专利名称：电液伺服岩石三轴流变试验装置及试验方法
技术领域：
本发明涉及一种岩石力学性质试验设备，尤其涉及一种轴向承载较大、高围压的电液伺服岩石三轴流变试验装置及试验方法。
背景技术：
在水利水电、矿山、交通等领域需修建的深部地下工程日趋增多。随着深度的增力口，地应力增大、地质条件恶化、破碎岩体增多、水头压力和涌水量加大、地温升高等因素显现，为研究深部工程岩体的力学特性，尤其是高应力条件下工程岩体的长期强度及时效变形特性，最直接的、经济的途径是开展室内岩石三轴流变试验，通过试验获得复杂地质条件下岩石的长期强度参数及时效变形特征，以便在保证工程长期稳定性及长期运营安全。室内试验具有能够长期观察、可严格控制试验条件、重复次数多和耗资少等优点， 受到广泛的重视，但由于岩石工程处于复杂应力状态下，在很多情况下，简单应力状态下的岩石流变试验不能完全反映工程实际中的岩体应力状态和岩石性态，因此，三轴应力状态条件下的岩石流变试验研究十分重要。岩石的变形和应力受时间因素的影响，在外部条件不变的情况下，岩石的变形或应力随时间而变化发生流变。岩石的流变是一种十分普遍的现象，在斜坡、地下洞室及地基中都可直接观测到。由于流变的影响，将在岩体内及建筑物内产生应力集中或变形加剧而影响其稳定性。因而，岩石工程中岩体的长期变形及强度是工程设计和控制中不可忽视的指标，岩石流变试验是了解岩石流变力学特性的重要手段。采用的常规三轴试验仪器设备来进行岩石三轴流变试验，不是针对岩石长期三轴流变试验而设计的。因而，针对复杂应力状态下岩石流变特性，研究流变试验的高刚度加载框架；尤其是针对在轴力、高围压长时间稳压等技术方面，如承载有限、变形较大和环境温度变化时，控制稳压精度尚存欠缺，在轴向、围压稳压系统采用伺服控制器和计算机进行稳压系统控制，在测试、安装试件、长时稳压和数据自动采集及停电补偿等方面，都存在有难以避免的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种适合变形较大且实现高围压能够自动稳压，电液伺服控制加压和自动采集数据储存的室内岩石单轴流变、三轴流变试验设备。本发明的另一个目的就是提供一种轴压、围压加载系统伺服控制丝杆位移，自动稳压、电液伺服控制加压的室内岩石单轴流变、三轴流变试验方法，提高控制稳压精度，达到长时间稳压。本发明解决其技术问题采用以下技术方案一种电液伺服三轴流变试验装置，包括主机框架、框架下置油缸及活塞组件、设置在油缸活塞组件与框架横梁之间的压力室装置，主要是压力室装置为筒体内置油缸及平衡活塞组件，试件设置在油缸内的底座与平衡活塞组件之间，平衡活塞组件上设置轴向力传感器，且上顶主机框架横梁；试件轴向端面分别接轴向变形传感器，试件的侧面接径向变形传感器；轴压加载系统、围压加载系统分别由伺服电机带动滚轴丝杠传动装置，滚轴丝杠传动位移推动轴压、围压加压缸，轴压加载系统上的加压油管接入下置油缸，围压加载系统上的加压油管接入压力室装置内置油缸底部；其中，围压加压缸接围压传感器，围压范围O 70Mpa，轴压加载系统、围压加载系统上的滚轴丝杠分别接轴压加载丝杠位移传感器、围压加载丝杠位移传感器；轴向变形传感器、径向变形传感器、轴向力传感器、轴向加载丝杠位移传感器、伺服电机分别接入轴压控制系统，围压传感器、围压加载丝杠位移传感器、伺服电机分别接入围压控制系统。 所述压力室装置内的试件，其上设置有轴承，且上顶平衡活塞组件。而且，压力室筒体和底座由卡箍联接；起吊装置安装在支架横梁上。 而且，主机框架上安装有轨道，带轮小车设置在轨道上，压力室装置固定在小车上，小车可在轨道上移动，并且移动至油缸活塞组件与框架横梁之间保持对中放置。