CN110455616B - 一种十字板剪切试验装置 - Google Patents

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Abstract

一种十字板剪切试验装置，包括上支架、下支架、导杆、密封电气罐、第一驱动装置、采集电路舱、第二驱动装置、十字板探测组件和控制器。密封电气罐设于导杆上。第一驱动装置用于驱动密封电气罐沿导杆在上支架和下支架之间来回移动。第二驱动器用于驱动采集电路舱在密封电气罐内转动。十字板探测组件和采集电路舱连接，采集电路舱转动带动十字板探测组件转动。第一驱动装置、第二驱动装置和采集电路舱和控制器连接。上述十字板剪切试验装置，通过第一驱动装置和第二驱动装置可以实现十字板探测组件的上下移动和转动，从而完成十字板探测组件的贯入和起拔。同时密封电气罐的密封性能能有效的将密封电气罐内的设备进行密封，适合在深海进行剪切试验。

Description

一种十字板剪切试验装置
技术领域
本发明涉及水下地质原位勘探技术领域，尤其涉及一种十字板剪切试验装置。
背景技术
十字板剪切试验是用插入土中的标准十字板探头，以一定的速率扭转，量测土破坏时的抵抗力矩，测定土的不排水的抗剪强度和残余强度。在围堰、防波堤等海洋工程设计中需要采用土的抗剪强度指标进行稳定性计算。由于十字板抗剪强度指标客观真实地反映了软土地基的真实强度。所以设计者越来越多地选择采用十字板抗剪强度指标进行软土地基的稳定性计算。全面地掌握十字板抗剪强度的影响因素，对客观合理地评价软土地基的抗剪强度，具有十分重要的实用价值。
随着海洋工程的发展，海洋原位十字剪切测试的重要性也逐渐显现出来，而传统的十字剪切测试装置不能很好的适应海底环境。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种可用于深海的十字板剪切试验装置。
一种十字板剪切试验装置，包括支架、密封电气罐、第一驱动装置、采集电路舱、第二驱动装置、十字板探测组件和控制器；
所述支架包括上支架、下支架和导杆，所述导杆的两端均和所述上支架和所述下支架固定连接；
所述密封电气罐设于所述导杆上；
所述第一驱动装置用于驱动所述密封电气罐沿所述导杆在所述上支架和所述下支架之间来回移动；
所述采集电路舱设于所述密封电气罐内；
所述第二驱动器用于驱动所述采集电路舱在所述密封电气罐内转动；
所述十字板探测组件和所述采集电路舱连接，所述采集电路舱转动带动所述十字板探测组件转动；
所述第一驱动装置、所述第二驱动装置和所述采集电路舱均分别和所述控制器连接。
在一个实施例中，所述第一驱动装置包括第一电机、第一齿轮、第二齿轮、第一轴承、丝杆螺母和丝杆，所述第一电机、所述第一齿轮、所述第二齿轮、所述第一轴承和所述丝杆螺母均设于所述密封电气罐内；
所述第一电机和所述控制器连接；
所述第一齿轮和所述第一电机的转轴固定连接；
所述第二齿轮和所述丝杆螺母固定连接，所述第二齿轮和所述第一齿轮啮合；
所述丝杆螺母的外侧和所述第一轴承的内圈固定连接，所述第一轴承的外圈和所述密封电气罐固定连接；
所述丝杆螺母套设于所述丝杆上，所述丝杆的两端分别和所述上支架和所述下支架固定连接，所述丝杆穿过所述密封电气罐。
在一个实施例中，所述第一驱动装置包括第一剪切装置固定座，所述第一轴承的外圈和所述第一剪切装置固定座固定连接，所述第一剪切装置固定座固定在所述密封电气罐的底部。
在一个实施例中，所述采集电路舱包括采集电路板、采集舱体、第一水密接插件和第二水密接插件，所述采集舱体固定设于所述密封电气罐内，所述采集电路板设于所述采集舱体内部，所述第一水密接插件和所述第二水密接插件均设于所述采集舱体的外部，所述采集电路板通过所述第一水密接插件和所述控制器连接。
在一个实施例中，所述第二驱动装置包括第二电机、第三齿轮、第四齿轮和第二轴承；
