二维加载压力机的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于建设工程技术领域，涉及一种岩土工程测试中测量岩石试样强度和变形特性的装置。
【背景技术】
[0002]岩石是一种内部存在节理和裂隙的天然非连续性介质，其强度和变形的测量比较困难。当前，测量岩石强度和变形特性的常用方法主要有:单轴实验、常规三轴实验和真三轴实验。单轴实验是在无侧限条件下，沿竖直方向(Z轴)施加压力，直至试样破坏，测出试样的单轴抗压强度，该方法操作简单，常用于岩石的强度分级和岩性描述，但尺寸效应明显，测得强度的可靠性较低，而且无法测量岩石的变形情况；常规三轴试验是在环向施加一定围压条件下，沿竖直方向(Z轴)施加压力直至试样破坏，通过试验可确定岩石的强度包络线，并根据摩尔-库伦强度理论得出岩石内聚力和内摩擦系数，该方法应力状态明显，操作简单，但由于常规三轴仪器环向加载的特点，使得水平面上的两个主应力总是相等的，无法单独模拟水平应力的影响；真三轴试验是在试样的x、y、z轴三个方向施加不同大小的力作为主应力，直至试样破坏，根据摩尔-库伦强度理论得出岩石内聚力和内摩擦系数，该方法可以在三个方向上独立施加主应力，并且主应力可以在三个方向自由转换，根据要求可以完成岩石类材料的单轴、双轴和真三轴的拉压组合试验，但其刚性边界容易造成应力分布不均匀，而且仪器操作复杂，造假昂贵。考虑到当前岩石强度和变形特性测定方法的现状，常规测试方法很难准确测量试样在两向应力状态下的强度和变形特性，并且在测量过程中，无法保证试样的受力中心不变，影响实验结果的可靠性。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型克服了常规岩土工程测试中难以测量岩石试样在两向应力状态下的强度和变形特性，以及无法充分保证试验过程中试样受力中心不变的不足。本实用新型通过在水平方向(X轴)施加恒定荷载，以等应变控制方式或等应力控制方式在竖直方向(Ζ轴)施加荷载，从而实现了在两向应力状态下测量试样的强度和变形特性，并且通过装置设计，保证在水平方向荷载作用下试样受力中心不变。
[0004]本实用新型的技术方案是:一种二维加载压力机，包括水平加载系统、竖直加载系统和数据采集处理系统；水平加载系统包括4根横向支撑、三块夹板、伺服电机、减速器、载荷传感器、滚珠丝杆、引伸计和导轨，竖直加载系统包括电子万能试验机、2个楔形夹头、圆形加压头和承台，数据采集处理系统包括计算机和控制器；
[0005]水平加载系统:4根横向支撑依次穿过方形夹板1、夹板II和夹板III的四个角点，4根横向支撑的两端通过螺纹固定，形成一个长方体框架结构；长方体框架结构整体置于导轨上，夹板I和夹板III在导轨上同时移动，位于中间的夹板II沿横向支撑自由滑动，通过该设计实现在水平力作用下试样受力中心不变；伺服电机一端安装于夹板I内侧，另一端连接减速器，控制电机功率；减速器与夹板II通过滚珠丝杆相连；滚珠丝杆上安装载荷传感器，在夹板II 一侧安置引伸计，对待测试样变形进行实时监测；
[0006]竖直加载系统:电子万能试验机采用门式结构，门式结构的电子万能试验机内部安装升降平台，形成上下双工作空间；两个楔形夹头分别安装在电子万能试验机顶部横梁下侧和升降台上侧，其中升降台上侧的楔形夹头b根据使用要求自行拆卸；升降台下侧装有圆形加压头，用于施加压力；承台为刚性平台，安装于电子万能试验机底座，用来放置待测试样；
