一种便携式土工合成材料综合实验仪的制作方法

本发明涉及一种便携式土工合成材料综合实验仪。

背景技术：

土木工程领域中，土工实验一直是土体材料获取物理力学性能指标基本方式，土工合成材料一些实验指标也直接关系到其能否用于工程中，一般的土工和土工合成材料的实验都在实验室内进行，不同的实验需要利用不同的实验装置，像是土的直剪实验，土工合成材料的摩擦、拉拔、剥离、和拉伸实验都需要用到不同的实验仪器，这些仪器往往生产于不同的厂商，不仅在实验精确度和实验结果的一致性上有较大的差别还会付出较大的维护成本和实验空间，土工实验所用实验仪器规格较高，因此其价格也是十分高昂，想要进行一系列的实验无论对于生产单位还是教学单位都是负担较大的。一些传统的实验仪，实验中用的是一些误差较大的实验设备，实验过程需要手工进行，数据也是人工读取，这样实验的准确性就更不能保证。这样土工领域就需要一种自动化综合性的实验装置来满足现如今的实验需求。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种便携式综合了土的直剪，土工合成材料的拉拔摩擦、直剪摩擦、拉伸和剥离多个实验的试验仪，该实验仪功能齐全，采用自动化的实验过程和数据采集设备，简化了实验的步骤提高了实验的准确性和一致性，试验仪器占地空间小能够适应不同地点的实验环境。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种便携式土工合成材料综合实验仪，包括垂直加压装置、剪切盒、驱动装置、数据采集装置、位移量测装置、剥离拉伸装置、支架；

所述的剪切盒包括从上到下依次设置的上盖、上盒和下盒，且上盒和下盒之间在长度方向能自由滑动；下盒安装在滑轨上，能沿着导轨在长度方向上自由滑动；滑轨固定在支架上；在上盖的上方设有垂直加压装置对剪切盒设置竖直的压力；所述的驱动装置与所述的下盒相连，驱动下盒与上盒的相对运动；

所述的剥离拉伸装置，包括可拆卸拉伸剥离实验支座、T形滑槽支座和T形滑轨；所述的T形滑轨设置在所述支架的水平面上，所述的T形滑槽支座安装在T形滑轨内，可以沿着T形滑轨滑动，在所述的拉伸剥离实验支座和所述的T形滑槽支座上各安装有一个V形槽平行夹具；两个V形槽平行夹具分别夹持土工合成材料的不同层；所述的T形滑槽支座通过绳索与卷扬装置连接，实现其沿着T形滑轨的滑动；

所述的位移量测装置安装在所述的支架上，用于测量不同实验的不同数据；

所述的数据采集装置采集垂直加压装置的压力以及上盒和下盒的相对位移。

进一步的，所述的T形滑轨与T形滑槽支座之间安装有滚珠，使其之间的相对滑动变成了相对滚动。

进一步的，所述的垂直加压装置包括伺服加压装置，所述的伺服加压装置安装在一个水平座上，所述的水平座的两端设有两个上下均设有螺纹的螺杆，所述的两个螺杆顶部螺纹与水平座配合，底部螺纹与固定座配合，在所述的水平座和固定座的上下均安装有螺母，对其位置进行固定。

进一步的，所述的伺服加压装置驱动一个传力杆，所述的传力杆对剪切盒实施垂直向下的力；且所述的伺服加压装置还与一个压力表相连，用于对其压力进行显示。

进一步的，所述的传力杆与设置在所述上盖顶部的加压定位槽接触。

进一步的，所述驱动装置包括电机、变速箱和推拉装置，所述的电机能正反两个方向旋转，与所述的变速箱相连；所述的变速箱能够根据实验要求为推拉装置设定不同转速和推拉速度，推拉装置可以为实验提供稳定的位移。

进一步的，所述的支架为可折叠支架，通过在支架安装金属折页可以方便的将支架进行折叠，节省空间，方便携带。

进一步的，所述位移量测装置包括固定于支架上的数显式位移传感器，能够实时的显示位移值，并将数据提供给相关装置。

进一步的，所述的推拉装置还能通过手摇轮驱动其前进或者后退，且所述的卷扬装置安装在手摇轮的旋转轴上。

进一步的，所述数据采集装置包括设置在带有显示屏幕和控制按钮的，可以显示、控制和记录实验时位移、应力。

进一步的，在所述剪切盒的上盒、下盒上固定有固定销，将上盒固定插销插入缺口中，这样上盒支座的倒钩便可挂住插销，固定其位置；将下盒固定插销插入缺口，剪切盒下盒一端抵住下盒插销便可固定其位置。

