專利名稱：電液伺服巖石三軸流變試驗裝置及試驗方法
技術領域：
本發明涉及一種巖石力學性質試驗設備，尤其涉及一種軸向承載較大、高圍壓的電液伺服巖石三軸流變試驗裝置及試驗方法。
背景技術：
在水利水電、礦山、交通等領域需修建的深部地下工程日趨增多。隨著深度的增力口，地應力增大、地質條件惡化、破碎巖體增多、水頭壓力和涌水量加大、地溫升高等因素顯現，為研究深部工程巖體的力學特性，尤其是高應力條件下工程巖體的長期強度及時效變形特性，最直接的、經濟的途徑是開展室內巖石三軸流變試驗，通過試驗獲得復雜地質條件下巖石的長期強度參數及時效變形特征，以便在保證工程長期穩定性及長期運營安全。室內試驗具有能夠長期觀察、可嚴格控制試驗條件、重復次數多和耗資少等優點， 受到廣泛的重視，但由于巖石工程處于復雜應力狀態下，在很多情況下，簡單應力狀態下的巖石流變試驗不能完全反映工程實際中的巖體應力狀態和巖石性態，因此，三軸應力狀態條件下的巖石流變試驗研究十分重要。巖石的變形和應力受時間因素的影響，在外部條件不變的情況下，巖石的變形或應力隨時間而變化發生流變。巖石的流變是一種十分普遍的現象，在斜坡、地下洞室及地基中都可直接觀測到。由于流變的影響，將在巖體內及建筑物內產生應力集中或變形加劇而影響其穩定性。因而，巖石工程中巖體的長期變形及強度是工程設計和控制中不可忽視的指標，巖石流變試驗是了解巖石流變力學特性的重要手段。采用的常規三軸試驗儀器設備來進行巖石三軸流變試驗，不是針對巖石長期三軸流變試驗而設計的。因而，針對復雜應力狀態下巖石流變特性，研究流變試驗的高剛度加載框架；尤其是針對在軸力、高圍壓長時間穩壓等技術方面，如承載有限、變形較大和環境溫度變化時，控制穩壓精度尚存欠缺，在軸向、圍壓穩壓系統采用伺服控制器和計算機進行穩壓系統控制，在測試、安裝試件、長時穩壓和數據自動采集及停電補償等方面，都存在有難以避免的問題。

發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術的缺陷，提供一種適合變形較大且實現高圍壓能夠自動穩壓，電液伺服控制加壓和自動采集數據儲存的室內巖石單軸流變、三軸流變試驗設備。本發明的另一個目的就是提供一種軸壓、圍壓加載系統伺服控制絲桿位移，自動穩壓、電液伺服控制加壓的室內巖石單軸流變、三軸流變試驗方法，提高控制穩壓精度，達到長時間穩壓。本發明解決其技術問題采用以下技術方案一種電液伺服三軸流變試驗裝置，包括主機框架、框架下置油缸及活塞組件、設置在油缸活塞組件與框架橫梁之間的壓力室裝置，主要是壓力室裝置為筒體內置油缸及平衡活塞組件，試件設置在油缸內的底座與平衡活塞組件之間，平衡活塞組件上設置軸向力傳感器，且上頂主機框架橫梁；試件軸向端面分別接軸向變形傳感器，試件的側面接徑向變形傳感器；軸壓加載系統、圍壓加載系統分別由伺服電機帶動滾軸絲杠傳動裝置，滾軸絲杠傳動位移推動軸壓、圍壓加壓缸，軸壓加載系統上的加壓油管接入下置油缸，圍壓加載系統上的加壓油管接入壓力室裝置內置油缸底部；其中，圍壓加壓缸接圍壓傳感器，圍壓范圍O 70Mpa，軸壓加載系統、圍壓加載系統上的滾軸絲杠分別接軸壓加載絲杠位移傳感器、圍壓加載絲杠位移傳感器；軸向變形傳感器、徑向變形傳感器、軸向力傳感器、軸向加載絲杠位移傳感器、伺服電機分別接入軸壓控制系統，圍壓傳感器、圍壓加載絲杠位移傳感器、伺服電機分別接入圍壓控制系統。 