一種飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，它包括：壓力室（1），計算機（2）、軸力體積控制器（3）、圍壓體積控制器（4）、反壓體積控制器（5）、數據采集盒（6）和與計算機（2）相連的壓力體積控制系統。本發明所述的三軸試驗系統結構設計合理，操作方便，自動化程度高，穩定性好，可精確控制土體的復雜應力路徑。
【專利說明】一種飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統
所屬【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測試飽和土變形、強度特性的試驗儀器，尤其涉及一種能精確模擬土體應力路徑,能自動處理試驗數據，實時生成試驗圖表的三軸試驗系統。
【背景技術】
[0002]三軸儀是用于測試土體變形、強度特性的土工試驗儀器，考慮土體真實應力路徑的三軸試驗能夠建立反映原位土體真實力學行為的本構關系，對于科學研究以及土木工程設計具有重大意義。
[0003]現有技術的三軸儀自動化程度很低，有的完全依靠手動操作，模擬應力路徑的功能差，甚至不具備這樣的功能。例如應變控制式三軸儀，由于試驗土樣的豎向最大主應力完全依賴于圍壓和土樣豎向應變速率，所以無法模擬土樣的應力路徑。常規的應力控制式三軸儀使用砝碼施加軸向力，受限于加載方式和自動化低，只能模擬簡單的應力路勁。
[0004]經過專利文獻檢索，現有技術在應力路徑和試驗自動化方面對常規三軸儀做了一些有益的探索和改進，例如:(1) 一種應力路徑自動控制三軸儀(中國專利申請號為:201110253505.5)，將常規應變控制式三軸儀的軸向加壓系統換成由微機控制的氣壓加壓系統，從而實現了應力控制式三軸儀的功能，但是受到氣壓加載能力和控制靈活性的限制，難以模擬復雜的應力路徑。(2)—種基于拉壓扭剪耦合的應力路徑三軸儀(中國專利申請號為:201310064907.X)，軸向荷載通過電動機以及軸向傳動絲杠來施加，對于土樣豎向變形速率較大的情況軸向荷載的可控性較差，因此能夠模擬的應力路徑十分有限。(3)—種應力路徑全自動液壓伺服控制式剛柔性多功能三軸儀(中國專利申請號:201210315390.2)，雖然實現了伺服液壓控制應力路徑，但是由于軸向荷載采用的是反力架豎向加載，并且將荷重傳感器置于壓力室外部，會導致施加于土樣的軸向力無法消除傳力桿摩擦力的影響，試驗精確度不高。
【發明內容】
[0005]發明目的:本發明的目的是為了克服現有技術的以下不足:
(1)現有三軸儀不能精確控制土體的復雜應力路徑出種應力路徑)；
(2)僅僅實現元器件操作的自動化，試驗過程控制仍舊依靠手動操作(閉環伺服控制)，無法自動處理試驗數據、實現試驗數據可視化。
[0006]本發明提供一種自動化程度高，可精確控制土體的復雜應力路徑出種應力路徑)的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統。
[0007]技術方案:為了實現以上目的，本發明采取的技術方案為:
一種飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，它包括:壓力室，計算機、軸力體積控制器、圍壓體積控制器、反壓體積控制器、數據采集盒和與計算機相連的壓力體積控制系統；所述的計算機、軸力體積控制器、圍壓體積控制器、反壓體積控制器和數據采集盒通過通訊串口串聯； 所述的壓力室包括基座、安裝在基座上有機玻璃筒、連接螺桿，安裝在有機玻璃筒上的頂板，所述頂板連接有連接桿，連接桿與機玻璃筒內的水下荷重傳感器相連，水下荷重傳感器下端依次與試樣帽和拉伸帽相連；
所述的軸向體積控制器的出水口和壓力室基座的基座進水口相連；
所述的圍壓體積控制器的出水口和壓力室的注水口相連；
所述的反壓體積控制器的出水口和壓力室的反壓進水口相連；
所述的壓力室底板側面的排水口連接有孔隙水壓力傳感器，壓力室的基座的懸臂梁上安裝有軸向位移傳感器；
所述的孔隙水壓力傳感器、水下荷重傳感器和軸向位移傳感器的數據線接口分別與數據采集盒的采集端口相連。
