CN108458905B - 一种半自动空心圆柱土样制作装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半自动空心圆柱土样制作装置，属于岩土工程相关领域，包括一种半自动空心圆柱土样制作装置，包括固定盖板，切土铁丝，中隔板，切土铁丝刀架，托盘，第一步进电机，第二步进电机，第三步进电机，PLC，取土圆筒等，第一步进电机，第二步进电机，第三步进电机分别与PLC相连。切土铁丝两端与切土铁丝刀架相连，铁丝可以自动上下运动，刀架也可以自动前后移动，托盘用于控制待切削土样的转动，取土圆筒可以上下移动也可以转动，由于该装置为半自动，操作极其简便，制样精度高，大大节省了实验人员的时间与精力，解决了实现半自动空心圆柱土样制作的装置问题。

Description

一种半自动空心圆柱土样制作装置

技术领域

本发明涉及一种半自动空心圆柱土样制作装置，属于岩土工程中土体力学性能测试相关领域。

背景技术

随着我国经济的发展，社会对于交通运输的需求不断增大，然而陆地地面资源有限，充分利用地下空间以及修建海底隧道已经成为解决陆地地面资源有限的新思路，然而要做好地下空间开发就需要对于土体的力学形状进行研究。土体承受的最常见的动力荷载为地震荷载，车辆荷载以及波浪荷载等，而土体在这些荷载下的应力路径多为涉及到主应力轴旋转的复杂应力路径，空心圆柱扭剪仪(HCA)可以实现包括主应力轴旋转在内的多种复杂应力路径的最先进的土工试验设备，该仪器的土样为空心圆柱土样，土样质量的好坏直接影响到了试验结果是否准确，目前进行空心圆柱土样的切削与钻取空心绝大多数都是人工完成，需要花费试验人员一定的时间以及精力，其中还有人为因素对土样质量的影响，从而影响了土样的制作质量且效率较低。因此，利用自动化程度比较高的实验装置进行空心圆柱土样的制作成为迫切需要解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种半自动空心圆柱土样制作装置，实现了精度高，可以节省试验人员人工切削以及钻取空心的时间以及精力的半自动空心圆柱土样的制作装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种半自动空心圆柱土样制作装置，包括固定盖板，切土铁丝，中隔板，切土铁丝刀架，托盘，第一步进电机，第二步进电机，第三步进电机和取土圆筒；

所述中隔板中间开有中心通孔，两侧开有两条平行的第一滑槽，第一滑槽的侧壁具有齿条结构；切土铁丝刀架由两个竖直安装的第一支架和固定在所述第一支架上方的横梁组成，固定盖板通过两个螺栓安装于横梁下方；固定盖板开有中心通孔，且与所述中隔板的中心通孔的对齐；第一支架下端水平安装有齿轮，所述齿轮位于第一滑槽内，且与侧壁的齿条结构啮合；所述第一支架内具有一个竖直的第二滑槽，第二滑槽的一侧具有与第二滑槽相通的槽口；所述第一步进电机和第二步进电机均嵌入式安装在第一支架内，第二滑槽内安装有竖直的第一丝杠，第一丝杠上安装有第一滑块，第一步进电机的输出端与第一丝杠相连；第二步进电机位于所述支架的下端，输出端与齿轮相连；所述切土铁丝的两端分别与一第一滑块相连；

第三步进电机嵌入式安装在中隔板内，与一安装在中隔板上的传动齿轮相连，所述托盘具有中心通孔，通过一中心轴承水平安装在中隔板的中心通孔处，托盘外边缘具有锯齿结构，与所述传动齿轮啮合；

所述取土圆筒通过一升降机构安装在中隔板的中心通孔的正下方；所述取土圆筒包括筒体和第四步进电机，第四步进电机与筒体相连，驱动筒体转动。筒体直径小于上述所有中心通孔直径。

进一步地，所述升降机构包括两个竖直安装在中隔板下方的第二支架和支撑杆；第二支架内具有一个竖直的第三滑槽，第三滑槽的一侧具有与第三滑槽相通的槽口；第二支架底部安装有第五步进电机，第三滑槽内安装有竖直的第二丝杠，第五步进电机的输出端与第二丝杠相连；第二丝杠上安装有第二滑块；支撑杆的两端分别与一第二滑块相连；所述取土圆筒安装在支撑杆上。

进一步地，所述中心轴承的外圈与中隔板的中心通孔相连，内圈与托盘的中心通孔相连。

进一步地，横梁与两根螺栓为一个整体，固定盖板上下两侧分别通过一螺母固定于螺栓上。

进一步地，所述升降机构以及各个电机与PLC相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明由于装置为半自动，且操作简便，可以节省实验操作人员的精力与时间。

