一种全自动干湿冻融循环试验系统及试验方法与流程
本发明涉及干湿冻融循环试验装置技术领域，具体为一种全自动干湿冻融循环试验系统及试验方法。
背景技术：
公路材料大多是暴露在大气环境中，长期经历着干湿循环和冻融循环作用，这必然会引起其力学性质和结构的改变，从而影响其强度特性。因此，干湿循环和冻融循环试验对于研究公路材料的性质具有重要意义。
研究公路材料强度参数随干湿和冻融循环次数的衰减规律，首先要对样品进行相应次数的干湿和冻融循环操作。这一过程，工作量大，操作繁琐，耗时长，试验精度不易控制。干湿循环试验过程中对加水量、干湿转换的控制要求较精确。传统干湿试验由于没有专用仪器，人为加水过程中，多个试样多次加水量很难做到精确、统一；蒸发过程中，无法准确判断样品是否已经达到所需干燥程度，且干湿转换全程需要试验人员通过不停称重来判断试样的干湿状态。冻融循环试验是通过设定冷冻温度和融化温度来实现，但由于冻融循环试验一次试样较多，一般将试验样品全部放入，当设定的当次循环结束后分别取出，不同次数的试验分批次取出时均需手动完成，如果错过当次循环取出时间，则进入下一次循环试验，费时费力又影响试验进度。
技术实现要素：
本发明的目的是为克服上述技术不足，解决现有技术中缺乏一种全自动干湿冻融循环试验仪器的问题，提供了一种能够实现自动、高效、精确地进行干湿冻融循环试验的自动化干湿冻融循环试验系统，用于多种公路材料干湿冻融循环试验，实现了试验全自动控制及提高试验精度。
为了实现所述目的，本发明采用的具体实施方案如下：
一种用于多种材料的全自动干湿冻融循环试验系统，包括工作台面31、控制系统、试样存放系统、蒸发系统、喷淋系统、称重系统、制冷系统和机械手伺服系统，所述工作台面31的四周顶部和底部均设置有若干工作台支架，其特征在于：
所述控制系统、试样存放系统、蒸发系统、喷淋系统、称重系统、制冷系统和机械手伺服系统均设置在同一工作台面31上，且所述蒸发系统、喷淋系统、称重系统、制冷系统和机械手伺服系统均与控制系统相连接；
所述控制系统位于工作台面31的下方，其上方的工作台面31上设置有试样存放系统、喷淋系统、称重系统和制冷系统，所述喷淋系统、称重系统和制冷系统均位于试样存放系统的同一侧，且所述工作台面31的上方设置有机械手伺服系统。
所述控制系统主要包括plc控制器405、操作屏28和控制线路，plc控制器405和控制线路均设置在工作台面31下方的控制柜4内，操作屏28设置在工作台面31上。
所述试样存放系统主要包括若干个试样槽34和试样放置盘33，试样槽34设置在试样放置盘33内，试样放置盘33设置在工作台面31上。
所述蒸发系统主要包括圆形外壳8、加热管10、温度传感器和智能温控仪表，圆形外壳8固定在工作台面31上，其顶部留设有开口，内壁的中间位置上通过加热管固定夹38固定设置有加热管10，加热管10的一侧固定设置有温度传感器，温度传感器的另一端与智能温控仪表相连接，智能温控仪表设置在控制柜4内。
所述喷淋系统主要包括喷淋头、支架6、蠕动泵3、盛水箱37、试样放置托盘5、高压水管13和低压水管1，所述支架6为“π”形结构，其底端固定设置在工作台面31上，顶部横杆的两端均设置有限位开关9，顶部横杆的中间位置上通过旋转舵机7与喷淋头相连接，喷淋头位于试样放置托盘5的正上方，且其通过高压水管13与蠕动泵3相连接，蠕动泵3固定在工作台面31下方，其通过低压水管1与盛水箱37相连接，所述旋转舵机7和蠕动泵3均与控制柜4相连接。
所述称重系统包括压力传感器39、称体15和称重显示屏26，压力传感器39位于称体15的一侧，其另一端与控制柜4相连接，所述称体15和称重显示屏26均固定设置在工作台面上。
