专利名称：应力式三轴仪的气压加荷装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于土工试验仪器，特别是涉及一种应力式三轴仪气压加荷装置。
技术背景在土工力学试验中，由于静三轴试验的轴向力、轴向变形、侧向力和试样排水可以进行控制，试样受力过程和各相关试验参数关系明确、较其它常规试验可测量参数多，而且更接近于实际，因而静三轴试验成为当前地基土力学试验的一个重要手段。静三轴常见的试验模型为圆柱形试样底端经滤纸与透水石，置于带有通孔的三轴压力室试样底座上，底座的各通孔与底盘边框上的下孔隙开关及孔隙水压力传感器相接。圆柱形试样顶端经滤纸与透水石和带有通孔的上加压帽相接，上加压帽通孔与底盘边框上的上孔隙开关相联接，由橡胶膜和束圈将试样密封固定在上加压帽与试样底座之间，然后将三轴压力室外壳移至试样之上并与三轴压力室底盘紧固密封。上述试样安装完成后，根据需要进行静三轴压缩(剪切)试验时依照轴向施加方式的不同分为应变式三轴试验和应力式三轴试验。应变式三轴试验及其应变式三轴仪的特点装有试样的静三轴压力室置于由机电伺服控制的轴向加荷机械变速箱升降主轴顶端，并随升降主轴作垂直升降运动，由于静三轴压力室上端加压杆与被安装在反力龙门架上横梁中间的轴向测力传感器或测力钢环相接且被固定，当升降主轴按照一个设计的恒定速率上升时，将使圆柱试样受加压杆和轴向测力传感器的反力推挡产生变形而受力，直至因变形过大而破坏。在应变式静三轴试验中，由于加荷速率为一均匀的固定速率，因其加荷机械结构、控制结构和操作过程相对简单而得到广泛应用。通过应变式静三轴试验可提供以应变(变形)为主轴的应力应变、孔隙水压力与应变、试样排水与应变等关系曲线和参数。应力式三轴试验及其应力式三轴仪的特点应力式三轴试验最明显的特点是在一个试验周期内，当试样的边界条件确定后，对试样施加的是一个恒定的轴向力，试样在这一固定不变的轴向力作用下，在不同时段各项参数将出现明显不同的变化，尤其是与轴向力直接对应的轴向变形将会随所设计恒定轴向力的加荷时间而出现由开始快速沉降至逐渐趋缓变形减小直至停止沉降，使轴向力与轴向变形达到平衡。一旦设计轴向力大于试样结构强度时，将出现试样由受力开始的沉降速率随时间增加逐渐增大直至因变形过大使试样破坏，由此不难看出，如何恰当地对不同试样设计合理的轴向力即需要理论又需要实践与技巧，与应变式三轴试验相比应力式三轴试验参数设置难度增加，试验周期可能延长。目前常见用于应力式三轴试验的仪器，多为应力应变多功能三轴仪，其反力龙门架和三轴压力室及轴向测力部分结构与应变式三轴仪相似，最大区别在于应力式三轴仪的轴向力加荷机械装置比较复杂，机电伺服机构也由简单的开环控制、进行单向启停和速率选择过渡为以轴向测力传感器检测信号作为反馈源、以设计轴向力为基准的由IP组成的比较器进行比对。当反馈信号 < 设计基准时发出指令，使轴向加荷机械装置正向运转，轴向加压杆上升，对试样施加轴向力，当测力传感器检测反馈信号=设计压力时加荷停止。由于机械执行机构在刚开始加荷时的惯性使加压头动作滞后于比较器对反馈信号的判别和运行指令，常会出现试样实际受力超过设计值而出现过冲而使反馈信号大于设计压力，此时将会出现加荷装置反转进行减压，并由此出现正、反循环动作，在此过程中不仅由于机械执行机构的动作滞后，尚含有因试样受力方向的频繁变化可能出现加压头与试样受力面的跟踪脱节。虽然经过一定时间后，将过渡至正-停、正-停的运行方式，但由于技术原因当前采用的比较器及电路设计其阀值电压不可能太小，因此实测的轴向力总是设计轴向力的阀值范围内的一个脉动压力，而不是一个直线稳定值，并且是开始波动范围大，需要相当时间后才能进入阀值范围，由此可见采用闭环反馈控制机电加荷装置施加的轴向力与试验定义要求存在距离，其轴向力因出现阀值范围内的反复正反向循环不仅使试验精度差，甚至对加压方式及原理上存在置疑。