CN211122331U - 一种大型智能压扭多轴土动力试验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大型智能压扭多轴土动力试验平台，涉及试验设备技术领域，本实用新型包括采用四柱式高刚性主机框架，主机底座上安装有扭转支架，通过扭转支架固定扭矩加载系统和扭剪压力室，扭剪压力室采用钢制结构，可保证在设计最高压力的试验过程中变形极小。为了能实现多种复杂应力路径的试验，本实用新型设计了轴力、扭矩、外室压力、内室压力以及孔压一共5套加载系统，每套加载系统均分别通过一套独立的伺服阀完成伺服控制加载。各套加载系统相互之间既可以完全独立控制，又可以通过电气控制及测量系统联合协同加载，从而达到试验目的，本实用新型具有加载力值大、容许试样尺寸大、加载自由度多、控制智能化的优点。

Description

一种大型智能压扭多轴土动力试验平台

技术领域

本实用新型涉及试验设备技术领域，更具体的是涉及一种大型智能压扭多轴土动力试验平台。

背景技术

在土木工程技术领域，各类工程建设的安全性主要取决于所采用的工程材料和结构的变形、强度与稳定性。土体作为工程建设中最为广泛使用的材料、地基或环境，与工程建设的安全性密不可分。因此，对土体材料的单元试验是评价土体材料的变形强度特性与力学关系的最为基本且最为重要的手段。

目前应用于砂土和粗粒土在应力主轴旋转以及其它复杂加载路径条件下静动力变形响应规律的试验研究，需要依赖于能够高精度实现这些复杂加载路径的试验设备。在现有技术中，通常采用常规三轴仪来进行土体材料的试验，但是常规三轴仪智能进行三轴压缩和拉伸等常规的试验路径，而在实际的工程中，作为在土体单元上的荷载及其路径变化是极其复杂多样的。

相比于众多的土静动力试验设备，如普通动静三轴仪、真三轴仪、平面应变仪等，空心圆柱扭剪仪同时具有灵活、均匀地对土体施加复杂应力路径的能力，被广泛应用于土体的各项异性研究和应力主轴旋转路径下土体的力学特性研究中，但是目前已有的空心圆柱扭剪仪大多试样尺寸和加载能力都比较小，且均不能任意设定试验路径。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：为了解决现有的空心圆柱扭剪仪试样尺寸和加载能力较小，且不能任意设定试验路径的问题，本实用新型提供一种大型智能压扭多轴土动力试验平台，针对于大型空心圆柱砂土和粗粒土试样的压扭复杂加载路径试验，使得试验环境与实际工程环境一致，确保试验数据的准确性。

本实用新型为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种大型智能压扭多轴土动力试验平台，包括机械加载系统、水气控制系统、电气控制及测量系统和伺服液压系统，所述伺服液压系统用于提供试验动力，机械加载系统包括四柱式高刚性主机机架、设置于四柱式高刚性主机机架上的竖向加载液压缸、扭剪三轴压力室和扭转加载及测量装置，竖向加载液压缸用于向试样施加轴力，扭剪三轴压力室是承放试样的压力容器，扭转加载及测量装置用于对试样施加扭转力，其特征在于：

所述机械加载系统还包括独立于四柱式高刚性主机机架的向试样施加水压力的外压、内压、孔压加载系统，所述外压、内压、孔压加载系统包括内围压液压缸、外围压液压缸和孔压液压缸，所述内围压液压缸、外围压液压缸和孔压液压缸分别与扭剪三轴压力室连接，水气控制系统用于控制外压、内压、孔压加载系统各条管路中水气的通畅状态，电气控制及测量系统包括5套分别对应于轴力、扭矩、内室压力、外室压力和孔压的加载系统。

进一步的，所述四柱式高刚性主机机架包括底座、上横梁和用于连接底座和上横梁的四根立柱，所述底座上安装有直线导轨，扭转加载及测量装置和扭剪三轴压力室从下往上依次设置于直线导轨上，所述扭转加载及测量装置包括扭转支架、扭矩加载系统和测量系统，扭转支架设置于直线导轨上且与直线导轨之间通过导轨滑块滑动连接，扭矩加载系统和扭剪三轴压力室通过扭转支架固定，扭矩加载系统包括设置于扭转支架中心的中心转轴和分别位于中心转轴两侧的水平扭转液压缸，两水平扭转液压缸的活塞杆端部分别与中心转轴铰接，中心转轴顶部穿过扭转支架与扭剪三轴压力室连接。将扭转加载及测量装置和扭剪三轴压力室设置于直线导轨上，通过导轨滑块使扭剪三轴压力室沿直线导轨进出四柱式高刚性主机机架，方便装卸扭剪三轴压力室、扭转加载及测量装置及试样，同时确保了扭剪三轴压力室和扭转加载及测量装置处于水平状态。