所述制冷系统包括制冷箱36、温度传感器40、步进电机22和限位开关，制冷箱36位于工作台面31最右侧，步进电机22设置在制冷箱36的一端，其另一端与控制柜4相连接，限位开关包括关门限位开关30和开门限位开关27，关门限位开关30和开门限位开关27分别设置在制冷箱36两侧的关门最小位置处和工作支架上的开门最大位置处。
所述机械手伺服系统包括若干个密封同步皮带滑台、电动机械手18和连接装置21，若干个密封同步皮带滑台均位于工作台面31上方，其分为水平密封同步皮带滑台和垂直密封同步皮带滑台，其中水平密封同步皮带滑台分别固定设置在工作台支架和导轨16上，导轨16为“π”形结构，其两侧边底端均活动设置在位于工作台支架上的水平密封同步皮带滑台上，垂直密封同步皮带滑台通过背部的固定夹19卡合设置在位于导轨16上的水平密封同步皮带滑台上，且其上通过连接装置21活动设置有电动机械手18，所述连接装置21采用电动液压系统，其顶端活动固定在水平密封同步皮带滑台上方的导轨16上，且其顶端与控制柜4相连接。
所述本系统试验方法的具体步骤如下：
1)通过公路土工试验得到试样的初始含水率ω0和初始质量m0；
2)将盛水箱37内注满水，将管路内的空气排除干净，打开控制柜4电源开关，打开电脑，将称重系统的称重显示屏26数值清零；
3)打开操作界面，显示参数设置界面；
4)选择试验运行模式：干湿循环试验、冻融循环试验和干湿冻融交替循环试验；
5)设定试验干湿或者冻融循环次数n和蒸发温度t；
6)设定加水量δm，如需将试样加水至含水率ω，则需加水质量为：
7)设定加水静置时间t，可根据需要自由设定；
8)对一次干湿循环试验，设定试样蒸发后质量m蒸，如需将试样蒸发至含水率ω'，蒸发完成后试样质量为：
9)对于一次冻融循环试验，设定加水静置时间t、冷冻时间t1、融化时间t2、试样质量为冷冻前质量即m0+δm，如果冷冻和融化结束后试样质量减少，则系统自动判断冷冻前和融化后质量差，进行加水，可以在进行试验前对试样用保鲜膜进行包裹严实后再进行试验，多次冻融循环试验重复上述过程；
10)对干湿冻融交替循环试验的参数设定，按步骤1)-9)对各参数进行设定；
11)各参数设定完成后，由控制系统控制电动机械手18将试样放置与喷淋系统下方进行加水，静置完成后，电动机械手18抓取试样放置在蒸发系统内进行蒸发，结束后进行称重、加水、静置，对干湿循环试验重复上述动作；对冻融循环试验，加水静置完成后，电动机械手18抓取试样放置在制冷系统内，当达到设定的冷冻时间后取出试样放置在试样加水区进行融化试验，当达到设定的融化时间后进行称量、加水、静置，对冻融循环试验重复上述动作；对干湿冻融交替循环试验，连续重复上述动作。
本发明的有益效果在于：本发明是用于多种公路材料干湿冻融循环试验，相比以往试验仪器，具有温度、水分、时间等参量的自动测量与控制，加水与蒸发的转换不需要手动调整，根据称重系统返回给控制系统的信号，完成干湿状态的自动转换。加水与蒸发过程中，对试样实时称量，根据设置参数自动判定是否达到设定要求。根据控制系统给定的信号完成冷冻与融化的转换，可以实现冻融循环试验的全自动控制，无需手动开门、关门取出样品，全程电动机械手完成操作，根据设定参数自动开关门，依次取出试验样品。试验仪器各模块标准化设计，可随意组合形成多套装置，实现不仅限于黄土干湿循环试验、冻融循环试验及干湿冻融交替试验，也可实现其他材料所需的环境试验，并能精确控制。该仪器能够实现试验过程的全自动控制，试验精度高，误差小。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的蒸发模块俯视图。
图3为本发明的蒸发模块a处剖面图。
图4为本发明的称量装置俯视图。
图5为本发明的制冷装置剖视图。
图6为本发明的控制柜布置图。
