CN104965056A - 一种全自动岩石干湿循环与渗透仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的一种全自动岩石干湿循环与渗透仪，其特征在于由烘干室、渗透室、膨胀室，旋转承台架以及岩样承台等组成。通过旋转承台架自动旋转，将岩样送至不同的试验室下。然后再通过岩样承台与试验室的自动密封技术，将岩样提取以及自动将试验室密封后试验。一种全自动岩石干湿循环与渗透仪可将同一岩样置于三个试验室中多次轮流试验，获取干湿循环以及渗透试验下岩样多种物理数据，为研究岩石在干湿循环及渗透条件下内部结构变化提供参考。

Description

一种全自动岩石干湿循环与渗透仪

技术领域：

本发明属于岩石物理试验机开发领域，特别涉及一种全自动岩石干湿循环与渗透仪，适用于研究岩样在干湿循环和渗透试验中试验数据的自动检测与收集。

技术背景：

红层软岩普遍存在于我国南方地区，而南方又是我国降雨集中区，天气与气候环境变化多端，因此，在该地区的重大工程建设中，软岩被开挖暴露后，经常性遍历干湿交替的循环作用，导致岩体内部结构松散，强度迅速降低，使得边坡、隧道、基坑等工程灾变频繁产生。因此研究软岩在干湿循环作用下的灾变机制已经成为岩石力学的重要课题之一。室内实验是研究软岩干湿循环灾变机制的重要手段之一。但是现有的干湿循环与渗透试验仪器一方面功能比较单一，只能通过独立进行的烘干或浸水等过程的重复开展岩样干湿循环实验，效率低，成本高；另一方面自动化程度低，量测数据靠人工完成，造成的人为误差也较大。因此，针对上述不足之处，本发明了设计了一种全自动岩石干湿循环与渗透仪，目的是实现在同一台设备上完成干湿交替循环以及渗透实验。

发明内容：

本发明的目的是设计一种全自动岩石干湿循环与渗透仪。针对现有的问题，提出以下设计方案：首先设计上下两个弧度相等的支撑架和旋转承台架，将岩石烘干仪，膨胀测试仪以及渗透仪等工作室的下部设计一个可动旋转螺母，通过三个工作室结构的合理设计与布局将其安装于上部的弧形架中，将岩样放置于下部的旋转承台架上的承样台；同时，在上部弧形架上设计一台直线电机和环形电机，下部旋转承台架上设计有靠永磁弧线导轨电机。直线电机控制上部弧形架的上下移动，环形电机控制岩石烘干仪，膨胀测试仪以及渗透仪等工作室下部的螺母旋转，通过该电机的驱动，实现支撑架的上下移动和岩样的放取，永磁弧线导轨电机驱动旋转承台架绕自身中心轴线转动。而电机全程的工作和实验时间控制、传感器测量等过程全部由计算机程序设计进行自动控制，从而在同一台设备上完成烘干、膨胀测试、渗透测试、质量变化量测等多种试验功能，试验中水的注入依靠外部液压系统完成，如此循环往复，即可实现在同一台设备上完成干湿循环交替和渗透实验。实验始终由电脑终端全程全自动控制，无人为操作，减少了人为误差，提高了工作效率。本发明不仅适用于软岩而且适用于各类岩体及同类材料的干湿循环条件下的物理性质参数测试。

全自动岩石干湿循环与渗透仪的设计包括三个工作室(A、B、C)与弧形架(5)两大部分。两大部分可配合承样台(8)与旋转承台架(18)完成整个试验过程。三个工作室分别为渗透室(A)、烘干室(B)、膨胀室(C)。三个工作室(A、B、C)分别设计安装于弧形架(5)上，并排均匀分布于弧形架上的同一弧线上，每相邻两个个工作室轴线间的距离与底部旋转承台架上岩样轴线间的距离相等。每个工作室都可以在的环形驱动电机的驱动下上下运动，环形驱动电机由工作室移动架驱动定子(2)与验室移动架驱动转子(4)组成。同时配合下端部环形电机驱动的可动螺母，可动螺母与下螺母驱动转子(7)合为一体。由下螺母驱动定子(6)驱动下螺母驱动转子(7)旋转，通过螺纹接触合承样台(8)，两者螺纹配合动作，可完成岩样提取以及工作室(A、B、C)与承样台(8)的密封工作。

