工业CT扫描机同步加载试验装置及工业CT扫描机

摘要

本发明涉及工业CT扫描机同步加载试验装置及工业CT扫描机，属于试验检测设备领域。该装置包括单作用旋转加载油缸、可透视碳纤维反力架、微扭矩旋转机构、油压加载系统和压力显示系统；所述单作用旋转加载油缸包括油缸体和与油缸体能发生相对转动回转接油口，所述可透视碳纤维反力架包括上连接框和下连接板，以及缠绕于上连接框和下连接板之间的碳纤维支撑，试件位于上连接框与下连接板之间。单作用旋转加载油缸与可透视碳纤维反力架共同形成自反力机构。可透视碳纤维反力架对X射线几乎无吸收，射线通过碳纤维照射试件不产生能量损耗。本发明与工业CT扫描机共同工作，能实现对试件加载，并对试件的损伤等变化情况进行实时扫描。

说明书

技术领域

本发明主要用于实现工业CT扫描机的配套加载，特别设计用于研究土木工程材料的损 伤和破坏机理，实现材料在加载损伤过程中，实时采集CT断层图像的目的，属于土木工程 材料试验设备领域。

背景技术

近年来，利用工业CT扫描机无损的采集和分析材料的内部细观组成结构及损伤机理逐 渐成为土木工程材料研究的重要技术手段之一。其基本原理是通过工业CT机发射射线穿透 被测物体，通过射线能量的衰减规律，重构计算形成图像进行组成结构的分析。但由于工业 CT扫描机本身不具备同步加载条件，研究中往往仅能采用力学加载与CT扫描分离的方式， 先进行加载，之后将存在了损伤的试件移至工业CT扫描机的承重转台上进行扫描，这种方 式对于具有粘弹性或准脆性材料往往存在荷载卸除后，裂缝闭合、损伤恢复等问题，CT图像 表达的损伤无法全面、完整的反映材料损伤过程，影响损伤机理分析的准确性，因此一直是 该技术应用的瓶颈之一。

实现工业CT扫描机的同步加载存在以下技术难题：(1)工业CT扫描机一般采用将试件 放置在承重转台上旋转完成扫描的方式，承重转台由于承重能力有限，本身变形精度要求高， 一般设计仅可承载试件重量，无法提供加载所需的反力，因此，如果开发CT扫描机同步加 载装置必须采用自反力设计，同时自反力仓应尽可能少对X射线的能量吸收，以免影响X射 线对材料本身的穿透效率。(2)试件需要持续旋转360度完成扫描，因此，要求加载装置可 与CT机承重转台同步旋转；(3)加载装置必须体积小、振动小、无油渍污染等问题；(4) 需要考虑工业CT扫描机工作期间的射线防护问题，射线出射期间荷载应持续恒定，不需人 工干预。

目前，尚没有专门针对工业CT扫描机开发的同步加载装置，曾有研究机构开发了配合 医用CT扫描机的加载设备，但一方面，由于医用CT扫描机的射线功率偏低(适用于人体扫 描，强度低于40kv)无法对密度较大的工程类材料试件进行扫描，射线穿透能力有限，仅能 满足小于5cm直径试件的扫描与探伤，无法满足常规工程类材料的探测要求，而工业CT扫 描机超过200kv的射线强度，可以满足直径10cm以上的土木工程类材料的扫描与探伤要求。 另一方面，医用CT扫描机所获取的图像是基于人体特征进行的重构，其图像的阈值分割、 模式识别对于土木类材料适用性差，且程序难以进行二次开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种可在工业CT扫描机内提供自反力加载的试验装置，该试验装 置与一般工业CT扫描机配套使用，可以同步完成材料的加载与损伤过程图像扫描。

同时本发明提供包括该试验装置的工业CT扫描机。

工业CT扫描机同步加载试验装置，其特征在于：该试验装置包括单作用旋转加载油缸、 可透视碳纤维反力架、微扭矩旋转机构、油压加载系统和压力显示系统；

所述单作用旋转加载油缸包括回转接油口、油缸体、位于油缸体内的反力弹簧和油缸活 塞，所述回转接油口套接于油缸活塞上部，采用可回转式结构，回转接油口的外部与油源相 连，内部通入油缸体内，所述回转接油口与油缸活塞能相对旋转，所述油缸活塞上部且位于 油缸体上部与回转接油口之间有一压紧螺母，所述油缸体通过压紧螺母固定于油缸连接筒内， 油缸体底部固定有球形压头，油缸通过球形压头对试件垂直加压；

