一种搓条仪的制作方法

本发明属于测试用样品制备装置领域，具体涉及一种搓条仪。

背景技术：

液、塑限是土力学中很重要的物理性质指标之一，其中，塑限是指土由可塑状态过渡到半固体状态时的界限含水率。根据行业标准《土工试验规程》SL237-1999和国家标准《土工试验方法标准》GB/T50123-1999的相关规定，我国目前土工试验测定塑限的试验主要有“液限、塑限联合测定法”和“搓滚法(滚搓法)”两种试验方法。

“液限、塑限联合测定法”测定的成果分散性一般比手搓法小；对土类的适用性也比较广，圆锥入土深度与含水量在双对数坐标上呈现较好的直线关系，这样对联合测定液塑限提供了一定的可靠性。但“液限、塑限联合测定法”也有其缺陷，对于每个土试样，均需制备三份试样，对土试样制备的要求也较为严格。

“搓滚法”是将土试样搓成3mm的土条，搓条方法各国不尽相同，但均以搓至3mm断裂时的含水量为塑限。采用“搓滚法”，每个土试样只需制备两份试样，而且对土试样的制备要求不高，这使得“搓滚法”能大大提高试验效率，具有显著的优势。

各项工程建设在设计和施工之前，必须按建设程序进行地基勘察，勘察项目野外作业完成后，会有大量土试样需要在短期内完成室内土工试验。这使得土工试验体现出土试样间隔性数量较集中的特点。而一般土工实验室的人员数量有限，在较短的时间内完成集中的大量土试样对试验工作效率的要求就更加苛刻。“搓滚法”与“液限、塑限联合测定法”相比，“搓滚法”的试验效率较高，对土试样制备要求较低，制备数量较少，所以，目前国内还是多采用搓条法来测定土试样的塑限。

因此，在面对大量土试样时，人员有限，人工搓条制备试样效率较低、精度较差是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种搓条仪，可以显著提高搓条的效率和精度。

具体地，一方面，提供了一种搓条仪，包括机架、顶升机构和搓动机构，上述机架包括底座和悬挑，悬挑通过竖梁固定设置于底座上方；上述顶升机构包括线性导轨、斜面体、第一导轨、第一滑块、立轴、竖向滑座、下板和第一电机；线性导轨固定于底座上，斜面体设于线性导轨上方并能够沿线性导轨方向移动，第一导轨平行斜面体的斜面并固定设于斜面上，第一滑块滑动安装于第一导轨上，立轴垂直固定于第一滑块上，竖向滑座与立轴滑动连接并固定于机架上，使立轴垂直沿上下方向移动，下板底面与立轴顶部固定连接，第一电机用于驱动斜面体沿线性导轨的方向移动；上述搓动机构包括上板和第二电机，上板平行位于下板正上方，上板顶面与悬挑滑动连接，并能够沿水平方向往复移动，第二电机用于驱动上板沿水平方向往复移动。

进一步地，上述搓动机构还包括第二导轨、第二滑块、连杆和曲轴；上板顶面与第二滑块固定连接，第二滑块安装于第二导轨上，并能够沿第二导轨方向移动，第二导轨水平固定于悬挑上，连杆的一端与第二滑块连接，另一端与曲轴连接，第二电机用于驱动曲轴转动。

进一步地，第一电机、第二电机通过连接控制机构实现其开关及转速控制。

进一步地，上述控制机构根据第二预设规则对第二电机的开关进行控制，第二预设规则包括：

(1)第二电机开启T₁时间；

(2)关闭T₀时间，开启T₂时间，循环N次；

(3)开启T₃时间；

(4)关闭。

进一步地，上述下板包括固定板、抽拉板及卡接件，固定板底面与立轴顶部固定连接，抽拉板通过卡接件固定于固定板上。

进一步地，上述抽拉板包括主板、下压板和弹性铰接件，主板与下压板通过弹性铰接件水平无缝拼接；上述搓条仪还包括与抽拉板处于同一高度的触碰判别机构，触碰判别机构包括短杆、长杆、拉绳、绳轴和第三电机；短杆与第三电机的电机轴垂直设置，短杆的第一端与电机轴连接，第二端位于下压板的上方；长杆与第三电机的电机轴垂直设置，长杆的第一端与电机轴连接，第二端位于下压板和短杆的第二端上方；绳轴垂直套设于电机轴的外周；拉绳的一端与绳轴连接，另一端与主板连接。

