一种扰动土三轴压缩试验的杠杆式制样机的制作方法

本实用新型涉及一种三轴压缩试验的制样设备，具体涉及一种扰动土三轴压缩试验的杠杆式制样机。

背景技术：

三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种试验方法，通常用3～4个土样，分别在不同的围压下施加轴向压力，进行剪切直至破坏。三轴压缩试验的突出优点是能较为严格地控制排水条件以及可以量测试样中的孔隙水压力变化，试样中的应力状态也比较明确。

根据规范要求，三轴压缩试验时，扰动土试样制备一般采用击实法，制样步骤与要求如下：

满足干密度和含水率要求的土样在击实筒内分若干层(粉土分3-5层，黏性土分5-8层)击实，每层土样质量相等，每层接触面应刨毛。击实最后一层，将击实筒内的试样两端整平，取出试样，称取质量，保证同一组试样的密度差值不得超过0.02g/cm³。

击实法制样时，存在以下缺点与不足：

1.一次只能制作一个试样，制样步骤繁琐，制样效率低，且制样人员的体力消耗较大；

2.每层土样可能会受力不均，导致试样的高度、平整度和密度均不易精确控制，难以满足规范要求；

3.制样时会产生刺耳的锤击声，产生的震动较大，造成严重的噪音污染。

4.刨毛设备为单根刨毛针，刨毛耗时较长，效率低下。

鉴于击实法制样的缺点，一些研究者对扰动土的三轴压缩试验制样方法和装置进行了改进，列举实例如下：

cn107607385a公开了一种用于三轴重塑土制样的真空试验装置，它采用真空抽吸固结软粘土，达到制作出均匀土样的目的，但过程繁琐，设备复杂且不能精确控制分层压样的厚度。

cn202814770u公开了一种用于三轴剪切试验的重塑土样制备装置，它采用沉降法固结土样，可得到含水量均匀的重塑样，但是静载固结土样的过程缓慢，制样效率不高。

cn204008243u公开了一种重塑土三轴压缩试验试样制备装置，它通过压板挤压制样，同时可以排出制样室内气体，挤压过程完成后拆除横板，取出上压板，得到试样。但是压样完成后需要拆除制样装置，才能取出试样，过程繁杂且效率不高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种能精确控制分层压样厚度、制样效率高且制模和脱模操作简单的杠杆式制样机。

本实用新型提供的这种扰动土三轴压缩试验的杠杆式制样机，包括底板、直线导轨、模具支撑板、制样模具、立杆、升降板、冲头、定位架和杠杆组件；直线导轨的导轨固定于底板上，模具支撑板固定于直线导轨的滑块上，制样模具固定于模具支撑板上，立杆对称分置于底板上对应直线导轨的两侧，冲头连接于升降板的下侧，升降板可滑动的穿套于立杆上，冲头和制样模具的数量、位置对应，定位架沿竖向连接于底板上的同侧立杆之间；杠杆组件包括支座、加力臂和推杆，支座水平布置于升降板的上方对应定位架的对侧，通过竖向支撑件支撑于底板上，加力臂的下端铰接于支座上，加力臂的旋转角度通过定位架限定，推杆的上端可滑动的连接于加力臂上，推杆的下端连接于升降板上；加力臂的上端伸出于定位架外。

上述技术方案的一种实施方式中，所述直线导轨为sbr直线导轨，其导轨上配置有两个滑块，导轨的底托上对应其中一个滑块的外侧连接有沿竖向的磁性限位杆。

上述技术方案的一种实施方式中，所述底板和模具支撑板均为矩形钢板，模具支撑板的平面尺寸小于底板的平面尺寸，模具支撑板固定于所述滑块上，模具支撑板和底板共宽度方向中心面。

上述技术方案的一种实施方式中，所述制样模具包括圆柱筒、箍环和护筒，圆柱筒的两端外壁均有内收锥度，圆柱筒由多瓣弧形钢板拼成，箍环套于圆柱筒外使圆柱筒定形，护套套于圆柱筒的上端；所述模具支撑板的上侧设置有圆环，圆柱筒的下端插入圆环中。

上述技术方案的一种实施方式中，所述升降板为矩形板，冲头包括拉杆和其下端的压盘，拉杆的上端焊接于升降板的下侧，升降板的四个角部固定有直线轴承，直线轴承的两端均伸出于升降板外，升降板通过直线轴承套于所述立杆上。

上述技术方案的一种实施方式中，所述定位架为竖向的矩形架，其高度方向的顶部有一对沿水平方向的定位孔且该定位孔中配套有卡位插销、上部均布有若干沿水平方向的定位孔且定位孔中配套有定位插销。

上述技术方案的一种实施方式中，所述支座包括t型板和连接于其腹板上的竖向耳板，竖向耳板的顶部有铰接孔，腹板上对应竖向耳板的外侧有圆孔；所述竖向支撑件为支撑板，其上端连接于t型板翼板外沿的中间位置处、下端连接于所述底板的上侧；所述加力臂的下端通过销轴铰接于竖向耳板的顶部，所述推杆的上端可滑动的连接于加力臂上。

