УСТРОЙСТВО ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ

Область техники
Данное техническое решение относится к области строительства, а именно к технике для определения свойств строительных материалов, естественных и искусственно улучшенных грунтов и может быть использовано в геотехнике, при испытании строительных материалов, грунтоведении и инженерной геологии.
Уровень техники
Аналогами данного технического решения являются СТАБИЛОМЕТРЫ (авторское свидетельство СССР на изобретение №279141, 1969 г. и авторское свидетельство СССР на изобретение SU 1146573 А, заявка 3679641/22-03 от 27.12.1983 г., опубликовано 23.03.1983 г., бюл. 11).
СТАБИЛОМЕТР, отличающийся тем, что с целью расширения диапазона исследований, каждый индикатор расхода жидкости снабжен винтовым гидравлическим нагнетателем ртути, подсоединенным к нижней части индикатора расхода жидкости.
Недостатком данного аналога является использование ртути при измерении объемной деформации и перового давления вследствие ее высокой токсичности.
3
Следующим аналогом заявляемого технического решения является. СТАБИЛОМЕТР (авторское свидетельство SU 983184 А, заявка №3284448/29-33 от 28.04.81 г., М. Кл, F02D 1/00, G01N 3/08, опубликовано 23.12.1982 г., бюл. №47).
1. Стабилометр, включающий корпус, рабочую камеру с перфорированными дисками, образованную поршнем, основанием, имеющим водосборную камеру и эластичной оболочкой, гидравлическую камеру, размещенную между корпусом и эластичной оболочкой, гидронасос, сдвигающее приспособление со штоком, измеритель боковой деформации со штоком, нагрузочное и измерительные приспособления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности исследований, корпус снабжен днищем с роликовыми опорами, штоки сдвигающего приспособления и измерителя боковой деформации выполнены с каналами, соединенными с водосборной камерой основания, установленного на роликовых опорах днища с возможностью взаимодействия со штоками сдвигающего приспособления и измерителя боковой деформации.
2. Стабилометр по п.1, отличающийся тем, что он снабжен кольцами, установленный соосно с зазорами между собой поверх эластичной оболочки.
Недостатком данного аналога является невысокая точность измерения деформаций образца при действии горизонтальной нагрузки из-за возникающей при этом неоднородности деформаций внутри образца грунта.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ГРУНТА В УСЛОИЯХ ТРЕХОСНОГО НАГРУЖЕНИЯ (авторское свидетельство СССР на изобретение SU 730079 А, заявка 2633617/25-33 от 19.06.1978 г., опубликовано 23.12.1984 г.).
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ГРУНТА В УСЛОВИЯХ ТРЕХОСНОГО НАГРУЖЕНИЯ, включающее соединенную с источником давления камеру бокового давления с верхней и нижней крышками, штоком и стержнем, на концах которых в камере закреплены верхний и нижний штампы-захваты, центрирующее и нагрузочное приспособления, и измерительные приборы, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений в условиях трехосного нагружения, центрирующее приспособление снабжено винтами-стойками и установленной между ними траверсой, а нагрузочное приспособление выполнено в виде упругой гофрированной трубы, разделенной на верхнюю и нижнюю полости диафрагмой, закрепленной на штоке, пропущенном с помощью шарниров через верхнюю крышку, причем верхняя полость соединена с источником давления, а нижняя - с камерой бокового давления.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, полость атмосферного давления редуктора снабжена сильфоном, соединенным с полостью большого давления.
Недостатками прототипа является трудоемкость проведения испытаний в ручном режиме управления силовым нагруженном и измерения деформаций, громоздкость и материалоемкость устройства.
Сущность полезной модели
Известное устройство трехосного сжатия, предназначенное для определения характеристик прочности и деформируемости немерзлых песчаных, глинистых и органоминеральных грунтов, содержит рабочую камеру, нагрузочное устройство, кожух и датчики.
Целью создания заявляемого технического решения является разработка компактного, удобного в эксплуатации устройства трехосного сжатия, обеспечивающего автоматизированное выполнение испытаний и обработку результатов измерений с помощью вычислительной техники.
