專利名稱：大型多功能材料三軸靜動試驗機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種大型多功能材料三軸靜動試驗設備，屬于試驗裝置技術領域，特別適用于測量土石和混凝土材料的力學性能，還能進行單獨滲流以及滲流與應力耦合的各種材料試驗功能試驗等。
背景技術：
土木、水利工程的安全性，在一定意義上取決于工程材料的強度與變形特性。目前常應用三軸試驗設備通過特定的方法來測定材料的應力應變曲線，進一步求得材料的強度指標。對于土石材料，目前我國都是采用大型常規三軸試驗機。存在的問題主要是不能施加較大的應力比來模擬實際地震情況；同時圍壓與豎向壓力具有耦合現象，都需用軟件方法加以修正。這不但影響試驗力值精度，而且會影響加載路徑。對于混凝土材料試驗，都采用真三軸試驗機。雖然這種試驗機能考慮中間主應力對材料的影響，但不能進行試件受均勻外部壓力與內部孔隙壓力的試驗；而應用于土石材料的常規三軸試驗機由于剛度不足都不能進行混凝土靜動力試驗。到目前為止，無論國內還是國外，還都沒有同時能適應土石和混凝土材料的試驗機，更沒有獨立施加雙方向動力荷載的試驗機，進一步考慮滲流與應力耦合的大型試驗機更未見有實例。

發明內容
為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種多功能材料三軸靜動試驗機，不但能進行土石和混凝土材料試驗，具有軸向與周向獨立靜動荷載的試驗能力，而且還具有單項滲流以及滲流與應力多項耦合的各種材料試驗功能。
本發明的技術方案如下大型多功能材料三軸靜動試驗機，由主機部分、油路部分、三軸儀和相應的電液伺服控制系統組成；所述主機部分包括主機架，安裝在機架頂部的軸向激振器、三軸壓力室和設置主機底部的水平移動三軸壓力室，其特征在于所述主機部分還包括側向油水交換缸，驅動側向油水交換缸的側向液壓缸；設置在主機底部的與所述三軸壓力室內部裝載的試樣連通的滲流水缸，以及驅動所述滲流水缸的滲流液壓缸；所述串聯水缸是與活塞桿的上部串聯，下部通過側向油水交換缸與三軸壓力室水路連通，從而保持由軸向激振器驅動的活塞桿上下運動時，不引起三軸壓力室內部液體的附加壓力。
本發明所述側向油水交換缸裝有動態密封的活塞。
本發明所述油路部分包括兩個并聯油箱、兩個與并聯油箱相對應的并聯油泵。
本發明與普通試驗機相比，其顯著特點為本發明能施加較大的應力比來模擬實際地震情況，同時圍壓與豎向壓力互不影響。不同類型材料的試驗僅需更換加載頭，部件利用率高；并聯的液壓系統能有效的適應各種試驗；數據采集與控制模式自動化程度高。


圖1為本發明的多功能材料靜動三軸試驗機的示意圖。
圖2為本發明主機部分的結構示意圖。
圖3為本發明的工作原理圖。
圖4為本發明油路部分的液壓原理圖。
圖5為本發明的水氣原理圖。
具體實施例方式
本發明提供的多功能材料三軸靜動試驗機由以下幾項關鍵技術來實現1)為了適應不同材料試驗的需求，采用并聯油源的液壓系統，這可以針對試驗需要的油量隨時靈活添加；2)為了克服軸向荷載作用引起三軸壓力室壓力不穩定或圍壓荷載作用引起軸向荷載不穩定的問題，采用與三軸壓力室相連通的串聯水缸的穩壓設備，達到系統內水質量不變來保證壓力室壓力穩定；3)為了實現試樣孔隙壓力的主動控制，采用了一套獨立的電液伺服控制系統參與孔隙壓力測控，實現應力與滲流耦合。
下面結合附圖，詳細介紹本發明的主要部件及結構。