[0007]数据采集处理系统:将水平加载系统和竖直加载系统的传感器、减速器和伺服电机与控制器相连接，并将控制器连接于计算机；计算机输入指令，通过控制器控制电机、减速器进行工作，传感器实时监测荷载和位移情况，反馈信号给控制器，并导入计算机，由此实现对整体系统的闭环控制。所述的传感器包括引伸计、载荷传感器和电子万能试验机的内置传感器。
[0008]在使用二维加载压力机进行压缩实验时，首先将试样放在承台上，在试样上方放置刚性垫板，以使荷载均匀的传递给试样；调节升降台的位置，使升降台下方的圆形加压头与刚性垫板接触；调节夹板II和夹板III的位置夹紧试样。然后根据试验要求在计算机中输入荷载大小、加荷速率、荷载控制方式等参数，对加载系统进行控制。试验开始时，升降台下降，通过圆形加压头对试样进行竖向加载，伺服电机经过减速器调速后，通过滚珠丝杆推进夹板II对试样施加压力，同时，电机对夹板I的反作用力通过横向支撑带动夹板III向前移动，此时试样会受到夹板II和夹板III施加大小相等、方向相反的力，从而确保在试验过程中试样的受力中心不变。载荷传感器将采集的数据传入控制器和计算机，计算机分析所得数据，并根据分析结果通过控制器控制伺服电机加速或减速，实现了对水平方向(X轴)目标压力的闭环控制。引伸计和载荷传感器将测得的变形和荷载反馈给计算机，计算机进行数据处理并绘图。
[0009]在进行拉伸或扭剪试验时，首先安装楔形夹头，将岩石试样固定在两个夹头内，然后根据试验要求在计算机中输入荷载大小，加荷速率等参数。试验开始后，升降机下降，从而实现对试样的拉伸；而对于扭剪的情况，安装在电子试验机顶部横梁的楔形夹头通过自身旋转对试样施加扭矩。万能试验机内部的载荷传感器和位移传感器将测得的荷载值变形反馈给计算机，进行数据处理并绘图。
[0010]本实用新型的效果和益处是:可测量岩石试样在两向应力状态下的强度和变形特性，并保证在水平方向荷载作用下，试样的受力中心不变。该装置自动化程度高，操作简单，测量误差小，可实现高精度、宽范围、多功能的伺服控制，可以方便的用于室内试验及施工现场。
【附图说明】
[0011]图1是本实用新型立体图。
[0012]图2是本实用新型主视图。
[0013]图3是本实用新型侧视图。
[0014]图中:1横向支撑；2夹板I ;3夹板II ；4夹板111;5伺服电机；6减速器；7载荷传感器；8滚珠丝杆；9引伸计；10导轨；11承台；12电子万能试验机；13圆形加压头；14楔形夹头；15试样I ;16试样II。
【具体实施方式】
[0015]以下结合技术方案(和附图)详细叙述本实用新型的【具体实施方式】。
[0016]在图1中，横向支撑1同时穿过方形夹板I 2、夹板II 3、夹板III 4的四个角点，并将横向支撑1的两端与夹板I 2和夹板III4用螺纹固定，形成一个长方体框架结构，整体置于导轨10之上，由于两端固定，夹板I 2和夹板III4只能在导轨上同时移动，而位于中间的夹板II 3可沿横向支撑1前后滑动，通过该设计实现在水平力作用下试样受力中心不变；伺服电机5 —端安装于夹板I 2内侧，另一端连接减速器6，控制电机功率；减速器6与夹板II 3通过滚珠丝杆8相连；滚珠丝杆8上安装载荷传感器7，并在夹板II 3 —侧安置引伸计9，对试样变形进行实时监测。电子万能试验机12采用门式框架结构，电子万能试验机12内部安装可控升降平台，形成上下双工作空间；两个楔形夹头14分别安装在试验机12顶部横梁下侧和升降台上侧，其中升降台上侧的楔形夹头14根据使用要求可自行拆卸；升降台下侧装有圆形加压头13，用于施加压力；承台11为刚性平台，安装于试验机底座，用来放置试样。