所述壓力室裝置內的試件，其上設置有軸承，且上頂平衡活塞組件。而且，壓力室筒體和底座由卡箍聯接；起吊裝置安裝在支架橫梁上。 而且，主機框架上安裝有軌道，帶輪小車設置在軌道上，壓力室裝置固定在小車上，小車可在軌道上移動，并且移動至油缸活塞組件與框架橫梁之間保持對中放置。一種電液伺服三軸流變試驗方法I)軸壓加載系統通過加壓油管對下置油缸加壓，油缸活塞組件推舉壓力室裝置向上移動，試件上端的平衡活塞組件將承載的軸向力通過軸向力傳感器將軸壓信號傳送至軸壓控制系統；圍壓加載系統通過加壓油管對壓力室裝置內置油缸加壓，圍壓傳感器將圍壓信號傳送至圍壓控制系統，軸壓控制系統、圍壓控制系統控制軸壓和圍壓恒定；2)試件發生形變,軸向、徑向變形傳感器輸出信號，引發軸壓、圍壓瞬時波動,軸向力傳感器、圍壓傳感器將信號分別傳送至軸壓、圍壓控制系統，軸壓、圍壓控制系統及時根據反饋信號發出指令分別啟動伺服電機控制滾軸絲杠位移前進或后退，加壓缸活塞桿移動，分別調節加壓缸輸出的軸壓、圍壓，達到長時間穩壓。而且，軸壓和圍壓控制系統由伺服控制器及傳感器構成，伺服控制器將軸向力傳感器、圍壓傳感器、軸向及圍壓位移傳感器、軸向變形傳感器、徑向變形傳感器的信號進行放大處理顯示和控制伺服電機，控制器接入計算機數據采集系統。本發明與現有技術相比還具有以下的主要優點I、由于本發明采用壓力室內為試件及液壓油加載腔室，壓力室筒體和底座采用卡箍連接結構，拆卸方便、快捷。2、由于本發明采用軸壓、圍壓加載系統，伺服電機進行自動穩壓，長時間穩定性能良好。軸壓、圍壓加載系統為兩個相互獨立的加載裝置，通過軸壓、圍壓加載，軸向力加載油缸及活塞組件，推動壓力室裝置上移，在試驗過程中保持軸壓恒定，采用自平衡活塞組件，能自動保持圍壓的基本恒定，有利于提高軸壓、圍壓的控制精度和軸壓、圍壓的長時穩定度，可以進行室內巖石單軸壓縮流變、三軸壓縮流變試驗。3、由于本發明在試件的軸向兩端面、側面分別接軸向變形傳感器、徑向變形傳感器，而且設置軸向力傳感器、圍壓傳感器、軸壓加載絲杠位移傳感器、圍壓加載絲杠位移傳感器，將它們分別接入伺服控制器，試件發生變形，軸向、徑向變形傳感器輸出信號，引發軸壓、圍壓瞬時波動，伺服控制器將得到的傳感器信號放大處理和控制調整伺服電機，伺服控制滾軸絲杠位移前進或后退，加壓缸活塞桿移動，分別調節加壓缸輸出的軸壓、圍壓，以此達到長時穩壓，軸向、圍壓加載系統的控制部分加載平穩，控制波動度較小，可以采用壓力控制或變形控制，也可以在試驗過程中進行控制方式的平滑切換，在長時間的試驗中，可以進行間斷控制，控制的方式和間隔時間可以人為設置。4、由于本發明對軸向力加載，壓力室裝置上移，在試驗過程中保持軸壓恒定，采用自平衡活塞組件，而且在軸力、高圍壓下長時間穩壓，能自動保持高圍壓的基本恒定，改進巖石三軸流變試驗承載有限，圍壓較低的狀態，試驗過程中斷電對試驗影響較小，在不進行手動補償的情況下，壓力下降不到1% ;如果進行手動補償，則可以保持穩壓值。5、由于本發明采用軸壓和圍壓伺服控制系統由伺服控制器接入計算機數據采集系統，伺服控制器能自動穩壓，輸出信號進行軸壓和圍壓加載伺服控制，計算機采集系統自動記錄和自動控制試驗數據的連續采集和存儲，數據采集系統軟件在WINDOWS操作平臺上運行，可以自動進行數據處理，以及自動記錄絲桿位移時程曲線等。