所述第二电机和所述控制器连接，所述第二电机的转轴和所述第三齿轮固定连接；
所述第四齿轮和所述采集舱体固定连接，所述第三齿轮和所述第四齿轮啮合；
所述采集舱体和所述第二轴承的内圈固定连接，所述第二轴承的外圈和所述密封电气罐固定连接。
在一个实施例中，所述第二驱动装置包括第二剪切装置固定座，所述第二轴承的外圈和所述第二剪切装置固定座固定连接，所述第二剪切装置固定座固定在所述密封电气罐的底部。
在一个实施例中，所述十字板探测组件包括扭矩传感器、采集电路舱支架、第三水密接插件、探杆和十字板头；
所述十字板头设于所述探杆的一端，所述探杆的另一端和所述扭矩传感器通过螺纹连接；
所述扭矩传感器与采集电路舱支架固定连接；
所述扭矩传感器和所述第三水密接插件连接；
所述第三水密接插件和所述第二水密接插件连接。
在一个实施例中，所述下支架上设有磁铁，所述密封电气罐靠近所述下支架的一侧固定设有霍尔传感器，所述霍尔传感器和所述控制器连接，所述磁铁用于产生磁场触发所述霍尔传感器的开关信号。
在一个实施例中，所述扭矩传感器的外侧包裹有橡胶皮套，所述橡胶皮套内填充有油。
在一个实施例中，还包括第一补偿油囊和第二补偿油囊。
上述十字板剪切试验装置，第一驱动装置用于驱动密封电气罐沿导杆在上支架和下支架之间来回移动，可以实现十字板探测组件的上下移动。第二驱动装置用于驱动采集电路舱在密封电气罐内转动，十字板探测组件和采集电路舱连接，可以实现十字板探测组件的转动，从而完成十字板剪切试验装置的十字板探测组件的贯入和起拔。同时密封电气罐的密封性能能有效的将密封电气罐内的设备进行密封，适合在深海进行剪切试验。
附图说明
图1为一实施方式的十字板剪切试验装置的一视角的剖面结构示意图；
图2为图1所示的十字板剪切试验装置内部的俯视结构示意图；
图3为图1所示的十字板剪切试验装置的另一视角的剖面结构示意图。
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晰，以下结合附图及实施例，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。本发明中所说的固定连接，包括直接固定连接和间接固定。
本公开提供一种十字板剪切试验装置，可用于水下或深海十字板剪切试验，并且针对海底沉积物等松软土质有更好的测量效果。
如图1至图3所示的一实施方式的十字板剪切试验装置包括支架、密封电气罐、第一驱动装置、采集电路舱、第二驱动装置、十字板探测组件和控制器。
支架包括上支架1、下支架30和导杆，导杆的两端均和上支架1和下支架30固定连接。
密封电气罐设于导杆上。
第一驱动装置用于驱动密封电气罐沿导杆在上支架1和下支架30之间来回移动。
采集电路舱设于密封电气罐内。
第二驱动器用于驱动采集电路舱在密封电气罐内转动。
十字板探测组件和采集电路舱连接，采集电路舱转动带动十字板探测组件转动。
第一驱动装置、第二驱动装置和采集电路舱均分别和控制器连接。
上述十字板剪切试验装置，第一驱动装置用于驱动密封电气罐沿导杆在上支架1和下支架30之间来回移动，可以实现十字板探测组件的上下移动。第二驱动装置用于驱动采集电路舱在密封电气罐内转动，十字板探测组件和采集电路舱连接，可以实现十字板探测组件的转动，从而完成十字板剪切试验装置的十字板探测组件的贯入和起拔。同时密封电气罐的密封性能能有效的将密封电气罐内的设备进行密封，适合在深海进行剪切试验。
在图1所示的实施例中，密封电气罐包括电气罐端盖11和电气罐罐体14，电气罐端盖11设于电气罐罐体14的顶端。电气罐端盖11上设有第四水密接插件7。第四水密接插件7和控制器连接，第四水密接插件7用于将密封电气罐内的信息传输出去。