一种电液伺服三轴流变试验方法I)轴压加载系统通过加压油管对下置油缸加压，油缸活塞组件推举压力室装置向上移动，试件上端的平衡活塞组件将承载的轴向力通过轴向力传感器将轴压信号传送至轴压控制系统；围压加载系统通过加压油管对压力室装置内置油缸加压，围压传感器将围压信号传送至围压控制系统，轴压控制系统、围压控制系统控制轴压和围压恒定；2)试件发生形变,轴向、径向变形传感器输出信号，引发轴压、围压瞬时波动,轴向力传感器、围压传感器将信号分别传送至轴压、围压控制系统，轴压、围压控制系统及时根据反馈信号发出指令分别启动伺服电机控制滚轴丝杠位移前进或后退，加压缸活塞杆移动，分别调节加压缸输出的轴压、围压，达到长时间稳压。而且，轴压和围压控制系统由伺服控制器及传感器构成，伺服控制器将轴向力传感器、围压传感器、轴向及围压位移传感器、轴向变形传感器、径向变形传感器的信号进行放大处理显示和控制伺服电机，控制器接入计算机数据采集系统。本发明与现有技术相比还具有以下的主要优点I、由于本发明采用压力室内为试件及液压油加载腔室，压力室筒体和底座采用卡箍连接结构，拆卸方便、快捷。2、由于本发明采用轴压、围压加载系统，伺服电机进行自动稳压，长时间稳定性能良好。轴压、围压加载系统为两个相互独立的加载装置，通过轴压、围压加载，轴向力加载油缸及活塞组件，推动压力室装置上移，在试验过程中保持轴压恒定，采用自平衡活塞组件，能自动保持围压的基本恒定，有利于提高轴压、围压的控制精度和轴压、围压的长时稳定度，可以进行室内岩石单轴压缩流变、三轴压缩流变试验。3、由于本发明在试件的轴向两端面、侧面分别接轴向变形传感器、径向变形传感器，而且设置轴向力传感器、围压传感器、轴压加载丝杠位移传感器、围压加载丝杠位移传感器，将它们分别接入伺服控制器，试件发生变形，轴向、径向变形传感器输出信号，引发轴压、围压瞬时波动，伺服控制器将得到的传感器信号放大处理和控制调整伺服电机，伺服控制滚轴丝杠位移前进或后退，加压缸活塞杆移动，分别调节加压缸输出的轴压、围压，以此达到长时稳压，轴向、围压加载系统的控制部分加载平稳，控制波动度较小，可以采用压力控制或变形控制，也可以在试验过程中进行控制方式的平滑切换，在长时间的试验中，可以进行间断控制，控制的方式和间隔时间可以人为设置。4、由于本发明对轴向力加载，压力室装置上移，在试验过程中保持轴压恒定，采用自平衡活塞组件，而且在轴力、高围压下长时间稳压，能自动保持高围压的基本恒定，改进岩石三轴流变试验承载有限，围压较低的状态，试验过程中断电对试验影响较小，在不进行手动补偿的情况下，压力下降不到1% ;如果进行手动补偿，则可以保持稳压值。5、由于本发明采用轴压和围压伺服控制系统由伺服控制器接入计算机数据采集系统，伺服控制器能自动稳压，输出信号进行轴压和围压加载伺服控制，计算机采集系统自动记录和自动控制试验数据的连续采集和存储，数据采集系统软件在WINDOWS操作平台上运行，可以自动进行数据处理，以及自动记录丝杆位移时程曲线等。
·图I是本发明的电液伺服岩石三轴流变试验装置示意图。图2是本发明的电液伺服岩石三轴流变试验装置的轴向、围压加载控制系统图。图3是本发明的电液伺服岩石三轴流变试验250小时不间断采集数据关系图。图4是本发明的电液伺服岩石三轴流变试验450小时不间断采集数据关系图。图5是本发明的电液伺服岩石三轴流变试验770小时不间断采集数据关系图。I.压力室装置，2.筒体，3.内置油缸，4.平衡活塞组件，5.试件，6.底座，7.反力框架横梁，8.轴向力传感器，9、9'.轴向端面，10.轴向变形传感器，11.试件侧面，12.径向变形传感器，13.轴压加载系统，13'.围压加载系统,14.轴承，15、15'.伺服电机,16、W .滚轴丝杠传动装置，17、17'.滚轴丝杠，18.轴压加压缸，IV .围压加压缸，19.