·圖I是本發明的電液伺服巖石三軸流變試驗裝置示意圖。圖2是本發明的電液伺服巖石三軸流變試驗裝置的軸向、圍壓加載控制系統圖。圖3是本發明的電液伺服巖石三軸流變試驗250小時不間斷采集數據關系圖。圖4是本發明的電液伺服巖石三軸流變試驗450小時不間斷采集數據關系圖。圖5是本發明的電液伺服巖石三軸流變試驗770小時不間斷采集數據關系圖。I.壓力室裝置，2.筒體，3.內置油缸，4.平衡活塞組件，5.試件，6.底座，7.反力框架橫梁，8.軸向力傳感器，9、9'.軸向端面，10.軸向變形傳感器，11.試件側面，12.徑向變形傳感器，13.軸壓加載系統，13'.圍壓加載系統,14.軸承，15、15'.伺服電機,16、W .滾軸絲杠傳動裝置，17、17'.滾軸絲杠，18.軸壓加壓缸，IV .圍壓加壓缸，19.軸壓加壓油管，19'.圍壓加壓油管20.下置油缸，21.帶輪小車，22.圍壓傳感器，23.圍壓加載絲杠位移傳感器，23'.圍壓加載絲杠位移傳感器，24.卡箍，25.起吊裝置，26.支架橫梁，27.主機框架，28.軌道。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。如圖I所示，電液伺服巖石三軸流變試驗裝置，包括主機框架27、框架下置油缸20及活塞組件4、主機框架27上設有反力框架橫梁7，起吊裝置25安裝在支架橫梁26，便于試驗及試樣的裝卸，壓力室裝置I設置在油缸活塞組件4與反力框框架橫梁7之間，主機框架27設置成門式加載框架，具有較高的剛度。壓力室裝置I為筒體2狀，內面設置成油缸3及平衡活塞組件4，構成壓力室，壓力室筒體2和底座6由卡箍24聯接，便于試件放置；試件5設置在油缸3內的底座6與平衡活塞組件4之間，試件5上可以設置有軸承14，軸承14上頂平衡活塞組件4，平衡活塞桿4頂住軸向力傳感器8 ;試件5軸向兩端面9、9'分別接軸向變形傳感器10，試件5側面11分別接徑向變形傳感器12 ;主機框架27機座6上安裝有軌道28及小車21，壓力室I固定在小車21上，小車可在軌道28上移動，便于將壓力室裝置I移入油缸活塞組件4與框架橫梁7之間；
軸壓加載系統13由伺服電機15帶動滾軸絲杠傳動裝置16，滾軸絲杠17傳動位移推動軸壓加壓缸18，軸壓加載系統13上的加壓油管19接入下置油缸20，其中，滾軸絲杠17接軸壓絲杠位移傳感器23 ；圍壓加載系統13'、分別由伺服電機15'帶動滾軸絲杠傳動裝置16'，滾軸絲杠17'傳動位移推動圍壓加壓缸18'，其中，滾軸絲杠17'接圍壓絲杠位移傳感器23'，圍壓加壓缸18'接圍壓傳感器22，圍壓加載系統13'上的加壓油管19'接入壓力室裝置I內油缸3底部。軸向變形傳感器10、徑向變形傳感器12、軸向力傳感器8、軸壓絲杠位移傳感器