进一步的，所述扭剪三轴压力室包括底盘、压力室、上下试样支撑块和上盖，所述上盖上设有排气孔，底盘上设有五个分别与外围压液压缸、内围压液压缸、孔压液压缸和进出水口相连的接头孔，其中与孔压液压缸有上孔压孔和下孔压孔两个接头孔，五个接头孔处分别设置有阀门和相应的压力传感器，用于控制扭剪三轴压力室外围压、内围压和孔压以及测量上孔压和下孔压。

进一步的，所述竖向加载液压缸安装于上横梁上方，包括轴向伺服阀、蓄能器、滤油器、轴向液压缸和位移传感器，轴向液压缸活塞杆连接有轴向加载杆，所述轴向加载杆的端部延伸至扭剪三轴压力室，轴向伺服阀用于控制轴向液压缸活塞杆将轴力通过轴向加载杆传递到试样上，并且上横梁下方的轴向加载杆圆周外侧对称设置有防扭转装置，使得竖向加载液压缸的轴向直线运动与扭矩加载系统的扭转运动互不干涉。

进一步的，所述上横梁上设置有轴向串联水缸，所述轴向串联水缸的活塞与轴向加载杆固定连接，并且轴向串联水缸通过管道与扭剪三轴压力室连通，使得轴向串联水缸与扭剪三轴压力室中的有效体积之和始终保持不便，从而保证能准确测出试验过程中试样的体变。

进一步的，所述轴向液压缸的活塞上安装有压扭传感器，并且压扭传感器与轴向加载杆连接，通过压扭传感器检测试样所受的轴向压力及扭力。

进一步的，所述扭剪三轴压力室的压力室分为内压力室和外压力室，所述内围压液压缸和外围压液压缸中的水通过管道分别与内压力室和外压力室连接，故通过内围压液压缸和外围压液压缸的活塞的位移就能分别得到内压力室和外压力室中水的体积变化，从而得到试样的体变。

进一步的，所述伺服液压系统采用低压-高压软启动模式，具有超温、超压自动保护功能，正常工作油温为10-55℃，工作噪声低于80dB。

进一步的，所述电气控制及测量系统的5套分别对应于轴力、扭矩、内室压力、外室压力和孔压的加载系统分别通过独立的闭环伺服控制子系统控制，并且分别通过控制器和传感器之间A/D与D/A的信号转换对5组数据进行采集，并实现对试验其他系统的操控。

本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型的实验平台具有加载力值大、容许试样尺寸大、加载自由度多以及控制智能化等特点，可用于砂土和粗粒土的压扭复杂加载路径试验。

2、本实用新型采用四柱式高刚性主机框架，在满足试验要求的前提下保证机械加载系统本身在试验受力过程中的变形极小，提高了试验数据的真实性，并且扭剪三轴压力室采用钢制结构，可保证在涉及最高压力的试验过程中变形极小。

3、本实用新型通过设计轴力、扭矩、外室压力、内室压力和孔压一共5套加载系统，各加载系统之间相互独立，通过电气控制及测量系统联合协同加载，能够实现多种复杂应力路径的试验。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型的机械加载系统结构示意图。

图3是本实用新型四柱式高刚性主机机架、竖向加载液压缸、扭剪三轴压力室和扭转加载及测量装置的结构示意图。

图4是本实用新型的伺服液压系统原理图。

图5是本实用新型的水气控制系统原理图。

图6是本实用新型的电气控制及测量系统原理图。

附图标记：101、机械加载系统；102、水气控制系统；103、电气控制及测量系统；104、伺服液压系统；201、外压、内压、孔压加载系统；202、防扭转装置；203、轴向串联水缸；204、竖向加载液压缸；205、四柱式高刚性主机机架；2051、底座；2052、上横梁；20521、轴向加载杆；2053、立柱；2054、直线导轨；206、压扭传感器；207、扭剪三轴压力室；209、扭转加载及测量装置；2091、扭转支架；2092、扭矩加载系统；20921、水平扭转液压缸；20922、中心转轴。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本实用新型，下面结合附图和以下实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例