轴压加压油管，19'.围压加压油管20.下置油缸，21.带轮小车，22.围压传感器，23.围压加载丝杠位移传感器，23'.围压加载丝杠位移传感器，24.卡箍，25.起吊装置，26.支架横梁，27.主机框架，28.轨道。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。如图I所示，电液伺服岩石三轴流变试验装置，包括主机框架27、框架下置油缸20及活塞组件4、主机框架27上设有反力框架横梁7，起吊装置25安装在支架横梁26，便于试验及试样的装卸，压力室装置I设置在油缸活塞组件4与反力框框架横梁7之间，主机框架27设置成门式加载框架，具有较高的刚度。压力室装置I为筒体2状，内面设置成油缸3及平衡活塞组件4，构成压力室，压力室筒体2和底座6由卡箍24联接，便于试件放置；试件5设置在油缸3内的底座6与平衡活塞组件4之间，试件5上可以设置有轴承14，轴承14上顶平衡活塞组件4，平衡活塞杆4顶住轴向力传感器8 ;试件5轴向两端面9、9'分别接轴向变形传感器10，试件5侧面11分别接径向变形传感器12 ;主机框架27机座6上安装有轨道28及小车21，压力室I固定在小车21上，小车可在轨道28上移动，便于将压力室装置I移入油缸活塞组件4与框架横梁7之间；
轴压加载系统13由伺服电机15带动滚轴丝杠传动装置16，滚轴丝杠17传动位移推动轴压加压缸18，轴压加载系统13上的加压油管19接入下置油缸20，其中，滚轴丝杠17接轴压丝杠位移传感器23 ；围压加载系统13'、分别由伺服电机15'带动滚轴丝杠传动装置16'，滚轴丝杠17'传动位移推动围压加压缸18'，其中，滚轴丝杠17'接围压丝杠位移传感器23'，围压加压缸18'接围压传感器22，围压加载系统13'上的加压油管19'接入压力室装置I内油缸3底部。轴向变形传感器10、径向变形传感器12、轴向力传感器8、轴压丝杠位移传感器
23、伺服电机15分别接入轴压控制系统，围压传感器22、围压丝杠位移传感器23'、伺服电机15'分别接入围压控制系统。一种电液伺服三轴流变试验方法，轴向加载系统通过加压油管对下置油缸加压，油缸活塞组件推动压力室装置向上移动，试件上端的平衡活塞组件将承载的轴向力通过轴向力传感器将轴压信号传送至轴压控制系统；围压加载系统通过加压油管对压力室装置内置油缸加压，围压传感器将围压信号传送至围压控制系统，轴压控制系统、围压控制系统控制轴压和围压恒定。当试件发生蠕变变形时，轴向、径向变形传感器输出信号，引发轴压、围压瞬时波动，轴向力传感器、围压传感器将信号分别传送至轴压、围压控制系统，轴压、围压控制系统分别调整伺服电机，伺服控制滚轴丝杠位移前进或后退，加压缸活塞杆移动，分别调节加压缸输出的轴压、围压，达到长时间稳压。 轴压和围压控制系统由伺服控制器及传感器构成，伺服控制器将轴向力传感器、围压传感器、轴向及围压位移传感器、轴向变形传感器、径向变形传感器的信号进行放大处理显示和控制伺服电机，控制器接入计算机数据采集系统。轴压、围压加载系统与充液油源其配套使用。实施例一I、试验条件试件为圆柱状绿片岩试件，试件直径50mm、试件高度100mm。采用逐级加载偏应力的三轴流变试验方案。试验过程中围压分3次逐级卸荷，分别为40MPa、30MPa、20MPa。2、试验步骤a)安装起吊装置、轨道及小车，将压力室座固定在小车上。将压力室腔室吊起，安装固定好试件，并将轴向和径向传感器元件固定在试件上，接好引线，然后落下压力室外腔，套好卡箍。b)启动充液油源油泵的同时启动伺服电机使加压缸的滚轴丝杆退回；当加压缸的活塞退回到设定位置时关闭充液油源油泵，打开放气阀排气，点动充液油源电机至放气阀有油液排出，关闭放气阀。油缸充液，充满后关闭充液油源油泵，并关闭截止阀。c)启动伺服电机，使用围压滚轴丝杆加载围压至40MPa ;然后启动伺服电机，使用轴向力滚轴丝杆加载轴向力至30MPa，试验轴压和围压加载完成，整个试验系统开始采集数据，包括整个长时间(本案例中250小时不间断采集数据)应力-时间曲线、围压-时间曲线、试件轴向应变-试件曲线、试件径向应变-试件曲线、轴向应力加载及稳压过程中丝杆位移-试件曲线、及围压加载及稳压过程中丝杆位移-试件曲线等，见图2。