В устройстве трехосного сжатия рабочая камера состоит из платформы, основания и цилиндра, пневмоцилиндр фиксируется на четырех шпильках платформы, прозрачный цилиндр рабочей камеры устанавливается на основание, на верхней части цилиндра размещена платформа с закрепленным пневмоцилиндром, рабочая камера крепится к основанию четырьмя выдвижными болтами, вставленные в пазы основания рабочей камеры, и фиксируется при помощи гаек, герметичность рабочей камеры обеспечивается за счет уплотнительных колец, образец грунта устанавливается внутри рабочей камеры на нижний штамп, который является частью основания, на него установлен и закреплен винтом съемный штамп большего диаметра, принимаемый в зависимости от размера испытываемого образца грунта, перфорированные вкладыши верхнего и нижнего штампов обеспечивают фильтрацию жидкости, измерительные скобы установлены на двух стойках внутри рабочей камеры, служащих также для крепления платформы для установки нижнего штока, всестороннее давление в рабочей камере создается сжатым воздухом, поступающим из сети питания через блок пневматических клапанов, и измеряется датчиком давления, блок пневматических клапанов всестороннего давления расположен внутри кожуха устройства на нижней поверхности основания рабочей камеры и состоит из двух клапанов подающего и сбросного, отвод жидкости с верхней части образца грунта производится по трубке, подключенной одним концом к штуцеру верхнего штампа, а другим к штуцеру дренажного канала, дренажный канал находится внутри основания и связан с краном верхнего дренажа, нагрузочное устройство, предназначенное для создания максимальной вертикальной нагрузки на образец грунта, состоит из пневматического цилиндра, установленного на платформе рабочей камеры, и блока пневматических клапанов, расположенного внутри кожуха и закрепленного с помощью винтов на нижней поверхности основания рабочей камеры, блок пневматических клапанов состоит из двух клапанов: подающего с черной контрагайкой и сбрасывающего с белой контрагайкой, сжатый воздух от подающего клапана блока пневматических клапанов поступает в верхнюю часть пневматического цилиндра по трубке, подключенной к верхнему штуцеру пневматического цилиндра, кожух устройства состоит из двух частей и крепится с помощью винтов к основанию рабочей камеры, на передней стороне кожуха расположены индикатор давления и регулятор давления, на левой боковой стороне кожуха закреплен коллектор, на котором расположен кран исходного положения для подачи воздуха в нижнюю часть пневматического цилиндра и перемещения поршня пневматического цилиндра в исходное (верхнее) положение, кран сброс вертикальной нагрузки для ручного сброса давления воздуха в верхней части пневмоцилиндра и штуцер, коллектор может быть использован в качестве ручки для переноса устройства, на правой боковой стороне кожуха изделия размещены краны верхнего дренажа, нижнего дренажа для управления фильтрацией жидкости в образце и сброса порового давления образца грунта и кран сброса давления в рабочей камере, на задней стороне основания находятся разъем для подключения датчика силы, разъемы управления клапанами и датчиков для подключения к блоку электронной преобразующей аппаратуры (ЭПА) и штуцер пневмосети для подключения к сети питания сжатым воздухом, для измерения вертикальной деформации образца грунта использован датчик линейных перемещений ДЛП-24, закрепленный на стойке внутри рабочей камеры, шток датчика подпружинен и упирается в рычаг верхнего штампа, для измерения деформации в средней части образца грунта использован датчик линейных перемещений ДЛП-6, расположенный внутри рабочей камеры, вставлен в зажим, установленный на измерительной скобе, и закреплен при помощи винта, для измерения вертикальной (нормальной) нагрузки использован датчик силы, закрепленный на платформе рабочей камеры устройства при помощи втулки и верхнего штока, герметичность в рабочей камере между штоком и втулкой обеспечена с помощью манжеты, шток датчика подпружинен, пружина служит для возврата датчика в стартовое положение после разгрузки устройства, для измерения всестороннего давления на образец грунта использован датчик давления, расположенный внутри кожуха устройства, для измерения порового давления образца грунта использован датчик давления, установленный в основание рабочей камеры внутри кожуха устройства, все датчики, входящие в состав устройства, являются преобразователями измерительных каналов измерительно-вычислительного комплекса ИВК «АСИС», клапаны управляются по сигналам, поступающим из ИВК.
