多功能三轴试验机的研制与试验*

付敬宠，高雪梅，吴 博，杨 威

(天水红山试验机有限公司，甘肃天水 741001)

多功能三轴试验机的研制与试验*

付敬宠，高雪梅，吴 博，杨 威

(天水红山试验机有限公司，甘肃天水 741001)

针对细粒土的复杂应力路径的试验，研制了1台智能化控制的液压伺服多功能三轴试验机，该试验机包括主机、数字化控制系统、动力供给系统三个组成部分;其轴压和围压可实现电液伺服的闭环控制;在静力试验中可实现复杂应力路径的任意控制和加载;在动力试验中可同时施加轴向和侧向的双向振动荷载，且可进行等应变增量比的试验。初步试验表明，该系统结构简单，使用方便，重复性好。

三轴试验机;复杂应力路径;多功能;双轴振动三轴试验

1 引言

当前土石坝在我国有着极其广阔的应用前景，已成为最重要的坝型之一。一系列受到世界瞩目的200米级高面板坝和其他类型的土石坝正在修建或已投入计划之中。在开发我国中西部的过程中，许多机场、高速公路等也修建在堆石体上。上述工程涉及的应力路径复杂，目前的试验技术不能很好再现或模拟复杂的应力路径，比如等应变增量比试验。

智能化多功能三轴试验机采用了先进的两套电液伺服闭环驱动的耦联控制技术，可以很好地解决上述难点。且其幅频特性好，频率响应快，可对试样做静、动三轴试验，单独激振或双向激振，是进行土静力学和土动力学的必要研究手段之一，用于研究细粒料的静动力变形特性和强度特性，为丰富和推动土的静、动本构科学问题的研究提供了必要的支撑。

2 试验机及主要技术参数

20 kN微机控制动三轴试验机，能对所要求的湿度、密度、结构和应力状态制备的试样施加不同形式和不同强度的振动荷载，测量出振动作用下试样的应力和应变，从而对土性和有关指标的变化规律作出定性和定量的判断。同时也适用于测量细粒土、沙土、黄土的剪切强度和有效抗剪强度参数，根据试样的排水条件的不同，可做不固结不排水剪、固结不排水剪、固结排水剪三种类型试验，该试验机主要由主机、液压源、电控系统、计算机4大部分组成。其试验机主机实物如图1所示。

图1 动/静三轴试验机

试验机主要技术指标如下:

(1)轴向最大负荷:±20 kN;

(2)三轴压力室最大压力:3 MPa;

(3)试样尺寸:Φ39.1×80 mm，Φ50×100 mm，Φ79.8×160 mm;

(4)轴向激振器行程:±40 mm;

(5)轴向、侧向激振频率均为0～2 Hz，控制精度2%;

(6)波形:正弦波、三角波、锯齿波;

(7)加载速率无级可调;

(8)能做轴向、侧向分别激振和复合激振，能进行0°～360°的相位控制;

(9)计算机能实现被测量数据的采集和处理，实时动态显示和打印。

3 试验机机械系统

试验主机由上基座1、压力室2、支撑台3、轴向加载油缸4、下底座5、轴向伺服阀6、下加载头7、侧向加载油缸8、侧向伺服阀9、上加载头10以及荷载传感器11组成，其机械原理图如图2所示。

图2 机械原理图

轴向激振装置，安装在支撑台3的下方，它由轴向加载油缸4、轴向伺服阀6、蓄能器、位移传感器组成。液压缸为双向作用油缸，采用积木式结构，缸内采用组合密封，非金属喷涂支承，活塞杆支承长，可承受大的侧向力。侧向激振装置，安装在支撑台3工作台的后面，它由侧向加载油缸8串联一个柱塞水缸组成，在液压缸的上面安装有电液伺服阀9、蓄能器、位移传感器组成。

压力室是承放试样的压力容器，它由压力传感器11、底盘、压力室筒、压力室盖、活塞杆、负荷传感器顶杆、密封圈组成。压力室盖之螺塞用以排气，底盘上有6个接头孔，分别与气压、反压、进出水控制部分，串联水缸接头相联，用于测量三轴室围压、孔压。试件的周围充满水，液压源出来的压力油分二路，一路油通过侧向力液压缸上的伺服阀，进入液压缸，进而通过串联水缸来控制压力室的水压，使试件受二维力的作用。另一路油通过轴向力液压缸上的伺服阀，进入液压缸，这样试件方向的力由下面的轴向力液压缸控制。

