伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪，包括主机部分、加载机构和量测信号采集处理机构；所述的主机部分是对试样施加荷载的核心；所述的加载机构包括竖向加载机构及水平加载机构；所述的量测信号采集处理机构用于对变形与荷载信号输入以及传感器信号输出进行自动控制。本发明的装置，完善了现有的动单剪仪仪器结构，使用操作简便，实现在纯剪切变形条件下，简易而准确的模拟现场的许多实际加载条件，使其适合研究如地震作用等许多岩土动力学问题；能够直接研究排水和不排水条件下的动剪应力与动剪应变的关系；另外，动力循环功能还能够用来研究阻尼比和液化特性。
【专利说明】伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪
【技术领域】
[0001]本发明属于岩土工程测试设备【技术领域】，涉及一种伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪。
【背景技术】
[0002]现有测定土剪切变形强度特性的试验仪器设备包括直剪仪、单剪仪、三轴仪、扭剪仪、平面应变仪和真三轴仪，另外动力剪切仪还包括动单剪仪、动三轴仪和动扭剪仪。现有的动单剪仪主要采用圆柱体试样和立方体试样。
[0003]圆柱体试样单剪仪利用多层叠环相结合的方法施加围压，土样被多层叠环约束，来确保横截面面积不变。但是，叠环处作为潜在的剪切面，对试样进行直剪，仍旧没有摆脱人为设定剪切面的缺陷；并且，环与环之间不能保证试样侧面平整、光滑。
[0004]立方体试样单剪仪在试样周围采用刚性边界，试样高度较小，由于尺寸效应的影响使得试验效果不理想，此外，试样与刚性板之间的相互接触会制约它们的运动，当试样发生变形后，必然产生试样与刚性板之间的相对运动，在刚性板与试样的接触面上将产生摩擦力，从而影响了动单剪试验的测试结果，使所模拟的应力与变形条件均不能准确科学的反映实际状态。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪，解决了现有技术中存在的当试样发生变形，试样与刚性板之间产生相对运动时，刚性板与试样的接触面将产生摩擦力，影响动单剪试验测试结果的问题。
[0006]本发明所采用的技术方案是，一种伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪，包括主机部分、加载机构和量测信号采集处理机构；所述的主机部分是对试样施加荷载的核心；所述的加载机构包括竖向加载机构及水平加载机构；所述的量测信号采集处理机构用于对变形与荷载信号输入以及传感器信号输出进行自动控制。
[0007]本发明的伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪，其特点还在于:
[0008]主机部分的压力室设置有刚性支架及试样腔，压力室的刚性支架结构是，包括固定在机座的底座滚轮底板，底座滚轮底板向上通过外壁支撑有导柱座，导柱座的中心孔中套装有导柱，导柱下端固定连接有盖板，导柱上端与竖向加载机构连接。
[0009]压力室的试样腔结构是，在底座滚轮底板上表面固定设置有三组底座滚轮，在三组底座滚轮的所有滚轮上支撑安置有U型动床，U型动床纵向一端设置有与水平加载机构连接的接耳；U型动床上表面设置有底板，
[0010]U型动床沿纵向两侧分别固定设置有向上竖立的U型动床侧板，每侧U型动床侧板下段水平穿有两组下滚轮轴，每个下滚轮轴外端安装有一个下滚轮，两侧的每个滚轮分别镶嵌在一个槽型支架侧板下段；朝向接耳的两个槽型支架侧板与一个槽型支架端板固定连接，远离接耳的另外两个槽型支架侧板与另一个槽型支架端板固定连接，前后两端的槽型支架端板内表面分别固定安装有一块隔板；每侧的一个槽型支架侧板上段均水平穿有一组上滚轮轴，每侧的两个上滚轮轴的外端头均安装有上滚轮，所有上滚轮均设置在外壁中的对应侧壁槽型孔中；
