CN114279853B - 多功能高开口真三轴刚性试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能高开口真三轴刚性试验机，涉及岩石材料力学领域。具体结构如下：主机加载系统采用四柱立式结构，加压方式为上压式；移动工作台包括移动平台与两条导轨，移动工作台沿前后方向移动；围压装置为四边等距方框结构，包括围压框，围压框四边中间分别安装有四个围压活塞油缸；液压系统包括液压支架冲击试验系统、轴压加载系统、围压加载系统、压机刚性机架预紧系统、辅助动作系统；电气控制系统包括电机控制系统、PLC控制系统、试验机检测系统及计算机数据采集及分析系统。所有部件通过管路及电气装置连接为一个整体。本发明可满足大型液压支架偏载、点载、动载性能试验、大型岩体真三轴变形和压裂试验及大型岩样单轴压缩变形试验研究。

Description

多功能高开口真三轴刚性试验机

技术领域

本发明涉及岩石材料力学领域，具体为一种多功能高开口真三轴刚性试验机。

背景技术

岩石力学的发展始终是伴随着试验机的发展而逐渐和材料力学独立，并发展、成长和成熟的。早期，岩石力学的实验完全采用普通的材料力学试验机，但随着之后刚性试验机原理的发现和刚性试验机的诞生、三轴围压试验机的研制、真三轴试验机的研制以及大量相关试验研究，岩体的许多鲜为人知的特性被揭示出来。从而，大大推动了岩石力学学科的发展，并成为对国民经济有重要影响的新兴学科。

一方面，随着人类对深部资源能源开发工程的迅速发展，迫切需要了解深部岩体的特性，例如煤矿深部岩层特性、高温岩体地热资源开采、金属矿山资源、煤炭地下页岩油、页岩气开采的力学性能特征等。但是，复杂状态下岩石的强度特征及其破坏行为一直以来都是采矿工程及相关领域中异常复杂且非常重要的研究课题之一。虽然国内外现有的试验机压力压强也很高，但试样尺寸很小，且功能单一，对于岩石的真三轴变形和压裂试验研究急需大型试验设备提供试验数据的支撑，国外许多岩石研究机构也提出了相似设备迫切要求。

另一方面，液压支架作为综采工作面的关键支护设备，在煤矿生产中的地位非常重要，在新的液压支架确定使用之前，必须对支架的整架及主体结构件的各种工况性能进行非常严格的检测试验，但对特大型液压支架的静态、偏载、动态特性的大型试验国内尚无试验设备。因此，国家急需研制新型大型液压支架试验机，以便高效准确地对液压支架进行检测试验，从而保证其设计和制造质量，提高液压支架的综合性能。

目前，国内生产的岩石三轴试验机主要分为常规三轴试验机和真三轴试验机两大类。根据不同研究目的，在此基础上又派生出了具有蠕变、静动态、高低温、渗透等功能的三轴试验机或附有剪切功能的复合试验机等。但是经过研究，发现各种试验机均有其对应的优缺点，综合发现各种试验机的试验精度还不够高，功能不够全面，而且多数试验机还这没有针对大吨位岩石的加载实验能力，所以需要开发新型的岩石刚性实验机。

发明内容

本发明为了解决现有的试验机的试验精度不够高、功能不够全面而且还没有针对大吨位岩石的加载实验能力的问题，提供了一种多功能高开口真三轴刚性试验机。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种多功能高开口真三轴刚性试验机，包括主机加载系统、移动工作台、围压装置、液压系统、电气控制系统及操作台，所有部件通过管路及电气装置连接为一个整体；所述液压系统、电气控制系统及操作台均位于地面上，一般会安置于与试验机相应的位置。

所述主机加载系统采用四柱立式结构，加压方式为“上压式”，即压头由上向下运动对式样加压；主机加载系统包括顶梁、可升降上横梁、下横梁、滑块、立柱、支座及旋转套、锁紧螺母、主油缸、侧油缸、预紧缸，所述顶梁、可升降上横梁、下横梁、立柱通过旋转套及锁紧螺母紧固形成封闭受力框架；所述滑块安装在可升降上横梁与下横梁之间，所述可升降上横梁的四角通过旋转套与立柱连接；所述滑块与主油缸的活塞杆、侧油缸的柱塞杆通过对开法兰连接，且依靠四根立柱作为导向上下运动；所述滑块的下表面设有通孔与螺孔，以便于压制垫板的安装；所述主油缸成环形布置安装于可升降上横梁下表面保证了大面积滑块均匀承载。所述主油缸为四个主柱塞缸，所述侧油缸为两个主活塞缸，所述主柱塞缸的缸体依靠缸口台肩及锁紧螺母紧固于可升降上横梁中间、活塞杆下端通过对开法兰与滑块连接，实现给滑块加压、快速回程运动。所述主活塞缸的缸体通过缸口台肩及锁紧螺母紧固于可升降上横梁两侧、柱塞杆通过对开法兰与滑块连接，实现滑块快速下行。