請參見圖1，本發明由主機部分1、油源部分2、三軸儀3和電液伺服控制系統4組成。如圖2和圖3所示，主機部分1包括主機架，安裝在機架頂部的軸向激振器104、側向油水交換缸102和串聯水缸103，驅動側向油水交換缸102的側向液壓缸101，設置主機底部可水平移動的三軸壓力室107，設置在主機底部的與所述三軸壓力室107內部裝載的試樣連通的滲流水缸109，以及驅動所述滲流水缸109的滲流液壓缸110；軸向激振器104的活塞桿114下方端部安裝一個負荷傳感器106，由軸向激振器104驅動的活塞桿114的上部與串聯水缸103連接，下部與所述三軸壓力室107內部裝載的試樣連接；所述串聯水缸103通過鋼管119與側向油水交換缸102水路連通，通過高壓軟管與三軸壓力室107水路連通，從而保持液體質量不變，并保持由軸向激振器104驅動的活塞桿114上下運動時，不引起三軸壓力室107內部液體的附加壓力。
機架由升降機構，底座，4根立柱，上橫梁構成足夠剛度的框架。上橫梁上裝有軸向激振器104，按常規連接方式設有軸向電液伺服閥113，蓄能器，電磁換向閥121和軸位移傳感器等裝置。側向油水交換缸102內設有動態密封與非金屬噴涂支承，具有磨擦力小，活塞桿支承長的優點，可承受較大的側向力。
側向液壓缸101設置在主機架的側面，利用側向電液伺服閥116和側位移傳感器驅動側向油水交換缸102。
三軸壓力室107是安裝試樣的壓力容器，它由加荷的活塞桿114、室筒、壓力室蓋、底盤、支架、密封圈等組成。三軸壓力室107的底盤接頭上裝有常規的側壓力傳感器，上孔壓力傳感器，下孔壓力傳感器，反壓力傳感器等量測裝置。
從上述結構中可以看出，主機部分1采用了由升降機構，底座，4根立柱，上橫梁構成的框架式結構，保證了足夠的機架剛度，這樣就可以滿足該機多種材料的試驗要求，不但能做土材料的試驗還能進行巖石和混凝土等剛性較大材料的試驗。在本發明中，采用串聯水缸的方式解決了軸向受力與圍壓耦合的問題。同樣在本發明中，增加了一套由滲流液壓缸110等組成的獨立伺服作動器，它即可單獨工作，也可與其他兩路伺服作動器(側向液壓缸101和軸向激振器104)共同工作，使得單項滲流以及滲流與應力耦合的試驗功能得以實現。
圖4為油路部分的液壓原理圖。所述油路部分2包括兩個并聯油箱、兩個與并聯油箱相對應的并聯油泵，以及受軸向電液伺服閥113、側向電液伺服閥116和滲流電液伺服閥117控制的壓力油。并聯油泵可單獨給系統供壓力油，也可同時給系統供壓力油，可以滿足為不同試驗條件提供不同流量的壓力油。兩個并聯油箱分別裝有散熱器和電接點溫度計，對系統長時間工作起到降溫和保護作用。
系統的壓力油分為三路第一路壓力油經過400升/分精密濾油器進入軸向電液伺服閥113后，再進入軸向激振器104，從而控制軸向激振器104產生軸向力。第二路壓力油經過精密濾油器進入側向電液伺服閥116后，再進入側向液壓缸101，從而控制側向液壓缸101產生側向力。側向液壓缸101活塞上連接側向油水交換缸102，推動其活塞使壓力室的水產生壓力，從而使試樣形成圍壓。第三路壓力油經過精密濾油器進入滲流電液伺服閥117后再進入滲流液壓缸110，從而控制所述滲流液壓缸110。滲流液壓缸110上串連滲流水缸109。由滲流液壓缸110活塞的力使滲流水缸109里的水產生反壓從而作用在試樣的內部產生反壓力。
所述的三條油路及相應的電液伺服閥可以依據試驗的要求既可單獨工作，也可同時工作，極大的方便了用戶使用。
圖5為水氣原理圖。三軸儀3與三軸壓力室107、側向油水交換缸102、串聯水缸103組成水氣系統，三軸儀3主要由反壓罐309、體變量罐308、空壓機315、真空泵324、脫氣水罐321、飽和真空罐320等構成。所述水氣系統具有向三軸壓力室107供水、施加與控制圍壓；對試樣進行水頭飽和抽氣飽和反壓飽和施加滲壓，以及測量圍壓、上孔壓、下孔壓與試樣體積變化等功能。