如图1至图3所示，本实施例提供一种大型智能压扭多轴土动力试验平台，包括机械加载系统101、水气控制系统102、电气控制及测量系统103和伺服液压系统104，所述伺服液压系统104用于提供试验动力，机械加载系统101包括四柱式高刚性主机机架205、设置于四柱式高刚性主机机架205上的竖向加载液压缸204、扭剪三轴压力室207和扭转加载及测量装置209，竖向加载液压缸204用于向试样施加轴力，扭剪三轴压力室207是承放试样的压力容器，扭转加载及测量装置209用于对试样施加扭转力，所述机械加载系统101还包括独立于四柱式高刚性主机机架205的向试样施加水压力的外压、内压、孔压加载系统201，所述外压、内压、孔压加载系统201包括内围压液压缸、外围压液压缸和孔压液压缸，所述内围压液压缸、外围压液压缸和孔压液压缸分别与扭剪三轴压力室207连接，水气控制系统 102用于控制外压、内压、孔压加载系统201各条管路中水气的通畅状态，电气控制及测量系统103包括5套分别对应于轴力、扭矩、内室压力、外室压力和孔压的闭环伺服控制子系统。

所述四柱式高刚性主机机架205包括底座2051、上横梁2052和用于连接底座2051和上横梁2052的四根立柱2053，本实施例的机架具有足够的刚性，使其在动态试验时，具有足够的稳定性，所述底座2051上安装有直线导轨2054，扭转加载及测量装置209和扭剪三轴压力室207从下往上依次设置于直线导轨2054上，所述扭转加载及测量装置209包括扭转支架2091、扭矩加载系统2092和测量系统，扭转支架2091设置于直线导轨2054上且与直线导轨2054之间通过导轨滑块滑动连接，扭矩加载系统2092和扭剪三轴压力室207通过扭转支架2091固定，扭矩加载系统包括设置于扭转支架2091中心的中心转轴20922和分别位于中心转轴20922两侧的水平扭转液压缸20921，两水平扭转液压缸20921的活塞杆端部分别与中心转轴20922铰接，中心转轴20922顶部穿过扭转支架2091与扭剪三轴压力室207连接，将扭转加载及测量装置209和扭剪三轴压力室207设置于直线导轨2054上，通过导轨滑块使扭剪三轴压力室207沿直线导轨2054进出四柱式高刚性主机机架205，方便装卸扭剪三轴压力室207、扭转加载及测量装置209及试样，同时确保了扭剪三轴压力室207和扭转加载及测量装置209处于水平状态，本实施例中扭矩加载系统受到扭转伺服阀的控制，在扭剪试验过程中，在扭转伺服阀的控制下，两水平扭转液压缸20291的活塞杆做恰好相反的水平伸长或收缩运动，使得两水平扭转液压缸20291绕中心转轴20922做水平往复运动，从而带动中心转轴以及与其固定连接的扭剪三轴压力室207来回旋转，最终将扭矩传递到试样上，所述扭矩加载系统2092的最大扭转范围为±45°，精度为0.01°，最大扭矩可以达到8kN·m，精度为0.02kN·m；本实施例的扭转伺服控制采用闭环伺服控制流程，可以选择的控制方式包括扭转位移控制、扭转角度控制以及扭矩控制三种，这三种控制方式各自所对应的扭转控制实测值分别是扭转液压缸位移行程、扭转角度以及扭矩。

所述扭剪三轴压力室207包括底盘、压力室、上下试样支撑块和上盖，所述上盖上设有排气孔，底盘上设有五个分别与外围压液压缸、内围压液压缸、孔压液压缸和进出水口相连的接头孔，其中与孔压液压缸有上孔压孔和下孔压孔两个接头孔，五个接头孔处分别设置有阀门和相应的压力传感器，用于控制扭剪三轴压力室207外围压、内围压和孔压以及测量上孔压和下孔压；扭剪三轴压力室207的压力室分为内压力室和外压力室，所述内围压液压缸和外围压液压缸中的水通过管道分别与内压力室和外压力室连接，如图5所示。

所述竖向加载液压缸204安装于上横梁2052上方，包括轴向伺服阀、蓄能器、滤油器、轴向液压缸和位移传感器，轴向液压缸活塞杆连接有轴向加载杆20521，所述轴向加载杆 20521的端部延伸至扭剪三轴压力室207，轴向伺服阀用于控制轴向液压缸活塞杆将轴力通过轴向加载杆20521传递到试样上，并且上横梁2052下方的轴向加载杆20521圆周外侧对称设置有防扭转装置202，使得使轴力加载系统等只能进行竖向直线运动，不会出现水平方向的偏移和扭转，竖向加载液压缸204的轴向直线运动与扭矩加载系统2092的扭转运动互不干涉。

