CN111638145A - 秸秆材料抗剪强度测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种秸秆材料抗剪强度测试系统及测试方法，测试系统包括固定卡结构、剪切装置、感应装置以及位移控制装置，固定卡结构安装在剪切框架的中间位置，位移控制装置安装在剪切框架的底座上，感应装置安装在剪切框架的反力梁上，剪切装置的两端分别连接位移控制装置、感应装置，且剪切装置贯穿固定卡结构；固定卡结构的下缘与剪切装置的底端形成容纳待检测秸秆材料的空腔，通过剪切装置的移动实现空腔横截面积的变化；位移控制装置、感应装置均通过导线与控制器连通；本发明克服了背景技术中存在的问题，能实时、便捷地测定多种类型秸秆材料的抗剪强度。

Description

秸秆材料抗剪强度测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及一种秸秆材料抗剪强度测试系统及测试方法，属于材料力学参数测量技术领域。

背景技术

秸秆作为农作物废弃物，一部分用于还田、制作饲料、生产沼气等农业用途外，目前在工业领域对其也正在进行广泛的资源化利用研究，例如制作各种包装容器、建筑保温装饰板材、生产工业原料等；在建筑行业，秸秆材料还被当作加筋增强材料，用于提高自然土体、水泥土、混凝土等的力学性能。秸秆作为增强材料，其自身的力学性质如抗拉强度、抗剪强度对增强体的加固效果至关重要，比如基坑工程中采用秸秆水泥土桩作为支护结构时需要对水泥土墙的正截面进行抗剪承载力验算，其中秸秆的抗剪强度便是墙体抗剪力计算的重要参数。目前在秸秆材料力学性质测试领域，多数是利用万能材料试验机，基于钢筋拉伸强度的测试方法对秸秆的抗拉强度进行测定，但对于秸秆材料的抗剪强度测试方法则还欠缺。

现有的秸秆抗剪强度测试装置及方法主要是针对木本类型的秸秆材料，比如参考《木材顺纹抗剪强度试验方法》(GB1937-2009)中利用特制夹具结合万能试验机以加压的方式形成剪切力，使秸秆材料的一面对另一表面产生顺纹滑移，根据加载大小换算秸秆的顺纹抗剪强度；该方法本质上是用来测定木材的抗剪强度，因此对于内部有较多的木质部位的木本类秸秆可以用该方法进行测试，但测试前还需要对秸秆进行去皮处理，并加工成尺寸固定的木材类试件，与秸秆材料实际应用条件有较大差异；另外，目前计算秸秆材料的抗剪强度时均是使用固定的剪切面积，而实际上材料的剪切面积是随着剪切过程不断减小的，使用固定剪切面则会使秸秆的抗剪强度偏低；对于草本类的秸秆材料，秸秆内部并无木质部分，而且内部空隙较大，剪切面积也不宜确定，目前还缺少适合的抗剪强度测试装置。

发明内容

本发明提供一种秸秆材料抗剪强度测试系统及测试方法，克服了背景技术中存在的问题，实现了快速便捷的测定多种类型秸秆材料的抗剪强度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种秸秆材料抗剪强度测试系统，包括底座、连接杆以及反力梁，两根连接杆的底端同时垂直安装在底座上，两根连接杆的顶端通过反力梁连接，底座、连接杆以及反力梁构成剪切框架，还包括固定卡结构、剪切装置、感应装置以及位移控制装置，固定卡结构安装在剪切框架的中间位置，位移控制装置安装在底座上，感应装置安装在反力梁上，剪切装置的两端分别连接位移控制装置、感应装置，且剪切装置贯穿固定卡结构；