所述可透视碳纤维反力架包括上连接框和下连接板，以及碳纤维支撑，所述上连接框与 油缸连接筒底部采用螺栓连接，下连接板通过底板连接法兰的插销与CT机承重转台连接； 所述油缸活塞顶部固定于微扭矩旋转机构内。

所述微扭矩旋转机构包括连接芯轴、旋转轴承组、轴承座套、连接法兰。所述轴承座套 和连接法兰通过螺栓固定成封闭结构，轴承座套中间有一固定的连接芯轴，轴承座套与连接 芯轴之间有旋转轴承组，所述旋转机构能以连接芯轴为中心转动；油缸活塞顶部插入连接法 兰中，通过油缸活塞顶部的油缸连接螺母与连接法兰固定。

所述微扭矩旋转机构上方有一连接固定架，所述连接芯轴固定于连接固定架上，所述连 接固定架能悬挂于CT试验设备上方的铝型材横梁上。

所述试验试件上、下两端有尼龙垫块。

所述上连接框、下连接板均为方形，在方形的四个角上有螺栓孔，所述可透视碳纤维反 力架上方通过螺栓与油缸连接筒固定，下方与CT机承重转台靠插销相接，所述试验试件位 于上连接框与下连接板之间。

所述试验装置还包括油压加载系统，所述油压加载系统包括液压泵站、油箱和油压恒压 机构，所述液压泵站通过管路一端与回转接油口相连通，另一端与油箱相通，所述加载油压 恒压机构是由若干个(本发明优选四个)不同压力的囊式蓄能器组成，所述油压蓄能器通过 截止球阀与通油接管连通，根据需要补偿的压力大小选择四个囊式蓄能器组合或单独工作， 通过截止球阀连接于邻近油箱的管路上。

所述试验装置还包括压力显示系统，所述压力显示系统由带电源的压力显示器和油压传 感器组成，所述油压传感器一端与进油口连通，另一端与压力显示器连接。

工业CT扫描机，包括上述工业CT扫描机同步加载试验装置，该装置悬挂于铝型材横梁 上。

本发明的工业CT扫描机同步加载试验装置，包括单作用旋转加载油缸、可透视碳纤维 反力架、微扭矩旋转机构、油压加载系统和压力显示系统。油缸上的回转接油口采用可回转 式结构，此结构优点在于油缸加载时，油缸接口可以旋转。液压油通过回转接油口进入油缸 内推动油缸伸缩，当试验试件随承重转台转动进行CT测试时，回转接油口不转动；油缸通 过球形压头对试验试件垂直加压。可透视碳纤维反力架通过上连接件四角处的四个螺栓与油 缸连接筒底部相连，构成一个闭合的自内力反力加载机构，使得油缸加载时，承重转台还同 样能自由转动。同时可透视碳纤维反力架对X射线几乎无吸收，试件处在反力架中间位置， 使射线通过碳纤维照射试件不会发生能量衰减。本发明可透视碳纤维反力架可承受最大荷载 为30T。所述单作用旋转加载油缸，采用的单作用缸形式，油缸里面加有反力弹簧，油缸在 加载完成后可通过油缸内的反力弹簧自行卸载，从而使油路简单化。

所述微扭矩旋转机构是为满足试件要旋转和旋转驱动力小的要求设计的微阻力旋转结 构。通过连接法兰与油缸连接，再通过连接芯轴压在旋转轴承组上，实现微阻力旋转。整个 旋转机构在旋转的时候回转接油口不会转动，而微扭矩旋转机构与油缸及油缸连接筒是一体 旋转的，即回转接油口和油缸发生相对转动。微扭矩旋转机构、单作用旋转加载油缸和可透 视碳纤维反力架可以通过连接固定架安装和固定在CT试验设备上方的铝型材横梁上。连接 固定架通过铝型材横梁三个方向上的滑动使机构实现不同中心位置的调整。

油压加载系统为整个加载系统提供液压压力。采用液压泵站加压，加压后截止球阀关闭 保证系统压力不泄露。

加载油压恒压系统是保证加载系统稳定的重要组件。由若干个(本发明优选四个)囊式 蓄能器冲入的压力不同，通过截止球阀将不同压力的蓄能器接入油路中来实现在不同压力下 整个系统压力的稳定。囊式蓄能器在油压加压时会将蓄能器内气囊压缩储存能量，加压结束 使系统在气囊下保持稳定。

