CN115165486A - 三轴试验制样装置及其制样与脱模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了三轴试验制样装置及其制样与脱模方法，包括可移动的试验架、设置于试验架中部用于固定制样用的筒件的夹持组件以及设置于试验架两端通过同步伸缩的形式压缩筒件内的制样材料的施压组件，施压组件通过信号连接在试验架上的控制器控制行程以及伸缩速度。本发明通过控制步进电机的转动、两端的施压组件同步压实和底部的施压组件顶出脱模的形式，解决了现有技术中存在的制样精度低、制样效果不足以及制样脱模损伤大的问题。

Description

三轴试验制样装置及其制样与脱模方法

技术领域

本发明涉及土木工程三轴试验制样技术领域，尤其涉及一种三轴试验制样装置以及使用该制样装置进行制样和脱模的方法。

背景技术

三轴试验是土木工程领域中十分重要的一项试验，随着科学技术的不断进步，对于土木工程研究领域的科研人员，经常需要进行大量的三轴试验，在该试验中，目前大多数仍采用传统的制样装置，其制样过程完全靠人力来完成，往往浪费大量的时间和精力，且制样效果不佳，因此，需要设计制造一种新型三轴试验制样装置为该领域的研究人员提高试验效率与质量。

分析传统的制样装置，可以发现其主要存在问题如下，第一，传统的制样装置在使用过程中完全靠人力来进行，对人的体力精力损耗较大；第二，如果需要多次分层压实，人工操作精度低，且需要反复测量；第三，传统制样装置其制样过程中施加的力一直在上方，会导致其下层土更加紧密，上层相对疏松，如果采用上下同时施压会有更好的效果；第四，传统制样装置脱模为三瓣脱模，其容易对样品造成损伤且效率低。

虽然目前也有相关专利为三轴制样提供新的装置方案，但只能解决以上问题的一部分，还有很大的进步空间，本专利涉及的三轴试验制样装置将解决以上的全部问题，为三轴试验制样提供新的装置方案。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种三轴试验制样装置及其制样与脱模方法，其解决了现有技术中存在的制样精度低、制样效果不足和制样脱模损伤大的问题。

根据本发明的实施例，三轴试验制样装置，包括可移动的试验架、设置于试验架中部用于固定制样用的筒件的夹持组件以及设置于试验架两端通过同步伸缩的形式压缩筒件内的制样材料的施压组件，施压组件通过信号连接在试验架上的控制器控制行程以及伸缩速度，施压组件通过步进电机驱动伸缩。

优选的，所述施压组件包括设置于所述试验架上的导轨、转动设置于导轨内的丝杠、螺纹连接于丝杠上的滑块和连接于滑块上的压头，导轨上设置有导向槽，滑块上连接有滑动设置于导向槽内的限位块，丝杠通过所述步进电机驱动。

优选的，所述滑块成架体结构，并于中部设置有穿过所述导轨端部的导向杆，所述滑块的一端的中心设置有导向柱，所述压头的端部同轴开设有与导向柱配合的导向孔。

优选的，所述压头包括连接柱和同轴设置于连接柱一端的压盘，压盘的外径与所述筒件的内径相等。

优选的，所述筒件包括上套筒和下套筒，上套筒和下套筒的内径和外径均相等，上套筒与下套筒的连接端分别设置有环形的连接凸起和连接槽，并通过连接凸起和连接槽实现上套筒与下套筒之间的紧密连接。

优选的，所述夹持组件包括螺纹连接于所述试验架上的紧固螺栓，紧固螺栓绕所述施压组件的轴线分布，紧固螺栓水平设置，且紧固螺栓通过可贴合于所述筒件外周面上的紧固板夹持所述筒件。

