CN116337616B - 一种高精度砂土单颗粒轴向加载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度砂土单颗粒轴向加载装置,包括支架、线性驱动器、荷载传感器、加载柱、位移传感器、砂土颗粒固定器和联动架,线性驱动器安装于支架上,荷载传感器安装于线性驱动器输出轴的下端上,加载柱安装于荷载传感器的底部上,砂土颗粒固定器固定于支架上,加载柱位于砂土颗粒固定器固定砂土颗粒的位置处正上方,联动架分别与加载柱和位移传感器固定连接,位移传感器位于荷载传感器一侧,位移传感器的测试触头固定于支架上。该装置结构简单,使用方便,对砂土单颗粒进行轴向压缩实验,准确度和精度高,稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于砂土力学试验技术领域,具体涉及一种高精度砂土单颗粒轴向加载装置,主要用于土木工程领域砂土微观力学行为及单颗粒强度测试的研究。
背景技术
砂土单颗粒轴向加载装置主要用于开展颗粒强度与颗粒间接触行为等方面的微观力学试验。在高应力水平下,砂土颗粒会发生颗粒破碎,从而改变土体的宏观力学行为;在较低的应力水平下,砂土颗粒的弹塑性变形规律是影响土体小应变刚度的主要因素。传统力学模型认为,砂土颗粒在荷载作用下的变形是完全弹性的,但是试验证明,砂土颗粒在剪切和压缩作用下均会发生塑性变形,然而,关于砂土颗粒在轴向荷载作用下变形规律的研究还十分有限。
目前研制的砂土单颗粒压缩试验装置主要以测试单颗粒强度为主,仪器受到加载系统的精确度,荷载传感器、位移传感器精度以及仪器整体刚度的限制,无法精确描述轴向荷载作用下砂土颗粒的变形特性,并且多数仪器的加载板并没有做特殊处理,在较高荷载作用下,加载板的变形也会对试验数据的精确性造成不同程度的影响。另外,颗粒在加载初期的转动对加载过程中砂土颗粒力-位移曲线产生影响,也是很多测试装置中没有考虑到的。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题,本发明提供了一种高精度砂土单颗粒轴向加载装置,该装置结构简单,使用方便,对砂土单颗粒进行轴向压缩实验,准确度和精度高,稳定性好。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为:
一种高精度砂土单颗粒轴向加载装置,包括支架、线性驱动器、荷载传感器、加载柱、位移传感器、砂土颗粒固定器和联动架,线性驱动器安装于支架上,荷载传感器安装于线性驱动器输出轴的下端上,加载柱安装于荷载传感器底部上,砂土颗粒固定器固定于支架上,加载柱位于砂土颗粒固定器固定砂土颗粒的位置处正上方,联动架分别与加载柱和位移传感器固定连接,位移传感器位于荷载传感器一侧,位移传感器的测试触头固定于支架上。
还包括连接杆,线性驱动器的下端与连接杆螺纹连接。
所述的连接杆下端面中央设有带外螺纹的第一衔接杆,荷载传感器顶部中央设有带内螺纹的第一衔接孔,荷载传感器底部中央设有带外螺纹的第二衔接杆,加载柱内设有带内螺纹的第二衔接孔,第一衔接杆与第一内螺纹孔螺纹连接,第二衔接杆与第二内螺纹孔螺纹连接。
所述的联动架呈Z型,加载柱和位移传感器分别贯穿联动架的两侧,且加载柱和位移传感器分别与联动架固定连接。
所述的砂土颗粒固定器呈长方体状,砂土颗粒固定器顶部中央设有用于固定砂土颗粒的凹槽,砂土颗粒固定器通过螺栓固定于支架上。
所述的支架包括顶板、底板和立杆,立杆有3根,顶板和底板均呈圆盘状,3根立杆沿圆周方向均匀分布,每根立柱的上端与顶板固定连接,每根立柱的下端与底板固定连接。
