CN104792627A - 一种大型冻土直剪仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型冻土直剪仪，升降机侧方安装拉压力传感器，X向伺服电机和Y向伺服电机通过减速机推动升降机前进或后退，滚动膜片气缸下方安装移动支架和法向载荷传感器，移动支架下方安装压缩弹簧，压缩弹簧底部连接压力板，压力板下方安装土样盒，土样盒侧方安装位移传感器，压力板上安装挡土板。本发明可以在等刚度、等法向力、法向力为零的条件下，进行二维往复剪切，测定冻结力与变形的强度、残余冻结力等参数，可以通过摄像头对接触面破坏状态实时监控和测量。
Description
技术领域
本发明属于土木工程设备领域，尤其涉及一种大型冻土直剪仪。
背景技术
地球上多年冻土、季节冻土和瞬时(短暂)冻土区的面积约占陆地面积的70％，其中多年冻土面积占陆地面积的20％.我国的多年冻土面积占国土面积的21.5％，在全世界占第三位，季节冻土区约占国土面积的53.5％，其中高海拔多年冻土面积居世界之最。随着西部大开发的来临，国家投资在青藏高原冻土地区建设包括青藏铁路在内的多项基础设施建设项目；而青藏高原地区是我国强震多发区之一，仅1980年以来在该地区就有14次6.0～6.9级地震，2次7.0～8.5级地震发生。特别是2001年l1月14日昆仑山口西8.1级地震在冻土区形成了规模宏大的地表形变，并对震区铁路、公路、地下管线、通信等工程设施造成了一定破坏。
目前，国内外进行直接剪切试验所采用的直剪仪一般都是由上、下剪切盒、垂直力加载系统、水平力加载系统、测定垂直向和水平向位移装置、以及提供反力的装置等部分组成，不能在等刚度、等法向力、法向力为零的条件下，进行往复剪切，测定冻结力与变形的强度、残余冻结力等参数。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种大型冻土直剪仪，旨在解决现有的冻土直剪仪不能在等刚度、等法向力、法向力为零的条件下，进行往复剪切，测定冻结力与变形的强度、残余冻结力等参数的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种大型冻土直剪仪包括X向伺服电机、减速机、升降机、拉压力传感器、螺杆、手轮、称重传感器、法向载荷传感器、移动支架、压力板、位移传感器、滚动膜片气缸、挡土板、土样盒、导轨、机架、压缩弹簧、气压控制单元、Y向伺服电机；
摄像头安装在机架的右侧，机架安装在大型冻土直剪仪的最底部，往复剪切推动机构包括X向伺服电机、Y向伺服电机、减速机和升降机，升降机侧方安装拉压力传感器，X向伺服电机和Y向伺服电机通过减速机减速，推动升降机前进或后退，达到无级变速；所述的滚动膜片气缸下方安装移动支架和法向载荷传感器，移动支架下方安装压缩弹簧，压缩弹簧底部连接压力板，压力板下方安装土样盒，土样盒侧方安装有位移传感器，压力板上安装有挡土板，挡土板通过螺母提起，挡土板上安装有螺杆，螺杆顶部安装有手轮和称重传感器。
进一步，所述的往复剪切推动机构包括X向伺服电机、Y向伺服电机、减速机和升降机，所述的X向伺服电机和Y向伺服电机分别与一台减速机连接，每台减速机分别与一台升降机连接。
进一步，所述的土样盒上方安装有对接触面破坏状态实时监控和测量的摄像头。
进一步，土样盒有效尺寸为100*200，黄铜材料制作，土样盒壁厚为30mm，保温层厚度为40mm，其中冷却管道的直径为12mm，分布在5个面上，土样盒的推动头、导向轨道、土样盒的防翘固定头与土样盒为一体，保温层采用聚氨酯发泡整体灌注成型。
本发明可以在等刚度、等法向力、法向力为零的条件下，进行X向和Y向的二维往复剪切，测定冻结力与变形的强度、残余冻结力等参数，还可以通过摄像头对接触面破坏状态实时监控和测量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的大型冻土直剪仪的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的大型冻土直剪仪的侧视图；
图中：1、X向伺服电机；2、减速机；3、升降机；4、拉压力传感器；5、螺杆；6、手轮；7、称重传感器；8、法向载荷传感器；9、移动支架；10、压力板；11、位移传感器；12、滚动膜片气缸；13、挡土板；14、土样盒；15、导轨；16、机架；17、压缩弹簧；18、Y向伺服电机；19、摄像头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
图1和图2示出了本发明的大型冻土直剪仪的结构，如图所示，本发明实施例是这样实现的，一种大型冻土直剪仪包括X向伺服电机1、减速机2、升降机3、拉压力传感器4、螺杆5、手轮6、称重传感器7、法向载荷传感器8、移动支架9、压力板10、位移传感器11、滚动膜片气缸12、挡土板13、土样盒14、导轨15、机架16、压缩弹簧17、Y向伺服电机18、摄像头19；