23、伺服電機15分別接入軸壓控制系統，圍壓傳感器22、圍壓絲杠位移傳感器23'、伺服電機15'分別接入圍壓控制系統。一種電液伺服三軸流變試驗方法，軸向加載系統通過加壓油管對下置油缸加壓，油缸活塞組件推動壓力室裝置向上移動，試件上端的平衡活塞組件將承載的軸向力通過軸向力傳感器將軸壓信號傳送至軸壓控制系統；圍壓加載系統通過加壓油管對壓力室裝置內置油缸加壓，圍壓傳感器將圍壓信號傳送至圍壓控制系統，軸壓控制系統、圍壓控制系統控制軸壓和圍壓恒定。當試件發生蠕變變形時，軸向、徑向變形傳感器輸出信號，引發軸壓、圍壓瞬時波動，軸向力傳感器、圍壓傳感器將信號分別傳送至軸壓、圍壓控制系統，軸壓、圍壓控制系統分別調整伺服電機，伺服控制滾軸絲杠位移前進或后退，加壓缸活塞桿移動，分別調節加壓缸輸出的軸壓、圍壓，達到長時間穩壓。 軸壓和圍壓控制系統由伺服控制器及傳感器構成，伺服控制器將軸向力傳感器、圍壓傳感器、軸向及圍壓位移傳感器、軸向變形傳感器、徑向變形傳感器的信號進行放大處理顯示和控制伺服電機，控制器接入計算機數據采集系統。軸壓、圍壓加載系統與充液油源其配套使用。實施例一I、試驗條件試件為圓柱狀綠片巖試件，試件直徑50mm、試件高度100mm。采用逐級加載偏應力的三軸流變試驗方案。試驗過程中圍壓分3次逐級卸荷，分別為40MPa、30MPa、20MPa。2、試驗步驟a)安裝起吊裝置、軌道及小車，將壓力室座固定在小車上。將壓力室腔室吊起，安裝固定好試件，并將軸向和徑向傳感器元件固定在試件上，接好引線，然后落下壓力室外腔，套好卡箍。b)啟動充液油源油泵的同時啟動伺服電機使加壓缸的滾軸絲桿退回；當加壓缸的活塞退回到設定位置時關閉充液油源油泵，打開放氣閥排氣，點動充液油源電機至放氣閥有油液排出，關閉放氣閥。油缸充液，充滿后關閉充液油源油泵，并關閉截止閥。c)啟動伺服電機，使用圍壓滾軸絲桿加載圍壓至40MPa ;然后啟動伺服電機，使用軸向力滾軸絲桿加載軸向力至30MPa，試驗軸壓和圍壓加載完成，整個試驗系統開始采集數據，包括整個長時間(本案例中250小時不間斷采集數據)應力-時間曲線、圍壓-時間曲線、試件軸向應變-試件曲線、試件徑向應變-試件曲線、軸向應力加載及穩壓過程中絲桿位移-試件曲線、及圍壓加載及穩壓過程中絲桿位移-試件曲線等，見圖2。
d)第一級加載完成后，此例中70小時后，開始加載第二級荷載；同樣啟動伺服電機，使用軸向力滾軸絲桿加載軸向力至40MPa，以此類推第三級加載。實施例二I、試驗條件試件為圓柱狀綠片巖試件，試件直徑50mm、試件高度100mm。采用逐級加載偏應力的三軸流變試驗方案。試驗過程中圍壓分3次逐級卸荷，分別為15MPa、10MPa、5MPa、2MPa ；軸向力相對應地分別為20MPa、55MPa、60MPa、65MPa、70MPa等。2、試驗步驟
