CN105973720B - 一种十字板剪切装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种十字板剪切装置，属于用于原位剪切土层试验的工程试验装置。十字板剪切装置的底板上设有控制台与供电箱；动力装置布置在底板上，底板的底端通过支脚支撑；动力装置下方连接钻杆，钻杆由若干个钻杆段连接而成；钻杆下端布置十字剪切板轴杆，十字剪切板轴杆的底端布置十字板；所述的动力装置带动十字剪切板轴杆旋转；支脚调节底板的水平度；供电箱为动力装置及控制台供电，控制台控制动力装置及支脚。本发明能够基于陀螺仪测水准反馈执行平衡指令的机械装置，提供了能够多重降速并且基于普通电机能够进行低速率精准控制的机械装置，提供了基于压电敏感元件的测力反馈装置；提供了能够获得土层剪切破坏强度峰值数据的十字剪切装置。

Description

一种十字板剪切装置

技术领域

本发明涉及一种十字板剪切装置，属于用于原位剪切土层试验的工程试验装置。

背景技术

十字板剪切试验已广泛用于测定饱和软粘性土抗剪强度，是求算地基承载力、围堤稳定、软粘土的灵敏度及固结历史等地基力学参数不可缺少的原位测试手段。十字板剪切试验包括室内试验和室外原位试验，通常采用微型十字板仪。室内试验测定需要经过取样、运输、切样等过程，在这些过程中常常造成对土样的扰动，尤其是饱和软粘土的高触变性，使得土体结构极易在取样的过程中遭到破坏，此外，在开土切样和加压剪切时也容易受到较大的干扰，而且不易控制，导致在应力松弛和再压缩条件下取得的强度指标失真^[2]。基于上述原因，在环境可行的情况下以及不便于实验室试验的情况下，原位十字板剪切试验是很有需要的以及必要的。一般，原位十字板剪切试验的仪器有机械式十字板仪和电测式十字板仪。这两类十字板仪各有其使用条件、运用范围及局限性。机械式十字板仪能够自动化采集数据但是对于气象条件和探头绝缘要求高，而且操作繁琐精度不高、需要进行轴杆摩擦力的校正。电测十字板仪不需要轴杆摩擦力的校正，不打钻孔，具有连续快速的特点和较高的试验精度，但是对气象条件要求较高、人工干扰因素明显。十字板剪切的试验的基本原理是利用剪切破坏时所施加扭矩的大小来推算出原位抗剪切强度，而由于传统的十字板的两个底面沿径向剪切破坏发生在不同时间，所以我们得到的是一个平均值，而不是峰值，所以这个给分析临界破坏点带来了观测误差。此外，现有十字剪切仪装置主要采用水准仪气泡居中校正水平，采用人工判定，既不能做到十分精确又不能够做到实时调整。

发明内容

本发明针对上述不足提供了改进的用于原位剪切土层试验的工程试验装置。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的十字板剪切装置，包括底板，支脚，控制台，供电箱，动力装置；所述的底板上设有控制台与供电箱；动力装置布置在底板上，底板的底端通过支脚支撑；动力装置下方连接钻杆，所述的钻杆可由若干个钻杆段连接而成；钻杆下端布置十字剪切板轴杆，十字剪切板轴杆的底端布置十字板；所述的动力装置带动十字剪切板轴杆旋转；支脚调节底板的水平度；供电箱为动力装置及控制台供电，控制台控制动力装置及支脚。

本发明所述的十字板剪切装置，所述的动力装置包括电机，锥形轮，从动轮，转动轮，传动带，步进电机五；电机驱动锥形轮转动；锥形轮的锥面齿条与从动轮啮合；从动轮通过传动带带动转动轮旋转；转动轮与钻杆相连，钻杆与十字剪切板轴杆相连，十字剪切板轴杆的下端连接十字板；步进电机五由供电箱供电；所述的十字板的上下两端设有顶十字校正板与底端十字校正板，顶十字校正板、底端十字校正板与十字剪切板轴杆同轴并随十字剪切板轴杆转动。

本发明所述的十字板剪切装置，所述的转动轮上设有传动带槽，转动轮下设有转轴；转轴下方设有钻杆；钻杆可以通过很多标准长钻杆段连接加长，每一段钻杆的上下端面分别设有铜片槽；钻杆下方连接十字剪切板轴杆；钻杆与十字剪切板轴杆相连，钻杆内部空腔沿四周竖立四根完整电磁线圈，套置在轴杆插头上的磁力开关沿四周布置四根竖直永磁条，轴杆和磁力开关上分别设有四条插槽；轴杆插入钻杆空腔内；根据空腔四周电磁线圈通电、转换电流方向以及断电，形成磁极，排斥或吸引磁力开关上的永磁条，使得插头上的磁力开关可旋转或回转，轴杆与钻杆之间可稳固连接或拔出分离。

