专利名称：电液伺服压扭耦合三向振动加载三轴仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种岩土工程的机电设备，特别涉及一种用于岩土动力学性质测试的装置。
背景技术：
目前现有的岩土动力学性质测试设备主要有动单剪仪、常规振动三轴仪、共振柱仪、振动扭剪三轴仪。其中振动扭剪三轴仪已经由单一施加环向循环扭转剪切应力发展为同时施加轴向循环正应力、环向循环扭转剪应力和侧向静压应力的三向振动加载装置。它能够模拟较为复杂的应力条件，可以对圆筒状岩土试样施加环向扭转静剪应力、轴向静正应力、内、外腔静水压力，以及扭转循环剪应力和轴向循环正应力。其轴向静动正应力由电液伺服驱动器通过轴向加载主轴往返运动作用于圆筒状试样的端部；静动扭转剪切应力由电液伺服驱动器通过齿条往返运动带动与轴向正应力加载主轴同轴的齿轮旋转运动作用于圆筒状试样的端部；内、外腔侧向压应力由气压作用于液压系统并将压力传递于圆筒状试样的内外壁。如《大连理工大学学报》第43卷第5期(2003年9月)由栾茂田等人发表的论文“土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪研发及应用”公开了一种振动扭剪三轴仪，该试验装置主要由主机系统、液压伺服加载系统、气水转换系统和计算机控制系统组成。该装置的传力机构系统存在两大缺点，一是在扭转机构中的轴向与水平面扭转同时往返运动时，由于齿条没有轴向运动，而齿轮因与轴向加载主轴同轴有轴向运动，所以齿条与齿轮之间存在轴向相对的位移运动，造成两向运动互相影响；在扭转及垂直往返变化的瞬间，齿条与齿轮间的间隙将显著影响循环作用荷载的波形，如产生波形抖动；二是其内、外腔侧向加载机构采用气压源，由于气体压缩体积变化大，一方面压力水平低，在动态过程中不易实现自动控制，另一方面，由于内、外腔侧向压力保持不变，难以实现静动应力耦合变化。此外，该装置需要一套复杂的气液转换系统，徒然增加了设备的制造成本。
发明内容
本发明的目的是改进现有振动扭剪三轴仪运动机构间相互影响以及内、外腔侧向加载机构的缺陷，提供一种使模拟静动应力载荷波形光滑、制造成本低、测试条件更加符合工程实际的岩土动力学性质测试设备。
为达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的一种电液伺服压扭耦合三向振动加载三轴仪，包括主机、由管道与主机上三个方向的加载电液伺服阀连通的液压源、与主机上三个方向的传感器量测信号输入连接及加载电液伺服阀电信号输出连接的自动控制系统三个部分。所述主机包括置于机架横板上部的压力室、置于底座箱上方的轴压机构、与轴压机构同轴连接的扭转机构、置于压力室和扭转机构之间的压扭连接机构、置于底座箱内的平衡缸和置于底座箱外侧的侧压机构。所述的轴压机构包括主轴、与主轴同轴连接的轴压驱动器和设置于轴压驱动器上端且与主轴同轴连接的轴压传感器，所述的轴压驱动器内、外分别设置有驱动活塞和轴压电液伺服阀，所述的驱动活塞与主轴相连。
按照上述技术方案的电液伺服压扭耦合三向振动加载三轴仪，所述的扭转机构包括穿于主轴并固定于机架横板下的轴套、与轴套固接的齿轮、设置在水平传力轴上且与齿轮齿接的齿条、与传力轴同轴并固定于机架横板下的扭转驱动器和设置在扭转驱动器与齿条之间传力轴上的扭转传感器，所述的扭转驱动器上设置有扭转电液伺服阀；上述扭转机构中的齿轮由上齿轮与下齿轮构成，下齿轮由短销钉通过蝶形弹簧和固定座固定于上齿轮上。
所述的压扭连接机构包括与轴套连接的并设有对称开槽的扭转筒、与主轴由平面轴承连接的并延伸入压扭连接箱上端的试样底座，该试样底座相对于扭转筒对称开槽的位置设置有对称悬臂并套接有竖向滚动轴承。
