一种简易手动真三轴仪的制作方法

本发明属于结构工程技术领域，具体涉及一种用于土类立方体试块三向加载的真三轴仪，尤其是指一种全手动加载的真三轴仪。

背景技术：

真三轴试验是模拟土体受到荷重的情况下，土体内任一小单元所承受的应力状态。研究在主应力方向固定的条件下，主应力与应变的关系及强度特性，即土的本构关系。试样一般为立方体或矩形体。在实际岩土环境中，土体所受到的三个主应力的大小往往是不同的，为了得到土体在荷载作用下的应力状态，真三轴仪通过给土类立方体试块施加三向不同的荷载来获得土体在多轴应力状态下的本构关系，有较为广泛的应用。

现有的真三轴仪主要指真三轴液压伺服试验机，它通过液压伺服电机来驱动加载作动头，实现立方体试块的全自动加载，通过连接在计算机上的位移计和力传感器来读取试块在加载过程中的力和位移数据，并自动绘制应力应变关系曲线，从而得到试块的真实本构关系。但其缺点非常明显：其一，真三轴液压伺服试验机制造成本昂贵，加工工艺极其复杂，且使用过程中耗电量大，噪音大；其二，真三轴液压伺服试验机吨位大，加载过程中力的量程大，适用于极限应力较高的立方体试块如混凝土，钢等，对于极限应力非常低的土类试块不适用；其三，由于土类试块的变形量比较大，在加载过程中很容易出现加载作动头互相抵触的现象，导致加载边界条件无法成功模拟，且若操作不当容易引发安全事故。其四，真三轴液压伺服试验机体积庞大，不具备便携性。

由此可知，有必要提出一种新型简易手动真三轴仪。

技术实现要素：
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本发明针对现有技术的不足和存在的问题，提出一种简易手动真三轴仪，在保证土类立方体试块加载过程中测得的应力应变数据准确合理的前提下，同时考虑仪器制造成本、可操作性、经济实用性以及是否绿色环保等因素来提出一种新型的简易手动真三轴仪。

为实现以上的技术目的，本发明采取以下的技术方案：

简易手动真三轴仪，其特征在于：包括刚性底座、手摇式作动器、围压固定端、水平承载框一、水平承载框二、竖直承载框，在刚性底座的四个角点处安装调平螺栓，用来调平仪器，并在刚性底座上安装导轨；力传感器、伸缩杆、伸缩室、承压板、摇柄装配成手摇式作动器，手摇式作动器分为横向手摇式作动器、竖向手摇式作动器、纵向手摇式作动器，加载头、固定杆、承力板装配成围压固定端，围压固定端包括侧向围压固定端和端向围压固定端，侧向围压固定端和端向围压固定端分别在刚性底座的侧面及端面通过导轨与刚性底座连接，横向手摇式作动器与侧向围压固定端通过水平承载框一连接形成一个整体，其中水平承载框一的两端分别用螺栓锚固连接横向手摇式作动器的承压板与侧向围压固定端的承力板，纵向手摇式作动器与端向围压固定端通过水平承载框二连接形成一个整体，其中水平承载框二的两端分别用螺栓锚固连接纵向手摇式作动器的承压板与端向围压固定端的承力板，竖向手摇式作动器与刚性底座通过竖直承载框连接形成一个整体，其中竖直承载框的两端分别用螺栓锚固竖向连接手摇式作动器的承压板与刚性底座，横向手摇式作动器与纵向手摇式作动器通过导轨与刚性底座连接。

刚性底座的处理，根据土类立方体试块的尺寸，确定刚性底座的尺寸，确保立方体试块能全截面放置于刚性底座上。在刚性底座四个角点处预留螺栓孔，安装螺丝，并在适当位置处安装导轨。

调平螺丝，根据刚性底座四个角点处的螺纹孔尺寸确定调平螺丝的尺寸。

手摇式作动器里的伸缩杆一头连接摇柄，另一头连接力传感器，伸缩杆表面设有外螺纹，伸缩室内部设有内螺纹，伸缩杆穿过伸缩室，所述伸缩室在承压板中部，通过转动摇柄使力传感器前后移动。

三个手摇式作动器前端的力传感器以及两个围压固定端前端的加载头，根据土类立方体试块的尺寸确定力传感器和加载头的尺寸，确保在加载过程中立方体试块与力传感器及加载头表面紧贴且承压面积足够大，同时避免加载过程中三向加载头出现相互抵触的问题。对于手摇式作动器，其中的力传感器用来读取试块在加载过程中表面承受的力的大小，伸缩杆用来读取试块在加载过程中的位移大小，通过转动摇柄来为试块的水平向及竖向加载提供驱动力。

承压板以及承力板底部适当位置处开凹槽，将横向手摇式作动器与侧向围压固定端通过导轨与刚性底座装配连接，便于横向手摇式作动器、侧向围压固定端与水平承载框一作为一个整体在导轨上自由滑动（纵向手摇式作动器与端向围压固定端同理），通过横向手摇式作动器和纵向手摇式作动器在导轨上的自由滑动来调节加载过程中立方体试块的水平位置。

