可視化三軸試驗機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可視化三軸試驗機，用于巖石(土)力學特征的試驗。
【背景技術】
[0002]三軸試驗系統(tǒng)，是一種符合現(xiàn)代巖土力學研宄領域，研宄巖石(土 )力學特性的新型試驗設備。可根據(jù)不同要求配置圍壓系統(tǒng)、巖石引伸計、高低溫系統(tǒng)、孔隙水壓系統(tǒng)、巖石直剪試驗系統(tǒng)、及巖石剪切、劈裂夾具等?？勺詣油瓿蓭r石在不同圍壓下的三軸壓縮試驗，孔隙滲透試驗、高低溫環(huán)境試驗等，并可進行單向低周循環(huán)及用戶自行設置的組合波形程序控制等多種控制方式的三軸試驗。巖石三軸試驗是研宄巖石力學的重要手段，巖石三軸試驗數(shù)據(jù)是巖石力學一個重要參數(shù)。它能比較完整地模擬巖土在原始地應力狀態(tài)下的力學性能，是工程設計的重要依據(jù)。由于深部巖石處于復雜的應力狀態(tài)，采礦工程中所遇到的巖體或礦體多處于三向應力狀態(tài)，本身又是一種十分復雜的天然材料；在很多情況下，簡單應力狀態(tài)下的巖石應力試驗不能完全反映工程實際中的巖體應力狀態(tài)，必須充分認識復雜應力狀態(tài)下巖石的力學性質(zhì)。因此開展三軸狀態(tài)下的巖石試驗研宄顯得十分重要。
[0003]1、常規(guī)巖石三軸試驗機
[0004]巖石三軸試驗機是研宄巖石力學性質(zhì)的基本試驗設備，根據(jù)巖石試驗規(guī)程以及目前的工程建設的特點，用現(xiàn)有的壓力試驗機改裝研制出高性能的巖石三軸試驗機，它可以應用于高圍壓的巖石三軸剪切試驗、圍壓恒定條件下的巖石三軸蠕變實驗?？梢愿鶕?jù)要求設定試驗參數(shù)，整個試驗過程采用微機控制，自動記錄試驗數(shù)據(jù)，是目前自動程度較高的、比較經(jīng)濟實用的巖石三軸試驗設備。常規(guī)三軸試驗機金屬材質(zhì)的底座和壓力室側(cè)壁構(gòu)成一個高強度的封閉空間，液壓系統(tǒng)通過進油口向密閉空間提供高壓油，高壓油通過試件表面強度可以忽略不計的熱縮管給試件提供圍壓，軸壓則同過試件上部的壓桿，由液壓千斤頂施加。軸壓和圍壓都配備有伺服控制系統(tǒng)，可以伺服控制，保證圍壓和軸壓加載的穩(wěn)定性。
[0005]缺陷:常規(guī)三軸試驗設備最主要目的在于研宄不同材料試件在三軸壓縮條件下，試件的變形破壞規(guī)律。由于壓力室(腔體)由合金制成，在保證高強度的時候，犧牲了試件變形的可視性，試件的軸向變形由壓桿的位移量確定，而徑向變形只能通過在試件側(cè)面設置環(huán)向引伸計間接測量。而在無法研宄該某一試驗條件下試件的徑向變形規(guī)律的前提下，由于許多巖石的破壞，并不發(fā)生在巖石試件的中間部分，所以，采用在巖石中間部分套用環(huán)向引伸計測量徑向變形的結(jié)果不夠精確。而且引伸計在保證精度的同時，量程是有限的，所以得到的變形也是有限的，得到的變化規(guī)律是不完整的。材料在實驗過程中的彎曲、破裂、裂紋擴展等重要信息也無法得到。
[0006]2、透明壓力室土體試驗設備
[0007]在研宄土體力學性質(zhì)和變形規(guī)律的時候，時常會用到透明壓力室的三軸試驗機，壓力室一般由玻璃制成，能保證較好的可視性。但是由于玻璃材料的脆性，在密封環(huán)節(jié)就不能采用強有力的密封，否則玻璃會碎裂。故土體力學試驗中的可視的壓力室能提供的圍壓一般不高于2MPa。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明所要解決的技術問題在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、精確性好的可視化三軸試驗機。
