全自动多功能三轴卡盘的制作方法
【技术领域】
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[0001]本发明属于岩石力学试验仪器开发领域，特别涉及一种全自动多功能三轴卡盘试验装置，适用于岩土力学性能试验仪的功能扩展。
【背景技术】
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[0002]重大仪器设备的研制是岩石力学领域中特别值得关注的前沿课题。目前室内岩石力学性能测试中抗压、抗拉、抗扭和三轴试验均是依靠独立的试验设备完成的，功能单一、成本高、自动化程度低、效率低、占地面积大、多台仪器操作造成的误差也较大。因此，如何在同一台力学实验机上实现抗压、抗拉、抗扭以及三轴试验等是一个值得重视的研宄方向。针对这一问题，本发明设计了一个集抗压、抗拉、抗扭和三轴试验等多功能测试于一体的岩石力学全自动多功能三轴卡盘，用于多功能全自动岩石或同类材料的力学试验仪器的功能扩展。
【发明内容】
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[0003]本发明的目的是设计一种用于全自动三轴试验仪的全自动多功能三轴卡盘，可同时用于抗压、抗拉、抗扭等岩石力学性能测试仪。设计方案如下:通过设计T型主轴、主轴驱动电机，并由驱动电机带动主轴旋转，提供抗扭试验驱动力；通过设计可升降压力室、液压缸以及环形电机，由液压缸提供轴向压力及环形电机驱动压力室升降，实现岩石三轴力学试验中围压溶液自动密封与轴压的自动加载；通过设计三爪卡轴、齿形环与T型主轴的巧妙配合，由电机驱动齿形环，齿形环带动卡轴，在抗拉抗扭试验中实现岩样的上端固定功能。整个多功能三轴卡盘全由电脑终端自动控制，实现了在同一结构中自动完成岩石的三轴、抗压、抗拉、抗扭等试验，大大降低仪器的成本，提高仪器的自动化程度和精度，提升科研人员的工作效率。
[0004]全自动多功能三轴卡盘的设计包括驱动件，执行件两个部分，驱动件包括液压缸
(15)，驱动电机(5)，压力室环形电机(6)，主轴环形电机定子(11)。执行件包括有可升降压力室(I)，三爪卡轴(4)，主轴(14)。整个三轴卡盘的功能通过这些主要零部件配合合理的机械结构完成设计所需的各种功能。同时主轴(14)安装在可升降的主轴座(7)上，通过主轴座(7)的自动升降可以使主轴顺利达到工作位，同时也可为抗拉试验时提供拉力，完成所需试验。
[0005]主轴整体分三部分A，B，C。A部分为主轴(14)的上端，连接有环形电机转子(13)，转子外部是主轴环形电机定子(11)，定子固定在主轴支撑架(8)上。整个主轴结构由主轴支撑架(8)通过轴承支撑、定位于主轴座上(7)。通过主轴环形电机定子(11)与环形电机转子(13)的配合驱动主轴(14)绕着轴心做旋转运动，在抗扭试验中提供扭矩。
[0006]B部分为主轴(14)中位，设计安装有可升降压力室(I)、环形电机(6)和可动螺母
(10)，可动螺母(10)与可升降压力室上(I)均匀分布的三个齿条螺纹配合，当压力室环形电机(6)驱动可动螺母(10)正反转动时，可升降压力室(I)沿着轴心做上下运动，完成三轴试验时压力室(I)的提升与一键密封动作。同时主轴(14)上端设计安装有液压缸(15)，液压缸(15)位于可升降压力室(I)的上端，两者通过活塞(16)连接，在三轴或者抗压试验时由液压缸(15)驱动活塞(16)提供轴压。
[0007]C部分位于主轴(14)的下端，主要设计安装有三爪卡轴(4)，三抓卡轴(4)与其上方的齿形驱动环(3)螺纹配合，齿形驱动环(3)由驱动电机(5)通过齿轮(2)带动，当驱动电机(5)转动时三爪卡轴(4)可沿着轴孔做伸缩运动，在抗拉抗扭试验中完成对岩样上端的固定作用。
