专利名称：一种轴向滚动限位板的平面应变三轴仪的制作方法
技术领域：
本发明属于岩土工程测试设备技术领域，用于平面应变应力条件下土力学性质测试的装置，涉及一种轴向滚动限位板的平面应变三轴仪。
背景技术：
目前，平面应变三轴仪、真三轴仪在很大程度上实现复杂应力状态土力学性质的测试，真三轴仪虽然能够实现三个轴向分别施加不同大小的主应力，三轴轴向产生应变，能够模拟土体中一般的应力条件，但制样和测试相对繁琐，加之实际工程中许多土工问题都可近似简化为平面应变应力条件，如土石坝、路堤、挡土墙及条形基础等，故平面应变试验装置的研制对土力学性质的研究具有重要的意义。真三轴仪可实现复杂应力路径下土力学特性的研究，而平面应变是一种特殊的真三轴应力状态。基于已有平面应变理论研究，急需在现有的真三轴仪的基础上进行创新及改进，使其真实准确的反映平面应变应力条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种轴向滚动限位板的平面应变三轴仪，解决了现有技术中不能够准确的反映平面应变应力条件的问题。本发明所采用的技术方案是，一种轴向滚动限位板的平面应变三轴仪，包括主机部分、加载量测机构、采集控制机构，所述的主机部分的结构是，包括固定于底座上的轴向调节活塞，轴向调节活塞上端连接有轴向液压缸，轴向液压缸的轴向活塞上方固定连接有压力室底座；所述的压力室底座、压力室侧壁及顶盖共同围成压力室，所述的压力室内腔中心用于放置试样，围绕试样的四个侧面分别设置有一个压力腔；在压力室内腔中，沿小主应力方向的两个压力腔中分别设置有一个液压囊，每个液压囊的管路上设置有一个阀门，每个液压囊对外与加载量测机构中的压力源连通；压力室内腔沿中主应力方向的两个压力腔中分别设置有一套滑动约束机构。本发明的有益效果是:能够完成大、小主应力独立加载和量测，中主应力方向平面应变控制和应力大小自动量测的试样平面应变监测；实现了平面应变应力状态的模拟，克服了现有真三轴仪实现平面应变应力状态的缺陷，能测定土在真三轴平面应变试验条件下强度和变形特性的相关参数；试验结果稳定可靠，不同土性试验结果对比性强；设计合理、使用操作简便、智能化程度高且性能可靠。
图1是本发明轴向滚动限位板的平面应变三轴仪的结构示意图；图2是本发明装置中的压力室结构俯视
图3是本发明装置中的压力室结构侧视图4是本发明装置中的试样在平面应变应力路径下的受荷状态示意图。图中，1.底座，2.粗调手柄，3.水压传感器，4.微调手柄，5.调节转换开关，6.轴向调节活塞，7.轴向液压缸，8.轴向活塞，9.压力腔，10.阀门，11.试样，12.轴向位移传感器，13.孔压传感器，14.轴向力传感器，15.压力室，16.体变管，17.压力室侧壁，18.上排水阀，19.上排水通道,20.上透水板多孔板,21.上透水板,22.乳胶膜,23.下透水板，
24.下透水板多孔板，25.下排水通道，26.试样帽，27.顶盖，28.下排水阀，29.液压囊，30.嵌入式压力传感器，31.外刚性板，32.内刚性板，33.滚珠，34.固定连杆，35.固定连杆螺母，36.定向连杆，37.定向连杆螺母，38.压力室底座。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。本发明的轴向滚动限位板的平面应变三轴仪，包括主机部分、加载量测机构、采集控制机构三部分。其中的主机部分主要包括压力室和试样承载装置构成，是实现对立方体试样进行应力施加以及排 水条件控制的核心。加载量测机构主要实现大、小两个主应力方向应力加载、变形控制和量测，以及中主应力方向应力量测和应变为零的控制，具体实施主要包括:轴向大主应力由一组步进电机驱动丝杆推进液压缸的活塞产生液压的体变控制加载器实现加载，轴向荷载由轴向力传感器量测，轴向位移由轴向位移传感器量测；水平方向小主应力由一组步进电机驱动丝杆推进液压缸的活塞产生液压的体变控制加载器实现加载，水平小主应力方向压缩应力由液压缸上安装的液压传感器量测，水平小主应力方向变形由位移传感器量测；水平方向中主应力是通过安装有嵌入式压力传感器的外刚性板提供实施应变为零控制，应力大小由嵌入式压力传感器直接量测。采集控制机构主要包括液压载荷控制以及通过下位机PCB板配合上位机程序，自动实施量测信号的采集和处理。