一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪论文和设计-刘保国

全文摘要

本实用新型属于岩石力学与工程领域室内试验技术领域，具体涉及一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪。包括伺服电机加载装置、伺服电机加载控制单元、机械加载装置、以及机械稳压装置；其中，本实用新型所述蠕变仪采用砝码配重稳压的机械稳压方式，克服了现有伺服控制下的岩石单轴压缩流变仪在长时间范围内稳压效果差、伺服精度低、断电影响试验进度的缺点；采用伺服电机加压、机械加压两种方式，伺服电机加压为主，机械加压为辅，克服了普通机械控制单轴蠕变试验机需要手动加载，费时费力的缺点；并且所述机械稳压装置，通过砝码配重进行稳压的方式，即使在试件产生压缩蠕变变形的情况下，也能够实时补压，确保荷载长期稳定。

主设计要求

1.一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪，其特征在于，包括伺服电机加载装置、伺服电机加载控制单元、机械加载装置、以及机械稳压装置；伺服电机加载装置，用于在蠕变试验初期对试件施加荷载，在所述伺服电机加载装置的顶部设置第一承压板，所述试件放置于所述第一承压板的上部；伺服电机加载控制单元，和所述伺服电机加载装置连接，用于控制伺服电机加载装置关闭或开启，并且用于在蠕变试验初期控制所述伺服电机加载装置按照一定加载速度对试件施加荷载至目标设定荷载值；机械加载装置，包括设置于试件上部的丝杆升降机，在所述丝杆升降机的下部设置第二承压板，所述试件位于所述第一承压板和所述第二承压板之间，在所述第一承压板下部或内部安装压力传感器，用于实时测量试件实际承受荷载值；所述机械加载装置通过控制所述丝杆升降机的升降对试件进行补压；机械稳压装置，包括稳压轮轴、钢绞线、挂钩、砝码；所述稳压轮轴和所述丝杆升降机连接，所述钢绞线缠绕在所述稳压轮轴上，砝码通过挂钩和所述钢绞线连接。

设计方案

1.一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪，其特征在于，包括伺服电机加载装置、伺服电机加载控制单元、机械加载装置、以及机械稳压装置；

伺服电机加载装置，用于在蠕变试验初期对试件施加荷载，在所述伺服电机加载装置的顶部设置第一承压板，所述试件放置于所述第一承压板的上部；

伺服电机加载控制单元，和所述伺服电机加载装置连接，用于控制伺服电机加载装置关闭或开启，并且用于在蠕变试验初期控制所述伺服电机加载装置按照一定加载速度对试件施加荷载至目标设定荷载值；

机械加载装置，包括设置于试件上部的丝杆升降机，在所述丝杆升降机的下部设置第二承压板，所述试件位于所述第一承压板和所述第二承压板之间，在所述第一承压板下部或内部安装压力传感器，用于实时测量试件实际承受荷载值；所述机械加载装置通过控制所述丝杆升降机的升降对试件进行补压；

机械稳压装置，包括稳压轮轴、钢绞线、挂钩、砝码；所述稳压轮轴和所述丝杆升降机连接，所述钢绞线缠绕在所述稳压轮轴上，砝码通过挂钩和所述钢绞线连接。

2.根据权利要求1所述一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪，其特征在于，所述机械加载装置还包括机械加载轮轴，所述机械加载轮轴和所述丝杆升降机连接，通过摇动所述机械加载轮轴能够控制所述丝杆升降机的升降进行补压。

3.根据权利要求2所述一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪，其特征在于，所述稳压轮轴和所述机械加载轮轴同轴联动。

4.根据权利要求1所述一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪，其特征在于，所述蠕变仪还包括试验台面、反力架，所述反力架的一端固定设置于所述试验台面上，另一端和所述丝杆升降机固定连接；

所述伺服电机加载装置、所述伺服电机加载控制单元均设置在所述试验台面上。

5.根据权利要求1所述一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪，其特征在于，在所述第一承压板和所述第二承压板之间设置轴向位移计和径向位移计，且所述轴向位移计和所述径向位移计固定在试件上，所述轴向位移计和所述径向位移计分别用于实时测量试件产生的轴向、径向应变。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于岩石力学与工程领域室内试验技术领域，具体涉及一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪。

背景技术

岩石流变性能指岩石在力的作用下其强度、变形等随时间缓慢发生变化的性能，通过研究岩石流变性能，可以针对岩石工程的长期稳定性问题作出分析判断。蠕变指岩石在恒温恒压作用下，变形随时间而增加的现象，是流变的一种表现形式，大多数流变力学试验都是采用保证施加荷载恒定，研究变形随时间变化规律的蠕变方式进行研究。

