CN102207436A - 高性能大型接触面直剪仪 - Google Patents

Abstract

高性能大型接触面直剪仪，框架后部设有大型振动台，其上设有Y向导轨、X向滚动导轨，剪切盒在X向、Y向导轨上滚动，上部设有起吊装置；剪切盒机构分为上、下剪切盒；在框架构件上部设有法向力施加装置、法向力荷重传感器和法向变形位移传感器；右侧面设有剪切力施加装置；在框架构件左侧面，设有剪切力荷重传感器和剪切变形位移传感器；还设有计算机控制数据采集装置：法向力荷重传感器、法向位移传感器、剪切力荷重传感器和剪切位移传感器经RS-232接口传输给计算机；特征是在法向力施加装置与剪切盒中的试样之间还设有刚性传压板和弹性缓冲板；下剪切盒固定于高强度的刚性板上。本发明测量精度高，剪切面尺寸大，设备自动化程度高。

Description

高性能大型接触面直剪仪

技术领域

本发明涉及一种试验装置，具体涉及一种高性能大型接触面直剪仪，适用于测量混凝土材料、土石等多种材料的内摩擦特性，特别适合于不同材料之间如混凝土材料与土石、编织物接触面的力学性能与变形机理的研究。设备可以进行等剪切面直剪试验和变剪切面直剪试验等。

背景技术

在土木、水利工程中常遇到不同材料的接触界面。由于接触界面两侧材料力学特性的差异，在界面两侧常存在较大的剪应力和产生了位移不连续现象，应力和变形较为复杂。如对于水利工程中的混凝土面板堆石坝，坝体的安全与面板受力状态密切相关，面板在平面内的应力主要取决于面板与垫层间接触面的剪应力分布状态。心墙堆石坝中存在着心墙土料与反滤料，坝壳料与基岩等多种类型的接触界面。通常这些接触部位又是坝体易发生事故的薄弱环节，因此开展接触面的力学特性研究具有重要的理论意义与实践意义。

由于受到仪器设备的限制，关于接触面的研究常常以砂与结构物、土与结构物为研究对象，关于粗颗粒材料之间、粗颗粒材料与结构物等界面特性的研究成果很少，而且往往是在较低应力状态下得到的。可进行粗颗粒土试验的大型直剪仪目前代表的有：清华大学岩土工程研究所^[1]研制的大型接触面循环加载剪切试验机(TH－20t CSSASSI) 剪切盒尺寸为250×250mm，法向与切向荷载最大都为200kN，其后又研制了500×360mm的直剪设备^[2,3]。例如专利申请号： 02131066的观测土与结构件接触面力学特性的循环加载剪切仪，主要由装在支架内的土容器车、法向边界控制单元、数据采集系统及固定在支架边上的液压加载及控制系统组成，土容器车放置在支架内底面上的水平轨道上，试验土体装满车内，结构面板平放在上面，法向边界控制单元放在结构面板上面及土容器车装有有机玻璃视窗。该设备能够再现复杂应力条件下接触面的静动力学特性，并且直接在接触面上施加法向边界条件和测量接触面的受力变形，从而提高了试验和测量精度；采用数字照相技术直接记录土颗粒的细观状态排列、颗粒长轴方向、颗粒沿结构面滑动、颗粒转动，以及颗粒破碎等细观现象，以便进行分析；可进一步确定土与结构件相对位移沿接触面的分布以及接触面的厚度。另外有：长江科学院^[4,5]等研制的剪切盒尺寸为600×600mm的单剪仪，河海大学^[6]研制的平面尺寸为450×450mm直剪仪。

但上述直剪仪或多或少不能满足存在以下问题：剪切面积小，不能适应粗颗粒土试样直剪试验的要求；直剪试验时上剪切盒上翘问题；法向力传递中试样面受力不均；直剪过程中剪切面积改变问题；液压控制操作复杂问题；直剪试验单一功能，对各种界面材料摩擦特性试验的适应性不强；大型直剪试验制样困难；设备的自动化水平不够等。

参考文献：

1.        张丙印,付建,李全明.散粒体材料间接触面力学特性的单剪试验研究.岩土力学，2004，25（10）：1522-1526

2.        张嘎,张建民.大型土与结构接触面循环加载剪切仪的研制及应用.岩土工程学报,2003, 25(2): 149–153.