本发明所述的十字板剪切装置，所述的磁力开关沿外圆周布置插销槽，呈十字行排布，每两个插销槽之间布置永磁铁条槽，永磁铁条槽内插有永磁铁条；磁力开关下部设有插孔，可以和插头连接，连接后磁力开关可以围绕其轴线自由旋转。

本发明所述的十字剪切装置，所述的轴杆顶部设有四条插槽，插销槽内壁布置压电敏感元件，每一个插销槽每一个侧壁布置两块压电敏感元件，分别靠外侧和内侧，插销槽和插销吻合后，旋转挤压插销槽壁面上的压电敏感元件，发出信号。

本发明所述的十字板剪切装置，所述的锥形轮的一端与电机连接、另一端与、活动支撑相连，活动支撑的底端与拉条连接，拉条内面一端面设有齿条，拉条的一端面齿条与齿轮啮合，齿轮又与步进电机五的驱动齿轮啮合。

本发明所述的十字板剪切装置，所述的十字板剪切板轴杆插入十字板的轴套筒中，轴套筒和轴杆之间沿轴杆轴线等距设置有三个单向轴承，轴套筒外壁四周对称布置有四叶十字板；轴杆上设置有轴杆顶十字板校正板轴杆底十字板校正板，轴杆顶十字板校正板下缘与十字板上缘之间的间距为1mm-5mm，轴杆底十字板校正板上缘与十字板下缘之间的间距为1mm-5mm。

本发明所述的十字板剪切装置，所述的底板成方形；底板的四个顶角端分别设置支脚；支脚分别与步进电机相连，步进电机控制升降。

本发明所述的十字板剪切装置，所述的支脚包括棱锥角，稳定板，升降柱，固定套，升降柱螺旋纹段，升降柱竖螺纹段；所述的升降柱穿过底板，升降柱的底端设有稳定板，稳定板下端布置棱锥角，稳定板上方与底板之间设置固定套；升降柱的外壁面设有升降柱螺旋纹段，升降柱螺旋纹段的上方外壁设置升降柱竖螺纹段；步进电机的驱动轴上设有螺纹，步进电机的驱动轴与升降柱竖螺纹段啮合。

有益效果

本发明提供一种十字板剪切装置，在基本平台、动力装置、连接装置、测力装置和剪切装置方面做了改进与创新，提供了能够基于陀螺仪测水准反馈执行平衡指令的机械装置，提供了一种能够多重降速并且基于普通电机能够进行低速率精准控制的机械装置。

十字板剪切装置结构机械齿轮啮合提供速率控制办法，同比现在人为控制或者单纯步进电机控制，通过一系列的机械齿轮啮合交换速度能够做到省力且精准，提供了一种基于电磁原理的连接装置，同比现在的离合装置，这是基于电磁原理的新尝试，由于通过通电控制，更加便利即时。

十字板剪切装置，利用基于压电敏感元件的测力反馈装置，该装置可以获得更加精准的测量，相比较传统的测力环，做法更加便利和精确，并且做到操作自动化，而与利用应变片相比，人工干扰因素降低。

十字板剪切装置能够获得土层剪切破坏峰值数据，十字板剪切的试验的基本原理是利用剪切破坏时所施加扭矩的大小来推算出原位抗剪切强度，而由于传统的十字板的两个底面沿径向剪切破坏发生在不同时间，所以我们得到的是一个平均值，而不是峰值，所以这个给分析临界破坏点带来了观测误差，而本装置通过加设上下校正十字板先行破坏十字板上下底面土层，解决了由上下底面破坏不均引起的误差问题。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构示意图；