[0011]在每侧两个上滚轮轴内段上套装有一上横梁，在每侧两个下滚轮轴内段上套装有一下横梁，每侧的上横梁与下横梁之间铰接有两个端梁和多个排梁，在每侧的排梁与U型动床侧板之间设置有一套钢珠排。
[0012]底板上表面中心的凹槽中镶嵌有透水板，透水板和底板的上表面处于同一水平面。
[0013]底板和U型动床设置有连通的排水通道，底板和U型动床的排水通道接触面设置有O形密封圈。
[0014]竖向加载机构是，在机座上固定安装有主机支架，主机支架顶板的中心安装有竖向油压缸；竖向油压缸的活塞杆向下连接有荷载传感器，荷载传感器通过嵌入的L型固定块A与活动接头A传动连接；L型固定块A水平外端固定安装有竖向的位移传感器，该位移传感器的探头与主机支架顶板下表面连接；活动接头A向下与导柱铰接。
[0015]水平加载机构是，在机座上固定安装有固定支架，固定支架中固定安装有双接口油压缸，双接口油压缸的活塞杆依次与荷载传感器B、L型固定块B、活动接头B连接，L型固定块B竖向外端固定安装有位移传感器B，活动接头B通过传力杆与接耳铰接。
[0016]本发明的有益效果是，完善了现有的动单剪仪仪器结构，使用操作简便，实现在纯剪切变形条件下，简易而准确的模拟现场的许多实际加载条件，使其适合研究如地震作用等许多岩土动力学问题；能够直接研究排水和不排水条件下的动剪应力与动剪应变的关系；另外，动力循环功能还能够用来研究阻尼比和液化特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明装置中的主机部分的结构示意图；
[0018]图2是本发明装置中的压力室竖向剖面示意图；
[0019]图3是本发明装置中的压力室侧视剖面示意图；
[0020]图4是本发明装置中的压力室俯视剖面示意图；
[0021]图5是本发明装置中的端梁和排梁安装结构示意图；
[0022]图6是本发明装置中的钢珠排安装结构示意图。
[0023]图中，1.导柱，2.导柱座，3.盖板，4.上滚轮轴，5.隔板，6.槽型支架端板，7.透水板，8.底板，9.U型动床，10.滚轮座A，11.滚轮座B，12.滚轮座C，13.底座滚轮，14.钢珠排，15.下横梁，16.端梁，17.销钉，18.排梁，19.上横梁，20.机座，21.插销A，22.竖直位移传感器，23.主机支架，24.竖向油压缸，25.堵头，26.油管接口，27.活塞杆，28.竖直荷载传感器，29.L型固定块A，30.活动接头A，31.油压缸固定支架，32.双接口油压缸，33.油压接口 A，34.油压接口 B，35.试样，36.压力室，37.0形密封圈，38.接耳，39.下滚轮轴，40.外壁，41.槽型支架侧板，42.排水通道，43.侧壁槽型孔，44.底座滚轮底板，45.U型动床侧板，46.侧向滚轮，47.导柱座固定螺栓，48.机座固定螺栓，49.水平位移传感器，50.水平荷载传感器，51.L型固定块B，52.活动接头B，53.传力杆，54.插销B。【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0025]本发明的装置包括主机部分、加载机构、量测信号采集处理机构三大部分。其中主机部分是对试样施加荷载的核心；加载机构包括竖向加载机构及水平加载机构，分别通过一套步进电机驱动伺服油压缸施加荷载；量测信号采集处理机构用于对变形与荷载信号输入以及传感器信号输出进行自动控制，能够自动控制和测定垂直向应力和变形以及水平方向应力和变形。
[0026]参照图1、图2、图3，本发明的主机部分的结构是，压力室36设置有刚性支架及试样腔，
[0027]压力室36的刚性支架结构是，包括固定在机座20的底座滚轮底板44(作为底层)，底座滚轮底板44向上通过外壁40支撑有导柱座2 (作为上层)，外壁40固定连接在底座滚轮底板44与导柱座2之间，导柱座2的中心孔中套装有导柱1，导柱I下端固定连接有盖板3，导柱I上端与竖向加载机构连接；
