CN102507336B

CN102507336B - 可旋转供电供液岩土三轴试验机

Info

Publication number: CN102507336B
Application number: CN 201110358209
Authority: CN
Inventors: 周明连; 何忠良; 刘庭伟; 武璐; 郑博; 邓磊
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: CN102507336A

Abstract

一种可旋转供电供液岩土三轴试验机，属于实验装置技术领域，供液固定轴上部外圆柱面上钻孔，并装多个供液接头，供液固定轴下部安装在主轴的中心孔中，压力液体通过在供液固定轴中的内部钻孔和凹槽相通，并和主轴上的内部钻孔相对应，通入旋转的主轴中，凹槽两侧都用密封圈实现供液固定轴和主轴孔之间的密封；在固定的上顶板和旋转的主轴中部圆盘之间通过导电圆环和用弹簧压在其上的电气触头实现旋转供电，该实验设备结构简单，紧凑，操作方便。

Description

可旋转供电供液岩土三轴试验机

技术领域

本发明涉及一种岩土试验机设备，属于实验装置技术领域，特别涉及一种利用CT扫描技术对岩土的力学性能及变形过程进行测试、扫描的岩土试验机。

背景技术

岩土试验机是岩土力学研究中常规实验设备之一。岩土试验是测定岩土的抗压强度、应力应变关系的一种试验。常规的岩土试验机，岩土试样在试验过程中是静态的，如专利文献CN2924518Y公开了一种全方位扫描岩土CT三轴仪，其各处供电供液的接头、管道固连在试验机上不发生转动或移动，属于静态的供电供液。但在特殊情况下，需要岩土试样在试验过程中做旋转运动，例如在用工业CT扫描机对岩土试样的内部构造在受力时变化情况进行动态扫描时，就需要实现对试验机的旋转供电供液。

发明内容

本发明旨在解决的技术问题是岩土试验机中岩土试样的旋转供电供液问题。

本发明的技术方案如下：

一种可旋转供电供液岩土三轴试验机，包括电机与减速箱，大齿轮，小齿轮轴，主轴，推力调心滚子轴承，电控箱，侧板，筒内上柱塞，岩土试样，筒内下柱塞，筒下底座，下顶板，底座，液压缸，立柱，试样筒，垫片，上顶板，滚珠轴承，主轴端挡板，上端盖，外接管道，管道接头，供液固定轴，销轴座，销子，压板，绝缘圆环，导电圆环，电气触头，弹簧，密封圈，定位销；底座为内部空心的方台，在空腔中心安装液压缸，四根立柱固接在底座四角的四个立柱孔内，下顶板活动套接在四根立柱上，可以沿着立柱在竖直方向滑动，上顶板与四根立柱固定套接；在上顶板的上平面安装了上端盖和电机与减速箱，电机与减速箱驱动小齿轮轴，小齿轮轴驱动固定套装在主轴上部轴上的大齿轮；主轴用推力调心滚子轴承和滚珠轴承支撑；下顶板的上表面中心设置轴承座圆孔，和推力调心滚子轴承相同的另一轴承安装在轴承座中；筒下底座的下端短轴装在该推力调心滚子轴承的内圈中；筒下底座上表面中心设有方形定位槽，和试样筒的下端的方形法兰的边长相配合；岩土试样加工成圆柱状，上下两端分别放置垫片，下部置于筒内下柱塞上。在主轴中间的圆盘下表面两侧对称通过螺钉安装侧板，侧板内表面与试样筒上端方形法兰的两个相对侧面平齐。主轴的上端面开有中心孔，供液固定轴安装在该孔中，其中部凸缘和上端盖用螺栓固连；供液固定轴上端外圆柱面上不同高度处分别钻有盲孔a和b，在a和b孔口处设置螺纹，并都安装上管道接头，管道接头上安装外接管道。在供液固定轴的下表面沿轴向分别钻有盲孔c和e，使c和b相连通，e与a相连通；在供液固定轴下端外圆柱面上开有两个圆环凹槽m和o，在凹槽m中钻有孔d，使d与c连通，在凹槽o中钻有孔f，使f与e连通，用堵头将轴向孔c、e下端封死；在环形凹槽m和o的两侧都开有密封槽，密封槽内装有相同密封圈，密封圈和主轴上的中心孔相配合；