2、本发明由于为机械切削，切削精度高，大大降低了人为因素对土样制作质量的影响。

3、本发明由于切削土样为分层逐步切削，切土铁丝的运动速度与每一次的切削量都经严格的控制，大大降低了对土样的扰动。

4、本发明由于取土圆筒的转动速度均匀且经过严格的控制，以及每一次的取土量都相同，钻取空心的效果很好。

附图说明

图1为装置主视图：

图中，横梁1，螺栓2，螺母3，固定盖板4，切土铁丝5，第一步进电机6，第一滑块7，土样8，第二步进电机9，齿条结构10，托盘11，第一滑槽12，齿轮13，第一丝杠14，第二滑槽15，第一支架16，筒体17，第四步进电机18，支撑杆19，第二滑块20，第五步进电机21，第三滑槽22，第二丝杠23，中隔板24。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种半自动空心圆柱土样制作装置，包括固定盖板4，切土铁丝5，中隔板24，切土铁丝刀架，托盘11，第一步进电机6，第二步进电机9，第三步进电机，PLC，取土圆筒17，第一步进电机6，第二步进电机9，第三步进电机分别与PLC相连；

所述中隔板24中间开有中心通孔，两侧开有两条平行的第一滑槽12，第一滑槽12的侧壁具有齿条结构10；切土铁丝刀架由两个竖直安装的第一支架16和固定在所述第一支架16上方的横梁1组成，固定盖板4通过两个螺栓2安装于横梁1下方；固定盖板4开有中心通孔，且与所述中隔板24的中心通孔的对齐；第一支架16下端水平安装有齿轮13，所述齿轮13位于第一滑槽12内，且与侧壁的齿条结构10啮合；所述第一支架16内具有一个竖直的第二滑槽15，第二滑槽15的一侧具有与第二滑槽15相通的槽口；所述第一步进电机6和第二步进电机9均嵌入式安装在第一支架16内，第二滑槽15内安装有竖直的第一丝杠14，第一丝杠14上安装有第一滑块7，第一步进电机6的输出端与第一丝杠14相连；第二步进电机9位于所述支架16的下端，输出端与齿轮13相连；所述切土铁丝5的两端分别与一第一滑块7相连；第一步进电机6用于驱动第一滑块7上下运动，从而带动切土铁丝5对土样进行切割；第二步进电机9用于带动刀架在滑槽内移动。

第三步进电机嵌入式安装在中隔板24内，与一安装在中隔板24上的传动齿轮相连，所述托盘11具有中心通孔，通过一中心轴承水平安装在中隔板24的中心通孔处，托盘11外边缘具有锯齿结构，与所述传动齿轮啮合；第三步进电机通过传动齿轮带动托盘转动，托盘11用于放置土样以及带动土样进行转动。

所述取土圆筒通过一升降机构安装在中隔板24的中心通孔的正下方；所述取土圆筒包括筒体17和第四步进电机18，第四步进电机18与筒体17相连，驱动筒体17转动。筒体17直径小于上述所有中心通孔直径。

所述升降机构可以具体为：包括两个竖直安装在中隔板24下方的第二支架和支撑杆19；第二支架内具有一个竖直的第三滑槽22，第三滑槽22的一侧具有与第三滑槽22相通的槽口；第二支架底部安装有第五步进电机21，第三滑槽22内安装有竖直的第二丝杠23，第五步进电机21的输出端与第二丝杠23相连；第二丝杠23上安装有第二滑块20；支撑杆19的两端分别与一第二滑块20相连；所述取土圆筒安装在支撑杆19上。第五步进电机21驱动第二丝杠23转动，从而使得第二滑块20上下滑动，两个第五步进电机21保持相同的输出功率，使得第二滑块同步移动，带动支撑杆19上下平动。

中隔板24与托盘11的安装方式可以为：中心轴承的外圈与中隔板24的中心通孔相连，内圈与托盘11的中心通孔相连。

图中，横梁1与两根螺栓2为一个整体，固定盖板4上下两侧分别通过一螺母3固定于螺栓2上。

作为优选的方案，所述升降机构与PLC相连。即第五步进电机21与PLC相连。

对于外径为a，内径为b的土样，切削以及钻取空心的过程包括以下步骤：

(1)初始化，将固定盖板4调整至高于待切削土样上表面的高度，使其不限制土样的转动，将待切削土样8(直径大于a)放置于托盘上，PLC控制器驱动第二步进电机9，使之位于托盘的中心位置；

(2)PLC控制器驱动第二步进电机9，使得切土铁丝5向前或向后移动至1号位置，即距离初始位置处；

(3)驱动第一步进电机6匀速旋转，使得切土铁丝5上下运动，即完成了一次上下切割；

(4)驱动第三步进电机带动托盘转动18°角，之后切土铁丝再次完成一次上下运动，托盘再次转动18°角，依次类推，托盘转动19次后可切出一个正20边形(非常接近圆形)；