[0008]本发明具有以下优点:
[0009]1、本发明全自动多功能三轴卡盘，集抗拉、抗压、抗扭以及三轴试验功能于一体的试验装置，高度整合了多种试验功能，节省了各类仪器开发的成本。
[0010]2、本发明全自动多功能三轴卡盘，整个三轴卡盘所有功能全自动控制，节省试验所需时间，提尚试验效率。
[0011]3、本发明全自动多功能三轴卡盘，所有测量参数全自动收集，无需人为操作，降低了试验误差。
[0012]4、本发明全自动多功能三轴卡盘，结构紧凑，体积小。
【附图说明】
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[0013]图1全自动多功能三轴卡盘三维视图；
[0014]图2全自动多功能三轴卡盘剖视图；
[0015]图3全自动多功能三轴卡盘主轴元件装配视图；
[0016]图4全自动多功能三轴卡盘主轴结构视图
[0017]图5全自动多功能三轴卡盘主轴结构A部分视图及爆炸图；
[0018]图6全自动多功能三轴卡盘主轴结构B部分视图及爆炸图；
[0019]图7全自动多功能三轴卡盘主轴结构C部分视图及爆炸图；
[0020]1-可升降压力室；2-齿轮；3_齿形驱动环4-三爪卡轴；5_驱动电机；6_压力室环形电机；7_主轴座；8_主轴支撑架；9_螺栓；10_可动螺母；11_主轴环形电机定子；12_环形电机转子螺栓；13-环形电机转子；14_主轴；15-液压缸；16_活塞17-轴承
【具体实施方式】
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[0021]如图1-7所示，本发明是一种全自动多功能三轴卡盘。一种全自动多功能三轴卡盘有如下几个功能:1.可配合试验机架底座完成三轴试验2.可与试验机底座配合完成抗拉、抗压、抗扭试验。操作如下:
[0022]1.主轴座(7)上通过螺栓(9)固定住主轴支撑架(8)和主轴环形电机定子(11)作为整个三轴卡盘的固定部分。主轴(14)上端开有螺纹孔a，通过环形电机转子螺栓(12)将环形电机转子(13)固定在主轴(14)上端，轴承(17)将整个主轴(14)通过环形电机转子(13)支撑起来。环形电机定子(11)驱动环形电机转子(13)带动主轴(14)旋转，为抗扭试验提供扭矩。
[0023]2.液压缸(15)安装于主轴(14)的内部，液压缸(15)内活塞(16)与可升降压力室(I)相配合为三轴或抗压试验提供轴压。可升降压力室(I)三根齿条分别插入主轴(14)中条形槽b中，三根齿条与可动螺母(10)形成螺纹配合，可动螺母(10)由压力室环形电机
(6)驱动，可升降压力室(I)沿着主轴(14)中心轴上下运动，完成在三轴试验时可升降压力室⑴的密封功能。
[0024]3.三爪卡轴(4)设计安装于主轴(14)的轴孔d处，三爪卡轴(4)与齿形驱动环
(3)螺纹配合，齿形驱动环(3)设计安装于主轴(14)的环槽c处，齿形驱动环(3)上的环形齿与电机(5)上的齿轮(2)齿合，电机(5)正反运动时驱动齿形驱动环(3)正反运动，带动三爪卡轴(4)沿着主轴(14)的轴孔d处伸缩，在做抗拉抗扭试验时起到岩样上端的固定作用。
[0025]4.在完成以上第三点岩样上端的固定工作后，通过主轴座的向上移动，为抗拉试验提供拉力。
【主权项】
1.全自动多功能三轴卡盘，其特征在于由可升降压力室(I)、齿轮(2)、齿形驱动环(3)、三爪卡轴(4)、驱动电机(5)、压力室环形电机￠)、主轴座(7)、主轴支撑架(8)、螺栓(9)、可动螺母(10)、主轴环形电机定子(11)、环形电机动圈螺栓(12)、环形电机转子(13)、主轴(14)、液压缸(15)、活塞(16)、轴承(17)组成。所述全自动多功能卡盘通过驱动件:驱动电机(5)、压力室环形电机￠)、主轴环形电机定子(11)、环形电机转子(13)、液压缸(15)的驱动下，由执行件:可升降压力室(I)、三爪卡轴(4)、活塞(16)执行动作，在岩石力学实验中增加仪器的功能，配合仪器整体结构能完成抗拉、抗扭、抗压以及三轴试验。