弧形架上分别设计有三个通孔(C、C1、C2)，用于安装工作室移动架(1)。每个通孔周围设有一组导向孔(a、a1、a2)共三组每组四个，当工作室移动架(1)上下移动时起到导向作用。弧形架(5)立柱固定于机架上(17)，并由弧形架直线驱动电机(19)驱动，可上下移动。

渗透室(A)主要由工作室移动架(1)与环形驱动电机以及止水环(10、11)组成，配合承样台(8)完成岩样的渗透试验数据量测。由弧形架直线驱动电机(19)驱动整个弧形架上下移动，大致调整整个弧形架与承样台之间的距离。再由环形电机驱动工作室移动架(1)微调，往下运动至承样台(8)处并与之接触。可动螺母与下螺母驱动转子(7)为一整体，由下螺母驱动定子(6)驱动，与承样台(8)螺纹配合，可动螺母旋转的过程中慢慢将承样台(8)上提至工作室，最终通过螺纹的自锁作用将承样台(8)紧紧扣住工作室(A)，形成密闭空间。完成岩样的提取与工作室的密封工作后，工作室移动架(1)上方的液压注入孔(d)处开始由外部液压系统将水注入渗透室，加压至试验所需的压力后保持恒定，开始常水头渗透试验。试验结束后，整个工作室移动架(1)在移动架直线驱动电机的驱动下往下运动，将承样台(8)放回至旋转承台架(18)上的方形凹槽中，通过环形电机驱动可动螺母的反转，工作室(A)与承样台(8)渐渐分离，此时留在工作室内(A)的岩样因止水环(10、11)的密封紧固作用未能取出，液压注入孔(d)处再次注入压力水施加压力，通过岩样上方水压的作用将岩样从工作室(A)内压出。

烘干室(B)主要由工作室移动架(1)与环形驱动电机、加热陶瓷内芯(13)、抽风风扇(12)组成，配合承样台(8)完成烘干过程中岩样质量变化数据量测。由弧形架直线驱动电机(19)驱动整个弧形架上下移动，大致调整整个弧形架与承样台之间的距离。再由环形电机驱动工作室移动架(1)微调，往下运动至承样台(8)处并与之接触。可动螺母与下螺母驱动转子(7)为一整体，由下螺母驱动定子(6)驱动，与承样台(8)螺纹配合，可动螺母 旋转的过程中慢慢将承样台(8)上提至烘干室(B)，最终通过螺纹的自锁作用将承样台(8)紧紧扣住烘干室(B)，形成密闭空间。完成岩样的提取与烘干室(B)的密封工作后，烘干室内加热电圈(14)开始加热，承样台(8)上加热线圈开始加热，抽风风扇(12)开始工作，热气流从底部承样台入口处将整个岩样包围进行岩样烘干，承样台(8)上重力传感器实时将岩样质量变化数据传输至中控中心。试验结束后，整个工作室移动架(1)在环形驱动电机的驱动下往下运动，将承样台(8)放回至旋转承台架(18)上的方形凹槽中，通过可动螺母的反转，烘干室(B)与承样台(8)渐渐分离，烘干室(B)内的岩样随着承样台一起取出。

膨胀室(C)主要由工作室移动架(1)与环形驱动电机、传感器固定座(15)、可伸缩高精度传感器(16)组成，配合承样台(8)完成岩样膨胀试验过程中岩样轴向体积变化数据量测。由弧形架直线驱动电机(19)驱动整个弧形架上下移动，大致调整整个弧形架与承样台之间的距离。再由环形电机驱动工作室移动架(1)微调，往下运动至承样台(8)处并与之接触。可动螺母与下螺母驱动转子(7)为一整体，由下螺母驱动定子(6)驱动，与承样台(8)螺纹配合，可动螺母旋转的过程中慢慢将承样台(8)上提至膨胀室(C)，最终通过螺纹的自锁作用将承样台(8)紧紧扣住膨胀室(C)，形成密闭空间。完成岩样的提取与膨胀室(C)的密封工作后，工作室上侧注水孔(d)开始注水，可伸缩高精度传感器(16)自动探测岩样表面，并与岩样表面贴合。实时检测岩样轴向体积变化，并将数据传输至中控中心。试验结束后，整个膨胀室(C)移动架(1)在环形驱动电机的驱动下往下运动，将承样台(8)放回至旋转承台架上的方形凹槽中，通过可动螺母的反转，膨胀室(C)与承样台(8)渐渐分离，膨胀室(C)内的岩样随着承样台(8)一起取出。

