专利名称：岩石三轴蠕变试验机的围压保持系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩石力学试验技术领域，更具体涉及一种岩石三轴蠕变试验机的围压 保持系统，尤其适用于确保岩石三轴蠕变试验机维持恒定围压。
背景技术：
岩石三轴蠕变试验是测定岩石长期力学行为的重要手段，其试验时间通常可达数 月之久，多则数年之久。蠕变试验过程中通常涉及多级差应力(轴压减去围压)，在各级应力 施加的过程中，必须严格保持其量值的恒定，以确保获得可信的试验数据。目前的岩石蠕变 试验机多采用液压伺服控制来实现压力恒定。实践证明，由于轴压系统具有相对简单的结构，增压缸密封效果好，试验过程通过 普通液压伺服系统可以使轴压长时间地保持恒定压力。但是，目前三轴蠕变试验机的围压 系统的保压效果较差，始终是困扰提高岩石三轴蠕变试验精度的重要技术难题。保压效果差的主要原因为三轴室结构复杂，且每进行一次试验需要拆装一次，试 验机在经过长时间运行后，三轴室内的密封部件会产生较大的磨损，因此在三轴室内施加 高围压后，试验过程中会出现三轴室向外渗油的情况，渗油后三轴室内的围压必然降低。围 压伺服系统在检测到这种改变之后，不得不频繁启动液压泵、伺服阀、增压室等围压保持系 统中的元件，向三轴室内补充高压油，严重缩短了相关元件的使用寿命。另外，目前围压保 持系统的增压缸采用的是单行程增压缸，在频繁补充高压油的过程中，高压室内的油会逐 渐耗尽，此时不得不人工关闭相应阀门，通过手动操作伺服系统，重新向高压室内补充液压 油，不利于围压的保持。三轴室密封效果差是造成围压无法长期保持恒定的首要原因，在长期试验过程中 无法修复密封部件，即便采用高质量的密封部件也无法彻底根治该问题同时也会大大提高 试验成本。因此，从增压系统入手提高三轴室内围压保持恒定的效果，是根治该缺陷最为可 行的思路。

发明内容
为了克服现有岩石三轴蠕变试验机围压系统保压能力差且使用寿命短的不足， 本发明的目的是在于提供了一种岩石三轴蠕变试验机的围压保持系统，该系统充油、放油 操作简便，可以长时间保持三轴室内的压力恒定，大幅提高了试验精度，而且有效延长了液 压元件的试验寿命。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
本发明由油箱、滤油器、液压泵、电动机、伺服换向阀、单向阀、双行程增压缸、限位传感 器、蓄能器、压力表、压力传感器、截止阀、溢流阀等部分组成。其连接关系是液压泵与电动 机相连，油箱与液压泵进油口通过滤油器相连，油箱内装有液压油，液压泵出油口与油箱之 间装有溢流阀，伺服换向阀分别与油箱、液压泵、双行程增压缸及单向阀相连，双行程增压 缸内装有第一、第二限位传感器，双行程增压缸依次与第一、第二、第三、第四单向阀相连，第一、第二、第三、第四单向阀与三轴室相连且其相连的油路中装有蓄能器、压力表及压力 传感器，三轴室通过截止阀可与液压泵或油箱直接连通或相连。油箱与液压泵进油口通过滤油器相连，液压泵出油口与油箱之间装有溢流阀，其 作用是防止油路堵塞、压力突然升高等事故导致液压泵损坏，以保护液压泵。双行程增压缸内装有第一、第二限位传感器，当双行程增压缸内的活塞触及第一、 第二限位传感器后，第一、第二限位传感器将电信号反馈到电脑控制系统，电脑控制系统进 而发出信号，激活伺服换向阀，从而改变液压泵输出的液压油的走向，使得双行程增压缸可 以往复运动，持续增压。双行程增压缸分别与第一、第二、第三、第四单向阀相连，起控制液压油流向的作 用，具体实现方法在“具体实施方式
” 一节进行介绍。三轴室通过截止阀可与液压泵或油箱直接连通，可实现试验过程中给三轴室快速 充油及放油操作，大大提高了效率，同时避免了液压油通过伺服换向阀、增压缸、单向阀等 充、放油操作过程中不必要的元件，有利于保护相应元件。压力传感器与三轴室直接相连，试验过程中压力传感器的监测数据反馈到电脑控 制系统，有电脑确定何时启动液压泵，从而实现三轴室内围压的伺服控制。蓄能器与三轴室直接相连，其作用是缓冲油路中的压力波动，以使三轴室内的围 压更为稳定，同时起到保护液压元件的作用。压力表与三轴室直接相连，其作用是可以直观地观察三轴室内的围压保持情况， 以防实验室突然断电等情况造成的压力数据缺失。本发明的有益效果是
