科普：巖石三軸試驗機產品技術實戰手冊

一、引言  

在巖土工程、地質勘探、礦山開采、水利水電、石油化工及地震科學等眾多領域，巖石材料的力學性能研究始終是工程設計與安全評估的核心環節。巖石三軸試驗機作為一種能夠模擬地下巖石在復雜應力狀態下力學行為的實驗設備，其重要性不言而喻。吉林冠騰自動化技術有限公司（以下簡稱“冠騰公司”）坐落于素有“中國試驗機工業發源地和搖籃”之稱的吉林省長春市，憑借數十年積累的設計制造經驗，推出了以SAM-2000系列為代表的微機控制電液伺服巖石三軸試驗機，已成為國內巖石力學試驗領域的主力設備之一。本文將從產品概述與核心技術、技術性能與參數指標、操作使用流程、維護保養體系以及注意事項與安全規范五個方面，對吉林冠騰巖石三軸試驗機進行全面系統的解析。  

二、產品概述與核心技術：精密伺服驅動下的巖石力學探針  

吉林冠騰巖石三軸試驗機屬于微機控制電液伺服型產品，是目前國內功能較為齊全的巖石試驗設備之一。該系列產品主要涵蓋SAS系列和SAM系列兩大產品線，試驗力量程覆蓋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試驗需求。  

該產品最核心的技術優勢體現在三個層面：  

第一，全數字閉環測控技術。試驗機采用冠騰自主研發的全數字測控器（GTC650或GTC550）與電液伺服系統、計算機系統相結合，實現了試驗力（應力）、變形（軸向應變、徑向應變）、位移（壓縮率）三種方式的全閉環控制。更為關鍵的是，這三種控制方式可以在試驗過程中進行相互間無沖擊、平滑轉換，極大提升了試驗過程的穩定性和數據準確性。  

第二，壓力自平衡三軸壓力室技術。壓力室采用壓力自平衡技術，使軸向試驗力與圍壓互不干涉、相互獨立。壓力室用高強度合金結構鋼制成，壓盤及傳壓活塞桿采用軸承鋼經過熱處理及精密加工而成，確保了在高壓條件下壓力室的長期穩定性和可靠性。壓力室放置在移動小車上，可沿軌道移動，配有轉動吊車，裝卸試樣方便，大大提升了試驗操作的便捷性和效率。  

第三，高剛度主機結構。試驗機采用四柱主機或整體框架式M型高剛度主機，主機剛度k≥10000kN/mm（部分型號可達11000kN/mm），有效保證了在加載條件下的系統剛性，減少了加載過程中因系統變形引入的測量誤差。  

在產品功能層面，冠騰巖石三軸試驗機除了完成常規的單軸和三軸壓縮試驗外，還可配備相應附件進行單軸蠕變試驗、剪切蠕變試驗、直剪試驗、孔隙水壓試驗（滲透性測試）、劈裂試驗、變角度剪切試驗及斷裂韌度試驗等多種試驗形式。試驗機能夠模擬高壓三軸狀態，加載系統三向獨立，甚至能夠模擬單向或雙向突然卸載，用于研究深部開采過程中采場圍巖的損傷演化和破裂規律。試驗機可實時顯示多達五種試驗曲線，實時采集和存儲試驗數據，自動計算試驗結果并打印試驗報告。  
 

三、技術性能與參數指標：多維數據精準捕獲的核心引擎  

吉林冠騰巖石三軸試驗機在技術參數上體現了高精度、寬量程、高分辨率的特征，具體指標如下：  

主機系統方面：主機精度達到1級，試驗機量程為82000kN，示值相對誤差為±1%，分辨率高達1/500000%FS。活塞行程≥100mm，測控范圍0100mm，位移示值相對誤差為±0.5%，位移分辨力達到1/200000%FSmm，位移速度范圍為0180mm/min。試驗空間凈寬為600mm，可滿足Φ50×100120mm標準試樣的安裝需求。循環加載試驗頻率可達2Hz，能夠完成一定程度的動態力學測試。  

變形測量系統方面：配備巖石專屬變形儀，軸向標長L0=100mm，軸向量程ΔL=6mm；徑向標徑d0=50mm，徑向量程Δd=3mm。變形儀測量范圍為0.5100FS，示值相對誤差±1%，分辨率達到1/200000%FS（即0.03μm）。同時配備LVDT式巖石引伸計，軸向量程015mm，徑向行程0~5mm，示值精度均為±0.1%。如此高的測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、泊松比等關鍵力學參數的精確計算提供了基礎數據。  

圍壓系統方面：最高圍壓力可達100MPa，有效壓力范圍為2100%FS，示值相對誤差±2%，絕對分辨力為1/180000。充液壓力范圍為0.31.0MPa，測壓元件采用液壓傳感器，測控器為GTC550或可選配EDC222。圍壓系統能夠穩定控制波動范圍在±0.05MPa以內，確保了三軸壓縮試驗中圍壓條件的精確復現。  