图2是本发明一种实施例的结构俯视图；

图3是本发明一种实施例的结构正视图；

图4是本发明底板平台一种实施例的结构正视图；

图5是本发明一种实施例的结构B1-B1剖面图；

图6是本发明一种实施例的结构B2-B2剖面图；

图7是本发明一种实施例的结构C-C剖面图；

图8是本发明一种实施例的结构D-D剖面图；

图9是本发明一种实施例的结构E-E剖面图；

图10是本发明一种实施例的结构F-F剖面图；

图11是本发明一种实施例的结构G-G剖面图；

图12是本发明一种实施例的结构H-H剖面图；

图13是本发明钻杆连接处一种实施例的结构A1局部剖视图；

图14是本发明钻杆与十字板剪切板轴杆连接处一种实施例的结构B1局部剖视图；

图15是本发明十字板一种实施例的结构C1剖面图；

图16是本发明钻杆连接处一种实施例的结构D1局部剖视图；

图17是本发明钻杆连接处一种实施例的结构E1局部剖视图；

图18是本发明十字板单向轴承处一种实施例的结构C2局部剖视图；

图19是本发明十字板单向轴承处一种实施例的结构C3局部剖视图；

图20是本发明底板平台一种实施例的结构的剖面图；

图21是本发明底板平台一种实施例的结构示意图及支撑脚F1局部示意图；

图22是本发明支撑脚一种实施例的结构F2局部示意图；

图23是本发明动力装置之速率控制装置一种实施例的结构F3局部示意图；

图24是本发明锥形轮一种实施例的结构立体示意图；

图25是本发明锥形轮一种实施例的J-J剖面图；

图26是本发明从动轮结构一种实施例的结构立体示意图；

图27是本发明从动轮结构一种实施例的平面视图；

图28是本发明转轮结构一种实施例的结构立体示意图；

图29是本发明转轮结构一种实施例的结构平面正视图；

图30是本发明与十字板剪切板轴杆连接的连接段钻杆一种实施例结构

俯视图；

图31是本发明与十字板剪切板轴杆连接的连接段钻杆一种实施例结构

仰视图；

图32是本发明与十字板剪切板轴杆连接的连接段钻杆一种实施例结构

K-K剖面图；

图33是本发明与十字板剪切板轴杆连接的连接段钻杆一种实施例结构

L-L剖面图；

图34是本发明与十字板剪切板轴杆连接的连接段钻杆一种实施例结构

M-M剖面图；

图35是本发明与十字板剪切板轴杆连接的连接段钻杆一种实施例结构

N-N剖面图；

图36是本发明磁力开关一种实施例的结构示意图；

图37是本发明磁力开关一种实施例的P-P剖面图；

图38是本发明十字板剪切板一种实施例的轴杆与校正板结构立体示意图；

图39是本发明十字板剪切板轴杆的一种实施例的G1局部示意图；

图40是本发明十字板的一种实施例的结构立体示意图；

图41是本发明十字板的一种实施例的正视图及Q-Q剖面图；

图42是本发明所使用的单向轴承的一种实施例的示意图。

图中1 底板，2 支撑脚，3 控制台，4 供电箱，5 电机，6 锥形轮，7 从动轮结构，8转轮结构，9 传动带，10 步进电机一，11 步进电机二，12 步进电机三，13 步进电机四，14步进电机五，15 拉条，16 滑槽，17 钻杆，18 十字板剪切板轴杆，19 十字板，20 套筒，21锥形轴承，22 轴承，23 螺栓，24 铜片槽，25 线槽，26 线槽出口，27 线圈，28 永磁铁条，29磁力开关，30 插销，31A 插销槽，31B 插销槽，32 压电敏感元件A组，33 压电敏感元件B组，34 单向轴承，35 轴杆顶十字板校正板，36 轴杆底十字板校正板， 37 齿轮，38 电机轴，39活动支承，40 棱锥角，41 稳定板，42 升降柱，43 固定套，44 升降柱螺旋纹段，45 升降柱竖螺纹段，46 从动轮齿轮，47 从动轮传动带槽，48 转轮传动带槽，49 转轴，50 螺栓孔，51永磁铁条槽，52 插孔，53 固定叶片，54 插头，55 轴套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明：

实施例1：

如图1和图2所示：一种十字板剪切装置,包括作为加载装置平台的底板1，底板1四周的支撑脚2，位于底板1上的控制台3和供电箱4。

加载装置包括电机5、锥形轮6、从动轮结构7、转轮结构8以及传动带9和步进电机五14。底板1上对应四周的支撑脚2分别有步进电机一10、步进电机二11、步进电机三12、步进电机四13用以自动调整支撑脚2的高度以保持水平。

钻杆17可以通过很多标准长钻杆段连接加长，钻杆17连接转轮结构8和十字板剪切板轴杆18，作为传力构件。

如图3所示，实施例中加入了套筒20，套筒20可以使得钻杆17不需要直接和周围土壤接触，可以不需要校正其和土壤的摩擦力。

实施例装置的关键装置十字剪切板由十字板剪切板轴杆18和十字板19组成，如图5、图6和图15所示,十字板19通过单向轴承34和十字板剪切板轴杆18连接，十字板剪切板轴杆18通过磁力开关29和钻杆17相连。

如图11所示，测力装置主要包括十字板剪切板轴杆上的压电敏感元件A组32和B组33以及控制台的软件部分，用以测量周向压力然后换算成扭矩进而算得土壤抗剪强度参数。

具体地，底板1组成包括：底板1作为基本平台，其上开有两个孔安置锥形轴承21和轴承22，如图5锥形轴承21里穿过转轮结构8的转轴49，轴承22里穿过从动轮结构7，转轮结构8和从动轮结构7通过皮带相连接。

如图1和图2所示：底板1上还包括有控制台3、供电箱4、动力装置以及平衡装置，控制台3用于收集信号、处理信号和发出指令，供电箱4用于供电。如图20、图21所示：动力装置包括电机5、电机轴38、活动支承39、锥形轮6、拉条15以及步进电机五14和滑槽16，电机5带动电机轴38旋转，并传递至从动轮结构7，再通过传动带9传递给转轮结构8以旋转十字板剪切土层，其中，步进电机五14通过拉动拉条15使得活动支承39沿着滑槽16来回移动，锥形轮6也会沿着滑槽16轴线方向来回移动，从而锥形轮6和从动轮结构7的接触处的半径不同，进而可以获得不同的速度。