所述的平衡缸包括缸体和设置在缸体内并与轴压机构下端主轴连接的平衡活塞，平衡缸与压力室通过设置在缸体上的连接管和压扭连接机构箱顶外侧的三通管由管道连通；所述的侧压机构包括一个设有活塞的侧压缸和与其同一传力轴上的侧压驱动器，该侧压驱动器上设有侧压伺服阀，所述侧压缸上的连接管与压扭连接机构箱顶外侧的三通管由管道连通；所述的平衡缸、侧压机构与压力室由管道连通组成液压自平衡机构。
本发明的自动控制系统包括与传感器组测量输出端信号连接的电气控制柜、与电气控制柜输出端信号连接的电液伺服机构、与电气控制柜进行数据交换的工业控制计算机、给工业控制计算机、电液伺服阀、电气控制柜提供电力的电源以及给电液伺服阀提供传力的液压源。其中传感器组包括压力、位移、变形和孔压传感器；电气控制柜包括信号放大器和模数与数模转换器；电液伺服机构包括轴压电液伺服阀、扭转电液伺服阀和侧压电液伺服阀及其各自的驱动器。该系统通过传感器组测量信号的输出以及三向加载驱动器对圆筒状试样的传力输入，由电气控制柜的信号放大器将量测信号放大，经计算机数据处理，通过模数与数模转换器可自动控制三向电液伺服驱动器实现施加轴向静动应力、扭剪静动应力和内外腔侧向静动应力。液压源主要包括电动马达、高压油源箱、稳压自动开关、循环油源、循环冷却系统等，它通过耐压输油管道与主机上的各电液伺服阀连接，将液压传递到相应的驱动器上。
本发明与现有的振动扭剪三轴仪相比，其有益效果体现在；1.由于扭转机构设计了与主轴同轴的轴套结构，因此轴套上的齿轮不会与主轴产生轴向位移运动，所以齿条与齿轮之间也就没有沿轴向的相对位移，这样就明显改善了轴向与扭转运动的相互干扰。
2.上述扭转机构中，由于齿轮设计为上齿轮和下齿轮组合构成，下齿轮由短销钉通过蝶形弹簧固定于上齿轮上，该结构可以使齿轮、齿条往返运动时两者之间消除间隙，提高了载荷波形的光滑程度。
3.在所设计的压扭连接机构中，试样底座与主轴通过平面轴承的连接以及通过其对称悬臂上的竖向滚动轴承在扭转筒对称开槽内的组合结构，可以使试样底座在传递轴向运动的同时，又不影响环向旋转运动，从而使得压扭运动完美耦合，并可分别独立施加轴向、扭转向静动荷载，既避免两者之间的相互影响，又可以相互协调，配合独立的内外腔侧向加载及液压自平衡机构，使得圆筒状试样受荷状态更加符合实际应力条件。
此外，本发明不但提高了作用于试样的应力水平，而且由于设计了液压自平衡机构，还省却了一套复杂的气液转换系统，设备制造成本显著降低。
图1是本发明的主机结构示意图。
图2是图1中的扭转机构竖向剖面示意图。
图3是图1中的扭转机构水平向剖面示意图。
图4是图1中的压扭连接机构示意图。
图5是图1中的压力室与平衡缸结构示意图。
图6是图1中的侧压机构剖面示意图。
图7是本发明的自动控制系统原理框图。
图8是圆筒状试样受荷示意图。
图9是圆筒状试样微单元受荷状态图。
具体实施例方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述
如图1所示，主机包括设置于机架横板5上部的压力室1、置于压力室1旁边并固定在机架横板5上的提升臂15及其上端的提升机构14、置于底座箱24上方的轴压机构8、与轴压机构8同轴连接的扭转机构4、置于压力室1和扭转机构4之间的压扭连接机构2、置于底座箱24内的平衡缸10和置于底座箱24外侧的侧压机构11；所述的轴压机构8包括主轴19、与主轴同轴连接的轴压驱动器20和设置于轴压驱动器20上端与主轴19同轴连接的轴压传感器18，轴压驱动器20中设置有驱动活塞21，该驱动活塞21的上、下两端与主轴19相连，所述的轴压驱动器20上还设置有轴压电液伺服阀22。轴压机构8是由轴压电液伺服阀22控制的轴压驱动器20实现轴向运动的，它通过主轴19将轴向运动传递到压扭连接机构2；轴向运动可以由轴压传感器18、固定于主机立柱7上的轴向位移传感器9及轴向变形传感器58的量测信号输出反馈至自动控制系统，经自动控制系统判断、分析后再输入轴压电液伺服阀22控制轴向运动量。
