CN1641350A - 大型多功能材料三轴静动试验机 - Google Patents

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Abstract

大型多功能材料三轴静动试验机，属于试验装置技术领域。为了提供一种能够适用于测量土石和混凝土材料的力学性能，还能进行单独渗流以及渗流与应力耦合的各种材料试验的三轴静动试验机，本发明公开的三轴静动试验机的特征在于，其主机部分包括侧向油水交换缸和串联水缸，驱动侧向油水交换缸的侧向液压缸，设置在主机底部的与所述三轴压力室内部装载的试样连通的渗流水缸，以及驱动所述渗流水缸的渗流液压缸；所述串联水缸通过侧向油水交换缸与三轴压力室水路连通，由轴向激振器驱动的活塞杆的上部与串联水缸连接，下部与所述三轴压力室内部装载的试样连接。本发明的试验机刚度大，测量控制精度高，功能多，非常适宜材料科学研究与工程检测。

Description

大型多功能材料三轴静动试验机
技术领域
本发明涉及一种大型多功能材料三轴静动试验设备，属于试验装置技术领域，特别适用于测量土石和混凝土材料的力学性能，还能进行单独渗流以及渗流与应力耦合的各种材料试验功能试验等。
背景技术
土木、水利工程的安全性，在一定意义上取决于工程材料的强度与变形特性。目前常应用三轴试验设备通过特定的方法来测定材料的应力应变曲线，进一步求得材料的强度指标。对于土石材料，目前我国都是采用大型常规三轴试验机。存在的问题主要是不能施加较大的应力比来模拟实际地震情况；同时围压与竖向压力具有耦合现象，都需用软件方法加以修正。这不但影响试验力值精度，而且会影响加载路径。对于混凝土材料试验，都采用真三轴试验机。虽然这种试验机能考虑中间主应力对材料的影响，但不能进行试件受均匀外部压力与内部孔隙压力的试验；而应用于土石材料的常规三轴试验机由于刚度不足都不能进行混凝土静动力试验。到目前为止，无论国内还是国外，还都没有同时能适应土石和混凝土材料的试验机，更没有独立施加双方向动力荷载的试验机，进一步考虑渗流与应力耦合的大型试验机更未见有实例。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种多功能材料三轴静动试验机，不但能进行土石和混凝土材料试验，具有轴向与周向独立静动荷载的试验能力，而且还具有单项渗流以及渗流与应力多项耦合的各种材料试验功能。
本发明的技术方案如下：
大型多功能材料三轴静动试验机，由主机部分、油路部分、三轴仪和相应的电液伺服控制系统组成；所述主机部分包括主机架，安装在机架顶部的轴向激振器、三轴压力室和设置主机底部的水平移动三轴压力室，其特征在于：所述主机部分还包括侧向油水交换缸，驱动侧向油水交换缸的侧向液压缸；设置在主机底部的与所述三轴压力室内部装载的试样连通的渗流水缸，以及驱动所述渗流水缸的渗流液压缸；所述串联水缸是与活塞杆的上部串联，下部通过侧向油水交换缸与三轴压力室水路连通，从而保持由轴向激振器驱动的活塞杆上下运动时，不引起三轴压力室内部液体的附加压力。
本发明所述侧向油水交换缸装有动态密封的活塞。
本发明所述油路部分包括两个并联油箱、两个与并联油箱相对应的并联油泵。
本发明与普通试验机相比，其显著特点为：本发明能施加较大的应力比来模拟实际地震情况，同时围压与竖向压力互不影响。不同类型材料的试验仅需更换加载头，部件利用率高；并联的液压系统能有效的适应各种试验；数据采集与控制模式自动化程度高。
附图说明
图1为本发明的多功能材料静动三轴试验机的示意图。
图2为本发明主机部分的结构示意图。