1)可以长时间、稳定地保持三轴室内的压力为恒定值，大大提高了岩石三轴蠕变试验 的试验成功率及数据精度。2)试验过程中充油、放油操作方便快捷。普通试验机充油、放油操作通常要耗费 三四十分钟，本发明实现这两个操作仅需几分钟。3)可有效降低伺服阀、液压泵、增压缸等元件的损耗程度，大幅度提高元件的使用 寿命。如普通围压保持系统的液压泵运行一年左右通常需要更换一次，采用本发明的系统 后，其寿命可提高至两年。4)自动化程度高。在长期试验蠕变试验中，除试验开始时的充油与结束时的放油 操作外，整个试验过程不需要人工开启或关闭相关阀门，可实现无人值守全自动操作，节省 了大量人力。5)通用性好。广泛应用于绝大多数岩石三轴蠕变试验机。


图1为一种岩石三轴蠕变试验机的围压保持系统结构示意图。图中编号对应的元件名称为
1-油箱，2-滤油器(如SFN型)，3_液压泵(如=DYB型)，4_电动机(如:QA型)，5_伺 服换向阀，6-第一单向阀，7-第二单向阀，8-第三单向阀，9-第四单向阀，10-双行程增压 缸，11-第一限位传感器(如SL1型)，12_第二限位传感器(如SL1型)，13-蓄能器(如=NXQ 型)，14-压力表，15-压力传感器(如=TYC型)，16-第一截止阀，17-第二截止阀，18-第三截止阀，19-溢流阀(如Y型)，20-三轴室。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步说明。本发明由油箱1、滤油器2、液压泵3、电动机4、伺服换向阀5、第一单向阀6、第二 单向阀7、第三单向阀8、第四单向阀9、双行程增压缸10、第一限位传感器11、第二限位传 感器12、蓄能器13、压力表14、压力传感器15、第一截止阀16、第二截止阀17、第三截止阀 18、溢流阀19等部分组成。其连接关系是油箱1内装有液压油，液压泵3与电动机4相 连，油箱1与液压泵3进油口通过滤油器2相连，液压泵3出油口与油箱1之间装有溢流阀 19，伺服换向阀5分别与油箱1、液压泵3、双行程增压缸10及第一单向阀6、第二单向阀7 相连，双行程增压缸10内装有第一限位传感器11、第二限位传感器12，双行程增压缸10依 次与第一单向阀6、第二单向阀7、第三单向阀8、第四单向阀9相连，第三单向阀8、第四单 向阀9与三轴室20相连且其相连的油路中装有蓄能器13、压力表14及压力传感器15，三 轴室20通过第一截止阀16、第二截止阀17可与液压泵3直接连通或相连，三轴室20通过 第一截止阀16、第三截止阀18可油箱1直接连通或相连。油箱1与液压泵3进油口通过滤油器2相连，液压泵3出油口与油箱1之间装有 溢流阀19，其作用是防止油路堵塞、压力突然升高等事故导致液压泵3损坏，以保护液压泵 3。三轴室20通过第一截止阀16、第二截止阀17可与液压泵3直接连通，三轴室20 通过第一截止阀16、第三截止阀18可油箱直接连通，可实现试验过程中三轴室20快速充油 及放油操作，大大提高了操作效率，同时避免了液压油通过伺服换向阀5、增压缸10、第一 单向阀6、第二单向阀7、第三单向阀8、第四单向阀9等充、放油操作过程中不必要的元件， 有利于保护相应元件。双行程增压缸10内装有第一限位传感器11、第二限位传感器12，当双行程增压缸 10内的活塞触及第一限位传感器11后，第一限位传感器11将电信号反馈到电脑控制系统， 当双行程增压缸10内的活塞触及第二限位传感器12后，第二限位传感器12将电信号反馈 到电脑控制系统，电脑控制系统进而发出信号激活伺服换向阀5，从而改变液压泵3输出的 液压油的走向，使得双行程增压缸10可以往复运动，实现持续增压。压力传感器15与三轴室20直接相连，试验过程中压力传感器15的监测数据反馈 到电脑控制系统，由电脑确定何时启动液压泵3，从而实现三轴室20内围压的伺服控制。蓄能器13与三轴室20直接相连，其作用是缓冲油路中的压力波动，以使三轴室20 内的围压更为稳定，同时起到保护液压元件的作用。压力表14与三轴室20直接相连，其作用是可以直观地观察三轴室20内的围压保 持情况，以防实验室突然断电等情况造成的压力数据缺失。溢流阀19分别与第二截止阀17、第三截止阀18相连，其作用是控制充、放油操作 中液压油的流向，且有利于保护溢流阀19。该系统在岩石三轴蠕变试验中的典型实施例如下 1)三轴室20快速充油操作
将伺服换向阀5打到“中位”，切断液压泵3与双行程增压缸10等元件的连通。打开第一截止阀16、第二截止阀17，关闭截止阀18。启动电动机4带动液压泵3向三轴室20内充 油，直到液压油充满三轴室20，停止电动机4，关闭第一截止阀16、第二截止阀17。2)围压保持过程