优选的，所述紧固板通过所述筒件制作中切割剩余的余料制成，紧固板上设置有弧形槽，且该弧形槽对应的弧形的直径与所述筒件的外径相等。

优选的，所述紧固螺栓的一端设置有把手，并于另一端同轴设置有定位柱，所述紧固板上开设有供定位柱插入的定位孔。

优选的，所述试验架上的所述紧固螺栓成组设置，且每组所述紧固螺栓设置有不少于两个所述紧固螺栓，一组的所述紧固螺栓沿所述筒件的轴向分布，且共用一个所述紧固板。

三轴试验制样装置的制样与脱模方法，包括如下步骤， 步骤一：初始化，将试验架固定好后，对试验架两端的施压组件通电，并启动控制器上的“初始化”功能，此时两端的施压组件分别控制对应的滑块移动至试验架的顶端和底端，即完成初始化； 步骤二：安装压头，将需要尺寸的两个压头通过导向柱和导向孔的定位并螺栓分别安装在两个滑块上； 步骤三：安装筒件，将与压头配套的下套筒套在试验架底端的压头上，通过控制器控制两个压头相对移动，直至两个压盘之间的间距小于下套筒的长度以后，人工提起下套筒，使得下套筒能够同时包含两个压盘，且下套筒的内壁与两个压盘的外周面贴合，实现下套筒与两个压头的同轴度检测，且此时通过紧固螺栓对下套筒进行夹持，并在下套筒固定后，再次启动“初始化”功能，并将上套筒配合安装在下套筒上； 步骤四：定位，通过控制器分别控制两个压头的移动，使得两个压头对应的压盘正好分别进入上套筒和下套筒中； 步骤五：加料制样，人工将上套筒向上移动，将制样用材料沿上方的压盘与下套筒之间的间隙倒入下套筒内，再将上套筒连接至下套筒上，并通过控制器设定压实后的材料的高度，开始制样；此时控制器可根据两个压盘的移动距离，控制步进电机输出轴的转动，在压盘到达设定位置后，停留三秒，而后控制压盘返回制样的初始位置； 步骤六：采用三次压实制样的形式，重复三次步骤五，并在压实前通过上套筒添加定量的材料，直至完成材料的制样； 步骤七：脱模，启动控制器的脱模功能，控制器控制上方的滑块返回“初始化”时的位置，在此过程中取下上套筒，再控制下方的滑块向上移动，在位于下方的压头将样品从下套筒顶部缓慢推出后，停止压头的移动，试验人员将样品取走，即完成脱模。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、采用控制器控制步进电机转动，步进电机驱动丝杠转动，实现压头的移动，提高了压实过程的精度，进而提高了材料制样的高度的准确性，同时可满足多层制样的要求。

2、通过两个压头从两端压实材料，使得筒件中的材料样品的上下层密度一致，提高了材料样品的质量。

3、可根据试验需求制作配套的压头、上套筒、下套筒及紧固板，再应用于该试验架上，提高了制样装置的通用性。

4、通过下方的压盘将材料样品顶出，实现高效脱模的同时，减小了脱模过程对材料样品的损伤。

5、采用上套筒和下套筒配合的形式，在制样过程中可通过上移上套筒，对下套筒内进行制样材料的添加，不需要移动压盘，保证了压盘与筒件之间的同轴度。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例中滑块的结构示意图。

图3为本发明实施例中导轨的结构示意图。

图4为本发明实施例中压头的结构示意图。

图5为本发明实施例中上套筒的结构示意图。

图6为本发明实施例中紧固螺栓的结构示意图。

图7为本发明实施例中下套筒的结构示意图。

上述附图中：1、试验架；2、步进电机；3、滑块；4、导轨；5、压头；6、上套筒；7、紧固螺栓；8、下套筒；9、导线；10、控制器；11、万向轮；12、限位块；13、导向柱；14、导向槽；15、导向孔；16、压盘；17、连接凸起；18、定位柱；19、紧固螺纹；20、连接槽；21、定位孔；22、紧固板。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。

如图1-7所示，为提高制样的精度、效率以及制得的材料样品的质量。本发明提出三轴试验制样装置，包括可移动的试验架1、设置于试验架1中部用于固定制样用的筒件的夹持组件以及设置于试验架1两端通过同步伸缩的形式压缩筒件内的制样材料的施压组件，施压组件通过信号连接在试验架1上的控制器10控制行程以及伸缩速度，施压组件通过步进电机2驱动伸缩。

制样可以为制作土样，在试验架1的底部安装万向轮11，由于试验架1的整体采用框架式结构，设置万向轮11能够便于移动制样装置，然后，万向轮11选用可固定形式的，在将试验架1移动至选定位置后，通过固定万向轮11实现制样装置的固定。