压力显示系统由压力显示器，高精度油压传感器，供电电池组成。压力显示系统是用来 显示整个系统压力的一个数字显示系统。通过接入到油路系统中的高精度油压传感器检测到 的系统压力，通过电路转换在数码管上显示出来。此外系统供电采用蓄电池供电。使此系统 成为一个完全独立的系统，不会和CT扫描机有任何的干扰。

含有该试验装置的工业CT扫描机，能对试件进行加载，并实现加载过程中试验试件内 部结构的实时扫描。

与现有技术相比的优势特征

1.通过自反力设计实现与工业CT扫描同步的加载功能

由于现有工业CT扫描机(一般功率<450kv)的试件承重平台设计往往仅能满足试件的 重量要求(不大于15kg)，且容许变形仅为0.5％，无法承受垂直加载，因此，加载装置需采 用自反力设计。一般土木工程材料试件，加载设备应可提供0.5T～30T的荷载，本发明采用的 碳纤维高强度反力架可提供足够的强度，配合油缸使用可实现足够能力的加载。因此本试验 装置能满足工业CT扫描机的需求。

2.通过微扭矩旋转机构实现了自反力加载机构与CT扫描机承重平台的同步旋转

由于工业CT扫描机的工作方式采用射线源固定，被测样品旋转的方式完成扫描，要求 加载装置需要以完全相同的转速与试件同步旋转。本发明装置采用连接固定架，将整个自反 力加载机构吊装在CT扫描机上方的铝型材横梁，承载试件及加载装置的重量，设计微扭矩 旋转机构，实现仅靠CT扫描机的试件承重平台转动来带动自反力加载机构的匀速转动。

3.通过油压恒压机构实现了加载过程中的荷载稳定补偿

试件加载过程中，由于内部损伤的积聚将产生应力松弛，施加的荷载将不断降低，本发 明通过4个囊式蓄能器的设置，实现加载过程中的应力补偿，从而实现了加载油压的恒定。

4.通过碳纤维反力架设计解决了要求反力架高强度与低X射线吸收率之间的矛盾

反力架材料必须选用高强度、低X射线吸收率的材料，以降低对反力仓内材料芯样扫描 形成的CT图像的干扰，本发明采用了碳纤维材料作为反力架，满足高强度与低X射线吸收 率的双重要求，使射线穿过反力架时，几乎无能量吸收损耗，因此对所成CT图像几乎没有 影响。

附图说明

图1旋转透视反力加载机构；

图2旋转加载油缸；

图3可透视碳纤维反力架；

图4微扭矩旋转机构；

图5加载油压恒压机构；

图6总装示意图；

图中各标号列示如下：

1—单作用旋转加载油缸，2—可透视碳纤维反力架，3—油缸连接筒，4—球形压头，5—试验 试件，6—尼龙垫块，7—底板连接法兰，8—插销，9—油缸连接螺母，10—回转接油口，11— 压紧螺母，12—油缸体，13—反力弹簧，14—油缸活塞，15—上连接框，16—下连接板，17— 碳纤维支撑，18—连接固定架，19—连接芯轴，20—旋转轴承组，21—轴承座套，22—连接 法兰，23—截止球阀，24—囊式蓄能器，25—蓄能器安装架，26—承重转台，27—压力显示 器，28—液压泵站，29—液压油管，30—射线发射器，31—射线接收器，32—铝型材横梁， 33—水平移动滑轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如1图所示，工业CT扫描机同步加载试验装置，包括单作用旋转加载油缸1、可透视碳 纤维反力架2、微扭矩旋转机构、油压加载系统和压力显示系统；

如图2所示，所述单作用旋转加载油缸包括回转接油口10、油缸体12、位于油缸体12 内的反力弹簧13和油缸活塞14，所述回转接油口10套接于油缸活塞14上部，回转接油口 10的外部与油源相连，内部通入油缸体12内，所述回转接油口10与油缸活塞14能相对旋 转，所述油缸活塞14上部且位于油缸体12上部与回转接油口10之间有一压紧螺母11，油 缸活塞14顶部套接有一油缸连接螺母9；