本发明的工作原理为：

土的直剪实验，土工合成材料的拉伸实验、直剪摩擦、拉拔摩擦和剥离实验所用到的驱动装置是相同的，其原直剪试验中用到的驱动装置，通过改装夹具和固定剪切盒的位置可用于土工合成材料的拉拔、摩擦实验，在电机一侧转轴上安装小型卷扬装置可以为土工合成材料的拉伸、剥离实验提供动力，这样一个驱动装置就可以用在五个不同的实验中。直剪实验中用到的压力计、位移计和夹具同样可以通过相应的改装利用于其他的实验中其数据的显示和采集通过数据采集装置进行，能够提高实验数据的密度和准确性。五个不同的实验通过简单的实验设备改装替换便可以在同一个实验仪器上完成，不仅会大大节约实验资源还能提高实验的精确度和实验结果的一致性。

本发明的有益效果为：

(1)采用数据采集装置，能够将实验数据实时的显示和收集整理，大大提高了实验的效率和准确性；

(2)实验仪所有的部件都是可拆卸并且通用的，能够利用到不同的实验中，提高了实验设备部的利用率；

(3)设计了剪切盒固定插销，能够在方便的拆卸剪切盒的基础上根据实验要求固定剪切盒的位置。

(4)在驱动装置的转轴上安装小型卷扬装置，可以为拉伸剥离实验提供稳定足够的位移。

(5)设计了特殊的土工合成材料拉伸、剥离实验装置所用的导轨，能够提高拉伸和剥离实验的稳定性流畅性；

(6)去掉了传统的杠杆加压装置，采用伺服加压装置，既能减小试验仪的体积又能提高实验压力的稳定性。

(7)本试验仪设计体积小，支架安装金属折页，拆掉螺栓后可将支架折叠方便搬动，适合不同地点的实验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实验仪的整体结构示意图；

图2为图1中垂直加压设备结构示意图；

图3为图1中剪切盒结构示意图；

图4为图1中驱动装置结构示意图；

图5为图1中数据采集装置示意图；

图6为拉伸剥离装置示意图；

图7为土的直剪和土工合成材料摩擦实验组装示意图；

图8为土工合成材料拉拔实验组装示意图；

图9为图土工合成材料拉伸、剥离实验组装示意图；

图10为图7中T形滑轨的截面示意图；

图11为底部可折叠支架示意图。

其中，1-1垂直加压装置，1-2剪切盒，1-3驱动装置，1-4数据采集装置，1-5位移传感器，1-6V形槽平行夹具，1-7试验仪支架，1-8垂直加压装置固定支座，1-9剪切盒固定插销，2-1伺服加压装置，2-2压力表，2-3传力杆，2-4加压框架，2-5固定螺栓，3-1剪切盒盖，3-2剪切盒上盒，3-3剪切盒下盒，3-4加压定位槽，3-5上盒支座，3-6下盒支座，3-7带有滚珠的V形滑轨，4-1变速电机，4-2电机电源开关，4-3电源指示灯，4-4变速齿轮箱，4-5推拉装置，4-6手摇轮，4-7应力传感器，4-8电机固定支架，4-9小型卷扬装置，5-1工作指示灯，5-2数据显示屏幕，5-3控制按钮，5-4数据采集仪主体，6-1可拆卸拉伸剥离实验支座，6-2土工合成材料，6-3T形滑槽支座，6-4T形滑轨，6-5绳索，7-1V形槽滚珠，8-1支撑垫片，8-2可拆卸剪切盒固定支座，9-1上盒固定插销，9-2下盒固定插销，9-3拉拔中的土工合成材料，11-1金属折页。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种便携式土工合成材料综合试验仪，包括垂直加压装置1-1、剪切盒1-2、驱动装置1-3、数据采集装置1-4、位移传感器1-5、V形槽平行夹具1-6，试验仪支架1-7和图6所示的拉伸剥离装置。其中，所述垂直加压装置通过螺栓固定于试验仪支架，剪切盒下部设有滑槽通过滚珠和滑槽固定于支架上，剪切盒能够在长度方向自由的滑动，驱动装置通过螺栓和铁杆固定于试验仪的一端，数据采集装置通过支架固定于试验仪支架的另一端，拉伸剥离实验装置通过T形滑轨和支座固定于试验仪支架上部。

