探尋試驗機“硬”實力(三) | 從巖石三軸試驗機看機架結構對機架剛度的影響

本系列前兩期文章分享了試驗機剛度的基本概念、重要性以及常見的測量方法。在第一期文章中我們提到,試驗機機架剛度對試驗機整體剛度的影響最為重要,而試驗機機架剛度又與其結構具有密不可分的關系。那么不同試驗機機架結構是如何影響機架剛度呢?我們今天還是以巖石三軸試驗機為例,與您探討試驗機機架結構對機架剛度的影響。
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目前,市面上三軸試驗機機架種類眾多,不同種類的機架適合的實際工況也大不相同。下面列舉幾種常見的機架類型及其適配的應用場合。

試驗機 | 機架 | 應用場合 |
常 規 三 軸 試 驗 機 | 一體式“口”字型機架 | 應于硬巖、混凝土類三軸試驗機軸向加載系統,剛度要求≥5GN/m。 |
拼接式“口”字型機架 | ||
立柱門式機架 | 應于軟巖、巖土、混凝土、瀝青等路面材料類三軸試驗機軸向加載系統,剛度要求≥1GN/m。 | |
空間可調式門式機架 | ||
真 三 軸 試 驗 機 | 三向立柱式組合機架 | 應于軟巖、巖土、混凝土、瀝青等路面材料類三軸試驗機,剛度要求≥1GN/m。 |
四立柱和拼接式組合機架 | ||
四立柱和一體式組合機架 | 軟巖和硬巖材料的真三軸試驗機均適用,適用剛度范圍:2G~15GN/m。 | |
雙一體式組合機架 | 應于硬巖、混凝土類三軸試驗機軸向加載系統,剛度要求≥5GN/m,特別注明可達到≥15GN/m | |
自對中式五面封閉式機架 |


通過上面的表格我們明確了各類三軸試驗機機架的適用工況后,我們更需要聚焦核心——不同機架之所以適配不同場景,本質是其結構設計決定了自身剛度特性;而要深入理解機架結構對整體剛度的具體影響,就必須先剖析清楚各類機架的結構特點究竟有何不同。
下面我們從機架結構出發,分析不同機架的剛度特點,從而了解試驗機機架結構是如何影響其剛度的。

該機架通過整體鑄造或鍛造的方式,將上下橫梁與左右立柱鑄鍛成整體封閉機架,無螺紋/銷釘間隙,同步抑制軸向伸長與立柱鼓脹。?
剛度高(≥10GN/m)、變形小、重心低,抗彎、抗剪、抗扭特點,對偏載具有一定的容忍度。


該機架通過焊接或螺栓把上橫梁、下橫梁與左右立柱剛性拼接成封閉機架,加工難度低、成本低,適合中等剛度、需現場拆裝或運輸受限的實驗室場景。?
沿受力方向剛度接近于整體機架。


由光杠立柱穿入底座和上橫梁通過高強度螺母鎖緊固定,一般對稱式布置,分為雙立柱結構或四立柱結構,結構簡單緊湊。
其剛度特點主要表現為整體剛度和抗傾覆能力高,剛度高低主要受橫梁厚度、立柱截面面積和跨距影響。


由工作臺、上橫梁、立柱、升降驅動工裝組成,上橫梁可由液壓或電動裝置實現上下移動從而調節試驗空間高度,從而適應不同高度試樣測試需求。
試驗空間可實現無極調整,剛度隨著橫梁的高度變化,橫梁越低剛度越高。


由三個獨立的四立柱(或雙立柱)機架組成,結構簡單,組裝便捷,互換性高,加工難度低,可擴展空間可調式。
整機剛度應以三個方向中最低剛度作為驗證指標,單一方向剛度特點參考立柱門式機架剛度特點。

由一套四立柱機架和雙軸四缸拼接式封閉機架組成,結構簡單拼接靈活,且單個部件加工成本低、加工周期短。
該機架四立柱方向的剛度低于其他兩個方向的剛度,因此整機剛度應以四立柱方向中的最低剛度作為驗證指標,參考立柱門式機架剛度特點。

由一套四立柱機架和雙軸四缸封閉機架組成,雙軸機架可以采用焊接一體式機架或鑄造(或鍛造)一體式機架。該機架的四立柱式機架和其他兩個方向機架相對獨立,但為了提高整體剛度立柱截面直徑通常相對較粗。
該機架剛度設計范較廣(2GN/m~15GN/m),整機剛度以四立柱方向為驗證指標。

由兩個鑄造(或鍛造)一體式機架互套式安裝組成機架,常見結構為單軸式機架外側套雙軸式機架,若對結構進行調整增加密封功能話可實現兩剛一柔型機架
該機架是所有框架類型中剛度最高的一種機架組合方式,每個方向剛度均可達到整體式框架剛度,適用于高剛度(≥10GN/m)應用要求場合。

該機架整合了整體式機架和四柱式空間可調機架的優點,一般為兩個承載梁組成,一套承載梁上固定三向五個面的油缸形成封閉腔,另一套承載梁可移動式,移動到試驗位置時同時也能完成自動中功能。
該框架結構緊湊、體積小,適用于中高剛度(≥5GN/m)應用要求場合.

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