探寻试验机“硬”实力(三) | 从岩石三轴试验机看机架结构对机架刚度的影响

本系列前两期文章分享了试验机刚度的基本概念、重要性以及常见的测量方法。在第一期文章中我们提到,试验机机架刚度对试验机整体刚度的影响最为重要,而试验机机架刚度又与其结构具有密不可分的关系。那么不同试验机机架结构是如何影响机架刚度呢?我们今天还是以岩石三轴试验机为例,与您探讨试验机机架结构对机架刚度的影响。
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目前,市面上三轴试验机机架种类众多,不同种类的机架适合的实际工况也大不相同。下面列举几种常见的机架类型及其适配的应用场合。

试验机 | 机架 | 应用场合 |
常 规 三 轴 试 验 机 | 一体式“口”字型机架 | 应于硬岩、混凝土类三轴试验机轴向加载系统,刚度要求≥5GN/m。 |
拼接式“口”字型机架 | ||
立柱门式机架 | 应于软岩、岩土、混凝土、沥青等路面材料类三轴试验机轴向加载系统,刚度要求≥1GN/m。 | |
空间可调式门式机架 | ||
真 三 轴 试 验 机 | 三向立柱式组合机架 | 应于软岩、岩土、混凝土、沥青等路面材料类三轴试验机,刚度要求≥1GN/m。 |
四立柱和拼接式组合机架 | ||
四立柱和一体式组合机架 | 软岩和硬岩材料的真三轴试验机均适用,适用刚度范围:2G~15GN/m。 | |
双一体式组合机架 | 应于硬岩、混凝土类三轴试验机轴向加载系统,刚度要求≥5GN/m,特别注明可达到≥15GN/m | |
自对中式五面封闭式机架 |


通过上面的表格我们明确了各类三轴试验机机架的适用工况后,我们更需要聚焦核心——不同机架之所以适配不同场景,本质是其结构设计决定了自身刚度特性;而要深入理解机架结构对整体刚度的具体影响,就必须先剖析清楚各类机架的结构特点究竟有何不同。
下面我们从机架结构出发,分析不同机架的刚度特点,从而了解试验机机架结构是如何影响其刚度的。

该机架通过整体铸造或锻造的方式,将上下横梁与左右立柱铸锻成整体封闭机架,无螺纹/销钉间隙,同步抑制轴向伸长与立柱鼓胀。
刚度高(≥10GN/m)、变形小、重心低,抗弯、抗剪、抗扭特点,对偏载具有一定的容忍度。


该机架通过焊接或螺栓把上横梁、下横梁与左右立柱刚性拼接成封闭机架,加工难度低、成本低,适合中等刚度、需现场拆装或运输受限的实验室场景。
沿受力方向刚度接近于整体机架。


由光杠立柱穿入底座和上横梁通过高强度螺母锁紧固定,一般对称式布置,分为双立柱结构或四立柱结构,结构简单紧凑。
其刚度特点主要表现为整体刚度和抗倾覆能力高,刚度高低主要受横梁厚度、立柱截面面积和跨距影响。


由工作台、上横梁、立柱、升降驱动工装组成,上横梁可由液压或电动装置实现上下移动从而调节试验空间高度,从而适应不同高度试样测试需求。
试验空间可实现无极调整,刚度随着横梁的高度变化,横梁越低刚度越高。


由三个独立的四立柱(或双立柱)机架组成,结构简单,组装便捷,互换性高,加工难度低,可扩展空间可调式。
整机刚度应以三个方向中最低刚度作为验证指标,单一方向刚度特点参考立柱门式机架刚度特点。

由一套四立柱机架和双轴四缸拼接式封闭机架组成,结构简单拼接灵活,且单个部件加工成本低、加工周期短。
该机架四立柱方向的刚度低于其他两个方向的刚度,因此整机刚度应以四立柱方向中的最低刚度作为验证指标,参考立柱门式机架刚度特点。

由一套四立柱机架和双轴四缸封闭机架组成,双轴机架可以采用焊接一体式机架或铸造(或锻造)一体式机架。该机架的四立柱式机架和其他两个方向机架相对独立,但为了提高整体刚度立柱截面直径通常相对较粗。
该机架刚度设计范较广(2GN/m~15GN/m),整机刚度以四立柱方向为验证指标。

由两个铸造(或锻造)一体式机架互套式安装组成机架,常见结构为单轴式机架外侧套双轴式机架,若对结构进行调整增加密封功能话可实现两刚一柔型机架
该机架是所有框架类型中刚度最高的一种机架组合方式,每个方向刚度均可达到整体式框架刚度,适用于高刚度(≥10GN/m)应用要求场合。

该机架整合了整体式机架和四柱式空间可调机架的优点,一般为两个承载梁组成,一套承载梁上固定三向五个面的油缸形成封闭腔,另一套承载梁可移动式,移动到试验位置时同时也能完成自动中功能。
该框架结构紧凑、体积小,适用于中高刚度(≥5GN/m)应用要求场合.

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