a)安裝起吊裝置、軌道及小車，將壓力室座固定在小車上。將壓力室腔室吊起，安裝固定好試件，并將軸向和徑向傳感器元件固定在試件上，接好引線；然后落下壓力室外腔，套好卡箍。b)啟動充液油源油泵的同時啟動伺服電機使加壓缸的滾軸絲桿退回；當加壓缸的活塞退回到設定位置時關閉充液油源油泵，打開放氣閥排氣，點動充液油源電機至放氣閥有油液排出，關閉放氣閥。油缸充液，充滿后關閉充液油源油泵，并關閉截止閥。c)啟動伺服電機，使用圍壓滾軸絲桿加載圍壓至15MPa ;然后啟動伺服電機，使用軸向力滾軸絲桿加載軸向力至20MPa，試驗軸壓和圍壓加載完成，整個試驗系統開始采集數據，包括整個長時間(本案例中450小時不間斷采集數據)應力-時間曲線、圍壓-時間曲線、試件軸向應變-試件曲線、試件徑向應變一試件曲線等，見圖3。d)第一級加載完成后，此例中75小時后，開始加載第二級荷載；同樣啟動伺服電機，使用軸向力滾軸絲桿加載軸向力至55MPa;同時啟動伺服電機，使用圍壓加載系統滾軸絲桿卸載圍壓至IOMPa,以此類推第3 5級加載。實施例三I、試驗條件試件為圓柱狀綠片巖試件，試件直徑100mm、試件高度200mm。采用保持圍壓15MPa不變、逐級加載偏應力的三軸流變試驗方案。試驗過程中軸向應力分3次逐級加載，分別為25MPa、30MPa、35MPa。2、試驗步驟a)安裝起吊裝置、軌道及小車，將壓力室座固定在小車上。將壓力室腔室吊起，安裝固定好試件，并將軸向和徑向傳感器元件固定在試件上，接好引線；然后落下壓力室外腔，套好卡箍。b)啟動充液油源油泵的同時啟動伺服電機使加壓缸的滾軸絲桿退回；當加壓缸的活塞退回到設定位置時關閉充液油源油泵，打開放氣閥排氣，點動充液油源電機至放氣閥有油液排出，關閉放氣閥。油缸充液，充滿后關閉充液油源油泵，并關閉截止閥。c)啟動伺服電機，使用圍壓滾軸絲桿加載圍壓至15MPa ;然后啟動伺服電機，使用軸向力滾軸絲桿加載軸向力至25MPa，試驗軸壓和圍壓加載完成，整個試驗系統開始采集數據，包括整個長時間(本案例中770小時不間斷采集數據)圍壓-時間曲線、試件軸向應變-時間曲線等，見圖4。d)第一級加載完成后，此例中260小時后，開始加載第二級荷載；同樣啟動伺服電機，使用軸向力滾軸絲桿加載軸向力至30MPa，同時保持圍壓15MPa不變，以此類推第3 5級加 載。
權利要求
1.一種電液伺服三軸流變試驗裝置，包括主機框架、框架下置油缸及活塞組件、設置在油缸活塞組件與框架橫梁之間的壓力室裝置，其特征在于壓力室裝置I為筒體2內置油缸3及平衡活塞組件4，試件5設置在油缸3內的底座6與平衡活塞組件4之間，平衡活塞組件4上設置軸向力傳感器8，且上頂主機框架橫梁7 ;試件5軸向端面9、9'分別接軸向變形傳感器10，試件5的側面11接徑向變形傳感器12 ； 軸壓加載系統13、圍壓加載系統13'分別由伺服電機15、15'帶動滾軸絲杠傳動裝置16、16'，滾軸絲杠17、17'傳動位移推動軸壓、圍壓加壓缸18、18'，軸壓加載系統13上的加壓油管19接入下置油缸20，圍壓加載系統13'上的加壓油管19'接入壓力室裝置I內置油缸3底部；其中，圍壓加壓缸18'接圍壓傳感器22，圍壓范圍0 70Mpa，軸壓加載系統13、圍壓加載系統13'上的滾軸絲杠17、17'分別接軸壓加載絲杠位移傳感器23、圍壓加載絲杠位移傳感器23,； 軸向變形傳感器10、徑向變形傳感器12、軸向力傳感器8、軸向加載絲杠位移傳感器23、伺服電機15分別接入軸壓控制系統，圍壓傳感器22、圍壓加載絲杠位移傳感器23'、伺服電機15'分別接入圍壓控制系統。