反壓罐309由封閉式水罐(容積12升)，磁致伸縮液位傳感器，管道等組成。其上部是壓縮空氣，下部的水在水閥打開時，經管道、閥與三軸壓力室107的試樣下孔相通，使試樣產生反壓。反壓罐309的上蓋上裝有測量體變的磁致伸縮液位傳感器。
體變量罐308通過閥門，管道與反壓罐309相連，它可以用來標定磁致位移傳感器的行程，進而算出試樣排出的水量。
從上述三軸儀的結構中可以看出，由于采用高精度的磁致位移傳感器裝入加工非常精密的體變量罐內，根據磁致位移傳感器測出的排水高度與體變量罐的面積就可求得體積變化值且能夠保證測量精度。
而空氣減壓閥能把來自空壓機315的壓力氣體調到預定壓力。由于真空泵324的采用，可以對試樣內部抽真空，以便使乳膠模與模筒緊密貼合，試樣挺立和浸飽和水。以上結構使得試樣的制備、抽真空以及浸脫氣水變得容易。
本發明的電液伺服控制系統4主要包括計算機，16位PCIA/D和D/A轉換板，以及電液伺服控制柜。所述的計算機與通過16位PCI A/D和D/A轉換板及串行口與電液伺服控制柜相連。所述的電液伺服控制系統4實現三路伺服閉環控制，一路是軸向控制通過電液伺服控制柜與軸向電液伺服閥113相連；第二路是側向控制通過電液伺服控制柜與側向電液伺服閥116相連；第三路是滲流控制通過電液伺服控制柜與滲流電液伺服閥117相連。
權利要求
1.大型多功能材料三軸靜動試驗機，由主機部分(1)、油路部分(2)、三軸儀(3)和相應的電液伺服控制系統(4)組成；所述主機部分(1)包括主機架，安裝在機架頂部的軸向激振器(104)、三軸壓力室(107)和設置主機底部的水平移動三軸壓力室(107)，其特征在于所述主機部分(1)還包括側向油水交換缸(102)，驅動側向油水交換缸(102)的側向液壓缸(101)；設置在主機底部的與所述三軸壓力室(107)內部裝載的試樣連通的滲流水缸(109)，以及驅動所述滲流水缸(109)的滲流液壓缸(110)；所述串聯水缸(103)是與活塞桿(114)的上部串聯，下部通過側向油水交換缸(102)與三軸壓力室(107)水路連通，從而保持由軸向激振器(104)驅動的活塞桿(114)上下運動時，不引起三軸壓力室(107)內部液體的附加壓力。
2.根據權利要求1所述的材料三軸靜動試驗機，其特征在于所述側向油水交換缸(102)裝有動態密封的活塞。
3.根據權利要求1所述的材料三軸靜動試驗機，其特征在于所述油路部分(2)包括兩個并聯油箱、兩個與并聯油箱相對應的并聯油泵。
全文摘要
大型多功能材料三軸靜動試驗機，屬于試驗裝置技術領域。為了提供一種能夠適用于測量土石和混凝土材料的力學性能，還能進行單獨滲流以及滲流與應力耦合的各種材料試驗的三軸靜動試驗機，本發明公開的三軸靜動試驗機的特征在于，其主機部分包括側向油水交換缸和串聯水缸，驅動側向油水交換缸的側向液壓缸，設置在主機底部的與所述三軸壓力室內部裝載的試樣連通的滲流水缸，以及驅動所述滲流水缸的滲流液壓缸；所述串聯水缸通過側向油水交換缸與三軸壓力室水路連通，由軸向激振器驅動的活塞桿的上部與串聯水缸連接，下部與所述三軸壓力室內部裝載的試樣連接。本發明的試驗機剛度大，測量控制精度高，功能多，非常適宜材料科學研究與工程檢測。
文檔編號G01N3/00GK1641350SQ200510011130
公開日2005年7月20日 申請日期2005年1月7日 優先權日2005年1月7日
發明者劉天云, 張建民, 賈喜群, 李慶斌, 肖雪紅, 張丙印, 張建衛, 金峰, 師錄英, 王恩志 申請人:清華大學, 天水紅山試驗機有限公司