进一步地，上述第一电机和/或第二电机为步进电机。

进一步地，上述顶升机构还包括减速器，减速器的一端与第一电机连接，另一端与线性导轨的驱动端连接。

进一步地，上述上板下表面覆有憎水高分子弹性材料层。

进一步地，上述下板上表面覆有毛玻璃层。

上述的搓条仪在工作时，取土试样一小块，捏成橄榄形，然后放置于下板上，第一电机启动，驱动线性导轨上的斜面体和第一导轨沿线性导轨的方向移动。由于竖向滑座与立轴滑动连接，并且固定在机架上，因此，立轴只能在竖直方向上发生位移。随着斜面体和第一导轨的移动，导轨高度逐渐上升，第一滑块和固定在第一滑块上的立轴在竖直方向上被逐渐顶升，相应的，固定在立轴顶部的下板也被逐渐顶升，从而将斜面体的水平位移转换成下板向上的位移，使得整个顶升机构的结构稳定性更好。第二电机驱动上板，在水平方向上往复移动，随着下板高度逐渐提升，上板不断往复搓动，最终将橄榄形土试样搓成预设要求的样品，常规的通常搓至直径为3mm，则土试样制备完成。通过使用上述搓条仪，大大提高了制备试样的效率，并且制备出的试样一致性更高。此外，上述搓条仪的精度较高，稳定性更好。

附图说明

图1为本发明所提供的搓条仪的其中一个具体实施方式的正面结构示意图。

图2为图1所示的搓条仪的侧面结构示意图。

图3为本发明所提供的搓条仪中曲轴和连杆的其中一个具体实施方式的后视结构示意图。

图4为图3所示的曲轴和连杆的侧视图。

图5为本发明所提供的搓条仪的控制机构的其中一个具体实施方式的连接示意图。

图6为本发明所提供的搓条仪的触碰判别机构的其中一个具体实施方式的俯视结构示意图。

图7为图6所示的触碰判别机构的主视结构示意图。

图8为本发明所提供的搓条仪的控制机构的另一个具体实施方式的连接示意图。

附图标记说明：底座11；悬挑12；竖梁13；线性导轨21；线性滑块211；斜面体22；第一导轨23；第一滑块24；立轴25；立轴座251；竖向滑座26；竖向滑座支架261；下板27；固定板271；抽拉板272；主板2721；下压板2722；第一电机28；减速器281；联轴器282；上板31；第二电机32；第二导轨33；第二滑块34；连杆35；曲轴36；联轴节361；控制机构4；短杆51；长杆52；拉绳53；绳轴54；第三电机55；第三电机转轴551；导向轮56；土条6。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请结合图1和图2，在一个具体的实施方式中，提供了一种搓条仪，包括机架、顶升机构和搓动机构，机架包括底座11和悬挑12，悬挑12通过竖梁固定设置于底座11上方；顶升机构包括线性导轨21、斜面体22、第一导轨23、第一滑块24、立轴25、竖向滑座26、下板27和第一电机28；线性导轨21固定于底座11上，斜面体22设于线性导轨21上方并能够沿线性导轨21方向移动，第一导轨23平行斜面体22的斜面并固定设于斜面上，第一滑块24滑动安装于第一导轨24上，立轴25垂直固定于第一滑块24上，竖向滑座26与立轴25滑动连接并固定于机架上，使立轴25垂直沿上下方向移动，下板27底面与立轴25顶部固定连接，第一电机28用于驱动斜面体22沿线性导轨21的方向移动；搓动机构包括上板31和第二电机32，上板31平行设置于下板27正上方，上板31顶面与悬挑12滑动连接，并能够沿水平方向往复移动，第二电机32用于驱动上板31沿水平方向往复移动。

上述的搓条仪在工作时，取土试样一小块，捏成橄榄形，然后放置于下板上，第一电机启动，驱动线性导轨上的斜面体和第一导轨沿线性导轨的方向移动。由于竖向滑座与立轴滑动连接，并且固定在机架上，因此，立轴只能在竖直方向上发生位移。随着斜面体和第一导轨的移动，导轨高度逐渐上升，第一滑块和固定在第一滑块上的立轴在竖直方向上被逐渐顶升，相应的，固定在立轴顶部的下板也被逐渐顶升，从而将斜面体的水平位移转换成下板向上的位移，使得整个顶升机构的结构稳定性更好。第二电机驱动上板，在水平方向上往复移动，随着下板高度逐渐提升，上板不断往复搓动，最终将橄榄形土试样搓成预设要求的样品，常规的通常搓至直径为3mm，则土试样制备完成。通过使用上述搓条仪，大大提高了制备试样的效率，并且制备出的试样一致性更高。此外，由于采用了斜面体传动的方式，使得顶升机构整体结构稳定性更高，精度也较高。

上述的斜面体，较常用的可以是斜铁等。优选的，斜面体22通过线性滑块211与线性导轨21滑动连接，使斜面体22沿线性导轨21的方向移动。优选的，竖向滑座26通过竖向滑座支架261固定于机架上。