关闭第一截止阀16、第二截止阀17、第三截止阀18，启动液压泵3向三轴室20内注入 高压油，直到三轴室20内的围压达到试验要求(如40MPa、60MPa、80MPa等)，然后开始三轴 蠕变试验，试验过程中围压保持过程如下
如附图所示的状态(伺服换向阀5处于“左位”状态，双行程增压缸10的活塞正向右移 动)，电动机4带动液压泵3启动后，液压泵3输出的液压油经伺服换向阀5和单向阀7进 入双行程增压缸10左端的大、小活塞腔，右端大活塞腔的液压油被挤出后受到单向阀6的 限制经伺服换向阀5流到油箱1，右端小活塞腔增压后的高压油经单向阀9输出，输出的高 压油受到单向阀8限制，最终流入三轴室20。双行程增压缸10的活塞移到右端触发第一限位传感器11后，伺服换向阀5被激 活为“右位”状态，液压泵3输出的液压油经伺服换向阀5和单向阀6进入双行程增压缸10 右端的大、小活塞腔，左端大活塞腔的液压油被挤出后受到单向阀7的限制经伺服换向阀5 流到油箱1，左端小活塞腔增压后的高压油经单向阀8输出，输出的高压油受到单向阀9限 制，最终流入三轴室20。这样，每当压力传感器15检测到三轴室20内的压力低于限定值后，便会启动液压 泵3，双行程增压缸10的活塞不断往复运动，两端便交替输出高压油，然后注入三轴室20， 可以长时间保持三轴室20内的压力恒定，从而大幅提高了试验精度。3)三轴室20快速放油操作
数月后，三轴蠕变试验结束。停止液压泵，打开第一截止阀16、第三截止阀18，关闭截 止阀17，将三轴室20内的液压油放出，放油过程中可使用空气压缩机向三轴室内打入高压 空气，以实现更加快速的放油。
权利要求
一种岩石三轴蠕变试验机的围压保持系统，它包括油箱(1)、滤油器(2)、液压泵(3)、电动机(4)、伺服换向阀(5)、第一单向阀(6)、双行程增压缸(10)、第一限位传感器(11)、蓄能器(13)、压力传感器(15)、第一截止阀(16)，其特征在于液压泵(3)与电动机(4)相连，油箱(1)与液压泵(3)进油口通过滤油器(2)相连，液压泵(3)出油口与油箱(1)之间装有溢流阀(19)，伺服换向阀(5)分别与油箱(1)、液压泵(3)、双行程增压缸(10)及第一单向阀(6)、第二单向阀(7)相连，双行程增压缸(10)内装有第一限位传感器(11)、第二限位传感器(12)，双行程增压缸(10)依次与第一单向阀(6)、第二单向阀(7)、第三单向阀(8)、第四单向阀(9)相连，第三单向阀(8)、第四单向阀(9)与三轴室相连的油路中装有蓄能器(13)、压力表(14)及压力传感器(15)，三轴室(20)通过第一截止阀(16)、第二截止阀(17)与液压泵(3)相连，三轴室(20)通过第一截止阀(16)、第三截止阀(18)与油箱(1)相连。
2.根据权利要求1所述的一种岩石三轴蠕变试验机的围压保持系统，其特征在于所 述的压力传感器(15)与三轴室(20)相连。
3.根据权利要求1所述的一种岩石三轴蠕变试验机的围压保持系统，其特征是所述 的溢流阀(19)分别与第二截止阀(17)、第三截止阀(18)相连。
4.根据权利要求1所述的一种岩石三轴蠕变试验机的围压保持系统，其特征在于所 述的蓄能器(13)与三轴室(20)直接相连。
5.根据权利要求1所述的一种岩石三轴蠕变试验机的围压保持系统，其特征在于所 述的压力表(14)与三轴室(20)直接相连。
全文摘要
本发明公开了一种岩石三轴蠕变试验机的围压保持系统，液压泵与电动机相连，油箱与液压泵进油口通过滤油器相连，液压泵出油口与油箱之间装有溢流阀，伺服换向阀分别与油箱、液压泵、双行程增压缸及单向阀相连，双行程增压缸内装有限位传感器，双行程增压缸依次与单向阀相连，单向阀与三轴室相连的油路中装有蓄能器、压力表及压力传感器，三轴室通过截止阀与液压泵相连，三轴室通过截止阀油箱相连。本发明充油、放油操作简便，可长时间保持三轴室内的压力恒定，大幅提高了试验精度，有效延长了液压元件的使用寿命。
文档编号G01N3/28GK101936857SQ20101027053
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者施锡林, 李银平, 杨春和 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所