如图2、图3所示，扭转机构4包括穿于主轴19并由平面轴承16固定于机架横板5下的轴套3、与轴套3固接的齿轮75、设置在水平传力轴61上且与齿轮75齿接的齿条73、与传力轴61同轴并固定于机架横板5下的扭转驱动器60和设置在扭转驱动器60与齿条73之间传力轴61上的扭压传感器64，所述的扭转驱动器60上设置有扭转电液伺服阀62。
扭转机构4是由扭转电液伺服阀62控制的扭转驱动器60的传力轴61驱动齿条73带动齿轮75旋转运动，它通过轴套3及与其连接的扭转筒53传递到压扭连接机构2。采用上述构造，齿轮75与齿条73之间没有沿轴向的相对位移运动。齿轮75由上齿轮65与下齿轮66构成，下齿轮66由短销钉67通过蝶形弹簧70、固定座71和72固定于上齿轮65上，该结构可以使齿轮75、齿条73往返运动时两者之间消除间隙。齿轮75旋转量由转角传感器6量测，齿条73往返运动的位移由扭转位移传感器74量测。扭转运动由转角传感器6和扭转位移传感器74的量测信号输出反馈至自动控制系统，经自动控制系统判断、分析后再输入扭转电液伺服阀62控制扭转运动量。
如图4所示，压扭连接机构2包括与轴套3连接的并设有对称开槽56的扭转筒53、与主轴19由平面轴承55连接的并延伸入压扭连接箱41上端的试样底座35，该试样底座35相对于扭转筒53对称开槽56的位置设置有对称悬臂51并套接有竖向滚动轴承52。在上述结构中，轴向运动由轴压机构8驱动，环向扭转运动由扭转机构4驱动；传递轴向运动的主轴19及与其套接的轴套3和传递环向扭转运动的扭转筒53可以满足主轴19与轴套3之间沿轴向的相对运动，试样底座35与其以下主轴19通过平面轴承55的连接可以使试样底座35作扭转运动；试样底座35通过其对称悬臂51上套接的竖向滚动轴承52在扭转筒53的对称开槽56内可以作轴向运动，该结构在传递轴向运动的同时，不会影响环向旋转运动。
如图5、图6所示，压力室1中的立柱32固定于压扭连接机构箱顶45上，顶盖31固定于立柱32顶端，圆筒状试样34设置在顶盖31与试样底座35之间；圆筒状试样34与顶盖31、底座35连接构成内腔47，圆筒状试样34与压力室容器33构成外腔48，内，外腔47、48由设置于顶盖31和试样底座35的孔道76、77连通；试样底座35延伸进入压扭连接机构箱顶45，通过密封圈36与压力室容器33隔离，试样底座35还设有对称细管40与孔压传感器54连接。侧压传感器38设置于压扭连接机构箱顶45外一侧，并与外腔48中的导入管46和三通管39连通。
平衡缸10包括缸体42、设置在缸体42内并与轴压机构8下端主轴19连接的平衡活塞43，平衡缸10与压力室1通过设置在缸体42上的连接管44和设置在压扭连接机构箱顶45外侧的三通管39由管道连通，侧压机构11包括一个设有活塞28的侧压缸27和与其同一传力轴30上的侧压驱动器13，该侧压驱动器13上设有侧压伺服阀12，所述侧压缸27上的连接管29与设置在压扭连接机构箱顶45外侧的三通管39由管道连通。
所述的平衡缸10、侧压机构11与压力室1由管道连通组成液压自平衡机构。当压力室容器33的内、外腔47、48经排气孔78排气并充满液体时，侧压驱动器推动侧压缸27内活塞28产生的液压通过连接管29及三通管39传递到压力室容器33；对圆筒状试样34施加内外腔压力，同时，压力室容器33内液体的压力可以由液压传感器38量测输出反馈信号至自动控制系统，经自动控制系统判断、分析再输入到侧压电液伺服阀12控制侧压的变化。
