一種土工三軸儀用加載裝置及加載方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種土工三軸儀用加載裝置及加載方法。
技術(shù)背景
[0002]土工三軸是一種重要的巖土工程測試手段，也是現(xiàn)行規(guī)范所要求的測試項目之一。常規(guī)三軸試驗分為不固結(jié)不排水試驗，固結(jié)不排水試驗，固結(jié)排水試驗，可測定土體的抗壓強度、抗剪強度、泊松比。三軸試驗中圍壓和反壓的加載以及體變、排水體積的量測是三軸試驗的重要內(nèi)容。
[0003]傳統(tǒng)的三軸儀圍壓和反壓的加載裝置多采用調(diào)壓筒，調(diào)壓筒通常由電機、齒輪箱和壓力缸組成，此種結(jié)構(gòu)整體存在有以下問題:(I)由于壓力缸體積有限，因此可調(diào)節(jié)的體積有限，經(jīng)常出現(xiàn)試驗過程中因壓力缸活塞到達極限使得試驗中斷；(2)為了提高體積調(diào)節(jié)范圍，要求壓力缸的體積較大(多為200-500ml)，這使得活塞截面積大，從而在加載水的體積一定的情況下，使得活塞橫向運動距離的控制精度較低；同時，大體積的壓力缸需要大功率電機及齒輪箱加載；(3)加載動力源采用電機驅(qū)動齒輪箱，齒輪間隙造成加壓、減壓反應(yīng)遲緩；(4)用于密封調(diào)壓筒內(nèi)部的活塞橡皮圈易產(chǎn)生變形，也使得加載精度下降；(5)體積測量精度受限于位移傳感器、活塞面積等，而不得不增加體變管用于體變的量測；(6)無法實現(xiàn)進出水量的精確控制。
[0004]另外，在三軸試驗中，體變及排水體積測量通常采用滴定管，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)采集，通常采用差壓傳感器測量滴定管上下液面壓力差的辦法測量排水量，這種方法存在以下缺點:(I)排水體積受滴定管的直徑和長度限制，太粗則精度差，太細則量程太?。?2)無法精確保持壓力，壓力隨滴定管液面變化而變化，無法設(shè)定固定值；(3)要求同時控制壓力及測定水量變化時，需多件設(shè)備及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種可以實現(xiàn)無限體積加載，且加載精度較高的土工三軸儀用加載裝置及加載方法。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種土工三軸儀用加載裝置，包括壓力缸，所述壓力缸通過第一管路連接土工三軸儀目標室，在所述第一管路上通過第二管路連接有無氣水容器，無氣水容器位于所述壓力缸的上方，所述第二管路上設(shè)置有第一電磁閥；
[0008]所述第一管路上設(shè)置有第二電磁閥，第二電磁閥位于第一管路和第二管路的連接處與土工三軸儀目標室之間；
[0009]所述第二電磁閥和土工三軸儀目標室之間的管路上連接有第一水壓力傳感器，所述第一水壓力力傳感器連接數(shù)字控制單元，所述的第一電磁閥和第二電磁閥均與所述的數(shù)字控制單元連接；
[0010]所述壓力缸內(nèi)的活塞與步進電機連接，所述步進電機的轉(zhuǎn)軸上連接有編碼器，所述步進電機和編碼器均與所述數(shù)字控制單元連接。
[0011]進一步地，所述壓力缸的缸體頂端和底端分別安裝有第一光電傳感器和第二光電傳感器，二者均與所述數(shù)字控制單元連接。
[0012]進一步地，所述第二管路與第一管路的連接處與壓力缸之間的第一管路上連接有第二水壓力傳感器，第二水壓力傳感器與所述數(shù)字控制單元連接。
[0013]進一步地，所述壓力缸的側(cè)壁上設(shè)置有排氣孔，排氣孔上安裝有排氣閥。
[0014]進一步地，所述排氣孔處連接有溫度傳感器，所述溫度傳感器與所述數(shù)字控制單元連接。
[0015]可選地，所述步進電機通過滾珠絲杠與活塞連接。
[0016]一種應(yīng)用本發(fā)明的裝置對土工三軸儀進行加載的方法，具體包括以下步驟:
[0017]步驟1:設(shè)目標室的目標壓力為P1,目標壓力P1與實際壓力P 2的壓力差ΔΡ的允許誤差設(shè)為ΔΡ’ ；向無氣水容器中注入無氣水，無氣水上表面設(shè)置礦物油與大氣隔絕，將第一管路與目標室入口相連，關(guān)閉第二電磁閥，打開第一電磁閥，并打開排氣閥，利用排氣孔將系統(tǒng)中的空氣排出；關(guān)閉排氣閥和第一電磁閥；
[0018]步驟2:系統(tǒng)自檢活塞的位置:數(shù)字控制單元獲取活塞的位置，并判斷活塞是否位于壓力缸缸體兩端，如果是，則打開第一電磁閥，調(diào)整活塞至壓力缸的缸體中部位置，并關(guān)閉第一電磁閥，轉(zhuǎn)步驟3 ;否則，執(zhí)行步驟3 ;
[0019]步驟3:數(shù)字控制單元讀取目標室的目標壓力P1，第一水壓力傳感器測得目標室內(nèi)的實際壓力P2，并將該壓力信號反饋給數(shù)字控制單元；