[0017]在进行测量时，将待测试样放在承台11上，在待测试样上方放置刚性垫板，确保荷载均匀地传递给待测试样，调节电子万能试验机12升降台的位置，使升降台下方的圆形加压头13与刚性垫板接触，调节夹板II 3和夹板III 4的位置使其与待测试样接触。然后根据试验要求在计算机中输入荷载大小、加荷速率、荷载控制方式等参数，对加载系统进行控制。加压开始时，升降台下降，通过圆形加压头13对试样II 3进行竖向加载。同时，伺服电机5经过减速器6调速后驱动滚珠丝杆8推进夹板II 3对试样施加压力，伺服电机5对夹板I 2的反作用力通过横向支撑1带动夹板III 4向前移动，试样会同时受到夹板I 2和夹板III 4同时施加的大小相等、方向相反的力，从而确保了在施加水平荷载的作用下试样的受力中心不变。载荷传感器7将采集的数据传入控制器和计算机，计算机根据分析结果通过控制器调节伺服电机5的转速，实现了对目标压力的闭环控制。引伸计9和电子万能试验机12内置的力传感器会将测得的变形和力值传入电脑。这样就实现了岩石在两向应力状态下强度和变形特性的测量。
【主权项】
1.一种二维加载压力机，其特征在于，该二维加载压力机包括水平加载系统、竖直加载系统和数据采集处理系统； 水平加载系统包括4根横向支撑、三块夹板、伺服电机、减速器、载荷传感器、滚珠丝杆、引伸计和导轨，4根横向支撑依次穿过方形夹板1、夹板II和夹板III的四个角点，4根横向支撑的两端通过螺纹固定，形成一个长方体框架结构；长方体框架结构整体置于导轨上，夹板I和夹板III在导轨上同时移动，位于中间的夹板II沿横向支撑自由滑动；伺服电机一端安装于夹板I内侧，另一端连接减速器，控制电机功率；减速器与夹板II通过滚珠丝杆相连；滚珠丝杆上安装载荷传感器，在夹板II 一侧安置引伸计，对待测试样变形进行实时监测； 竖直加载系统包括电子万能试验机、2个楔形夹头、圆形加压头和承台，电子万能试验机采用门式结构，门式结构的电子万能试验机内部安装升降平台，形成上下双工作空间；两个楔形夹头分别安装在电子万能试验机顶部横梁下侧和升降台上侧，其中升降台上侧的楔形夹头b根据使用要求拆卸；升降台下侧装有圆形加压头，用于施加压力；承台为刚性平台，安装于电子万能试验机底座，用来放置待测试样； 数据采集处理系统包括计算机和控制器，将水平加载系统和竖直方向加载系统的传感器、减速器和伺服电机与控制器相连接，并将控制器连接于计算机；所述的传感器包括引伸计、载荷传感器和电子万能试验机的内置传感器。
【专利摘要】本实用新型属于建设工程技术领域，涉及一种岩土工程测试中测定岩石试样强度和变形特性的二维加载压力机。该装置包括水平加载系统，施加X轴水平方向荷载，并可以实现在水平荷载作用下试样受力中心不变；竖直加载系统，施加Z轴竖直方向的荷载；数据采集与处理系统，采集与处理数据，并实现对试验的闭环控制。本实用新型可测量岩石试样在两向应力状态下的强度和变形特性，并保证在水平方向荷载作用下，试样的受力中心不变；该装置自动化程度高，操作简单，测量误差小，可实现高精度、宽范围、多功能的伺服控制，可以方便的用于室内试验及施工现场。
【IPC分类】G01N3/22, G01N3/08
【公开号】CN205067233
【申请号】CN201520887294
【发明人】赵维, 宋晓龙, 范宁, 吴昊
【申请人】大连理工大学
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年11月9日