CN103134721B - 一种由电动缸伺服驱动的动三轴试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由电动缸伺服驱动的动三轴试验机，包括压力室底座向上与压力室顶盖连接，压力室顶盖与压力室底座之间通过侧壁筒体围成压力腔；在压力腔内腔的内钢柱上安装有侧向量测机构；压力室底座安装有伺服电动缸，伺服电动缸的下端设置有竖向位移传感器，伺服电动缸上端通过丝杆与试样底座连接，在试样底座上设置有橡皮膜，试样底座的试样排水管中安装有孔隙水压力传感器，压力腔的气源通道中安装有围压传感器；橡皮膜上端面设置有试样帽；试样帽向上与竖向传力轴连接，轴向传力杆上安装有轴向压力传感器。本发明的装置，解决了现有技术中存在占地面积大，噪音高，污染大，精度不够高的问题。

Description

一种由电动缸伺服驱动的动三轴试验机

技术领域

本发明属于岩土工程测试设备技术领域，涉及一种由电动缸伺服驱动的动三轴试验机。

背景技术

土工建筑物及其地基，除了承受静荷载作用外，有时还会受到动荷载的作用，如地震引起的地震荷载、车辆及机器振动引起的振动荷载、***引起的爆震荷载等。相对地说，静荷载及其在土体中引起的静应力的大小及作用方向是不随作用的时间而变化的，动荷载及其在土体中引起的动应力的大小作用方向则是随作用的时间而变化的。这种变化有的属于随机波，如地震引起的地震应力；有的则类似于正弦波，如往复式机器引起的振动；有的则为瞬时作用的脉冲型震动，如爆震在土体中引起的应力。

人们在评估动荷载作用下土工建筑物及其地基的稳定性和变形时，需掌握和了解有关土料的动力工程性质，诸如土的动强度特性，液化特性和动应力应变特性等。为了尽可能正确地了解各种土料的这些性质，除了在现场进行某些原位测试外，还需在室内进行各种动力试验，诸如动三轴试验等。动三轴试验按激振方式分为电磁式、机械惯性式、气动式和液压电液伺服式、以及电动缸伺服驱动式。

电磁式振动三轴仪是用电磁激振器施加动应力，静侧压和静轴压都是用水压或者气压施加，其代表产品为中国科学院武汉岩土力学研究所和北京市新技术应用研究所研制的DSZ-100型电磁式动三轴仪以及1981年试制成的DSZ-500型动三轴仪。

机械惯性式振动三轴试验机是在偏心轮式振动台土固定一个可加围压的三轴室，砝码作轴向静压，振动时此质量产生的惯性力一起加在试样的顶部，代表产品为中国水利电科学研究院于1958年研制的65型惯性力式动三轴仪。

主动式振动三轴试验及原理是通过阀门将恒定气压转换为循环变化的气压，此波动气压推动气动活塞产生振动力，代表产品为中国地震局工程力学研究所研制的气动循环三轴试验机。

现有的电液伺服式动三轴试验机的围压采用水、气***施加，竖向静压力采用油压或气压施加，竖向动压力采用油压伺服***施加，均存在占地面积大，噪音高，污染大，精度不够高的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种由电动缸伺服驱动的动三轴试验机，解决了现有技术中存在占地面积大，噪音高，污染大，精度不够高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种由电动缸伺服驱动的动三轴试验机，包括主体及控制部分，所述的主体结构是，

包括压力室底座，压力室底座向上通过四个支撑杆与压力室顶盖固定连接，压力室顶盖上端面固定连接有主体支架，压力室顶盖与压力室底座之间通过侧壁筒体围成压力腔；在压力腔内腔的压力室顶盖与压力室底座之间另外连接有两对内钢柱，每对内钢柱之间水平安装有一套侧向量测机构的安装座；

压力室底座轴心纵向安装有伺服电动缸，伺服电动缸的下端设置有竖向位移传感器，竖向位移传感器通过安装柱与压力室底座下端面连接，伺服电动缸的上端通过丝杆与试样底座连接，在试样底座上表面设置有橡皮膜，橡皮膜中用于放置试样，在橡皮膜与试样底座之间还设置有透水板，透水板和试样底座共同设置有试样排水管，试样排水管中安装有孔隙水压力传感器及排水阀门，压力腔通过气源通道与压力表联通，气源通道中安装有围压传感器；