当轴向往返运动进入或退出压力室容器33时，均有体积变化，这就要求试样底座35进入压力室容器33时，必须排出压力室容器33内的液体，其体积应等于主轴19推动试样底座35进入压力室容器33占有的空间；试样底座35退出压力室容器33时，必须补充其内的液体，其体积应等于主轴19带动试样底座35退出压力室容器33释放的空间。由此，在主轴19最下端连接平衡缸10内的平衡活塞43，使其隔离的缸体42下部充满液体，并通过连接管44和三通管39由耐压管道使缸体42下部与压力室容器33连通。当主轴19推动试样底座35进入压力室容器33时，平衡缸10内平衡活塞43向上运动，其缸体42下部的容积增大，压力室容器33内液体流入缸体42内，进入压力室容器33的试样底座35占据流出液体的空间；当主轴19带动试样底座35退出压力室容器33时，平衡缸10内平衡活塞43随之向下运动，缸体42下部的容积减小，缸体42内液体流入压力室容器33，并占据试样底座35退出压力室容器33释放的空间。由此，当主轴上下往返运动时，可实现压力室容器33内液体压力的稳定。
如图7所示，本发明的自动控制系统包括与各传感器组测量输出端信号连接的电气控制柜81、与电气控制柜81控制输出端信号连接的电液伺服机构、与电气控制柜81进行数据交换的工业控制计算机85、给工业控制计算机85、电液伺服阀62、22和12、电气控制柜81提供电力的电源86以及给电液伺服阀62、22和12提供传力的液压源87。其中传感器组包括轴压传感器18、扭压传感器64、侧压传感器38、轴向位移传感器9、轴向变形传感器58、扭转位移传感器74、转角传感器6和孔压传感器54；电气控制柜81包括信号放大器82和模数与数模转换器83、84；其信号放大器对应于八个传感器的量测信号共设有八个；电液伺服机构包括扭转电液伺服阀62、轴压电液伺服阀22和侧压电液伺服阀12及其各自的驱动器60、20和13。液压源87由管道连接于三套电液伺服阀的进油嘴23、26、63上。
该自动控制系统通过传感器组测量信号的采集，由电气控制柜81的信号放大器82将量测信号放大，一路作为闭环控制的输出信号，该信号与原输入控制信号进行比较，其差值即为误差信号；此误差信号经过信号放大器82放大后用来驱动电液伺服阀12、22和62完成系统的闭环控制；另一路经过模数转换器83将模拟信号转变为数字信号进入工业控制计算机85，进行数据分析、处理。工业控制计算机85对数据处理后，再通过数模转换器84将数字信号转变为输出模拟信号即可自动控制轴向、侧向、环向三套电液伺服机构，实现施加、调整轴向静动应力、扭剪静动应力和内外腔侧向静动应力。各套电液伺服机构既可独立控制，又可相互协调控制。
如图8、图9所示，图中示出了圆筒状试样34和在其上取一个微小单元体的沿轴向、环向和内外腔侧向均可施加静动应力，并可确定三向主应力不同且变化的受荷应力状态。
本发明的电液伺服压扭耦合三向振动加载三轴仪，其基本工作原理是根据试验要求，对圆筒状试样34施加的荷载，即轴向压应力、环向扭转剪应力和内外腔侧向压应力分别由轴压机构8、扭转机构4和侧压机构11上的传感器与电液伺服阀闭环控制。其中，轴压传感器18、轴向位移传感器9、轴向变形传感器58的量测信号经自动控制系统反馈于轴压电液伺服阀22闭环控制轴压机构8；扭压传感器64、转角传感器6和扭转位移传感器74的量测信号经自动控制系统反馈于扭转电液伺服阀62可闭环控制扭转机构4；侧压传感器38的量测信号经自动控制系统反馈于侧压电液伺服阀12可闭环控制侧压机构11。当各电液伺服阀接受到控制信号后，通过开启、关闭各自驱动器内传力轴上活塞两侧液压油路，从而在活塞两侧作用不同的液压，实现出力加载。本发明不但可以在圆筒状试样34的轴向、环向和内外腔侧向施加静荷载，而且可以施加往返变化的动荷载。
权利要求