С электронной преобразующей аппаратуры по кабелю поступает сигнал на блоки пневматических клапанов и подающие клапаны блоков переходят в состояние открыто и воздух из пневматической сети поступает в нагрузочное устройство и рабочую камеру, давление, создаваемое в рабочей камере, всесторонне обжимает образец грунта и измеряется при помощи датчика давления, под воздействием всестороннего давления происходит деформация образца в вертикальном и радиальном направлениях, вертикальные деформации измеряются при помощи датчика линейных перемещений ДЛП-24, радиальные деформации при помощи датчика линейных перемещений ДЛП-6, давление воздуха в верхней части пневматического цилиндра нагрузочного устройства создает вертикальное усилие, которое измеряют при помощи датчика силы LPX 500, усилие от датчика силы передается на верхний штамп и далее на образец, под воздействием вертикального усилия происходит деформация образца грунта в вертикальном и радиальном направлении, вертикальные деформации измеряют при помощи датчика линейных перемещений ДЛП-24, радиальные деформации измеряют при помощи датчика линейных перемещений ДЛП-6.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
Фиг.1 - чертеж устройства трехосного сжатия;
Фиг.2 - чертеж устройства трехосного сжатия (вид сверху);
Фиг.3 - чертеж устройства трехосного сжатия (вид снизу);
Фиг.4 - чертеж передней панели основания устройства трехосного сжатия;
Фиг.5 - чертеж боковой панели основания устройства трехосного сжатия;
Фиг.6 - чертеж задней панели основания устройства трехосного сжатия
Пример варианта выполнения устройства
На фиг.1 обозначены:
1 - коллектор, 2 - основание, 3 - сапун, 4 - нижний штамп, 5 - кольцо резиновое, 6 - перфорированный вкладыш, 7 - держатель, 8 - штамп верхний, 9 - болт выдвижной, 10 - винт, 11 - шток, 12 - датчик силы, 13 - манжета, 14 - цилиндр, 15 - платформа, 16 - гайка - 4 шт., 17 - втулка, 18 - трубки, 19 - пневматический цилиндр, 20 - фланец, 21 - шпилька, 22 - болт переходной, 23 - кольцо уплотнительное, 24 - гайка, 25 - втулка, 26 - стойка - 3 шт., 27 - датчик перемещений ДЛП-6, 28 - канал дренажный, 29 - датчик давления, 30 - ручка, 31 - кожух, 32 - регулятор давления, 33 - индикатор давления, 34 - гайка, 35 - датчик перемещений ДЛП-24, 36 - шток, 37 - рычаг,38 - гайка, 39 - пружина, 40 - шток;
На фиг.2 обозначены: 41 - основание, 42 - штамп верхний, 43 - скоба измерительная, 44 - гайка, 45 - платформа, 46 - датчики давления, 47 - кран «СБРОС ДАВЛЕНИЯ В КАМЕРЕ», 48 - кран «НИЖНИЙ ДРЕНАЖ», 49 - штуцер верхнего штампа, 50 - кран «ВЕРХНИЙ ДРЕНАЖ», 51 - каналы дренажные, 52 - штуцер дренажного канала, 53 - трубка, 54 - контргайка - 2 шт., 55 - пружина, 56 - винт, 57 - датчик ДЛП-6,58 - кольцо;
На фиг.3 обозначены: 59 - тройник, 60 - коллектор, 61 - блок клапанов, 62 - клапан сбросный, 63 - кран «ВЕРХНИЙ ДРЕНАЖ», 64 - кран «НИЖНИЙ ДРЕНАЖ», 65 - датчик давления (поровое давление), 66 - кран «СБРОС ДАВЛЕНИЯ В КАМЕРЕ», 67 - датчик давления (всестороннее давление), 68 - канал дренажный, 69 - штуцер «ПНЕВМОСЕТЬ 0,6 МПа»;
На фиг.4 обозначены: 70 - краны, 71 - штуцер, 72 - коллектор;
На фиг.5 обозначены: 73 - краны, 74 - ручка,
На фиг.6 обозначены: 75 - разъем «ДС», 76 - разъем «КУ», 77 - разъем «ДАТЧИКИ», 78 - штуцер пневмосети.