固定卡结构的下缘与剪切装置的底端形成容纳待检测秸秆材料的空腔，通过剪切装置的移动实现空腔横截面积的变化；

位移控制装置、感应装置均通过导线与控制器连通；

作为本发明的进一步优选，前述的固定卡结构包括两条平行设置的长条形铁片，每条长条形铁片的两端分别连接在两根连接杆上，且两条长条形铁片之间形成间距；

剪切装置穿过两条长条形铁片形成的间距；

作为本发明的进一步优选，前述的剪切装置包括剪切刀盘，其通过上半圆弧、下半圆弧一体成型，在剪切刀盘内部形成圆形孔洞；

剪切刀盘的下半圆弧部分为剪切刀口；

上半圆弧的弧顶通过上端紧固件与感应装置连接，下半圆弧的弧顶通过下端紧固件与位移控制装置连接；

作为本发明的进一步优选，前述的位移控制装置包括加载电机和位移传感器，位移传感器安装在位移控制装置内部，加载电机的电机轴连接加载底板，加载底板的表面与下端紧固件连接，且加载底板与底座平行设置；

作为本发明的进一步优选，前述的感应装置包括S型力传感器，其顶部通过连接螺栓固定在反力梁上，其底部通过传力杆与上端紧固件连接；

作为本发明的进一步优选，两条长条形铁片之间形成的间距范围为1mm-2mm；

作为本发明的进一步优选，剪切刀盘的剪切刀口厚度小于1mm；

一种基于上述所述的秸秆材料抗剪强度测试系统的测试方法，具体步骤如下：

第一步：将待检测秸秆材料置于固定卡结构与剪切装置的下半圆弧之间形成的空腔内，启动控制器，其向加载电机发出启动指令，电机轴旋转将加载底板向剪切装置方向移动，待检测秸秆材料与固定卡结构相接触后加载电机停止运行；

第二步：实时观察S型力传感器的接触力变化，直至待检测结构与固定卡之间大范围空隙消除；

第三步：将S型力传感器清零，记录此时固定卡结构的下缘与剪切刀盘刀口下缘之间的距离H₀，继续启动加载电机，加载底板带动剪切刀盘向反力梁方向移动，对待检测秸秆材料进行剪切，空腔横截面积缩小，位移传感器获取剪切刀口的实时剪切行程H′，通过H₀、H′得到固定卡结构的下缘与剪切刀口下缘之间的实时距离H，即H＝H₀-H′，接着得出待检测秸秆材料的实时剪切面积：

其中，L为待检测秸秆材料与固定卡结构下缘交线长度，α为剪切刀盘的下半圆弧的弧长所对应的圆心角，H为获取的固定卡结构的下缘与剪切刀口下缘之间的实时距离，A为待检测秸秆材料的实时剪切面积，R为剪切刀盘内圆形孔洞的半径；

第四步：通过S型力传感器获取待检测秸秆材料被剪切的实时载荷，最终获取待检测秸秆材料的实时抗剪强度

其中，A为待检测秸秆材料的实时剪切面积，F为实时载荷，τ为实时抗剪强度。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明无需对待检测秸秆材料进行去皮以及加工处理，可以直接进行抗剪强度测试；

2、本发明可以克服待检测秸秆材料(尤其是草本类秸秆材料)之间的孔隙较大问题，由此可以较为准确地确定剪切面积，提升了抗剪强度测试的精准度；

3、本发明可以获取待检测秸秆材料的实时剪切面积以及对应的实时载荷，从而确定实时抗剪强度，同时能获得全过程的抗剪强度数据，大幅度提高了剪切强度测试的准确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提供的优选实施例的主视示意图；

图2是本发明提供的优选实施例的固定卡结构俯视示意图；

图3是本发明提供的优选实施例的剪切刀盘的主视示意图；

图4是本发明提供的图1优选实施例中I-I处的剖面示意图。

图中：1为位移控制装置，2为加载底板，3为剪切刀盘，4为待检测秸秆材料，5为下端紧固件，6为固定卡结构，7为上端紧固件，8为传力杆，9为S型力传感器，10为反力梁，11为连接螺栓，12为底座，13为连接杆，14为控制器，15为长条形铁片。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

