超大三轴试验中一种试样体变的实时精确测量装置制造方法
【专利摘要】超大三轴试验中一种试样体变的实时精确测量装置，属于机械工程测试【技术领域】。其特征是该装置由伺服电机、电动缸、引水槽、排水桶、细长玻璃量管B、右压差传感器、细长玻璃量管A、左压差传感器、配重板等组成。伺服电机根据试样的实时高度精确控制排水桶上引水槽的高度，保证排水口高度与试样中部高度相等。配重板起到平衡玻璃管支撑板、细长玻璃量管B和细长玻璃量管A等重量的作用，保证排水桶不发生倾斜。电磁阀控制细长玻璃量管A和细长玻璃量管B反复交替进水/排水实现了超大试样排水量的连续高精度测量。本发明的效果和益处是：该装置结构灵巧、布局合理、测量精度高，解决了排水量连续的高精度测量问题，具有良好的推广价值。
【专利说明】
超大三轴试验中一种试样体变的实时精确测量装置
【技术领域】
[0001]本发明属于机械工程测试【技术领域】，涉及土力学三轴试验，尤其是一种检测超大三轴试验过程中试样体变(排水量)的装置。
【背景技术】
[0002]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，包括剪切强度和变形特性、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，体变(排水量)和孔隙压力的测量。超大三轴试验仪主要针对超大试样(直径1.0米，高2.0米的圆柱试样)完成大围压、重载荷试验，测试超大试样的强度和变形特征，可以完成大型水电站土石坝材料特性试验工作。试验过程中试样体变通过测量排水量获得。排水量如按照试样体积的10%来估算，直径1.0米、高2.0米的超大试样排水量将达到160L。要想实现实时连续精确测量这么大的排水量是非常困难的。
[0003]目前，国内并没有针对超大试样体变(排水量)的实时连续精确测量装置。国外知名岩土设备生产厂家GDS公司在排水管路中接入专门设计的流量传感器来实现试样体变(排水量)的检测。这种流量传感器是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。此外，对于超大试样，为保证排水量的准确性，需要保证试样中部的压力与大气压力始终保持相等。由于试样高度一般很高可达2.0—2.5米，试样高度变形可达400-500mm。因此，根据试样的动态变形需要动态调节排水口的高度，保证排水口的高度始终与试样的中部位置相等。动态调节排水口的高度也是大型、超大型三轴试验仪在根据排水量测量试样体变时需要考虑的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是:提供一种大排水量连续高精度测量的装置，解决超大型三轴试验中根据排水量精确测量试样体变的问题。
[0005]本发明采用的技术方案是:该装置由两个子系统组成:排水口高度动态调整子系统和排水量自动连续检测子系统。排水口高度动态调整子系统主要由电动缸(伺服电机、丝杠螺母组合)、夹具、排水桶、引水槽、管路等组成。电动缸的输出轴带动排水桶上下运动，保证引水槽的排水口始终与试样的中部等高。试验过程中试样的高度变化需要精确测量，根据这一试样高度的变化可以精确控制排水桶的运动位移。排水量自动连续检测子系统用于检测从排水桶排出的水量，借助两个细长玻璃量管实现排水量的精确检测。玻璃量管越细，横截面积越小，这样测得的排水量的精度就越高。细长玻璃量管装有高精度压差传感器，静态标定后根据压差传感器的输出电压值可以精确计算细长玻璃量管中排水量的大小。
[0006]排水口高度动态调整子系统由伺服电机1，电动缸缸体2，引水槽3，二通接头4，排水桶5，右滑块7，右导轨8，右导轨支撑板10，导轨支撑棒11，系统支撑柱A12，法兰盘18，水桶盖19，电动缸支撑板20，左导轨支撑板21，左滑块22，左导轨25，系统支撑柱B26，系统支撑柱C32，系统支撑柱D33等组成。排水量自动连续检测子系统由上软管6，右软管9，细长玻璃量管B13，玻璃管支撑板14，右压差传感器15，右下软管16，带有电磁阀的三通接头B17，带有电磁阀的三通接头A23，左软管24，细长玻璃量管A27，左压差传感器28，左下软管29，带有电磁阀的三通接头C30，配重板31等组成。