[0008]作為優選方案，以上所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，所述的軸力體積控制器、圍壓體積控制器和反壓體積控制器均包括控制面板和依次相連的啟動步進電機、減速器、帶動聯軸器、絲杠與活塞，所述的活塞安裝在水缸中。所述軸力體積控制器、圍壓體積控制器、反壓體積控制器，通過電機和減速機驅動滾珠絲杠，從而推動水缸活塞輸出壓力。滾珠絲杠轉動的角度和圈數能夠精確計算水缸中水體積的變化，精度為0.0Olml0
[0009]作為優選方案，以上所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，所述的基座包括包括上螺桿、下螺桿、連接上螺桿和下螺桿的螺桿連接套，下螺桿外設有下螺桿隔套，下螺桿貫穿懸臂梁，懸臂梁由螺桿連接套和下螺桿隔套夾緊，所述的下螺桿的下端安裝有下活塞，下膜片安裝在下活塞和密封螺母之間，且下膜片的邊耳固定在壓力室基座的內壁上，所述的下膜片與壓力室基座底部形成一個與基座進水口連通的小空腔，所述的上螺桿的上端安裝上活塞，上膜片安裝在上活塞和試樣座活塞之間，上膜片的邊耳固定在壓力室基座的內壁上，試驗座活塞的頂面安裝有試樣座和試樣座底板，試驗座活塞外周安裝有下封板。
[0010]作為優選方案，以上所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，所述的壓力體積控制系統由微機控制，壓力體積控制系統包括中央控制器、2通道16位A/D轉換器、薄膜按鍵控制單元、LCD顯示單元、電機驅動單元、液壓傳感器測量單元、限位開關單元、串口通信單元。
[0011]作為優選方案，以上所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，所述的數據采集盒包括8通道16位A/D轉換器、中央控制器、串口通信，16位A/D轉換器的通道與檢測傳感器接口。
[0012]以上所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，所述的軸力體積控制器的壓力輸出范圍為0?3Mpa，采用金屬T型三通三向閥門控制壓力輸出，其耐壓值范圍為-1OMpa?1Mpa。
[0013]所述圍壓體積控制器的壓力輸出范圍為(T2Mpa，采用金屬T型三通三向閥門控制壓力輸出，其耐壓值范圍為-1OMpa?lOMpa。
[0014]所述反壓體積控制器的壓力輸出范圍為(T2Mpa，采用金屬T型三通三向閥門控制壓力輸出，其耐壓值范圍為-1OMpa?lOMpa。
[0015]所述孔隙水壓力傳感器為壓阻式傳感器，量程為:(T2Mpa，精度為lkPa。
[0016]所述水下荷重傳感器量程為:(TlOkN，精度為IN。
[0017]所述位移傳感器為數顯千分表所述位移傳感器，量程為:(T50mm，精度為0.003mm,分辨率 0.0001mm。
[0018]在試驗系統的控制上，用戶通過控制面板選擇試驗類型(可以設置多級試驗階段)，輸入試驗所需的所有參數和試驗結束條件參數(包括該階段試驗時間、該級試驗結束后各控制器如何工作等參數設置)，用戶輸入完畢，三軸試驗系統就可以全自動的進行所有試驗步驟，實時采集試驗數據，實時保存并計算試驗所需各類參數數據，顯示6種各類試驗曲線圖(用戶可自行設置)。試驗系統全自動控制的原理如圖4所示。
[0019]與現有技術對比，本發明的有益效果是:
1、本發明采用閉環控制的水壓力體積控制系統，軸壓、反壓和圍壓自身實現伺服控制加載，而且整個系統又可實現閉環伺服控制。
[0020]2、采用基座底部進水施加試樣軸壓，應用水下荷重傳感器采集軸壓，軸壓控制更精確。
[0021]3、采用拉伸帽結合試樣帽為試樣施加軸壓，能夠模擬任意應力路徑，能夠進行低頻循環試驗。
[0022]4、計算機、軸力體積控制器、圍壓體積控制器、反壓體積控制器形成大閉合回路控制，三個水壓力體積控制器各自又形成獨立的閉環回路控制，數據采集精度和控制精度更聞。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統的結構示意圖。