真正纯粹的应力式三轴试验的轴向压力应当是方向不变，压力恒定(起码要在允许范围以内)，才符合该项试验原理及定义，而现有的应力应变多功能三轴仪在进行应力式三轴试验时受机械加荷执行机构技术条件限制不可能做到足够的精细与较高的技术指标，因此现有多功能应力三轴仪的控制精度与轴向压力波动范围以及起始剪切时的加荷过冲出现的反复循环加荷已经成为需要认真对待的技术问题。由于多功能应力三轴仪的控制方式、控制设备与机械执行机构均比应变式三轴仪要笨重复杂，操作与设置参数多而难于掌握，因此难于推广，仅在少数情况下的特定场合使用。
发明内容本实用新型是针对当前已有设备存在的上述技术问题而提供一种应力式三轴仪气压加荷装置。本实用新型为实现上述目的采取以下技术方案本应力式三轴仪气压加荷装置包括应力式三轴仪的控制柜柜体及面板；柜体中的分别对应于轴向压力、孔隙水压力和侧压力的精密仪表放大器，设置于面板的轴向压力数字显示器、孔隙水压力数字显示器、侧压力数字显示器及其轴向压力显示调O旋钮、孔隙水压力显示调O旋钮、侧压力显示调O旋钮，设置于面板的体变管，反力龙门架，轴向测力传感器及与其底端连接的加压杆、与加压杆底端相连接的加压头，设置于三轴压力室底座的带传感器的侧压力开关、带传感器的下孔隙水开关、上孔隙开关，三轴压力室供水压力水缸和空压机，特征是，所述反力龙门架的横梁中心固定有轴向加荷气缸，其活塞杆与测力传感器上端相接，所述控制柜柜体设有气源接口，气源接口与空压机供气管路相接，控制柜柜体中设有与气源接口相接的进气管路，所述进气管路分别与设置在面板的轴向压力调压阀、反压力调压阀、侧压力调压阀和设置在控制柜柜体中的气缸平衡、复位压力调压阀的进口相接，各调压阀的出口依次与设置在面板的轴向压力控制换向阀、孔隙水压力控制换向阀、侧压力控制换向阀和设置在控制柜柜体中的气缸平衡、复位压力换向阀的一输入端口相接，各换向阀的另一输入端口接大气，所述轴向压力控制换向阀的输出端口与轴向加荷气缸推程进气口相接，所述气缸平衡、复位压力换向阀的输出端口与轴向加荷气缸回程进气口相接，所述孔隙水压力控制换向阀的输出端口与设置在面板的体变管进气口相接，所述侧压力控制换向阀的输出端口与三轴压力室供水压力水缸的进气口相接。本实用新型还可以采取以下技术措施所述气缸平衡、复位压力调压阀带有压力表。所述设置在面板的轴向压力调压阀、反压力调压阀、侧压力调压阀分别设有标志为轴压加荷、反压加荷、侧压加荷的调整旋钮。所述设置在面板的轴向压力控制换向阀、孔隙水压力控制换向阀、侧压力控制换向阀分别设有标志为轴压开关、反压开关、侧压开关的加压接大气切换旋钮。本实用新型的有益效果和优点在于本应力式三轴仪气压加荷机构可在短时间内完成对试样的加荷要求，从而避免了由闭环反馈伺服控制与机械执行机构存在的惯性造成滞后与阀值效应可能造成的循环反复加压的问题，使轴向压力始终处于方向一致，压力稳定，几乎近似于一条直线的精度要求，满足了应力式三轴试验的原理与定义要求，使轴向压力的设置达到了由正、 负的全方位应用，可模拟各种建筑地基不同部位，不同施工阶段的应力、应变与孔压和排水变化。本气压加荷机构结构紧凑，控制操作显示各部件布局及操作流程符合试验要求，并可由一台空压机作气源供多台加荷机构同时工作，即节省了占地又适应了大规模大批量集中管理的需求。本气压加荷机构避开了某些仪器笨重复杂的闭环反馈与机电伺服机械加荷装置，使仪器体积与重量大大减小，采用适宜尺寸的柜式结构和大量标准件，可在短时间内制造相当数量的采用本加荷机构的应力式三轴仪，迅速形成生产能力，满足集中批量生产科研需要。