所述可升降上横梁通过四个独立的电机减速机分别驱动，完成可升降上横梁的上下移动；所述四个电机减速机由四台变频器驱动，通过四角高度检测及输出转矩检测，实现可移动上梁的自如升降。四个立柱上部为螺杆结构；所述可升降上横梁包括上梁、油缸、上平台及围栏、上液压站及其管路，所述上梁上表面为上平台且设置围栏，所述上液压站位于上平台上、且其上设置有由24个100L的蓄能器。

所述移动工作台包括移动平台与两条导轨，移动工作台沿前后方向移动，所述导轨与主机加载系统的位置相应，可以使移动平台移入试验机内；所述移动平台上安装驱动电机与减速机、平台下四角装设有行走车轮、且通过齿轮轴及齿轮驱动移动平台在两条导轨上移动；四个立柱的下边内侧安装有四个顶起缸，且位置与移动平台下的行走车轮的位置相对应，当移动工作台移入移出时，顶起缸顶起，形成移动台平整的导轨，当移动台移入到位后顶起缸落下，移动台四个车轮落入顶起落下的位置，移动台下平面与下梁上平面贴合，移动台承受最大轴向压力。

所述滑块设有滑块行程控制装置，包括行程检测开关及其支架、传感器、位移传感器、行程驱动装置；所述行程检测开关的支架安装在可升降上横梁的左前侧和右后侧；传感器安装在可升降上横梁下表面；所述位移传感器的驱动杆安装在滑块上、通过行程驱动装置将滑块位移传至位移传感器上，为提高测量精度，采用左前、右后位置测量对角位移，取平均值作为滑块的总位移，可大幅消除测量误差。

所述围压装置为四边等距方框结构，包括围压框，所述围压框四边中间分别安装有四个围压活塞油缸，所述围压活塞油缸由液压系统驱动伸出和退回。围压加载装置独立设计，可置于移动工作台上，随移动工作台移入或移出至试验机内；在试验机外可根据试验要求安装试验试样，并安装试验压块。安装完成后由移动工作台移入至试验机内。

所述液压系统包括液压支架冲击试验系统、轴压加载系统、围压加载系统、压机刚性机架预紧系统、辅助动作系统；所述液压支架冲击试验系统采用上横梁上的24个100L的蓄能器进行试验，由主泵对蓄能器充液，且根据支架速度压力特性要求，由比例插装阀控制蓄能器放油速度，实现液压支架的冲击动载试验；采用蓄能器系统可大幅降低试验机装机功率，同时满足液压支架试验高压大流量的要求。所述轴压加载系统采用Moog伺服阀进行电液伺服控制通过分辨率为0.001mm的MTS磁致伸缩位移传感器检测滑块位移，通过压力传感器检测轴压缸压力，实现轴压的设定位移及设定压力的闭环控制；所述围压加载系统采用Atos比例压力阀进行围压压力控制，通过分辨率为0.001mm的MTS磁致伸缩位移传感器检测滑块位移，通过压力传感器检测围压缸压力，实现两向围压设定压力的闭环控制；所述压机刚性机架预压系统采用增压器系统实现刚性预压系统与轴向加载压力的随动。

所述液压系统的工作由油泵电机组控制：

（1）试验机轴压加载系统油泵电机组：当工作状态为大流量轴压加载系统时，采用90KW双轴伸电机控制A4VO125DR高压油泵与A10V100DR反转高压油泵工作，为轴压系统提供油源，同时为支架试验蓄能器提供油源；当为控制泵系统时，45KW电机控制A10V100DR恒压变量泵工作，为轴压充液阀及预紧缸辅助动作提供油源；当为轴压加载系统时，采用变频器控制A10V10DR变量泵工作，为轴压加载过程控制提供油源，满足轴压长时间保压过程的需要；

