科普：巖石三軸試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品技術(shù)實(shí)戰(zhàn)手冊(cè)

一、引言  

在巖土工程、地質(zhì)勘探、礦山開(kāi)采、水利水電、石油化工及地震科學(xué)等眾多領(lǐng)域，巖石材料的力學(xué)性能研究始終是工程設(shè)計(jì)與安全評(píng)估的核心環(huán)節(jié)。巖石三軸試驗(yàn)機(jī)作為一種能夠模擬地下巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其重要性不言而喻。吉林冠騰自動(dòng)化技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“冠騰公司”）坐落于素有“中國(guó)試驗(yàn)機(jī)工業(yè)發(fā)源地和搖籃”之稱的吉林省長(zhǎng)春市，憑借數(shù)十年積累的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，推出了以SAM-2000系列為代表的微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，已成為國(guó)內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域的主力設(shè)備之一。本文將從產(chǎn)品概述與核心技術(shù)、技術(shù)性能與參數(shù)指標(biāo)、操作使用流程、維護(hù)保養(yǎng)體系以及注意事項(xiàng)與安全規(guī)范五個(gè)方面，對(duì)吉林冠騰巖石三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行全面系統(tǒng)的解析。  

二、產(chǎn)品概述與核心技術(shù)：精密伺服驅(qū)動(dòng)下的巖石力學(xué)探針  

吉林冠騰巖石三軸試驗(yàn)機(jī)屬于微機(jī)控制電液伺服型產(chǎn)品，是目前國(guó)內(nèi)功能較為齊全的巖石試驗(yàn)設(shè)備之一。該系列產(chǎn)品主要涵蓋SAS系列和SAM系列兩大產(chǎn)品線，試驗(yàn)力量程覆蓋8kN至2000kN乃至3000kN的寬幅范圍，能夠滿足從軟巖到硬巖、從小尺寸試樣到中等尺寸試樣的多層級(jí)試驗(yàn)需求。  

該產(chǎn)品最核心的技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在三個(gè)層面：  

第一，全數(shù)字閉環(huán)測(cè)控技術(shù)。試驗(yàn)機(jī)采用冠騰自主研發(fā)的全數(shù)字測(cè)控器（GTC650或GTC550）與電液伺服系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)力（應(yīng)力）、變形（軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變）、位移（壓縮率）三種方式的全閉環(huán)控制。更為關(guān)鍵的是，這三種控制方式可以在試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行相互間無(wú)沖擊、平滑轉(zhuǎn)換，極大提升了試驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。  

第二，壓力自平衡三軸壓力室技術(shù)。壓力室采用壓力自平衡技術(shù)，使軸向試驗(yàn)力與圍壓互不干涉、相互獨(dú)立。壓力室用高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼制成，壓盤及傳壓活塞桿采用軸承鋼經(jīng)過(guò)熱處理及精密加工而成，確保了在高壓條件下壓力室的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性。壓力室放置在移動(dòng)小車上，可沿軌道移動(dòng)，配有轉(zhuǎn)動(dòng)吊車，裝卸試樣方便，大大提升了試驗(yàn)操作的便捷性和效率。  

第三，高剛度主機(jī)結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)機(jī)采用四柱主機(jī)或整體框架式M型高剛度主機(jī)，主機(jī)剛度k≥10000kN/mm（部分型號(hào)可達(dá)11000kN/mm），有效保證了在加載條件下的系統(tǒng)剛性，減少了加載過(guò)程中因系統(tǒng)變形引入的測(cè)量誤差。  

在產(chǎn)品功能層面，冠騰巖石三軸試驗(yàn)機(jī)除了完成常規(guī)的單軸和三軸壓縮試驗(yàn)外，還可配備相應(yīng)附件進(jìn)行單軸蠕變?cè)囼?yàn)、剪切蠕變?cè)囼?yàn)、直剪試驗(yàn)、孔隙水壓試驗(yàn)（滲透性測(cè)試）、劈裂試驗(yàn)、變角度剪切試驗(yàn)及斷裂韌度試驗(yàn)等多種試驗(yàn)形式。試驗(yàn)機(jī)能夠模擬高壓三軸狀態(tài)，加載系統(tǒng)三向獨(dú)立，甚至能夠模擬單向或雙向突然卸載，用于研究深部開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)圍巖的損傷演化和破裂規(guī)律。試驗(yàn)機(jī)可實(shí)時(shí)顯示多達(dá)五種試驗(yàn)曲線，實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果并打印試驗(yàn)報(bào)告。  
 

