用于测量土壤力学特性的测量装置的制作方法

本发明属于测量土壤力学特性检测领域，尤其涉及一种用于测量土壤力学特性的测量装置。

背景技术：

土壤的力学特性对车辆的牵引控制性能有着很大的影响，对土壤力学特性的研究，有助于评估车辆的路面通过性。为了研究土壤的力学特性，需要采用或设计相应的土壤力学特性测试装置进行测量。其中，应用最广泛的设备是贝氏仪，它以经典土力学公式为基础，借助加载机构与测量系统即可快速获取土壤承压曲线。

但是目前用于测量土壤力学特性的装置一般只局限于测量单一方面的土壤力学特性，通过使用不同的测量装置才能对土壤力学特性进行综合测量，缺少对土壤力学特性进行综合测量的装置。并且，现有的测量装置主要针对实验土槽中松软土壤而设计，对于室外硬质土壤需要在测量装置上增加配重提供加载力，装置较为笨重，使用较为复杂。其次，目前检测土壤剪切特性时所使用的爪盘，常常容易因扭矩测量部件内部产生摩擦以及土壤在爪盘的凸爪间的堆积，而影响扭矩传感器测量数据的准确性。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的以上不足，本发明旨在提供一种用于测量土壤力学特性的测量装置，能够对软硬土壤的力学参数进行综合测量，实现室内、室外两用的功能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种用于测量土壤力学特性的测量装置，包括位移传感器、压力传感器及扭矩传感器，包括支架本体、测量部件及与测量部件可拆卸安装的贯入部件；所述支架本体包括下底盘，固定连接在下底盘且相向设置的左支架、右支架，以及置于左支架、右支架之间并与左支架、右支架固定连接的上支架；所述测量部件包括固定安装在上支架上用于使测量部件沿竖直方向升降的丝杠升降机及用于测量贯入部件下陷量的位移传感器，所述丝杠升降机的下方通过丝杠法兰固定连接有压力测量部件，所述压力测量部件下方通过中心轴连接有扭矩测量部件；所述贯入部件包括用于测量土壤硬度及黏附特性的锥杆、用于测量土壤剪切特性的爪盘以及用于测量土壤承载压力的压板。

作为本发明的改进，所述压力测量部件包括置于压力测量部件外围的压力测量部件外壳、置于压力测量部件外壳内的压力传感器及置于压力传感器下方、固定连接在压力测量部件外壳上并与竖直中心轴配合的直线轴承；位于直线轴承下方的中心轴具有轴颈段，轴颈段为具有一定深度的沿圆周方向的整圈凹槽，所述压力测量部件外壳在与轴颈段对应位置上设有限位螺母，限位螺母通过轴颈段限制中心轴竖直方向运动并能使中心轴旋转。

作为本发明的进一步改进，所述扭矩测量部件包括扭矩传感器、只承载轴向压力的滚动轴承以及与滚动轴承相配合且固定连接在扭矩传感器下方的轴承座，中心轴竖直穿过扭矩传感器与滚动轴承相配合。

作为本发明的更进一步改进，所述滚动轴承与扭矩传感器不相接触。

作为本发明的另一种改进，所述爪盘包括爪盘本体和置于爪盘本体底面的凸爪，所述爪盘本体具有底面开口的空腔，所述空腔能容纳由凸爪转动而堆积在凸爪间的土壤，所述爪盘本体的顶面设有连通空腔的通孔。

作为本发明的进一步改进，所述爪盘本体底面沿圆周方向设有凸爪，所述凸爪在爪盘本体的侧面上形成上底为凸爪与爪盘本体底面的交线且上底大于下底的截面直角梯形，直角梯形沿爪盘本体底面径向延伸有一定长度。

作为本发明的另一种改进：

所述下底盘中央设有能使贯入部件穿过下底盘的开口。

所述下底盘上设有可支撑下底盘并调节下底盘水平放置的调节丝杆。

所述下底盘的底面上设有能使支架本体进行移动的脚轮。

所述左支架、右支架上沿竖直方向间隔等距相向对应设置通孔。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的有益效果是：

本发明能够对软硬土壤的力学特性进行综合测量，实现室内、室外两用的功能；

本发明使压力测量部件位于扭矩测量部件上方，且通过设置直线轴承及只能承载轴向压力的滚动轴承，可保证压力测量部件及扭矩测量部件皆单独工作，互不干涉，即压力测量部件工作时能承载土壤压力而不承载扭矩作用，扭矩测量部件工作时承载扭矩作用而不承载压力；