[0028]压力室36的试样腔结构是，在底座滚轮底板44上表面固定设置有三组底座滚轮13，该三组底座滚轮13呈品字形水平布置；在三组底座滚轮13的所有滚轮上支撑安置有U型动床9，U型动床9与其下方的所有滚轮保持滚动接触，U型动床9纵向一端设置有与水平加载机构连接的接耳38，这样能够最大程度的减少水平移动方向(以下称为纵向)移动时的摩擦力；U型动床9上表面设置有底板8，底板8上表面中心的凹槽中镶嵌有多孔有机玻璃材料制作的透水板7 ;透水板7和底板8的上表面处于同一水平面,用于放置试样35 ；底板8和U型动床9设置有连通的排水通道42，底板8和U型动床9的排水通道42接触面设置有O形密封圈37，实现密封连接；
[0029]参照图2、图3、图4，U型动床9沿纵向两侧分别固定设置有向上竖立的U型动床侧板45，每侧U型动床侧板45下段水平穿有两组下滚轮轴39，每个下滚轮轴39外端安装有一个下滚轮，称为一对下滚轮，两侧的每个滚轮分别镶嵌在一个槽型支架侧板41下段(两侧合计总共四个槽型支架侧板41下端镶嵌的下滚轮)；朝向接耳38的两个槽型支架侧板41 (纵向后端)与一个槽型支架端板6固定连接,远离接耳38的另外两个槽型支架侧板41 (纵向前端)与另一个槽型支架端板6固定连接,前后两端的槽型支架端板6内表面分别固定安装有一块隔板5，隔板5与试样35沿纵向的两面接触(称为纵向前后的侧面)，限制前后侧向变形；每侧的一个槽型支架侧板41上段均水平穿有一组上滚轮轴4，这样每侧的两个上滚轮轴4的外端头均安装有上滚轮，所有上滚轮均设置在外壁40中的对应侧壁槽型孔43中，各个上滚轮轴4的滚轮均可在各自的侧壁槽型孔43内竖向上下运动；
[0030]U型动床9上的U型动床侧板45通过下滚轮轴39、槽型支架侧板41、上滚轮轴4依次铰接连成一体，实现U型动床9相对于外壁40沿纵向产生相对运动；
[0031]参照图3、图4、图5、图6，在每侧两个上滚轮轴4内段上套装有一上横梁19，在每侧两个下滚轮轴39内段上套装有一下横梁15，每侧的上横梁19与下横梁15之间通过销钉17铰接有两个端梁16和多个排梁18，在每侧的排梁18与U型动床侧板45之间设置有一套钢珠排14,钢珠排14位于上横梁19及下横梁15之间，且支撑在下横梁15上表面；
[0032]至此，底板8及其透水板7作为下板、槽型支架端板6内表面的隔板5作为纵向两端的侧板、每侧的两个端梁16和多个排梁18作为纵向两侧的侧板、盖板3作为上板，共同围成一个空间，称为压力室36的试样腔,试样腔内放置六面体的试样35,试样35与上述的六个面分别贴紧。
[0033]压力室36的试样腔呈立方体，试样35的尺寸优选70mmX 70mmX 70mm，试样35的
表面包裹一层乳胶膜便于装卸。
[0034]上滚轮轴4依次穿过槽型支架侧板41和上横梁19，槽型支架侧板41上段与上横梁19能够绕上滚轮轴4同轴转动；下滚轮轴39从槽型支架侧板41下段穿过U型动床侧板45和下横梁15，该三者能够绕下滚轮轴39同轴转动；下滚轮轴39随U型动床9通过接耳38牵引在水平面内往返运动时，上滚轮轴4沿侧壁槽型孔43上下运动，端梁16及排梁18倾斜一定角度，适应试样35的压缩及剪切变形。
[0035]在压力室36纵向两测的外壁40上呈三角形分布设置有三个滚轮座，即位于上方的滚轮座B11，以及位于下方前后的滚轮座AlO和滚轮座C12，该三个滚轮座均固定于竖向的外壁40上，其中的滚轮座Bll的侧向滚轮46用于支撑U型动床侧壁45，U型动床侧壁45再支撑钢珠排14，钢珠排14最终支撑排梁18 ;滚轮座AlO和滚轮座C12的侧向滚轮46用于支撑U型动床9的侧面，三个滚轮座A10、滚轮座Bll和滚轮座C12的侧向滚轮46共同实现限制U型动床9及其U型动床侧壁45的侧向位移。
[0036]底座滚轮底板44将压力室36固定于机座20，保持压力室36刚性支架的位置固定不变。
[0037]导柱座固定螺栓47用于固定导柱底座2与外壁40顶端；机座固定螺栓48用于固定底座滚轮底板44与机座20。
[0038]如图1所示，本发明两套加载机构的结构分别是，