[0024]圖2是拉伸帽和試樣帽剖面圖。
[0025]圖3是三軸壓力室基座剖面圖。
[0026]圖4是試驗系統原理圖。
[0027]圖5是試驗系統邏輯圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0029]如圖1至圖3所示，一種飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，它包括:壓力室
(1)，計算機(2)、軸力體積控制器(3)、圍壓體積控制器(4)、反壓體積控制器(5)、數據采集盒(6)和與計算機(2)相連的壓力體積控制系統；
所述的計算機(2)、軸力體積控制器(3)、圍壓體積控制器(4)、反壓體積控制器(5)、數據采集盒(6)通過通訊串口串聯；
所述的壓力室(I)包括基座(17)、安裝在基座(17)上有機玻璃筒(14)、連接螺桿(13)，安裝在有機玻璃筒(14)上的頂板(8 )，所述頂板(8 )連接有連接桿(7 )，連接桿(7 )與機玻璃筒(14)內的水下荷重傳感器(9)相連，水下荷重傳感器(9)下端依次與試樣帽(11)和拉伸帽(10)相連；
所述的軸向體積控制器(3 )的出水口( 23 )和壓力室(I)基座(17 )的基座進水口( 18 )相連； 所述的圍壓體積控制器(4)的出水口(22)和壓力室(I)的注水口(19)相連；
所述的反壓體積控制器(5)的出水口(21)和壓力室(I)的反壓進水口(20)相連；所述的壓力室(I)底板側面的排水口連接有孔隙水壓力傳感器(15)，壓力室(I)的基座(17)的懸臂梁(42)上安裝有軸向位移傳感器(16)；
所述的孔隙水壓力傳感器(15)、水下荷重傳感器(9)和軸向位移傳感器(16)的數據線接口分別與數據采集盒的采集端口相連。
[0030]以上所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，所述的軸力體積控制器(3)、圍壓體積控制器(4)和反壓體積控制器(5)均包括控制面板(30)和依次相連的啟動步進電機
(24)、減速器(25)、帶動聯軸器(26)、絲杠(27)與活塞28，所述的活塞28安裝在水缸(29)中。
[0031]以上所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，所述的基座(17)包括包括上螺桿(39)、下螺桿(41 )、連接上螺桿(39)和下螺桿(41)的螺桿連接套(40)，下螺桿(41)外設有下螺桿隔套(43)，下螺桿(41)貫穿懸臂梁(42)，懸臂梁(42)由螺桿連接套(40)和下螺桿隔套(43)夾緊，所述的下螺桿(41)的下端安裝有下活塞(45)，下膜片(44)安裝在下活塞(45)和密封螺母(46)之間，且下膜片(44)的邊耳固定在壓力室基座(17)的內壁上，所述的下膜片(44)與壓力室基座(17)底部形成一個與基座進水口( 18)連通的小空腔，所述的上螺桿(39 )的上端安裝上活塞(38 )，上膜片(37 )安裝在上活塞(38 )和試樣座活塞(36 )之間，上膜片(37)的邊耳固定在壓力室基座(17)的內壁上，試驗座活塞(36)的頂面安裝有試樣座(47 )和試樣座底板(34)，試驗座活塞(36 )外周安裝有下封板(35 )。
[0032]以上所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，所述的壓力體積控制系統由微機控制，壓力體積控制系統包括中央控制器、2通道16位A/D轉換器、薄膜按鍵控制單元、IXD顯示單元、電機驅動單元、液壓傳感器測量單元、限位開關單元、串口通信單元。
[0033]以上所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，所述的數據采集盒(6)包括8通道16位A/D轉換器、中央控制器、串口通信，16位A/D轉換器的通道與檢測傳感器接口。