(5)PLC控制器驱动第二步进电机9，使得切土铁丝5向前或向后移动，使之位于距离初始位置的2号位置处；然后按照步骤3-4进行切割；

(6)PLC控制器驱动第二步进电机9，使得切土铁丝5依次位于3号、4号、……、7号位置处，并分别按照步骤3-4进行切割；3号位置为距离初始位置4号位置为距离初始位置/>5号位置为距离初始位置/>6号位置为距离初始位置/>7号位置为距离初始位置/>注意到从1号位置到6号位置，每一个增量的分母构成斐波那契数列，在切削过程中，为尽量减少对土样的扰动，采取逐步向内切削的方案，一层层切，而且切土铁丝的速度不应太快。

(7)精细打磨(自动进入至该阶段)：第三步进电机始终保持匀速运动，使得托盘不断转动，第一步进电机6也不断工作，使得切土铁丝上下不断运动，上下运动30次后，完成了土样外径的切削。

(8)选取直径为b的筒体17以及空心圆直径稍大于b的固定盖板4安装与装置上，将固定盖板4调整至待切削土样上表面的位置，使其对土样加以限制。

(9)驱动第五步进电机21使得筒体17向上运动一段距离，同时驱动第四步进电机18保持匀速转动，从而带动取土圆筒转动，进行钻取空心，钻进一段高度后，驱动第五步进电机21使得筒体17向下运动一段距离后停止运行，人工取出取土圆筒中的土体，之后在进行上述过程，直至筒体17穿过固定盖板4中的空心圆时即完成钻取空心，从而完成了外径为a，内径为b的空心圆柱土样的制作。

Claims (5)

1.一种半自动空心圆柱土样制作装置，包括固定盖板(4)，切土铁丝(5)，中隔板(24)，切土铁丝刀架，托盘(11)，第一步进电机(6)，第二步进电机(9)，第三步进电机和取土圆筒；

所述中隔板(24)中间开有中心通孔，两侧开有两条平行的第一滑槽(12)，第一滑槽(12)的侧壁具有齿条结构(10)；切土铁丝刀架由两个竖直安装的第一支架(16)和固定在所述第一支架(16)上方的横梁(1)组成，固定盖板(4)通过两个螺栓(2)安装于横梁(1)下方；固定盖板(4)开有中心通孔，且与所述中隔板(24)的中心通孔的对齐；第一支架(16)下端水平安装有齿轮(13)，所述齿轮(13)位于第一滑槽(12)内，且与侧壁的齿条结构(10)啮合；所述第一支架(16)内具有一个竖直的第二滑槽(15)，第二滑槽(15)的一侧具有与第二滑槽(15)相通的槽口；所述第一步进电机(6)和第二步进电机(9)均嵌入式安装在第一支架(16)内，第二滑槽(15)内安装有竖直的第一丝杠(14)，第一丝杠(14)上安装有第一滑块(7)，第一步进电机(6)的输出端与第一丝杠(14)相连；第二步进电机(9)位于所述支架(16)的下端，输出端与齿轮(13)相连；所述切土铁丝(5)的两端分别与一第一滑块(7)相连；

第三步进电机嵌入式安装在中隔板(24)内，与一安装在中隔板(24)上的传动齿轮相连，所述托盘(11)具有中心通孔，通过一中心轴承水平安装在中隔板(24)的中心通孔处，托盘(11)外边缘具有锯齿结构，与所述传动齿轮啮合；

所述取土圆筒通过一升降机构安装在中隔板(24)的中心通孔的正下方；所述取土圆筒包括筒体(17)和第四步进电机(18)，第四步进电机(18)与筒体(17)相连，驱动筒体(17)转动；筒体(17)直径小于上述所有中心通孔直径。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述升降机构包括两个竖直安装在中隔板(24)下方的第二支架和支撑杆(19)；第二支架内具有一个竖直的第三滑槽(22)，第三滑槽(22)的一侧具有与第三滑槽(22)相通的槽口；第二支架底部安装有第五步进电机(21)，第三滑槽(22)内安装有竖直的第二丝杠(23)，第五步进电机(21)的输出端与第二丝杠(23)相连；第二丝杠(23)上安装有第二滑块(20)；支撑杆(19)的两端分别与一第二滑块(20)相连；所述取土圆筒安装在支撑杆(19)上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中心轴承的外圈与中隔板(24)的中心通孔相连，内圈与托盘(11)的中心通孔相连。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，横梁(1)与两根螺栓(2)为一个整体，固定盖板(4)上下两侧分别通过一螺母(3)固定于螺栓(2)上。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括PLC，第一步进电机(6)，第二步进电机(9)，第三步进电机，升降机构分别与PLC相连。