[0007]其中:系统支撑柱A12、系统支撑柱B26、系统支撑柱C32、系统支撑柱D33固定于地面上，并支撑固定排水口高度动态调整子系统。排水桶5与电动缸缸体2的输出轴相连接，伺服电机I根据试样的实时高度精确控制排水桶5上引水槽3的高度，保证了排水口高度与试样中部高度相等。右导轨支撑板10用于固定右导轨8，左导轨支撑板21用于固定左导轨25。右滑块7和左滑块22固定在排水桶5上。导轨支撑棒11用来固定右导轨支撑板10和左导轨支撑板21。这样排水桶5可以固定于右导轨8和左导轨25之间，并能上下自由滑动。细长玻璃量管B13和细长玻璃量管A27固定于玻璃管支撑板14，配重板31起到平衡玻璃管支撑板14、细长玻璃量管B13和细长玻璃量管A27等重量的作用，保证了排水桶5不发生倾斜。上软管6与右软管9/左软管24之间为带有电磁阀的三通接头A23，右软管9与细长玻璃量管B13相连，左软管24与细长玻璃量管A27相连，带有电磁阀的三通接头A23实现与细长玻璃量管B13、细长玻璃量管A27导通切换工作。右压差传感器15安装在细长玻璃量管B13的下方，左压差传感器28安装在细长玻璃量管A27的下方。右压差传感器15和左压差传感器28用来测量细长玻璃量管B13和细长玻璃量管A27中排水量的大小。带有电磁阀的三通接头B17和带有电磁阀的三通接头C30通过右下软管16和左下软管29与细长玻璃量管B13和细长玻璃量管A27相连，并控制其通断实现向外排水功能。
[0008]本发明的效果和益处是:为实现排水量连续的高精度测量，设计了排水口高度动态调整子系统和排水量自动连续检测子系统。排水口高度动态调整子系统能够根据试样的高度实时调整排水口的高度，使得排水口高度始终与试样的中部保持高度相等。由于排水口与大气相通，这样试样中部的压力与大气压相等，保证了试样骨架有效应力的准确性。排水量自动连续检测子系统采用两个细长玻璃量管，利用电磁水阀和计算机控制实现自动切换，完成排水量的高精度连续自动测量。该装置结构灵巧、布局合理、测量精度高，解决了排水量连续的高精度测量问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是超大三轴试验中一种试样体变的实时精确测量装置总体结构的主视图。
[0010]图中:1伺服电机；2电动缸缸体；3引水槽；4 二通接头；5排水桶；6上软管；7右滑块；8右导轨；9右软管；10右导轨支撑板；11导轨支撑棒；12系统支撑柱A ; 13细长玻璃量管B ;14玻璃管支撑板；15右压差传感器；16右下软管；17带有电磁阀的三通接头B ；18法兰盘；19水桶盖；20电动缸支撑板；21左导轨支撑板；22左滑块；23带有电磁阀的三通接头A ；24左软管；25左导轨；26系统支撑柱B ；27细长玻璃量管A ；28左压差传感器；29左下软管；30带有电磁阀的三通接头C。
[0011]图2是超大三轴试验中一种试样体变的实时精确测量装置总体结构的俯视图。
[0012]图中:1伺服电机；18法兰盘；20电动缸支撑板。
[0013]图3是超大三轴试验中一种试样体变的实时精确测量装置总体结构的左视图。
[0014]图中伺服电机；2电动缸缸体；3引水槽；4 二通接头；5排水桶；6上软管；14玻璃管支撑板；18法兰盘；19水桶盖；20电动缸支撑板；21左导轨支撑板；22左滑块；23带有电磁阀的三通接头A ；24左软管；25左导轨；26系统支撑柱B ；27细长玻璃量管A ；29左下软管；30带有电磁阀的三通接头C ；31配重板；32系统支撑柱C。
[0015]图4是超大三轴试验中一种试样体变的实时精确测量装置总体结构的轴测图。