在竖向加载液压缸204带动活塞上下运动的过程中，轴向加载杆20521在扭剪三轴压力室207内的长度不断变化，从而使得扭剪三轴压力室207内的有效体积也在随着不断变化。因此，为了保证在试验过程中所测得的体变准确，在上横梁2052上设置有轴向串联水缸203，所述轴向串联水缸203的活塞与轴向加载杆20521固定连接，轴向串联水缸203的内径和轴向加载杆20521的直径均为110mm，并且轴向串联水缸203通过管道与扭剪三轴压力室207 连通，这就使得轴向串联水缸203与扭剪三轴压力室207中的有效体积之和始终保持不变，从而保证能正确地测出试验过程中试样的体变。

所述轴向液压缸的活塞杆上安装有压扭传感器206，并且压扭传感器206与轴向加载杆 20521连接，通过压扭传感器206检测试样所受的轴向压力及扭力，动态压扭传感器为压 300kN，扭8kN.m。压扭传感器安装在压力室外面是考虑传感器的防水密封问题，压力室围压为2MPa。

外压、内压、孔压加载系统201独立于四柱式高刚性主机机架205之外，分别受到内、外围压和孔压伺服阀的控制，通过内围压液压缸、外围压液压缸和孔压液压缸对试样施加水压力，三者的压力可以独立控制，互不干涉。在试验过程中，液压缸的活塞向水缸内运动则使得扭剪三轴压力室207内的围压增大，向水缸外运动则使围压减小。同时，由于内围压液压缸、外围压液压缸中的水通过管道分别与内压力室、外压力室相连接，故通过活塞的位移就能分别得到内压力室、外压力室中水的体积变化，从而得到试样的体变。

如图4所示，为了满足各种不同类型的试验需求，伺服液压系统104的设计总流量达到 300L/min，电机功率为155kW。为了保证伺服液压源和试验机的安全，伺服液压系统104采用低压-高压软启动模式，系统刚启动时，液压源压力很小，然后可以根据试验需求，缓慢手动逐渐调高至所需要的压力。系统中安装了比例溢流阀、压力传感器和变送器，可以使供油压力在0至23MPa之间连续调节，并且系统具有超温、超压自动保护功能，正常工作油温为 10-55℃，工作噪声低于80dB。

如图6所示，所述电气控制及测量系统103的5套分别对应于轴力、扭矩、内室压力、外室压力和孔压的加载系统分别通过独立的闭环伺服控制子系统控制，并且分别通过低通滤波电路、控制器和传感器之间A/D与D/A的信号转换对5组数据进行采集，并实现对试验其他系统的操控，具体的：

在计算机的控制下，5套闭环伺服控制子系统协同工作，按照预先设定好的试验路径完成试验。例如，计算机控制扭矩以角度控制的方式朝某一目标值加载，在这一过程中，实时采集扭矩值，并根据设定好的应力路径计算出当前应该达到的轴力、内外围压以及孔压值，然后将各个计算值分别发送给相应的闭环伺服控制子系统，作为其目标值进行控制并采集当前实际值，如此反复直至完成试验。本实施例在计算机中，已经预先内置了多种常用路径的试验控制程序模块，包括反压饱和模块、固结模块、常规静三轴试验模块、动三轴试验模块、应力主轴连续循环旋转试验模块、应力主轴往返旋转试验模块等。同时，还可以根据研究需要，任意加入其它应力或应变路径试验的控制程序模块。

利用该平台，既可以对圆柱试样进行普通静动三轴试验，也能对空心圆柱试样进行多种复杂应力路径或应变路径的静动力试验，例如扭剪试验、应力主轴连续或往返循环旋转试验等。特别的，还能进行除了应力主轴在三维空间内旋转以外的任意指定路径试验。另外，配合其它机械机构，该试验机还可以对立方体试样完成各种路径的真三轴试验以及平面应变试验。同时还可以通过对各个阀门的控制以及孔压伺服控制子系统，实现在试验的不同阶段对试样排水条件的控制，包括排水、不排水、部分排水或自然排水等条件。该试验平台在上述 5套闭环伺服控制中均可以选择力控和位移控等多种控制方式，同时还能根据需要在试验过程中任意平稳切换上述控制方式。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，本实用新型的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种大型智能压扭多轴土动力试验平台，包括机械加载系统(101)、水气控制系统(102)、电气控制及测量系统(103)和伺服液压系统(104)，所述伺服液压系统(104)用于提供试验动力，机械加载系统(101)包括四柱式高刚性主机机架(205)、设置于四柱式高刚性主机机架(205)上的竖向加载液压缸(204)、扭剪三轴压力室(207)和扭转加载及测量装置(209)，竖向加载液压缸(204)用于向试样施加轴力，扭剪三轴压力室(207)是承放试样的压力容器，扭转加载及测量装置(209)用于对试样施加扭转力，其特征在于：