本发明通过在扭矩测量部件内部设置与扭矩传感器不相接触的滚动轴承，可减少扭矩测量部件内部产生的摩擦，提高扭矩传感器测量数据的准确性；

本发明通过在爪盘本体内设置空腔，使爪盘在工作转动时，凸爪间堆积的土壤进入空腔，由空腔上方设置的通孔将空腔内的气体排出，并可通过通孔检测土壤在空腔内的堆积情况，减少因土壤堆积造成测量土壤剪切特性的测量误差，使所测量的土壤剪切特性参数反映真实情况，提高测量的准确性；

本发明通过改变凸爪的结构，可克服凸爪与爪盘本体在硬质土壤中凸爪因土壤阻力造成的断裂，提高凸爪的使用寿命，节省生产成本。

本发明适用于测量土壤力学特性，用于室内室外的软硬土壤。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。

图1为本发明实施例的立体结构示意图；

图2为本发明实施例的测量土壤硬度及黏附特性结构示意图；

图3为本发明实施例的测量土壤剪切特性结构示意图；

图4为本发明实施例的测量土壤承载压力结构示意图；

图5为本发明实施例的爪盘13B结构剖视图；

图中：1、上支架；2、左支架；3、右支架；4、连接块；5、下底盘；6、调节丝杆；7、丝杠升降机；8、位移传感器；9、延长平台；10、丝杠法兰；11、压力测量部件；11A、压力传感器；11B、直线轴承；11C、限位螺母；11D、压力传感器外壳；12、扭矩测量部件；12A、扭矩传感器；12B、压力轴承；12C、轴承座；13、贯入部件；13A、锥杆；13B、爪盘；13C、压板；14、脚轮；15、中心轴；16、凸爪；17、空腔；18、法兰盘。

具体实施方式

实施例1

一种用于测量土壤力学特性的测量装置，如图1-5所示，包括支架本体、测量部件及与测量部件可拆卸安装的贯入部件13。

支架本体包括下底盘5，固定连接在下底盘5且相向设置的左支架2、右支架3，以及置于左支架2、右支架3之间并与左支架2、右支架3固定连接的上支架1。

下底盘5为四块槽钢围成的矩形，四块槽钢围成的矩形内固定有与矩形宽边平行的四块槽钢，并将矩形槽钢分为五个矩形部分，两侧的两个矩形部分上方各设有一块支撑板，中间矩形部分为能使贯入部件13穿过下底盘5的开口。支撑板上螺栓连接有三角肋板，三角肋板与左支架2、右支架3螺栓连接。下底盘5在四块槽钢所围成矩形的四个直角位置处设有可支撑下底盘5并调节下底盘5水平放置的调节丝杆6，下底盘5的底面上设有能使支架本体进行移动的脚轮14。

左支架2、右支架3皆为槽钢，且垂直相向置于下底盘5上。左支架2、右支架3分别通过连接块与上支架1螺栓连接。左支架2、右支架3沿竖直方向间隔等距相向对应设置通孔，通过连接块在左支架2、右支架3的螺栓安装在不同高度的通孔上，可调节上支架1竖直方向位置的。

测量部件包括丝杠升降机7、位移传感器8、压力测量部件11及扭矩测量部件12。

丝杠升降机7通过螺栓连接在上支架1上，用于调节测量部件沿竖直方向的升降。

位移传感器8为拉线式位移传感器，通过螺栓连接在上支架1上，位移传感器8的拉线固定在丝杠升降机7下的延长平台9上，延长平台9通过螺栓连接固定在丝杠升降机7下方的丝杠法兰10上。

丝杠升降机7下方通过丝杠法兰10与压力测量部件11螺栓连接。压力测量部件11包括压力测量部件外壳11D、压力传感器11A及置直线轴承11B。压力测量部件11外围为压力测量部件外壳11D，压力测量部件外壳11D内部为压力传感器11A，压力传感器11A下方设有与中心轴15配合的直线轴承11B，直线轴承11B通过螺栓连接在压力测量部件外壳11D上,位于直线轴承11B下方的中心轴15具有轴颈段，轴颈段为具有一定深度的沿圆周方向的整圈凹槽，压力测量部件外壳11D在与轴颈段对应位置上设有限位螺母11C，限位螺母11C通过轴颈段限制中心轴15竖直方向运动并能使中心轴15旋转。