如图4、图21图22所示，底板1四周使用四个支撑脚2，分别带有步进电机一10、步进电机二11、步进电机三12、步进电机四13，步进电机一10、步进电机二11、步进电机三12、步进电机四13可以调整支撑脚2的高度，用以维持平台的水平，控制台3中陀螺仪获取平衡数据，当底板1不水平时，控制台3分析数据并发出指令给步进电机一10、步进电机二11、步进电机三12、步进电机四13以调整支撑脚2的高度维持底板1平衡。

如图1、图4、图21所示：底板上的动力装置组成包括：完整的动力装置包括电机5、电机轴38、锥形轮6、活动支承39、滑槽16、拉条15、齿轮37、步进电机五14、从动轮结构7以及转轮结构8和传动带9。

如图1和图4所示，电机5转动通过电机轴38带动锥形轮6转动，如图24和图26所示，锥形轮6的齿槽和从动轮结构7的齿轮46啮合，从而带动从动轮结构7转动，从动轮结构7通过传动带9带动转轮结构8转动，转轮结构8通过钻杆17带动十字板剪切土层。

通过控制锥形轮6和从动轮结构7的接触处半径大小，改变从动轮结构7的从动轮齿轮46的线速度，进而从动轮结构7通过传动带9带动并改变转轮结构8的转速，控制十字板剪切速度。

如图26和图28所示，由于从动轮结构7的从动轮齿轮46的半径远大于从动轮传动带槽47的半径，而从动轮传动带槽47半径又远小于转轮传动带槽48的半径，这样从电机轴38获得的角速度经过锥形轮6、从动轮结构7和转轮结构8后，十字板获得的转速是比较小的，这样可以更好地利用普通电机5为剪切提供动力，而无须配备专门的步进电机以控制速度。动力装置中，锥形轮6的移动是通过活动支承39、拉条15、滑槽16、齿轮37和步进电机五14控制的，控制台3根据扭矩信号反馈及设定给步进电机五14发送指令控制转速。

如图1和图23，步进电机五14获得指令后旋转一定角度，齿轮37伴随转动一定角度，与齿轮37啮合的拉条15拉动活动支承39带动电机轴38和锥形轮6沿着滑槽16滑动，进而锥形轮6与从动轮结构7啮合处的半径变动，使得在电机5保持同样转速的情形下，使得转轮结构8和十字剪切板获得不同速度，该控制装置配合电机5改变十字板剪切速率，由控制台3配合。实施例装置的动力通过供电箱4供给。

如图1至6及图21和图22所示：底板1的支承脚结构组成有包括支撑脚结构主要起到支承平台、平衡平台以及提供反力。

如图22所示，支撑脚2由下至上包括棱锥脚40、稳定板41、升降柱42、固定套43、升降柱螺旋纹段44以及升降柱竖螺纹段45。棱锥脚49嵌入场地，联合稳定板41保持平台平稳并且提供反力；固定套43与底板1刚结，其中穿过升降柱42，升降柱42可以伸缩控制支撑脚所在方位的平台的高低，四个支撑脚互相配合维持平台水平。步进电机一10、步进电机二11、步进电机三12、步进电机四13根据控制台3发出的指令转动，带动通过升降柱竖螺纹段45与步进电机啮合的升降柱42旋转，而升降柱螺旋纹段44使得升降柱42在旋转的过程中，能够自由升降。工作流程是：控制台3内置的陀螺仪获得水准信息，如若不满足水平条件，控制台3自动计算平台四周相对于设定参考点的高度，并根据预设算法计算出每一个支撑脚所对应的步进电机应该转动的角度并发送执行指令，进而步进电机一10、步进电机二11、步进电机三12、步进电机四13分别得到供电箱4供电开启工作。

从动轮结构7组成有：与锥形轮6啮合的从动轮齿轮46和从动轮传动带槽47，从动轮传动带槽47通过传动带9与转轮结构8相连。

如图1、图26和图27所示，从动轮结构7由于从动轮齿轮46和从动轮传动带槽47的半径相差较大，从而可以将从动轮齿轮46获得的较大的线速度转换到从动轮传动带槽47处较小线速度输出。

如图28和图29所示：转轮结构8组成包括：转轮传动带槽48和转轴49，转轮传动带槽48通过传动带9与从动轮传动带槽47相连，转轮传动带槽48处获得和从动轮传动带槽47处同样的线速度，而由于转轮传动带槽48的半径远大于从动轮传动带槽47的半径，所以转轮结构8获得更低的转速。转轴49嵌入底板1上的锥形轴承21，转轴末端通过螺栓和钻杆17连接，转轴49末端设有螺栓孔50，