进一步地，请结合图1至图4，在另一个优选的具体的实施方式中，上板31顶面与悬挑12滑动连接，并能够沿水平方向往复移动，可以通过以下方式来实现：搓动机构还包括第二导轨33、第二滑块34、连杆35和曲轴36；上板31顶面与第二滑块34固定连接，第二滑块34安装于第二导轨33上，并能够沿第二导轨33方向移动，第二导轨33水平固定于悬挑12上，连杆35的一端与第二滑块34连接，另一端与曲轴36连接，第二电机32驱动曲轴36转动。

上述搓动机构在工作时，第二电机将动力由曲轴传动给连杆，连杆拉动第二滑块沿着第二导轨的方向做往复移动，相应的，与第二滑块固定连接的上板也沿着第二导轨的方向做往复移动，从而完成水平搓动的动作，并在下板的配合下，将椭圆形的土试样搓成预设标准的试样，用于后续进行含水率测定。

进一步地，第二电机32与曲轴36可以采用滚动轴承连接，曲轴36与连杆35采用轴套连接，用以减少传动间隙，进一步提升整个搓动机构工作时的稳定性，避免出现多个杆件平面传输动力不稳定以及平面非线性的问题，在搓条仪运行时减少动力损耗和降低噪音。

进一步地，请结合图5，在另一个具体的实施方式中，上述搓条仪还包括控制机构4，第一电机28、第二电机32通过连接控制机构4实现其开关及转速控制。

通过控制机构对于电机的开关和转速的控制，上板搓动的速度和时间节点、下板顶升的速度和时间节点都可以在控制机构中进行控制，第一电机和第二电机也可以按照预设规则自动运行。例如，将初始的上板与下板之间的高度差设置成9mm，放入橄榄状土试样，控制机构控制第二电机启动，顶升至试样接触到上板以后，控制机构控制第一电机启动，搓条仪开始搓动土试样，搓动过程中下板以预设的速率逐渐顶升，直到上下板之间的高度差为3mm时，搓条完成。又例如，对于不同的土试样，例如砂质粉土、粘质粉土、粉质粘土、黏土等，搓动的频率、顶升的速度和挤压的次数应该有较大区别，可以根据控制机构中预设的规则，对第一电机和第二电机分别进行控制，从而使搓条仪的适应性更好。

更进一步地，控制机构根据第二预设规则对第二电机的开关进行控制，第二预设规则包括：

(1)第二电机开启T₁时间；

(2)关闭T₀时间，开启T₂时间，循环N次；

(3)开启T₃时间；

(4)关闭。

土条从橄榄形的土块搓成标准的3mm土条的过程中，只是简单搓动，大概率会产生中空现象。根据行业标准和国家标准，如果搓出的土条存在中空，则不能作为合格的样品用于检测，只能废弃重新制样，因此，简单搓动的搓条仪存在制样合格率低的问题。

通过上述的根据第二预设规则对第二电机开关进行调控，使上板每隔一段时间停止往复运动，而此时下板还在持续顶升，则土条在上板停顿过程中受到上下板的挤压，再开启第二电机，将土条搓动一定角度，关闭第二电机，土条随机在不同的角度受到挤压，循环数次之后，可以有效地将土条中的空气挤压出去，从而避免最终制得的土条样品产生中空现象，进而提高搓条仪制样的合格率。

在一个实施例中，上下板起始高度差为9mm，上板以每分钟80个往返的速度往复移动。下板以2mm/min的速度顶升，第二电机开启80s；关闭6s，开启6s，循环5次；开启40s；关闭。制得土条直径为3mm，切断土条，未见中空现象。

此外，控制机构还可以包括其他预设规则，用于分别对第一电机的开关、转速、第二电机的转速进行控制。

进一步地，在另一个具体的实施方式中，下板27包括固定板271、抽拉板272及卡接件，固定板271底面与立轴25顶部固定连接，抽拉板272通过卡接件固定于固定板271上。

使用时，用力拉抽拉板，可以使抽拉板和固定板上发生相对位移，使抽拉板上板的正下方移开，从而方便取放土试样，取放完毕后将抽拉板推回原位，并由卡接结构固定在固定板上。更进一步的，抽拉板也可以与固定板滑动连接，并通过卡接结构固定在固定板上。

进一步地，请结合图6和图7，上述抽拉板272包括主板2721、下压板2722和弹性铰接件，主板2721与下压板2722通过弹性铰接件水平无缝拼接；搓条仪还包括与抽拉板272处于同一高度的触碰判别机构，触碰判别机构包括短杆51、长杆52、拉绳53、绳轴54和第三电机55；短杆51与第三电机55的电机轴551垂直设置，短杆51的第一端与电机轴551连接，第二端位于下压板2722的上方；长杆52与第三电机的电机轴551垂直设置，长杆52的第一端与电机轴551连接，第一端位于下压板2722和短杆51的第二端上方；绳轴54垂直套设于电机轴551的外周；拉绳53的一端与绳轴54连接，另一端与主板2721连接。