控制器10通过导线9连接施压组件中的步进电机2，步进电机2上设置有编码器，达到控制步进电机2的转速和转动圈数，进而控制施压组件压缩土样的速度及土样成品的高度。

通过夹持组件对筒件进行固定后，施压组件能够对筒件的两端进行密封，这样，在土样上料时，控制施压组件也可防止土样泄漏，在上料后，同样可进行土样的压实；另外的，以这种形式进行压实时，缺少定位，因此可在施压组件上设置刻度，用于观察施压组件进入筒件的长度，以此来确定土样制样的高度。

如图1-4所示，为提高压头5移动的精度。所述施压组件包括设置于所述试验架1上的导轨4、转动设置于导轨4内的丝杠、螺纹连接于丝杠上的滑块3和连接于滑块3上的压头5，导轨4上设置有导向槽14，滑块3上连接有滑动设置于导向槽14内的限位块12，丝杠通过所述步进电机2驱动。限位块12与导向槽14的配套设置，使得滑块3移动更稳定；步进电机2的输出轴与丝杠的一端同轴固定连接，在丝杠转动时，滑块3由于限位块12的限制，使得滑块3在导轨4内沿丝杠的轴向移动，以此实现滑块3在竖直方向上的往复移动。

如图2-3所示，为进一步提高滑块3移动的精度。所述滑块3成架体结构，并于中部设置有穿过所述导轨4端部的导向杆，所述滑块3的一端的中心设置有导向柱13，所述压头5的端部同轴开设有与导向柱13配合的导向孔15。滑块3包括四根穿过导轨4端部的导向杆，四根导向杆的活动端通过板件连接，并在板件上连接导向柱13，这里将导向柱13设置成与丝杠同轴的形式，便于定位，而导向柱13与导向孔15以及压头5同轴，这样，在土样的压实过程中，能够使得土样受力更加均匀。

如图1所示，为防止倒入筒件内的土样从筒件的底端落下。所述压头5包括连接柱和同轴设置于连接柱一端的压盘16，压盘16的外径与所述筒件的内径相等。能够紧密的对土样进行压实，在防止土样泄漏的同时，使得土样成圆柱体，提升土样的质量。

如图1、图5和图7所示。所述筒件包括上套筒6和下套筒8，上套筒6和下套筒8的内径和外径均相等，上套筒6与下套筒8的连接端分别设置有环形的连接凸起17和连接槽20，并通过连接凸起17和连接槽20实现上套筒6与下套筒8之间的紧密连接。通过连接凸起17和连接槽20的设置，使得上套筒6和下套筒8之间连接更紧密；同样的，在进行土样压实前，先对两个压盘16进行定位，此时，上方的压盘16的顶面与上套筒6的顶面处于同一平面，下方的压盘16的底面与下套筒8的底面处于同一平面，在进行两个压盘16的定位后，进行土样的上料，并设定土样被压缩后的高度，这样根据筒件整体的高度，便于设定每个压盘16各自移动的距离，以使得得到的被压实土样的高度与设定的高度相同，提高制样的精度。

如图1、图6和图7所示。所述夹持组件包括螺纹连接于所述试验架1上的紧固螺栓7，紧固螺栓7绕所述施压组件的轴线分布，紧固螺栓7水平设置，且紧固螺栓7通过可贴合于所述筒件外周面上的紧固板22夹持所述筒件。在紧固螺栓7上设置紧固螺纹19，在试验架1中部的框架上开设于紧固螺纹19配套的螺纹孔，在对筒件进行轴向定位后，通过手持筒件，转动紧固螺栓7，再将紧固板22放置于紧固螺栓7和筒件之间，进行筒件的固定；通过紧固板22增加筒件的受力面积，能够避免筒件受力而发生形变。

作为本发明优选的实施方式，所述紧固板22通过所述筒件制作中切割剩余的余料制成，紧固板22上设置有弧形槽，且该弧形槽对应的弧形的直径与所述筒件的外径相等。或者，在对紧固板22进行定位，使得紧固板22的长度方向与筒件的轴向平行，再将紧固板22直接焊接在筒件上。

如图1、图6和图7所示。所述紧固螺栓7的一端设置有把手，并于另一端同轴设置有定位柱18，所述紧固板22上开设有供定位柱18插入的定位孔21。通过定位柱18插入定位孔21中，紧固螺栓7和紧固板22连接更稳定，避免出现滑动。