图3为本发明的工作原理图。
图4为本发明油路部分的液压原理图。
图5为本发明的水气原理图。
具体实施方式
本发明提供的多功能材料三轴静动试验机由以下几项关键技术来实现：
1)为了适应不同材料试验的需求，采用并联油源的液压系统，这可以针对试验需要的油量随时灵活添加；
2)为了克服轴向荷载作用引起三轴压力室压力不稳定或围压荷载作用引起轴向荷载不稳定的问题，采用与三轴压力室相连通的串联水缸的稳压设备，达到系统内水质量不变来保证压力室压力稳定；
3)为了实现试样孔隙压力的主动控制，采用了一套独立的电液伺服控制系统参与孔隙压力测控，实现应力与渗流耦合。
下面结合附图，详细介绍本发明的主要部件及结构。
请参见图1，本发明由主机部分1、油源部分2、三轴仪3和电液伺服控制系统4组成。如图2和图3所示，主机部分1包括主机架，安装在机架顶部的轴向激振器104、侧向油水交换缸102和串联水缸103，驱动侧向油水交换缸102的侧向液压缸101，设置主机底部可水平移动的三轴压力室107，设置在主机底部的与所述三轴压力室107内部装载的试样连通的渗流水缸109，以及驱动所述渗流水缸109的渗流液压缸110；轴向激振器104的活塞杆114下方端部安装一个负荷传感器106，由轴向激振器104驱动的活塞杆114的上部与串联水缸103连接，下部与所述三轴压力室107内部装载的试样连接；所述串联水缸103通过钢管119与侧向油水交换缸102水路连通，通过高压软管与三轴压力室107水路连通，从而保持液体质量不变，并保持由轴向激振器104驱动的活塞杆114上下运动时，不引起三轴压力室107内部液体的附加压力。
机架由升降机构，底座，4根立柱，上横梁构成足够刚度的框架。上横梁上装有轴向激振器104，按常规连接方式设有轴向电液伺服阀113，蓄能器，电磁换向阀121和轴位移传感器等装置。侧向油水交换缸102内设有动态密封与非金属喷涂支承，具有磨擦力小，活塞杆支承长的优点，可承受较大的侧向力。
侧向液压缸101设置在主机架的侧面，利用侧向电液伺服阀116和侧位移传感器驱动侧向油水交换缸102。
三轴压力室107是安装试样的压力容器，它由加荷的活塞杆114、室筒、压力室盖、底盘、支架、密封圈等组成。三轴压力室107的底盘接头上装有常规的侧压力传感器，上孔压力传感器，下孔压力传感器，反压力传感器等量测装置。
从上述结构中可以看出，主机部分1采用了由升降机构，底座，4根立柱，上横梁构成的框架式结构，保证了足够的机架刚度，这样就可以满足该机多种材料的试验要求，不但能做土材料的试验还能进行岩石和混凝土等刚性较大材料的试验。在本发明中，采用串联水缸的方式解决了轴向受力与围压耦合的问题。同样在本发明中，增加了一套由渗流液压缸110等组成的独立伺服作动器，它即可单独工作，也可与其他两路伺服作动器(侧向液压缸101和轴向激振器104)共同工作，使得单项渗流以及渗流与应力耦合的试验功能得以实现。
图4为油路部分的液压原理图。所述油路部分2包括两个并联油箱、两个与并联油箱相对应的并联油泵，以及受轴向电液伺服阀113、侧向电液伺服阀116和渗流电液伺服阀117控制的压力油。并联油泵可单独给系统供压力油，也可同时给系统供压力油，可以满足为不同试验条件提供不同流量的压力油。两个并联油箱分别装有散热器和电接点温度计，对系统长时间工作起到降温和保护作用。