（2）试验机围压加载系统油泵电机组：当工作状态为大流量围压加载系统时，采用22KW电机控制PV7-1X/63-71叶片泵工作，控制方式为星三角启动，控制围压缸伸出退回动作；当工作状态为前后围压泵系统时，5.5KW电机控制A10V10DR恒压变量泵工作，为前后围压加载提供油源，控制方式为变频控制方式，通过设定变频器频率，满足前后围压长时间保压过程的需要；当工作状态为左右围压系统时：5.5KW电机控制A10V10DR恒压变量泵工作，为左右围压加载提供油源；控制方式为变频控制方式，通过设定变频器频率，满足左右围压长时间保压过程的需要；

（3）试验机预紧系统油泵电机组：5.5KW电机控制A10V10DR恒压变量泵工作，为预紧缸系统提供油源，控制方式为直接启动方式，通过增压器系统控制预紧油缸保压；

（4）移动工作台系统电机组：电机控制5.5KW电机控制顶起油泵工作，采用直接启动控制方式，变频器控制移动台移入移出电机工作，可设置移动台移入移出速度。

所述电气控制系统包括电机控制系统、PLC控制系统、试验机检测系统及计算机数据采集及分析系统。

多功能高开口真三轴刚性试验机具体操作为：一般有手动调整操作和试验两个过程，具体如下：

一、手动调整动作在操作台进行，通过操作台按钮操作，由触摸屏监视试验机状态和相关参数。实测参数显示包括：1.轴向加载数据：包括轴向位移、轴向压力、轴向载荷及轴向加载伺服阀输出值；2.前后围压加载数据：包括前后围压位移、压力、载荷及加载比例阀输出值；3.左右围压加载数据：包括左右围压位移、压力、载荷及加载比例阀输出值；4.同时触摸屏对试验机液压系统相关参数进行显示；包括系统压力、蓄能器压力、主缸下腔压力等。

升降上横梁的调整：在操作台进行，通过操作台按钮操作，由触摸屏监视试验机状态和相关参数；上梁升降速度通过设定升降电机频率来实现，上梁升降四角高度通过绝对值编码器检测；上梁升降四角转矩通过变频器反馈测得；通过升降高度监控上梁位置，通过四角转矩监控上梁四角的传动螺母的受力状态。

移动工作台的调整：做三轴岩石力学试验时，可将围压框及其试件在移动台上安装完成，然后将移动台移入至试验机内进行试验；做支架试验时可将被试的液压支架安装在移动台上，通过移动台移入至试验机内，进行移动支架试验；移动台动作在操作台进行，首先移动台顶起缸顶起，通过操作台移动台移入移出按钮控制，实现移动台的移入移出；通过触摸屏设定移动台移入移出电机的频率，实现移动台的速度调节。

预紧缸的调整：首先将可移动上梁下降至预紧支座上，控制预紧开合螺母，可实现预紧螺母的加紧松开；通过控制预紧垫块的位置实现预紧缸的开启和关闭。

二、试验机试验运行：

1）压力变形试验：

a、设定位移变形试验：根据岩石试验要求可实现恒位移保压试验、锯齿形位移变化试验等，设定参数为：位移升速、位移上限、保持时间、位移回速、位移回限保持时间、设定循环次数等；根据设定参数，系统自动按照试验参数的设定值进行试验，计算机数据采集系统根据设定的采样周期进行数据采样并存储；采样的数据包括：轴向载荷、轴向位移、前后围压载荷、前后围压位移、左右围压载荷、左右围压位移、及其记录序号。

b、设定载荷变形试验：根据岩石试验要求可实现恒载荷保压试验、锯齿形载荷变化试验等，设定参数为：升压速率、载荷上限、保持时间、降压速率、压力下限、下限保持时间、设定循环次数等；根据设定参数，系统自动按照试验参数的设定值进行试验，计算机数据采集系统根据设定的采样周期进行数据采样并存储；采样的数据包括：轴向载荷、轴向位移、前后围压载荷、前后围压位移、左右围压载荷、左右围压位移、及其记录序号。

c、单轴压力变形试验和三轴压力变形试验：根据岩石力学实验要求，试验机可实现单轴压力变形实验和三轴压力变形实验；单轴试验为轴向加载试验，三轴试验为三向加载试验。

2）压裂试验：试验机对试样施加三向压应力，直至试样破裂，计算机实时记录试验数据。

3）液压支架试验：试验机对支架施加压应力，计算机实时记录试验数据。

三、试验机数据采集及分析：

试验机实验数据通过计算机系统进行采集、存储，并对实验数据进行分析；数据采集与西门子PLC通过西门子Simatic Net通过OPC Server采集至计算机；计算机通过Microsoft office的Access数据库管理系统系统存储；试验曲线通过Teechart与数据库连接进行显示；通过显示数据采集界面可根据试验要求设置采样频率，采集的数据包括轴向位移、轴向吨位、围压位移及围压吨数据；通过计算机数据分析程序可显示载荷与变形关系曲线、轴向载荷、轴向位移及围压参数与时间的关系曲线。