还包括固定座,固定座呈干字状,固定座包括上支撑板、下支撑板和支撑柱,上支撑板和下支撑板均呈圆盘状,上支撑板中央设有中央穿孔,支撑柱呈中空状,支撑柱与上支撑板底面中央连接,支撑柱的空腔与中央穿孔连通,支撑柱贯穿下支撑板,支撑柱与下支撑板固定连接,线性驱动器的电机外壳固定于上支撑板上,线性驱动器贯穿支撑柱,线性驱动器输出轴的保护壳位于支撑柱的空腔中,且线性驱动器输出轴的保护壳与支撑柱过盈配合。
与现有技术相比,本发明的有益效果和优点在于:
1、该装置利用线性驱动器的运动传递轴向荷载,线性驱动器工作平稳且传动精度高,最小加载速率可满足捕捉荷载较小时的砂土颗粒力-位移关系,研究轴向荷载作用下砂土颗粒的弹塑性变形规律。
2、该装置采用特殊的固定座和连接杆对线性驱动器进行固定安装,最大程度的限制了线性驱动器输出轴运动时的径向位移,避免偏心荷载的产生。
3、该装置的荷载传感器与位移传感器的精度高、误差小以及稳定性好,能准确记录砂土颗粒在轴向荷载作用下的力和位移数据。
4、该装置的加载柱采用特殊工艺处理,硬度大于石英砂,即使在较高荷载作用下的变形也可忽略不计。
5、砂土颗粒在试验前采用AB胶水固定在特制的砂土颗粒固定器上,避免了加载初期颗粒的转动,提高了试验精度。
6、该装置整体刚度高,能有效克服因装置变形而造成的系统误差。
说明书附图
图1为高精度砂土单颗粒轴向加载装置的结构示意图。
图2为顶板的结构示意图。
图3为固定座的结构示意图。
图4为线性驱动器的结构示意图。
图5为荷载传感器的结构示意图。
图6为位移传感器的结构示意图。
其中,1-顶板:101-第一中央穿孔、102-第一连接孔、103-第一螺孔;2-立杆;3-底板;4-上支撑板:401-第二中央穿孔、402-第二螺孔;5-支撑柱;6-下支撑板:601-第三中央穿孔、602-第三螺孔;7-线性驱动器:701-电机外壳、702-保护壳、703-输出轴;8-连接杆:801-第三连接孔、802-第一衔接杆;9-荷载传感器:901-第一衔接孔、902-第二衔接杆;10-加载柱:1001-第二衔接孔;11-位移传感器:1101-外部线圈、1102-铁芯、1103-定位螺母;12-联动架;13-砂土颗粒固定器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本实施例提供的高精度砂土单颗粒轴向加载装置的结构如图1所示,包括支架、线性驱动器7、固定座、连接杆8、荷载传感器9、加载柱10、位移传感器11、砂土颗粒固定器13和联动架12。
支架包括顶板1、底板3和三根立杆2,顶板1、底板3和立柱2的材质均为不锈钢。如图2所示,顶板1呈圆盘状,顶板1的直径为100mm,厚度为10mm。顶板1靠近边缘的位置处沿圆周方向设有三个均匀分布的带内螺纹的第一连接孔102,第一连接孔102的直径为10mm。顶板1中央设有第一中央穿孔101,顶板1上沿圆周方向设有四个均匀分布的第一螺孔103,四个第一螺孔103均匀分布于第一中央穿孔101的周围,第一螺孔103的直径为2.5mm。
底板3呈圆盘状,底板3的直径为100mm。底板3靠近边缘的位置处沿圆周方向设有三个均匀分布的带内螺纹的第二连接孔,第二连接孔的直径为10mm。三根立杆2的上端分别与三个第一连接孔102连接,三根立杆2的下端分别与三个第二连接孔连接。