旋转承台架(18)可通过永磁弧线导轨电机(20)的驱动下将做完试验的岩样送至另外一个工作室下进行下一个试验研究。做完渗透试验后将通过旋转承台架(18)的旋转将做过渗透的岩样送至烘干室(B)下，通过烘干室(B)的动作将由饱水状态烘干并获取相应的试验数据；同时当做完烘干试验后将岩样送至膨胀室(A)进行烘干后岩石膨胀试验并获取相应数据。三个工作室(A、B、C)在旋转承台架(18)的配合下完成岩样干湿循环试验数据的量测。

本发明具有以下优点：

1、本发明一种全自动岩石干湿循环与渗透仪，全自动化结构设计，减少了人工操作步骤，提升工作效率，试验精度高。

2、本发明一种全自动岩石干湿循环与渗透仪，三个工作室并排弧形架，可配合工作也可单独完成某项试验研究，适合各类岩体干湿循环试验研究，应用性广。

3、本发明一种全自动岩石干湿循环与渗透仪，结构紧凑，体积小。

附图说明：

图1全自动岩石干湿循环与渗透仪总装三维视图

图2全自动岩石干湿循环与渗透仪弧形架装配结构三维视图

图3弧形架结构三维视图

图4下作室移动架结构三维视图

图5渗透室装配剖面图

图6烘干室装配剖面图

图7膨胀室装配剖面图

图8承样台、岩样与旋转承台架组合三维视图

1-工作室移动架；2-工作室移动架驱动定子；3-岩样；4-工作室移动架驱动转子；5-弧形机架；6-下螺母驱动定子；7-下螺母驱动转子；8-承样台；9-固定螺栓；10、11-上下止水环；12-抽风风扇；13-加热陶瓷内芯；14-加热电圈；15-传感器固定座16-可伸缩高精度传感器；17-机架；18-旋转承台架；19-弧形架直线驱动电机；20-永磁弧线导轨电机

具体实施方式：

如图1-7所示，本发明是一种全自动岩石干湿循环与渗透仪。一种全自动岩石干湿循环与渗透仪，其弧形架立柱安装于机架上，并由弧形架直线驱动电机驱动上下运动。微调旋转承台架(18)，使得旋转承台架(18)的承样台(8)和岩样(3)对准每个工作室(A、B、C)。工作室(A、B、C)分别由的工作室移动架驱动定子(2)与转子(4)驱动向下伸出，使得工作室移动架(1)上的可动螺母对准承样台并接触。下螺母驱动定子(6)与转子(7)带动可动螺母旋转将承样台(8)往上抬起，通过螺纹自锁将整个工作室密封起来。随后三个工作室分别各自工作。

(1)渗透室：渗透室密封后，进行常水头渗透试验。当岩样自动套入工作室的过程中，工作室里的上下止水夹(10、11)自动将岩样上下水止住，常水头压力由外置液压装置提供，从工作室移动架(1)上方的d口注入。承样台(8)与工作室密封后电源触点自动连接，承样台(8)里的变阻式水量测量传感器自动打开。实时测量渗透水量，将数据传输至中控中心。试验完成后，工作室移动架(1)在工作室移动架驱动定子(2)的驱动下，往下移动，将承样台(8)放置回旋转承台架上的方形槽 中，随后驱动下螺母旋转，工作室移动架(1)渐渐与承样台(8)分离。上下止水夹(10、11)将岩样固定在工作室中，外置液压装置通过工作室移动架(1)上方的d口再次施加液压力将岩样慢慢压出。此时完成整个渗透试验的过程。

(2)烘干室：承样台(8)与烘干工作室密封后，烘干室内陶瓷内芯(13)加热电圈自动加热，同时承样台(8)电源触点与烘干工作室接通，承样台(8)上的加热线圈自动加热，烘干室工作室移动架(1)上方的抽风风扇(12)启动带动热气流从下往上升，气流包围整个岩样，达到烘干效果。同时质量传感器接通工作将烘干过程中岩样质量变化数据实时传送到中控中心直至岩样烘干完成。烘干后，工作室移动架(1)在驱动定子与转子的作用下往下伸出，将承样台(8)放置回旋转承台架的方形槽中，在下螺母驱动定子与转子的作用下，渐渐与烘干室分离，同时岩样也随之脱离烘干室，进行下一个试验环节。