通过以上方式，完成整个仪器的制作装配，充分发挥其独特的优势，达到其作用效果。

根据以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的明显优点：

（1）本发明的构件通过完全装配式的安装方法，仪器制造安装方便快捷，具有较好的装配性；

（2）用手摇式作动器代替液压伺服电机提供驱动力，仪器操作简单，且使用过程中不耗电，绿色环保；

（3）通过转动手摇式作动器的摇柄来实现土类立方体试块的三向加载，加载力的量程小，且加载力的大小易于手动控制；

（4）由于土类立方体试块在三向加载过程中具有变形大的特点，在加载过程中很容易出现加载作动头互相抵触的现象，若操作不当容易引发安全事故。利用手摇式作动器实现全手动加载可以避免出现此类问题，安全性高。

（5）该简易手动真三轴仪体积小，便于携带。

附图说明

图1简易手动真三轴仪主视图；

图2简易手动真三轴仪左视图；

图3简易手动真三轴仪俯视图；

图4刚性底座示意图；

图5手摇式作动器示意图。

（1）力传感器，（2）伸缩杆，（3）伸缩室，（4）承压板，（5）摇柄，（6）横向手摇式作动器，（7）加载头，（8）固定杆，（9）侧向围压固定端，（10）水平承载框一，（11）竖直承载框，（12）调平螺栓，（13）导轨，（14）刚性底座，（15）承力板，（16）纵向手摇式作动器，（17）水平承载框二，（18）端向围压固定端，（19）竖向手摇式作动器，（20）外螺纹，（21）内螺纹，（22）凹槽，（23）立方体试块。

具体实施方式：

附图非限制性地公开了本发明所涉及实施例的结构示意图，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-3为简易手动真三轴仪三视图（分别为主视图、左视图和俯视图）。首先根据土类（23）立方体试块的尺寸确定（14）刚性底座的形状和尺寸，在（14）刚性底座的四个角点处设置螺纹孔，并根据螺纹孔的尺寸确定（12）调平螺栓的尺寸。根据（6）横向手摇式作动器与（9）侧向围压固定端的预安装位置，以及（16）纵向手摇式作动器与（18）端向围压固定端的预安装位置确定（13）导轨的安装位置。

根据土类（23）立方体试块的尺寸确定（1）力传感器的形状和尺寸，通过（1）力传感器的尺寸进一步确定（2）伸缩杆、（3）伸缩室、（4）承压板、（5）摇柄的形状和尺寸；同时根据土类（23）立方体试块的尺寸确定（7）加载头、（8）固定杆、（15）承力板的形状和尺寸。其中（1）力传感器、（2）伸缩杆、（3）伸缩室、（4）承压板、（5）摇柄是（6）手摇式作动器的主要组成部分，而（7）加载头、（8）固定杆、（15）承力板是（9）侧向围压固定端的主要组成部分。

（6）横向手摇式作动器、（16）纵向手摇式作动器、（19）竖向手摇式作动器从x、y、z三个方向对（23）立方体试块施加压力，其中的（1）力传感器用来读取试块在加载过程中表面承受的力的大小，（2）伸缩杆上设有标尺，（2）伸缩杆用来读取试块在加载过程中的位移大小，通过转动（5）摇柄来为试块的水平向及竖向加载提供驱动力，操作过程中加载力的大小易于控制，检测方便快捷，制造成本低，可操作性强，经济实用，绿色环保。

在（4）承压板、（15）承力板的四个角点处设置螺纹孔，并根据螺纹孔的尺寸确定（10）水平承载框一和（17）水平承载框二的尺寸；在（14）刚性底座的适当位置设置四个螺纹孔，并根据螺纹孔的尺寸确定（11）竖直承载框的尺寸。

（6）横向手摇式作动器与（9）侧向围压固定端通过（10）水平承载框一连接形成一个整体，其中（10）水平承载框一的两端分别用螺栓锚固连接（6）横向手摇式作动器的（4）承压板与（9）侧向围压固定端的（15）承力板，（16）纵向手摇式作动器与（18）端向围压固定端通过（17）水平承载框二连接形成一个整体，其中（17）水平承载框二的两端分别用螺栓锚固连接（16）纵向手摇式作动器的（4）承压板与（18）端向围压固定端的（15）承力板，（19）竖向手摇式作动器与（14）刚性底座通过（11）竖直承载框连接形成一个整体，其中（11）竖直承载框的两端分别用螺栓锚固（19）竖向连接手摇式作动器的承压板与（14）刚性底座。

根据（13）导轨的位置和尺寸，在水平向（4）承压板和（15）承力板底部适当位置处开凹槽，如图4所示，（6）横向手摇式作动器与（9）侧向围压固定端、（16）纵向手摇式作动器与（18）端向围压固定端通过（13）导轨与（14）刚性底座装配连接。