进一步的，所述试验机设置有联锁及安全保护装置：包括电器保护及安全保护，所述电器保护为电动机过载保护和短路保护，采用自动空气开关和热继电器，控制电路保护采用熔断器；所述安全保护设置了急停装置，所述急停装置为1个急停开关，按下急停开关会停止运行的油泵电机并切断控制电源，使设备处于停止状态，主要用于设备出现故障，需紧急停车的情况。待处理故障完毕后，再重新起动电机，执行所需动作。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种多功能高开口真三轴刚性试验机，可满足大型液压支架偏载、点载、动载性能试验、大型岩体真三轴变形和压裂试验及大型岩样单轴压缩变形试验研究；可根据不同试验要求，调节油泵转速，实现长时间运行的节能控制。在满足试验要求的前提下，尽量降低电机转速，降低功率消耗，减少系统发热；采用高性能的液压元件实现按给定变形速率、载荷速率加载的锯齿型图谱及恒压、恒位移长时间高精度和高可靠性试验；基于此平台配套相关实验设备即可完成高温高压下的渗透试验、油页岩开采试验、地壳深层的力学状态模拟等重大创新性项目的开发，为我国能源革命提供装备保证，具有很大的推广价值。

附图说明

图1为本发明的结构主视图。

图2为本发明的结构侧视图。

图3为本发明的结构俯视图。

图4为本发明的围压装置的结构正视图。

图5为本发明的围压装置的结构俯视图。

图中标记如下：1-可升降上横梁，2-移动工作台，201-导轨，202-行走车轮，3-围压装置，301-围压活塞油缸，4-主柱塞缸，5-滑块，6-立柱，7-主活塞缸，8-上平台围栏，9-蓄能器，10-滑块行程控制装置，11-电气控制系统，12-操作台，13-副液压站，14-电控柜。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种多功能高开口真三轴刚性试验机，如图1~图5所示，包括主机加载系统、移动工作台、围压装置、液压系统、电气控制系统及操作台，所有部件通过管路及电气装置连接为一个整体；所述液压系统、电气控制系统及操作台均位于地面上，一般会安置于与试验机相应的位置。

所述主机加载系统采用四柱立式结构，加压方式为“上压式”，即压头由上向下运动对式样加压；主机加载系统包括顶梁、可升降上横梁、下横梁、滑块、立柱、支座及旋转套、锁紧螺母、主油缸、侧油缸、预紧缸，所述顶梁、可升降上横梁、下横梁、立柱通过旋转套及锁紧螺母紧固形成封闭受力框架；所述滑块安装在可升降上横梁与下横梁之间，所述可升降上横梁的四角通过旋转套与立柱连接；所述滑块与主油缸的活塞杆、侧油缸的柱塞杆通过对开法兰连接，且依靠四根立柱作为导向上下运动；所述滑块的下表面设有通孔与螺孔，以便于压制垫板的安装；所述主油缸成环形布置安装于可升降上横梁下表面保证了大面积滑块均匀承载。所述主油缸为四个主柱塞缸，所述侧油缸为两个主活塞缸，所述主柱塞缸的缸体依靠缸口台肩及锁紧螺母紧固于可升降上横梁中间、活塞杆下端通过对开法兰与滑块连接，实现给滑块加压、快速回程运动。所述主活塞缸的缸体通过缸口台肩及锁紧螺母紧固于可升降上横梁两侧、柱塞杆通过对开法兰与滑块连接，实现滑块快速下行。

所述可升降上横梁通过四个独立的电机减速机分别驱动，完成可升降上横梁的上下移动；所述四个电机减速机由四台变频器驱动，通过四角高度检测及输出转矩检测，实现可移动上梁的自如升降。四个立柱上部为螺杆结构；所述可升降上横梁包括上梁、油缸、上平台及围栏、上液压站及其管路，所述上梁上表面为上平台且设置围栏，所述上液压站位于上平台上、且其上设置有由24个100L的蓄能器。