目前岩石力学工作者针对岩石尤其是软岩流变力学特性进行了大量的室内试验。其中软岩单轴压缩蠕变试验是最基础也是最重要的试验，其要求试件轴压一经施加在试件进行全过程内保持恒定，不能产生超过误差允许范围的变化。对应地，软岩单轴蠕变仪是在岩石单轴压缩试验机的基础上添加稳压功能，以保证蠕变试验中荷载一经施加，需要长时间保持恒定这个最基本也是最重要的要求。通常情况下岩石单轴试验机为伺服控制，因此大多数单轴蠕变仪沿用这种方法，采用伺服电机进行稳压，这在一定程度上能够保证荷载的稳定，西南交通大学、河海大学、同济大学、中国科学院武汉岩土所等都有相关的试验设备。少数机构采用机械稳压蠕变仪，采用杠杆原理利用较轻配重来平衡较大荷载的方式进行稳压操作，如中南工业大学的GFQ-I 型单轴压缩流变仪等。

现有的用于岩石单轴压缩蠕变试验的试验设备主要有以下两种形式：

(1)伺服电机控制试验机。该种试验机采用伺服控制以实现自动补偿实际作用在试件上的荷载与设定值之间的误差，这一点在常规单轴压缩试验中具有十分方便的作用。但蠕变试验具有试验周期长、荷载要求稳定精度高等特点，伺服控制试验机很难保证长时间内快速响应、自动补偿误差从而确保在蠕变试验过程中保持荷载恒定；此外，该种试验机需要长期通电使用，试验中意外断电等情况会造成试验中断，对试验过程和结果造成很大影响。

(2)机械控制蠕变试验机。该种试验机采用机械加载，利用杠杆原理等通过手工加载方式施加对试件所要求的荷载，并采取机械稳压技术如施加配重等方式保证试验长周期内荷载的恒定。这种试验机无需电力驱动，使试验过程最大限度免除外界条件干扰。但该种试验机需要手动加载，加载过程费时费力，使用起来不方便；此外，杠杆系统占用空间较大，试验操作不方便。

实用新型内容

针对上述技术问题本实用新型提供一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪。仪器整体刚度高，仪器部件抗变形能力强，荷载稳定性能好(稳压6个月)，荷载传感器标定准确性好，精度高。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪，包括伺服电机加载装置、伺服电机加载控制单元、机械加载装置、以及机械稳压装置；

伺服电机加载装置，用于在蠕变试验初期对试件施加荷载，在所述伺服电机加载装置的顶部设置第一承压板，所述试件放置于所述第一承压板的上部；

进一步地，所述机械加载装置还包括机械加载轮轴，所述机械加载轮轴和所述丝杆升降机连接，通过摇动所述机械加载轮轴能够控制所述丝杆升降机的升降进行补压。

进一步地，所述稳压轮轴和所述机械加载轮轴同轴联动。所述稳压轮轴和所述机械加载轮轴均根据所述丝杆升降机内部蜗轮蜗杆相互咬合来控制丝杆升降机运动；在进行稳压时，根据试件实际承受荷载值与目标设定荷载值之间的误差荷载值，计算对应的砝码质量，将相应质量的砝码经由缠绕在所述稳压轮轴上的钢绞线在稳压轮轴上保持荷载稳定。

进一步地，所述蠕变仪还包括试验台面、反力架，所述反力架的一端固定设置于所述试验台面上，另一端和所述丝杆升降机固定连接；

所述伺服电机加载装置、所述伺服电机加载控制单元均设置在所述试验台面上。

进一步地，在所述第一承压板和所述第二承压板之间设置轴向位移计和径向位移计，且所述轴向位移计和所述径向位移计固定在试件上，所述轴向位移计和所述径向位移计分别用于实时测量试件产生的轴向、径向应变。

本实用新型的有益技术效果：

(1)本实用新型所述蠕变仪主要创新点为采用砝码配重稳压的机械稳压方式，克服了现有伺服控制下的岩石单轴压缩流变仪在长时间范围内稳压效果差、伺服精度低、断电影响试验进度的缺点；

(2)本实用新型所述蠕变仪采用伺服电机加压、机械加压两种方式，伺服电机加压为主，机械加压为辅，克服了普通机械控制单轴蠕变试验机需要手动加载，费时费力的缺点；

(3)本实用新型所述蠕变仪的中丝杆升降机内部的蜗轮蜗杆组成的力的放大装置，将力放大输出，同时与普通杠杆装置相比，结构紧凑，占用空间小，更加轻便高效，节约资源；

(4)本实用新型所述蠕变仪的机械稳压装置，通过砝码配重进行稳压的方式，克服了现有伺服控制下的岩石单轴压缩流变仪在长时间范围内稳压效果差、伺服精度低、断电影响试验进度的缺点；即使在试件产生压缩蠕变变形的情况下，砝码仍可以持续稳定地提供给试件所要求的荷载值，实时补压，确保荷载长期稳定。