在图1所示的实施例中，导杆通过导杆套件和密封电气罐连接。导杆用于导向，使密封电气罐可以在丝杆5上平稳运动。进一步的，导杆的数量为两根，分别为第一导杆3和第二导杆4。第一导杆3和第二导杆4平行设置于上支架1和下支架30之间。第一导杆3和第二导杆4通过第一导杆套件10和第二导杆套件12与电气罐端盖11相连，用于导向，使密封电气罐可以在丝杆5上平稳运动。第一导杆套件10和第二导杆套件12用于分别使第一导杆3和电气罐端盖11之间以及第二导杆4和电气罐端盖11之间密封。
进一步的，上支架1和下支架30带有多个螺孔，可以通过螺纹与着陆器或者ROV相连接，可以方便的搭载在着陆器或者ROV上进行海底试验。
控制器包括电机控制电路板40。电机控制电路板40用于控制第一驱动装置和第二驱动装置进行驱动。电机控制板40上带有SD卡存储模块，可以保存旋转过程中扭矩变化的数据。
在一个实施例中，请参考图2，第一驱动装置包括第一电机31、第一齿轮32、第二齿轮35、第一轴承44、丝杆螺母41和丝杆5。第一电机31、第一齿轮32、第二齿轮35、第一轴承44和丝杆螺母41均设于密封电气罐内。
第一电机31和控制器连接。
第一齿轮32和第一电机31的转轴固定连接。
第二齿轮35和丝杆螺母41固定连接，第二齿轮35和第一齿轮32啮合。
丝杆螺母41的外侧和第一轴承44的内圈固定连接，第一轴承44的外圈和密封电气罐固定连接。
丝杆螺母41套设于丝杆5上，丝杆5的两端分别和上支架1和下支架30固定连接，丝杆5穿过密封电气罐。
进一步的，丝杆5和上支架1通过螺纹连接固定，丝杆垫片2用于增大丝杆5的接触面积、减小压力，保护丝杆5。
进一步的，第一轴承44为滚珠轴承或滑动轴承。
进一步的，电气罐端盖11和丝杆5之间设有丝杆套件6。丝杆套件6和电气罐端盖11之间设有第一密封圈8和第二密封圈9。第一密封圈8和第二密封圈9用于将丝杆套件6和电气罐端盖11之间密封连接。
进一步的，第一驱动装置还包括第一电机固定座42。第一电机固定座42的底部固定在密封电气罐的底部。第一电机31固定在第一电机固定座42上。
在图1所示的实施例中，第一驱动装置包括第一剪切装置固定座15，第一轴承44的外圈和第一剪切装置固定座15固定连接，第一剪切装置固定座15固定在密封电气罐的底部。
上述第一驱动装置，电机控制电路板40控制第一电机31转动，第一电机31带动第一齿轮32转动，第一齿轮32带动第二齿轮35转动，第二齿轮35旋转带动丝杆螺母41转动，通过第一轴承44实现整个装置在丝杆5上滑动，实现探杆28及十字板头的贯入功能。
上述十字板剪切试验装置，采用第一驱动装置的丝杆5和丝杆螺母41结构进行驱动，将丝杆5进行固定，并且将整个密封电气罐与丝杆螺母41进行固定，通过齿轮副驱动丝杆螺母41进行旋转，实现十字剪切装置的上下移动，从而完成十字剪切装置剪切板的贯入和起拔。
在图1所示的实施例中，采集电路舱包括采集电路板16、采集舱体、第一水密接插件13和第二水密接插件22。采集舱体固定设于密封电气罐内。采集电路板16设于采集舱体内部，第一水密接插件13和第二水密接插件22均设于采集舱体的外部，采集电路板16通过第一水密接插件13和控制器连接。
在图1所示的实施例中，采集舱体包括舱本体17和舱端盖20，舱端盖20设于舱本体17的开口端。舱端盖20和舱本体17之间设有第三密封圈18和第四密封圈19。第三密封圈18和第四密封圈19用于舱端盖20和舱本体17之间密封连接。
进一步的，第二水密接插件22设于舱端盖20上。第一水密接插件13设于舱本体17远离舱端盖20的一端。
在一个实施例中，请参考图2，第二驱动装置包括第二电机38、第三齿轮37、第四齿轮36和第二轴承45。
第二电机38和控制器连接，第二电机38的转轴和第三齿轮37固定连接。
第四齿轮36和采集舱体固定连接，第三齿轮37和第四齿轮36啮合。
采集舱体和第二轴承45的内圈固定连接，第二轴承45的外圈和密封电气罐固定连接。
进一步的，第二轴承45为滚珠轴承或滑动轴承。