所述移动工作台包括移动平台与两条导轨，移动工作台沿前后方向移动，所述导轨与主机加载系统的位置相应，可以使移动平台移入试验机内；所述移动平台上安装驱动电机与减速机、平台下四角装设有行走车轮、且通过齿轮轴及齿轮驱动移动平台在两条导轨上移动；四个立柱的下边内侧安装有四个顶起缸，且位置与移动平台下的行走车轮的位置相对应，当移动工作台移入移出时，顶起缸顶起，形成移动台平整的导轨，当移动台移入到位后顶起缸落下，移动台四个车轮落入顶起落下的位置，移动台下平面与下梁上平面贴合，移动台承受最大轴向压力。

所述滑块设有滑块行程控制装置，包括行程检测开关及其支架、传感器、位移传感器、行程驱动装置；所述行程检测开关的支架安装在可升降上横梁的左前侧和右后侧；传感器安装在可升降上横梁下表面；所述位移传感器的驱动杆安装在滑块上、通过行程驱动装置将滑块位移传至位移传感器上，为提高测量精度，采用左前、右后位置测量对角位移，取平均值作为滑块的总位移，可大幅消除测量误差。

所述围压装置为四边等距方框结构，包括围压框，所述围压框四边中间分别安装有四个围压活塞油缸，所述围压活塞油缸由液压系统驱动伸出和退回。围压加载装置独立设计，可置于移动工作台上，随移动工作台移入或移出至试验机内；在试验机外可根据试验要求安装试验试样，并安装试验压块。安装完成后由移动工作台移入至试验机内。

所述液压系统包括液压支架冲击试验系统、轴压加载系统、围压加载系统、压机刚性机架预紧系统、辅助动作系统；所述液压支架冲击试验系统采用上横梁上的24个100L的蓄能器进行试验，由主泵对蓄能器充液，且根据支架速度压力特性要求，由比例插装阀控制蓄能器放油速度，实现液压支架的冲击动载试验；采用蓄能器系统可大幅降低试验机装机功率，同时满足液压支架试验高压大流量的要求。所述轴压加载系统采用Moog伺服阀进行电液伺服控制通过分辨率为0.001mm的MTS磁致伸缩位移传感器检测滑块位移，通过压力传感器检测轴压缸压力，实现轴压的设定位移及设定压力的闭环控制；所述围压加载系统采用Atos比例压力阀进行围压压力控制，通过分辨率为0.001mm的MTS磁致伸缩位移传感器检测滑块位移，通过压力传感器检测围压缸压力，实现两向围压设定压力的闭环控制；所述压机刚性机架预压系统采用增压器系统实现刚性预压系统与轴向加载压力的随动。

所述液压系统的工作由油泵电机组控制：

（1）试验机轴压加载系统油泵电机组：当工作状态为大流量轴压加载系统时，采用90KW双轴伸电机控制A4VO125DR高压油泵与A10V100DR反转高压油泵工作，为轴压系统提供油源，同时为支架试验蓄能器提供油源；当为控制泵系统时，45KW电机控制A10V100DR恒压变量泵工作，为轴压充液阀及预紧缸辅助动作提供油源；当为轴压加载系统时，采用变频器控制A10V10DR变量泵工作，为轴压加载过程控制提供油源，满足轴压长时间保压过程的需要；

（2）试验机围压加载系统油泵电机组：当工作状态为大流量围压加载系统时，采用22KW电机控制PV7-1X/63-71叶片泵工作，控制方式为星三角启动，控制围压缸伸出退回动作；当工作状态为前后围压泵系统时，5.5KW电机控制A10V10DR恒压变量泵工作，为前后围压加载提供油源，控制方式为变频控制方式，通过设定变频器频率，满足前后围压长时间保压过程的需要；当工作状态为左右围压系统时：5.5KW电机控制A10V10DR恒压变量泵工作，为左右围压加载提供油源；控制方式为变频控制方式，通过设定变频器频率，满足左右围压长时间保压过程的需要；