附图说明

图1为本实用新型实施例中一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪的正面结构示意图；

图2为本实用新型实施例中机械加载装置及机械稳压装置结构示意图；

图3为本实用新型实施例中一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪的背面结构示意图；

附图标记：1.机械加载轮轴；2.丝杆升降机；3-1.第一承压板；3-2. 第二承压板；4.反力架；5.伺服电机加载装置；6.主机；7.控制按钮； 8.稳压轮轴；9.钢绞线；10.挂钩；11.砝码。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

相反，本实用新型涵盖任何由权利要求定义的在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本实用新型有更好的了解，在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。

针对现有技术中：1)现有的用于岩石单轴压缩蠕变试验的伺服电机控制试验机很难保证长时间内快速响应、自动补偿误差；此外，该种试验机需要长期通电使用，试验中意外断电等情况会造成试验中断，对试验过程和结果造成很大影响的技术问题；以及2)机械控制蠕变试验机采用机械加载，需要手动加载，加载过程费时费力，使用起来不方便；此外，杠杆系统占用空间较大，试验操作不方便的技术问题。本实用新型实施例提供一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪。

单轴压缩蠕变试验过程主要包括加载和稳压两个过程，首先对试件施加设计大小的荷载值，然后采用某种方法使得荷载大小不变，在此过程中测定试件变形量随时间的变化；直到试件变形量随时间几乎不再发生变化的时候，施加下一级荷载，然后保持荷载稳定，测定试件变形量随时间的变化。如此重复，直到岩石产生加速蠕变直至破坏。

如图1-3所示，本实用新型实施例提供的一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪，包括伺服电机加载装置、伺服电机加载控制单元、机械加载装置、以及机械稳压装置；

伺服电机加载装置5，用于在蠕变试验初期对试件施加荷载，在所述伺服电机加载装置的顶部设置第一承压板3-1，所述试件放置于所述第一承压板的上部；本实施例中，在初期试件加载过程中采用伺服电机进行试验施加荷载，具有短时间内加载过程控制精确的优点。

伺服电机加载控制单元，用于控制伺服电机加载装置5关闭或开启，并且用于在蠕变试验初期控制所述伺服电机加载装置5以电动方式按照一定加载速度对试件施加荷载至目标设定荷载值；

机械加载装置，包括设置于试件上部的丝杆升降机2，在所述丝杆升降机2的下部设置第二承压板3-2，所述试件位于所述第一承压板3-1和所述第二承压板3-2之间；关闭所述伺服电机加载装置后，所述机械加载装置根据试件实际承受荷载值与目标设定荷载值之间的误差荷载值，控制所述丝杆升降机2的升降进行补压，以对试件施加机械荷载至目标设定荷载值；

机械稳压装置，包括和所述丝杆升降机连接且能够控制所述丝杆升降机升降的稳压轮轴8，所述稳压轮轴8采用砝码配重进行稳压。

在本实施例中，所述机械加载装置还包括机械加载轮轴1，所述机械加载轮轴1和所述丝杆升降机2连接，通过摇动所述机械加载轮轴能够控制所述丝杆升降机的升降进行补压。

在本实施例中，所述机械稳压装置还包括钢绞线9、挂钩10、砝码11；钢绞线9缠绕在所述稳压轮轴8上，砝码通过挂钩10和所述钢绞线9连接；砝码11重量通过丝杆升降机2被放大一定倍数施加到所述试件上；

所述稳压轮轴8和所述机械加载轮轴1同轴联动，均根据所述丝杆升降机2内部蜗轮蜗杆相互咬合来控制丝杆升降机2运动；

在进行稳压时，根据试件目标设定荷载值以及丝杆升降机对力的放大倍数确定所需砝码重量，以保证当试件实际承受荷载值小于目标设定荷载值时，在砝码重力作用下能够实现补压到设计荷载值，将相应质量的砝码经由缠绕在所述稳压轮轴上的钢绞线在稳压轮轴上保持荷载稳定。

在本实施例中，所述蠕变仪还包括试验台面、反力架4，所述反力架的一端固定设置于所述试验台面上，另一端和所述丝杆升降机固定连接；

所述伺服电机加载装置、所述伺服电机加载控制单元均设置在所述试验台面上。

优选地，在本实施例中，所述伺服电机加载控制单元包括主机6 及伺服电机加载装置控制按钮7；在试验初期试件加载过程开始时，通过开启所述伺服电机加载装置控制按钮7，启动伺服电机加载装置，在所述主机6中，用户能够设置目标设定荷载值和加载速度，所述伺服电机加载控制单元能够控制以电动方式按照一定加载速度对试件施加荷载至目标设定荷载值。

