ПРИБОР ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ Российский патент 2011 года по МПК G01N3/08 

Область техники

Техническое решение относится к области строительства и предназначено для определения механических свойств строительных и дорожных материалов, в том числе и грунтов, в условиях сложного напряженно-деформированного состояния.

Уровень техники

Аналогом данного технического решения является «Устройство для испытания образцов в условиях трехосного сжатия» (авторское свидетельство №520533 от 15.11.1973, автор Коган Е.А., МПК G01N 3/10, опубликовано 05.07.76), содержащее корпус, расположенные в нем эластичные мембраны, образующие замкнутый объем для размещения испытуемого образца, и источники давления, передающие нагрузку на мембраны, отличающееся тем, что, с целью обеспечения равномерной нагрузки по всей площади граней образца, оно снабжено попарно соосными нагрузочными плитами, имеющими каждая на торце по периметру выступ, на котором закреплена эластичная мембрана, и гидравлическими домкратами, поршни которых соосны нагрузочным плитам, полости гидравлически связаны с полостями, образованными нагрузочными плитами и мембранами, а рабочие площади нагрузочных плит и соосных им поршней домкратов равны между собой и равны площадям граней испытуемого образца, прилегающих к соответствующим нагрузочным плитам.

Недостатком аналога является низкая производительность проведения испытаний образцов грунта, так как требуется значительное время на разборку прибора и установку в него образца материала. Кроме того, в данном устройстве невозможно провести испытания с измерением порового давления внутри испытуемого образца из-за негерметичности корпуса. Наличие жестких выступов в нагрузочных плитах при их взаимно перпендикулярном перемещении приводит к их замыканию в углах образца и ограничению тем самым его деформации, что исключает применимость данного устройства при больших деформациях.

Следующим аналогом заявляемого технического решения является «Прибор для исследования свойств грунтов в условиях трехосного сжатия» (авторское свидетельство №1280082 от 20.02.1985, автор Зайцев В.А., МПК G01N 3/10, опубликовано 30.12.1986), включающий раму с нагрузочными устройствами, корпус, выполненный из отдельных блоков в форме усеченных четырехгранных пирамид, образующих обращенными другу к другу малыми основаниями изолированное кубическое пространство с элементами эластичной оболочки, и измерительные приспособления, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерений, каждый блок выполнен в виде опорной плиты, подвижно установленных на ней средних и угловых элементов и неподвижно закрепленного центрального элемента, а также перекрывающих пластин, расположенных на малом основании блока и неподвижно закрепленных на центральном и средних элементах, элементы эластичной оболочки выполнены предварительно напряженными с внутренней полостью по размеру малого основания блока, заполненной жидкостью, при этом средние элементы каждого блока подвижно соединены с центральным и угловыми элементами и неподвижно - со средними элементами соседних блоков.

Недостатком аналога является низкая производительность проведения испытаний образцов грунта, так как требуется значительное время на разборку прибора, установку в него образца грунта и перемещение блоков корпуса до соприкосновения с гранями исследуемого образца. Кроме того, в данном устройстве невозможно провести испытания с измерением порового давления внутри испытуемого образца из-за негерметичности кубического пространства для образца исследуемого грунта.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является «Прибор для исследования свойств грунтов в условиях трехосного сжатия» (авторское свидетельство СССР на изобретение №700838, заявитель Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительный институт им. В.В.Куйбышева, авторы З.Г.Тер-Мартиросян, Д.М.Ахпателов, Ю.С.Григорьев, В.А.Тищенко, МПК G01N 33/24, G01N 3/10, опубликовано 30.01.1979), включающий корпус с основанием, крышкой и боковыми стенками, размещенными в нем рабочей камерой с эластичной оболочкой и камерами давления, связанными с нагрузочными и измерительными приспособлениями, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и снижения трудоемкости производства работ, корпус снабжен имеющими внутренние проточки эластичными прокладками и четырехугольной опорной рамой с винтами, пропущенными по углам опорной рамы, причем каждая камера давления образована проточкой эластичной прокладки и стенкой рабочей камеры, а винты оперты на боковые стенки корпуса, которые в свою очередь шарнирно соединены с основанием.

Недостатком прототипа является трудоемкость подготовки прибора к испытаниям и размещения образца грунта в рабочую камеру, невозможность прямого измерения осевых деформаций образца грунта.

Объяснение недостатков прототипа.