压力测量部件11下方通过中心轴15连接有扭矩测量部件12，扭矩测量部件12包括扭矩传感器12A、只承载轴向压力的滚动轴承以及轴承座12C。扭矩测量部件12的上方为扭矩传感器12A，扭矩传感器12A下方设有与扭矩传感器12A螺栓连接的轴承座12C，轴承座12C上方设有与轴承座12C相配合的只承载轴向压力的压力轴承12B，压力轴承12B与扭矩传感器12A不相接触，留有1-2mm的间隙，减少扭矩测量部件12内部摩擦而影响测量结果的准确性。上端与压力测量部件11直线轴承11B相配合的中心轴15竖直穿过扭矩传感器12A，下端与压力轴承12B相配合，中心轴15处于竖直状态，只测量轴向力，保证测量的数据的准确性。在扭矩传感器12A进行扭转时，由于压力轴承12B的作用，使中心轴15不随扭矩传感器12A转动，贯入部件13随扭矩传感器12A转动而采集土壤力学特性参数，因此扭矩传感器12A在测量扭矩时，压力传感器11A不承载压力，而压力传感器11A在测量承载压力时，扭矩传感器12A不受扭矩作用。所以，压力测量部件11和扭矩测量部件12是单独进行工作的，彼此互不干涉。

贯入部件13包括锥杆13A、爪盘13B以及压板13C。贯入部件13通过贯入部件上方的法兰盘与测量部件螺栓连接，根据所测力学特性拆换使用不同的贯入部件13。测量土壤硬度及黏附特性使用锥杆13A，测量土壤剪切特性使用爪盘13B，测量土壤承载压力使用压板13C，在进行土壤承载压力测量时可不需安装扭矩测量部件12。

爪盘13B包括爪盘本体和凸爪16。爪盘本体为圆柱体，爪盘本体具有底面开口的圆柱体空腔17，空腔17能容纳由凸爪16转动而堆积的土壤，爪盘本体的顶面设有连通空腔17的通孔，使土壤堆满空腔17后由通孔向外排出。爪盘本体的底面沿圆周方向设有凸爪16，凸爪16在爪盘本体的侧面上形成上底为凸爪16与爪盘本体底面的交线且上底大于下底的截面直角梯形，直角梯形沿爪盘本体底面径向延伸有一定长度。爪盘本体上方焊接有法兰盘18，法兰盘18上设有与扭矩测量部件12螺栓连接的通孔。

本发明通过测量部件采集的信息通过电压信号输出，可得到所检测土壤力学特性参数。

使用本实施例时，测量实验土槽内土壤力学特性时，可将实验土槽置于下底盘5上方，直接进行测量。需要测量室外力学特性时，旋转调节丝杠6相对下底盘5向上运动，移动脚轮14使支架本体至待测土壤处，旋转调节丝杠6相对下底盘5向下运动，固定下底盘5且使下底盘5为水平状态。通过连接块4在左支架2、右支架3上相对应的通孔上螺栓固定上支架1，可调节上支架1竖直方向的位置。调节丝杠升降机7调节贯入部件13的下陷量。

测量土壤承载压力时将贯入部件13换成压板13B,压力测量部件11下方可不需连接有扭矩测量部件12，当贯入部件13进入土壤后，由于土壤反作用力，中心轴15下端顶住压力轴承12B，上端顶住压力传感器11A的触头，由此可采集压力传感器信号。

测量土壤硬度及黏附特性时将贯入部件13换成锥杆13A，压力测量部件11下方螺栓连接有扭矩测量部件12，当贯入部件13进入土壤采集完压力传感器11A信后，维持锥杆13A贯入土壤深度不变，扭转扭矩传感器12A，锥杆13A随扭矩传感器12A转动，而中间轴15不随扭矩传感器12A转动，由此可采集扭矩传感器12A信号。

测量土壤剪切特性时贯入部件13使用爪盘13B，当爪盘13B贯入土壤采集完压力信号后，维持爪盘13B贯入土壤深度不变，扭转扭矩传感器12A，爪盘13B随扭矩传感器12A转动，而中间轴15不随扭矩传感器12A转动，爪盘本体的凸爪16只可沿凸爪16与爪盘本体底面非垂直连接一侧转动，爪盘本体由于转动而堆积在凸爪16间的土壤可被转动至爪盘本体内的空腔17里，当空腔17内容纳土壤时，爪盘本体顶面与空腔17相连通的通孔将空腔内气体排出，并通过通孔可观测空腔17内土壤的堆积情况，保证测量数据的准确性。由此可采集扭矩传感器信号而得到土壤的剪切特性参数。