实施例装置连接形式如图13和图16示。转轮结构8可以从底板1上方吊入或者取出，在将每一段钻杆17用螺栓连接拼接后从底板1上方吊入，最后将转轮结构8下方的转轴49通过螺栓孔50与钻杆17用螺栓连接，如图1、图5和图6所示。

如图13和图16所示钻杆部分组成包括：钻杆17及其上设置的螺栓孔、铜片槽24，钻杆17是标准长钻杆，通过将这些标准长钻杆17通过螺栓相互连接形成足够长的钻杆。如图5和6所示：钻杆17之间的连接方式同于钻杆17和转轮结构8上的转轴49的连接方式，具体，钻杆17一端圆截面凸起卡入另一根钻杆17另一端圆截面凹入，并通过螺栓23连接。钻杆17上设置的铜片槽24，大约有4mm厚度，在铜片槽24是相互连接的两根钻杆17之间特意留有的空隙，空隙上缘是上方钻杆17，空隙下缘是下方连接钻杆17，上下连接的钻杆17此处各有约2mm厚铜片，当钻杆17相互连接时，铜片槽24也是上下钻杆17的铜片的接触处，铜片接触可以用于通电，每一个钻杆17上下都有一个铜片槽24，铜片槽24里安置有铜片，每一个钻杆17本身上下两端的两个铜片都用导线连接好了，导线绑定在钻杆17外壁上，这样两个铜片就连起来了，而当钻杆17相互连接后，铜片相互接触，相当于将每一个钻杆17的导线串联成一个长导线，便于平台供电箱4为深入地面以下的十字板等装置供电。

钻杆17和十字板剪切板轴杆18连接装置组成有：如图14、图32、图36和39所示，十字板剪切板轴杆18端部的插头54、插销槽31A和与十字板剪切板轴杆18相连的钻杆17的插销30、磁力开关29、插销槽31B。具体说明：十字板剪切板18的插头54插入如图36、图37所示的磁力开关29的插孔52内，磁力开关29主体是个圆柱体，可以围绕插头54轴线自由转动，磁力开关29上设有插销槽31B和永磁铁条槽51，在永磁铁条槽51里插入同形状的永磁铁条，共有四根，将带有磁力开关29的十字板剪切板轴杆18插入与其连接的钻杆17，此处钻杆17不同于中间段的标准长钻杆17，与十字板剪切板18相连的钻杆17的底部，如图31所示：连接段钻杆17的底部空腔内设有插销30，对应十字板剪切板轴杆18的插销槽31A，当轴杆18完全插入连接段钻杆17的空腔内后，连接段钻杆17的插销30刚好对应着十字板剪切板轴杆18的插销槽31A。而安置在十字板剪切板轴杆18顶端的磁力开关29上也设置了插销槽31B，当要将十字板剪切板轴杆18插入连接段钻杆17空腔内时，连接段钻杆17的插销30先插入磁力开关29的插销槽31B，因为磁力开关29可以自由转动，适当转动连接段钻杆17，使得磁力开关29的插销槽31B和十字板剪切板轴杆18的插销槽31A共线，这时连接段钻杆17的插销30就能够顺利插入十字板剪切板轴杆18的插销槽31。此时，十字板剪切板轴杆18和连接段钻杆17连接在一起，而在十字板剪切板轴杆18顶端的磁力开关29也在连接段钻杆17空腔内，由于连接段钻杆17的插销30长度刚好和轴杆18插销槽31A长度一致并且插销30已经完全插入插销槽31A，所以磁力开关29的插销槽31B内没有插销了，磁力开关29可以自由转动了。给与十字板剪切板轴杆18相连的连接段钻杆17空腔内的线圈27通电，使得线圈27带有磁极。

如图9所示，开始时线圈27与磁力开关29的插槽相对，共有四个，与磁力开关29上的永磁铁条28不对应，线圈27通电带有磁极后，线圈27和永磁铁条28相吸，使得磁力开关29发生转动，转至永磁铁条28和线圈27相对，磁力开关29转动了45度角，转动后的磁力开关29的插销槽31B也跟着转动了45度角，这时，磁力开关29的插销槽31B和十字板剪切板轴杆18上的插销槽31A从之前的共线到发生了45度角的错位，使得插入十字板剪切板轴杆18上的插销槽31A里的插销30不能被拔回，连接段钻杆17可以直接给十字板剪切板轴杆18施加拉力或压力了。当需要十字板剪切板轴杆18从连接段钻杆17的空腔内拔出来的时候，给线圈27同反向电流，磁极翻转，排斥永磁铁条28，使得磁力开关29转回原位，这时磁力开关29的插销槽31B和十字板剪切板轴杆18的插销槽31A再次共线，然后连接段钻杆17空腔内的插销30沿着再次共线的插销槽31A和插销槽31B顺利拔出。