1. В прототипе для размещения образца грунта в приборе необходимо открутить четыре силовых винта, снять крышку, откинуть четыре боковые стенки с закрепленными на них камерами давления с эластичными оболочками и только после этого поставить образец грунта на основание. При больших размерах образца грунта, например при исследовании механических свойств гравелистых, щебеночных и крупнообломочных грунтов, глинистых грунтов с включениями, размер образца материала принимается не менее 300×300×300 мм. Вес подобных образцов грунта составляет не менее G=V×γ=0,3×0,3×0,3×22,0=0,594 кН. Поставить данный образец грунта вручную весом 54 кг или более на основание прибора прототипа является трудоемкой операцией. Кроме того, при испытании песчаных, гравелистых и крупнообломочных грунтов невозможно, вследствие их сыпучести, сохранить форму и структуру образца при его перемещении с места подготовки на основание прибора. В то же время подготовить образец связного или сыпучего грунта с заданной плотностью, влажностью и правильными геометрическими размерами непосредственно в рабочей камере прибора невозможно из-за деформации эластичных оболочек при формировании образца грунта.

2. После размещения образца грунта на основании необходимо выполнить сборку прибора в обратной последовательности - поднять четыре боковые стенки с закрепленными на них камерами давления с эластичными оболочками, поставить и закрепить крышку, закрутить четыре силовых винта. В совокупности эти операции увеличивают время на подготовку прибора к испытаниям и снижают тем самым его производительность.

3. Прибор не обеспечивает измерение величины деформации образца по направлению его трех взаимно перпендикулярных осей прямым способом без измерения объема жидкости, подаваемой в камеры давления.

Сущность технического решения

Известен прибор для трехосных испытаний грунтов, включающий корпус с основанием, крышкой и боковыми стенками, размещенными в нем рабочей камерой с эластичной оболочкой и камерами давления, связанными с нагрузочными и измерительными приспособлениями, четырехугольную опорную раму.

Цель данного технического решения - снижение трудоемкости подготовки прибора к испытаниям, повышение производительности испытаний и измерение осевой деформации образца.

Поставленная цель достигается тем, что прибор имеет две платформы. Первая платформа перемещается вертикально при помощи четырех пневмоцилиндров двойного действия, закрепленных на раме. Вторая платформа имеет возможность перемещаться горизонтально и затем вертикально на первой платформе.

На второй платформе установлено основание с формой. Камера давления в основании заполнена жидкостью.

Образец материала изготавливается в форме с заданными физическими свойствами. Далее образец в форме на основании перемещается на второй платформе горизонтально на первую платформу.

Первая и вторая платформы, основание и образец материала в форме перемещаются вертикально вверх до упора основания в неразъемные боковые стенки. После этого основание крепится гайками к боковым стенкам.

Форма выдергивается вертикально вверх из рабочей камеры прибора с использованием пневмоцилиндров.

Устанавливается и закрепляется крышка, камеры давления заполняются жидкостью, подключаются нагрузочные и измерительные приспособлениями и проводится испытание материала.

Измерение осевой деформации по каждой из трех осей координат выполняется с использованием датчиков перемещения, которые встроены в камеры давления.

Перечень чертежей

На фиг.1 изображена конструкция четырехугольной рамки.

На фиг.2 изображена конструкция прибора трехосного сжатия с образцом грунта в форме на платформе перед его вертикальным перемещением.

На фиг.3 изображена конструкция прибора трехосного сжатия после вертикального перемещения образца материала в рабочую камеру прибора с поднятой крышкой.

На фиг.4 изображена конструкция прибора трехосного сжатия в момент выдергивания формы из прибора.

На фиг.5 изображена аксонометрия прибора трехосного сжатия с образцом грунта в форме на платформе после его изготовления.

На фиг.6 изображена аксонометрия прибора трехосного сжатия после перемещения образца грунта в корпус прибора с поднятой верхней крышкой.

Пример реализации технического решения

На фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 прибор трехосного сжатия содержит раму 1, на которой закреплен корпус, состоящий из четырехугольной рамки 2 с резьбовыми шпильками 3, основания 4, четырех боковых стенок 5 и крышки 6, соединяемых между собой на резьбовых шпильках 3 и закрепляемых гайками 7. Основание, четыре боковые стенки и крышка имеют камеру давления 8 с эластичной оболочкой 9, штуцеры 10 и датчики линейных перемещений 11. В одном из углов четырехугольной рамки на разной высоте сделаны два канала 12, в которые вводятся измерительная и нагнетательная трубки 13 соответственно, имеющие штуцеры 14.

Четыре пневмоцилиндра двойного действия 15 закреплены вертикально на раме 1, причем нижние штоки 16 пневмоцилиндров 15 закреплены к вертикально перемещаемой платформе 17, на которую перемещается платформа 18. Платформа 17 имеет два упора 19. Верхние штоки 20 пневмоцилиндров 15 присоединены к прямоугольной траверсе 21, а сама траверса соединена жестко четырьмя шпильками 22 с крышкой 6. Крышка имеет четыре захвата 23.