[0039]竖向加载机构是，在机座20上固定安装有主机支架23，主机支架23顶板的中心安装有竖向油压缸24，与压力室36竖向中心一致，竖向油压缸24设置有油管接口 26及堵头25 ;竖向油压缸24的活塞杆27向下连接有荷载传感器28，荷载传感器28通过嵌入的L型固定块A29与活动接头A30传动连接，即L型固定块A29嵌在荷载传感器28与活动接头A30之间；L型固定块A29水平外端固定安装有竖向的位移传感器22，该位移传感器22的探头与主机支架23顶板下表面连接；活动接头A30向下通过插销A21与导柱I插接；
[0040]水平加载机构是，在机座20上另外固定安装有固定支架31，固定支架31中固定安装有双接口油压缸32，双接口油压缸32分别设置有油压接口 A33和油压接口 B34，双接口油压缸32的活塞杆依次与荷载传感器B50、L型固定块B51、活动接头B52连接，L型固定块B51竖向外端固定安装有位移传感器B49，该活动接头B52通过传力杆53与U型动床9的接耳38铰接，传力杆53与接耳38之间通过插销B54铰接。
[0041]上述的竖向加载机构采用一套伺服油压缸控制系统作为液压源，与竖向油压缸24连通，竖向油压缸24将竖向的荷载通过导柱I及盖板3传递到试样35上表面。
[0042]上述的水平加载机构采用两套伺服油压缸控制系统作为液压源，油压源分别与双接口油压缸32活塞两侧的油压接口 A33和油压接口 B34连通，使得双接口油压缸32活塞产生往返运动,牵引U型动床9沿水平纵向运动，通过底板8对试样35产生往返的动剪应力。
[0043]当试样35受到U型动床9上固定的底板8动剪应力作用时，上横梁15及其铰接的排梁18和端梁16上端只发生垂直方向的位移；下横梁19及其铰接排梁18和端梁16下端只发生水平方向的位移；上横梁15、下横梁19和槽型支架端板6内嵌入隔板5的形状则由原始状态的矩形变成受力状态后的菱形(试样同时受下压力及水平力的共同作用后，试样截面由矩形变成菱形)，即随试样35的剪切而发生同步的变化。在剪切过程中，下横梁15、上横梁19、槽型支架端板6内嵌入隔板5及固定底板8的U型动床9构成的铰接机构，能够有效的减少由于试样与侧板发生相对运动所产生的摩擦力对试验精度的影响。
[0044]量测信号采集处理机构，包括各个传感器、数据采集系统及相应的控制柜，均为现有技术，在此不多重复。竖向的荷载传感器28和位移传感器22量测竖向荷载及变形量，反馈与控制系统，调节竖向油压缸24活塞出力，或者活塞的运动位移，实现竖向加载控制。水平方向的加载采用两套步进电机驱动伺服油压缸控制系统，通过荷载传感器B50和位移传感器B49量测水平向荷载及变形量，反馈回控制系统，调节对双接口油压缸32活塞两侧输出油压，控制双接口油压缸32活塞的位移及方向，实现水平向加载控制。
[0045]加载机构中的两个位移传感器及两个荷载传感器分别与控制系统的PCB板的连接均采用航插连接方式，其优点在于不仅大大简化了仪器的装卸步骤，而且减少了由于经常拆卸传感器造成与PCB板接口的磨损，从而使得信号处理系统更加耐用，信号传递可靠。
[0046]本发明装置可进行土的动强度与液化试验，能够得到动剪应力与破坏周数的关系、动孔隙水压力及动剪切应变随着破坏周数发展的情况；通过动模量和阻尼比试验，能够得到动剪应力与动剪切应变、动剪切模量与动剪切应变、以及阻尼比与动剪切应变的相互关系，确定各动剪应变时的动剪切模量和阻尼比。实现了在复杂应力条件下研究土的动力学特性及强度变形变化机理，不但能够直接研究排水和不排水条件下的动剪切应力与动剪切应变的关系，还能够利用动态循环功能来研究阻尼比和液化。
【权利要求】
1.一种伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪，其特点在于:包括主机部分、加载机构和量测信号采集处理机构； 所述的主机部分是对试样施加荷载的核心； 所述的加载机构包括竖向加载机构及水平加载机构； 所述的量测信号采集处理机构用于对变形与荷载信号输入以及传感器信号输出进行自动控制。