（3）试验机预紧系统油泵电机组：5.5KW电机控制A10V10DR恒压变量泵工作，为预紧缸系统提供油源，控制方式为直接启动方式，通过增压器系统控制预紧油缸保压；

（4）移动工作台系统电机组：电机控制5.5KW电机控制顶起油泵工作，采用直接启动控制方式，变频器控制移动台移入移出电机工作，可设置移动台移入移出速度。

所述电气控制系统包括电机控制系统、PLC控制系统、试验机检测系统及计算机数据采集及分析系统。

多功能高开口真三轴刚性试验机具体操作为：一般有手动调整操作和试验两个过程，具体如下：

一、手动调整动作在操作台进行，通过操作台按钮操作，由触摸屏监视试验机状态和相关参数。实测参数显示包括：1.轴向加载数据：包括轴向位移、轴向压力、轴向载荷及轴向加载伺服阀输出值；2.前后围压加载数据：包括前后围压位移、压力、载荷及加载比例阀输出值；3.左右围压加载数据：包括左右围压位移、压力、载荷及加载比例阀输出值；4.同时触摸屏对试验机液压系统相关参数进行显示；包括系统压力、蓄能器压力、主缸下腔压力等。

升降上横梁的调整：在操作台进行，通过操作台按钮操作，由触摸屏监视试验机状态和相关参数；上梁升降速度通过设定升降电机频率来实现，上梁升降四角高度通过绝对值编码器检测；上梁升降四角转矩通过变频器反馈测得；通过升降高度监控上梁位置，通过四角转矩监控上梁四角的传动螺母的受力状态。

移动工作台的调整：做三轴岩石力学试验时，可将围压框及其试件在移动台上安装完成，然后将移动台移入至试验机内进行试验；做支架试验时可将被试的液压支架安装在移动台上，通过移动台移入至试验机内，进行移动支架试验；移动台动作在操作台进行，首先移动台顶起缸顶起，通过操作台移动台移入移出按钮控制，实现移动台的移入移出；通过触摸屏设定移动台移入移出电机的频率，实现移动台的速度调节。

预紧缸的调整：首先将可移动上梁下降至预紧支座上，控制预紧开合螺母，可实现预紧螺母的加紧松开；通过控制预紧垫块的位置实现预紧缸的开启和关闭。

二、试验机试验运行：

1）压力变形试验：

a、设定位移变形试验：根据岩石试验要求可实现恒位移保压试验、锯齿形位移变化试验等，设定参数为：位移升速、位移上限、保持时间、位移回速、位移回限保持时间、设定循环次数等；根据设定参数，系统自动按照试验参数的设定值进行试验，计算机数据采集系统根据设定的采样周期进行数据采样并存储；采样的数据包括：轴向载荷、轴向位移、前后围压载荷、前后围压位移、左右围压载荷、左右围压位移、及其记录序号。

b、设定载荷变形试验：根据岩石试验要求可实现恒载荷保压试验、锯齿形载荷变化试验等，设定参数为：升压速率、载荷上限、保持时间、降压速率、压力下限、下限保持时间、设定循环次数等；根据设定参数，系统自动按照试验参数的设定值进行试验，计算机数据采集系统根据设定的采样周期进行数据采样并存储；采样的数据包括：轴向载荷、轴向位移、前后围压载荷、前后围压位移、左右围压载荷、左右围压位移、及其记录序号。

c、单轴压力变形试验和三轴压力变形试验：根据岩石力学实验要求，试验机可实现单轴压力变形实验和三轴压力变形实验；单轴试验为轴向加载试验，三轴试验为三向加载试验。

2）压裂试验：试验机对试样施加三向压应力，直至试样破裂，计算机实时记录试验数据。

3）液压支架试验：试验机对支架施加压应力，计算机实时记录试验数据。

三、试验机数据采集及分析：

试验机实验数据通过计算机系统进行采集、存储，并对实验数据进行分析；数据采集与西门子PLC通过西门子Simatic Net通过OPC Server采集至计算机；计算机通过Microsoft office的Access数据库管理系统系统存储；试验曲线通过Teechart与数据库连接进行显示；通过显示数据采集界面可根据试验要求设置采样频率，采集的数据包括轴向位移、轴向吨位、围压位移及围压吨数据；通过计算机数据分析程序可显示载荷与变形关系曲线、轴向载荷、轴向位移及围压参数与时间的关系曲线。

进一步的，所述试验机设置有联锁及安全保护装置：包括电器保护及安全保护，所述电器保护为电动机过载保护和短路保护，采用自动空气开关和热继电器，控制电路保护采用熔断器；所述安全保护设置了急停装置，所述急停装置为1个急停开关，按下急停开关会停止运行的油泵电机并切断控制电源，使设备处于停止状态，主要用于设备出现故障，需紧急停车的情况。待处理故障完毕后，再重新起动电机，执行所需动作。