[0009]本發(fā)明的技術方案如下:一種可視化三軸試驗機，具有固定架(1)，其關鍵在于:在所述固定架(I)的頂部設置下定位板(2)，該下定位板(2)的上方通過反力柱(3)支撐有上定位板(4)，在所述下定位板(2)頂面的中央固定臺座，該臺座上裝有測力計(6)，并在臺座的頂部安裝透明壓力室(5)，在所述透明壓力室(5)的正上方設置液壓缸(7)，該液壓缸
(7)安裝于上定位板(4)上，液壓缸(7)活塞的下端設有加載頭(8)，該加載頭(8)位于上定位板(4)的下方并正對透明壓力室(5)的壓桿，在所述液壓缸(7)的正上方設有線性差動變壓器(9)，該線性差動變壓器(9)通過支架(10)安裝在液壓缸(7)的缸體上，所述線性差動變壓器(9)的探頭豎直向下，并與液壓缸(7)活塞的上端接觸；
[0010]所述透明壓力室(5)的進油口接有供油管(16)，該供油管(16)與手動泵(17)連接，在所述供油管(16)上接有支管(18)，該支管(18)與蓄能器外殼(20)底部的油嘴(24)連接，在蓄能器外殼(20)內(nèi)設有囊袋(22)，該囊袋(22)中填充有惰性氣體(21)，在囊袋
(22)的頂部安裝閥芯(23)，閥芯(23)向上伸出蓄能器外殼(20)外，在所述囊袋(22)與蓄能器外殼(20)所形成的空間內(nèi)填充有液壓油(19);
[0011]在所述透明壓力室(5)的外圍設有四個照相機(11)和三臺攝像機(12)，四個照相機(11)在同一高度上，這四個照相機(11)按圓周均勻分布，且四個照相機(11)所在圓周的圓心位于透明壓力室(5)的軸心線上，三臺攝像機(12)在同一高度上按圓周均勻分布，攝像機(12)的位置高于照相機(11)的位置，其中一臺攝像機(12)和其中一個照相機(11)位于同一豎直面內(nèi)。
[0012]采用以上技術方案，先將試件放入透明壓力室內(nèi)，使試件位于透明壓力室中的上壓頭與下壓頭之間，接著操作手動泵的手柄，使手動泵通過供油管向透明壓力室中通液壓油，以提供圍壓，模擬巖石、煤巖的真實狀態(tài)，然后控制液壓缸的活塞向下運動，使試件被壓縮，液壓缸活塞向下運動的同時，線性差動變壓器的探頭發(fā)生位移，線性差動變壓器和測力計配合，在相應控制電路的作用下，即可測量試件的軸向變形和所受壓力。
[0013]透明壓力室中進油，可直觀觀察試件的變形特征。在試驗過程中，照相機拍攝圖片，攝像機拍攝視頻，在控制電腦上打開圖像處理系統(tǒng)軟件，進行圖像的采集、分析、處理，對圖片像素進行解析，可分析計算試件的徑向變形；圖像處理系統(tǒng)軟件對試驗過程拍攝到的視頻進行導入和控制，以時間為單位，對視頻進行編輯、分析、處理，形成全自動的過程。
[0014]本發(fā)明一方面結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，組裝容易，成本低；另一方面，測力計、試件、液壓缸和線性差動變壓器在同一豎直線上，從而有效避免了壓縮條件下的應力集中，使試驗過程中試件完全處于被壓縮狀態(tài)，試驗數(shù)據(jù)精確、可靠；同時，采用可視化方式并結(jié)合圖像分析方法，能更準確地測量試件的徑向變形。
[0015]本發(fā)明采用手動泵作為液壓油的動力源，不僅操作簡單、方便，而且經(jīng)濟、實用，能有效降低成本。由于試驗過程中透明壓力室內(nèi)的壓力會下降，因此，采用蓄能器外殼中的8Mpa囊袋持續(xù)為透明壓力室提供1Mpa的壓力。在蓄能器中，主要有8Mpa惰性氣體囊袋，囊袋外面，蓄能器外殼中有1Mpa的液壓油，此液壓油通過支管及供油管與透明壓力室連通。如果透明壓力室的壓力保持恒定，則蓄能器中液壓油和惰性氣體囊袋保持穩(wěn)定狀態(tài)，如果透明壓力室內(nèi)壓力下降造成壓力差，則由蓄能器中的1Mpa液壓油持續(xù)給透明壓力室補給壓力。以上方式補充油壓及時，能夠為透明壓力室提供穩(wěn)定的壓力，從而進一步確保了試驗結(jié)果真實、可靠。