[0034]本發明所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，壓力體積控制器的工作方式。軸力體積控制器(3)、圍壓體積控制器(4)和反壓體積控制器(5)根據用戶在計算機(2)或控制面板(30 )中設定的水壓力，從串行接口獲得電信號，通過啟動步進電機(24 )和減速器(25 )，帶動聯軸器(26 )使得絲杠(27 )能夠精確地旋轉一定的圈數或角度，推動水缸(29 )中的活塞(28)產生水壓力。
[0035]三軸壓縮和三軸拉伸試驗過程中，將飽和土試樣(12)安裝在試樣座(47)上，試樣
(12)頂面依次安裝試樣帽(11)和拉伸帽(10)。拉伸帽(10)上端通過螺孔與水下荷載傳感器(9)連接，下端與試樣帽(11)密封連接。上膜片(37)密封性和耐壓性很好，壓力室頂板
(8)、有機玻璃筒(14)、下封板(35)安裝好以后，壓力室(I)完全密封。通過注水口(19)能夠為試樣(12)提供圍壓。
[0036]當軸力體積控制器(3)內的水通過基座進水口(18)進入下膜片(44)下部的空腔時，向上推動壓力室基座(17 )中間的豎向活動構件(上螺桿(39 )、下螺桿(41)、連接上螺桿(39 )和下螺桿(41)的螺桿連接套(40 )，下螺桿隔套(43 ))，試樣座(47 )推動試樣(12 )向上壓縮，進行三軸壓縮試驗。當軸力體積控制器(3)內活塞回退，下膜片(44)下部空腔中的水通過基座進水口( 18 )流出，壓力室基座(17 )中間的豎向活動構件向下移動。由于試樣(12 )的頂面安裝了拉伸帽(10)，能夠確保試樣(12)的頂面位置不變，試樣(12)隨試樣座(47)的下移受到拉伸，進行三軸拉伸試驗。
[0037]試樣軸向荷載的采集，由于壓力室基座(17)內部安裝了上膜片(37)、下膜片
(44)，因此在軸向荷載施加過程中，(上螺桿(39)、下螺桿(41)、螺桿連接套(40)和下螺桿隔套(43)構成的豎向活動構件與壓力室基座(17)內壁的摩擦非常小，可確保軸向荷載施加的準確度。軸向荷載的自動采集依靠安裝于連接桿(7)的水下荷重傳感器(9)。
[0038]連接桿(7)在試樣(12)安裝完畢以后可以通過緊固密封機構與壓力室頂板(8)牢固連接，荷重傳感器(9)的數據采集線從連接桿(7)的中間引出到壓力室(I)的外面，通過水下荷重傳感器(9)采集試樣(12)的軸向荷載能夠完全消除連接桿(7)與壓力室頂板(8)之間的摩擦力，從而可保證軸向荷載采集的精確度。
[0039]本發明所涉及的全自動應力路徑三軸儀由三軸壓力室、三個微機控制的壓力體積控制系統、數據采集盒、計算機和相應軟件組成。壓力體積控制系統可以通過計算機軟件控制加載。整個系統由計算機控制，可設置摸擬各種復雜的應力路徑，可模擬低頻循環加載，并自動實現數據的采集與處理、參數的計算以及圖形的繪制，整個系統是閉環回路。
[0040]本發明所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，如圖4所示，試驗運行指令(注水、排水、加壓)通過薄膜按鍵輸入中央控制器，中央控制器控制步進電機的速度及轉向，啟動A/D轉換，A/D轉換器將采集到的壓力、位移、荷重傳感器、軸力的模擬信號轉換成數字信號發送給中央控制器，同時將采集到的壓力與設置的目標壓力值不斷比較，不斷反饋逐漸向目標值逼近，并將采集到的傳感器的值用LCD顯示屏顯示。
[0041]如圖5所示，開始試驗前，打開電源控制開關，實驗系統自動進入初始化，進行系統自檢，獲取傳感器初始數據，等待試驗開始指令。一旦接到實驗開始指令，系統讀取輸入參數，控制三個步進電機運轉，系統記錄驅動電機推動升降機主軸運行位移量，同時將荷重傳感器、孔隙水壓力傳感器和位移傳感器采集的數據，經A/D轉換后反饋給定時監測與校正模塊，并在LCD屏幕顯示出來，系統記錄并儲存運行數據。
[0042]以上所述，僅為本發明最佳具體實施方法，但本發明的構造特征并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員，在本發明領域內，可輕易思及的變化或修飾，皆可涵蓋在權利要求范圍內。
