专利名称：一种无外泄式气体压力/体积控制装置的制作方法
技术领域：
本发明属于机械工程测试技术领域，涉及土力学三轴试验，尤其是一种气体压力 控制与体积变化检测的装置。
背景技术：
测量土壤的强度和变形而常使用三轴试验仪，该仪器应用广泛，可用于测量多种 参数，包括剪切强度特性，固结特点和土壤渗透性。它的主要功能设备包括主应力大小的控 制，排水控制和孔隙压力的测量。而气体压力/体积控制装置是三轴实验系统的一个重要 的组成部分。一般情况下，完成一次实验的时间长达十几小时甚至数天，一方面要保持气体 压力/体积控制装置的压力稳定，另一方面要检测由于土样吸附定压气体的体积。土样的 吸附定压气体体积的检测是非常困难的。目前，国内还没有气体压力/体积控制装置的相关产品。只有国外GDS公司有成 型的产品，该产品完成气体体积变化的检测是通过在输出管路中接入专门设计的传感器来 实现的。这种传感器是GDS公司拥有的专利，测量精度不太高，价格昂贵而且不对外出售在 市场上很难买到。如果不采用检测体积变化传感器只能通过压力/体积控制装置本身容腔 的变化间接地检测土壤吸附定压气体的体积。为了保障检测结果的准确性必须保证压力/ 体积控制装置不漏气，也就是密封要好。气压管路连接部件通常处于静止状态，其泄露可忽 略不计，泄漏主要发生在装置运动部件的密封处。为了降低泄露的影响通常加大运动部件 处密封圈的厚度，这一方面给安装带来困难，另一方面摩擦非线性的影响增大，这会降低压 力的控制精度。
发明内容
本发明的目的是解决运动部件密封的问题，实现气体压力的控制和气体体积变化 的检测。该装置由主气缸子系统和保压气缸子系统两部分组成，主气缸子系统用于产生一 定的压力，保压气缸子系统起到辅助保压作用。在不增加密封圈厚度的前提下，设计了一种 新型密封结构，用一个活塞挡板与主气缸活塞形成微小型腔，并利用保压气缸子系统在型 腔内充入和主气缸压力腔内压力相等的空气，使得活塞两端的气压差很小，从理论上实现 了 “零泄露”，这样就很好地解决了运动部件气体泄漏的问题。该装置选用高精度气压传感 器和伺服电机保证了缸内气压的测控精度，用光栅尺位移传感器测量主气缸活塞位移计算 缸内气体体积的变化，从而得到土样吸附定压气体的体积。本发明采用的技术方案是一种无外泄式气体压力/体积控制装置由主气缸盖 I 3，底板4，主气缸活塞5，活塞挡板6，活塞杆7，主气缸盖II 8，轴承座11，光栅尺13，滚珠 丝杠14，连杆17，推板19，导轨20，滚珠丝杠22，保压气缸盖I 23，保压气缸活塞26，0型橡 胶密封圈27，保压气缸28，0型橡胶密封圈29，保压汽缸盖II 30，主气缸31，支撑块I 33， 支撑块II 34，减速伺服电机36，普通平键37，联轴器38，深沟球轴承41，电机座43，导轨座 44，管接头46，气压传感器47等组成。其中，保压缸的导轨20下端固定在支撑块II 34上，
3滚珠丝杠14两端的轴承座下端固定在支撑块I 33上，主气缸的减速伺服电机36下端同样 有一个支撑块II 34，由此使减速伺服电机36、导轨20、滚珠丝杠14的传动中心轴线与其对 应的气缸中心轴线重合；滚珠丝杠14的螺母一端通过内六角圆柱头螺钉连接着推板19，主 气缸活塞杆7通过螺纹连接在推板19，用螺母紧固，推板19 一侧通过连杆连接在光栅尺13 上，光栅尺13通过内六角圆柱头螺钉固定在底板4上；主气缸31两端分别固定在主气缸盖 I 3和主气缸盖II 8上，三者之间夹着0型橡胶密封圈，起到密封作用；距主气缸活塞5后 端面5mm处装有活塞挡板6，活塞挡板6上配合一个管接头，与保压缸的输出压力管连接，主 气缸活塞5和活塞挡板6与主气缸31之间采用挤压密封；保压缸28的减速伺服电机36的 电机座43通过4个六角头螺栓42和螺母45与导轨20的导轨座44连接固定；减速伺服电 机36的输出轴与滚珠丝杠14和滚珠丝杠22通过刚性联轴器38连接，轴与联轴器38之间 用普通平键37定位；滚珠丝杠22的螺母一端与保压气缸盖I 23通过4个六角头螺栓25 固定；保压气缸28固定在保压气缸盖I 23、保压汽缸盖II 30上，三者之间有0型橡胶密封 圈29密封；保压气缸28与保压气缸活塞26之间用0型橡胶密封圈27密封；主气缸31与 保压气缸28的上端都安装着气压传感器47。