如图1所示，主机部分的结构是，包括固定于底座I上的轴向调节活塞6，轴向调节活塞6设置有粗调手柄2和微调手柄4，粗调手柄2和微调手柄4之间设置有调节转换开关5，用于实现两个手柄的转换协调，控制轴向调节活塞6来实现轴向高低位置的调节；轴向调节活塞6上端连接有轴向液压缸7，轴向液压缸7的轴向活塞8上方固定连接有压力室底座38 ；压力室底座38、压力室侧壁17及顶盖27共同围成压力室15，压力室15内腔中心放置立方体形状的试样11，围绕试样11的四个侧面分别设置有一个压力腔9 ;顶盖27轴心开孔设置有试样帽26,试样帽26通过传力杆向上与轴向力传感器14连接,轴向力传感器14设置在反力架横杆上；传力杆侧向支撑杆上设置有轴向位移传感器12,轴向位移传感器12的触头与顶盖27的上表面接触。如图2所示，在压力室15内腔中，沿小主应力方向的两个压力腔9中分别设置有一个液压囊29 (总共两个)，每个液压囊29的管路上设置有一个阀门10，每个液压囊29对外与加载量测机构中的压力源连通；压力室15内腔沿中主应力方向的两个压力腔9中分别设置有一套滑动约束机构(总共两套)，每套滑动约束机构的结构是，紧靠试样设置有一个内刚性板32，内刚性板32之外设置有一个外刚性板31，内刚性板32与外刚性板31之间设置有多组滚珠33，利用滚动方式实现内、外刚性板相互错位移动；压力室侧壁17向里固定设置有固定连杆34和定向连杆36，固定连杆34的外端通过固定连杆螺母35固定，固定连杆34的内端与外刚性板31之间设置有嵌入式压力传感器30 ;定向连杆36的外端通过定向连杆螺母37固定,定向连杆36的内端与外刚性板31固定连接。立方体试样受到内刚性板32限位的平面应变约束和液压囊29限位的正交侧向加载。其中的嵌入式压力传感器30，用以测量试验时试样中主应力方向的应力值。另外一组对称放置的柔性液压囊29，充液后可实施小主应力的等压施加，由侧向的伺服步进电机驱动压力缸活塞产生液压源，压力缸活塞的位移(小主应力方向)通过位移传感器量测，压力缸活塞的加载压力(小主应力方向)通过液压传感器量测。如图3所示，试样帽26的下端面凹槽中设置有上透水板21，上透水板21的下表面镶嵌有上透水板多孔板20，上透水板21和试样帽26开有相通的上排水通道19，上排水通道19设置有上排水阀18，上排水通道19管路中设置有孔压传感器13 ;压力室底座38的上端面凹槽中设置有下透水板23，下透水板23的上表面镶嵌有下透水板多孔板24，下透水板23和压力室底座38开有相通的下排水通道25，下排水通道25设置有下排水阀28，下排水通道25管路中设置有水压传感器3，上排水通道19和下排水通道25均与体变管16连通；压力室内部四个角设置为直角形状，有利于保证包裹试样11的乳胶模22的正常使用。上述的水压传感器3、孔压传感器13、轴向位移传感器12、轴向力传感器14、嵌入式压力传感器30、液压传感器和位移传感器均与采集控制机构连接，采集控制机构与加载量测机构闭环控制连接，各个量测信号经过采集控制机构，经过闭环式调节最终由计算机输出，并通过加载量测机构中的加载(包括一个侧向步进电机和一个轴向步进电机驱动器，分别控制相应的侧向步进电机执行机构和轴向步进电机执行机构动作，实现控制程序发出指令推动步进电机执行机构液压缸体积变化)，进而对试样实施轴向和侧向的加载。本发明装置中的试样安装方法是，I)试验前， 逆时针旋转固定连杆螺母35 (松开)，固定连杆34带动外刚性板31和内刚性板32 —起向外运动，以此保证压力腔9有足够空间方便安装试样11。待试样11装好后，顺时针旋转固定连杆螺母35，固定连杆34带动外刚性板31和内刚性板32 —起向里运动，直至内刚性板32与试样11紧密接触。随后，将两个液压囊29分别置入相对的两个压力腔9内，并与试样11表面紧密贴合，盖好顶盖27。2)试验时，参照图4，启动小主应力伺服步进电机，推动电机缸体中的蒸馏水通过高压管进入一对液压囊29内，并确保有一定的初始围压，随后启动大主应力伺服步进电机，通过伺服步进电机推动丝杠使得压力缸内液体进入管道，管道内的液体通过阀门10进入轴向液压缸7，轴向液压缸7内的液压推动轴向活塞8向上运动，进而将轴向压力施加到试样11和内刚性板32上，随着轴向压力的增大，内刚性板32和试样11 一起向下移动，从而保证试验过程中中主应力方向的应变ε2始终为零。本发明装置的工作原理是:参照图4，立方体试样的侧向通过两对内、外刚性板利用滚珠移动，既实现了试样侧向限位，又实现了与内刚性板一起运动，且消除了内、外刚性板之间的摩擦阻力，消除了平面应变刚性板对轴向加载板的端部约束。试验前调整时，内、外刚性板通过固定连杆和定向连杆使其在压力腔内自由运动；在试验过程中，外刚性板不动，内刚性板只能跟随试样变形移动，从而确保82始终为零，即更为理想的保证了 O2方向的应变ε 2为0，对ο 2方向应力较为准确的自动量测。