4 试验机液压动力供给系统

液压源由油箱、电机、柱塞泵、阀组四部分组成。本液压源为63 L/min的液压源，液压泵站由一个功率为40 kW电机和油泵及油箱等组成。油箱主体上分别安装有1个电接点压力表和1个电接点温度计，以及1个溢流阀，其实物图如图3所示。

图3 液压源

因油泵电机起动电流较大，所以采用“星－三角”降压起动方式来起动，用来减少起动过程对线路电压的影响，其中采用DZ型断路器实现整个控制电路的短路和过载保护，采用热继电器作为热过载保护。另外有指示灯指示各种状态，如:高压、低压、运行等状态，超温、超压时报警装置电铃用铃声报警，报警的同时卸掉系统的高压，使系统处于低压状态。且液压源电控箱附在油箱上，其内部安装有一拖动控制板，主要的控制电器元件都在此板上;整个系统安全、可靠，运行稳定。

液压源的电控箱操作步骤主要包括:电控箱内部拖动控制板上有2个断路器，电源线接好之后，在进行其他操作前先将此装置手柄扳到上部。电控箱顶部有指示灯和控制操作钮。各个指示灯和按钮下方均有标牌指示，主要是“启动”和“停止”按钮，整个操作步骤方便，紧急情况下可按停高压按钮或关电钥匙开关。

5 试验机硬件控制系统

硬件控制系统是整个试验机控制系统的基础，它主要对输出控制信号进行给定，对输入反馈信号进行控制和量测，其中包括信号的传递、放大、滤波等;硬件反馈控制是液压伺服控制系统的核心，其主要包括:CPU板的型号是STD5055，完成对各板的控制与计算机通讯;D/A板的型号是STD5446，对各放大板调零;I/O板的型号是STD5313，提供放大板分档和控制方式转换等输入输出信号。该部分所有的通信方式都是STD板插在STD总线上，其逻辑框图如图4所示。

首先根据试验要求向试样施加负荷，试验的负荷通过力传感器、位移传感器，压力传感器转变为电信号，经过电气放大后输出，一路作为闭环控制的输出信号，另一路输出到计算机D/A板，用于计算机数据处理和控制。

D/A板产生输出试验要求的给定信号，该给定信号与反馈信号在伺服控制器中进行比较，其差值即为误差信号。此误差信号经过功率放大器放大后用来驱动电液伺服阀，完成系统的闭环控制。

图4 硬件控制原理框图

其次，对控制过程的信号，需要进行调理，所以信号调理板的作用是将来自各传感器的信号进行滤波放大，而后送到轴向和侧向控制器去完成闭环比较。每一个传感器对应一块放大板，若要更换传感器须相应更换放大板或重新对放大板进行标定，以满足主控制器对信号的要求。

最后，介绍轴向和侧向控制器。它是将来自放大器和D/A板所产生的给定波形进行比较，并进行PI控制后去驱动电液伺服阀工作。

6 试验机计算机数字控制系统

试验机的机械系统和模拟伺服控制的硬件控制系统看成一个整体的话，那么数控系统的任务包括:①接受用户的要求;②控制试验机;③根据伺服作动系统的传递特性及所处的力学环境，控制伺服作动系统，得到用户要求的驱动;④用所得到的驱动信号驱动作动系统使用户的最终试样获得要求的振动和动作;⑤给出最终结果的不同表达，其实物图如图5所示。

图5 数字化控制系统操作界面

数字化三轴控制系统的主窗口是程序的控制中心，它负责管理各个功能窗口和系统模式的切换，并显示试样的基本信息和试验控制状态信息和各个功能的控制，这个窗口始终位于屏幕最上面。

7 初步试验结果

该试验机可进行常规三轴试验、动三轴试验、围压剪切试验、复杂应力路径试验、双轴振动试验以及等应变增量比试验。

将试样套在橡胶膜内，放在密封的压力室中，然后向压力室内压入水，使试件在各个方向受到周围压力，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试件内各向的3个主应力都相等，因此不发生剪应力。然后再通过传力杆对试件施加竖向压力，这样，竖向主应力就大于水平向主应力，当水平向主应力保持不变，而竖向主应力逐渐增大时，试件终于受剪而破坏。

动三轴试验属于土的动态测试内容，是室内进行土的动态特性时较普遍采用的一种方法。试验内容包括两方面:①确定土的动强度，用以分析在大变形条件下地基和结构物的稳定性，特别是沙土的振动液化问题;②确定剪切模量和阻尼比，用以计算在小变形条件下土体在一定范围内所引起的位移、速度、加速度或应力随时间的变化。