机架16安装在大型冻土直剪仪的最底部，往复剪切推动机构包括1.1KW伺服电机1、1：15减速比蜗轮蜗杆减速机2和推动速比1：24升降机3，升降机3侧方安装拉压力传感器4，X向伺服电机1和Y向伺服电机18通过减速机2减速，推动升降机3前进或后退，达到无级变速；
气压控制单元与滚动膜片气缸12连接，气压控制单元以电气比例阀为控制器，输出调制的气体压力，提供静音的压缩机、储气包和过滤器。4个滚动膜片气缸12下方安装移动支架9和4个法向载荷传感器8，移动支架9下方安装压缩弹簧17，压缩弹簧17底部连接压力板10，压力板10下方安装土样盒14，土样盒14侧方安装有1个位移传感器11，压力板10上安装有挡土板13，挡土板13可通过螺母提起，挡土板13上安装有螺杆5，螺杆5顶部安装有手轮6和称重1个传感器7。
所述的往复剪切推动机构包括X向伺服电机1、Y向伺服电机18、减速机2和升降机3，所述的X向伺服电机1和Y向伺服电机18分别与一台减速机2连接，每台减速机2分别与一台升降机3连接。
进一步，所述的土样盒14上方安装有对接触面破坏状态实时监控和测量的摄像头19。
进一步，土样盒14有效尺寸为100*200，黄铜材料制作，土样盒14壁厚为30mm，保温层厚度为40mm，其中冷却管道的直径为12mm，分布在5个面上，土样盒14的推动头、导轨15、土样盒14的防翘固定头与土样盒14为一体，保温层采用聚氨酯发泡整体灌注成型，防翘机构，保证剪切过程中土样盒14上翘，并且摩擦力为滚动摩擦力。
本发明的工作原理如下：
法向力由四个滚动摩膜片气缸12提供，气缸的面积为80cm2，四个法向载荷传感器8测量法向力作为控制等刚度、等应力的参数；试样板的沉降位移由两个位移传感器11测量；弹性系数为250kg/cm的四个压缩弹簧17提供等刚度控制。
剪切框架保证足够的刚度和强度，内框两侧面加工的平行度达到滚轮滑动时上下自如、不偏移等要求。
挡土板13在不冻结前可以上下滑动，在冻结后，可以使用螺母将挡板提起，进行剪切试验。
为了保证在零法向力是固结或剪切，设置了载荷传感器，克服压板、弹簧等构件的重量，在装样时能够提供足够的空间。
整套控制和采集软件，试验数据可以以Excel格式输出，试验过程中实时相关曲线。
本发明可提供的最大法向力为20kN(1MPa)；出力精度：±1％；法向最大行程：20mm；最大水平剪切力：100kN(5MPa)；剪切速率：1-20mm/min，剪切幅度20mm(即一个剪切周期40mm)，循环次数20次；剪切速度误差：±3％；常刚度法向边界的刚度有三个：800kg/cm(4根弹簧)，1200kg/cm(6根弹簧),1600kg/cm(8根弹簧)。每根弹簧的劲度系数为200kg/cm，试验时弹簧的压缩量为20mm。常应力控制方式：能实现计算机闭环控制的恒定法向应力，如法向应力50kPa、100kPa、200kPa或400kPa，控制精度:±1％；法向恒定位移控制，如1mm、2mm、3mm或4mm；温控系统：最低温度-20℃，试验温度区间为0℃～-15℃，试验拟采用温度为0℃、-5℃、-10℃、-15℃，温度控制精度为±0.3℃；接触面粗糙度Ra＝0.3mm、0.7mm、1mm、1.5mm或3mm；能够对两个法向位移传感器11、四个法向荷载传感器、6个温度传感器、剪切位移传感器11、剪切力载荷传感器数据采集，测量精度±1％；
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种大型冻土直剪仪，其特征在于，所述的大型冻土直剪仪包括X向伺服电机、减速机、升降机、拉压力传感器、螺杆、手轮、称重传感器、法向载荷传感器、移动支架、压力板、位移传感器、滚动膜片气缸、挡土板、土样盒、导轨、机架、压缩弹簧、气压控制单元、Y向伺服电机；
摄像头安装在机架的右侧，机架安装在大型冻土直剪仪的最底部，往复剪切推动机构包括X向伺服电机、Y向伺服电机、减速机和升降机，升降机侧方安装拉压力传感器，X向伺服电机和Y向伺服电机通过减速机减速，推动升降机前进或后退，达到无级变速；所述的滚动膜片气缸下方安装移动支架和法向载荷传感器，移动支架下方安装压缩弹簧，压缩弹簧底部连接压力板，压力板下方安装土样盒，土样盒侧方安装有位移传感器，压力板上安装有挡土板，挡土板通过螺母提起，挡土板上安装有螺杆，螺杆顶部安装有手轮和称重传感器。
2.如权利要求1所述的大型冻土直剪仪，其特征在于，所述的往复剪切推动机构包括X向伺服电机、Y向伺服电机、减速机和升降机，X向伺服电机和Y向伺服电机分别与一台减速机连接，每台减速机分别与一台升降机连接。
3.如权利要求1所述的大型冻土直剪仪，其特征在于，所述的土样盒上方安装有对接触面破坏状态实时监控和测量的摄像头。
4.如权利要求1所述的大型冻土直剪仪，其特征在于，土样盒有效尺寸为100*200，黄铜材料制作，土样盒壁厚为30mm，保温层厚度为40mm，其中冷却管道的直径为12mm，分布在5个面上，土样盒的推动头、导向轨道、土样盒的防翘固定头与土样盒为一体，保温层采用聚氨酯发泡整体灌注成型。
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