CN104062192A - 一种新型自动控制叠环式剪切试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型自动控制叠环式剪切试验仪，上剪盒为多层叠环式剪盒或直剪盒，下剪盒不分层，所述的剪盒为叠环式剪盒时，上剪盒包括至少两层每层之间安装有滚针轴承、侧面安装有滚动钢球排的叠环，用于测量土体试样的多个剪切面；所述的上剪盒是直剪盒时，上剪盒尺寸和叠环式剪盒的上剪盒尺寸一样，共用一套下剪盒。本发明能测试不同材料间接触面的应力；本发明能测试土粒多个剪切面，能测试到最软弱的破坏点；本发明采用板式框架结构，操作稳固可靠。

Description

一种新型自动控制叠环式剪切试验仪

技术领域

本发明涉及粗粒土土体的物理试验设备，特别指一种新型自动控制叠环式剪切试验仪。

背景技术

岩土工程的失稳绝大多数是由于剪切破坏引起的，准确测定岩土体的抗剪强度参数在岩土工程建设中具有重要意义。目前，常用的抗剪强度参数测定方法有三轴和直剪试验，其中直剪试验由于操作简单、适用范围广而应用最为普遍。 在粗土颗粒剪切力试验广泛应用的同时，直剪仪在不断改进，由早期小尺寸应力控制式发展到现今应力应变控制式大尺寸多功能直剪仪。但常规直剪仪中剪切面单一的缺点一直存在，使试样的测试精度不高，或有可能沿最弱的剪切面发生破坏；四川大学水电学院研制的粗粒土直剪仪，通过上下剪切盒的相对运动以保证试验过程中垂直荷载始终不偏心；传统的直剪仪可用于粗粒土的强度测试，但试样的尺寸不同、粗颗粒材料不同对于需要测量出最软弱的破坏点来说越加困难。 本发明在综合考虑设备的适用性和功能性的前提下，研发了一种能提高测试精度的新型自动控制叠环式剪切试验仪。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中存在的缺点和问题加以改进，提供一种结构简单可靠，能测量多个剪切面的新型自动控制叠环式剪切试验仪。

本发明的技术方案是构造一种新型自动控制叠环式剪切试验仪，包括主机部分、自动控制部分、数控计量油源部分，其特征在于：所述主机部分由主机底座、侧梁和上梁组成板式框架结构，垂直加载油缸固定在上梁底部，垂直加载油缸内部安装有垂直载荷传感器，垂直传力块上安装有用于测量试样垂直变形的垂直位移传感器；下剪盒底部固定有下剪盒底板，下剪盒底板与主机底座之间设置滚柱排；上剪盒上连有垂直传力块，上剪盒一侧设有固定在主机底座上的水平反力座，上剪盒一端与水平反力座的中间开缝高度接触成为上反力点；水平加载油缸安装在水平反力座侧面，和水平设置在主机底座上且与上梁平衡的水平返力梁、通过拉杆缩紧螺母与水平返力梁两端连接的水平拉杆组成水平反力系统，水平拉杆另一端通过水平拉杆铰接头与下剪盒铰接，水平加载油缸内部安装有水平载荷传感器，主机底座上安装有水平位移传感器；

所述的自动控制部分由计算机实现，分为垂直加载控制系统和水平加载控制系统，包括液压控制柜、操作屏和由计算机、工业控制器、数据传感器、数据采集器和信号调理电路组成的测量系统；所述的数控计量油源部分分为垂直数控计量油源和水平数控计量油源，用于提供液压流量和压力；所述的自动控制部分连接并控制数控计量油源部分和主机部分；

其特征还在于：所述的上剪盒和下剪盒外方内圆，其面向侧梁一侧的侧壁处设有导向减摩装置，上剪盒为叠环式剪盒或直剪盒，叠环式剪盒包括至少一层叠环，叠环式剪盒和直剪盒的尺寸一样，共用一套下剪盒。

本发明具有以下优点：

1、本发明由于采用多层叠环结构，试验时破坏点是发生在最软弱的一个面，从而能测试到试样最小抗剪应力；

2、本发明上剪盒可以安装多层叠环式剪盒，也可以安装直剪盒，共用一套下剪盒，当安装直剪剪盒时，可以进行直剪试验；

3、本发明能测试不同材料间接触面的应力；

4、本发明采用板式框架结构，操作稳固可靠。

附图说明

图1为本发明主机部分主视图。

图2为本发明主机部分俯视图。

图3为本发明主机部分左视图。

具体实施方式

本发明自动控制叠环式剪切试验仪用于测定粗粒土土体的抗剪强度，以及不同材料的接触面特性等方面的试验研究。主机架采用板式框架结构，垂直载荷及切向水平推力均由数控计量油源、液压油缸加载。叠环剪液压控制具有两种工作方式：即手动控制方式（仅适用于直剪试验）和垂直、水平数控计量油源自动控制工作方式。垂直、水平载荷由垂直、水平载荷传感器测定，垂直、水平位移采用位移传感器测量。所有液压及电气操作控制阀门、开关均集中安装在液压综合控制柜中。自动控制系统配套有计算机、数据采集、处理系统，用以完成载荷、位移的采集存储和垂直载荷、水平载荷、剪切速度的自动控制。设备配套有叠环剪盒与直剪剪盒，为此，可以分别进行叠环式剪切和直剪剪切试验。