控制功能方面：試驗力控制范圍為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%。控制系統具備恒試驗力、恒變形、恒位移、勻試驗力速率、勻變形速率等多種控制功能，以及超載保護、油路堵塞保護、超油溫保護、試件斷裂保護等多重安全保護功能。通過按編制的巖石試驗程序，系統可自動控制試驗的全過程，繪制巖石試樣單軸壓縮變形、三軸壓縮變形的全過程應力—應變曲線，并測試抗壓強度、楊氏模量、泊松比、殘余變形、殘余應力、內聚力和內摩擦角等性能參數。  

該設備嚴格執行多項國家和行業標準，包括GB/T50266《工程巖體試驗方法標準》、SL264《水利水電工程巖石試驗規程》、JTGE41《公路工程巖石試驗規程》、GB2611《試驗機通用技術要求》以及GB/T16826《電液伺服試驗機》等，確保試驗數據的可比性。  

四、操作使用流程：從樣品制備到數據產出的全流程指南  

4.1試驗前準備階段  

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

儀器檢查與調試準備。先檢查設備外觀及連接部位，確認圍壓系統、軸壓系統、位移傳感器、壓力傳感器線路連接牢固，無松動和破損。檢查液壓油液位和純度，確保達到設備運行要求；對于水壓力圍壓系統，需排查管路密封性，避免試驗中發生滲漏。開啟設備總電源和計算機控制系統后，預熱15~30分鐘，使儀器各部件達到穩定的工作溫度狀態。  

輔助工具準備。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。試樣套需根據試樣尺寸選用，確保無破損、厚度均勻，避免圍壓施加時出現滲漏。  

4.2試樣安裝階段  

將試樣套小心套在巖石試樣外，兩端預留2~3mm空間，避免試樣受壓時試樣套被擠壓破損。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（對中偏差≤1mm），防止試驗中產生偏壓導致數據失真。緩慢升起上承壓板，直至與試樣上端輕輕接觸（接觸力≤50N），避免過度擠壓產生初始應力。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，壓實密封部位，確保圍壓介質無法滲透。將壓力室安裝到位，擰緊密封螺栓（注意擰緊力均勻，避免局部受力導致腔室變形），連接圍壓進油管，再次檢查密封部位是否完好。  

4.3參數設置與調試階段  

在計算機控制系統中輸入試驗參數：圍壓等級（根據試驗方案設定，如0MPa、5MPa、10MPa等）、加載方式（巖石試驗常用應變控制，加載速率0.001~0.005mm/min）、數據采集頻率（1~5Hz，確保捕捉試樣受力變形全過程數據）、試驗終止條件（如軸向應變達到20%、軸向應力下降至峰值應力的80%，或試樣發生明顯破壞）。對軸向壓力傳感器、圍壓傳感器、軸向位移傳感器進行零點校準，確保傳感器讀數準確。校準后進行預加載測試：施加極小圍壓（0.1~0.2MPa）和軸向力（0.5~1kN），觀察傳感器數據是否穩定、管路是否滲漏。  

4.4試驗過程控制階段  

啟動圍壓加載系統，按設定速率緩慢施加圍壓，加載速率控制在0.05~0.1MPa/s，直至達到預設圍壓值，圍壓穩定后（波動范圍≤±0.05MPa）方可進行下一步加載。圍壓穩定后，啟動軸向加載系統，按設定的加載速率（應力控制或應變控制）施加軸向載荷，全程連續采集應力、應變、位移數據，實時觀察應力—應變曲線的變化趨勢。當試樣發生破壞或達到預設的終止條件時，系統自動停止加載，保存試驗數據。  

4.5試驗后處理  

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（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記錄的一部分。整理試驗數據，導出應力—應變曲線，計算所需的力學參數，生成試驗報告。  

五、維護保養體系：延長設備使用壽命的系統化保障  

吉林冠騰巖石三軸試驗機的維護保養工作應遵循“預防為主、定期執行”的原則，從日常維護、定期保養和年度大修三個層面系統實施。  

5.1日常維護  

每日試驗開始前和結束后，應對設備進行例行檢查。保持設備各部位清潔，對沒有噴漆的表面擦干凈后，用紗布沾少量機油再擦一遍以防生銹，特別是在雨季更應注意保養。檢查主機和油源處是否有漏油現象，如發現漏油應及時更換密封圈或組合墊。檢查鉗口螺絲是否有松動，及時擰緊。試驗結束后，試臺上不得放置不用機件和用具，防止震動時墮落傷人和損壞儀器。  