三、技術(shù)性能與參數(shù)指標(biāo)：多維數(shù)據(jù)精準(zhǔn)捕獲的核心引擎  

吉林冠騰巖石三軸試驗(yàn)機(jī)在技術(shù)參數(shù)上體現(xiàn)了高精度、寬量程、高分辨率的特征，具體指標(biāo)如下：  

主機(jī)系統(tǒng)方面：主機(jī)精度達(dá)到1級(jí)，試驗(yàn)機(jī)量程為82000kN，示值相對(duì)誤差為±1%，分辨率高達(dá)1/500000%FS。活塞行程≥100mm，測(cè)控范圍0100mm，位移示值相對(duì)誤差為±0.5%，位移分辨力達(dá)到1/200000%FSmm，位移速度范圍為0180mm/min。試驗(yàn)空間凈寬為600mm，可滿足Φ50×100120mm標(biāo)準(zhǔn)試樣的安裝需求。循環(huán)加載試驗(yàn)頻率可達(dá)2Hz，能夠完成一定程度的動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試。  

變形測(cè)量系統(tǒng)方面：配備巖石專屬變形儀，軸向標(biāo)長(zhǎng)L0=100mm，軸向量程ΔL=6mm；徑向標(biāo)徑d0=50mm，徑向量程Δd=3mm。變形儀測(cè)量范圍為0.5100FS，示值相對(duì)誤差±1%，分辨率達(dá)到1/200000%FS（即0.03μm）。同時(shí)配備LVDT式巖石引伸計(jì)，軸向量程015mm，徑向行程0~5mm，示值精度均為±0.1%。如此高的測(cè)量分辨率保證了巖石試樣在微小變形階段的精確捕捉，為彈性模量、泊松比等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)的精確計(jì)算提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。  

圍壓系統(tǒng)方面：最高圍壓力可達(dá)100MPa，有效壓力范圍為2100%FS，示值相對(duì)誤差±2%，絕對(duì)分辨力為1/180000。充液壓力范圍為0.31.0MPa，測(cè)壓元件采用液壓傳感器，測(cè)控器為GTC550或可選配EDC222。圍壓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定控制波動(dòng)范圍在±0.05MPa以內(nèi)，確保了三軸壓縮試驗(yàn)中圍壓條件的精確復(fù)現(xiàn)。  

控制功能方面：試驗(yàn)力控制范圍為1~99%FS，變形控制范圍為0.5~99%FS，力、變形、位移示值誤差均為±0.5%。控制系統(tǒng)具備恒試驗(yàn)力、恒變形、恒位移、勻試驗(yàn)力速率、勻變形速率等多種控制功能，以及超載保護(hù)、油路堵塞保護(hù)、超油溫保護(hù)、試件斷裂保護(hù)等多重安全保護(hù)功能。通過(guò)按編制的巖石試驗(yàn)程序，系統(tǒng)可自動(dòng)控制試驗(yàn)的全過(guò)程，繪制巖石試樣單軸壓縮變形、三軸壓縮變形的全過(guò)程應(yīng)力—應(yīng)變曲線，并測(cè)試抗壓強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比、殘余變形、殘余應(yīng)力、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等性能參數(shù)。  

該設(shè)備嚴(yán)格執(zhí)行多項(xiàng)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括GB/T50266《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、SL264《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》、JTGE41《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》、GB2611《試驗(yàn)機(jī)通用技術(shù)要求》以及GB/T16826《電液伺服試驗(yàn)機(jī)》等，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性。  

四、操作使用流程：從樣品制備到數(shù)據(jù)產(chǎn)出的全流程指南  

4.1試驗(yàn)前準(zhǔn)備階段  

試樣制備與檢查。巖石試樣需加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體形狀，常用尺寸為Φ50mm×100mm（長(zhǎng)徑比2:1），端面平整度誤差需控制在≤0.02mm以內(nèi)，軸線垂直度偏差≤0.5°，試樣表面應(yīng)無(wú)明顯裂紋和缺陷。制備后需測(cè)定試樣含水率、密度等基礎(chǔ)參數(shù)；若為飽和試樣，需提前進(jìn)行真空飽和處理，真空度保持在-0.09~-0.1MPa，飽和時(shí)間≥24h，確保試樣狀態(tài)均勻一致。  