橡皮膜的上端面设置有试样帽，橡皮膜与试样帽之间还设置有上排气板，上排气板与试样帽共同设置有排气通道；试样帽向上与竖向传力轴连接，轴向传力杆上安装有轴向压力传感器，竖向传力轴向上与主体支架连接。

本发明的有益效果是：

1）本发明电动缸伺服驱动式动三轴试验机围压采用气压施加，竖向静压力与竖向动压力采用电动缸伺服***施加，电动缸将伺服电机旋转运动，通过丝杆转换成直线运动，可施加不同频率的往复动荷载，具有良好的操作性能，为土动力学方面的研究提供了一种好的方法和手段。

2）应用电动缸伺服驱动具有占地面积小，噪音低，精度高等特点，特别是在内钢柱上分别安装二组侧向变形量测装置，当试样在剪切过程中可以实现对试样侧向变形的实时精准测量。本发明设计合理，使用操作简便，智能化程度高且性能可靠。

3）本发明的装置能够很好的实现土动力学方面的各种实验研究，包括土的动应力-动应变实验、土的动强度试验、砂土液化试验、黄土震陷试验等，实验结果稳定可靠，实验结果对比性强。

附图说明

图1是本发明由电动缸伺服驱动的动三轴试验机的整体结构示意图；

图2是本发明装置中的侧向量测机构的安装结构示意图；

图3是本发明装置中的试样侧向变形量测机构的结构示意图；

图4是本发明装置中的试样侧向变形量测机构的结构正面示意图；

图5是本发明装置中的试样侧向变形量测机构的结构仰视示意图；

图6是本发明伺服电动缸结构示意图；

图7是本发明伺服电动缸结构截面示意图；

图8是本发明装置中的控制部分的连接框图。

图中，1、压力室底座；2、压力室顶盖；3、侧壁筒体；4、试样；5、试样帽；6、气源通道；7、压力腔；8、伺服电动缸；9、丝杆；10、安装柱；11、竖向位移传感器；12、内钢柱；13、安装座；14、排气通道；15、试样排水管；16、试样底座；17、透水板；18、孔隙水压力传感器；19、围压传感器；20、竖向传力轴；21、拉压传感器；22、压力表；23、排水阀门；24、主体支架；25、上排气板；26、橡皮膜；27、“L”型连杆；28、触变式传感器；29、销钉；30、螺钉；31、信号线；32、缸体；33、伺服电源接头接口；34、行星式滚珠环；35、信号调理器；36、A/D转换器；37、单片机；38、计算机；39、键盘；40、位移传感器。

具体实施方式

本发明是一种由电动缸伺服驱动的动三轴试验机，其结构是，包括主体及控制部分。其中主体又包括围压加载部分、孔隙水压力部分，是对试样施加荷载的核心；围压加载部分通过气源对试样施加周围压力，竖向静荷载与竖向动荷载通过伺服电动缸的往复运动对试样进行加载；孔隙水压力部分连通试样底座排水管的压力传感器量测。控制部分与主体部分统一协调工作，共同实现本发明装置的检测目的。

参照图1，本发明装置的结构是，在移动推车的台面上固定安装有压力室底座1，压力室底座1向上通过四个支撑杆与压力室顶盖2固定连接，压力室顶盖2上端面固定连接有主体支架24，压力室顶盖2与压力室底座1之间通过侧壁筒体3围成压力腔7；在压力腔7内腔的压力室顶盖2与压力室底座1之间另外连接有两对内钢柱12，每对内钢柱12之间水平安装有一套侧向量测机构的安装座13；

压力室底座1轴心纵向安装有伺服电动缸8，伺服电动缸8的下端设置有竖向位移传感器11，竖向位移传感器11通过安装柱10与压力室底座1下端面连接，伺服电动缸8的上端通过丝杆9（优选滚柱丝杆）与试样底座16连接，在试样底座16上表面设置有橡皮膜26，橡皮膜26中用于放置试样4，在橡皮膜26与试样底座16之间还设置有透水板17，透水板17和试样底座16共同设置有试样排水管15，试样排水管15中安装有孔隙水压力传感器18及排水阀门23，压力腔7通过气源通道6与压力表22联通，气源通道6中安装有围压传感器19；