2.根據權利要求I所述的一種電液伺服三軸流變試驗裝置，其特征在于所述壓力室裝置I內的試件5，其上設置有軸承14，且上頂平衡活塞組件4。
3.根據權利要求I或2所述的一種電液伺服三軸流變試驗裝置，其特征在于壓力室筒體2和底座6由卡箍24聯接。
4.根據權利要求I所述的一種電液伺服三軸流變試驗裝置，其特征在于起吊裝置25安裝在支架橫梁26上。
5.根據權利要求I所述的一種電液伺服三軸流變試驗裝置，其特征在于主機框架27上安裝有軌道28，帶輪小車21設置在軌道上，壓力室裝置I固定在小車29上，小車29可在軌道28上移動，并且移動至油缸活塞組件4與框架橫梁7之間保持對中放置。
6.根據權利要求I所的一種電液伺服三軸流變試驗方法，其特征在于 1)軸壓加載系統通過加壓油管對下置油缸加壓，油缸活塞組件推舉壓力室裝置向上移動，試件上端的平衡活塞組件將承載的軸向力通過軸向力傳感器將軸壓信號傳送至軸壓控制系統；圍壓加載系統通過加壓油管對壓力室裝置內置油缸加壓，圍壓傳感器將圍壓信號傳送至圍壓控制系統，軸壓控制系統、圍壓控制系統控制軸壓和圍壓恒定； 2)試件發生形變，軸向、徑向變形傳感器輸出信號，引發軸壓、圍壓瞬時波動，軸向力傳感器、圍壓傳感器將信號分別傳送至軸壓、圍壓控制系統，軸壓、圍壓控制系統及時根據反饋信號發出指令分別啟動伺服電機控制滾軸絲杠位移前進或后退，加壓缸活塞桿移動，分別調節加壓缸輸出的軸壓、圍壓，達到長時間穩壓。
7.根據權利要求6所述的一種電液伺服三軸流變試驗方法，其特征在于軸壓和圍壓控制系統由伺服控制器及傳感器構成，伺服控制器將軸向力傳感器、圍壓傳感器、軸向及圍壓位移傳感器、軸向變形傳感器、徑向變形傳感器的信號進行放大處理顯示和控制伺服電機，控制器接入計算機數據采集系統。
全文摘要
本發明公開了一種電液伺服三軸流變試驗裝置及方法，軸向加載系統對下置油缸加壓，油缸活塞組件推動壓力室裝置中的試件向上移動，平衡活塞組件承載軸向力由軸向力傳感器將信號傳至軸壓控制系統；圍壓加載系統對壓力室裝置內置油缸加壓，圍壓傳感器將信號傳至圍壓控制系統，軸壓控制系統、圍壓控制系統控制流變試驗過程中軸壓和圍壓長期恒定；該過程中試件發生蠕變變形，引致軸壓、圍壓即時波動，軸向力傳感器、圍壓傳感器隨時將信號傳送至軸壓、圍壓控制系統，該系統會根據反饋信號波動大小分別發出指令啟動伺服電機，伺服控制滾軸絲杠位移前進或后退，加壓缸活塞桿移動，分別調節加壓缸輸出的軸壓、圍壓，控制穩壓精度高，且達到長時間自動穩壓。
文檔編號G01N3/12GK102890033SQ20121000456
公開日2013年1月23日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者鄔愛清, 周火明, 朱杰兵, 汪斌, 鐘作武, 郝慶澤, 劉小紅, 蔣昱州, 黃書嶺 申請人:長江水利委員會長江科學院