CN105954149B - 一种颗粒土体剪切流动试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种颗粒土体剪切流动试验系统，该试验系统包括剪切试验装置、摄像装置、数据采集装置等组成。其中剪切试验装置为试验系统的主体部分，主要由减速电机、动态扭矩传感器、剪切盒等组成，可实现颗粒的剪切流动。试验数据通过数据采集卡配合计算机终端实现自动化采集和显示，摄像装置实现剪切流动过程的全程图像采集。与现有技术相比，本发明可实现颗粒土体在较高剪切速率下的剪切流动，获得颗粒在不同试验条件下（体积分数、边界条件等）不同剪切速率剪切流动过程中的力学表现。并且该装置剪切盒整体具有良好的密封性能，可进行常规重力（1g）和基于密度匹配微（弱）重力环境下颗粒土体的剪切流动，可用于研究重力环境对颗粒剪切流动特性的影响。
Description
技术领域
本发明涉及工程地质技术领域颗粒土体的剪切试验系统，尤其是涉及一种颗粒土体剪切流动试验系统。
背景技术
土体材料广泛表现为颗粒聚集体，如砂性土、粗粒土、碎石土等，包括外太空的月壤及行星表层土也是典型的颗粒物质。颗粒体系受到外力作用时，往往表现出类似流体的性质，这种现象被称为颗粒流。崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害以及空间碎屑流均涉及颗粒物质流动行为，并且这些灾害的发生往往处于等效弱重力或是空间微（弱）重力环境中，研究颗粒土体的剪切流动特性对于地质灾害防治和空间科学研究有着非常现实的意义。而目前，土力学领域的剪切试验（如环形剪切试验）局限在拟静态变形下的低剪切速率和小应变条件，仅适用于研究土体颗粒堆积体的稳定性，难以提供土体大变形状态下剪切流动的力学特征，并且没有考虑重力环境对土体大变形剪切流动的影响。本发明所描述的剪切流动试验系统可弥补传统剪切试验中的研究局限，实现颗粒土体在较高的剪切速率下（可达到300 r/min）的剪切流动状态，可用于地质灾害中广泛存在的土体颗粒大变形流动状态的研究。
发明内容
本发明的目的是为了弥补传统土力学剪切试验方法中应变速率较小的局限，提供了一种能够测试颗粒土体在较高剪切速率下的剪切流动力学行为的试验系统，同时可考虑重力环境的影响，可促进地质灾害中土体大变形流动问题的研究。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种颗粒土体剪切流动试验系统，包括计算机、采集卡、剪切试验装置和摄像装置，其中：
所述剪切试验装置为试验系统的主体部分，包括整体机架、动力设备、动态扭矩传感器、剪切盒、铝合金机架、联轴器、支撑框架和底座，铝合金机架和支撑框架分别固定于底座上，铝合金机架顶部设置动力设备，动力设备的传动轴通过第一联轴器连接动态扭矩传感器的一端，动态扭矩传感器的另一端通过第二联轴器连接轴承座，剪切盒由内环和外环套置而成，外环上盖有上覆盖板；剪切盒外环固定于支撑框架的顶板上，支撑框架的顶板下方设有皮带轮，皮带轮通过皮带连接轴承座，皮带轮的轮轴连接剪切盒内环，并能带动剪切盒内环转动；计算机连接采集卡，采集卡连接剪切试验装置的信号输出端，所述信号输出端设置于底座上，底座上设有电源输入端和剪切控制按钮，剪切控制按钮通过导线连接动力设备；摄像装置的摄像头对准剪切盒上表面；动力设备带动传动轴转动，动态扭矩传感器通过第一联轴器、第二联轴器与传动轴相连接进行扭矩的量测，通过皮带，使传动轴的旋转传递到皮带轮，实现皮带进行水平方向上的传动；在皮带轮传动下，剪切盒内环进行旋转，而剪切盒外环固定；通过计算机和采集卡可实现扭矩等信号的实时动态数值采集；通过摄像装置对颗粒剪切流动过程进行全程摄像，方便观察颗粒流动状态和流动区域以及对颗粒剪切流动前后的表面形态进行对比。