图中：低压水管1、工作台支架ⅰ2、蠕动泵3、控制柜4、试样放置托盘5、支架6、旋转舵机7、外壳8、限位开关9、加热管10、工作台支架ⅱ11、工作台支架ⅲ12、高压水管13、密封同步皮带滑台ⅰ14、称体15、导轨16、密封同步皮带滑台ⅱ17、电动机械手18、固定夹19、密封同步皮带滑台ⅲ20、连接线路21、步进电机22、密封同步皮带滑台ⅳ23、制冷箱24、工作台支架ⅳ25、称重显示屏26、开门限位开关27、操作屏28、工作台支架ⅴ29、关门限位开关30、工作台面31、显示屏支架32、试样放置盘33、试样槽34、工作台支架ⅵ35、制冷箱36、盛水箱37、加热管固定夹38、压力传感器39、温度传感器40、接线槽ⅰ401、箱体402、空气开关403、插座404、plc控制器405、电源406、接线槽ⅱ407、电机驱动408、接线槽ⅲ409、接线端410、智能温控仪表411、直流稳压电源412、继电器ⅰ413、固态继电器414、继电器ⅱ415。
具体实施方式
以下结合附图1-6对本发明的结构及其有益效果进一步说明。
如图1-5所述的一种全自动干湿冻融循环试验系统及试验方法，包括工作台面31、控制系统、试样存放系统、蒸发系统、喷淋系统、称重系统、制冷系统和机械手伺服系统，所述工作台面31的四周顶部和底部均设置有若干工作台支架，所述控制系统、试样存放系统、蒸发系统、喷淋系统、称重系统、制冷系统和机械手伺服系统均设置在同一工作台面31上，且所述蒸发系统、喷淋系统、称重系统、制冷系统和机械手伺服系统均与控制系统相连接；所述控制系统位于工作台面31的下方，其上方的工作台面31上设置有试样存放系统、喷淋系统、称重系统和制冷系统，所述喷淋系统、称重系统和制冷系统均位于试样存放系统的同一侧，且所述工作台面31的上方设置有机械手伺服系统。
所述控制系统主要包括plc控制器405、操作屏28和控制线路，plc控制器405和控制线路均设置在工作台面31下方的控制柜4内，操作屏28通过显示屏支架32固定设置在工作台面31上。
所述试样存放系统主要包括若干个试样槽34和试样放置盘33，试样槽34设置在试样放置盘33内，试样放置盘33设置在工作台面31上，所述试样放置盘33和若干试样槽34为一整体。
所述蒸发系统主要包括圆形外壳8、加热管10、温度传感器和智能温控仪表，圆形外壳8固定在工作台面31上，其顶部留设有开口，内壁的中间位置上通过加热管固定夹38固定设置有加热管10，加热管10的一侧固定设置有温度传感器，温度传感器的另一端与智能温控仪表相连接，智能温控仪表设置在控制柜4内，圆形外壳8能够对试样的位置进行限定和保温，进而便于试样水分的快速蒸发。
所述喷淋系统主要包括喷淋头、支架6、蠕动泵3、盛水箱37、试样放置托盘5、高压水管13和低压水管1，所述支架6为“π”形结构，其底端固定设置在工作台面31上，顶部横杆的两端均设置有限位开关9，顶部横杆的中间位置上通过旋转舵机7与喷淋头相连接，喷淋头位于试样放置托盘5的正上方，且其通过高压水管13与蠕动泵3相连接，蠕动泵3固定在工作台面31下方，其通过低压水管1与盛水箱37相连接，所述旋转舵机7和蠕动泵3均与控制柜4相连接，所述盛水箱37也固定在工作台面31的下方，旋转舵机7用于控制喷淋头的转动，能够满足对试样的浸湿和电动机械手18对试样的拿取，蠕动泵3则用于控制水流的速度和流量。
所述称重系统包括压力传感器39、称体15和称重显示屏26，压力传感器39位于称体15的一侧，其另一端与控制柜4相连接，所述称体15和称重显示屏26均固定设置在工作台面上，称体15用于对试样进行称重，并通过称重显示屏26显示出来，便于试验人员进行观察。