在主轴的外圆柱面上，轴向位置与供液固定轴上凹槽o相对应的位置钻通孔p；在与凹槽m相对应的位置钻通孔n。在主轴下端面钻有两个细长孔g和h，其中孔g与孔n相连通，孔h与孔p相连通，再用堵头将孔n和p的孔口封死；

在筒内上柱塞上表面与主轴下表面细长孔对应位置钻有两个孔i和q，其中孔q为通孔，孔i为盲孔，在筒内上柱塞外圆柱面上钻有小孔j与孔i相通，再用堵头将小孔j孔口封死，筒内上柱塞的下表面开有孔k与孔j连通；在筒内上柱塞上端面细长孔i和q处分别开有和孔同心的凹槽，在凹槽内放有相同的密封圈，并在主轴下表面和筒内上柱塞上表面都开有定位销孔，由定位销对主轴与筒内上柱塞进行圆周方向定位，保证了孔g、i、j、k相通，孔h和q相通，并且在主轴和筒内上柱塞的配合面密封；

在上顶板的下表面安装有大直径导电滑环，导电滑环由绝缘圆环和导电圆环组成，导电圆环压紧在绝缘圆环上，再通过螺钉固连在上顶板上，导电圆环与外部电源相连；销轴座通过螺钉固定在主轴中部圆盘的上表面，压板的一端通过销子连接在销轴座中，压板另一端通过螺钉固定和电气触头连接，在压板中部对应的主轴中部圆盘的上表面位置设置盲孔，在孔中安装弹簧，弹簧顶在压板上，使电气触头压紧在导电圆环上。

当底部液压缸对岩土试样进行轴向加载时，下顶板沿立柱向上移动，轴向推力由下顶板、上顶板上安装的一对推力调心滚子轴承承担，并通过主轴、筒内上柱塞、垫片、筒内下柱塞、筒下底座传递给岩土试样，从而实现对岩土试样的轴向加载；当电机与减速箱转动，带动小齿轮轴旋转，小齿轮轴驱动大齿轮旋转，从而带动主轴旋转，由于供液固定轴与上端盖固连，主轴相对供液固定轴旋转；液压油经外接管道，输入到供液固定轴的孔b中，液压油经过孔b、c、d到达凹槽m，主轴相对供液固定轴旋转时，液压油经凹槽m流入主轴的孔n，再经过孔g流入筒内上柱塞的盲孔i中，经孔j，最后由孔k流出为岩土试样提供围压；供液固定轴上的孔a可根据实验要求输入水、溶液或气体，以输入水为例，水由外接管道输入到供液固定轴的孔a，经孔a、e、f流入凹槽o，主轴相对供液固定轴旋转时，水经凹槽o流入主轴的孔p，再经过孔h流入筒内上柱塞的通孔q中，经岩土试样上方的垫片上的多个通孔渗入岩土试样，提供所需实验环境；在液压缸轴向力的作用下，岩土试样结构发生变化，水渗透过岩土试样，再经过岩土试样下方的垫片上的小孔，流入筒内下柱塞，筒内下柱塞开有轴向通孔s，水可经孔s流入筒下底座的排水孔u、t中，排到岩土试验机外部。从而实现岩土试样的旋转供液或供气。

主轴旋转时大直径导电滑环的绝缘圆环和导电圆环固定不动，导电圆环与外部电源连接，而电气触头随着主轴一起旋转，并在弹簧的作用在压紧在导电圆环上，导线通过通孔r连接电气触头与电控箱内的电器元件；从而实现旋转供电。

本发明的有益效果：这种岩土试验机能够在给岩土试样施加轴向压力，径向液体压力时，岩土试样可以旋转，从而便于工业CT对岩土试样的扫描，以便研究岩土内部的变化。

附图说明

图1可旋转供电供液岩土三轴试验机正面剖视图

图2图1中II局部放大图

图3图1中III局部放大图

图4图1中I局部放大图

图5垫片正面剖视图

图6垫片的俯视图

图中：电机与减速箱1，大齿轮2，小齿轮轴3，主轴4，推力调心滚子轴承5，电控箱6，侧板7，筒内上柱塞8，岩土试样9，筒内下柱塞10，筒下底座11，下顶板12，底座13，液压缸14，立柱15，试样筒16，垫片17，上顶板18，滚珠轴承19，主轴端挡板20，上端盖21，外接管道22，管道接头23，供液固定轴24，销轴座25，销子26，压板27，绝缘圆环28，导电圆环29，电气触头30，弹簧31，大密封圈100，定位销200，小密封圈300。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构及工作原理。