[0016]图中:I伺服电机；2电动缸缸体；3引水槽；4 二通接头；5排水桶；6上软管；10右导轨支撑板；11导轨支撑棒；12系统支撑柱A ;13细长玻璃量管B ;14玻璃管支撑板；15右压差传感器；16右下软管；17带有电磁阀的三通接头B ;19水桶盖；20电动缸支撑板；22左滑块；23带有电磁阀的三通接头A ；24左软管；26系统支撑柱B ；27细长玻璃量管A ；28左压差传感器；29左下软管；30带有电磁阀的三通接头C ；31配重板；32系统支撑柱C ；33系统支撑柱D。
【具体实施方式】
[0017]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】。
[0018]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；图1中有排水口高度动态调整子系统和排水量自动连续检测子系统组成。系统支撑柱A12、系统支撑柱B26、系统支撑柱C32、系统支撑柱D33固定于地面上，并支撑固定排水口高度动态调整子系统。右导轨支撑板10固定右导轨8，左导轨支撑板21固定左导轨25。右滑块7和左滑块22固定在排水桶5上。导轨支撑棒11用来固定右导轨支撑板10和左导轨支撑板21。排水桶5固定于右导轨8和左导轨25之间，并能上下自由滑动。排水桶5与电动缸缸体2的输出轴相连接。试验过程中动态检测试样高度的变化，伺服电机I根据试样的实时高度精确控制排水桶5上引水槽3的高度，保证了排水口高度与试样中部高度相等，使得试样中部的压力与大气压相等，这样了试样排水的准确性。保证了排水准确，下一利用排水量自动连续检测子系统完成排水量的自动检测。
[0019]细长玻璃量管B13和细长玻璃量管A27固定于玻璃管支撑板14，配重板31起到平衡玻璃管支撑板14、细长玻璃量管B13和细长玻璃量管A27等重量的作用，保证了排水桶5不发生倾斜。带有电磁阀的三通接头A23中的电磁阀控制经过上软管6的排水与右软管9或左软管24通断。当带有电磁阀的三通接头A23中的电磁阀得电时，上软管6与右软管9、细长玻璃量管B13导通，排水进入细长玻璃量管B13通过安装在下方右压差传感器15检测流入细长玻璃量管B13的排水的体积。当细长玻璃量管B13的排水接近其量程90%时，让带有电磁阀的三通接头A23中的电磁阀断电。这时排水经过左软管24与细长玻璃量管A27导通，排水流向细长玻璃量管A27。同时让带有电磁阀的三通接头B17中的电磁阀通电，细长玻璃量管B13实现向外排水，排水结束后让带有电磁阀的三通接头B17中的电磁阀断电，等待下一次测量。同样，当细长玻璃量管A27的排水接近其量程90%时，让带有电磁阀的三通接头A23中的电磁阀通电。这时排水经过右软管9与细长玻璃量管B13导通，排水流向细长玻璃量管B13。同时让带有电磁阀的三通接头C30中的电磁阀通电，细长玻璃量管A27实现向外排水，排水结束后让带有电磁阀的三通接头C30中的电磁阀断电，等待下一次测量。这样，这样控制细长玻璃量管A27和细长玻璃量管B13反复交替进水/排水实现了超大试样排水量的连续高精度测量。
[0020]电动缸中的伺服电机I采用高精度位置控制式伺服电机，脉冲数为10000个/圈。丝杠的螺距采用5mm，具有较高的运动速度和位置控制精度，能够满足测量要求。右压差传感器15和左压差传感器28的传感元件调理成0-5V/10V的信号电压，经过16位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，由计算机判断细长玻璃量管B13和细长玻璃量管A27的90%的时间节点，控制细长玻璃量管A27和细长玻璃量管B13反复交替进水/排水。根据试样高度计算伺服电机I所需的脉冲数，精确控制排水桶5上引水槽3的高度，保证了排水口高度与试样中部高度相等。
[0021]此外，配重板31起到平衡玻璃管支撑板14、细长玻璃量管B13和细长玻璃量管A27等重量的作用，保证了排水桶5不发生倾斜。该测量装置结构灵巧，操作方便，制造成本低，具有较高的应用价值。
【权利要求】