垂直加压装置1-1包括伺服加压装置2-1，压力表2-2，传力杆2-3，加压框架2-4，伺服加压装置2-1能够设置初始压力，并在实验过程中实时的对压力进行补偿或是减小，维持压力水平不变，压力表2-2固定于伺服加压装置2-1能够读取伺服加压装置的压力，伺服加压装置2-1通过螺栓固定于加压框架2-4，加压框架2-4通过螺栓固定于垂直加荷装置1-8固定支座，传力杆2-3上端与伺服加压装置连接，另一端接触加压定位槽3-4，可以将伺服加压装置产生的压力传递到剪切盒1-2。

所述剪切盒3-2为外部尺寸18×9×12cm，内部15×6.3×9cm的长方体中空结构，其主要包括三个部分，上部为盒盖3-1，盒盖厚2cm，中部为剪切盒上盒3-2，高度为4cm，通过卡槽固定于剪切盒下盒3-3上，能够在长度方向自由的滑动。下部为剪切盒下盒3-2，高度为6cm，下盒底部有滑槽，通过滚珠与设于底座上的滑轨相连接，在长度方向也能自由的滑动。剪切盒上盒和剪切盒下盒通过滑槽连接，可以在长度方向自由的滑动，上盒支座3-5、下盒支座3-6通过螺丝分别固定于上、下盒上，其上盒支座3-5带有倒钩；上盒支座3-5与可拆卸剪切盒固定支座8-2相连，且两者之间设有支撑垫片8-1，所述的下盒支座3-6与推拉装置相连。

在所述的剪切盒上盒3-2和剪切盒下盒3-3上设有上盒固定插销9-1和下盒固定插销9-2；

拉拔中的土工合成材料9-3设置在剪切盒上盒3-2和剪切盒下盒3-3之间。

所述的驱动装置中电机4-1与变速齿轮箱4-4通过齿轮连接，变速齿轮箱4-4同样通过齿轮与推拉装置4-5连接，推拉装置4-5能够将电机扭矩转化为水平方向上的匀速推拉运动。手摇轮4-6能够手动调节推拉装置处于合适的位置，应力传感器4-7通过螺栓固定于推拉装置一端，能够在实验过程中监测推拉压力的大小，应力传感器4-7另一端连接V形槽平行夹具。手摇轮轴4-6上安装小型卷扬机装置4-9，能够在拉伸剥离实验中提供稳定足够的位移，位移传感器1-5与推拉装置4-5的另一端相接，可以根据其推拉装置的变化监测位移大小，并将数据传输到数据采集装置1-4。

数据采集装置上安装有工作指示灯5-1能够显示仪器是否处于正常的工作状态，数据显示屏幕5-2可以实时的显示实验数据和实验状态，控制按钮5-3能够显示应力传感器、位移传感器的数值，方便实验人员观察记录。

拉伸剥离实验装置包括可拆卸拉伸剥离实验支座6-1、T形滑槽支座6-3、T形滑槽支座6-3一端与卷扬机4-9通过绳索6-5连接，在另一端安装V形槽平行夹具，T形滑槽支座6-3与T形滑轨6-4相契合，内部安装V形槽滚珠9-1，可以以较小的摩擦平稳的移动；在所述的可拆卸拉伸剥离实验支座6-1也安装有一个与V形槽平行夹具相对的V形槽平行夹具1-6；两个夹具分别夹持土工合成材料6-2，当卷扬机4-9转动时，实现对土工合成材料6-2的剥离。

本发明中的垂直加压装置，通过伺服加压装置加压，能够为实验过程提供较稳定的压力，压力表安装在伺服加压装置一侧，可以比较直观的观察压力大小，传力杆能够将压力传递给剪切盒。

本发明中的剪切盒设计了新的固定方式，上盒下盒固定销能够在不同的实验要求下固定剪切盒的位置。

本发明中的驱动装置核心为三速可变向齿轮系统，将电机的旋转变换成推拉运动，分别提供0.02mm/min、10mm/min和50mm/min的实验速度。并且在手摇轮的部分加装了小型卷扬装置，可以为土工合成材料的剥离拉伸实验提供稳定的位移。