如图3所示，所述可透视碳纤维反力架包括上连接框15和下连接板16，以及碳纤维支 撑17。

如图1、2、3所示，所述上连接框和下连接板15、16均为方形，在方形的四个角上有螺 栓孔，所述可透视碳纤维反力架的上连接框15与油缸连接筒3底部固定，下连接板16通过 底板连接法兰7与承重转台26上固定；所述油缸体12通过压紧螺母11固定于油缸连接筒3 内，油缸体12底部固定有球形压头4；所述球形压头4位于承重转台26上的试验试件5正 上方；所述试验试件5上、下两端有尼龙垫块6，所述试验试件5位于上连接框15和下连接 板16的之间。

所述油缸活塞14顶部固定于一悬挂微扭矩旋转机构内，并通过油缸连接螺母9固定。

如图4所示，微扭矩旋转机构包括轴承座套21、连接法兰22和连接固定架18，所述轴 承座套21和连接法兰22通过螺栓固定成封闭结构，轴承座套21中间有一固定的连接芯轴 19，轴承座套21与连接芯轴19之间有旋转轴承组20；油缸活塞14顶部插入连接法兰22中， 通过油缸活塞14顶部的油缸连接螺母9与连接法兰22固定，所述连接芯轴19固定于连接固 定架18上，所述连接固定架上方为一方形套筒，方形套筒悬挂套接于CT试验设备上方的铝 型材横梁上并能沿横梁移动，所述方形套筒通过筒壁上的螺栓紧固固定。当上方连接固定架 18沿铝型材横梁32滑动时，下方的承重转台26可以沿水平移动滑轨33滑动。

本发明的工业CT扫描机同步加载试验装置，油缸上的回转接油口采用可回转式结构， 此结构优点在于油缸加载时，油缸接口可以旋转。液压油通过回转接油口进入油缸内推动油 缸伸缩，当试验试件随承重转台转动进行CT测试时，回转接油口不转动；油缸通过球形压 头对试验试件垂直加压。可透视碳纤维反力架通过上连接件四角处的四个螺栓与油缸连接筒 底部相连，构成一个闭合的自内力反力加载机构，使得油缸加载时，承重转台还同样能自由 转动，并带动加载系统同步旋转。同时可透视碳纤维反力架对X射线几乎无吸收，试件处在 反力架中间位置，射线通过碳纤维照射试件不会有任何阻挡。

如图5、6所示，所述试验装置还包括油压加载系统(为常规装置)，所述油压加载系统 包括液压泵站28、油箱和油压恒压机构，所述液压泵站28通过管路一端与回转接油口相连 通，另一端与油箱相通，所述加载油压恒压机构是由若干个不同压力的囊式蓄能器24组成， 囊式蓄能器24固定于蓄能器安装架25上。所述油压蓄能器24通过截止球阀23与液压油管 29连通，根据需要补偿的压力大小选择四个囊式蓄能器组合或单独工作。

所述试验装置还包括压力显示系统，所述压力显示系统(为常规装置)由带电源的压力 显示器27和油压传感器组成，所述油压传感器一端与进油口连通，另一端与压力显示器连接。

图6所示，本发明的工业CT扫描机和加载试验装置操作时，首先，将试件固定于可透 视碳纤维反力架2的下尼龙垫块6，并将上尼龙垫块6放置于试验试件5上端；将装好试件 的可透视碳纤维反力架2通过上连接框四角处螺栓与单作用旋转加载油缸1相连，使球形压 头4放置于上尼龙垫块6上；以下连接板四角处插销8与CT扫描机承重转台26的四个凹槽 进行对中，调整连接固定架在铝型材横梁32上的位置，直至插销8与凹槽完全吻合，固定连 接固定架18。

根据试验目的和要求，通过手动方式液压泵站28进行加载，达到试验所需载荷后，关闭 液压泵28，保持加载系统稳定，试验操作人员撤出，并关闭工业CT扫描机屏蔽门。操作工 业CT扫描机，进行加载过程中试件损伤的实时扫描。

工业CT扫描机通过射线发射器30释放射线，射线接收器31接收射线，同时承重转台 26转动，单作用旋转加载油缸1、可透视碳纤维反力架2和微扭矩旋转机构绕连接芯轴在承 重转台的带动下同步转动，外接电脑显示试件内部构造。