3.        胡黎明,马杰,张丙印,于玉贞.粗粒料与结构物接触面力学特性缩尺效应.清华大学学报（自然科学版），2007，47（3）：327-330

4.        周小文,龚壁卫,丁红顺,饶锡保.砾石垫层–混凝土接触面力学特性单剪试验研究.岩土工程学报，2005，27（8）：876-880

5.        张治军,苏华,饶锡保,丁红顺.砂砾石与结构接触面强度与变形特性试验研究.三峡大学学报(自然科学版)2008，30（1）：64-68

6.        殷宗泽,朱泓,许国华.土与结构材料接触面的变形及其数学模拟.岩土工程学报, 1994, 16(3): 14–22.

发明内容

本项发明的目的是提供一种高性能大型接触面直剪仪，该设备是一台高性能大型接触面直剪仪，不但能进行土石和混凝土材料的摩擦特性试验，具有法向力与剪切力独立施加静荷载的试验能力，而且还具有等、变剪切面直剪试验的功能。此试验机与普通试验机的显著特点为：采用500mm*500mm的剪切面积，能够适应粗颗粒试样的直剪试验要求；解决直剪试验时上剪切盒上翘的现象；采用柔性材料使法向力传递中试样面受力均匀；直剪过程中可以进行等剪切面直剪试验，也可以进行变剪切面直剪试验；采用机械加载方式，法向力和剪切力可达400kN，试验控制操作简单；可以对较大颗粒试样、各种界面材料摩擦特性试验进行试验；采用振动台对剪切盒制样；采用虚拟仪器设计，提高设备的自动化水平等。

完成上述发明任务的方案是：一种高性能大型接触面直剪仪，在框架构件后部设有大型振动台，该振动台上设有Y向导轨，剪切盒装置能够在Y向导轨上滚动；剪切装置设有X向滚动导轨，剪切盒机构能够在X向滚动轨上滚动；剪切盒机构设有放置试样的上、下剪切盒；大型振动台上部设有起吊装置；在框架构件上部设有法向力施加装置，该装置中设有伺服电机，减速机和升降机；还设有法向力荷重传感器和法向变形位移传感器；在框架构件右侧面设有剪切力施加装置，该装置中设有伺服电机，减速机和升降机，同时，在框架构件左侧面，设有剪切力荷重传感器和剪切变形位移传感器；

该高性能大型接触面直剪仪中还设有计算机控制数据采集装置：该计算机控制数据采集装置由测量控制器和计算机组成；所述的法向力荷重传感器、法向位移传感器、剪切力荷重传感器和剪切位移传感器通过测量控制器模拟数字转换输出，经RS-232接口传输给所述的计算机；所述法向力施加装置和剪切力施加装置的驱动由该计算机数据采集控制软件控制；

其特征在于，

在所述的法向力施加装置与剪切盒中的试样之间，还设有刚性传压板（也称为加压板）和弹性缓冲板；所述的下剪切盒固定于高强度的刚性板上。能够承受法向载荷的滚动轴承在导轨上滚动，减低摩擦阻力。

以上方案中，在所述的振动台与剪切盒装置之间，设有导向装置，该导向装置的结构是：在所述的剪切盒装置下面设有导向座，该导向座下面设有Y向滚轮；该Y向滚轮安装在Y向导轨上，所述的Y向导轨设置在振动台上，所述的X向导轨安装在剪切盒装置上；该X向滚轮安装在剪切盒上；