线圈27引出导线可以通过线槽25从线槽出口26出来，如图8和图17所示。该装置利用磁力开关29控制十字板剪切板轴杆18和与其连接的连接段钻杆17连接，并且使得十字板剪切板轴杆18插入后能够被锁住，以制止两者间相对轴向运动，同时钻杆17将转轮结构8传来的扭矩传递至新型十字剪切板轴杆18，进而传递给十字板剪切板。

测力装置组成包括：控制台3的软件部分、导线和压电敏感元件A组32与压电敏感元件B组33，如图11所示。压电敏感元件A组32与压电敏感元件B组33可以安置在十字板剪切板轴杆18的插销槽31A内壁，也可以安置在与轴杆18连接的连接段钻杆17空腔内的插销30壁上，实施例装置采用了前者。

如图11所示，压电敏感元件A组32共有8个元件，每个插销槽内同一侧壁放置两个，靠插销槽外侧一个，靠插销槽内侧一个。而压电敏感元件B组33在压电敏感元件A组32的对面相对设置，也共有8个元件。这样布置的原因是：当连接段钻杆17开始旋转时，插入十字板剪切板轴杆18的插销槽31A中的插销30壁面会挤压插销槽31A的壁面，由于插销30和插销槽31A之间是有微细的间距的，那么两者之间的传力接触不是整个面，而是一个局部面，例如如图11，当连接段钻杆17旋转时，其插销30挤压面会局限至压电敏感元件A组32靠近插销槽31A外侧的元件所在的小面和压电敏感元件B组33靠近插销槽31A内侧的元件所在的小面，即每个插销槽31A内的主要测力位置就是如上所述的斜相对的两个元件，而当连接段钻杆17转动方向改变后则由另一对斜相对的两个元件测定。压电元件测定压力后，信号传递至控制台3，控制台3自行按照设定好的算法流程计算获得当时扭矩，由于电信号的传递速度很快，所以几乎可以做到即时监控，并根据标准控制十字板剪切速率。

如图6、图15、图18、图19、图39、图41所示：十字剪切板组成有：十字板剪切板轴杆18、固定叶片53、十字板19以及单向轴承34和轴套筒55，十字板剪切板轴杆18和钻杆相连，十字板剪切板轴杆18上刚结有固定叶片53，如所示。固定叶片53包括两个，如图15所示：两个分别为轴杆顶十字板校正板35和轴杆底十字板校正板36。十字板剪切板轴杆18插入十字板19的轴套筒55中，轴套筒55和轴杆18之间沿轴杆18轴线等距设置有三个单向轴承34，单向轴承34起到固定和控制转向作用。具体的操作说明：当十字板剪切板轴杆18在钻杆17的带动下旋转，当旋转方向是和单向轴承34允许的方向相逆时，十字板19不旋转，固定叶片53的轴杆顶十字板校正板35和轴杆底十字板校正板36随着轴杆18旋转，并且剪切十字板19上下侧的土层，经过一定时间的旋转剪切后，上下两侧土层破坏，扭矩稳定在一定数值，此数值作为摩擦力校正值，这里摩擦力校正的内容包括轴杆18在土层中的部分与土层接触处的摩擦力、轴杆顶十字板校正板35与土层之间的摩擦力和轴杆底十字板校正板36与土层之间的摩擦力，要说明的是，轴杆顶十字板校正板35高度方向尺寸很小，摩擦面被认为只有上下两面并且上下两面的摩擦力认为其相等，轴杆底十字板校正板36作同样处理。当轴杆18换转向后，此时，轴杆18转向与单向轴承34允许的方向一致，十字板19与轴杆18和固定叶片53一同反向旋转，这时，当发生土层遭受剪切破坏时，所需的扭矩扣除之前旋转获得的摩擦力校正值的一半，并加一个修正因子，需要说明的是：由于之前轴杆顶十字板校正板35摩擦面被认为只有上下两面并且上下两面的摩擦力认为其相等，轴杆底十字板校正板36作同样处理，当校正板35和36与十字板19一同旋转时，整体侧面圆柱面为剪切破坏面，还剩下上下两个之前已经破坏的摩擦面，摩擦面是之前的两个校正板的摩擦面的一半，所以取一半，此外由于之前的摩擦力校正值还包括轴杆18没入土层的摩擦面，所以这一半里面的只包括轴杆18没入土层的摩擦面摩擦力校正值的一半，这里缺少的一半（轴杆18摩擦力校正值也只取了一半）采用修正因子进行修正。这样处理的目的在于解决一个现有十字剪切板的问题：由于上下顶面的剪切发生时间点不同，远离轴杆的破坏早，靠近轴杆的破坏晚，那么无法获得更精确的剪切破坏峰值，而本实施例装置可以通过先期转动固定叶片53（即校正板35和36）破坏上下层面，获得摩擦力校正值，然后在十字板19与固定叶片53同时旋转时获得的扭矩基础上减去一半摩擦力校正值并附以修正因子后，可以获得剪切破坏峰值，改善了以往十字板不足。