儀器檢查與調(diào)試準(zhǔn)備。先檢查設(shè)備外觀及連接部位，確認(rèn)圍壓系統(tǒng)、軸壓系統(tǒng)、位移傳感器、壓力傳感器線路連接牢固，無(wú)松動(dòng)和破損。檢查液壓油液位和純度，確保達(dá)到設(shè)備運(yùn)行要求；對(duì)于水壓力圍壓系統(tǒng)，需排查管路密封性，避免試驗(yàn)中發(fā)生滲漏。開(kāi)啟設(shè)備總電源和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)后，預(yù)熱15~30分鐘，使儀器各部件達(dá)到穩(wěn)定的工作溫度狀態(tài)。  

輔助工具準(zhǔn)備。備好試樣套（熱縮管或橡膠套）、密封膠、凡士林、扳手、卡尺、紙巾等工具。試樣套需根據(jù)試樣尺寸選用，確保無(wú)破損、厚度均勻，避免圍壓施加時(shí)出現(xiàn)滲漏。  

4.2試樣安裝階段  

將試樣套小心套在巖石試樣外，兩端預(yù)留2~3mm空間，避免試樣受壓時(shí)試樣套被擠壓破損。在試樣兩端涂抹少量凡士林，放置于下承壓板中心位置，確保試樣軸線與承壓板中心線重合（對(duì)中偏差≤1mm），防止試驗(yàn)中產(chǎn)生偏壓導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。緩慢升起上承壓板，直至與試樣上端輕輕接觸（接觸力≤50N），避免過(guò)度擠壓產(chǎn)生初始應(yīng)力。若采用端面密封，需在試樣與承壓板接觸處涂抹密封膠，再套上試樣套兩端的密封圈，壓實(shí)密封部位，確保圍壓介質(zhì)無(wú)法滲透。將壓力室安裝到位，擰緊密封螺栓（注意擰緊力均勻，避免局部受力導(dǎo)致腔室變形），連接圍壓進(jìn)油管，再次檢查密封部位是否完好。  

4.3參數(shù)設(shè)置與調(diào)試階段  

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中輸入試驗(yàn)參數(shù)：圍壓等級(jí)（根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)定，如0MPa、5MPa、10MPa等）、加載方式（巖石試驗(yàn)常用應(yīng)變控制，加載速率0.001~0.005mm/min）、數(shù)據(jù)采集頻率（1~5Hz，確保捕捉試樣受力變形全過(guò)程數(shù)據(jù)）、試驗(yàn)終止條件（如軸向應(yīng)變達(dá)到20%、軸向應(yīng)力下降至峰值應(yīng)力的80%，或試樣發(fā)生明顯破壞）。對(duì)軸向壓力傳感器、圍壓傳感器、軸向位移傳感器進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，確保傳感器讀數(shù)準(zhǔn)確。校準(zhǔn)后進(jìn)行預(yù)加載測(cè)試：施加極小圍壓（0.1~0.2MPa）和軸向力（0.5~1kN），觀察傳感器數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定、管路是否滲漏。  

4.4試驗(yàn)過(guò)程控制階段  

啟動(dòng)圍壓加載系統(tǒng)，按設(shè)定速率緩慢施加圍壓，加載速率控制在0.05~0.1MPa/s，直至達(dá)到預(yù)設(shè)圍壓值，圍壓穩(wěn)定后（波動(dòng)范圍≤±0.05MPa）方可進(jìn)行下一步加載。圍壓穩(wěn)定后，啟動(dòng)軸向加載系統(tǒng)，按設(shè)定的加載速率（應(yīng)力控制或應(yīng)變控制）施加軸向載荷，全程連續(xù)采集應(yīng)力、應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)觀察應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)。當(dāng)試樣發(fā)生破壞或達(dá)到預(yù)設(shè)的終止條件時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止加載，保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。  

4.5試驗(yàn)后處理  

卸載軸向載荷和圍壓，待壓力釋放后，拆下壓力室，小心取出試樣。觀察并記錄試樣的破壞形態(tài)（如單斜面剪切破壞、X形共軛剪切破壞、張拉破壞等），拍攝破壞照片作為試驗(yàn)記錄的一部分。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)出應(yīng)力—應(yīng)變曲線，計(jì)算所需的力學(xué)參數(shù)，生成試驗(yàn)報(bào)告。  