所述数据采集装置可以实时收集实验过程中的位移、应力等数据，并对实验相关参数进行设定。

所述拉伸剥离实验装置为能够合理利用驱动装置，在驱动装置手摇轮的转轴上安装小型卷扬装置，可以随驱动装置旋转，为实验提供均匀的位移。

所述拉伸剥离实验装置为了实验过程的稳定，设计了T形滑轨，滑轨槽里设有滚珠，与滑槽支座相契合。

所述位移传感装置通过测定推拉装置的位移来计算实验位移，简化了每个实验都要测定不同位置位移的繁琐。位移数据可以传递到数据采集装置进行显示和收集。

所述装置都是可拆卸的，并且应力传感器和V形槽水平夹具适用不同的实验中。

所述可折叠支架在支架支撑处安装金属折页，这样拆除螺栓后可将支架折叠。

下面结合附图叙述实验的过程，主要目的是介绍各个部件的使用方法，具体的实验方法应参照相关领域的实验规程。

土的直剪实验示意图如图8所示，根据实验要求可以将可拆卸拉伸剥离实验支座6-1，剥离中的土工合成材料6-2，T形滑槽支座6-3这些无关装置拆除。实验步骤为：首先将上盒支座3-5通过支撑垫片8-1抵上可拆卸剪切盒固定支座8-2上，这样可以把剪切盒上盒3-2固定，通过转动4-6手摇轮将与4-7应力传感器相连接的1-6V形槽平行夹具抵上3-6下盒支座，然后将土体装入剪切盒1-2内，装上剪切盒盒盖3-1，调整垂直加压装置1-1的位置，将传力杆2-3下端垂直抵住加压定位槽3-4，通过伺服加压装置2-1施加所需的压力，打开变速电机4-1将推拉装置4-5的外推速度调到0.02mm/min的档位，打开数据采集装置1-4，检查速度、压力设置无误，位移传感器可以正常监测位移变化后便可进行实验操作，实验结束后关闭电机和数据采集装置，并进行相应的清理工作。

土工合成材料的摩擦实验与土的直剪实验只有一处不同，那就是在剪切盒3-5剪切盒上盒与3-6剪切盒下盒的土体之间平铺一层土工合成材料，其他设置相同。

土工合成材料的拉拔实验示意图如图9所示，根据实验要求可以将下盒支座3-6，可拆卸拉伸剥离实验支座6-1，剥离中的土工合成材料6-2，T形滑槽支座6-3这些无关装置拆除。实验步骤为：首先去掉支撑垫片8-1，移动垂直加压装置1-1和剪切盒1-2，将上盒支座3-5直接抵住可拆卸剪切盒固定支座8-2，然后将上盒固定插销9-1插入缺口中，这样上盒支座的倒钩便可挂住插销，固定其位置，将下盒固定插销9-2插入缺口，剪切盒下盒3-3一端抵住9-2下盒插销便可固定其位置。将相关土体填入剪切盒下盒3-3，铺平后在剪切盒下盒3-3和剪切盒上盒3-2之前铺上一层土工和材料，并将土工合成材料的一端伸出，转动手摇轮4-6，将与推拉装置4-5相连接的V形槽平行夹具1-6推出抵住3-3剪切盒下盒，使夹具正好夹住伸出的土工合成材料，用土填满剪切盒上盒3-2后盖上剪切盒盖3-1，调整垂直加压装置1-1的位置，将传力杆2-3下端垂直抵住加压定位槽3-4，通过伺服加压装置2-1施加所需的压力，打开变速电机4-1将推拉装置4-5的往后拉的速度调到0.02mm/min的档位，打开数据采集装置1-4，检查速度、压力设置无误，位移传感器可以正常监测位移变化后便可按照《JTG E40-2007公路土工试验规程》进行实验操作，待土工合成材料拉出2-3cm后，便可关闭电机结束实验。实验结束后关闭电机和数据采集装置，并进行相应的清理工作。

土工合成材料的剥离实验示意图如图10所示，根据实验要求可以将垂直加压装置1-1，剪切盒1-2拆除。将应力传感器4-7卸下安装在可拆卸拉伸剥离实验支座6-1上，将V形槽平行夹具1-6分别安装到应力传感器4-7和T形滑槽支座6-3上，剥离实验时，将土工合成材料两层扯开，分别固定于两个夹具上，然后转动手摇轮4-6并滑动T形滑槽支座6-3让两个夹具拉紧土工合成材料，拉紧土工合成材料后再转动手摇轮4-6，使绳索6-5收紧，打开变速电机4-1将推拉装置4-5的往后拉的速度调到50mm/min的档位，打开数据采集装置1-4，检查速度、压力设置无误，位移传感器可以正常监测位移变化后便可按照《JTG E40-2007公路土工试验规程》进行实验操作，待T形滑槽支座6-3移动到10cm后便可关闭电机结束实验。

土工合成材料的拉伸实验与剥离实验设置步骤相同，只是将10cm长的土工合成材料两端分别固定于夹具上而不是在两层之间扯开，其他设置相同。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。