本发明的效果和益处是在主气缸活塞连杆端设计了一个活塞挡板，挡板的密封 要求与主气缸活塞相同。在挡板上打孔安装一个管接头，这样就在活塞与挡板之间形成了 一个微小的型腔。这个型腔起到了防止泄漏的作用，在理论上实现气体的“零泄漏”;该装置 选用的高精度气压传感器和伺服电机保证了气缸内气压的测控精度，用光栅尺位移传感器 测定主气缸活塞位移计算缸内气体体积的变化，单向加压回程误差可忽略。该装置结构灵 巧、布局合理、测量精度高，具有良好的经济性。
图1是一种无外泄式气体压力/体积控制装置俯视结构示意图。图中1螺母M8 ；2双头螺柱；3主气缸盖I ；4底板；5主气缸活塞；6活塞挡板；7 活塞杆；8主气缸盖II ；9内六角圆柱头螺钉M8 ；10内六角圆柱头螺钉M12 ；11轴承座；12内 六角圆柱头螺钉M4 ；13LIP372-270型光栅尺；14滚珠丝杠；15内六角圆柱头螺钉M4 ；16内 六角圆柱头螺钉M4 ； 17连杆；18六角头螺栓M6 ； 19推板；20导轨；21内六角圆柱头螺钉螺 钉M2 ；22滚珠丝杠；23保压气缸盖I ；24内六角圆柱头螺钉M8 ；25六角头螺栓M8 ；26保压 气缸活塞；270型橡胶密封圈；28保压气缸；290型橡胶密封圈；30保压汽缸盖II ；31主气 缸。图2是该装置正视结构示意图。图中32螺母M12 ；33支撑块I ；34支撑块II ；35内六角圆柱头螺钉MlO ；36减速 伺服电机；37普通平键；38联轴器；39螺母M4 ；40内六角圆柱头螺钉M4 ；41深沟球轴承。图3是该装置左视结构示意图。图中42六角头螺栓MlO ；43电机座；44导轨座；45螺母MlO ；46管接头；47气压 传感器。图4是主气缸活塞组件结构示意图。图中活塞组件有一微小型腔，利用保压气缸在型腔内充入和主气缸压力腔内压 力相等的空气，使得活塞两端的气压差很小，从理论上实现了 “零泄露”。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。如附图1 4所示，装配时零件用煤油清洗，晾干后配合表面涂油，各零件不加工 表面应清洗干净，除去毛边毛刺，浸涂防锈漆；装配时要保证装配表面没有划痕；装配后主 气缸31的减速伺服电机36运转时，带动滚珠丝杠14的丝杠转动，由于螺母后端连接的推 板19通过连杆17与光栅尺13连接，推板19将会直线移动，由此带动固定在挡板下侧的主 气缸活塞杆7移动，使主气缸活塞5移动，压缩主气缸31内的气体，产生压力；与此同时，保 压气缸28的减速伺服电机36也在运转，由于滚珠丝杠22固定的螺母导向作用，减速伺服 电机36可以沿导轨20滑动，推动保压气缸活塞杆向前移动，保压气缸活塞26挤压保压气 缸28内的气体，产生压力，保压气缸28的管接头46通过气压管连到主气缸31的活塞挡板 6上的管接头；在活塞5与挡板6之间形成了一个微小的型腔，这个型腔起到了保证气缸压 力稳定并防止泄漏的作用，其工作原理是当主气缸31工作加压时，保压气缸28同时也在加 压并且使保压气缸28和主气缸31内的气压相同，而挡板6上的管接头与保压气缸28的气 体输出接头相连。这样主气缸活塞5两侧的气压差非常小，再加上密封圈所起到的作用，所 以主气缸31的气体泄漏可以忽略不计。这样就保证了主气缸31内的气压值在试验过程中 的稳定性，从而保证了实验的效果。当气缸内被测气体的压力降低或升高时，气压传感器47的传感元件调理成0-5V 的信号电压，经过A/D转换由数据采集器接收，然后数据采集器把结果传送给计算机，实现 压力的采集与控制，保压气缸与主气缸的控制方法相同。直线光栅尺13与滚珠丝杠14的螺母一起直线移动，精确测量移动的距离，通过公 式变换，可以得到主气缸31内的气体体积变化。该气体压力体积控制装置在气缸密封方面设计的独特补偿结构实现了理论上的 “零泄漏”，而且摩擦阻力影响小；该装置选用的高精度气压传感器保证了缸内气压的测量 精度；用光栅尺位移传感器测定直线位移，并通过公式换算为缸内气体体积，本装置的光栅 尺位移传感器精度等级高达士0. 5 μ m，比国外产品的体积变化测量精度高。另外，该控制装 置结构简捷，操作方便，制造成本低，具有很高的经济性。