Для изготовления образца грунта 24 используется съемная форма 25 с проушинами 26.

Прибор трехосного сжатия работает следующим образом.

1. Платформу 18 перемещают до упоров 19 на платформу 17, а затем, включив пневмоцилиндры 15, поднимают их до упора в основание корпуса 4.

2. Открутив гайки 7 на корпусе со стороны основания 4 и включив пневмоцилиндры 15, опускают платформы 18, 17 до основания рамы 1.

3. Перемещают горизонтально платформу 18 с основанием 4 на место изготовления образца грунта 24.

4. На основание 4 устанавливают разъемную форму 25 и изготавливают с заданной плотностью и влажностью образец грунта 24. Перед изготовлением образца грунта внутренние стенки формы покрывают смазкой для уменьшения адгезии. Для сохранения плоской нижней грани изготавливаемого образца грунта в камеру давления основания 4 подается жидкость до ее полного заполнения.

5. Платформу 18 перемещают обратно горизонтально до упоров 19 на платформу 17.

6. Откручивают гайки 7 со стороны крышки 6.

7. Включив пневмоцилиндры 15, поднимают крышку 6, платформы 17, 18, основание 4 и форму 25 с образцом грунта 24 до упора основания 4 в корпус. Закрепляют основание 4 гайками 7 на шпильках 3.

8. Включив пневмоцилиндры 15, опускают крышку 6 до тех пор, пока захваты 23 не войдут в проушины 26 формы 25.

9. Включив пневмоцилиндры 15, поднимают крышку 6 и выдергивают форму 25 из корпуса прибора.

10. Освобождают захваты 23 и снимают форму 25.

11. Включив пневмоцилиндры 15, опускают крышку 6 до упора в корпус и закрепляют гайками 7 на шпильках 3.

12. Через каналы 12 в образец грунта вводится сверло, и выполняются цилиндрические отверстия диаметром, равным диаметру измерительной и нагнетательной 13 трубок и длиной до центра образца.

13. Через каналы 12 в сделанные отверстия вводятся измерительная и нагнетательная трубки 13, которые фиксируются резьбой и уплотнением на рамке 2. К трубкам 13 присоединяются штуцеры 14.

14. К штуцерам 10, 14 и датчикам перемещения 11 присоединяются нагрузочные и измерительные устройства.

15. По программе испытаний, используя штуцеры 10, подают давление жидкости на эластичные оболочки 9 и, используя датчики перемещения 11, измеряют деформацию образца грунта по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Поровое давление внутри образца измеряется датчиком давления, который подключается к измерительной трубке. Обратное давление внутри образца создается гидравлическим нагнетателем через нагнетательную трубку и контролируется датчиком давления.

Промышленная применимость

Использование данного технического решения позволяет снизить трудоемкость и повысить производительность испытаний образцов материалов в условиях трехосного сжатия.

Изобретение относится к области строительства и предназначено для определения механических свойств строительных и дорожных материалов. Прибор содержит раму, корпус с основанием, крышкой и боковыми стенками, размещенными в нем рабочей камерой с эластичной оболочкой и камерами давления, связанными с нагрузочными и измерительными приспособлениями. Прибор снабжен четырьмя пневмоцилиндрами двойного действия, закрепленными на раме вертикально. Нижние штоки пневмоцилиндров присоединены к вертикально перемещаемой платформе. На вертикально перемещаемой платформе расположена горизонтально перемещаемая платформа. Основание и образец грунта в съемной форме. Верхние штоки пневмоцилиндров присоединены к траверсе, а траверса к крышке. Каждая камера давления имеет три датчика линейных перемещений. Боковые стенки корпуса являются неразъемными, а основание и крышка съемными. Технический результат: снижение трудоемкости и повышение производительности испытаний образцов материалов в условиях трехосного сжатия. 6 ил.

Прибор трехосного сжатия, включающий раму, корпус с основанием, крышкой и боковыми стенками, размещенными в нем рабочей камерой с эластичной оболочкой и камерами давления, связанными с нагрузочными и измерительными приспособлениями, отличающийся тем, что, с целью снижения трудоемкости и повышения производительности испытаний, прибор снабжен четырьмя пневмоцилиндрами двойного действия, закрепленными на раме вертикально, нижние штоки пневмоцилиндров присоединены к вертикально перемещаемой платформе, на вертикально перемещаемой платформе расположена горизонтально перемещаемая платформа, основание и образец грунта в съемной форме, верхние штоки пневмоцилиндров присоединены к траверсе, а траверса к крышке, каждая камера давления имеет три датчика линейных перемещений, причем боковые стенки корпуса являются неразъемными, а основание и крышка съемными.