系统的压力油分为三路：第一路压力油经过400升/分精密滤油器进入轴向电液伺服阀113后，再进入轴向激振器104，从而控制轴向激振器104产生轴向力。第二路压力油经过精密滤油器进入侧向电液伺服阀116后，再进入侧向液压缸101，从而控制侧向液压缸101产生侧向力。侧向液压缸101活塞上连接侧向油水交换缸102，推动其活塞使压力室的水产生压力，从而使试样形成围压。第三路压力油经过精密滤油器进入渗流电液伺服阀117后再进入渗流液压缸110，从而控制所述渗流液压缸110。渗流液压缸110上串连渗流水缸109。由渗流液压缸110活塞的力使渗流水缸109里的水产生反压从而作用在试样的内部产生反压力。
所述的三条油路及相应的电液伺服阀可以依据试验的要求既可单独工作，也可同时工作，极大的方便了用户使用。
图5为水气原理图。三轴仪3与三轴压力室107、侧向油水交换缸102、串联水缸103组成水气系统，三轴仪3主要由反压罐309、体变量罐308、空压机315、真空泵324、脱气水罐321、饱和真空罐320等构成。所述水气系统具有向三轴压力室107供水、施加与控制围压；对试样进行水头饱和抽气饱和反压饱和：施加渗压，以及测量围压、上孔压、下孔压与试样体积变化等功能。
反压罐309由封闭式水罐(容积12升)，磁致伸缩液位传感器，管道等组成。其上部是压缩空气，下部的水在水阀打开时，经管道、阀与三轴压力室107的试样下孔相通，使试样产生反压。反压罐309的上盖上装有测量体变的磁致伸缩液位传感器。
体变量罐308通过阀门，管道与反压罐309相连，它可以用来标定磁致位移传感器的行程，进而算出试样排出的水量。
从上述三轴仪的结构中可以看出，由于采用高精度的磁致位移传感器装入加工非常精密的体变量罐内，根据磁致位移传感器测出的排水高度与体变量罐的面积就可求得体积变化值且能够保证测量精度。
而空气减压阀能把来自空压机315的压力气体调到预定压力。由于真空泵324的采用，可以对试样内部抽真空，以便使乳胶模与模筒紧密贴合，试样挺立和浸饱和水。以上结构使得试样的制备、抽真空以及浸脱气水变得容易。
本发明的电液伺服控制系统4主要包括计算机，16位PCIA/D和D/A转换板，以及电液伺服控制柜。所述的计算机与通过16位PCI A/D和D/A转换板及串行口与电液伺服控制柜相连。所述的电液伺服控制系统4实现三路伺服闭环控制，一路是轴向控制：通过电液伺服控制柜与轴向电液伺服阀113相连；第二路是侧向控制：通过电液伺服控制柜与侧向电液伺服阀116相连；第三路是渗流控制：通过电液伺服控制柜与渗流电液伺服阀117相连。

Claims (3)

1.大型多功能材料三轴静动试验机，由主机部分(1)、油路部分(2)、三轴仪(3)和相应的电液伺服控制系统(4)组成；所述主机部分(1)包括主机架，安装在机架顶部的轴向激振器(104)、三轴压力室(107)和设置主机底部的水平移动三轴压力室(107)，其特征在于：所述主机部分(1)还包括侧向油水交换缸(102)，驱动侧向油水交换缸(102)的侧向液压缸(101)；设置在主机底部的与所述三轴压力室(107)内部装载的试样连通的渗流水缸(109)，以及驱动所述渗流水缸(109)的渗流液压缸(110)；所述串联水缸(103)是与活塞杆(114)的上部串联，下部通过侧向油水交换缸(102)与三轴压力室(107)水路连通，从而保持由轴向激振器(104)驱动的活塞杆(114)上下运动时，不引起三轴压力室(107)内部液体的附加压力。
2.根据权利要求1所述的材料三轴静动试验机，其特征在于：所述侧向油水交换缸(102)装有动态密封的活塞。
3.根据权利要求1所述的材料三轴静动试验机，其特征在于：所述油路部分(2)包括两个并联油箱、两个与并联油箱相对应的并联油泵。
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