所述机械加载系统(101)还包括独立于四柱式高刚性主机机架(205)的向试样施加水压力的外压、内压、孔压加载系统(201)，所述外压、内压、孔压加载系统(201)包括内围压液压缸、外围压液压缸和孔压液压缸，所述内围压液压缸、外围压液压缸和孔压液压缸分别与扭剪三轴压力室(207)连接，水气控制系统(102)用于控制外压、内压、孔压加载系统(201)各条管路中水气的通畅状态，电气控制及测量系统(103)包括5套分别对应于轴力、扭矩、内室压力、外室压力和孔压的加载系统。

2.根据权利要求1所述的一种大型智能压扭多轴土动力试验平台，其特征在于：所述四柱式高刚性主机机架(205)包括底座(2051)、上横梁(2052)和用于连接底座(2051)和上横梁(2052)的四根立柱(2053)，所述底座(2051)上安装有直线导轨(2054)，扭转加载及测量装置(209)和扭剪三轴压力室(207)从下往上依次设置于直线导轨(2054)上，所述扭转加载及测量装置(209)包括扭转支架(2091)、扭矩加载系统(2092)和测量系统，扭转支架(2091)设置于直线导轨(2054)上且与直线导轨(2054)之间通过导轨滑块滑动连接，扭矩加载系统(2092)和扭剪三轴压力室(207)通过扭转支架(2091)固定，扭矩加载系统(2092)包括设置于扭转支架(2091)中心的中心转轴(20922)和分别位于中心转轴(20922)两侧的水平扭转液压缸(20921)，两水平扭转液压缸(20921)的活塞杆端部分别与中心转轴(20922)铰接，中心转轴(20922)顶部穿过扭转支架(2091)与扭剪三轴压力室(207)连接。

3.根据权利要求1所述的一种大型智能压扭多轴土动力试验平台，其特征在于：所述扭剪三轴压力室(207)包括底盘、压力室、上下试样支撑块和上盖，所述上盖上设有排气孔，底盘上设有五个分别与外围压液压缸、内围压液压缸、孔压液压缸和进出水口相连的接头孔，其中与孔压液压缸有上孔压孔和下孔压孔两个接头孔，五个接头孔处分别设置有阀门和相应的压力传感器，用于控制扭剪三轴压力室(207)外围压、内围压和孔压以及测量上孔压和下孔压。

4.根据权利要求2所述的一种大型智能压扭多轴土动力试验平台，其特征在于：所述竖向加载液压缸(204)安装于上横梁(2052)上方，包括轴向伺服阀、轴向液压缸和位移传感器，轴向液压缸活塞杆连接有轴向加载杆(20521)，所述轴向加载杆(20521)的端部延伸至扭剪三轴压力室(207)，轴向伺服阀用于控制轴向液压缸活塞杆将轴力通过轴向加载杆(20521)传递到试样上，并且上横梁(2052)下方的轴向加载杆(20521)圆周外侧对称设置有防扭转装置(202)。

5.根据权利要求4所述的一种大型智能压扭多轴土动力试验平台，其特征在于：所述上横梁(2052)上设置有轴向串联水缸(203)，所述轴向串联水缸(203)的活塞与轴向加载杆(20521)固定连接，并且轴向串联水缸(203)通过管道与扭剪三轴压力室(207)连通。

6.根据权利要求4所述的一种大型智能压扭多轴土动力试验平台，其特征在于：所述轴向液压缸的活塞杆上安装有压扭传感器(206)，并且压扭传感器(206)与轴向加载杆(20521)连接，通过压扭传感器(206)检测试样所受的轴向压力及扭力。

7.根据权利要求3所述的一种大型智能压扭多轴土动力试验平台，其特征在于：所述扭剪三轴压力室(207)的压力室分为内压力室和外压力室，所述内围压液压缸和外围压液压缸中的水通过管道分别与内压力室和外压力室连接。

8.根据权利要求1所述的一种大型智能压扭多轴土动力试验平台，其特征在于：所述伺服液压系统(104)采用低压-高压软启动模式，具有超温、超压自动保护功能，正常工作油温为10-55℃，工作噪声低于80dB。

9.根据权利要求1所述的一种大型智能压扭多轴土动力试验平台，其特征在于：所述电气控制及测量系统(103)的5套分别对应于轴力、扭矩、内室压力、外室压力和孔压的加载系统分别通过独立的闭环伺服控制子系统控制，并且分别通过控制器和传感器之间A/D与D/A的信号转换对5组数据进行采集，并实现对试验其他系统的操控。

Images