可視化三軸試驗系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可視化三軸試驗系統(tǒng)，用于巖石(土)力學(xué)特征的試驗。
【背景技術(shù)】
[0002]三軸試驗機，是一種符合現(xiàn)代巖土力學(xué)研宄領(lǐng)域，研宄巖石(土 )力學(xué)特性的新型試驗設(shè)備?？筛鶕?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。可自動完成巖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(shè)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(xué)的重要手段，巖石三軸試驗數(shù)據(jù)是巖石力學(xué)一個重要參數(shù)。它能比較完整地模擬巖土在原始地應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能，是工程設(shè)計的重要依據(jù)。由于深部巖石處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，采礦工程中所遇到的巖體或礦體多處于三向應(yīng)力狀態(tài)，本身又是一種十分復(fù)雜的天然材料；在很多情況下，簡單應(yīng)力狀態(tài)下的巖石應(yīng)力試驗不能完全反映工程實際中的巖體應(yīng)力狀態(tài)，必須充分認識復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下巖石的力學(xué)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(xué)性質(zhì)的基本試驗設(shè)備，根據(jù)巖石試驗規(guī)程以及目前的工程建設(shè)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(yīng)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。可以根據(jù)要求設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備
[0007]在研宄土體力學(xué)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(xué)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(shù)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系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種可視化三軸試驗系統(tǒng)，具有固定架(I)，其關(guān)鍵在于:在所述固定架(I)的頂部設(shè)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￠)，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(shè)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(shè)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(shè)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]在所述透明壓力室(5)的外圍設(shè)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)；
[0011]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，在所述透明壓力室(5)與手動泵(17)之間的連接管路上設(shè)有第一蓄能器(A)，該第一蓄能器(A)包括蓄能器外殼(20)、囊袋(22)、閥芯(23)和油嘴(24)，在蓄能器外殼(20)內(nèi)設(shè)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)，所述蓄能器外殼(20)的底部設(shè)置油嘴(24)，油嘴(24)與第一支管
(18)的一頭連接，第一支管(18)的另一頭連接在供油管(16)上；
[0012]在所述液壓缸(7)的背面安裝伺服閥(13)，液壓缸(7)的進油口和出油口均與伺服閥(13)連通，所述伺服閥(13)的進油口通過第一油管(33)與變量柱塞式液壓泵(34)的出油口連接，變量柱塞式液壓泵(34)安裝于油箱(35)上，伺服閥(13)的回油出口通過第二油管(36)與變量柱塞式液壓泵(34)的回油口連接；在所述伺服閥(13)與變量柱塞式液壓泵(34)的連接管路上設(shè)有第二蓄能器(B)，該第二蓄能器(B)的結(jié)構(gòu)與第一蓄能器(A)相同，第二蓄能器(B)底部的油嘴與第二支管(37)的一頭連接，第二支管(37)的另一頭連接在第二油管(36)上。
[0013]采用以上技術(shù)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(yīng)控制電路的作用下，即可測量試件的軸向變形和所受壓力。
[0014]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(dǎo)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。
[0015]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(yīng)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。
[0016]本發(fā)明采用手動泵作為圍壓液壓油的動力源，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，采用第一蓄能器中的8Mpa囊袋持續(xù)為透明壓力室提供1Mpa的壓力。在第一蓄能器中，主要有8Mpa惰性氣體囊袋，囊袋外面，第一蓄能器外殼中有1Mpa的液壓油，此液壓油通過第一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，則第一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，則由第一蓄能器中的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。
[0017]本發(fā)明采用變量柱塞式液壓泵作為軸壓液壓油的動力源，由于變量柱塞式液壓泵里斜盤移動，會導(dǎo)致變量柱塞式液壓泵壓力下降，因此，采用第二蓄能器中的SMpa囊袋持續(xù)