本发明中，所述摄像装置由高速摄像机及支架连接组成。
本发明中，剪切盒为可拆卸式，且整体密封良好，以便进行不同等效重力环境下的剪切流动试验；其内环采用不锈钢管，可方便在其表面粘贴不同摩擦系数的粗糙壁面，可用于进行不同摩擦系数表面情况下的颗粒剪切流动试验；外环和上覆盖板采用透明管材，方便对颗粒的剪切流动过程进行图像采集，利用高度可调节盖板将剪切高度固定。
本发明中，所述动力设备采用减速电机。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
该系统可方便地实现较高转速条件下不同试验条件下（体积分数、边界条件等）颗粒土体的剪切流动，自动化地采集颗粒剪切流动过程中的扭矩值，进一步可求得不同试验条件下颗粒剪切流动过程中的力学表现。
同时，该系统不仅可满足常规重力环境下（1g）颗粒的剪切流动试验要求，同时具备较好的密封性能，满足基于密度匹配微（弱）重力环境下颗粒材料剪切流动的试验要求，可较好地研究重力环境对颗粒剪切流动特性的影响。
附图说明
图1为剪切流动试验系统示意图；
图2为剪切试验装置示意图；其中：(ａ)为轴测图，(ｂ)为左视图；
图3为剪切盒内外环平面示意图；
图中标号：1—计算机；2—数据采集卡；3—剪切试验装置；4—摄像装置；5—动力设备（减速电机）；6—铝合金机架；7—联轴器；8—动态扭矩传感器；9—轴承座；10—剪切盒；11—剪切控制按钮；12—电源输入端；13—信号输出端；14—皮带轮；15—支撑框架；16—底座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例１：
一种颗粒土体剪切流动试验系统，其结构如图1所示，该系统包括计算机1，数据采集卡2，剪切试验装置3和摄像装置4。计算机1通过USB接口同采集卡2相连，采集卡2通过信号传输端与剪切试验装置3相连，摄像装置4位于剪切试验装置3中剪切盒的上方。其中剪切试验装置3为试验系统的主体部分，可实现颗粒材料的在较高剪切速率下的剪切流动。试验数据通过数据采集卡实现自动化采集，并将其传输计算机显示界面。摄像装置实现颗粒剪切流动过程的图像采集。
剪切试验装置结构图如图2所示，该装置主要动力设备（减速电机）5，铝合金机架6，联轴器7，动态扭矩传感器8，轴承座9，剪切盒10，剪切控制按钮11，电源输入端12，信号传输端13，皮带轮14，支撑框架15和底座16组成。动力设备5固定于铝合金机架6上方，动力设备的传动轴通过联轴器7与动态扭矩传感器8相连接，传动轴通过轴承座9进行竖向固定。水平方向上，皮带将传动轴与皮带轮14进行连接。皮带轮和剪切盒10通过支撑框架15进行固定。铝合金机架6和支撑框架15固定在底座16上。底座16处设置有剪切控制按钮11，电源输入端12和信号传输端13。剪切控制按钮11通过导线连接动力设备5进行转动控制，电源输入端12与供电电源相连，信号传输端13与采集卡2连接进行信号传输。装置整体框架6采用铝合金板材，该材料轻质高强，既能保持基础稳定，又方便搬运。剪切动力设备5为减速电机。该电机具有调速马达，配合剪切控制按钮11处的速度控制器和调速表盘可方便的实现0~300r/min的转速调节。该电机具有可逆式马达，配合剪切控制按钮11处的马达转换开关，可实现瞬间转换转动方向的功能，便于研究剪切历史对颗粒剪切流动的影响。该电机具有电磁刹车马达，可以在较短的时间内完全停止，具有较好安全刹车性能。电机运转带动传动轴转动，传动轴通过轴承座5等进行固定，联轴器7使动态扭矩传感器8与传动轴共同旋转并传递扭矩。动态扭矩传感器同时进行剪切流动过程中扭矩的量测，结合数据采集卡和PC端数据采集软件实现扭矩信号的实时动态采集和显示。