五、維護(hù)保養(yǎng)體系：延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的系統(tǒng)化保障  

吉林冠騰巖石三軸試驗(yàn)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)工作應(yīng)遵循“預(yù)防為主、定期執(zhí)行”的原則，從日常維護(hù)、定期保養(yǎng)和年度大修三個(gè)層面系統(tǒng)實(shí)施。  

5.1日常維護(hù)  

每日試驗(yàn)開(kāi)始前和結(jié)束后，應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行例行檢查。保持設(shè)備各部位清潔，對(duì)沒(méi)有噴漆的表面擦干凈后，用紗布沾少量機(jī)油再擦一遍以防生銹，特別是在雨季更應(yīng)注意保養(yǎng)。檢查主機(jī)和油源處是否有漏油現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)漏油應(yīng)及時(shí)更換密封圈或組合墊。檢查鉗口螺絲是否有松動(dòng)，及時(shí)擰緊。試驗(yàn)結(jié)束后，試臺(tái)上不得放置不用機(jī)件和用具，防止震動(dòng)時(shí)墮落傷人和損壞儀器。  

5.2定期保養(yǎng)  

液壓系統(tǒng)是巖石三軸試驗(yàn)機(jī)最關(guān)鍵的組成部分之一，其保養(yǎng)至關(guān)重要。長(zhǎng)期頻繁使用可能導(dǎo)致油量減少或變質(zhì)，應(yīng)根據(jù)使用情況每隔1~3個(gè)月檢查一次油量。設(shè)備停止運(yùn)行15分鐘后，觀察控制柜左側(cè)油窗，如油面低于油窗則添加同種液壓油至油窗中間位置；如油已變質(zhì)，須換上新的液壓油。根據(jù)機(jī)器的使用情況及油的使用期限，定期更換吸油過(guò)濾器和濾芯。夏季建議使用68號(hào)耐磨液壓油，冬季建議使用46號(hào)耐磨液壓油，每年或累計(jì)工作2000小時(shí)后必須更換液壓油。定期清洗油路和油箱，防止污物進(jìn)入伺服閥，延長(zhǎng)伺服閥的使用壽命。  

運(yùn)動(dòng)部件需要定期潤(rùn)滑。機(jī)主體底座上面的壓蓋上設(shè)有注油孔，通過(guò)該孔注油來(lái)潤(rùn)滑螺母；下鉗口座升降用絲杠的螺紋，根據(jù)使用情況也應(yīng)經(jīng)常潤(rùn)滑。減速箱和油緩沖器用高速潤(rùn)滑機(jī)油，每隔一年更換一次，更換時(shí)要清洗干凈。  

定期檢查控制器后面的連接線是否接觸良好，但必須注意：關(guān)閉控制器的電源后才能拔插連接線的接口，接口應(yīng)對(duì)應(yīng)好，否則會(huì)對(duì)試驗(yàn)機(jī)造成損壞。  

5.3年度維保與校準(zhǔn)  

每年或累計(jì)工作2000小時(shí)后，應(yīng)委托專業(yè)服務(wù)提供商進(jìn)行全面的維保和校準(zhǔn)。維保內(nèi)容包括：設(shè)備運(yùn)行狀況檢查、軟件版本檢查與升級(jí)、控制器運(yùn)行狀況檢查、更換液壓油、清洗油路和油箱、更換運(yùn)動(dòng)部件潤(rùn)滑脂、傳感器精度校準(zhǔn)與穩(wěn)定性調(diào)節(jié)、電控設(shè)施檢修等。維保完成后，應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試，確保各項(xiàng)功能正常。試驗(yàn)機(jī)每年應(yīng)周期性檢定一次。  

建議用戶根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的使用頻率、制造商的建議和歷史維護(hù)記錄，制定定期的維保計(jì)劃，明確維保的周期、項(xiàng)目和預(yù)期目標(biāo)，確保維保工作有條不紊地進(jìn)行。  