权利要求
一种无外泄式气体压力/体积控制装置，由主气缸盖Ⅰ(3)，底板(4)，主气缸活塞(5)，活塞挡板(6)，活塞杆(7)，主气缸盖Ⅱ(8)，轴承座(11)，光栅尺(13)，滚珠丝杠(14)，连杆(17)，推板(19)，导轨(20)，滚珠丝杠(22)，保压气缸盖Ⅰ(23)，保压气缸活塞(26)，O型橡胶密封圈(27)，保压气缸(28)，O型橡胶密封圈(29)，保压汽缸盖Ⅱ(30)，主气缸(31)，支撑块Ⅰ(33)，支撑块Ⅱ(34)，减速电机(36)，普通平键(37)，联轴器(38)，深沟球轴承(41)，电机座(43)，导轨座(44)，管接头(46)，气压传感器(47)组成；其特征在于保压缸的导轨(20)下端固定在支撑块Ⅱ(34)上，滚珠丝杠(14)两端的轴承座下端固定在支撑块Ⅰ(33)上，主气缸的减速电机(36)下端同样有一个支撑块Ⅱ(34)，由此使减速电机(36)、导轨(20)、滚珠丝杠(14)的传动中心轴线与其对应的气缸中心轴线重合；滚珠丝杠(14)的螺母一端通过内六角圆柱头螺钉连接着推板(19)，主气缸活塞杆(7)通过螺纹连接在推板(19)，用螺母紧固，推板(19)一侧通过连杆连接在光栅尺(13)上，光栅尺(13)通过内六角圆柱头螺钉固定在底板(4)上；主气缸(31)两端分别固定在主气缸盖Ⅰ(3)和主气缸盖Ⅱ(8)上，三者之间夹着O型橡胶密封圈，起到密封作用；距主气缸活塞(5)后端面5mm处装有活塞挡板(6)，活塞挡板(6)上配合一个管接头，与保压缸的输出压力管连接，利用保压气缸充入和气缸压力腔内相同压力的空气，主气缸活塞(5)和活塞挡板(6)与主气缸(31)之间采用挤压密封；保压缸(28)的减速电机(36)的电机座(43)通过4个六角头螺栓(42)和螺母(45)与导轨(20)的导轨座(44)连接固定；减速电机(36)的输出轴与滚珠丝杠(14)和滚珠丝杠(22)通过刚性联轴器(38)连接，轴与联轴器(38)之间用普通平键(37)定位；滚珠丝杠(22)的螺母一端与保压气缸盖Ⅰ(23)通过4个六角头螺栓(26)固定；保压气缸(28)固定在保压气缸盖Ⅰ(23)、保压汽缸盖Ⅱ(30)上，三者之间有O型橡胶密封圈(29)密封；保压气缸(28)与保压气缸活塞(26)之间用O型橡胶密封圈(27)密封；主气缸(31)与保压气缸(28)的上端都安装着气压传感器(47)。
全文摘要
一种无外泄式气体压力/体积控制装置，属于机械工程测试技术领域，涉及土力学三轴试验，尤其是一种气体压力控制与体积变化检测的装置。其特征是该装置由一对减速伺服电机、滚珠丝杠、主气缸、保压气缸、气压传感器、光栅尺、测控单元等组成。该装置用一个活塞挡板在主气缸活塞处形成微小型腔，并在型腔内充入和气缸压力腔内压力相等的空气，使得活塞两端的气压差很小，从理论上实现了“零泄露”，很好地解决了气体泄漏的问题。用光栅尺位移传感器测定主气缸活塞的直线位移，计算缸内气体体积的变化，实现土样吸附定压气体体积的检测。本发明的效果和益处是该装置实现了理论上的“零泄露”，而且结构轻巧、成本低、整体设计合理。
文档编号G01F22/02GK101915700SQ20101024210
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月29日 优先权日2010年7月29日
发明者冯忠帅, 刘阳, 桑勇, 邵龙潭 申请人:大连理工大学