动态扭矩传感器采用竖向安装方式，为方便试验操作，将剪切试验盒放置于距离竖直构件一定距离处。通过皮带轮14配合皮带实现剪切试验盒和驱动装置的连接传动。利用皮带传动可实现颗粒剪切时的平稳无噪声，且可以在颗粒自锁时起到一定的缓冲作用。剪切试验盒10为可拆卸式剪切盒，主要由旋转内环、固定外环和上覆盖板组成。通过剪切盒底座及支撑框架15对剪切试验盒进行固定。底座及支撑框架15处设置有向心轴承、紧固螺栓、推力轴承等部件，实现剪切内环的轴向与径向固定。同时，设置了密封圈并配合专用黄油进行密封，实现溶液存在时剪切盒不发生渗漏。
剪切内外环平面示意图如图3所示。旋转内环采用不锈钢管，可方便地在其表面粘贴不同摩擦系数的粗糙表面，以便进行不同粗糙表面情况下的颗粒剪切流动试验。固定外环和上覆盖板采用透明管材，方便对颗粒的剪切流动过程进行观察，利用高度可调节盖板将剪切高度固定。
该系统的工作流程如下：
1）将一定质量的试验颗粒土体放置于剪切盒中，盖上透明盖板，将剪切高度固定，用紧固螺栓将盖板封住；2）接通剪切试验装置供电电源，连通交直流转换器对传感器进行供电；3）打开计算机中的数据采集软件，进行软件的初始化设置，打开摄像装置；4）调节调速表盘至某一固定转速处，按动启动按钮，颗粒实现当前剪切速率下的剪切流动；5）采集卡和数据采集软件配合，实现剪切过程中的动态扭矩采集，并以稳定后的扭矩值表征扭矩渐近值，进一步求得颗粒流内应力值；6）重复同样试验条件下，不同剪切速率下的颗粒剪切流动试验。7）颗粒重新装样，重复多组试验，得到当前试验条件下不同剪切速率下颗粒流内应力值平均值，进一步得到颗粒剪切应力-应变率曲线。
Claims (4)
1.一种颗粒土体剪切流动试验系统，包括计算机、采集卡、剪切试验装置和摄像装置，其特征在于：
所述剪切试验装置为试验系统的主体部分，包括整体机架、动力设备、动态扭矩传感器、剪切盒、铝合金机架、联轴器、支撑框架和底座，铝合金机架和支撑框架分别固定于底座上，铝合金机架顶部设置动力设备，动力设备的传动轴通过第一联轴器连接动态扭矩传感器的一端，动态扭矩传感器的另一端通过第二联轴器连接轴承座，剪切盒由内环和外环套置而成，外环上盖有上覆盖板；剪切盒外环固定于支撑框架的顶板上，支撑框架的顶板下方设有皮带轮，皮带轮通过皮带连接轴承座，皮带轮的轮轴连接剪切盒内环，并能带动剪切盒内环转动；计算机连接采集卡，采集卡连接剪切试验装置的信号输出端，所述信号输出端设置于底座上，底座上设有电源输入端和剪切控制按钮，剪切控制按钮通过导线连接动力设备；摄像装置的摄像头对准剪切盒上表面；动力设备带动传动轴转动，动态扭矩传感器通过第一联轴器、第二联轴器与传动轴相连接进行扭矩的量测，通过皮带，使传动轴的旋转传递到皮带轮，实现皮带进行水平方向上的传动；在皮带轮传动下，剪切盒内环进行旋转，而剪切盒外环固定；通过计算机和采集卡可实现扭矩信号的实时动态数值采集；通过摄像装置对颗粒剪切流动过程进行全程摄像，方便观察颗粒流动状态和流动区域以及对颗粒剪切流动前后的表面形态进行对比。
2.根据权利要求1所述的一种颗粒土体剪切流动试验系统，其特征在于，所述摄像装置由高速摄像机及支架连接组成。
3.根据权利要求1所述的一种颗粒土体剪切流动试验系统，其特征在于，剪切盒为可拆卸式，且整体密封良好，以便进行不同等效重力环境下的剪切流动试验；其内环采用不锈钢管，可方便在其表面粘贴不同摩擦系数的粗糙壁面，可用于进行不同摩擦系数表面情况下的颗粒剪切流动试验；外环和上覆盖板采用透明管材，方便对颗粒的剪切流动过程进行图像采集，利用高度可调节盖板将剪切高度固定。
4.根据权利要求1所述的一种颗粒土体剪切流动试验系统，其特征在于，所述动力设备采用减速电机。
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