Описание и работа изделия
Назначение изделия
Устройство трехосного сжатия СТП 80/38 (ГТ 1.3.1-05) (далее по тексту изделие) предназначено для определения характеристик прочности и деформируемости немерзлых грунтов (песчаных, глинистых и органо-минеральных) методом трехосного сжатия по ГОСТ 12248-96 в составе измерительно-вычислительного комплекса «АСИС» (ИВК «АСИС»).
Изделие по виду климатического исполнения относится к УХЛ4.2 по ГОСТ 15150-69 и предназначен для следующих условий эксплуатации:
- температура окружающего воздуха - от плюс 10 до плюс 35°С;
- относительная влажность воздуха - до 80% при температуре плюс 25°С;
- атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа (от 630 до 800 мм рт.ст.).
Технические характеристики
Размеры испытываемого образца грунта в изделии приведены в таблице 1.
Таблица 1
Диаметр, мм
Высота, мм
Площадь поперечного сечения, см<sup>2</sup>
38,0
76
11,34
50
100
19,63
Максимальная вертикальная нагрузка на образец грунта 5 кН.
Способ приложения вертикальной нагрузки - статический, ступенями.
Максимальное всестороннее давление 0,6 МПа.
Максимальное поровое давление 0,6 МПа
Максимальные вертикальные деформации образца грунта 24 мм.
Максимальные измеряемые радиальные деформации образца 6 мм.
Работа изделия осуществляется за счет сжатого воздуха.
Конструктивно изделие выполнено в соответствии с ГОСТ 12248-96.
Габаритные размеры (ширина х высота х глубина), не более - 310×620×280 мм.
Масса изделия, не более 20 кг.
Средняя наработка изделия на отказ, не менее - 14000 часов.
Среднее время восстановления, не более 1 час.
Средний срок службы, не менее 5 лет.
Состав изделия
Изделие состоит из рабочей камеры, нагрузочного устройства, кожуха, датчиков.
В состав изделия также входят комплекты монтажных и сменных частей, комплект инструмента и принадлежностей.
Внешний вид изделия приведен на фиг.1.
Устройство изделия
Рабочая камера состоит из платформы 15, основания 2 и цилиндра 19 (см. фиг.1).
Пневмоцилиндр 19 с помощью гаек зафиксирован на четырех шпильках платформы.
Прозрачный цилиндр рабочей камеры устанавливается на основание 2.
На верхнюю часть цилиндра устанавливается платформа 15 с закрепленным пневмоцилиндром 19.
Камера крепится к основанию четырьмя выдвижными болтами и фиксируется при помощи гаек. Болты вставляются в пазы основания рабочей камеры.
Герметичность рабочей камеры обеспечивается за счет уплотнительных колец 23.
Образец грунта устанавливается внутри рабочей камеры на нижний штамп 4 между измерительных скоб.
Для обеспечения соосности вертикальной нагрузки оси симметрии образца грунта верхний штамп 8 закреплен на откидной платформе, которая в свою очередь закреплена шарнирно на стойке 23 и фиксируется на второй стойке после поворота в исходное положение. Вертикальная нагрузка передается через датчик силы 12 и нижний шток 11 на верхний штамп 8. Вертикальное перемещение штампа регулируется при помощи винта.
Для контроля безопасного давления в рабочей камере используется сбросной клапан с номиналом давления 0,6 МПа.