[0016]為了簡化結(jié)構(gòu)、方便裝配，并確保試驗機上部的穩(wěn)定性，所述下定位板(2)與上定位板(4)通過兩根相互平行的反力柱(3)連接，該反力柱(3)的上下端通過螺母與對應的定位板鎖緊。
[0017]為了使結(jié)構(gòu)更緊湊，并有利于管路布置，在所述液壓缸(7)的背面安裝伺服閥
(13)，該伺服閥(13)的旁邊設有過濾器(14)，所述過濾器(14)的出口與伺服閥(13)的進油口連通，在過濾器(14)的進口接有進油管(15)。
[0018]為了使線性差動變壓器安裝牢固、可靠，拆裝便捷性好，所述線性差動變壓器(9)通過上下兩個抱箍安裝于支架(10)上。
[0019]所述蓄能器外殼(20)安裝在定位架(27)上，該定位架(27)包括底梁(28)、豎梁
(29)、托板(30)和豎板(31)，其中，兩根底梁(28)平行布置于地面上，在兩根底梁(28)之間設有兩根相互平行的豎梁(29)，各豎梁(29)的下端與對應側(cè)底梁(28)的中部相貼合固定，在兩根豎梁(29)的上部之間連接豎板(31)，該豎板(31)的底部與托板(30)相固定，所述蓄能器外殼(20)支撐在托板(30)上，蓄能器外殼(20)底部的油嘴(24)穿過托板(30)中部的過孔，在所述蓄能器外殼(20)的中部設有圓弧形的箍帶(32)，該箍帶(32)與蓄能器外殼(20)相貼合，箍帶(32)的兩端均焊接有螺柱(25)，該螺柱(25)穿過豎板(31)，并由螺母鎖緊。以上結(jié)構(gòu)一方面定位架造型簡單，加工制作容易，穩(wěn)定性好，不會發(fā)生晃動；另一方面，蓄能器外殼的底部由托板托住，且箍帶以半包圍的形式將蓄能器外殼的中部箍緊在豎板上，蓄能器拆裝便捷，連接既牢固又可靠。
[0020]為了便于選材，進一步降低生產(chǎn)成本，所述底梁(28)和豎梁(29)均為角鐵。
[0021]加強板起增加結(jié)構(gòu)強度的作用，使豎板與托板之間連接牢靠，不會發(fā)生松動或脫落。在所述托板(30)的兩端對稱設置有加強板(26)，該加強板(26)為直角三角形，加強板(26)的一條直角邊與托板(30)焊接固定，加強板(26)的另一條直角邊與豎板(31)焊接固定。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:
[0023]1、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，占用空間小，組裝方便，成本低，穩(wěn)定性好；
[0024]2、采用硬件控制，尤其對巖石流變試驗，由硬件控制試驗精度高，可靠性好，保載時間長；
[0025]3、環(huán)保節(jié)能，耗電量低，是普通試驗機耗電量的1/10左右；
[0026]4、試件軸向變形采用最先進的線性差動變壓器，測量精度高，變形精度為
5.0_±1%，克服了普通試驗機測量精度低的缺陷；
[0027]5、可直觀觀察試件的徑向變形，通過拍攝設備并結(jié)合圖像處理系統(tǒng)軟件，更能準確的測量試件的徑向變形；
[0028]6、在試驗過程中，觀察液氣混合物的流動，計算水氣混合物的流量等，通過發(fā)明的結(jié)構(gòu)，對巖石、煤巖進行相關的滲流特性研宄，通過可視化壓力室，直觀的觀測含瓦斯煤巖的單軸、三軸等受力狀態(tài)滲流作用下的破壞形態(tài)，對煤層氣、頁巖氣和原油的開采具有非常重要的指導意義。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2為本發(fā)明上部的側(cè)視圖。
[0031]圖3為本發(fā)明中照相機和攝像機的布置示意圖。
[0032]圖4為本發(fā)明的液路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖5為定位架的側(cè)視圖。
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