一种可旋转供电供液岩土三轴试验机，包括电机与减速箱1，大齿轮2，小齿轮轴3，主轴4，推力调心滚子轴承5，电控箱6，侧板7，筒内上柱塞8，岩土试样9，筒内下柱塞10，筒下底座11，下顶板12，底座13，液压缸14，立柱15，试样筒16，垫片17，上顶板18，滚珠轴承19，主轴端挡板20，上端盖21，外接管道22，管道接头23，供液固定轴24，销轴座25，销子26，压板27，绝缘圆环28，导电圆环29，电气触头30，弹簧31，大密封圈100，定位销200，小密封圈300。

如图1所示，底座13为内部空心的方台，在空腔中心安装液压缸14，四根立柱15固接在底座13四角的四个立柱孔内，下顶板12活动套接在四根立柱15上，可以沿着立柱15在竖直方向滑动，上顶板18与四根立柱15固定套接。在上顶板18的上平面安装了上端盖21和电机与减速箱1，电机与减速箱1驱动小齿轮轴3，小齿轮轴3驱动固定套装在主轴4上部轴上的大齿轮2；主轴4用推力调心滚子轴承5和滚珠轴承19支撑。

下顶板12的上表面中心设置轴承座圆孔，第二推力调心滚子轴承安装在轴承座中；筒下底座11的下端短轴装在该第二推力调心滚子轴承的内圈中；筒下底座11上表面中心设有方形定位槽，和试样筒16下端的方形法兰的边长相配合；

岩土试样9加工成圆柱状，上下两端分别放置垫片17，下部置于筒内下柱塞10上，上部顶在筒内上柱塞8的下表面上。在主轴4中间的圆盘下表面两侧对称通过螺钉安装侧板7，侧板7内表面与试样筒16上端方形法兰的两个相对侧面平齐。

如图2、图3所示，主轴4的上端面开有中心孔，供液固定轴24采用间隙配合安装在该孔中，供液固定轴24中部凸缘和上端盖21用螺栓固连，这样主轴4和供液固定轴24可以相对转动。供液固定轴24上端外圆柱面上不同高度分别钻有2个盲孔a和b，在两个孔口处设置螺纹，都安装上管道接头23，管道接头23上安装外接管道22。孔a的深度大，孔b的深度小；在供液固定轴24的下表面沿轴向钻有2个盲孔c和e，使c和b相连通，e与a相连通。在供液固定轴24下端外圆柱面上开有2个圆环凹槽m和o，在凹槽m中钻有孔d，使d与c连通，在凹槽o中钻有孔f，使f与e连通，用堵头将轴向孔c、e下端封死，这样实现了孔a、e、f相通，孔b、c、d相通。在环形凹槽m和o的两侧都开有密封槽，密封槽内装有相同的大密封圈100，大密封圈100和主轴4上的中心孔相配合。

在主轴4的外圆柱面上，轴向位置与供液固定轴24上凹槽o相对应的位置钻通孔p；在与凹槽m相对应的位置钻通孔n。在主轴4下端面沿轴向钻有2个细长孔g和h，其中孔g与孔n相连通，孔h与孔p相连通，再用堵头将孔n和p的孔口封死；

如图2、图3所示，在筒内上柱塞8上表面与主轴4下表面细长孔对应位置钻有2个孔i和q，其中孔q为通孔，孔i为盲孔，在筒内上柱塞8外圆柱面上钻有小孔j与孔i相通，再用堵头将小孔j孔口封死，筒内上柱塞8的下表面开有孔k与孔j连通。

在筒内上柱塞8上端面细长孔i和q处分别开有同心的凹槽，在凹槽内放有相同的小密封圈300，并在主轴4下表面和筒内上柱塞8上表面开有定位销孔，工作时由定位销200对主轴4与筒内上柱塞8进行圆周方向定位，这样保证了孔g、i、j、k相通，孔h和q相通，并且在主轴4和筒内上柱塞8的配合面密封。