5.2定期保養  

液壓系統是巖石三軸試驗機最關鍵的組成部分之一，其保養至關重要。長期頻繁使用可能導致油量減少或變質，應根據使用情況每隔1~3個月檢查一次油量。設備停止運行15分鐘后，觀察控制柜左側油窗，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，須換上新的液壓油。根據機器的使用情況及油的使用期限，定期更換吸油過濾器和濾芯。夏季建議使用68號耐磨液壓油，冬季建議使用46號耐磨液壓油，每年或累計工作2000小時后必須更換液壓油。定期清洗油路和油箱，防止污物進入伺服閥，延長伺服閥的使用壽命。  

運動部件需要定期潤滑。機主體底座上面的壓蓋上設有注油孔，通過該孔注油來潤滑螺母；下鉗口座升降用絲杠的螺紋，根據使用情況也應經常潤滑。減速箱和油緩沖器用高速潤滑機油，每隔一年更換一次，更換時要清洗干凈。  

定期檢查控制器后面的連接線是否接觸良好，但必須注意：關閉控制器的電源后才能拔插連接線的接口，接口應對應好，否則會對試驗機造成損壞。  

5.3年度維保與校準  

每年或累計工作2000小時后，應委托專業服務提供商進行全面的維保和校準。維保內容包括：設備運行狀況檢查、軟件版本檢查與升級、控制器運行狀況檢查、更換液壓油、清洗油路和油箱、更換運動部件潤滑脂、傳感器精度校準與穩定性調節、電控設施檢修等。維保完成后，應對設備進行性能測試，確保各項功能正常。試驗機每年應周期性檢定一次。  

建議用戶根據試驗機的使用頻率、制造商的建議和歷史維護記錄，制定定期的維保計劃，明確維保的周期、項目和預期目標，確保維保工作有條不紊地進行。  

六、注意事項與安全規范：確保操作安全和數據可靠的關鍵準則  

6.1安全操作規范  

試驗機的夾具必須涂有防銹油，防止長期使用后銹蝕影響夾持效果。長期不使用時，應關閉控制器和電腦電源，長時間通電會縮短設備使用壽命。設備應設專人負責維護管理，并制定完整的操作規程和維保臺賬。在使用前，必須學習研究設備的使用手冊，熟悉各項功能和操作流程。  

6.2液壓系統安全  

液壓系統是整個設備的核心動力單元，其運行狀態直接關系到試驗的可靠性和安全性。應定期檢查液壓管路和密封件，發現漏油跡象立即停機檢修。加強液壓油的管理，防止水、雜質混入導致油液變質。定期更換油路濾芯，防止污物進入伺服閥引發故障。伺服閥的裝拆應在盡可能干凈的環境中進行，防止污染。長時間不做測試時，注意關閉主機電源。  

6.3操作過程中的注意事項  

試樣安裝時必須確保對中精度，偏壓過大不僅會導致數據失真，還可能對壓力室和傳感器造成損傷。施加圍壓和軸壓時應嚴格控制加載速率，避免突然加載導致試樣爆裂和壓力沖擊。試驗過程中應密切觀察系統運行狀態，發現異常聲響、壓力波動劇烈或傳感器數據異常等情況，應立即停止試驗并排查原因。試樣破壞后的卸壓操作應按照先卸軸壓后卸圍壓的順序進行，避免因壓力釋放不當造成設備損傷。  

6.4電氣與軟件安全  

試驗機的電氣系統應保持良好接地，避免靜電或雷擊損壞控制電路。計算機控制系統應定期備份試驗數據和程序配置，防止數據丟失。軟件升級應在專業技術人員指導下進行，避免因版本不兼容導致系統故障。控制器后面的連接線接口必須對應正確，拔插前必須關閉控制器電源。  

6.5存放與環境要求  

試驗機應在合乎要求的倉庫或試驗室內保管，不得露天放置。超過6個月仍不啟用，應開箱清洗，重新封涂防銹油。設備不用時最好用布罩好，以防灰塵進入，特別是齒桿導輪、油液等部位更應注意防塵。試驗環境應保持干燥、通風、無腐蝕性氣體，溫度應控制在設備允許的工作范圍內。  

七、總結  

吉林冠騰巖石三軸試驗機以其全數字閉環控制技術、壓力自平衡壓力室設計和高剛度主機結構，為巖石力學試驗提供了高精度、高可靠性的技術平臺。該設備嚴格遵循GB/T50266等國家標準，廣泛應用于水利水電、隧道工程、礦山開采、石油化工及地震科學研究等領域，成為科研院所和高等院校巖土力學實驗室的主力設備之一。掌握規范的操作流程、科學的維護保養體系和嚴格的安全規范，是充分發揮設備性能、延長使用壽命、確保試驗數據準確可靠的關鍵。隨著巖石力學試驗向多場耦合、真三軸模擬和智能化方向發展，吉林冠騰巖石三軸試驗機也將在持續的技術迭代中不斷升級，為我國重大巖土工程的設計與安全評估提供更加堅實的技術支撐。