围压剪切试验，将试样套在橡胶膜内，放在密封的压力室中，然后向压力室内压入水，使试件在各个方向受到周围压力，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试件内各向的3个主应力都相等，稳定后，然后开始减小围压，这样就可进行围压剪切试验。

双轴振动试验在轴向和侧向同时进行双向振动试验。同时改变轴力和围压进行周期性的变化，以获得该状态下的砂土的力学响应。

复杂应力路径试验主要包括等P试验、等Q试验以及等边增量比试验。等边增量比试验研究砂土在沿着应变增量比(侧向应变增量与轴向应变增量的比值)为常数的路径加载时的力学响应具有十分重要的意义。通过改变围压的大小来控制试样加载过程中的应变增量比，使其保持为常数，且针对砂土进行了初步的等应变增量比三轴试验。

图6为应变增量比为－0.3时的试验结果，分别表示的是在应变增量比保持为－0.3时，轴向应力σa'和侧向应力σr'随轴向应变的变化发展，侧向应力随轴向应力的变化发展以及应力比(σ3'/σ1'=σr'/σa')与归一化轴向有效应力之间的关系。其中归一化轴向有效应力是指试验中每一点的轴向有软应力与达到的最大轴向有效应力的比值［1］。

图7中侧向应力与轴向应力保持为线性变化的关系，从而可知一个等应变增量比的对应着一个渐近状态应力比，二者是一一对应的关系。

图6 应力应变关系

图7 轴向应力与侧向应力之间的关系

从图8可看出，当试验中的应变增量比控制为一个常数时，最终的应力比也保持为一个常数，Gudehus、Chu等［2］将这种砂土沿着等应变增量比的路径加载时，最终的应力比逼近于一个常数的力学响应定义为渐近力学行为，将最终的稳定应力状态称之为渐近状态，并将此常应力比称之为渐近状态应力比。

上述试验结果与Chu等的试验现象及结论是一致的［3－5］。从而验证了设备的有效性与精度。

8 结语

为研究砂土的复杂应力路径的力学响应以及双向振动荷载三轴试验，成功研制了多功能静动三轴试验机。试验机成功解决了液压伺服控制的驱动系统，且可进行常规三轴试验、动三轴试验、围压剪切试验、复杂应力路径试验、双轴振动试验以及等应变增量比试验等多种复杂试验。使用情况表明，系统结构简单，人机用户界面友好，定义清晰，使用方便。从初步试验结果可以看出，设备的控制精度满足高，量测重复性较好，可进行多种复杂的三轴试验。

图8 轴向有效应力和应力比之间的关系

［1］ Topolnicki M，Gudehus G，Mazurkiewicz B K.Observed stressstrain behavior of remoulded saturated clayunder plane strain conditions［J］.Geotechnique，1990，42(2):155－187.

［2］ Chu J，Lo S CR，Lee I K.Strain softening behavior of granular soil in strain path testing［J］.Journal of geotechnical engineering，ASCE，1992，118(20):191－208.

［3］ Kim M M，Ko H Y.Centrifugal testing of soil slope models［J］.Transport research record，1991(2):7－14.

［4］ Pu J L，Liu F D，Li J K，et al.Development of mediumsize geotechnical centrifuge at tsinghua university［C］.Proceedings of the international conference on centrifuge 94.Singapore，1994(3): 53－56.

［5］ Taylor R N.Centrifuges in modelling:principles and scale effects［A］.Taylor R N geotechnical centrifuge technology.Blackie academic and professional，Glasgow，1995(16): 19－33.

Development of Multifunction Triaxial Apparatus and Preliminary Tests

FU Jing－chong，GAO Xue－mei，WU Bo，YANG Wei
(Tianshui Hongshan Testing Machine Co.，Ltd，Tianshui Gansu 741001，China)

Aiming at the fine－grained soil complex stress path test research，an intelligent multifunction triaxial test apparatus is developed which is drived by the hydraulic servo.The testing machine comprises a host，digital control system，hydraulic power supply system.The axial and confining pressure are electro－hydraulic servo closed－loop controlled.It can conduct the conventional triaxial test，dynamics triaxial test，confining pressure shear triaxial test，complex stress path triaxial test，biaxial vibration triaxial test and constant strain increment ratio test.The system is demonstrated for its simplicity and stability during initial experiment.

triaxial apparatus;complex stress path;multifunction;biaxial vibration triaxial test

TH12

A

1007－4414(2013)05－0122－04

2013－09－03

付敬宠(1983－)，男，甘肃天水人，助理工程师，主要从事试验机控制系统开发方面的工作。