一种基于三维多轴加载的颗粒破碎装置

本发明涉及岩土颗粒破碎测试，尤其涉及一种基于三维多轴加载的颗粒破碎装置。

背景技术：

1、粗粒土泛指冲积砂-卵石、采挖堆石、砾质土以及各种软岩分化料。粗粒土具有强度高、变形小和抗剪强度高等特点。所以，以粗粒土为代表的岩土颗粒材料已在铁路、水利水电以及堤坝等工程得到广泛的应用。然而，这些工程在实际修建和运营时会承受较大的外部荷载，使得以粗粒土为代表的岩土颗粒材料常伴有破碎现象。当岩土颗粒材料发生破碎后，将直接影响以岩土颗粒材料为基材的上述工程。为了测量岩土颗粒材料的破碎强度和破碎模式，常采用传统试验方法，即平面内单轴或者双轴进行颗粒破碎试验。但是，该传统试验方法不能真实反映颗粒在三维层面上的多点多向受荷情况，这一直是研究岩土颗粒材料破碎的难点。

2、目前，在现有的室内颗粒破碎试验方法中均采用平面内单轴或者双轴进行加载，仅实现了平面内二点或四点加载，没有突破三维层面意义上的多点多向加载。尽管数值模拟方法可以实现三维多点多向加载，但是该方法需要考虑模型尺度、本构模型、参数设置和计算时效等多种因素。就急需试验结果数据而言，对于非从业人员存在技术屏障，数值模拟方法显然不可取。因此，亟需发明一种基于三维多轴多向加载的颗粒破碎试验装置，能够快速地、准确地模拟颗粒材料在自然界中受到多点多向接触而破碎的演化特征。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于三维多轴加载的颗粒破碎装置，解决现有的室内颗粒破碎试验方法中均采用平面内单轴或者双轴进行加载，仅实现了平面内二点或四点加载，没有突破三维层面意义上的多点多向加载和数值模拟方法复杂难操作的技术问题。以实现对岩土颗粒破碎，尤以粗粒土为代表的三维多轴加载的物理破碎试验。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于三维多轴加载的颗粒破碎装置，包括环形轨道支架系统、加载控制系统和图像采集系统，加载控制系统与环形轨道支架系统连接，环形轨道支架系统用于控制加载控制系统转动，图像采集系统设置在环形轨道支架系统的外侧，用于记录颗粒的破碎影像。

4、进一步地，环形轨道支架系统包括环形轨道支架、差速器、第一伺服电机、待加载颗粒、颗粒承台架、轴承和加载装置，环形轨道支架设置在颗粒承台架上，若干个加载装置等弧度设置在环形轨道支架上，待加载颗粒设置在环形轨道支架的中间位置，第一伺服电机与差速器连接，第一伺服电机与差速器均设置在颗粒承台架上，轴承一端与差速器连接，轴承另一端与环形轨道支架连接，并带动环形轨道支架转动。

5、进一步地，加载装置包括加载杆、夹具固定套筒、第一夹具、内六角螺栓、三维力传感器、第二夹具、螺旋位移加载杆、螺纹固定套、固定杆螺帽、固定杆、连接转换头、第二伺服电机、第三夹具、定向杆和环形轨道滑块，两根固定杆螺帽和定向杆一端均设置在环形轨道滑块上，固定杆横跨设在两根固定杆螺帽的另一端，第三夹具设置在定向杆的另一端，第二伺服电机设置在第三夹具上，连接转换头的一端与第二伺服电机连接，螺旋位移加载杆一端与连接转换头，且螺旋位移加载杆穿过固定杆上设置的螺纹固定套，第二夹具设置在螺旋位移加载杆的另一端，三维力传感器设置在第二夹具上，第一夹具通过内六角螺栓设置在三维力传感器上，夹具固定套筒设置在第一夹具上，加载杆设置在夹具固定套筒上。

6、进一步地，加载杆上设置有激光水平仪，通过激光水平仪确定待加载颗粒的初始位置，若干个激光水平仪对向待加载颗粒。

7、进一步地，图像采集系统包括高速摄像机和补光灯，高速摄像机和补光灯通过电线&数据导线分别连接加载控制系统。

8、进一步地，加载控制系统包括微型电脑、伺服控制器、安全控制器和制动器，微型电脑与伺服控制器连接，伺服控制器分别与第一伺服电机和第二伺服电机连接，制动器与安全控制器连接，伺服控制器与安全控制器连接。

9、进一步地，通过增加或者减少不同环形轨道支架上可拆卸的加载装置，以实现若干轴若干向加载。

10、进一步地，环形轨道支架内置两根钢轨，相同曲率的环形轨道滑块在上面移动，同时通过轴承、第一伺服电机和差速器用于环形轨道支架固定以及转动，从而达到三维效果，为了保证环形轨道支架上的规整，所有涉及的线路应布置环形轨道支架的内侧。

11、本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

12、本发明环形轨道支架由多个同心圆环组成，这种结构设计既可以实现二维，也可以实现三维；本发明将可拆卸式加载装置通过环向滑块固定在环形轨道支架上，继而实现对岩土颗粒材料的多轴多向加载要求。本发明通过增、减可拆卸的加载装置能更接近岩土颗粒材料在自然界中的真实接触状态，从而更深入的认识和理解岩土颗粒材料的破碎模式和破碎强度；

13、(2)本发明附有图像采集系统，有利于在加载过程中对岩土颗粒材料破碎的认识，用于后续的图像分析，加载杆的加载端拟设有三种形式，分别为圆锥式、圆台式和圆饼式，以此满足不同加载工况需求，在颗粒承台支架上装有激光水平仪，以此来固定被加载颗粒的初始位置，有利于快速定位加载杆的位置；