进一步的，在图1所示的实施例中，第二驱动装置还包括第二电机固定座43。第二电机固定座43的底部固定在密封电气罐的底部。第二电机38固定在第二电机固定座43上。
进一步的，在图1所示的实施例中，第二驱动装置包括第二剪切装置固定座46，第二轴承45的外圈和第二剪切装置固定座46固定连接，第二剪切装置固定座46固定在密封电气罐的底部。
电机控制电路板40控制第二电机38转动，第二电机38带动第三齿轮37转动，第三齿轮37带动第四齿轮36转动，第四齿轮36固定在舱本体17上。舱本体17、舱端盖20、采集电路舱支架23、扭矩传感器25和探杆28及十字板头固定连接。舱本体17固定在第二轴承45的内圈上。第二轴承45的外圈固定在密封电气罐上。通过第二轴承45，第四齿轮36转动时带动探杆28及十字板头转动。
进一步的，第二剪切装置固定座46与电气罐罐体14之间设有第五密封圈21。第五密封圈21用于第二剪切装置固定座46与电气罐罐体14之间密封连接。
在图1所示的实施例中，十字板探测组件包括扭矩传感器25、采集电路舱支架23、第三水密接插件24、探杆28和十字板头。
十字板头设于探杆28的一端，探杆28的另一端和扭矩传感器25通过螺纹连接。
扭矩传感器25与采集电路舱支架23固定连接。
扭矩传感器25和第三水密接插件24连接。
第三水密接插件24和第二水密接插件22连接。
扭矩传感器25将旋转过程中扭矩的变化转换成模拟电信号。扭矩传感器25输出的模拟信号通过第二水密接插件22和第三水密接插件24传输到舱本体17中，采集电路舱为干舱。采集电路板16实现放大、滤波、模数转换，将扭矩传感器25输出的模拟信号转换为稳定可靠的数字信后并通过安装在舱盖上的第一水密接插件13传递出去。信号通过第一水密接插件13传递到电机控制板40，再由电机控制板40传递到第四水密接插件7。电机控制板40与水密接插件之间通过电缆连接。
进一步的，扭矩传感器25通过法兰与采集电路舱支架23相连接，针对不同的测试环境，可以方便的更换不同尺寸的探杆28及十字板头和不同量程的扭矩传感器，实现十字传感器的量程变化。
在图1所示的实施例中，下支架30上设有磁铁29，密封电气罐靠近下支架30的一侧固定设有霍尔传感器34，霍尔传感器34和控制器连接，磁铁29用于产生磁场触发霍尔传感器34的开关信号。
具体的，磁铁29通过螺纹与下支架相连接。霍尔传感器34固定在电气罐底部，磁铁29固定在下支架30上，当探杆28贯入时，密封电气罐会整体向下移动，密封电气罐与下支架30的距离缩短，霍尔传感器34与磁铁29的距离也在缩短，当霍尔传感器34与磁铁29的距离达到一定值时(2cm左右)，探杆28达到最大贯入深度，磁铁29产生的磁场会触发霍尔传感器34的开关信号，通过电缆传输到电机控制板40。电机控制板40控制第一电机31停止贯入，可以在贯入过程中有效的避免十字板剪切试验装置超出安全的贯入距离，提高可靠性。
在图1所示的实施例中，扭矩传感器25的外侧包裹有橡胶皮套，橡胶皮套内填充有油。橡胶皮套即补充油囊26。补充油囊26可实现扭矩传感器25与外部压力平衡，从而保证扭矩传感器25内外压平衡。
在图1所示的实施例中，十字板剪切试验装置还包括第一补偿油囊33和第二补偿油囊39，第一补偿油囊33和第二补偿油囊39通过螺纹连接的方式安装在密封电气罐的底部，均用于对密封电气罐的内部进行压力补偿。第一补偿油囊33和第二补偿油囊39是橡胶的，受压后第一补偿油囊33和第二补偿油囊39产生形变，改变体积，实现内外压补偿。
上述十字板剪切试验装置，将贯入模块和剪切模块通过同一个密封电气罐进行封装，并通过内置补偿器的方法实现补偿，结构紧凑、补偿方便。