如图1所示。所述试验架1上的所述紧固螺栓7成组设置，且每组所述紧固螺栓7设置有不少于两个所述紧固螺栓7，一组的所述紧固螺栓7沿所述筒件的轴向分布，且共用一个所述紧固板22。一组紧固螺栓7供设置有两个紧固螺栓7，两个紧固螺栓7能够对筒件的顶端和底端进行夹持，再配合紧固板22，使得筒件受力更加均匀。

三轴试验制样装置的制样与脱模方法，包括如下步骤， 步骤一：初始化，将试验架1固定好后，对试验架1两端的施压组件通电，并启动控制器10上的“初始化”功能，此时两端的施压组件分别控制对应的滑块3移动至试验架1的顶端和底端，即完成初始化； 步骤二：安装压头5，将需要尺寸的两个压头5通过导向柱13和导向孔15的定位并螺栓分别安装在两个滑块3上； 步骤三：安装筒件，将与压头5配套的下套筒8套在试验架1底端的压头5上，通过控制器10控制两个压头5相对移动，直至两个压盘16之间的间距小于下套筒8的长度以后，人工提起下套筒8，使得下套筒8能够同时包含两个压盘16，且下套筒8的内壁与两个压盘16的外周面贴合，实现下套筒8与两个压头5的同轴度检测，且此时通过紧固螺栓7对下套筒8进行夹持，并在下套筒8固定后，再次启动“初始化”功能，并将上套筒6配合安装在下套筒8上； 步骤四：定位，通过控制器10分别控制两个压头5的移动，使得两个压头5对应的压盘16正好分别进入上套筒6和下套筒8中； 步骤五：加料制样，人工将上套筒6向上移动，将制样用材料沿上方的压盘16与下套筒8之间的间隙倒入下套筒8内，再将上套筒6连接至下套筒8上，并通过控制器10设定压实后的材料的高度，开始制样；此时控制器10可根据两个压盘16的移动距离，控制步进电机2输出轴的转动，在压盘16到达设定位置后，停留三秒，而后控制压盘16返回制样的初始位置； 步骤六：采用三次压实制样的形式，重复三次步骤五，并在压实前通过上套筒6添加定量的材料，直至完成材料的制样； 步骤七：脱模，启动控制器10的脱模功能，控制器10控制上方的滑块3返回“初始化”时的位置，在此过程中取下上套筒6，再控制下方的滑块3向上移动，在位于下方的压头5将样品从下套筒8顶部缓慢推出后，停止压头5的移动，试验人员将样品取走，即完成脱模。

另外，在进行多次制样时，通过启动步骤一中的“初始化”功能，再将上套筒6安装在下套筒8上后，重复步骤四至步骤七，即可完成所有土样的制作。

在制样结束后，启动“初始化”功能，待初始化完成后，将控制器10和步进电机2断电，拆除压头5、上套筒6和下套筒8，便于后续试验人员进行其它尺寸的制样。

Claims (10)

1.三轴试验制样装置，其特征在于：包括可移动的试验架（1）、设置于试验架（1）中部用于固定制样用的筒件的夹持组件以及设置于试验架（1）两端通过同步伸缩的形式压缩筒件内的制样材料的施压组件，施压组件通过信号连接在试验架（1）上的控制器（10）控制行程以及伸缩速度，施压组件通过步进电机（2）驱动伸缩。

2.如权利要求1所述的三轴试验制样装置，其特征在于：所述施压组件包括设置于所述试验架（1）上的导轨（4）、转动设置于导轨（4）内的丝杠、螺纹连接于丝杠上的滑块（3）和连接于滑块（3）上的压头（5），导轨（4）上设置有导向槽（14），滑块（3）上连接有滑动设置于导向槽（14）内的限位块（12），丝杠通过所述步进电机（2）驱动。

3.如权利要求2所述的三轴试验制样装置，其特征在于：所述滑块（3）成架体结构，并于中部设置有穿过所述导轨（4）端部的导向杆，所述滑块（3）的一端的中心设置有导向柱（13），所述压头（5）的端部同轴开设有与导向柱（13）配合的导向孔（15）。

