 根据权利要求1-9中任一项所述的一种侧向双轴加载试验装置的使用方法,其特征 在于,包括如下步骤: 1) 将试件设于底板表面; 2) 将第一加载单元、第二加载单元、第一测力单元、第二测力单元分别与控制器连接; 3) 由第一加载单元、第二加载单元对试件进行两个方向力的加载; 4)由第一测力单元、第二测力单元对试件所受载荷大小进行测量,并由控制器控制第 一加载单元与第二加载单元持续施加载荷。
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