本发明的装置基于现有平面应变理论基础，克服现有真三轴仪在测试平面应变应力状态时不准确不真实的缺陷，进一步完善试样承载加载机构，实现模拟平面应变状态下土的应力状态，从而方便进行平面应变条件下开展土的剪切变形变化机理的研究，得到土的力学变化规律，为分··析实际工程问题中的土力学问题提供了更加科学的方法和途径。
权利要求
1.一种轴向滚动限位板的平面应变三轴仪，包括主机部分、加载量测机构、采集控制机构，其特征在于: 所述的主机部分的结构是，包括固定于底座(I)上的轴向调节活塞(6)，轴向调节活塞(6 )上端连接有轴向液压缸(7 )，轴向液压缸(7 )的轴向活塞(8 )上方固定连接有压力室底座(38)； 所述的压力室底座(38)、压力室侧壁(17)及顶盖(27)共同围成压力室(15)，所述的压力室(15)内腔中心用于放置试样(11)，围绕试样(11)的四个侧面分别设置有一个压力腔(9);在压力室(15)内腔中，沿小主应力方向的两个压力腔(9)中分别设置有一个液压囊(29),每个液压囊(29)的管路上设置有一个阀门(10)，每个液压囊(29)对外与加载量测机构中的压力源连通；压力室(15)内腔沿中主应力方向的两个压力腔(9)中分别设置有一套滑动约束机构。
2.根据权利要求1所述的轴向滚动限位板的平面应变三轴仪，其特征在于:所述的滑动约束机构的结构是，紧靠试样设置有一个内刚性板(32)，内刚性板(32)之外设置有一个外刚性板(31)，内刚性板(32)与外刚性板(31)之间设置有多组滚珠(33);压力室侧壁(17)向里固定设置有固定连杆(34)和定向连杆(36),固定连杆(34)的外端通过固定连杆螺母(35)固定，固定连杆(34)的内端与外刚性板(31)之间设置有嵌入式压力传感器(30);定向连杆(36)的外端通过定向连杆螺母(37)固定,定向连杆(36)的内端与外刚性板(31)固定连接。
3.根据权利要求2所述的轴向滚动限位板的平面应变三轴仪，其特征在于:所述的顶盖(27)轴心开孔设置有试样帽(26)，试样帽(26)通过传力杆向上与轴向力传感器(14)连接，轴向力传感器(14)设置在反力架横杆上；传力杆侧向支撑杆上设置有轴向位移传感器(12)，轴向位移传 感器(12)的触头与顶盖(27)的上表面接触。
4.根据权利要求3所述的轴向滚动限位板的平面应变三轴仪，其特征在于:所述的试样帽(26)的下端面凹槽中设置有上透水板(21)，上透水板(21)的下表面镶嵌有上透水板多孔板(20)，上透水板(21)和试样帽(26)开有相通的上排水通道(19)，上排水通道(19)设置有上排水阀(18)，上排水通道(19)管路中设置有孔压传感器(13);压力室底座(38)的上端面凹槽中设置有下透水板(23)，下透水板(23)的上表面镶嵌有下透水板多孔板(24)，下透水板(23 )和压力室底座(38 )开有相通的下排水通道(25 )，下排水通道(25 )设置有下排水阀(28)，下排水通道(25)管路中设置有水压传感器(3)，上排水通道(19)和下排水通道(25)均与体变管(16)连通。
5.根据权利要求4所述的轴向滚动限位板的平面应变三轴仪，其特征在于:所述的加载量测机构中，设置有小主应力方向的位移传感器，以及小主应力方向的液压传感器。
6.根据权利要求5所述的轴向滚动限位板的平面应变三轴仪，其特征在于:所述的水压传感器(3)、孔压传感器(13)、轴向位移传感器(12)、轴向力传感器(14)、嵌入式压力传感器(30)、液压传感器和位移传感器均与采集控制机构连接，采集控制机构与加载量测机构闭环控制连接。
7.根据权利要求1、2、3、或4所述的轴向滚动限位板的平面应变三轴仪，其特征在于:所述的轴向调节活塞(6)设置有粗调手柄(2)和微调手柄(4)，粗调手柄(2)和微调手柄(4)之间设置有调节转换开关(5)。
全文摘要
本发明公开了一种轴向滚动限位板的平面应变三轴仪，包括主机部分、加载量测机构、采集控制机构，所述的主机部分的结构是，包括轴向调节活塞向上通过轴向液压缸的轴向活塞固定连接有压力室底座；压力室底座、压力室侧壁及顶盖共同围成压力室，压力室内腔的四个侧面分别设置有一个压力腔；顶盖轴心设置的试样帽通过传力杆向上与轴向力传感器连接；传力杆上的轴向位移传感器的触头与顶盖的上表面接触；在压力室内腔中，两个液压囊对外与加载量测机构中的压力源连通；压力室内腔沿中主应力方向的两个压力腔中分别设置有一套滑动约束机构。本发明的装置，实现了平面应变应力状态的模拟。
文档编号G01N3/12GK103245566SQ201310139449
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者邵生俊, 马林, 许萍, 范文 申请人:西安理工大学