1.超大三轴试验中一种试样体变的实时精确测量装置，包括伺服电机(1)，电动缸缸体(2)，引水槽(3)，二通接头(4)，排水桶(5)，上软管(6)，右滑块(7)，右导轨(8)，右软管(9)，右导轨支撑板(10)，导轨支撑棒(11)，系统支撑柱A (12)，细长玻璃量管B (13)，玻璃管支撑板(14)，右压差传感器(15)，右下软管(16)，带有电磁阀的三通接头B(17)，法兰盘(18)，水桶盖(19)，电动缸支撑板(20)，左导轨支撑板(21)，左滑块(22)，带有电磁阀的三通接头A(23)，左软管(24)，左导轨(25)，系统支撑柱B (26)，细长玻璃量管A(27)，左压差传感器(28)，左下软管(29)，带有电磁阀的三通接头C (30)，配重板(31)，系统支撑柱C (32)，系统支撑柱D (33);其特征在于:系统支撑柱A (12)、系统支撑柱B (26)、系统支撑柱C (32)、系统支撑柱D(33)固定于地面上，并支撑固定排水口高度动态调整子系统；排水桶(5)与电动缸缸体(2)的输出轴相连接，伺服电机(I)根据试样的实时高度精确控制排水桶(5)上引水槽(3)的高度，保证排水口高度与试样中部高度相等；右导轨支撑板(10)用于固定右导轨(8)，左导轨支撑板(21)用于固定左导轨(25)，右滑块(7)和左滑块(22)固定在排水桶(5)上，导轨支撑棒(11)用来固定右导轨支撑板(10)和左导轨支撑板(21)，排水桶(5)固定于右导轨(8)和左导轨(25)之间，并能上下自由滑动；细长玻璃量管B(13)和细长玻璃量管A(27)固定于玻璃管支撑板(14)，配重板(31)起到平衡玻璃管支撑板(14)、细长玻璃量管B (13)和细长玻璃量管A (27)等重量的作用，保证排水桶(5)不发生倾斜；上软管(6)与右软管(9)/左软管(24)之间为带有电磁阀的三通接头A (23)，右软管(9)与细长玻璃量管B (13)相连，左软管(24)与细长玻璃量管A (27)相连，带有电磁阀的三通接头A (23)实现与细长玻璃量管B (13)、细长玻璃量管A (27)导通切换工作；右压差传感器(15)安装在细长玻璃量管B(13)的下方，左压差传感器(28)安装在细长玻璃量管A(27)的下方，右压差传感器(15)和左压差传感器(28)用来测量细长玻璃量管B (13)和细长玻璃量管A(27)中排水量的大小，带有电磁阀的三通接头B(17)和带有电磁阀的三通接头C(30)通过右下软管(16)和左下软管(29)与细长玻璃量管B(13)和细长玻璃量管A(27)相连，并控制其通断实现向外排水功能。
2.超大三轴试验中一种试样体变的实时精确测量的方法，其特征在于:该方法是通过带有电磁阀的三通接头A(23)中的电磁阀得电时，上软管(6)与右软管(9)、细长玻璃量管B (13)导通，排水进入细长玻璃量管B (13);通过安装在下方右压差传感器(15)检测流入细长玻璃量管B(13)的排水的体积；细长玻璃量管B(13)的排水接近其量程90%时，让带有电磁阀的三通接头A(23)中的电磁阀断电；排水经过左软管(24)与细长玻璃量管A(27)导通，排水流向细长玻璃量管A (27)，让带有电磁阀的三通接头B (17)中的电磁阀通电，细长玻璃量管B(13)实现向外排水，排水结束后让带有电磁阀的三通接头B(17)中的电磁阀断电，等待下一次测量；细长玻璃量管A(27)的排水接近其量程90%时，让带有电磁阀的三通接头A (23)中的电磁阀通电，排水经过右软管(9)与细长玻璃量管B (13)导通，排水流向细长玻璃量管B(13);让带有电磁阀的三通接头C(30)中的电磁阀通电，细长玻璃量管A(27)实现向外排水，排水结束后让带有电磁阀的三通接头C(30)中的电磁阀断电，等待下一次测量；控制细长玻璃量管A(27)和细长玻璃量管B(13)反复交替进水/排水实现了超大试样排水量的连续高精度测量。
【文档编号】G01N3/12GK104458424SQ201410578651
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】孔宪京, 邹德高, 桑勇, 周晨光, 刘京茂 申请人:大连理工大学