附图1是应力式三轴仪气压加荷装置实施例结构原理示意图。附图2是图1实施例中控制柜面板示意图。图中标记1反力龙门架，2轴向加荷气缸,3轴向测力传感器,4加压杆,5加压头，6三轴压力室，6-1底座，7试样，8上孔隙开关，9带传感器的下孔隙水开关，10带传感器的侧压力开关，11供水压力水缸，12空压机，13控制柜柜体，13-1面板，14轴向压力控制换向阀，14-1轴压选择旋钮，15气缸平衡、复位压力换向阀，16孔隙水压力控制换向阀，16-1反压选择旋钮，17侧压力控制换向阀，17-1侧压选择旋钮，18侧压力调压阀，18-1侧压加荷调整旋钮，19反压力调压阀，19-1反压加荷调整旋钮,20气缸平衡、复位压力调压阀,21轴向压力调压阀，21-1轴压加荷调整旋钮，22体变管，22-1下开关，23轴向压力数字显示器，24孔隙水压力数字显示器，25侧压力数字显示器，26轴向压力显示调O旋钮，27侧压力显示调O旋钮,28孔隙水压力显示调O旋钮。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步说明本实用新型。如图1、2所示实施例，本应力式三轴仪气压加荷装置涉及现有应力式三轴仪的各个部分，包括现有应力式三轴仪的控制柜柜体13及面板13-1、控制柜柜体13中的分别对应于轴向压力、孔隙水压力和侧压力的精密仪表放大器(未示出)，设置于面板13-1的轴向压力数字显示器23、孔隙水压力数字显示器24和侧压力数字显示器25。还包括设置于面板13-1的分别对应于轴向压力、孔隙水压力和侧压力精密仪表放大器的轴向压力显示调O电位器26、侧压力显示调O旋钮电位器27和孔隙水压力显示调O电位器28，还包括设置于面板的体变管22及其下开关22-1，下开关置于体变管下端串接于体变管22与上孔隙水开关8和带传感器的下孔隙水开关9的连通管之间。本应力式三轴仪气压加荷装置还包括反力龙门架1，轴向测力传感器3和连接于轴向测力传感器3底端的加压杆4,固定于加压杆4底端的加压头5,设置于三轴压力室6的底座6-1的带传感器的侧压力开关10、带传感器的下孔隙水开关9和上孔隙开关8，还包括三轴压力室6的供水压力水缸11和空压机12。三轴压力室6中安装试样7。如图1所不实施例,反力龙门架I的横梁中心固定有轴向加荷气缸2,其活塞杆与测力传感器3上端相接。控制柜柜体13设有气源接口，气源接口与空压机12供气管路相接，控制柜柜体中设有与气源接口相接的进气管路，所述进气管路分别与设置在面板13-1的轴向压力调压阀21、反压力调压阀19、侧压力调压阀18和设置在控制柜柜体中的带有压力表的气缸平衡、复位压力调压阀20的进口相接，各调压阀的出口依次与设置在面板13-1的轴向压力控制换向阀14、孔隙水压力控制换向阀16、侧压力控制换向阀17和设置在控制柜柜体13中的气缸平衡、复位压力换向阀15的一输入端口相接，各换向阀的另一输入端口接大气。轴向压力控制换向阀14的输出端口与轴向加荷气缸2推程进气口相接，气缸平衡、复位压力换向阀15的输出端口与轴向加荷气缸2回程进气口相接。孔隙水压力控制换向阀16的输出端口与设置在面板13-1的体变管22进气口相接。侧压力控制换向阀17的输出端口与供水压力水缸11的进气口相接。如图1、2所示实施例，设置在面板13-1的轴向压力调压阀21、反压力调压阀19、侧压力调压阀18分别设有标志为轴压加荷的轴压加荷调整旋钮21-1、标志为反压加荷的反压加荷调整旋钮19-1和标志为侧压加荷的侧压加荷调整旋钮18-1，面板在对应各调整旋钮的位置分别设置加荷‘ + ’、减荷‘一’旋钮旋转方向的箭头。设置在面板13-1的轴向压力控制换向阀14、孔隙水压力控制换向阀16、侧压力控制换向阀17分别设有标志为轴压开关、反压开关、侧压开关的轴压选择旋钮14-1、反压选择旋钮16-1和侧压选择旋钮17-1，各选择旋钮完成加压接大气的切换。本实用新型的使用方法很简单，主要是轴向压力调压阀21、反压力调压阀19、侧压力调压阀18的调整根据相应数字显示屏的示值确定。