如图5、图6所示，垫片17为薄圆盘结构，其上表面开有环形凹槽，凹槽内开有多个通孔，本实施例中为12个通孔；在上表面中心开有圆形凹槽，凹槽中心开有通孔，且环形凹槽与中心的圆形凹槽通过多个横向槽连通，本实施例中为均布3个横向槽。

如图1、图4所示，在上顶板18的下表面安装有大直径导电滑环，导电滑环由绝缘圆环28和导电圆环29组成，导电圆环29压紧在绝缘圆环28上，再通过螺钉固连在上顶板18上，导电圆环29可与外部电源相连；销轴座25通过螺钉固定在主轴4中部圆盘的上表面，压板27的一端通过销子26连接在销轴座25中，压板27另一端通过螺钉固定和电气触头30连接，在压板27中部对应的主轴4中部圆盘的上表面位置设置盲孔，在孔中安装弹簧31，弹簧31顶在压板27上，这样使电气触头30压紧在导电圆环29上；如图1所示，在阶梯轴主轴4下端细轴圆周外表面安装有弧形电控箱6，导线可通过主轴4中部圆盘上的通孔r连接电气触头30和电控箱6内部电器元件。这样实现了主轴4旋转时，外电源通过导电圆环29和电气触头30和电控箱6内部电器元件相连通。

如图1中所示，在筒内下柱塞10中心位置开有通孔s，在筒下底座11的方形定位槽中心位置开有盲孔u，在筒下底座11圆周外表面开有孔t与孔u连通。

本实施例的具体工作原理，叙述如下：

当底部液压缸14对岩土试样9进行轴向加载时，下顶板12沿立柱15向上移动，轴向推力由下顶板12、上顶板18上安装的一对推力调心滚子轴承5承担，并通过主轴4、筒内上柱塞8、垫片17、筒内下柱塞10、筒下底座11传递给岩土试样9，从而实现对岩土试样9的轴向加载；当电机与减速箱1转动，带动小齿轮轴3旋转，小齿轮轴3驱动大齿轮2旋转，从而带动主轴4旋转，主轴4上的侧板7驱动试样筒16旋转，试样筒16带动筒下底座11做旋转运动，实现岩土试样9的旋转；由于供液固定轴24与上端盖21固连，主轴4相对供液固定轴24旋转；液压油经外接管道22，输入到供液固定轴24的孔b中，液压油经过孔b、c、d到达凹槽m，主轴4相对供液固定轴24旋转时，液压油经凹槽m流入主轴4的孔n，再经过孔g流入筒内上柱塞8的盲孔i中，经孔j，最后由孔k流出为岩土试样9提供围压；供液固定轴24上的孔a可根据实验要求输入水、溶液或气体，以输入水为例，水由外接管道输入到供液固定轴24的孔a，经孔a、e、f流入凹槽o，主轴4相对供液固定轴24旋转时，水经凹槽o流入主轴4的孔p，再经过孔h流入筒内上柱塞8的通孔q中，经垫片17上的多个通孔渗入岩土试样9，提供所需实验环境；在液压缸14轴向力的作用下，岩土试样9结构发生变化，水渗透过岩土试样9，再经过垫片17相同结构的垫片上的小孔，流入筒内下柱塞10，筒内下柱塞10开有轴向通孔s，水可经孔s流入筒下底座11的排水孔u、t中，排到岩土试验机外部，从而实现岩土试样9的旋转供液或供气。

如图1、图4所示，主轴4旋转时大直径导电滑环的绝缘圆环28和导电圆环29固定不动，导电圆环29与外部电源连接，而电气触头30随着主轴4一起旋转，并在弹簧31的作用在压紧在导电圆环29上，导线通过通孔r连接电气触头30与电控箱6内的电器元件；从而实现旋转供电。