剪切盒的设计便于土样制备，安装Y向导轨，剪切盒可以滑出框架构件，通过起吊装置，减轻劳动强度。

所述的计算机中设有数据采集控制软件。

本发明有以下优化方案：

⑴. 所述的下剪切盒设计的比上剪切盒长，设置有可以改变剪切面积的调节板，既可以进行等剪切面直剪试验，也可以进行变剪切面直剪试验；

⑵. 在所述的剪切盒上设有防翘装置，该防翘装置的结构是：在上剪切盒两侧固定有滚动轴承；在下剪切盒上设有导向座；所述的滚动轴承在所述的导向座上滚动。不仅防止上剪切盒在试验过程中的上翘，而且降低上下剪切面之间的摩擦阻力；

⑶. 所述的法向力施加装置，设置机械结构替代液压执行装置，控制简单、精度高；

所述的剪切力施加装置设置机械结构替代液压执行装置，控制简单、精度高；

所述的控制方式采用虚拟仪器设计模式，控制功能转换灵活。

⑷.在剪切盒装置中设有水槽，该水槽与所述剪切盒中的试样通过管道连通；可以进行土样饱和固结等试验；

⑸.为了快速调整剪切盒的位置，提高工作效率，在主机的框架上增加了快速前进、快速后退、启动等法向控制面板，使调试方便、灵活；

⑹. 所述的法向力施加装置中，设置有不同量程的多个荷重传感器，适应不同试验对法向力要求，以提高法向力的测量精度。法向力施加装置由三菱伺服电机、减速器、升降机组成机械执行机构和法向力控制单元组成，法向力控制单元由荷重传感器和位移传感器、测量控制电路组成，通过计算机软件实现法向力的闭环控制。

⑺.所述的剪切力施加装置中，设置有不同量程的多个荷重传感器，适应不同试验对剪切力要求，以提高剪切力的测量精度。剪切力施加装置由三菱伺服电机、减速器、升降机组成机械执行机构和剪切力控制单元。剪切力控制单元由荷重传感器、位移传感器、测量控制电路组成的，通过计算机软件实现剪切力的闭环控制。

⑻. 控制单元完成荷重传感器、位移传感器、侧压力传感器等传感器的测量；完成法向力的控制、剪切速率的控制；完成与计算机软件的数据交换、接受计算机软件的指令，并按指令的要求进行控制。计算机数据采集软件完成的内容为传感器的标定，对各控制对象发出指令，采集数据并记录，实时绘制压缩沉降与时间曲线、剪切力与剪切应变曲线、变形与时间曲线等，并将记录的数据以Eecel的文件格式输出。

本发明高性能大型接触面直剪仪具有等剪切面剪切和变剪切面直剪两种功能，法向力和剪切力的测量精度高，在剪切过程中能恒定垂直应力，剪切面尺寸大，设备自动化程度高，可进行数据采集、图表实时显示、数据处理和计算等工作。

附图说明

图1为本发明实施例1的主机部件的主视图。

图2为本发明实施例1的主机部件的右视图。

图3为实施例1的剪切盒装置示意图。

图4为实施例1的法向力控制装置示意图。

图5为实施例1的剪切力控制装置示意图。

图6为实施例1的法向力施加装置控制原理图。

图7为实施例1的剪切力施加装置控制原理图。

具体实施方式

实施例1，NHRI-4000型高性能大型接触面直剪仪。

请参见图1所示，其主要包括框架组件1、法向力施加装置2、剪切盒装置3、剪切力施加装置4和电器控制部件5。

请参见图2所示，其主要包括起吊装置6和振动台7。

框架组件由钢板焊接而成，用于安装法向力施加装置2、剪切力施加装置4、Y向导轨16、荷重传感器27和电器部件5等，可承受较大的法向力和剪切力，保证了足够的框架刚度，这样就可以满足该机多种材料的试验要求，不但能做土材料的摩擦试验，还能进行石料和混凝土等刚性较大材料的摩擦试验。

图3为剪切盒装置。剪切盒装置主要由传压板17，缓冲板8，剪切上盒9，导向座10，水槽11，剪切下盒12，X向滑轮13，X向导轨14，Y向滑轮15，Y向导轨16，左顶头26，调节板29等组成。缓冲板8作用为使土体均匀承受压力，导向座10作用为减低上下剪切盒之间的摩擦阻力，移动调节板29可以进行等剪切面直剪试验或变剪切面直剪试验。