带有压力表的气缸平衡、复位压力调压阀20的可以给轴向加荷气缸2提供长期存在的反力气压(回程气压)，因此气缸活塞在无轴向力作用时将处于气缸上端的复位状态，当在接受轴向压力调压阀21输出的压力P正>气缸反力气压P反时，气缸活塞才开始向下运动，对试样施加轴向压力，因此试样顶端与其相接的加压杆的受力情况将会出现以下不同组合，即P正> P反，P正=P反，P正< P反三种状态，使作用于试样的轴向压力P出现P> O, P=O和P < O的全方向受力状态，由于调压阀输出的压力精度高达O. 2%，所以施加给试样的轴向压力是一个方向一致，压力恒定的轴向力，而且能随试样变形进行跟踪，不会出现加荷过冲和滞后现象。调整气缸反力气压P反时观察气缸平衡、复位压力调压阀20上的压力表读数即可。[0035]以上各调压阀所连接的换向阀一输入端口与大气接通时原有压力消失，恢复原始状态。当上述各控制阀的固定端指向大气可选端时，上述各控制阀相连的部位将与大气相通。采用本实用新型机构的三轴仪其测量方法与常规三轴仪相同，故本文不再赘述。
权利要求1.应力式三轴仪气压加荷装置，包括应力式三轴仪的控制柜柜体及面板；柜体中的分别对应于轴向压力、孔隙水压力和侧压力的精密仪表放大器，设置于面板的轴向压力数字显示器、孔隙水压力数字显示器、侧压力数字显示器及其轴向压力显示调O旋钮、孔隙水压力显示调O旋钮、侧压力显示调O旋钮，设置于面板的体变管，反力龙门架，轴向测力传感器及与其底端连接的加压杆、与加压杆底端相连接的加压头，设置于三轴压力室底座的带传感器的侧压力开关、带传感器的下孔隙水开关、上孔隙开关，三轴压力室供水压力水缸和空压机，其特征在于所述反力龙门架的横梁中心固定有轴向加荷气缸，其活塞杆与测力传感器上端相接，所述控制柜柜体设有气源接口，气源接口与空压机供气管路相接，控制柜柜体中设有与气源接口相接的进气管路，所述进气管路分别与设置在面板的轴向压力调压阀、 反压力调压阀、侧压力调压阀和设置在控制柜柜体中的气缸平衡、复位压力调压阀的进口相接，各调压阀的出口依次与设置在面板的轴向压力控制换向阀、孔隙水压力控制换向阀、 侧压力控制换向阀和设置在控制柜柜体中的气缸平衡、复位压力换向阀的一输入端口相接，各换向阀的另一输入端口接大气，所述轴向压力控制换向阀的输出端口与轴向加荷气缸推程进气口相接，所述气缸平衡、复位压力换向阀的输出端口与轴向加荷气缸回程进气口相接，所述孔隙水压力控制换向阀的输出端口与设置在面板的体变管进气口相接，所述侧压力控制换向阀的输出端口与三轴压力室供水压力水缸的进气口相接。
2.根据权利要求1所述的气压加荷装置，其特征在于所述气缸平衡、复位压力调压阀带有压力表。
3.根据权利要求1所述的气压加荷装置，其特征在于所述设置在面板的轴向压力调压阀、反压力调压阀、侧压力调压阀分别设有标志为轴压加荷、反压加荷、侧压加荷的调整旋钮。
4.根据权利要求1所述的气压加荷装置，其特征在于所述设置在面板的轴向压力控制换向阀、孔隙水压力控制换向阀、侧压力控制换向阀分别设有标志为轴压开关、反压开关、侧压开关的加压接大气切换旋钮。
专利摘要本实用新型是一种应力式三轴仪气压加荷装置，采用了一个气源，三个调压阀分别调整试样侧压力、试样反压力和位于试样上部轴向加荷气缸产生的垂直压力，以及为平衡气缸起始压力而设的一个恒定反力使正压力消散后活塞可自动复位的调压阀。本实用新型气压加荷装置，由一个气缸和两个调压阀组成的垂直加荷方式比机电伺服控制机械装置在结构、重量和操作方面大为简化，施加的轴向压力更加平稳准确，更接近于建筑地基的加荷方式和变形规律，能够较好地满足了应力式三轴试验施加恒定轴向力的原理与定义要求。
文档编号G01N3/02GK202853970SQ201220530619
公开日2013年4月3日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者王晟堂, 唐文军, 陈则连, 乔平 申请人:铁道第三勘察设计院集团有限公司