(3)膨胀室：承样台(8)与膨胀室密封后，外置液压装置通过工作室移动架上方的d入口处将水注入到膨胀测试工作室中，同时工作室内可伸缩高精度传感器(16)自动贴合岩样表面，实时检测岩样轴向体积变化，并将所测数据传回中控中心。完成膨胀测试试验后，工作室移动架(1)在驱动定子与转子的作用下往下伸出，将承样台(8)放置回旋转承台架(18)的方形槽中，在下螺母驱动定子与转子的作用下，渐渐与膨胀室分离，同时岩样也随之脱离膨胀室，进行下一个试验环节。

分别完成上述三项试验后，通过旋转承台架(18)将岩样换位，将完成烘干试验的岩样换位至膨胀室下，将做完膨胀测试试验的岩样换位至烘干室下，或者将做完烘干试验的岩样换位至渗透室下。如此两两交换试验，测试岩样在干湿循环的过程中相关数据的变化，根据数据的变化为研究岩样在干湿循环过程中结构变化提供参考数据。

Claims (5)

1.一种全自动岩石干湿循环与渗透仪，其特征在于由工作室移动架(1)、工作室移动架驱动定子(2)、工作室移动架驱动转子(4)、弧形架(5)、下螺母驱动定子(6)、下螺母驱动转子(7)、承样台(8)、固定螺栓(9)、上下止水环(10)(11)、抽风风扇(12)、加热陶瓷内芯(13)、加热电圈(14)、传感器固定座(15)、可伸缩高精度传感器(16)、机架(17)、旋转承台架(18)、弧形架直线驱动电机(19)、永磁弧线导轨电机(20)组成。所述的一种全自动岩石干湿循环与渗透仪的弧形架(5)可安装在机架(17)上，岩样放置于承样台(8)上，而承样台(8)放置于旋转承台架(18)上，配合着旋转承台架(18)的旋转完成岩样干湿循环过程中岩样在常水头压力下渗透水量数据以及在烘干过程中重力变化数据，和在水里浸泡后膨胀数据的量测。

2.根据权利要求1所述的一种全自动岩石干湿循环与渗透仪，其特征在于：整个干湿循环仪分为三大部分：渗透室A，烘干室B，膨胀室C。三个室分别设计安装于弧形架(5)上，所述弧形架(5)安装于机架(17)上并由弧形架直线驱动电机(19)驱动，可上下移动。所述弧形架(5)的弧度与旋转承台架(18)圆弧弧度一致，保证在岩样提取时与旋转承台架无角度偏差配合。所述三个工作室分别可与承样台(8)配合形成密闭空间。所述承样台(8)设计安装于旋转承台架(18)上的方形孔位，用于放置岩样。所述旋转承台架(18)为圆环形，可通过永磁弧线导轨电机(20)驱动绕其中心轴转动，三个置于弧形架(5)上的工作室A、B、C配合着旋转承台架(18)的旋转，根据试验设定要求提取每个时刻试验所需的相应承样台(8)上的岩样。

3.根据权利要求2所述的渗透室(A)设计安装于弧形架(5)的孔位C2。所述渗透室(A)由工作室移动架(1)、工作室移动架驱动定子(2)、工作室移动架驱动转子(4)、弧形架(5)、下螺母驱动定子(6)、下螺母驱动转子(7)、承样台(8)、固定螺栓(9)、上止水环(10)、下止水环(11)组成。所述工作室移动架(1)设计有4个导向轨(e)，机架设计有驱动螺纹(f)，上端设计有可供水气流通的接口(d)。所述工作室移动架(1)穿过弧形架上的右孔位(C2)，4个导向轨(e)穿过弧形架(5)上的导向孔(a2)，可沿着孔位轴线做上下运动。所述工作室移动架驱动定子(2)以弧形机架(5)孔位(C2)轴线为中心通过固定螺栓(9)固定在弧形机架(5)固定螺栓孔b上。所述机架驱动转子(4)套于工作室移动架驱动定子(2)的内部，同时套于工作室移动架(1)外部。所述上下止水环(10、11)分别设计安装于工作室移动架(1)内腔上下两侧。所述下螺母驱动定子(6)固定于工作室移动架(1)的下侧，并套于下螺母驱动转子(7)的外侧。所述下螺母驱动转子(7)套于工作室移动架(1)下侧，并与可动螺母为一整体，可绕着转子轴线旋转。所诉承样台(8)可通过与下螺母转子旋转配合与工作室移动架(1)将整个工作室密封，也可以旋转脱离整个工作室移动架。所述设计安装于弧形架(5)上的渗透室(A)配合岩样承台(8)与旋转承台架(18)，在试验时可完成岩样的自动提取，并通过外部液压装置提供恒压力对岩样进行常水头渗透试验，通过岩样承台实时测量渗透水量。