所述制冷系统包括制冷箱36、温度传感器40、步进电机22和限位开关，制冷箱36位于工作台面31最右侧，步进电机22设置在制冷箱36的一端，其另一端与控制柜4相连接，限位开关包括关门限位开关30和开门限位开关27，关门限位开关30和开门限位开关27分别设置在制冷箱36两侧的关门最小位置处和工作支架上的开门最大位置处，关门限位开关30和开门限位开关27用于底制冷箱36箱门的开合度进行控制，便于电动机械手18对试样的拿取，步进电机22用于控制制冷箱36箱门的开合，自动化程度高，同时温度传感器40能够实时对制冷箱36内部的温度进行反馈，有助于提高试验精度。
所述机械手伺服系统包括若干个密封同步皮带滑台、电动机械手18和连接装置21，若干个密封同步皮带滑台均位于工作台面31上方，其分为水平密封同步皮带滑台和垂直密封同步皮带滑台，其中水平密封同步皮带滑台分别固定设置在工作台支架和导轨16上，导轨16为“π”形结构，其两侧边底端均活动设置在位于工作台支架上的水平密封同步皮带滑台上，垂直密封同步皮带滑台通过背部的固定夹19卡合设置在位于导轨16上的水平密封同步皮带滑台上，且其上通过连接装置21活动设置有电动机械手18，所述连接装置21采用电动液压系统，其顶端活动固定在水平密封同步皮带滑台上方的导轨16上，且其顶端与控制柜4相连接，连接装置21采用电动液压系统来使得电动机械手18在垂直密封同步皮带滑台上进行上下移动，同时其还能够通过电动液压系统在导轨16上进行左右移动，进而推动垂直密封同步皮带滑台进行左右移动，另外导轨16同样通过电动液压系统在水平密封同步皮带滑台进行前后移动，进而实现电动机械手18拿取试样在试样存放系统、喷淋系统、称重系统和制冷系统之间进行移动。
所述若干工作台支架主要有工作台支架ⅰ2、工作台支架ⅱ11、工作台支架ⅲ12、工作台支架ⅳ25、工作台支架ⅴ29和工作台支架ⅵ35，其中工作台支架ⅰ2垂直固定在工作台面31下表面上，其个数为4个；工作台支架ⅱ11和工作台支架ⅴ29均垂直固定在工作台面31上表面上，其总体个数为5个，且其中靠近制冷系统的一个上设置有开门限位开关27；工作台支架ⅲ12和工作台支架ⅳ25均固定设置在工作台支架ⅱ11的顶端，其与工作台面31相平行，总体个数为4个，且其中靠近喷淋系统、称重系统和制冷系统的三个工作台支架上表面上固定设置有水平密封同步皮带滑台；工作台支架ⅵ35均位于工作台面31下方，且其用于对制冷箱36的固定。
所述若干个密封同步皮带滑台主要有密封同步皮带滑台ⅰ14、密封同步皮带滑台ⅱ17、密封同步皮带滑台ⅲ20和密封同步皮带滑台ⅳ23，其中密封同步皮带滑台ⅰ14、密封同步皮带滑台ⅱ17和密封同步皮带滑台ⅳ23均为水平密封同步皮带滑台，所述密封同步皮带滑台ⅰ14和密封同步皮带滑台ⅳ23均固定在工作台支架的上表面上，且两者处于同一水平面上，所述密封同步皮带滑台ⅱ17固定设置在导轨16的下部，导轨16为“π”形结构，其两侧边底端活动设置在密封同步皮带滑台ⅰ14和密封同步皮带滑台ⅳ23，且导轨16通过两侧边底部通过电动液压系统与控制柜4相连接，使其在密封同步皮带滑台ⅰ14和密封同步皮带滑台ⅳ23上进行前后移动；所述密封同步皮带滑台ⅳ20为垂直密封同步皮带滑台，其通过背部设置的固定夹19活动设置在水平密封同步皮带滑台上，其依靠连接装置21在导轨16上的移动推动其在水平密封同步皮带滑台上进行移动，进行使得电动机械手18能够进行上下、左右、前后的移动，进而使其实实现在试样存放系统、喷淋系统、称重系统和制冷系统之间进行移动。值得注意的是，导轨16和连接装置21还可以采用步进电机来实现移动。
如图6所述的控制柜4内部主要包括接线槽ⅰ401、箱体402、空气开关403、插座404、plc控制器405、电源406、接线槽ⅱ407、电机驱动408、接线槽ⅲ409、接线端410、智能温控仪表411、直流稳压电源412、继电器ⅰ413、固态继电器414和继电器ⅱ415，所述plc控制器405的型号为s7-200，接线槽ⅰ401、接线槽ⅱ407和接线槽ⅲ409用于与外部的蒸发系统、喷淋系统、称重系统、制冷系统和机械手伺服系统相连接，电源406为蓄电池组，其通过充电接口与外接电源相连接。