六、注意事項(xiàng)與安全規(guī)范：確保操作安全和數(shù)據(jù)可靠的關(guān)鍵準(zhǔn)則  

6.1安全操作規(guī)范  

試驗(yàn)機(jī)的夾具必須涂有防銹油，防止長(zhǎng)期使用后銹蝕影響夾持效果。長(zhǎng)期不使用時(shí)，應(yīng)關(guān)閉控制器和電腦電源，長(zhǎng)時(shí)間通電會(huì)縮短設(shè)備使用壽命。設(shè)備應(yīng)設(shè)專人負(fù)責(zé)維護(hù)管理，并制定完整的操作規(guī)程和維保臺(tái)賬。在使用前，必須學(xué)習(xí)研究設(shè)備的使用手冊(cè)，熟悉各項(xiàng)功能和操作流程。  

6.2液壓系統(tǒng)安全  

液壓系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備的核心動(dòng)力單元，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到試驗(yàn)的可靠性和安全性。應(yīng)定期檢查液壓管路和密封件，發(fā)現(xiàn)漏油跡象立即停機(jī)檢修。加強(qiáng)液壓油的管理，防止水、雜質(zhì)混入導(dǎo)致油液變質(zhì)。定期更換油路濾芯，防止污物進(jìn)入伺服閥引發(fā)故障。伺服閥的裝拆應(yīng)在盡可能干凈的環(huán)境中進(jìn)行，防止污染。長(zhǎng)時(shí)間不做測(cè)試時(shí)，注意關(guān)閉主機(jī)電源。  

6.3操作過(guò)程中的注意事項(xiàng)  

試樣安裝時(shí)必須確保對(duì)中精度，偏壓過(guò)大不僅會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，還可能對(duì)壓力室和傳感器造成損傷。施加圍壓和軸壓時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制加載速率，避免突然加載導(dǎo)致試樣爆裂和壓力沖擊。試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)密切觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常聲響、壓力波動(dòng)劇烈或傳感器數(shù)據(jù)異常等情況，應(yīng)立即停止試驗(yàn)并排查原因。試樣破壞后的卸壓操作應(yīng)按照先卸軸壓后卸圍壓的順序進(jìn)行，避免因壓力釋放不當(dāng)造成設(shè)備損傷。  

6.4電氣與軟件安全  

試驗(yàn)機(jī)的電氣系統(tǒng)應(yīng)保持良好接地，避免靜電或雷擊損壞控制電路。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)定期備份試驗(yàn)數(shù)據(jù)和程序配置，防止數(shù)據(jù)丟失。軟件升級(jí)應(yīng)在專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)下進(jìn)行，避免因版本不兼容導(dǎo)致系統(tǒng)故障。控制器后面的連接線接口必須對(duì)應(yīng)正確，拔插前必須關(guān)閉控制器電源。  

6.5存放與環(huán)境要求  

試驗(yàn)機(jī)應(yīng)在合乎要求的倉(cāng)庫(kù)或試驗(yàn)室內(nèi)保管，不得露天放置。超過(guò)6個(gè)月仍不啟用，應(yīng)開(kāi)箱清洗，重新封涂防銹油。設(shè)備不用時(shí)最好用布罩好，以防灰塵進(jìn)入，特別是齒桿導(dǎo)輪、油液等部位更應(yīng)注意防塵。試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)保持干燥、通風(fēng)、無(wú)腐蝕性氣體，溫度應(yīng)控制在設(shè)備允許的工作范圍內(nèi)。  

七、總結(jié)  

吉林冠騰巖石三軸試驗(yàn)機(jī)以其全數(shù)字閉環(huán)控制技術(shù)、壓力自平衡壓力室設(shè)計(jì)和高剛度主機(jī)結(jié)構(gòu)，為巖石力學(xué)試驗(yàn)提供了高精度、高可靠性的技術(shù)平臺(tái)。該設(shè)備嚴(yán)格遵循GB/T50266等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于水利水電、隧道工程、礦山開(kāi)采、石油化工及地震科學(xué)研究等領(lǐng)域，成為科研院所和高等院校巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的主力設(shè)備之一。掌握規(guī)范的操作流程、科學(xué)的維護(hù)保養(yǎng)體系和嚴(yán)格的安全規(guī)范，是充分發(fā)揮設(shè)備性能、延長(zhǎng)使用壽命、確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵。隨著巖石力學(xué)試驗(yàn)向多場(chǎng)耦合、真三軸模擬和智能化方向發(fā)展，吉林冠騰巖石三軸試驗(yàn)機(jī)也將在持續(xù)的技術(shù)迭代中不斷升級(jí)，為我國(guó)重大巖土工程的設(shè)計(jì)與安全評(píng)估提供更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。