[0020]步驟4:數(shù)字控制單元判斷壓力差Λ P是否超過Λ P’，如果是，則執(zhí)行步驟6 ;如果否，則轉(zhuǎn)步驟5;
[0021]步驟5:數(shù)字控制單元通過編碼器獲得的活塞的實時位置信息，記錄壓力缸的進出水量，以及目標室內(nèi)的實際壓力；轉(zhuǎn)步驟9 ;
[0022]步驟6:數(shù)字控制單元判斷目標壓力P1是否大于實際壓力P 2，如果是則執(zhí)行步驟7;如果否，則執(zhí)行步驟8;
[0023]步驟7:加壓過程
[0024]步驟7.1:打開第二電磁閥，數(shù)字控制單元控制步進電機正轉(zhuǎn)，帶動活塞向壓力缸的缸體頂端運動，將壓力缸內(nèi)的無氣水推出壓力缸，無氣水經(jīng)過第二電磁閥，進入目標室內(nèi)；
[0025]步驟7.2:數(shù)字控制單元獲取活塞的位置信息，并判斷活塞的位置是否處于壓力缸缸體的頂端，如果是，則執(zhí)行步驟7.3 ;如果否，則轉(zhuǎn)步驟5 ;
[0026]步驟7.3:數(shù)字控制單元控制第二電磁閥關(guān)閉，第一電磁閥打開，控制步進電機反轉(zhuǎn)，帶動活塞向壓力缸缸體底端運動，活塞移動至壓力缸缸體中部，步進電機停止轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)步驟5 ；
[0027]步驟8:減壓過程
[0028]步驟8.1:打開第二電磁閥，數(shù)字控制單元控制步進電機反轉(zhuǎn)，帶動活塞向壓力缸的缸體底端運動，目標室內(nèi)的水經(jīng)過第二電磁閥流入壓力缸內(nèi)；
[0029]步驟8.2:數(shù)字控制單元獲取活塞的位置信息，判斷活塞的位置是否處于壓力缸缸體的底端，如果是，則執(zhí)行步驟8.3 ;如果否，則轉(zhuǎn)步驟5 ;
[0030]步驟8.3:數(shù)字控制單元控制第二電磁閥關(guān)閉，第一電磁閥打開，控制步進電機正轉(zhuǎn)，帶動活塞向壓力缸缸體頂端運動，活塞移動至壓力缸缸體中部，步進電機停止轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)步驟5 ；
[0031]步驟9:如果試驗達到結(jié)束標準，則試驗結(jié)束；否則，轉(zhuǎn)步驟3。
[0032]具體地，所述的步驟7.2中數(shù)字控制單元獲取活塞的位置信息，并判斷活塞的位置是否處于壓力缸缸體的頂端，具體實現(xiàn)方式如下:
[0033]編碼器將活塞的實時位置信息反饋給數(shù)字控制單元，數(shù)字控制單元根據(jù)反饋的信息判斷活塞的位置是否處于壓力缸缸體的頂端；或者，當活塞處于壓力缸缸體的頂端時，第一光電傳感器將此信息傳送到數(shù)字控制單元。
[0034]具體地，所述的步驟8.2中數(shù)字控制單元獲取活塞的位置信息，并判斷活塞的位置是否處于壓力缸缸體的底端，具體實現(xiàn)方式如下:
[0035]編碼器將活塞的實時位置信息反饋給數(shù)字控制單元，數(shù)字控制單元根據(jù)反饋的信息判斷活塞的位置是否處于壓力缸缸體的底端；或者，當活塞處于壓力缸缸體的頂端時，第二光電傳感器將此信息傳送到數(shù)字控制單元。
[0036]進一步地，在所述的步驟7.1和步驟8.1中打開第二電磁閥之前，第二水壓力傳感器測得壓力缸內(nèi)的壓力信息，并將壓力信息傳輸?shù)綌?shù)字控制單元，通過數(shù)字控制單元控制步進電機運轉(zhuǎn)，帶動活塞在壓力缸內(nèi)作往復(fù)運動，使數(shù)字控制單元接收到的第二水壓力傳感器與第一水壓力傳感器采集到的壓力信息相等。
[0037]進一步地，在所述的步驟5中，溫度傳感器測得壓力缸內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，實時修正壓力缸的進出水量，包括進出水的體積和質(zhì)量。
[0038]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:
[0039]1、本發(fā)明采用自動換向設(shè)計，根據(jù)編碼器、光電傳感器和壓力傳感器反饋的信息自主調(diào)節(jié)第一電磁閥和第二電磁閥的開閉，實現(xiàn)無氣水在無氣水容器、加壓缸和土工三軸儀的目標室之間的移動，從而達到吸水和排水的體積無限的目的。
[0040]2、本發(fā)明采用的壓力缸的截面面積較小，可提高進出缸體內(nèi)無氣水體積測量的精度，同時減少加載過程所需要的動力，加快反應(yīng)速度，提高效率，可實現(xiàn)壓力精確控制的同時，精確的測定進出目標室的水量。
[0041]3、本發(fā)明不僅可以實現(xiàn)壓力的精確控制，同時可實現(xiàn)體積的精準控制。
[0042]4、本發(fā)明裝置體積小，能耗低，結(jié)構(gòu)簡單，成本大大降低。