2.根据权利要求1所述的伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪，其特点在于:所述的主机部分的压力室(36)设置有刚性支架及试样腔， 压力室(36)的刚性支架结构是，包括固定在机座(20)的底座滚轮底板(44)，底座滚轮底板(44)向上通过外壁(40)支撑有导柱座(2)，导柱座(2)的中心孔中套装有导柱(1)，导柱(I)下端固定连接有盖板(3)，导柱(I)上端与竖向加载机构连接。
3.根据权利要求2所述的伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪，其特点在于:所述的压力室(36)的试样腔结构是，在底座滚轮底板(44)上表面固定设置有三组底座滚轮(13)，在三组底座滚轮(13 )的所有滚轮上支撑安置有U型动床(9)，U型动床(9)纵向一端设置有与水平加载机构连接的接耳(38) ;U型动床(9)上表面设置有底板(8)， U型动床(9)沿纵向两侧分别固定设置有向上竖立的U型动床侧板(45)，每侧U型动床侧板(45)下段水平穿有两组下滚轮轴(39)，每个下滚轮轴(39)外端安装有一个下滚轮，两侧的每个滚轮分别镶嵌在一个槽型支架侧板(41)下段；朝向接耳(38)的两个槽型支架侧板(41)与一个槽型支架端板￠)固定连接，远离接耳(38)的另外两个槽型支架侧板(41)与另一个槽型支架端板￠)固定连接，前后两端的槽型支架端板￠)内表面分别固定安装有一块隔板(5);每侧的一个槽型支架侧板(41)上段均水平穿有一组上滚轮轴(4)，每侧的两个上滚轮轴(4)的外端头均安装有上滚轮，所有上滚轮均设置在外壁(40)中的对应侧壁槽型孔(43)中； 在每侧两个上滚轮轴(4)内段上套装有一上横梁(19)，在每侧两个下滚轮轴(39)内段上套装有一下横梁(15)，每侧的上横梁(19)与下横梁(15)之间铰接有两个端梁(16)和多个排梁(18)，在每侧的排梁(18)与U型动床侧板(45)之间设置有一套钢珠排(14)。
4.根据权利要求3所述的伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪，其特点在于:所述的底板(8)上表面中心的凹槽中镶嵌有透水板(7)，透水板(7)和底板(8)的上表面处于同一水平面。
5.根据权利要求3所述的伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪，其特点在于:所述的底板⑶和U型动床(9)设置有连通的排水通道(42)，底板⑶和U型动床(9)的排水通道(42)接触面设置有O形密封圈(37)。
6.根据权利要求1所述的伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪，其特点在于:所述的竖向加载机构是，在机座(20)上固定安装有主机支架(23)，主机支架(23)顶板的中心安装有竖向油压缸(24);竖向油压缸(24)的活塞杆(27)向下连接有荷载传感器(28)，荷载传感器(28)通过嵌入的L型固定块A(29)与活动接头A(30)传动连接山型固定块A(29)水平外端固定安装有竖向的位移传感器(22)，该位移传感器(22)的探头与主机支架(23)顶板下表面连接；活动接头A(30)向下与导柱(I)铰接。
7.根据权利要求1所述的伺服油缸驱动的立方体铰接机构动单剪仪，其特点在于:所述的水平加载机构是，在机座(20)上固定安装有固定支架(31)，固定支架(31)中固定安装有双接口油压缸(32)，双接口油压缸(32)的活塞杆依次与荷载传感器B(50)、L型固定块B (51)、活动接头B (52)连接，L型固定块B (51)竖向外端固定安装有位移传感器B (49)，活动接头B(52)通 过传力杆(53)与接耳(38)铰接。
【文档编号】G01N3/24GK103454161SQ201310357342
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月15日 优先权日:2013年8月15日
【发明者】邵生俊, 王强, 褚峰, 李佳坤 申请人:西安理工大学