上述技术方案的一种实施方式中，所述推杆为圆柱杆，其上端为球形，上部段的外壁加工有关于推杆轴向中心面对称的两平面；所述加力臂的中部有推杆安装槽、底部有竖向耳板安装槽，推杆安装槽的两端为球形，中间段形状与推杆端头和上部段的组合形状匹配，竖向耳板安装槽的形状与矩形铰接段的转动轨迹匹配，推杆从推杆安装槽的上端插入安装后，其下端穿过所述t型板腹板外侧的圆孔后连接于所述升降板的上侧。

上述技术方案的一种实施方式中，所述加力臂包括铰接段和加力段，所述推杆安装槽位于铰接段中部，加力段螺纹连接于铰接段的上端。

本实用新型的制样模具固定于模具支撑板上，模具支撑板固定于直线导轨的滑块上，可多次将滑块、模具支撑板和制样模具整体快捷的从导轨上取下和装回，从而很方便的分次往制样模具中装入各分层土样。升降板与杠杆组件的推杆连接，杠杆组件加力臂旋转时通过推杆实现升降板及其连接的冲头的升降，从而使冲头将制样模具中的各层土样压实至设定厚度，制样操作时，只需人工将加力臂向下压即可，操作简单。由于可在模具支撑板上同时固定多个制样模具，所以可通过升降板的升降同时实现多个试样的压制，提高压制效率。冲头每次压制的深度可通过定位架对加力臂不同高度的限位来控制，定位架不同高度的限位可结合加力臂的尺寸和制样时的运动轨迹来精确计算确定，所以可精确控制分层压样的厚度。升降板升降运动时通过立杆导向，所以能保证压制试样的平整度。制模完成后脱模时，将滑块、模具支撑板和制样模具整体从导轨上拆下，再将制样模具拆卸即可。所以，本实用新型具有能精确控制分层压样厚度、制样效率高且制模和脱模操作简单的优势。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的结构示意图。

图2为图1中升降板组件的结构示意图。

图3为图1中杠杆组件支座的结构示意图。

图4为图1中杠杆组件加力臂和推杆的装配示意图。

图5为图1中制样模具的结构示意图(未画护筒)。

图6为制样时用到的刨毛器结构示意图。

图7为往制样模具中加入土样时用到的漏斗结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例公开的这种一种扰动土三轴压缩试验的杠杆式制样机，包括底板1、立杆2、直线导轨3、模具固定板4、定位架5、杠杆组件6、升降板组件7、制样模具8。

底板1为矩形板，直线导轨3有两组，对称固定于底板1宽度方向中心面的两侧。本实施例采用sbr直线导轨，其导轨上配置两个滑块，且在导轨的底托上对应其中一个滑块的外端固定有沿竖向的磁性限位杆31。图1中磁性限位杆位于后端滑块的外端。

底板的四个角通过地脚螺栓固定于平整地面上。

模具固定板4为矩形板，其平面尺寸小于底板1的平面尺寸，模具固定板通过紧固螺栓固定于滑块上后与底板1共宽度方向中心面。模具支撑板的上侧设置有4个圆环。

立杆2有四根，对称固定于底板1上的直线导轨3的两侧，且右侧立杆用于安装杠杆组件6的支座，右侧立杆的上端有螺纹段。

定位架5为竖向的矩形架，其高度方向顶部有一对沿水平个方向的定位孔，定位孔中配套有卡位插销。定位架的上部均布有多对沿水平方向的定位孔且定位孔中配套有定位插销。定位架5的下端连接于底板上同侧立杆2之间的中间位置处。

结合图1、图2可以看出，升降板组件7包括升降板71和连接于其下侧的冲头72，升降板为矩形板，冲头包括拉杆和其下端的压盘，拉杆的上端焊接于升降板的下侧。冲头的数量和布置位置与模具支撑板上的圆环对应。升降板的四角安装有直线轴承(图中未画出)，直线轴承的两端均伸出于升降板外，通过直线轴承穿套于四根立杆2上，立杆可给升降板的上下运动导向，保证升降板的平稳运动。直线轴承的设置进一步提高了导向功能，从而更好的保证压制试样的平整度。

导轨底托上磁性限位杆的安装位置以滑块推到位时，制样模具位置与冲头位置对应为准。

如图1所示，杠杆组件6包括支座、支撑板、加力臂和推杆。

结合加力臂的几何尺寸和它在制样时的运动轨迹，计算出定位架上各定位孔的位置分布。

如图3所示，支座包括t型板61和竖向耳板62，竖向耳板连接于t型板的腹板上，顶部有铰接孔，支撑板63的上端连接于t型板翼板外沿的中间位置处，t型板的两端有与立杆2相应的圆孔。如图1所示，支座安装时，其t型板61的两端穿过右侧的立杆2，支撑板63的下端固定于底板1的上侧使支座竖向定位，右侧立杆穿过t型板后连接锁紧螺母t型板的水平限位。