本发明提供一种十字板剪切装置，在基本平台、动力装置、连接装置、测力装置和剪切装置方面做了创新与改进，提供了能够基于陀螺仪测水准反馈执行平衡指令的机械装置；提供了一种能够多重降速并且基于普通电机能够进行低速率精准控制的机械装置；提供了一种基于电磁原理的连接装置；提供了一种基于压电敏感元件的测力反馈装置；提供了一种能够获得土层剪切破坏峰值数据的十字板剪切装置。总体改进了现有十字板剪切仪，并作出了创新。

实施例2：

实施例2中仅对实施例1中的新型十字剪切板装置作出改变，改变如下：

新型十字剪切板组成有：十字板剪切板轴杆18、固定叶片53、十字板19以及单向轴承34和轴套筒55，十字板剪切板轴杆18和钻杆相连，如图6所示。十字板剪切板轴杆18上装置有固定叶片53，固定叶片53和十字板剪切板轴杆18之间安放单向轴承，即轴杆顶十字板校正板35和轴杆底十字板校正板36和轴杆18之间也采用单向轴承。如图15和图41所示，十字板剪切板轴杆18插入十字板19的轴套筒55中，如图15、图18和图19所示，轴套筒55和轴杆18之间沿轴杆18轴线等距设置有三个单向轴承34，单向轴承34起到固定和控制转向作用。具体的操作说明：当十字板剪切板轴杆18在钻杆17的带动下旋转，当旋转方向是和单向轴承34允许的方向相逆，但是和轴杆18与固定叶片53之间的单向轴承允许的转向同向时，十字板19不旋转，固定叶片53的轴杆顶十字板校正板35和轴杆底十字板校正板36随着轴杆18旋转，并且剪切十字板19上下侧的土层，经过一定时间的旋转剪切后，上下两侧土层破坏，扭矩稳定在一定数值，此数值作为摩擦力校正值，这里摩擦力校正的内容包括轴杆18在土层中的部分与土层接触处的摩擦力、轴杆顶十字板校正板35与土层之间的摩擦力和轴杆底十字板校正板36与土层之间的摩擦力，要说明的是，轴杆顶十字板校正板35高度方向尺寸很小，摩擦面被认为只有上下两面并且上下两面的摩擦力认为其相等，轴杆底十字板校正板36作同样处理。当轴杆18换转向后，此时，轴杆18转向与单向轴承34允许的方向一致但是和轴杆18与固定叶片53之间的单向轴承允许的转向相逆，十字板19与轴杆18一同旋转，而固定叶片53（即校正板35和36）不旋转，这时，当发生土层遭受剪切破坏时，所需的扭矩扣除之前反向旋转获得的摩擦力校正值的一半，并加一个修正因子，需要说明的是：由于之前轴杆顶十字板校正板35摩擦面被认为只有上下两面并且上下两面的摩擦力认为其相等，轴杆底十字板校正板36作同样处理，当十字板19与轴杆18一同旋转，而固定叶片53（即校正板35和36）不旋转时，十字板19形成的圆柱面为剪切破坏面，而十字板19和上下两个校正板（35和36）之间的两个圆接触面为摩擦面，摩擦面是之前的两个校正板的摩擦面的一半，所以取一半，此外由于之前的摩擦力校正值还包括轴杆18没入土层的摩擦面，所以这一半里面的只包括了轴杆18没入土层的摩擦面摩擦力校正值的一半，这里缺少的一半（轴杆18摩擦力校正值也只取了一半）采用修正因子进行修正。这样处理的目的在于解决一个现有十字板剪切的问题，由于上下顶面的剪切发生时间点不同，远离轴杆的破坏早，靠近轴杆的破坏晚，那么无法获得更精确地剪切破坏峰值，而本实施例装置可以通过先期转动固定叶片53（即校正板35和36）破坏上下层面，获得摩擦力校正值，然后在十字板19随轴杆18旋转而固定叶片53（即校正板35和36）不旋转时获得的扭矩基础上减去一半摩擦力校正值并附以修正因子后，可以获得剪切破坏峰值，改善了以往十字板不足。实施例2和实施例1主要不同点在于固定叶片53（即校正板35和36）与轴杆是通过单向轴承连接，并且此处单向轴承允许的转向与单向轴承34允许的转向不同。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种十字板剪切装置，其特征在于：包括底板（1），支脚（2），控制台（3），供电箱（4），动力装置；所述的底板（1）上设有控制台（3）与供电箱（4）；动力装置布置在底板（1）上，底板（1）的底端通过支脚（2）支撑；动力装置下方连接钻杆（17），所述的钻杆（17）由若干个钻杆段连接而成；钻杆（17）下端布置十字剪切板轴杆（18），十字剪切板轴杆（18）的底端布置十字板（19）；所述的动力装置带动十字剪切板轴杆（18）旋转；支脚（2）调节底板（1）的水平度；供电箱（4）为动力装置及控制台（3）供电，控制台（3）控制动力装置及支脚（2）；所述的动力装置包括电机（5），锥形轮（6），从动轮（7），转动轮（8），传动带（9），步进电机五（14）；电机（5）驱动锥形轮（6）转动；锥形轮（6）的锥面齿条与从动轮（7）啮合；从动轮（7）通过传动带（9）带动转动轮（8）旋转；转动轮（8）与钻杆（17）相连，钻杆（17）与十字剪切板轴杆（18）相连，十字剪切板轴杆（18）的下端连接十字板（19）；步进电机五（14）由供电箱（4）供电；所述的十字板（19）的上下两端设有顶十字校正板（35）与底端十字校正板（36），顶十字校正板（35）、底端十字校正板（36）与十字剪切板轴杆（18）同轴并随十字剪切板轴杆（18）转动。