上述十字板剪切试验装置通过设置第一密封圈8、第二密封圈9、第三密封圈18、第四密封圈19、第五密封圈21等密封圈，实现了丝杆套件6与电气罐端盖11、采集舱体与舱端盖20、剪切装置固定座15与电气罐罐体14几个部位的密封，使密封电气罐成为一个完整的密封区域，实现油水隔离。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种十字板剪切试验装置，其特征在于，包括支架、密封电气罐、第一驱动装置、采集电路舱、第二驱动装置、十字板探测组件和控制器；
所述支架包括上支架、下支架和导杆，所述导杆的两端均和所述上支架和所述下支架固定连接；
所述密封电气罐设于所述导杆上；
所述第一驱动装置用于驱动所述密封电气罐沿所述导杆在所述上支架和所述下支架之间来回移动；
所述采集电路舱设于所述密封电气罐内；所述采集电路舱包括采集电路板、采集舱体、第一水密接插件和第二水密接插件，所述采集舱体固定设于所述密封电气罐内，所述采集电路板设于所述采集舱体内部，所述第一水密接插件和所述第二水密接插件均设于所述采集舱体的外部，所述采集电路板通过所述第一水密接插件和所述控制器连接；
所述第二驱动装置用于驱动所述采集电路舱在所述密封电气罐内转动；
所述十字板探测组件和所述采集电路舱的所述第二水密接 插件连接，所述采集电路舱转动带动所述十字板探测组件转动；所述十字板探测组件包括扭矩传感器、采集电路舱支架、第三水密接插件、探杆和十字板头；所述十字板头设于所述探杆的一端，所述探杆的另一端和所述扭矩传感器通过螺纹连接；所述扭矩传感器通过法兰与所述采集电路舱支架固定连接；所述扭矩传感器和所述第三水密接插件连接；所述第三水密接插件和所述第二水密接插件连接；所述扭矩传感器的外侧包裹有橡胶皮套，所述橡胶皮套内填充有油；
所述第一驱动装置、所述第二驱动装置和所述采集电路舱均分别和所述控制器连接。
2.如权利要求1所述的十字板剪切试验装置，其特征在于，所述第一驱动装置包括第一电机、第一齿轮、第二齿轮、第一轴承、丝杆螺母和丝杆，所述第一电机、所述第一齿轮、所述第二齿轮、所述第一轴承和所述丝杆螺母均设于所述密封电气罐内；
所述第一电机和所述控制器连接；
所述第一齿轮和所述第一电机的转轴固定连接；
所述第二齿轮和所述丝杆螺母固定连接，所述第二齿轮和所述第一齿轮啮合；
所述丝杆螺母的外侧和所述第一轴承的内圈固定连接，所述第一轴承的外圈和所述密封电气罐固定连接；
所述丝杆螺母套设于所述丝杆上，所述丝杆的两端分别和所述上支架和所述下支架固定连接，所述丝杆穿过所述密封电气罐。
3.如权利要求2所述的十字板剪切试验装置，其特征在于，所述第一驱动装置包括第一剪切装置固定座，所述第一轴承的外圈和所述第一剪切装置固定座固定连接，所述第一剪切装置固定座固定在所述密封电气罐的底部。
4.如权利要求3所述的十字板剪切试验装置，其特征在于，所述第二驱动装置包括第二电机、第三齿轮、第四齿轮和第二轴承；
所述第二电机和所述控制器连接，所述第二电机的转轴和所述第三齿轮固定连接；
所述第四齿轮和所述采集舱体固定连接，所述第三齿轮和所述第四齿轮啮合；
所述采集舱体和所述第二轴承的内圈固定连接，所述第二轴承的外圈和所述密封电气罐固定连接。
5.如权利要求4所述的十字板剪切试验装置，其特征在于，所述第二驱动装置包括第二剪切装置固定座，所述第二轴承的外圈和所述第二剪切装置固定座固定连接，所述第二剪切装置固定座固定在所述密封电气罐的底部。
6.如权利要求1所述的十字板剪切试验装置，其特征在于，所述下支架上设有磁铁，所述密封电气罐靠近所述下支架的一侧固定设有霍尔传感器，所述霍尔传感器和所述控制器连接，所述磁铁用于产生磁场触发所述霍尔传感器的开关信号。
7.如权利要求1所述的十字板剪切试验装置，其特征在于，还包括第一补偿油囊和第二补偿油囊，所述第一补偿油囊和所述第二补偿油囊通过螺纹连接的方式安装在所述密封电气罐的底部。
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