2.根据权利要求1所述的全自动多功能三轴卡盘，其特征在于:所述主轴(14)整体成阶梯状，中心轴线位置有两个直径不等的内孔，上内孔用于安装液压缸(15)，下内孔用于安装可升降压力室(I)。所述主轴(14)上端设计有可以用于固定环形电机转子(13)的4个螺栓孔(a)，主轴中位设计有可供可升降压力室(I)上齿条定位的3个齿槽(b)，和可以定位压力室环形电机￠)、可动螺母(10)的上轴肩。所述主轴(14)下端设计有可供安装齿形驱动环(3)的环形齿槽(c)和安装定位三爪卡轴(4)所需的卡轴槽(d)。底部轴肩用于安装四个驱动电机(5)。所述主轴(14)整体功能用于安装整个多功能三轴卡盘上的驱动件与执行件，作为各个部件的相互配合载体，完成抗拉、抗扭、抗压以及三轴试验功能。
3.根据权利要求1所述的全自动多功能三轴卡盘，其特征在于所述环形电机转子(13)由环形电机转子螺栓(12)固定于主轴(14)上方的4个螺栓孔(a)并架于轴承(17)上，同时套于主轴环形电机定子(11)内部。所述轴承(17)设计安装于主轴支撑架⑶上，用于支撑整个主轴(14)。所述主轴环形电机定子(11)套于主轴支撑架(8)上，并通过12个螺栓(9)固定于主轴座(7)与主轴支撑架(8)上。所述主轴支撑架(8)上均匀开有12个螺栓孔，通过螺栓(9)固定在主轴座(7)上。所述主轴(14)在由主轴支撑架(8)支撑的条件下，通过主轴环形电机定子(11)、环形电机转子(13)组合驱动，为抗扭试验提供扭矩。
4.根据权利要求2所述液压缸(15)设计安装于主轴(14)上内孔，所述液压缸(15)内安装有活塞(16)，所述活塞(16)从可升降压力室(I)上端伸入，与可升降压力室(I)形成一个整体，所述可升降压力室(I)的三个齿条分别设计安装于主轴(14)中位上的三个齿槽(b)，可升降压力室(I)的齿条与可动螺母(10)螺纹配合，所述可动螺母(10)安装于压力室环形电机(6)上方并由压力室环形电机(6)驱动，所述压力室环形电机(6)设计安装于主轴(14)中部轴肩处。所述可升降压力室(I)在压力室环形电机￠)的驱动下沿着主轴(14)的轴线上下移动，在三轴试验时完成压力室密封的作用，同时由液压缸(15)驱动活塞(16)直接作用到岩样上为三轴或抗压试验提供轴向压力。
5.根据权利要求2所述三爪卡轴(4)设计安装于主轴(14)底部的三个卡轴槽(d)上，并与环形齿槽(c)上的齿形驱动环(3)齿合，所述齿形驱动环(3)安装在主轴(14)的环形齿槽(c)上，并且与驱动电机(5)上的齿轮(2)齿台。所述齿轮(2)固定于驱动电机(5)的转轴上，所述驱动电机(5)固定在主轴(14)底部轴肩。所述三爪卡轴(4)通过驱动电机(5)的间接驱动，抓稳并固定岩样上端，在抗拉、抗扭试验中起到岩样的固定作用。
【专利摘要】本发明涉及一种多功能三轴卡盘试验装置，属于岩石力学试验仪器开发领域。其特征在于由主轴、环形驱动电机、三爪卡轴、液压缸、可升降压力室等主要部件组成，整合了三轴试验、抗拉、抗扭以及抗压试验多种功能于一体。试验过程全自动化。试验装置适用于岩土力学试验仪的功能整合与扩展，可降低仪器的成本，可提高仪器的自动化程度与精度。
【IPC分类】G01N3-04, G01N3-26, G01N3-10
【公开号】CN104880371
【申请号】CN201510224678
【发明人】周翠英, 莫有堂, 刘镇
【申请人】中山大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月28日