4.如权利要求2所述的三轴试验制样装置，其特征在于：所述压头（5）包括连接柱和同轴设置于连接柱一端的压盘（16），压盘（16）的外径与所述筒件的内径相等。

5.如权利要求1所述的三轴试验制样装置，其特征在于：所述筒件包括上套筒（6）和下套筒（8），上套筒（6）和下套筒（8）的内径和外径均相等，上套筒（6）与下套筒（8）的连接端分别设置有环形的连接凸起（17）和连接槽（20），并通过连接凸起（17）和连接槽（20）实现上套筒（6）与下套筒（8）之间的紧密连接。

6.如权利要求1所述的三轴试验制样装置，其特征在于：所述夹持组件包括螺纹连接于所述试验架（1）上的紧固螺栓（7），紧固螺栓（7）绕所述施压组件的轴线分布，紧固螺栓（7）水平设置，且紧固螺栓（7）通过可贴合于所述筒件外周面上的紧固板（22）夹持所述筒件。

7.如权利要求6所述的三轴试验制样装置，其特征在于：所述紧固板（22）通过所述筒件制作中切割剩余的余料制成，紧固板（22）上设置有弧形槽，且该弧形槽对应的弧形的直径与所述筒件的外径相等。

8.如权利要求6所述的三轴试验制样装置，其特征在于：所述紧固螺栓（7）的一端设置有把手，并于另一端同轴设置有定位柱（18），所述紧固板（22）上开设有供定位柱（18）插入的定位孔（21）。

9.如权利要求6所述的三轴试验制样装置，其特征在于：所述试验架（1）上的所述紧固螺栓（7）成组设置，且每组所述紧固螺栓（7）设置有不少于两个所述紧固螺栓（7），一组的所述紧固螺栓（7）沿所述筒件的轴向分布，且共用一个所述紧固板（22）。

10.如权利要求1-9所述的三轴试验制样装置的制样与脱模方法，其特征在于，包括如下步骤， 步骤一：初始化，将试验架（1）固定好后，对试验架（1）两端的施压组件通电，并启动控制器（10）上的“初始化”功能，此时两端的施压组件分别控制对应的滑块（3）移动至试验架（1）的顶端和底端，即完成初始化； 步骤二：安装压头（5），将需要尺寸的两个压头（5）通过导向柱（13）和导向孔（15）的定位并螺栓分别安装在两个滑块（3）上； 步骤三：安装筒件，将与压头（5）配套的下套筒（8）套在试验架（1）底端的压头（5）上，通过控制器（10）控制两个压头（5）相对移动，直至两个压盘（16）之间的间距小于下套筒（8）的长度以后，人工提起下套筒（8），使得下套筒（8）能够同时包含两个压盘（16），且下套筒（8）的内壁与两个压盘（16）的外周面贴合，实现下套筒（8）与两个压头（5）的同轴度检测，且此时通过紧固螺栓（7）对下套筒（8）进行夹持，并在下套筒（8）固定后，再次启动“初始化”功能，并将上套筒（6）配合安装在下套筒（8）上； 步骤四：定位，通过控制器（10）分别控制两个压头（5）的移动，使得两个压头（5）对应的压盘（16）正好分别进入上套筒（6）和下套筒（8）中； 步骤五：加料制样，人工将上套筒（6）向上移动，将制样用材料沿上方的压盘（16）与下套筒（8）之间的间隙倒入下套筒（8）内，再将上套筒（6）连接至下套筒（8）上，并通过控制器（10）设定压实后的材料的高度，开始制样；此时控制器（10）可根据两个压盘（16）的移动距离，控制步进电机（2）输出轴的转动，在压盘（16）到达设定位置后，停留三秒，而后控制压盘（16）返回制样的初始位置； 步骤六：采用三次压实制样的形式，重复三次步骤五，并在压实前通过上套筒（6）添加定量的材料，直至完成材料的制样； 步骤七：脱模，启动控制器（10）的脱模功能，控制器（10）控制上方的滑块（3）返回“初始化”时的位置，在此过程中取下上套筒（6），再控制下方的滑块（3）向上移动，在位于下方的压头（5）将样品从下套筒（8）顶部缓慢推出后，停止压头（5）的移动，试验人员将样品取走，即完成脱模。

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