1.一种电液伺服压扭耦合三向振动加载三轴仪，包括主机、由管道与主机上三个方向的加载电液伺服阀连通的液压源、与主机上三个方向传感器量测信号输入连接及加载电液伺服阀电信号输出连接的自动控制系统三部分；所述主机包括置于机架横板(5)上部的压力室(1)、置于底座箱(24)上方的轴压机构(8)；所述的轴压机构(8)包括主轴(19)、与主轴同轴连接的轴压驱动器(20)和设置于轴压驱动器(20)上部且与主轴(19)同轴连接的轴压传感器(18)，所述的轴压驱动器(20)内、外分别设置有驱动活塞(21)和轴压电液伺服阀(22)，所述的驱动活塞(21)与主轴(19)相连；其特征是，所述主机还包括与轴压机构(8)同轴连接的扭转机构(4)、置于压力室(1)和扭转机构(4)之间的压扭连接机构(2)、置于底座箱(24)内的平衡缸(10)和置于底座箱(24)外侧的侧压机构(11)；该平衡缸(10)、侧压机构(11)与压力室(1)由管道连通组成液压自平衡机构。
2.根据权利要求1所述的电液伺服压扭耦合三向振动加载三轴仪，其特征是，所述的扭转机构(4)包括穿于主轴(19)并固定于机架横板(5)下的轴套(3)、与轴套(3)固接的齿轮(75)、设置在水平传力轴(61)上且与齿轮(75)齿接的齿条(73)、与传力轴(61)同轴并固定于机架横板(5)下的扭转驱动器(60)和设置在扭转驱动器(60)与齿条(73)之间传力轴(61)上的扭压传感器(64)，所述的扭转驱动器(60)上设置有扭转电液伺服阀(62)。
3.根据权利要求1或2所述的电液伺服压扭耦合三向振动加载三轴仪，其特征是，所述的压扭连接机构(2)包括与轴套(3)连接的并设有对称开槽(56)的扭转筒(53)、与主轴(19)由平面轴承(55)连接的并延伸入压扭连接箱(41)上端的试样底座(35)，该试样底座(35)相对于扭转筒(53)对称开槽(56)的位置设置有对称悬臂(51)并套接有竖向滚动轴承(52)。
4.根据权利要求1所述的电液伺服压扭耦合三向振动加载三轴仪，其特征是，所述的平衡缸(10)包括缸体(42)、设置在缸体(42)内并与轴压机构(8)的主轴(19)下端连接的平衡活塞(43)，平衡缸(10)与压力室(1)通过设置在缸体(42)上的连接管(44)和设置在压扭连接机构箱顶45外侧的三通管(39)由管道连通。
5.根据权利要求1或4所述的电液伺服压扭耦合三向振动加载三轴仪，其特征是，所述的侧压机构(11)包括一个设有活塞(28)的侧压缸(27)和与其同一传力轴(30)上的侧压驱动器(13)，该侧压驱动器(13)上设有侧压伺服阀(12)，所述侧压缸(28)上的连接管(29)与压扭连接机构箱顶(45)外侧的三通管(39)由管道连通。
6.根据权利要求2所述的电液伺服压扭耦合三向振动加载三轴仪，其特征是，所述扭转机构(4)中的齿轮(75)由上齿轮(65)与下齿轮(66)构成，下齿轮(66)由短销钉(67)通过蝶形弹簧(70)和固定座(71)、(72)固定于上齿轮(65)上。
全文摘要
本发明公开了一种电液伺服压扭耦合三向振动加载三轴仪，包括主机、由管道与主机上三个方向的加载电液伺服阀连通的液压源、与主机上三个方向传感器量测信号输入连接及加载电液伺服阀电信号输出连接的自动控制系统三部分；所述主机包括置于机架横板(5)上部的压力室(1)、置于底座箱(24)上方的轴压机构(8)；与轴压机构(8)同轴连接的扭转机构(4)、置于压力室(1)和扭转机构(4)之间的压扭连接机构(2)、置于底座箱(24)内的平衡缸(10)和置于底座箱(24)外侧的侧压机构(11)；该平衡缸(10)、侧压机构(11)与压力室(1)由管道连通组成液压自平衡机构。本发明的电液伺服压扭耦合三向振动加载三轴仪改进了现有振动扭剪三轴仪轴压机构与扭转机构间的运动相互影响以及内、外腔侧向加载机构的缺陷，具有使模拟静动应力载荷波形光滑、测试条件更加符合工程实际、制造成本低的优点。
文档编号G01N3/00GK1776402SQ20051009637
公开日2006年5月24日 申请日期2005年11月17日 优先权日2005年11月17日
发明者邵生俊, 谢定义, 陈存礼, 刘奉银, 邓国华 申请人:西安理工大学