橡皮膜26的上端面设置有试样帽5，橡皮膜26与试样帽5之间还设置有上排气板25，上排气板25与试样帽5共同设置有排气通道14；试样帽5向上与竖向传力轴20连接，轴向传力杆20上安装有轴向压力传感器21，竖向传力轴20向上与主体支架24连接。

本发明装置进行试验时，开始前先关闭排气通道14，通过气源通道6向压力腔7中施加周围压力，然后，启动伺服电动缸8中的丝杆9向上轴向运动，轴向力通过轴向传力杆20将力均匀施加到试样帽5上，从而通过试样帽5将轴向压力均匀的施加到试样4的轴向上，对试样4进行均压或偏压固结。

参照图2、图3、图4、图5，本发明装置中的侧向量测机构的结构是，二组安装座13水平安装在压力腔7内的二根内钢柱12上，在每组安装座13正面开有通槽，通槽口通过便于拆卸的螺钉30安装有触变式传感器28，安装座13通过销钉29与“L”型连杆27连接，“L”型连杆27并以销钉29为转动轴心，能够旋转，“L”型连杆27的一端头用于接触试样4，另一端头伸过通槽后与触变式传感器28的触点对应，触变式传感器28通过信号线31与控制部分连接。

在试验开始前的装样过程中务必使“L”型连杆27的两头分别紧密接触试样4和触变式传感器28触点，这样在试验中便可以精确地测量试样4固结与往复运动中的侧向变形。

如图6、图7，本发明装置中的伺服电动缸的结构是，包括在伺服电动缸8的缸体32外安装有电源接头33，在缸体32内部设置有伺服电机，伺服电机输出轴通过行星式滚珠环34与丝杆9同轴套接，伺服电动缸8上设置有自己的位移传感器40，伺服电机的旋转运动通过丝杆9转换成直线运动，同时将伺服电机最佳优点（即精确转速控制，精确转数控制，精确扭矩控制）转变成精确速度控制、精确位置控制、精确推力的控制，实现丝杆9的高精度直线运动。在试验过程中，丝杆9带动试样底座16上下作直线运动，在试样4固结或往复运动中提供精确的竖向荷载。

如图8，本发明装置中的控制部分的结构是，孔隙水压力传感器18、轴向位移传感器11、轴向压力传感器21、触变式传感器28、围压传感器19同时与信号调理器35的输入端连接，信号调理器35的输出端通过A/D转换器36与单片机37连接，单片机37与伺服电动缸8连接，伺服电动缸8通过位移传感器40与信号调理器35反馈连接，从而实现闭环式自动控制与调节；单片机37另外与计算机38和键盘39同时连接，实现自动化控制及手动操作。

本发明装置的工作原理是，所述圆柱体试样4位于压力室中心轴线位置的试样帽5和压力室底座1之间；气源接口6可向压力腔7中施加气压，即对试样4施加固结围压，围压传感器19能够精确测量试样4周围压力的大小，在气源接口6处引出一精密压力表22，能够直观地了解围压的数值；伺服电动缸8带动丝杆9沿竖直方向对试样4施加轴向荷载，采用闭环控制可保证按要求施加荷载，轴向荷载由竖向传力轴20上的轴向压力传感器21量测；竖向位移传感器11固定于轴向无变形的安装柱10上，当轴向加荷时试样4的变形可实现直接量测；内钢柱12分别安装二组侧向变形量侧装置13,当试样4发生侧向变形时可实现直接量测；排气通道14供实验结束时排放气压力用；试样排水管15用于在固结或剪切过程中将试样4中的空隙水通过试样底座16上的透水板17排出；空隙水压力传感器18用于在试验过程中关闭排水阀门23时，对空隙水压力的实时量测。