如图3所示,固定座呈干字状,固定座包括上支撑板4、下支撑板6和支撑柱5,上支撑板4、下支撑板6和支撑柱5的材质均为不锈钢。上支撑板4和下支撑板6均呈圆盘状,上支撑板4和下支撑板6的直径均为45mm,厚度均为5mm。上支撑板4中央设有第二中央穿孔401,上支撑板4沿圆周方向设有四个均匀分布的第二螺孔402,四个第二螺孔402均匀分布于第二中央穿孔401的周围,第二螺孔402的直径为2.5mm。下支撑板6中央设有第三中央穿孔601,下支撑板6沿圆周方向设有四个均匀分布的第三螺孔602,四个第三螺孔602均匀分布于第三中央穿孔601的周围,第三螺孔602的直径为2.5mm。支撑柱5外部轮廓呈圆柱状,支撑柱5呈中空状,支撑柱5的高度为60mm,支撑柱5空腔的直径为14mm。
支撑柱5的上端与上支撑板4中央连接,且支撑柱5的空腔与第二中央穿孔401连通。支撑柱5贯穿第三中央穿孔601,支撑柱5与下支撑板6固定连接。下支撑板6位于顶板1上,通过四个第一螺孔103和四个第三螺孔602之间的配合,下支撑板6通过四个螺栓固定于顶板1上。
如图4所示,线性驱动器7(NA14B30-T4-MC04,Zaber Technologies Inc.)包括电机外壳701、保护壳702和输出轴703,保护壳702套设于输出轴703外,用于保护输出轴703。电机外壳701沿其圆周方向均匀设有四个第四螺孔,第四螺孔的直径为2.5mm。保护壳702的长度为30.5mm,直径为14mm。输出轴703的直径为3mm,最大行程为30mm,输出轴703下端呈膨大状,且输出轴703下端带有外螺纹。通过四个第二螺孔402和四个第四螺孔之间的配合,电机外壳701通过四个螺栓固定于上支撑板4上。线性驱动器7贯穿支撑柱5,且线性驱动器7的保护壳701位于支撑柱5的空腔中,支撑柱5的空腔的直径和保护壳701的直径相同,用以限制线性驱动器7的输出轴703径向方向的位移,避免偏心荷载的产生。
连接杆8呈圆柱状,连接杆8直径为14mm。连接杆8内设有与输出轴下端配合的第三连接孔801,第三连接孔801内设有内螺纹,连接杆8下端面中央设有带外螺纹的第一衔接杆802。连接杆8位于支撑柱5的空腔中内,输出轴703下端与第三连接孔801螺纹连接,连接杆8直径与支撑柱5的空腔的直径相同,用以限制线性驱动器7的输出轴703径向方向的位移,避免偏心荷载的产生。
如图5所示,荷载传感器9(F245CF00H0,NovaTech)主体呈圆柱状,荷载传感器9主体的直径为30mm,高度为20mm。荷载传感器9主体顶部中央设有带内螺纹的第一衔接孔901,第一衔接孔901的直径为6mm,深度为7mm,第一衔接杆802与第一衔接孔901螺纹连接。荷载传感器9主体底部中央设有带外螺纹的第二衔接杆902,第二衔接杆902的长度为12mm,直径为6mm。
加载柱10呈圆柱状,加载柱10的直径为10mm,高度15mm。加载柱的材质为不锈钢,通过特殊处理,硬度大于石英,最大程度减少加载过程中加载柱变形对实验数据的影响。加载柱10顶部中央开设有带内螺纹的第二衔接孔1001,第二衔接孔1001的直径为6mm,深度为12mm,第二衔接杆902与第二衔接孔1001螺纹连接。
如图6所示,位移传感器11(D6/02500U-L50,RDP Electronics Ltd.)包括外部线圈1101、铁芯1102和定位螺母1103。外部线圈1101呈圆柱状,直径9.5mm,长50mm。位移传感器的测试部分为可自由活动的铁芯1102,铁芯1102直径为2mm,量程为±2.5mm。定位螺母1103固定于底板3上,铁芯1102的下端设有外螺纹,铁芯1102的下端与定位螺母1103固定连接,铁芯1102可测量压缩过程中砂土颗粒发生的位移。
联动架12呈Z型,联动架12的材质为铝。加载柱10和位移传感器11的外部线圈分别贯穿联动架12的两侧,加载柱10和位移传感器11的外部线圈分别与联动架12过盈配合。