В приборе данной конструкции возможно проведение испытаний образцов грунта при различном соотношение между высотой Н и диметром образца D грунта. На фиг.1 показан вариант с диметром верхнего и нижнего штампа D=35 мм. Если необходимо провести испытания образцов грунта большего диаметца, например 50 мм, то используются другие верхний и нижний штампы с диаметр м в 50 мм. В этом случае на нижний штамп одевается штамп большего диаметра, а верхний штамп заменяется на новый.
Нижний штамп 4 диаметром 50 мм является частью основания 2 (см. фиг.1). На него установлен и закреплен винтом верхний штамп 8 диаметром 38 мм. В зависимости от размера испытываемого образца грунта используется штамп соответствующего размера.
Перфорированные вкладыши 6 верхнего 8 и нижнего 4 штампов предназначены для обеспечения фильтрации жидкости (см. фиг.1).
Измерительные скобы установлены на двух стойках, расположенных внутри рабочей камеры.
Стойки 26 служат также для крепления платформы (см. фиг.1 и 2), которая предназначена для установки верхнего штока.
Всестороннее давление в рабочей камере создается сжатым воздухом, поступающим из сети питания через блок пневматических клапанов 61, и измеряется датчиком давления 67.
Блок пневматических клапанов 61 всестороннего давления расположен внутри кожуха изделия на нижней поверхности основания рабочей камеры и состоит из двух клапанов подающего и сбросного 62 (см. фиг.3).
Отвод жидкости с верхней части образца грунта производится по трубке 18, подключенной одним концом к штуцеру верхнего штампа, а другим к штуцеру дренажного канала. Штуцер дренажного канала расположен на основании.
Дренажный канал находится внутри основания и связан с краном «ВЕРХНИЙ ДРЕНАЖ» (см. фиг.2, 3).
Нагрузочное устройство предназначено для создания максимальной вертикальной нагрузки на образец грунта 5 КН и состоит из (см. фиг.1):
- пневматического цилиндра 19, установленного на платформе рабочей камеры;
- блока пневматических клапанов 61, расположенного внутри кожуха и закрепленного с помощью винтов на нижней поверхности основания рабочей камеры (см. фиг.3).
Блок пневматических клапанов состоит из двух клапанов: подающего с черной контргайкой и сбрасывающего с белой контргайкой (см. фиг.3).
Сжатый воздух от подающего клапана блока пневматических клапанов поступает в верхнюю часть пневматического цилиндра 19 по трубке, которая подключается к верхнему штуцеру пневматического цилиндра (см. фиг.1).
Кожух 31 изделия состоит из двух частей и крепится с помощью винтов к основанию рабочей камеры.
На передней стороне кожуха расположены (см. фиг.1):
- индикатор давления 33;
- регулятор давления 32.
На левой боковой стороне кожуха закреплен коллектор, на котором расположены (см. фиг.4):
- кран «ИСХОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ» 70, предназначенный для подачи воздуха в нижнюю часть пневматического цилиндра и перемещения поршня пневматического цилиндра в исходное (верхнее) положение;
- кран «СБРОС ВЕРТИКАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ» 70, предназначенный для ручного сброса давления воздуха в верхней части пневмоцилиндра;
- штуцер 71.
Коллектор служит ручкой для переноса устройства.
На правой боковой стороне кожуха изделия расположены (см. фиг.5):
- краны «ВЕРХНИЙ ДРЕНАЖ», «НИЖНИЙ ДРЕНАЖ» и «СБРОС ДАВЛЕНИЯ В КАМЕРЕ» 73;
- ручка для переноса изделия 74.
Краны «ВЕРХНИЙ ДРЕНАЖ» и «НИЖНИЙ ДРЕНАЖ» предназначены для управления фильтрацией жидкости в образце (см. рисунки 2 и 4) и сброса порового давления образца грунта. Кран «НИЖНИЙ ДРЕНАЖ» перекрывает фильтрацию жидкости из канала, связанного с нижней частью образца. Кран «ВЕХНИЙ ДРЕНАЖ» перекрывает фильтрацию жидкости из канала, связанного с верхней частью образца.