试样4位于上排气板25与下排水板17之间，被上、下两端开口的橡皮膜26包裹。

本发明的由电动缸伺服驱动的动三轴试验机，通过对试样施加模拟的动主应力，测试试样在承受动荷载作用时的动态反应。最主要的是动应力与相应的动应变的关系、动应力与相应的孔隙水压力的变化关系。根据应力、应变和孔隙水压力这三种指标的相对关系，推求出土的各项动弹性参数包括动弹性模量、动剪切模量、动强度、粘弹性参数阻尼比以及土样在模拟某种实际振动的动应力作用下所产生的性状如饱和砂土的振动液化、湿陷性黄土的震陷。采用特制的侧向应变量测装置对试样在试验过程中的侧向应变进行量测，克服了现有的动三轴试验中不能对试样的侧向应变进行量测或量测不准的技术难题；实现了电动缸伺服驱动，具有精度高，噪音低，占用空间小等特点；试样周围压力采用气压施加，与以往的水压施加相比具有对仪器污染小的特点。

Claims (2)

1.一种由电动缸伺服驱动的动三轴试验机，其特征在于：包括主体及控制部分，所述的主体结构是，

包括压力室底座(1)，压力室底座(1)向上通过四个支撑杆与压力室顶盖(2)固定连接，压力室顶盖(2)上端面固定连接有主体支架(24)，压力室顶盖(2)与压力室底座(1)之间通过侧壁筒体(3)围成压力腔(7)；在压力腔(7)内腔的压力室顶盖(2)与压力室底座(1)之间另外连接有两对内钢柱(12)，每对内钢柱(12)之间水平安装有一套侧向量测机构的安装座(13)；

压力室底座(1)轴心纵向安装有伺服电动缸(8)，伺服电动缸(8)的下端设置有竖向位移传感器(11)，竖向位移传感器(11)通过安装柱(10)与压力室底座(1)下端面连接，伺服电动缸(8)的上端通过丝杆(9)与试样底座(16)连接，在试样底座(16)上表面设置有橡皮膜(26)，橡皮膜(26)中用于放置试样(4)，在橡皮膜(26)与试样底座(16)之间还设置有透水板(17)，透水板(17)和试样底座(16)共同设置有试样排水管(15)，试样排水管(15)中安装有孔隙水压力传感器(18)及排水阀门(23)，压力腔(7)通过气源通道(6)与压力表(22)联通，气源通道(6)中安装有围压传感器(19)；

橡皮膜(26)的上端面设置有试样帽(5)，橡皮膜(26)与试样帽(5)之间还设置有上排气板(25)，上排气板(25)与试样帽(5)共同设置有排气通道(14)；试样帽(5)向上与竖向传力轴(20)连接，竖向传力轴(20)上安装有轴向压力传感器(21)，竖向传力轴(20)向上与主体支架(24)连接；

所述的侧向量测机构的结构是，二组安装座(13)水平安装在压力腔(7)内的内钢柱(12)上，在每组安装座(13)正面开有通槽，通槽口通过螺钉(30)安装有触变式传感器(28)，安装座(13)通过销钉(29)与“L”型连杆(27)连接，“L”型连杆(27)并以销钉(29)为转动轴心，“L”型连杆(27)的一端头用于接触试样(4)，另一端头伸过通槽后与触变式传感器(28)的触点对应，触变式传感器(28)与控制部分连接；

所述的橡皮膜(26)的上、下两端设置有开口；

所述的伺服电动缸(8)的连接结构是，包括在伺服电动缸(8)的缸体(32)外安装有电源接头(33)，在缸体(32)内部设置有伺服电机，伺服电机输出轴通过行星式滚珠环(34)与丝杆(9)同轴套接，伺服电动缸(8)上设置有自己的位移传感器(40)。

2.根据权利要求1所述的由电动缸伺服驱动的动三轴试验机，其特征在于：所述的控制部分的结构是，孔隙水压力传感器(18)、竖向位移传感器(11)、轴向压力传感器(21)、触变式传感器(28)、围压传感器(19)同时与信号调理器(35)的输入端连接，信号调理器(35)的输出端通过A/D转换器(36)与单片机(37)连接，单片机(37)与伺服电动缸(8)连接，伺服电动缸(8)通过位移传感器(40)与信号调理器(35)反馈连接；单片机(37)另外与计算机(38)和键盘(39)同时连接。