4.根据权利要求2所述烘干室(B)设计安装于弧形架(5)的孔位(C1)。所述烘干室(B)由工作室移动架(1)、工作室移动架定子(2)、机架驱动转子(4)、弧形机架(5)、下螺母驱动定子(6)、下螺母驱动转子(7)、承样台(8)、固定螺栓(9)、抽风风扇(12)、加热陶瓷内芯(13)、加热电圈(14)组成。所述工作室移动架(1)设计有4个导向轨(e)，机架身设计有驱动螺纹f，上端设计有可供水气流通的接口(d)。所述工作室移动架(1)设计安装于弧形架(5)的中孔位(C1)，4个导向轨(e)穿过弧形架(5)上的导向孔(a1)，可沿着中孔位(C1)轴线上下运动。所述工作室移动架驱动定子(2)以弧形机架(5)中孔位(C1)轴线为中心通过固定螺栓(9)固定在弧形机架(5)固定螺栓孔(b1)上。所述机架驱动转子(4)套于工作室移动架驱动定子(2)的内部，同时套于工作室移动架(1)外部。所述抽风风扇(12)设计安装于工作室移动架(1)内室的顶部。所述加热电圈(14)嵌入加热陶瓷内芯(13)的内部，所述加热陶瓷内芯(13)套于工作室移动架(1)内部。所述下螺母驱动定子(6)固定于工作室移动架(1)的下侧，并套于下螺母驱动转子(7)的外侧。所述下螺母驱动转子(7)套于工作室移动架(1)下侧，并与可动螺母为一整体，可绕着转子轴线旋转。所诉承样台(8)可通过与下螺母转子旋转配合与工作室移动架(1)将整个工作室密封，也可以脱离整个工作室移动架(1)。所述设计安装于弧形架(5)上的烘干室(B)配合岩样承台(8)与旋转承台架(18)，在试验时可完成岩样的自动提取，通过承样台与内置加热陶瓷内芯(13)的加热功能对岩样进行烘干试验，试验过程中通过岩样承台实时测量岩样质量变化数据。

5.根据权利要求2所述膨胀室(C)设计安装于弧形架(5)的孔位(C)上。所述膨胀室(C)由工作室移动架(1)、工作室移动架定子(2)、机架驱动转子(4)、弧形机架(5)、下螺母驱动定子(6)、下螺母驱动转子(7)、承样台(8)、固定螺栓(9)、传感器固定座(15)、可伸缩高精度传感器(16)组成。所述工作室移动架(1)设计有4个导向轨(e)，机架身设计有驱动螺纹f，上端设计有可供水气流通的接口(d)。所述工作室移动架(1)设计安装于弧形架(5)的孔位(C)，4个导向轨(e)穿过弧形架(5)上的导向孔(a)，可沿着左孔位(C)轴线上下运动。所述工作室移动架驱动定子(2)以弧形机架(5)左孔位(C)轴线为中心通过固定螺栓(9)固定在弧形机架(5)固定螺栓孔(b)上。所述机架驱动转子(4)套于工作室移动架驱动定子(2)的内部，同时套于工作室移动架(1)外部。所述传感器固定座(15)设计有通水孔，安装于工作室移动架动架(1)的顶部，与水气流通的接口d相连接。所述可伸缩高精度传感器(16)设计安装于传感器固定座(15)的内孔，并可沿着内孔伸缩。所述下螺母驱动定子(6)固定于工作室移动架(1)的下侧，并套于下螺母驱动转子(7)的外侧。所述下螺母驱动转子(7)套于工作室移动架(1)下侧，并与可动螺母为一整体，可绕着转子轴线旋转。所诉承样台(8)可通过与下螺母转子旋转配合与工作室移动架(1)将整个工作室密封，也可以脱离整个工作室移动架(1)。所述设计安装于弧形架(5)上的膨胀室(C)配合岩样承台(8)与旋转承台架(18)，在试验时可完成岩样的自动提取，通过内置可伸缩高精度传感器(16)对岩样在遇水浸泡时的轴向膨胀参数进行实时量测。