如图4所示，推杆64为圆柱杆，其上端为球形，上部段的外壁加工有关于推杆轴向中心面对称的两平面。

结合图1和图4可以看出，加力臂包括矩形铰接段65和连接于其上端的圆柱段66，矩形铰接段65的下端通过销轴铰接于竖向耳板62的顶部，推杆64的上端可滑动的连接于矩形铰接段65上。

矩形铰接段的中部有推杆安装槽、顶部有圆柱段安装孔、底部有竖向耳板安装槽。圆柱段安装孔为螺纹孔，圆柱段的下端螺纹连接于该安装孔中。耳板安装槽的形状与铰接段的转动轨迹匹配，竖向耳板的顶部插入耳板安装槽中后通过销轴铰接。推杆安装槽的两端为球形，中间段形状与推杆端头和上部段的组合形状匹配，使中间段兼具导向功能，推杆64从推杆安装槽的上端插入安装时，其下端穿过t型板腹板外侧的圆孔后连接于升降板71的上侧，通过该推杆实现动力的传递。加力臂转动时，推杆的上端在推杆安装槽中滑动、下端使升降板实现升降运动。

本实施例的矩形铰接段采用两条形板拼装的结构，在两条形块的长度方向一侧分别开设各安装孔的一半，两条形块与支座、圆柱段和推杆连接后通过紧固件将两条形板紧固成整体。

如图1所示，杠杆组件6安装后的初始状态为加力臂的圆柱段通过定位架5顶部的卡位插销支撑，升降板71通过推杆64拉住处于最高位置，升降板连接的冲头72位于制样模具8的上方。

结合图1和图5可以看出，制样模具8包括圆柱筒81、箍环82和护筒(图中未画出)，圆柱筒的两端外壁均有内收锥度，圆柱筒由多瓣弧形钢板拼成，箍环套于圆柱筒外使圆柱筒定形，护套套于圆柱筒的上端。模具支撑板4的上侧设置有圆环，圆柱筒的下端插入圆环中。护筒只在往圆柱筒中装入最上面一层土样时使用，以防土样洒落。

本制样机装配完成后即可进行试样的制备了，如图1所示，本实施例一次可制备四个试样，制备过程具体如下：

一、制样

(1)使杠杆组件加力臂的圆柱段支撑于定位架顶部的卡位插销上，使升降板处于最高位置，从而使升降板连接的冲头位于最高位置；

(2)在定位架上部定位孔组最下面的定位孔中插入定位插销；

(3)将滑块、模具支撑板、制样模具整体沿导轨抽出，通过图6所示的漏斗9往制样模具的圆柱筒中装入第一层土样，然后将它们装回导轨上，并将模具支撑板推至磁性限位杆处，使磁性限位杆吸住模具支撑板，保证压制过程中模具支撑板的定位，避免意外移位。

如图6所示，漏斗9的嘴部呈直筒状，且尺寸与模具筒相匹配，以防止装土时土样洒落。

(4)拔出定位架顶部的卡位插销，给加力臂的圆柱段施力，使加力臂绕其下端的铰接处下向转动，使推杆的下端推着升降板和其上的冲头一起向下运动，直至圆柱段被定位插销挡住，第一层土样压实至设定厚度；

(5)给圆柱段施加反向力使加力臂反向转动，直至圆柱段回至最高位置处重新在定位架的顶部插入卡位插销来支撑圆柱段，使冲头回位；

(6)通过图7所示刨毛器10的刨毛钢针将制样模具内压实的土样表面刨毛；如图7所示，刨毛器10由长条手柄、钢针固定细杆和三根刨毛钢针组成，长条手柄下端连接固定在钢针固定细杆的中间位置上，三根刨毛钢针上端等距离插入到钢针固定细杆上。

(7)将步骤(2)中的定位销拔出插入上一个定位孔中，重复步骤(3)至(6)，依次类推，进行后续各层土样的压实，注意往制样模具中装入最后一层土样时，在圆柱筒的顶部套上护筒，且压实后表面不进行刨毛处理；

至此，第一批试样制模完成，且加力臂回到初始状态等待试样脱模后进行下一批制样操作；

二、脱模

将滑块、模具支撑板、制样模具整体沿导轨抽出，将制样模具从模具支撑板上的圆环中取下，取下圆柱筒外壁的箍环，然后将圆柱筒的各瓣弧形板从圆柱形土样的外壁剥离，脱模完成。

本实用新型将杠杆组件为压制试样的执行机构，只需人工给杠杆组件施力即可一批次完成多个试样的制模，采用直线导轨作为模具支撑板及其上固定的制样模具的安装轨道，使分层装土和压样过程更加方便快捷。通过定位架对加力臂旋转角度的控制来实现冲头压制深度的精确控制，通过加力臂的转动使推杆稳定的推动升降板，从而使各冲头均能平稳的压制各制样模具中的土样，保证成模试样的相同高度、平整度和干密度，从而能保证试样经过三轴压缩试验得出精确的试验数据，更好的满足教学实验和科研对试验效果的要求。