现有的针对秸秆类材料进行抗剪强度测试的系统，通常都需要对秸秆进行预先处理，而且无法随着待检测秸秆材料剪切面积的缩小获取实时的精准数据，导致测得的抗剪强度偏低；

基于上述缺陷，本申请提供了一种秸秆材料抗剪强度测试系统，包括底座12、连接杆13以及反力梁10，两根连接杆13的底端同时垂直安装在底座12上，两根连接杆13的顶端通过反力梁10连接，底座12、连接杆13以及反力梁10构成剪切框架，还包括固定卡结构6、剪切装置、感应装置以及位移控制装置1，固定卡结构6安装在剪切框架的中间位置，位移控制装置1安装在底座12上，感应装置安装在反力梁10上，剪切装置的两端分别连接位移控制装置1、感应装置，且剪切装置贯穿固定卡结构6；固定卡结构6的下缘与剪切装置的底端形成容纳待检测秸秆材料4的空腔，通过剪切装置的移动实现空腔横截面积的变化；位移控制装置1、感应装置均通过导线与控制器14连通。

本申请基于的原理是，当待检测秸秆材料4置于空腔内时，位移控制装置1启动后，剪切装置可在剪切框架内进行上下移动，由于固定卡结构6的位置是不发生改变的，随着剪切装置的移动，空腔的横截面积会发生改变，对待检测秸秆材料4即可实现剪切，此时感应装置、位移控制装置1获取实时的检测数据，经过控制器14的整合计算，即可获取较为准确的实时抗剪强度数据。

实施例：

图1所示，给出了本申请的其中一个优选实施例，在优选实施例中，将固定卡结构6设计成图2所示的结构，两条平行设置的长条形铁片15，每条长条形铁片15的两端分别连接在两根连接杆13上，且两条长条形铁片15之间形成间距；在实际运用过程中，有些装置上将固定卡结构6仅设置为一块长条形铁片15，这种结构可能在后期进行剪切待检测秸秆材料4时无法承受秸秆硬度，发生结构偏移，产生测试误差，因此为了保证剪切的流畅性以及稳定性，优选实施例中选用了两条平行设置的长条形铁片15，即为双片固定卡的结构。

图3所示，剪切装置设计成钢制的剪切刀盘3，其通过上半圆弧、下半圆弧一体成型，在这里需要说明的是，在实际运用过程中剪切刀盘3为一个整体结构，这里拆分成上半圆弧以及下半圆弧是为了方便连接关系的描述，在剪切刀盘3内部形成圆形孔洞，剪切刀盘3的下半圆弧部分为剪切刀口；将剪切装置设计成圆盘状的结构，是可以更好的实现对待检测秸秆材料4整体结构的约束，剪切刀盘3的圆弧更容易实现待检测结构材料的聚拢，方便获取准确的剪切面积；安装的时候剪切刀盘3穿过两条长条形铁片15之间，获取的剪切面积主要是以长条形铁片15的下缘与剪切刀盘3下缘围成的空腔横截面面积为计算依据。

待检测秸秆材料4在剪切过程中，需要实时获取其载荷，因此在优选实施例中，感应装置选用的是S型力传感器9，其顶部通过连接螺栓11固定在反力梁10上，其底部通过传力杆8与上端紧固件7连接，在测试之前，需要保证剪切刀口内的待检测秸秆材料4的上表面与固定卡结构6接触时S型力传感器9调零；利用位移控制装置1，按照一定的速率将剪切刀盘3向反力梁10方向推进，随着空腔横截面积减小，待检测秸秆材料4逐渐被剪切，在优选实施例中，位移控制装置1采用的是带位移传感器的结构，还安装有加载电机，加载电机的电机轴连接加载底板2，加载底板2的表面与下端紧固件5连接，且加载底板2与底座12平行设置；剪切刀盘3的上半圆弧的弧顶通过上端紧固件7与传力杆8连接，下半圆弧的弧顶通过下端紧固件5与加载底板2连接；在剪切过程中，S型力传感器9、位移传感器将收集到的实时数据传输至控制器14处，控制器14与计算机形成连通，控制器14自动记录该过程的S型力传感器9数据和位移量，计算机由此计算待检测秸秆材料4的实时剪切面积，最后根据抗剪强度计算公式，系统实时计算并显示出材料剪切过程中的抗剪强度值，因此避免了传统抗剪强度计算中采用固定剪切面积的弊端。