所述本系统试验方法的具体步骤如下：
1)通过公路土工试验得到试样的初始含水率ω0和初始质量m0；
2)将盛水箱37内注满水，将管路内的空气排除干净，打开控制柜4电源开关，打开电脑，将称重系统的称重显示屏数值清零；
3)打开操作界面，显示参数设置界面；
4)选择试验运行模式：干湿循环试验、冻融循环试验和干湿冻融交替循环试验；
5)设定试验干湿或者冻融循环次数n和蒸发温度t；
6)设定加水量δm，如需将试样加水至含水率ω，则需加水质量为：
7)设定加水静置时间t，可根据需要自由设定；
8)对一次干湿循环试验，设定试样蒸发后质量m蒸，如需将试样蒸发至含水率ω'，蒸发完成后试样质量为：
9)对于一次冻融循环试验，设定加水静置时间t、冷冻时间t1、融化时间t2、试样质量为冷冻前质量即m0+δm，如果冷冻和融化结束后试样质量减少，则系统自动判断冷冻前和融化后质量差，进行加水，可以在进行试验前对试样用保鲜膜进行包裹严实后再进行试验，多次冻融循环试验重复上述过程；
10)对干湿冻融交替循环试验的参数设定，按步骤1)-9)对各参数进行设定；
11)各参数设定完成后，由系统控制电动机械手18将试样放置与喷淋系统下方进行加水，静置完成后，电动机械手18抓取试样放置在蒸发系统内进行蒸发，结束后进行称重、加水、静置，对干湿循环试验重复上述动作；对冻融循环试验，加水静置完成后，电动机械手18抓取试样放置在制冷系统内，当达到设定的冷冻时间后取出试样放置在试样加水区进行融化试验，当达到设定的融化时间后进行称量、加水、静置，对冻融循环试验重复上述动作；对干湿冻融交替循环试验，连续重复上述动作。
在本发明中，试样存放系统通过对每个试样槽34进行编号，由控制系统给定电动机械手19信号完成对不同位置试样的抓取；蒸发系统通过温度传感器检测温度，由控制系统发出温度控制信号，完成对温度的控制；喷淋系统通过控制蠕动泵3驱动，根据发送的脉冲与时间系确定加水速率，完成对加水量的控制；称重系统通过对试样质量的采集，实现试样的质量控制；制冷系统采用温控式冷冻装置，通过控制步进电机22的旋转实现自动开关门，可以设置任意温度的试验环境；机械手伺服系统通过控制步进电机或电动液压系统，实现在三维空间任意位置的试样的抓取。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明是用于多种公路材料干湿冻融循环试验，相比以往试验仪器，具有温度、水分、时间等参量的自动测量与控制，加水与蒸发的转换不需要手动调整，根据称重系统返回给控制系统的信号，完成干湿状态的自动转换。加水与蒸发过程中，对试样实时称量，根据设置参数自动判定是否达到设定要求。根据控制系统给定的信号完成冷冻与融化的转换，可以实现冻融循环试验的全自动控制，无需手动开门、关门取出样品，全程电动机械手18完成操作，根据设定参数自动开关门，依次取出试验样品。试验仪器各模块标准化设计，可随意组合形成多套装置，实现不仅限于黄土干湿循环试验、冻融循环试验及干湿冻融交替试验，也可实现其他材料所需的环境试验，并能精确控制。该仪器能够实现试验过程的全自动控制，试验精度高，误差小。
本发明的描述中，术语“上”、“下”“前”、“后”、“左”、“右”指示的方位基于附图所示的方位，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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