2.根据权利要求1所述的十字板剪切装置，其特征在于：所述的转动轮（8）上设有传动带槽（48），转动轮（8）下设有转轴（49）；转轴（49）下方设有钻杆（17）；钻杆（17）通过若干根标准长钻杆段连接加长，每一段钻杆（17）的上下端面分别设有铜片槽（24）；钻杆（17）下方连接十字剪切板轴杆（18）；钻杆（17）与十字剪切板轴杆（18）相连，钻杆（17）内部空腔沿四周竖立四根完整电磁线圈(27)，套置在轴杆（18)插头（54）上的磁力开关（29）沿四周布置四根竖直永磁条(28)，轴杆（18）和磁力开关（29）上分别设有四条插销槽I（31A）和插销槽II（31B）；轴杆（18）插入钻杆（17）空腔内；根据空腔四周电磁线圈(27)通电、转换电流方向以及断电，形成磁极，排斥或吸引永磁条（28），使得插头（54）上的磁力开关（29）可旋转或回转，轴杆（18）与钻杆（17）之间可稳固连接或拔出分离。

3.根据权利要求2所述的十字板剪切装置，其特征在于：所述的磁力开关（29）沿外圆周布置插销槽II（31B）呈十字行排布，每两个插销槽II（31B）之间布置永磁铁条槽（51），永磁铁条槽（51）内插有永磁铁条（28）；磁力开关（29）下部设有插孔（52），可以和插头（54）连接，连接后磁力开关（29）可以围绕其轴线自由旋转。

4.根据权利要求2所述的十字板剪切装置，其特征在于：所述的轴杆（18）顶部设有四条插销槽I（31A），插销槽I（31A）内壁布置压电敏感元件（32）和（33），每个插销槽的侧壁布置两块压电敏感元件，分别靠外侧和内侧，插销槽I（31A）和插销（30）吻合后，旋转挤压插销槽I（31A）壁面上的压电敏感元件，发出信号。

5.根据权利要求1所述的十字板剪切装置，其特征在于：所述的锥形轮（6）的一端与电机（5）连接、另一端与活动支撑（39）相连，活动支撑（39）的底端与拉条（15）连接，拉条（15）内面一端面设有齿条，拉条（15）的一端面齿条与齿轮（37）啮合，齿轮（37）又与步进电机五（14）的驱动齿轮啮合。

6.根据权利要求2所述的十字板剪切装置，其特征在于：所述的十字板剪切板轴杆（18）插入十字板（19）的轴套筒（55）中，轴套筒（55）和轴杆（18）之间沿轴杆（18）轴线等距设置有三个单向轴承（34），轴套筒（55）外壁四周对称布置有四叶十字板（19）；轴杆（18）上设置有轴杆顶十字板校正板（35）和轴杆底十字板校正板（36），轴杆顶十字板校正板（35）下缘与十字板（19）上缘之间的间距为1mm-5mm，轴杆底十字板校正板（36）上缘与十字板（19）下缘之间的间距为1mm-5mm。

7.根据权利要求1所述的十字板剪切装置，其特征在于：所述的底板（1）成方形；底板（1）的四个顶角端分别设置支脚（2）；支脚（2）分别与步进电机相连，步进电机控制升降。

8.根据权利要求6所述的十字板剪切装置，其特征在于：所述的支脚（2）包括棱锥角（40），稳定板(41)，升降柱（42），固定套（43），升降柱螺旋纹段（44）， 升降柱竖螺纹段（45）；所述的升降柱（42）穿过底板（1），升降柱（42）的底端设有稳定板(41)，稳定板(41)下端布置棱锥角（40），稳定板(41)上方与底板（1）之间设置固定套（43）；升降柱（42）的外壁面设有升降柱螺旋纹段（44），升降柱螺旋纹段（44）的上方外壁设置升降柱竖螺纹段（45）；步进电机的驱动轴上设有螺纹，步进电机的驱动轴与升降柱竖螺纹段（45）啮合。