设计原理：

本发明主机采用板式框架结构，垂直加载油缸安装于上梁下方，垂直载荷传感器安装在垂直加载油缸的内部；水平加载油缸安装在主机右边的水平向反力座的右侧面，水平载荷传感器安装在水平油缸内部；主机正中安装叠环式剪盒或直剪剪盒，下剪切盒叠环剪和直剪试验时共用。

叠环式上剪盒一共为8层，均为外边方形，一端与水平反力座的顶面接触成为上反力点，剪切时顶层叠环无移动，在每层叠环之间均安装有滚针轴承，叠环剪盒两侧面安装有滚动钢球排，以减少前后移动时各接触面间的摩擦阻力。

直剪仪上剪盒为外边方形，与叠环剪盒外形尺寸相同，便于共用一个下剪盒，上剪盒一端与水平反力座的中间开缝高度接触成为上反力点，上剪盒无移动，其受力面设计为平面，可以减少剪切时上剪盒向上翘动，本发明上剪盒顶面设有防撬装置，能有效防止剪盒在剪切时向上翘动造成测量误差。

上、下剪盒之间配有三种不同高度的开缝环，供用户根据试样粒径大小选用。上、下剪盒之间的滚柱排和导向条是对应于不同开缝高度的，保证上、下剪盒之间形成滚动以减少摩擦阻力。

在下剪盒侧面安装有两根水平拉杆与加载油缸、水平反力梁相连后组成水平反力系统。下剪盒固定安装在下剪盒底板上，与底板之间有密封用胶圈，用于饱和试样时防止漏水。下剪盒底板上安装有导向滑块，滑块上安装有钢球，防止加载时剪切盒产生侧向转动，剪盒下剪盒底板下面配有滚动轴排，以减少剪切时的摩擦阻力；同时可以用于推动剪切盒前后移动，方便装卸试样。

主机梁上侧安装有一套液压吊，由起吊悬臂、起吊油缸和起吊工具组成，用于装卸试样。

本发明设有抽真空饱和系统，抽真空饱和是对应粘性高、不易饱和的粗粒图试验样品而设计的，是提高饱和度的一种方法，采用在下剪盒与其底板之间安装O型密封圈，在顶层叠环以下四周套上一圈三轴试验机专用的乳胶套，该乳胶套厚度为2毫米，延伸率在400%以上，顶层叠环以上套上另一圈乳胶套，从而使试样全部密封，由于乳胶套具有很高的延伸率和一定的强度，能承受0.1MPa的压强后不会破坏，在试验过程中它可以跟随叠环变化而变化，保持试样上部的饱和度。

本发明的垂直加载控制系统有手动控制、垂直压力自动控制两种控制方式。手动控制施加垂直载荷，是通过手动操作数控计量油源的伺服电机控制器，改变系统油压压力，达到垂直载荷加载与稳定。垂直压力自动控制，是由计算机根据事先设定程序，控制垂直数控计量油源油压力，改变垂直加载油缸压力,实现垂直载荷的加载和稳定。

本发明的水平加载控制系统有手动控制（手动时仅可进行直剪试验）和计算机自动控制两种方式。手动控制水平载荷是通过手动操作数控计量油源的伺服电机控制器,改变系统油压压力，实现水平载荷加载与稳定。手动调节伺服电机转速，达到水平剪切速度稳定。水平推力自动控制，是由计算机根据事先设定程序，控制垂直数控计量油源油压力和垂直数控计量油源的伺服电机转速来改变水平油缸供油压力和流量,从而实现的水平剪切应力和水平应变速度的稳定施加。

本发明液压控制柜主要用于安装垂直、水平载荷应力应变系统管路，还用于手动控制数控计量油源部分，可利用手动转换旋钮开关控制手动和自动切换。手动操作在控制屏上完成，自动控制通过连接计算机实现。控制屏上还安装有液压附件、手动换向阀、载荷指示电接点压力表、液压开关及其管路、工业控制器、垂直或水平通道的伺服电机控制器等电器元件。