图4为法向力施加装置。法向力施加装置伺服电机18，减速机19，升降机20，荷重传感器21和位移传感器25等组成。

图5为剪切力施加装置。剪切力施加装置伺服电机21，减速机22，升降机23，荷重传感器27和位移传感器28等组成。

图6为法向力施加装置控制原理图，通过计算机控制实现法向力闭环控制，达到等法向力控制和等应变控制的要求。

图7为剪切力施加装置控制原理图，通过计算机控制实现剪切力闭环控制，达到等剪切力控制和等应变控制的要求。

通过图6和图7的控制原理图，可以看出通过计算机软件的控制，实现等应力固结试验、等应变固结试验、等剪切面直剪试验和变剪切面直剪试验，极大的方便了用户使用。

Claims (8)

1. 一种高性能大型接触面直剪仪，在框架构件后部设有大型振动台，该振动台上设有Y向导轨，剪切盒装置能够在Y向导轨上滚动；剪切装置设有X向滚动导轨，剪切盒机构能够在X向滚动轨上滚动；剪切盒机构设有放置试样的上、下剪切盒；大型振动台上部设有起吊装置；在框架构件上部设有法向力施加装置，该装置中设有伺服电机，减速机和升降机；还设有法向力荷重传感器和法向变形位移传感器；在框架构件右侧面设有剪切力施加装置，该装置中设有伺服电机，减速机和升降机，同时，在框架构件左侧面，设有剪切力荷重传感器和剪切变形位移传感器；

该高性能大型接触面直剪仪中还设有计算机控制数据采集装置：该计算机控制数据采集装置由测量控制器和计算机组成；所述的法向力荷重传感器、法向位移传感器、剪切力荷重传感器和剪切位移传感器通过测量控制器模拟数字转换输出，经RS-232接口传输给所述的计算机；所述法向力施加装置和剪切力施加装置的驱动由该计算机数据采集控制软件控制；

其特征在于，在所述的法向力施加装置与剪切盒中的试样之间，还设有刚性传压板和弹性缓冲板；所述的下剪切盒固定于高强度的刚性板上。

2. 根据权利要求1所述的高性能大型接触面直剪仪，其特征在于，所述的下剪切盒设计的比上剪切盒长，设置有能够改变剪切面积的调节板。

3. 根据权利要求1所述的高性能大型接触面直剪仪，其特征在于，在所述的剪切盒上设有防翘装置，该防翘装置的结构是：在上剪切盒两侧固定有滚动轴承；在下剪切盒上设有导向座；所述的滚动轴承在所述的导向座上滚动。

4. 根据权利要求1所述的高性能大型接触面直剪仪，其特征在于，

所述的法向力施加装置设置是采用机械结构；

所述的剪切力施加装置设置也是采用机械结构；

所述的控制方式采用虚拟仪器设计模式。

5. 根据权利要求1所述的高性能大型接触面直剪仪，其特征在于，在所述的剪切盒装置中设有水槽，该水槽与所述剪切盒中的试样通过管道连通。

6. 根据权利要求1-5之一所述的高性能大型接触面直剪仪，其特征在于，在所述主机的框架上增加有快速前进、快速后退、启动法向控制面板。

7. 根据权利要求6所述的高性能大型接触面直剪仪，其特征在于，所述的法向力施加装置中，设置有不同量程的多个荷重传感器；

所述法向力施加装置由伺服电机、减速器、升降机组成机械执行机构和法向力控制单元组成，法向力控制单元由荷重传感器和位移传感器、测量控制电路组成，通过计算机软件实现法向力的闭环控制。

8. 根据权利要求7所述的高性能大型接触面直剪仪，其特征在于，所述的剪切力施加装置中，设置有不同量程的多个荷重传感器；

所述的剪切力施加装置由伺服电机、减速器、升降机组成机械执行机构和剪切力控制单元；剪切力控制单元由荷重传感器、位移传感器、测量控制电路组成，通过计算机软件实现剪切力的闭环控制。

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