实施例一

对井下木垛承载能力的实验：

一、试件描述：

1.单个方木规格：长×宽×高：1.2m×0.18m×0.18m；

2.木垛尺寸：“混合型”木垛。即每层摆放4根，第一层相邻两根紧挨，共两组；第二层，四根方木均匀摆放；依次交替摆放。木垛高2.37m，共13层方木，52根。

二、试件描述：

1.单个方木规格：长×宽×高：1.5m×0.18m×0.18m；

2.木垛尺寸：“双井字型”木垛。即每层摆放4根，第一层相邻两根紧挨，共两组；第二层，也是相邻两根紧挨，共两组；依次交替摆放。木垛高3.45m，共19层方木，76根。

三、试件描述：

1.单个方木规格：长×宽×高：1.0m×0.18m×0.18m；

2.木垛尺寸：“双井字型”木垛。即每层摆放4根，第一层相邻两根紧挨，共两组；第二层，也是相邻两根紧挨，共两组；依次交替摆放。木垛高2.36m，共13层方木，52根。

三种木垛的实验过程：初始时，试验机与木垛虚接触，尚未加压。后试验机开始施加轴向压力，实验中，通过观察操作台界面，并记录位移、吨位等参数，直至达到木垛承载的最大能力。

通过实验得出如下结论：2.37m“混合型”木垛实测木垛承载能力2.43MPa；3.45m“双井字型”木垛实测木垛承载能力2.08MPa；2.36m“双井字型”木垛实测木垛承载能力3.88MPa；在木垛高度一定的前提下：“双井字型”木垛比混合型木垛的承载能力高；在方木摆放形式一定的前提下：木垛高度越低，其承载能力越大。

实施例二

花岗岩岩样的三轴压缩实验

实验准备阶段：岩样通过行车放置在试验机移动平台的围压框中，后又通过移动平台送至加压开口处。实验阶段：以恒定速度加轴围压通过传感器传输，相关岩石压力与变形的实验数据实时传入数据采集系统。结果表明：试验机稳压效果良好。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多功能高开口真三轴刚性试验机，其特征在于：包括主机加载系统、移动工作台、围压装置、液压系统、电气控制系统及操作台，所有部件通过管路及电气装置连接为一个整体；所述液压系统、电气控制系统及操作台均位于地面上；

所述主机加载系统采用四柱立式结构，加压方式为“上压式”，即压头由上向下运动对试样加压；所述主机加载系统包括顶梁、可升降上横梁、下横梁、滑块、立柱、支座及旋转套、锁紧螺母、主油缸、侧油缸、预紧缸，所述顶梁、可升降上横梁、下横梁、立柱通过旋转套及锁紧螺母紧固形成封闭受力框架；所述滑块安装在可升降上横梁与下横梁之间，所述可升降上横梁的四角通过旋转套与立柱连接；所述滑块与主油缸的活塞杆、侧油缸的柱塞杆通过对开法兰连接，且依靠四根立柱作为导向上下运动；所述滑块的下表面设有通孔与螺孔；所述主油缸成环形布置安装于可升降上横梁下表面；所述主油缸为四个主柱塞缸，所述侧油缸为两个主活塞缸，所述主柱塞缸的缸体依靠缸口台肩及锁紧螺母紧固于可升降上横梁中间、柱塞杆下端通过对开法兰与滑块连接；所述主活塞缸的缸体通过缸口台肩及锁紧螺母紧固于可升降上横梁两侧、活塞杆通过对开法兰与滑块连接；

所述可升降上横梁通过四个独立的电机减速机分别驱动，完成可升降上横梁的上下移动；所述四个电机减速机由四台变频器驱动；四个立柱上部为螺杆结构；所述可升降上横梁包括上梁、油缸、上平台及围栏、上液压站及其管路，所述上梁上表面为上平台且设置围栏，所述上液压站位于上平台上、且其上设置有由24个100L的蓄能器；

所述移动工作台包括移动平台与两条导轨，所述导轨与主机加载系统的位置相应，能够使移动平台移入试验机内；所述移动平台上安装驱动电机与减速机、平台下四角装设有行走车轮、且通过齿轮轴及齿轮驱动移动平台在两条导轨上移动；四个立柱的下边内侧安装有四个顶起缸，且位置与移动平台下的行走车轮的位置相对应；