d)第一级加载完成后，此例中70小时后，开始加载第二级荷载；同样启动伺服电机，使用轴向力滚轴丝杆加载轴向力至40MPa，以此类推第三级加载。实施例二I、试验条件试件为圆柱状绿片岩试件，试件直径50mm、试件高度100mm。采用逐级加载偏应力的三轴流变试验方案。试验过程中围压分3次逐级卸荷，分别为15MPa、10MPa、5MPa、2MPa ；轴向力相对应地分别为20MPa、55MPa、60MPa、65MPa、70MPa等。2、试验步骤
a)安装起吊装置、轨道及小车，将压力室座固定在小车上。将压力室腔室吊起，安装固定好试件，并将轴向和径向传感器元件固定在试件上，接好引线；然后落下压力室外腔，套好卡箍。b)启动充液油源油泵的同时启动伺服电机使加压缸的滚轴丝杆退回；当加压缸的活塞退回到设定位置时关闭充液油源油泵，打开放气阀排气，点动充液油源电机至放气阀有油液排出，关闭放气阀。油缸充液，充满后关闭充液油源油泵，并关闭截止阀。c)启动伺服电机，使用围压滚轴丝杆加载围压至15MPa ;然后启动伺服电机，使用轴向力滚轴丝杆加载轴向力至20MPa，试验轴压和围压加载完成，整个试验系统开始采集数据，包括整个长时间(本案例中450小时不间断采集数据)应力-时间曲线、围压-时间曲线、试件轴向应变-试件曲线、试件径向应变一试件曲线等，见图3。d)第一级加载完成后，此例中75小时后，开始加载第二级荷载；同样启动伺服电机，使用轴向力滚轴丝杆加载轴向力至55MPa;同时启动伺服电机，使用围压加载系统滚轴丝杆卸载围压至IOMPa,以此类推第3 5级加载。实施例三I、试验条件试件为圆柱状绿片岩试件，试件直径100mm、试件高度200mm。采用保持围压15MPa不变、逐级加载偏应力的三轴流变试验方案。试验过程中轴向应力分3次逐级加载，分别为25MPa、30MPa、35MPa。2、试验步骤a)安装起吊装置、轨道及小车，将压力室座固定在小车上。将压力室腔室吊起，安装固定好试件，并将轴向和径向传感器元件固定在试件上，接好引线；然后落下压力室外腔，套好卡箍。b)启动充液油源油泵的同时启动伺服电机使加压缸的滚轴丝杆退回；当加压缸的活塞退回到设定位置时关闭充液油源油泵，打开放气阀排气，点动充液油源电机至放气阀有油液排出，关闭放气阀。油缸充液，充满后关闭充液油源油泵，并关闭截止阀。c)启动伺服电机，使用围压滚轴丝杆加载围压至15MPa ;然后启动伺服电机，使用轴向力滚轴丝杆加载轴向力至25MPa，试验轴压和围压加载完成，整个试验系统开始采集数据，包括整个长时间(本案例中770小时不间断采集数据)围压-时间曲线、试件轴向应变-时间曲线等，见图4。d)第一级加载完成后，此例中260小时后，开始加载第二级荷载；同样启动伺服电机，使用轴向力滚轴丝杆加载轴向力至30MPa，同时保持围压15MPa不变，以此类推第3 5级加 载。
权利要求