本优选实施例在剪切过程中，逐渐推移加载底板2，实现剪切刀盘3的移动，利用秸秆材料与固定卡结构6之间的接触力可以消除草本类秸秆中含有的大量空隙，因此能够简便、准确地确定实际剪切面积；

待检测的秸秆材料可能是硬度较大，也可能柔性较大，当柔性较大时，为了避免在剪切过程中秸秆卡在固定卡结构6内，将优选实施例中的固定卡结构6的间距范围设定在1mm到2mm之间；同时考虑到秸秆的硬度，将剪切刀盘3的剪切刀口厚度限定在小于1mm范围内即可。

上端紧固件7与剪切刀盘3上半圆弧的弧顶采用螺纹连接，下端紧固件5与剪切刀盘3下半圆弧的弧顶同样采用螺纹连接，方便剪切刀盘3的旋转移动以及拆卸；上端紧固件7和下端紧固件5的选择结构也有很多中，本申请中提供的为呈方型结构的连接柱，其两端开设螺纹，分别与相邻的部件进行螺纹连接即可。

最终形成了图4所示的关于图1优选实施例中I-I处的剖视图。

基于优选实施例的测试方法，具体步骤为：

第一步：将待检测秸秆材料4置于固定卡结构6与剪切装置的下半圆弧之间形成的空腔内，启动控制器14，其向加载电机发出启动指令，电机轴旋转将加载底板2向剪切装置方向移动，待检测秸秆材料4与固定卡结构6相接触后加载电机停止运行；

第二步：实时观察S型力传感器9的接触力变化，直至待检测结构与固定卡之间大范围空隙消除；

第三步：将S型力传感器9清零，记录此时固定卡结构6的下缘与剪切刀盘3刀口下缘之间的距离H₀，继续启动加载电机，加载底板2带动剪切刀盘3向反力梁10方向移动，对待检测秸秆材料4进行剪切，空腔横截面积缩小，位移传感器获取剪切刀口的实时剪切行程H′，通过H₀、H′得到固定卡结构6的下缘与剪切刀口下缘之间的实时距离H，即H＝H₀-H′，接着得出待检测秸秆材料4的实时剪切面积：

其中，L为待检测秸秆材料4与固定卡结构6下缘交线长度，α为剪切刀盘3的下半圆弧的弧长所对应的圆心角，H为获取的固定卡结构6的下缘与剪切刀口下缘之间的实时距离，A为待检测秸秆材料4的实时剪切面积，R为剪切刀盘3内圆形孔洞的半径；

第四步：通过S型力传感器9获取待检测秸秆材料4被剪切的实时载荷，最终获取待检测秸秆材料4的实时抗剪强度

其中，A为待检测秸秆材料4的实时剪切面积，F为实时载荷，τ为实时抗剪强度；

通过上述测试方法，即可实现待检测秸秆材料4剪切全过程的抗剪强度变化规律的获取。

上述只是提供了本申请的一种优选实施例的可能性，在实际的运用中，剪切装置、固定卡结构6有多种选择方式，只要两者之间形成可以容纳待检测秸秆材料4的空腔即可，针对本优选实施例，如其选用的双片固定卡结构6，在长条形铁片15的下缘也可以设置成锯齿状，使其更好的与秸秆材料进行贴合，保证剪切过程中秸秆材料的稳固性。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种秸秆材料抗剪强度测试系统，包括底座、连接杆以及反力梁，两根连接杆的底端同时垂直安装在底座上，两根连接杆的顶端通过反力梁连接，底座、连接杆以及反力梁构成剪切框架，其特征在于：还包括固定卡结构、剪切装置、感应装置以及位移控制装置，固定卡结构安装在剪切框架的中间位置，位移控制装置安装在底座上，感应装置安装在反力梁上，剪切装置的两端分别连接位移控制装置、感应装置，且剪切装置贯穿固定卡结构；