Claims

1.一种可旋转供电供液岩土三轴试验机，包括电机与减速箱（1），大齿轮（2），小齿轮轴（3），主轴（4），推力调心滚子轴承（5），电控箱（6），侧板（7），筒内上柱塞（8），岩土试样（9），筒内下柱塞（10），筒下底座（11），下顶板（12），底座（13），液压缸（14），立柱（15），试样筒（16），垫片（17），上顶板（18），滚珠轴承（19），主轴端挡板（20），上端盖（21），外接管道（22），管道接头（23），供液固定轴（24），销轴座（25），销子（26），压板（27），绝缘圆环（28），导电圆环（29），电气触头（30），弹簧（31），大密封圈（100），定位销（200），小密封圈（300）；底座（13）为内部空心的方台，在空腔中心安装液压缸（14），四根立柱（15）固接在底座（13）四角的四个立柱孔内，下顶板（12）活动套接在四根立柱（15）上，可以沿着立柱（15）在竖直方向滑动，上顶板（18）与四根立柱（15）固定套接；在上顶板（18）的上平面安装了上端盖（21）和电机与减速箱（1），电机与减速箱（1）驱动小齿轮轴（3），小齿轮轴（3）驱动固定套装在主轴（4）上部轴上的大齿轮（2）；主轴（4）用推力调心滚子轴承（5）和滚珠轴承（19）支撑；下顶板（12）的上表面中心设置轴承座圆孔，第二推力调心滚子轴承安装在轴承座中；筒下底座（11）的下端短轴装在该第二推力调心滚子轴承的内圈中；筒下底座（11）上表面中心设有方形定位槽，和试样筒（16）下端的方形法兰的边长相配合；岩土试样（9）加工成圆柱状，上下两端分别放置垫片（17），下部置于筒内下柱塞（10）上；筒内下柱塞（10）与试样筒（16）内壁之间通过密封圈密封，筒内上柱塞（8）与试样筒（16）上端孔之间通过密封圈密封；在主轴（4）中间的圆盘下表面两侧对称通过螺钉安装侧板(7)，侧板（7）内表面与试样筒（16）上端方形法兰的两个相对侧面平齐；

其特征在于：主轴（4）的上端面开有中心孔，供液固定轴（24）安装在该孔中，其中部凸缘和上端盖（21）用螺栓固连；供液固定轴（24）上端外圆柱面上不同高度处分别钻有盲孔a和盲孔b，在盲孔a和盲孔b孔口处设置螺纹，并都安装上管道接头（23），管道接头（23）上安装外接管道（22）；在供液固定轴（24）的下表面沿轴向分别钻有盲孔c和盲孔e，使盲孔c和盲孔b相连通，盲孔e与盲孔a相连通；在供液固定轴（24）下端外圆柱面上开有两个圆环凹槽m和o，在凹槽m中钻有孔d，使孔d与盲孔c连通，在凹槽o中钻有孔f，使孔f与盲孔e连通，用堵头将轴向盲孔c和盲孔e下端封死；在圆环凹槽m和凹槽o的两侧都开有密封槽，密封槽内装有相同的大密封圈（100），大密封圈（100）和主轴（4）上的中心孔相配合；

在主轴（4）的外圆柱面上，轴向位置与供液固定轴（24）上凹槽o相对应的位置钻通孔p；在与凹槽m相对应的位置钻通孔n，在主轴（4）下表面沿轴向钻有两个细长孔g和h，其中孔g与孔n相连通，孔h与孔p相连通，再用堵头将孔n和孔p的孔口封死；

在筒内上柱塞（8）上表面与主轴（4）下表面细长孔对应位置钻有两个孔i和q，在筒内上柱塞（8）外圆柱面上钻有小孔j与孔i相通，再用堵头将小孔j孔口封死，筒内上柱塞（8）的下表面开有孔k与孔j连通；在筒内上柱塞（8）上表面细长孔i和孔q处分别开有和孔同心的凹槽，在凹槽内放有相同的小密封圈（300），并在主轴（4）下表面和筒内上柱塞（8）上表面都开有定位销孔，由定位销（200）对主轴（4）与筒内上柱塞（8）进行圆周方向定位，保证了孔g、孔i、孔j、孔k相通，孔h和孔q相通，并且在主轴（4）和筒内上柱塞（8）的配合面密封；

在上顶板（18）的下表面安装有大直径导电滑环，导电滑环由绝缘圆环（28）和导电圆环（29）组成，导电圆环（29）压紧在绝缘圆环（28）上，再通过螺钉固连在上顶板（18）上，导电圆环（29）与外部电源相连；销轴座（25）通过螺钉固定在主轴（4）中部圆盘的上表面，压板（27）的一端通过销子（26）连接在销轴座（25）中，压板（27）另一端通过螺钉固定和电气触头（30）连接，在压板（27）中部对应的主轴（4）中部圆盘的上表面位置设置盲孔，在孔中安装弹簧（31），弹簧（31）顶在压板（27）上，使电气触头（30）压紧在导电圆环（29）上。