【權利要求】
1.一種飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，其特征在于，它包括:壓力室(1)，計算機(2)、軸力體積控制器(3)、圍壓體積控制器(4)、反壓體積控制器(5)、數據采集盒(6)和與計算機(2)相連的壓力體積控制系統； 所述的計算機(2)、軸力體積控制器(3)、圍壓體積控制器(4)、反壓體積控制器(5)、數據采集盒(6)通過通訊串口串聯； 所述的壓力室(I)包括基座(17)、安裝在基座(17)上有機玻璃筒(14)、連接螺桿(13)，安裝在有機玻璃筒(14)上的頂板(8)，所述頂板(8)連接有連接桿(7)，連接桿(7)與機玻璃筒(14)內的水下荷重傳感器(9)相連，水下荷重傳感器(9)下端依次與試樣帽(11)和拉伸帽(10)相連； 所述的軸向體積控制器(3 )的出水口( 23 )和壓力室(I)基座(17 )的基座進水口( 18 )相連； 所述的圍壓體積控制器(4)的出水口(22)和壓力室(I)的注水口(19)相連； 所述的反壓體積控制器(5)的出水口(21)和壓力室(I)的反壓進水口(20)相連； 所述的壓力室(I)底板側面的排水口連接有孔隙水壓力傳感器(15)，壓力室(I)的基座(17)的懸臂梁(42)上安裝有軸向位移傳感器(16)； 所述的孔隙水壓力傳感器(15)、水下荷重傳感器(9)和軸向位移傳感器(16)的數據線接口分別與數據采集盒的采集端口相連。
2.根據權利要求1所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，其特征在于，所述的軸力體積控制器(3)、圍壓體積控制器(4)和反壓體積控制器(5)均包括控制面板(30)和依次相連的啟動步進電機(24)、減速器(25 )、帶動聯軸器(26 )、絲杠(27 )與活塞(28 )，所述的活塞(28)安裝在水缸(29)中。
3.根據權利要求1所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，其特征在于，所述的基座(17)包括包括上螺桿(39)、下螺桿(41)、連接上螺桿(39)和下螺桿(41)的螺桿連接套(40)，下螺桿(41)外設有下螺桿隔套(43)，下螺桿(41)貫穿懸臂梁(42)，懸臂梁(42)由螺桿連接套(40)和下螺桿隔套(43)夾緊，所述的下螺桿(41)的下端安裝有下活塞(45)，下膜片(44)安裝在下活塞(45)和密封螺母(46)之間，且下膜片(44)的邊耳固定在壓力室基座(17)的內壁上，所述的下膜片(44)與壓力室基座(17)底部形成一個與基座進水口(18)連通的小空腔，所述的上螺桿(39)的上端安裝上活塞(38)，上膜片(37)安裝在上活塞(38)和試樣座活塞(36)之間，上膜片(37)的邊耳固定在壓力室基座(17)的內壁上，試驗座活塞(36)的頂面安裝有試樣座(47)和試樣座底板(34)，試驗座活塞(36)外周安裝有下封板(35)。
4.根據權利要求1所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，其特征在于，所述的壓力體積控制系統由微機控制，壓力體積控制系統包括中央控制器、2通道16位A/D轉換器、薄膜按鍵控制單元、LCD顯示單元、電機驅動單元、液壓傳感器測量單元、限位開關單元、串口通信單元。
5.根據權利要求1所述的飽和土應力路徑全自動三軸試驗系統，其特征在于，所述的數據采集盒(6)包括8通道16位A/D轉換器、中央控制器、串口通信，16位A/D轉換器的通道與檢測傳感器接口。
【文檔編號】G01N3/08GK104048879SQ201410311953
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月2日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】季李通, 姜淮莉 申請人:南京力淮軟件科技有限公司