在本实施例中，在所述第一承压板下部或内部安装压力传感器，用于实时测量试件实际承受荷载值；在所述第一承压板和所述第二承压板之间设置轴向位移计和径向位移计，且所述轴向位移计和所述径向位移计固定在试件上，所述轴向位移计和所述径向位移计分别用于实时测量试件产生的轴向、径向应变。

采用上述一种采用伺服加载、机械稳压技术的软岩单轴蠕变仪进行试验的过程，包括：

将试件放置于第一承压板和第二承压板之间，在蠕变试验初期，伺服电机加载控制单元控制开启伺服电机加载装置，并控制所述伺服电机加载装置以电动方式按照一定加载速度对试件施加荷载至目标设定荷载值；优选地，开启控制按钮7，用户通过主机6设置目标设定荷载值、加载速度等参数，控制试件下部的伺服电机加载装置5施加荷载到目标设定荷载值。

伺服电机加载控制单元控制关闭伺服电机加载装置；针对关闭伺服电机加载装置之后试件所受荷载可能产生的变化值，通过试件上部上午机械加载装置进行辅助调整，具体操作如下：如果伺服电机加载装置关闭后试件所受荷载与目标设计荷载值之间有误差，计算试件实际承受荷载值与目标设定荷载值之间的误差荷载值，摇动所述机械加载轮轴1能够控制所述丝杆升降机2的升降进行补压，直到试件实际承受荷载值达到目标设定荷载值。其中，丝杆升降机内部为蜗轮蜗杆传动，通过放大位移的方式来减小手动加载时候所需要的力的大小，针对一定高度的丝杆运动距离，需要手摇轮轴边缘产生大于该运动距离的一定倍数(本实施例中为240倍)进行加载。

机械加载装置加载完成之后，采用机械稳压装置进行稳压操作，具体为：稳压轮轴8设置在蠕变仪的背面，与机械加载轮轴1为同轴联动，即力施加在稳压轮轴上与施加在加载轮轴上可以产生相同的效果，同样是根据丝杆升降机内部的蜗轮蜗杆相互咬合来控制丝杆升降机运动，因此稳压系统与机械加载系统有相同的放大倍数，该系统可将输入的砝码重量扩大一定倍数(本实施例中为240倍)施加于试件上。稳压时根据试件目标设定荷载值以及丝杆升降机对力的放大倍数确定所需砝码重量，以保证当试件实际承受荷载值小于目标设定荷载值时，在砝码重力作用下能够实现补压到设计荷载值。将相应质量的砝码11经由缠绕在稳压轮轴上的钢绞线9挂在稳压轮轴上保持荷载稳定。

通过所述压力传感器、所述轴向位移计、以及所述径向位移计，对试件所受的应力以及所产生的轴向、径向应变进行实时观测，能够获得描绘图像，极大地简化了试验操作过程。

本实施例所提供的蠕变仪在试件产生压缩蠕变变形的的情况下，砝码仍可以持续稳定地提供给试件所要求的荷载值。由于砝码的重力始终施加在稳压轮轴上，经由放大后施加在试件上，当试件受压随时间产生一定的单轴压缩蠕变变形，承压板与试件之间的作用力会有减小的趋势。此时普通蠕变仪会产生卸载现象，造成试验过程难以把握、试验结果不准确等情况。但本实用新型所提供的蠕变仪由于采用砝码进行重力稳压，并且机械稳压装置有固定数值的放大倍数，这使得系统的平衡依赖于施加的砝码的质量。当作用在试件上的力有减小的趋势的时候，会造成机械稳压系统不平衡，砝码会依靠重力带动稳压轮轴转动，对系统进行加载，从而将力补到起初值以达到系统内部的受力平衡，实现了与伺服补压同样的效果但却摆脱了受用电条件约束的缺点，更适合试验时间长、要求稳定性好的蠕变试验中，同时与传统伺服电机稳压相比，精度有所提高。因此这种稳压方式可以保证蠕变试验进行过程长时间内荷载数值的稳定，从而确保试验结果的准确性。此外需注意，机械稳压系统内部需要做好润滑涂油工作，以保证试件产生压缩变形时能够及时补压，否则因为内部摩擦力太大的原因导致补压性能失效。

设计图

一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪论文和设计

一种采用伺服加载、机械稳压的软岩单轴蠕变仪论文和设计-刘保国

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主设计要求

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