14、(3)本发明的所有装置模块均可拆卸，有利于针对不同试验工况更换具有不同功能的加载杆、三维力传感器和伺服电机；

15、(4)本发明在三维加载层面上的突破，能够快速地、准确地模拟颗粒材料在自然界中受到多点接触而破碎的演化特征，进而提升岩土颗粒材料领域工程的安全性和稳定性。

技术特征：

1.一种基于三维多轴加载的颗粒破碎装置，其特征在于：包括环形轨道支架系统、加载控制系统和图像采集系统，加载控制系统与环形轨道支架系统连接，环形轨道支架系统用于控制加载控制系统转动，图像采集系统设置在环形轨道支架系统的外侧，用于记录颗粒的破碎影像。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维多轴加载的颗粒破碎装置，其特征在于：环形轨道支架系统包括环形轨道支架(7)、差速器(8)、第一伺服电机(9)、待加载颗粒(10)、颗粒承台架(11)、轴承(12)和加载装置，环形轨道支架(7)设置在颗粒承台架(11)上，若干个加载装置等弧度设置在环形轨道支架(7)上，待加载颗粒(10)设置在环形轨道支架(7)的中间位置，第一伺服电机(9)与差速器(8)连接，第一伺服电机(9)与差速器(8)均设置在颗粒承台架(11)上，轴承(12)一端与差速器(8)连接，轴承(12)另一端与环形轨道支架(7)连接，并带动环形轨道支架(7)转动。

3.根据权利要求2所述的一种基于三维多轴加载的颗粒破碎装置，其特征在于：加载装置包括加载杆(14)、夹具固定套筒(15)、第一夹具(16)、内六角螺栓(17)、三维力传感器(18)、第二夹具(19)、螺旋位移加载杆(20)、螺纹固定套(21)、固定杆螺帽(22)、固定杆(23)、连接转换头(24)、第二伺服电机(25)、第三夹具(26)、定向杆(27)和环形轨道滑块(28)，两根固定杆螺帽(22)和定向杆(27)一端均设置在环形轨道滑块(28)上，固定杆(23)横跨设在两根固定杆螺帽(22)的另一端，第三夹具(26)设置在定向杆(27)的另一端，第二伺服电机(25)设置在第三夹具(26)上，连接转换头(24)的一端与第二伺服电机(25)连接，螺旋位移加载杆(20)一端与连接转换头(24)，且螺旋位移加载杆(20)穿过固定杆(23)上设置的螺纹固定套(21)，第二夹具(19)设置在螺旋位移加载杆(20)的另一端，三维力传感器(18)设置在第二夹具(19)上，第一夹具(16)通过内六角螺栓(17)设置在三维力传感器(18)上，夹具固定套筒(15)设置在第一夹具(16)上，加载杆(14)设置在夹具固定套筒(15)上。

4.根据权利要求3所述的一种基于三维多轴加载的颗粒破碎装置，其特征在于：加载杆(14)上设置有激光水平仪(29)，通过激光水平仪(29)确定待加载颗粒(10)的初始位置，若干个激光水平仪(29)对向待加载颗粒(10)。

5.根据权利要求4所述的一种基于三维多轴加载的颗粒破碎装置，其特征在于：图像采集系统包括高速摄像机(1)和补光灯(2)，高速摄像机(1)和补光灯(2)通过电线&数据导线(13)分别连接加载控制系统。

6.根据权利要求5所述的一种基于三维多轴加载的颗粒破碎装置，其特征在于：加载控制系统包括微型电脑(3)、伺服控制器(4)、安全控制器(5)和制动器(6)，微型电脑(3)与伺服控制器(4)连接，伺服控制器(4)分别与第一伺服电机(9)和第二伺服电机(25)连接，制动器(6)与安全控制器(5)连接，伺服控制器(4)与安全控制器(5)连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于三维多轴加载的颗粒破碎装置，其特征在于：通过增加或者减少不同环形轨道支架(7)上可拆卸的加载装置，以实现若干轴若干向加载。

8.根据权利要求7所述的一种基于三维多轴加载的颗粒破碎装置，其特征在于：环形轨道支架(7)内置两根钢轨，相同曲率的环形轨道滑块(28)在上面移动，同时通过轴承(12)、第一伺服电机(9)和差速器(8)用于环形轨道支架(7)固定以及转动，从而达到三维效果，为了保证环形轨道支架(7)上的规整，所有涉及的线路应布置环形轨道支架(7)的内侧。

技术总结
本发明提供一种基于三维多轴加载的颗粒破碎装置，属于岩土颗粒破碎测试技术领域，包括环形轨道支架系统、加载控制系统和图像采集系统，加载控制系统与环形轨道支架系统连接，环形轨道支架系统用于控制加载控制系统转动，图像采集系统设置在环形轨道支架系统的外侧，用于记录颗粒的破碎影像。本发明环形轨道支架由多个同心圆环组成，这种结构设计既可以实现二维，也可以实现三维；本发明将可拆卸式加载装置通过环向滑块固定在环形轨道支架上，继而实现对岩土颗粒材料的多轴多向加载要求。本发明通过增、减可拆卸的加载装置能更接近岩土颗粒材料在自然界中的真实接触状态，从而更深入的认识和理解岩土颗粒材料的破碎模式和破碎强度。

技术研发人员：龚健,程利坡,黄典鸿,欧孝夺,江杰,方传峰
受保护的技术使用者：广西大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17