1.一种电液伺服三轴流变试验装置，包括主机框架、框架下置油缸及活塞组件、设置在油缸活塞组件与框架横梁之间的压力室装置，其特征在于压力室装置I为筒体2内置油缸3及平衡活塞组件4，试件5设置在油缸3内的底座6与平衡活塞组件4之间，平衡活塞组件4上设置轴向力传感器8，且上顶主机框架横梁7 ;试件5轴向端面9、9'分别接轴向变形传感器10，试件5的侧面11接径向变形传感器12 ； 轴压加载系统13、围压加载系统13'分别由伺服电机15、15'带动滚轴丝杠传动装置16、16'，滚轴丝杠17、17'传动位移推动轴压、围压加压缸18、18'，轴压加载系统13上的加压油管19接入下置油缸20，围压加载系统13'上的加压油管19'接入压力室装置I内置油缸3底部；其中，围压加压缸18'接围压传感器22，围压范围0 70Mpa，轴压加载系统13、围压加载系统13'上的滚轴丝杠17、17'分别接轴压加载丝杠位移传感器23、围压加载丝杠位移传感器23,； 轴向变形传感器10、径向变形传感器12、轴向力传感器8、轴向加载丝杠位移传感器23、伺服电机15分别接入轴压控制系统，围压传感器22、围压加载丝杠位移传感器23'、伺服电机15'分别接入围压控制系统。
2.根据权利要求I所述的一种电液伺服三轴流变试验装置，其特征在于所述压力室装置I内的试件5，其上设置有轴承14，且上顶平衡活塞组件4。
3.根据权利要求I或2所述的一种电液伺服三轴流变试验装置，其特征在于压力室筒体2和底座6由卡箍24联接。
4.根据权利要求I所述的一种电液伺服三轴流变试验装置，其特征在于起吊装置25安装在支架横梁26上。
5.根据权利要求I所述的一种电液伺服三轴流变试验装置，其特征在于主机框架27上安装有轨道28，带轮小车21设置在轨道上，压力室装置I固定在小车29上，小车29可在轨道28上移动，并且移动至油缸活塞组件4与框架横梁7之间保持对中放置。
6.根据权利要求I所的一种电液伺服三轴流变试验方法，其特征在于 1)轴压加载系统通过加压油管对下置油缸加压，油缸活塞组件推举压力室装置向上移动，试件上端的平衡活塞组件将承载的轴向力通过轴向力传感器将轴压信号传送至轴压控制系统；围压加载系统通过加压油管对压力室装置内置油缸加压，围压传感器将围压信号传送至围压控制系统，轴压控制系统、围压控制系统控制轴压和围压恒定； 2)试件发生形变，轴向、径向变形传感器输出信号，引发轴压、围压瞬时波动，轴向力传感器、围压传感器将信号分别传送至轴压、围压控制系统，轴压、围压控制系统及时根据反馈信号发出指令分别启动伺服电机控制滚轴丝杠位移前进或后退，加压缸活塞杆移动，分别调节加压缸输出的轴压、围压，达到长时间稳压。
7.根据权利要求6所述的一种电液伺服三轴流变试验方法，其特征在于轴压和围压控制系统由伺服控制器及传感器构成，伺服控制器将轴向力传感器、围压传感器、轴向及围压位移传感器、轴向变形传感器、径向变形传感器的信号进行放大处理显示和控制伺服电机，控制器接入计算机数据采集系统。
全文摘要
本发明公开了一种电液伺服三轴流变试验装置及方法，轴向加载系统对下置油缸加压，油缸活塞组件推动压力室装置中的试件向上移动，平衡活塞组件承载轴向力由轴向力传感器将信号传至轴压控制系统；围压加载系统对压力室装置内置油缸加压，围压传感器将信号传至围压控制系统，轴压控制系统、围压控制系统控制流变试验过程中轴压和围压长期恒定；该过程中试件发生蠕变变形，引致轴压、围压即时波动，轴向力传感器、围压传感器随时将信号传送至轴压、围压控制系统，该系统会根据反馈信号波动大小分别发出指令启动伺服电机，伺服控制滚轴丝杠位移前进或后退，加压缸活塞杆移动，分别调节加压缸输出的轴压、围压，控制稳压精度高，且达到长时间自动稳压。
文档编号G01N3/12GK102890033SQ20121000456
公开日2013年1月23日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者邬爱清, 周火明, 朱杰兵, 汪斌, 钟作武, 郝庆泽, 刘小红, 蒋昱州, 黄书岭 申请人:长江水利委员会长江科学院