本发明数控计量油源部分是由伺服电机、高减速比机械减速器、滚珠丝杠、推力油缸、工作油缸等组成，垂直数控计量油源部分用于控制垂直载荷稳定，水平数控计量油源部分用于控制水平应力、应变、载荷及速度稳定。本发明液压控制系统的泵站，主要给数控计量油源部分提供油液和工作油缸的快速进退操作。

本发明用位移传感器完成自动位移测定。叠环剪、直剪垂直位移测量时，沿上剪切盒的顶面四周，安装有四支50mm位移传感器。直剪水平位移测量是在下剪盒水平向安装1只100毫米的位移传感器完成。叠环剪水平位移测量时，采用9只100毫米的位移传感器，分别测量每个叠环间的位移量和下剪盒水平向的位移量，并由计算机自动采集存储每只位移传感器的移动变化量,分析出最软弱面的位置。

本发明利用键盘操作控制计算机，通过自动控制系统自动控制本设备进行试验工作。

本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (9)

1.一种新型自动控制叠环式剪切试验仪，包括主机部分、自动控制部分、数控计量油源部分，

其特征在于：

所述主机部分由主机底座（12）、侧梁（24）和上梁（17）组成板式框架结构，垂直加载油缸（1）固定在上梁（17）底部，垂直加载油缸（1）内部安装有垂直载荷传感器（2），垂直传力块（21）上安装有用于测量试样垂直变形的垂直位移传感器；

下剪盒（6）底部固定有下剪盒底板（15），下剪盒底板（15）底部设置滚柱排（26）和滚针排底板（29）与主机底座（12）连接；

上剪盒（7）上连有垂直传力块（21），上剪盒（7）一侧设有固定在主机底座（12）上的水平反力座（8），上剪盒（7）一端与水平反力座（8）的中间开缝高度接触成为上反力点；

水平加载油缸（3）安装在水平反力座（8）侧面，和水平设置在主机底座（12）上且与上梁（17）平衡的水平返力梁（14）、通过拉杆缩紧螺母（33）与水平返力梁（14）两端连接的水平拉杆（13）组成水平反力系统，水平拉杆（13）另一端通过水平拉杆铰接头(34)与下剪盒铰接，水平加载油缸（3）内部安装有水平载荷传感器，主机底座（12）上安装有水平位移传感器；

所述的自动控制部分由计算机实现，分为垂直加载控制系统和水平加载控制系统，包括液压控制柜、操作屏和由计算机、工业控制器、数据传感器、数据采集器和信号调理电路组成的测量系统；

所述的数控计量油源部分分为垂直数控计量油源和水平数控计量油源，用于提供液压流量和压力；

所述的自动控制部分连接并控制数控计量油源部分和主机部分；

其特征还在于：所述的上剪盒（7）和下剪盒（6）外方内圆，其面向侧梁（24）一侧的侧壁处设有导向减摩装置，上剪盒（7）为叠环式剪盒或直剪盒，叠环式剪盒包括至少一层叠环（9），叠环式剪盒和直剪盒的尺寸一样，共用一套下剪盒（6）。

2.根据权利要求1所述的新型自动控制叠环式剪切试验仪，其特征在于：所述的垂直加载油缸（1）与上梁（17）之间设有垂直油缸调节板（22）。

3.根据权利要求1所述的新型自动控制叠环式剪切试验仪，其特征在于：所述的上剪盒（7）安装有剪盒防翘装置。

4.根据权利要求1所述的新型自动控制叠环式剪切试验仪，其特征在于：所述的上剪盒（7）和下剪盒（6）之间装配有至少一种开缝环和对应于不同开缝环的滚柱排和导向条。

5.根据权利要求1所述的新型自动控制叠环式剪切试验仪，其特征在于：所述的下剪盒（6）固定在下剪盒底板（15）上，并与下剪盒底板（15）之间设有O型密封胶圈。

6.根据权利要求1所述的新型自动控制叠环式剪切试验仪，其特征在于：所述的上梁（17）上安装有由起吊悬臂（18）、起吊油缸（19）和起吊工具（20）组成的用于装卸试样的液压吊系统。

7.根据权利要求1所述的新型自动控制叠环式剪切试验仪，其特征在于：所述的垂直传感器（2）的下方设有高度调整垫块（23）。

8.根据权利要求1或5所述的新型自动控制叠环式剪切试验仪，其特征在于：所述的叠环（9）的顶层和顶层以下四周分别套有用来使试样密封的乳胶套（30）、（31），构成抽真空饱和系统。

9.根据权利要求1所述的新型自动控制叠环式剪切试验仪，其特征在于：所述的垂直传力块（21）与上剪盒（7）之间设有上透水板（28），下剪盒（6）内底部设置有下透水板（32）。