固定卡结构的下缘与剪切装置的底端形成容纳待检测秸秆材料的空腔，通过剪切装置的移动实现空腔横截面积的变化；

位移控制装置、感应装置均通过导线与控制器连通。

2.根据权利要求1所述的秸秆材料抗剪强度测试系统，其特征在于：前述的固定卡结构包括两条平行设置的长条形铁片，每条长条形铁片的两端分别连接在两根连接杆上，且两条长条形铁片之间形成间距；

剪切装置穿过两条长条形铁片形成的间距。

3.根据权利要求2所述的秸秆材料抗剪强度测试系统，其特征在于：前述的剪切装置包括剪切刀盘，其通过上半圆弧、下半圆弧一体成型，在剪切刀盘内部形成圆形孔洞；

剪切刀盘的下半圆弧部分为剪切刀口；

上半圆弧的弧顶通过上端紧固件与感应装置连接，下半圆弧的弧顶通过下端紧固件与位移控制装置连接。

4.根据权利要求3所述的秸秆材料抗剪强度测试系统，其特征在于：前述的位移控制装置包括加载电机和位移传感器，位移传感器安装在位移控制装置内部，加载电机的电机轴连接加载底板，加载底板的表面与下端紧固件连接，且加载底板与底座平行设置。

5.根据权利要求4所述的秸秆材料抗剪强度测试系统，其特征在于：前述的感应装置包括S型力传感器，其顶部通过连接螺栓固定在反力梁上，其底部通过传力杆与上端紧固件连接。

6.根据权利要求2所述的秸秆材料抗剪强度测试系统，其特征在于：两条长条形铁片之间形成的间距范围为1mm-2mm。

7.根据权利要求3所述的秸秆材料抗剪强度测试系统，其特征在于：剪切刀盘的剪切刀口厚度小于1mm。

8.一种基于上述权利要求5所述的秸秆材料抗剪强度测试系统的测试方法，其特征在于：具体步骤如下：

第一步：将待检测秸秆材料置于固定卡结构与剪切装置的下半圆弧之间形成的空腔内，启动控制器，其向加载电机发出启动指令，电机轴旋转将加载底板向剪切装置方向移动，待检测秸秆材料与固定卡结构相接触后加载电机停止运行；

第二步：实时观察S型力传感器的接触力变化，直至待检测结构与固定卡之间大范围空隙消除；

第三步：将S型力传感器清零，记录此时固定卡结构的下缘与剪切刀盘刀口下缘之间的距离H₀，继续启动加载电机，加载底板带动剪切刀盘向反力梁方向移动，对待检测秸秆材料进行剪切，空腔横截面积缩小，位移传感器获取剪切刀口的实时剪切行程H′，通过H₀、H′得到固定卡结构的下缘与剪切刀口下缘之间的实时距离H，即H＝H₀-H′，接着得出待检测秸秆材料的实时剪切面积：

其中，L为待检测秸秆材料与固定卡结构下缘交线长度，α为剪切刀盘的下半圆弧的弧长所对应的圆心角，H为获取的固定卡结构的下缘与剪切刀口下缘之间的实时距离，A为待检测秸秆材料的实时剪切面积，R为剪切刀盘内圆形孔洞的半径；

第四步：通过S型力传感器获取待检测秸秆材料被剪切的实时载荷，最终获取待检测秸秆材料的实时抗剪强度

其中，A为待检测秸秆材料的实时剪切面积，F为实时载荷，τ为实时抗剪强度。

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