土条样品搓滚完毕后，通常可采用三种方法来判别土条是否达到了规范规定的裂缝和断裂的状态：一是看下板的毛玻璃上是否还有较多水痕；二是观察下板土条表面是否出现了裂缝；三是将土条取出，用手对土条进行微量的触碰，观察土条是否发生直线脆性断裂。如果下板的毛玻璃中仍有水痕且未出现裂缝或未发生脆性断裂，表现为土条还具有一定的粘滞性，仍处于可塑状态，则将土条放置在下板上，继续以上下板3mm的高差搓动约1min，让土条在毛玻璃上滚动，依靠毛玻璃的吸水和蒸发降低土试样的含水量。如土试样含水量较大，可配合用吹风机稍微吹干。因此，现有的判别制得的土条样品是否合格的方法基本依靠人工操作判断，效率较低，进而影响到制备土试样的整体效率。

通过设置触碰判别机构，当搓条完毕时，第三电机启动，电机轴转动，带动绳轴转动，拉绳受力将抽拉板从固定板上拉出，电机轴继续转动，短杆首先触碰位于下方的下压板，并使得下压板向下翻折，此时位于抽拉板上的土条在下压板下折的区域处于悬空状态，电机轴再继续转动，长杆轻轻触碰下压土条并停止转动，此时若土条发生直线断裂，则已经达到了规范规定的裂缝和断裂的状态，可以将主板上剩下的土条取出进行含水量测定。如果轻轻触碰后土条并没有发生直线断裂，而是发生弯曲，则土条上不符合要求，电机轴按反方向转动，返回原始状态，下压板也因弹性铰接件的弹力作用而返回原始位置。从而实现对判别土条样品是否合格的步骤的机械化运作，进而提高了制备土条样品的整体效率。

当长杆触碰到土条并进行轻微的下压之后，第三电机停止转动，即第三电机在工作时为限位转动，处于限位点时，长杆与主板应处于同一高度，或其高度差小于3mm。上述的第三电机转动速度较慢，尤其在长杆下压土条外边缘的过程中，观察土条是发生弯曲破坏还是直线的弯折破坏，如果转速过快，即便土条没有达到裂缝和断裂的状态，也有可能因为长杆施加的力冲量太大而发生断裂，影响判别结果。进一步地，长杆极为缓慢的触碰下压土条，与主板外边缘存在一定的距离，例如大于6mm，防止发生纯剪切破坏，这样判别的效果更为理想。

进一步地，触碰判别机构还可以包括导向轮56，导向轮56固定设于与抽拉板271同一高度的位置，通过导向轮的引导，使拉绳在抽拉时始终保持水平。

此外，请结合图8，上述的控制结构4也可以与第三电机55连接，根据预设规则对第三电机55进行控制。

进一步地，在另一个具体实施方式中，上述的第一电机28和/或第二电机32为步进电机。顶升机构还包括减速器281，减速器281的一端与第一电机28连接，另一端与线性导轨21的驱动端连接。

采用步进电机有利于进行数控。在顶升机构顶升的整个过程中，时间通常会持续1～4min，而顶升的距离只有几毫米，因此，上述搓条仪的顶升精度要求远远高于普通机械结构，但步进电机在极端低速情况下的稳定性和动力输出的流畅性还存在一定缺陷，为此，在优选的实施方式中，采用步进电机、减速器和斜面体协同减速的方式，用以提高搓条仪的顶升精度。具体地，举例来说，首先采用数控等方式对步进电机进行调速，使步进电机处于最稳定的转速状态，为了达到输出端的转数，采用减速器进行1：6—1：10的减速比进行减速，使得转动过程更加平稳；同时采用了斜面体进行100：7减速，用斜面体的行程控制顶升的距离，在上述三个结构协同减速的作用下，使顶升机构达到低速、平稳顶升的需求，进一步提高了精度和稳定性。

进一步地，在另一个具体的实施方式中，上板31下表面覆有憎水高分子弹性材料层。下板27上表面覆有毛玻璃层。憎水高分子弹性材料层柔性适中，可压缩，有效防止具有一定湿度的土条和上板发生粘连，避免出现上板动力损耗和动力不足的情况。毛玻璃层则可以吸收土条中过多的水分，使土条样品适时达到产生裂缝及脆性断裂的状态。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以帮助理解本发明的技术方案及核心思想，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换也落入本发明权利要求的保护范围内。