所述滑块设有滑块行程控制装置，包括行程检测开关及其支架、传感器、位移传感器、行程驱动装置；所述行程检测开关的支架安装在可升降上横梁的左前侧和右后侧；传感器安装在可升降上横梁下表面；所述位移传感器的驱动杆安装在滑块上、通过行程驱动装置将滑块位移传至位移传感器上；

所述围压装置为四边等距方框结构，包括围压框，所述围压框四边中间分别安装有四个围压活塞油缸，所述围压活塞油缸由液压系统驱动伸出和退回；

所述液压系统包括液压支架冲击试验系统、轴压加载系统、围压加载系统、压机刚性机架预紧系统、辅助动作系统；所述液压支架冲击试验系统采用上横梁上的24个100L的蓄能器进行试验，由主泵对蓄能器充液，且根据支架速度压力特性要求，由比例插装阀控制蓄能器放油速度，实现液压支架的冲击动载试验；所述轴压加载系统采用Moog伺服阀进行电液伺服控制，通过分辨率为0.001mm的MTS磁致伸缩位移传感器检测滑块位移，通过压力传感器检测轴压缸压力，实现轴压的设定位移及设定压力的闭环控制；所述围压加载系统采用Atos比例压力阀进行围压压力控制，通过分辨率为0.001mm的MTS磁致伸缩位移传感器检测滑块位移，通过压力传感器检测围压缸压力，实现两向围压设定压力的闭环控制；所述压机刚性机架预压系统采用增压器系统实现刚性预压系统与轴向加载压力的随动；

所述液压系统的工作由油泵电机组控制：

（1）试验机轴压加载系统油泵电机组：当工作状态为大流量轴压加载系统时，采用90KW双轴伸电机控制A4VO125DR高压油泵与A10V100DR反转高压油泵工作，为轴压系统提供油源，同时为支架试验蓄能器提供油源；当为控制泵系统时，45KW电机控制A10V100DR恒压变量泵工作，为轴压充液阀及预紧缸辅助动作提供油源；当为轴压加载系统时，采用变频器控制A10V10DR变量泵工作，为轴压加载过程控制提供油源，满足轴压长时间保压过程的需要；

（2）试验机围压加载系统油泵电机组：当工作状态为大流量围压加载系统时，采用22KW电机控制PV7-1X/63-71叶片泵工作，控制方式为星三角启动，控制围压缸伸出退回动作；当工作状态为前后围压泵系统时，5.5KW电机控制A10V10DR恒压变量泵工作，为前后围压加载提供油源，控制方式为变频控制方式，通过设定变频器频率，满足前后围压长时间保压过程的需要；当工作状态为左右围压系统时：5.5KW电机控制A10V10DR恒压变量泵工作，为左右围压加载提供油源；控制方式为变频控制方式，通过设定变频器频率，满足左右围压长时间保压过程的需要；

（3）试验机预紧系统油泵电机组：5.5KW电机控制A10V10DR恒压变量泵工作，为预紧缸系统提供油源，控制方式为直接启动方式，通过增压器系统控制预紧油缸保压；

（4）移动工作台系统电机组：电机控制5.5KW电机控制顶起油泵工作，采用直接启动控制方式，变频器控制移动台移入移出电机工作，能够设置移动台移入移出速度；

所述电气控制系统包括电机控制系统、PLC控制系统、试验机检测系统及计算机数据采集及分析系统。

2.根据权利要求1所述的一种多功能高开口真三轴刚性试验机，其特征在于：所述围压装置为独立设置，置于移动工作台上，随移动工作台移入试验机内或移出试验机。

3.根据权利要求1所述的一种多功能高开口真三轴刚性试验机，其特征在于：所述试验机包括手动与自动试验操作，且有对应的软件支撑，在操作台的触摸屏操作并显示，能够监视试验机状态及相关参数。

4.根据权利要求3所述的一种多功能高开口真三轴刚性试验机，其特征在于：试验机状态实测参数显示包括：轴向加载数据、前后围压加载数据、左右围压加载数据及试验机液压系统相关参数。

5.根据权利要求1所述的一种多功能高开口真三轴刚性试验机，其特征在于：所述试验机设置有联锁及安全保护装置：包括电器保护及安全保护，所述电器保护为电动机过载保护和短路保护，采用自动空气开关和热继电器，控制电路保护采用熔断器；所述安全保护为设置急停装置，所述急停装置为1个急停开关。