Кран «СБРОС ДАВЛЕНИЯ В КАМЕРЕ» предназначен для сброса давления в рабочей камере.
На задней стороне основания находятся (см. фиг.6):
- разъем «ДС» 75 для подключения датчика силы;
- разъемы «КУ» 76, «ДАТЧИКИ» 77 для подключения устройства к блоку электронно-преобразующей аппаратуры ЭПА (ГТ 6.0.1);
- штуцер «ПНЕВМОСЕТЬ 0,6 МПа» 78 для подключения изделия к сети питания сжатым воздухом.
Датчики, входящие в состав устройства, являются первичными измерительными преобразователями измерительных каналов ИВК «АСИС».
Для измерения вертикальной деформации образца грунта используется датчик линейных перемещений ДЛП-24 35, который является компонентом измерительного канала вертикальной деформации образца грунта ИВК «АСИС».
Датчик линейных перемещений ДЛП-24 35 закреплен на стойке внутри рабочей камеры при помощи гайки. Шток датчика подпружинен и упирается в рычаг верхнего штампа (см. фиг.1).
Для измерения радиальной деформации в средней части образца грунта используется датчик линейных перемещений ДЛП-6 27, который является компонентом измерительного канала радиальной деформации образца грунта ИВК «АСИС».
Датчик линейных перемещений ДЛП-6 27 расположен внутри рабочей камеры, вставлен в зажим, установленный на измерительной скобе, и закреплен при помощи винта (см. фиг.1 и 2).
Для измерения вертикальной (нормальной) нагрузки используется датчик силы LPX 500 12, который является компонентом измерительного канала вертикальной нагрузки на образец грунта ИВК «АСИС».
Датчик силы 12 закреплен в платформе рабочей камеры устройства при помощи втулки и штока (см. фиг.1).
Для обеспечения герметичности в рабочей камере между штоком и втулкой установлена манжета 13.
Шток 40 датчика подпружинен. Пружина 39 служит для возврата датчика в стартовое положение после разгрузки устройства.
Для измерения всестороннего давления на образец грунта используется датчик давления 29, который является компонентом измерительного всестороннего давления на образец грунта ИВК «АСИС».
Датчик давления для измерения всестороннего давления расположен внутри кожуха изделия (см. фиг.2, 3).
Для измерения порового давления образца грунта используется датчик давления 29, который является компонентом измерительного канала порового давления образца грунта ИВК «АСИС».
Датчик давления для измерения порового давления установлен в основание рабочей камеры внутри кожуха изделия и связан с каналом для фильтрации жидкости в нижней части образца (см. фиг.2, 3).
Работа изделия
По команде ПЭВМ с электронной преобразующей аппаратуры по кабелю поступает сигнал на блоки пневматических клапанов. Подающие клапаны блоков переходят в состояние открыто и воздух из пневматической сети поступает в нагрузочное устройство и рабочую камеру.
Давление, создаваемое в рабочей камере, всесторонне обжимает образец грунта и измеряется при помощи датчика давления.
Под воздействием всестороннего давления происходит деформация образца в вертикальном и радиальном направлениях. Вертикальные деформации измеряются при помощи датчика линейных перемещений ДЛП-24, радиальные деформации измеряются при помощи датчика линейных перемещений ДЛП-6.
Давление воздуха в верхней части пневматического цилиндра нагрузочного устройства создает вертикальное усилие, которое измеряется при помощи датчика силы LPX 500.
Усилие от датчика силы передается на верхний штамп и далее на образец.
Под воздействием вертикального усилия происходит деформация образца грунта в вертикальном и радиальном направлении. Вертикальные деформации измеряются при помощи датчика линейных перемещений ДЛП-24, а радиальные деформации при помощи датчика линейных перемещений ДЛП-6.
Промышленная применимость
Данное устройство трехосного сжатия промышленно реализуемо, компактно, позволяет проводить испытания и обработку измерений в автоматическом режиме с использованием ЭВМ.