砂土颗粒固定器13呈长方体状,砂土颗粒固定器13顶部中央设有用于固定砂土颗粒的凹槽。砂土颗粒固定器13通过螺栓固定于底板3中央上,加载柱10位于凹槽的正上方。
利用上述的高精度砂土单颗粒轴向加载装置进行轴向压缩实验的方法如下:
S1、将砂土颗粒使用AB胶水固定于砂土颗粒固定器13的凹槽中,待胶水完全干透后(48小时),将砂土颗粒固定器13通过螺栓固定于底板3中央上;
S2、将荷载传感器9和位移传感器11分别与数据记录仪连接,通过已有的计算机程序对线性驱动器7进行设置,设置合适的加载速率;
S3、开启线性驱动器7,对砂土颗粒进行轴向压缩试验,试验过程中数据记录仪会自动实时采集时间、轴向压力、位移数据,从而获取轴向荷载作用下砂土颗粒的力—位移关系曲线,对不同应力水平下砂土颗粒的微观力学行为进行研究;
S4、试验结束后,手动或自动调节线性驱动器7,使线性驱动器7的输出轴反向旋转,使加载柱10与砂土颗粒分离,方便将砂土颗粒从砂土颗粒固定器13取出。
在试验过程应注意的事项如下:
1、试验前需要对荷载传感器9及位移传感器11进行校准,以减少试验误差的产生;
2、为避免胶水对试验结果的影响,应在保证砂土颗粒不发生翻转的情况下尽量减少胶水用量,且在胶水凝固初期使用镊子轻压砂土颗粒顶部,将砂土颗粒底部的胶水挤出。
Claims (6)
1.一种高精度砂土单颗粒轴向加载装置,其特征在于:包括支架、线性驱动器、荷载传感器、加载柱、位移传感器、砂土颗粒固定器、联动架、固定座和连接杆,线性驱动器安装于支架上,荷载传感器安装于线性驱动器输出轴的下端上,加载柱安装于荷载传感器底部上,砂土颗粒固定器固定于支架上,加载柱位于砂土颗粒固定器固定砂土颗粒的位置处正上方,联动架分别与加载柱和位移传感器固定连接,位移传感器位于荷载传感器一侧,位移传感器的测试触头固定于支架上;
固定座呈干字状,固定座包括上支撑板、下支撑板和支撑柱,上支撑板中央设有中央穿孔,支撑柱呈中空状,支撑柱与上支撑板底面中央连接,支撑柱的空腔与中央穿孔连通,支撑柱贯穿下支撑板,支撑柱与下支撑板固定连接,线性驱动器的电机外壳固定于上支撑板上,线性驱动器贯穿支撑柱,线性驱动器输出轴的保护壳位于支撑柱的空腔中,且线性驱动器输出轴的保护壳与支撑柱过盈配合;
线性驱动器的下端与连接杆螺纹连接,连接杆下端面中央设有带外螺纹的第一衔接杆,荷载传感器顶部中央设有带内螺纹的第一衔接孔,荷载传感器底部中央设有带外螺纹的第二衔接杆,加载柱内设有带内螺纹的第二衔接孔,第一衔接杆与第一内螺纹孔螺纹连接,第二衔接杆与第二内螺纹孔螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的高精度砂土单颗粒轴向加载装置,其特征在于:所述的联动架呈Z型,加载柱和位移传感器分别贯穿联动架的两侧,且加载柱和位移传感器分别与联动架固定连接。
3.根据权利要求1所述的高精度砂土单颗粒轴向加载装置,其特征在于:所述的砂土颗粒固定器呈长方体状,砂土颗粒固定器顶部中央设有用于固定砂土颗粒的凹槽,砂土颗粒固定器通过螺栓固定于支架上。
4.根据权利要求1所述的高精度砂土单颗粒轴向加载装置,其特征在于:所述的支架包括顶板、底板和立杆,立杆有3根,顶板和底板均呈圆盘状,3根立杆沿圆周方向均匀分布,每根立柱的上端与顶板固定连接,每根立柱的下端与底板固定连接。
5.根据权利要求1所述的高精度砂土单颗粒轴向加载装置,其特征在于:所述的上支撑板和下支撑板均呈圆盘状。
6.根据权利要求1所述的高精度砂土单颗粒轴向加载装置,其特征在于:所述的加载柱的材质为硬度大于石英的不锈钢。
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