基于变频器控速的新型二维切削试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于变频器控速的新型二维切削试验装置，属于土木工程和疏浚工程技术领域。
【背景技术】
[0002]目前，用来测量土强度的仪器有直剪仪、单剪仪，如图1所示直剪仪的结构示意图，实验时，剪力盒内盛放土样后，沿接触面施加反向剪应力，通过相对位移，建立剪应力与位移的关系，以反映接触面的性质。但是存在试样剪应变不均匀、不能控制排水条件、切削速度较低以及预先规定剪破面等缺点。
[0003]如图2所示叠环式单剪仪的结构示意图，单剪仪对直剪仪做了改进，试样侧向用橡皮膜包裹，外套若干重叠铝环，或者用绕有琴弦的橡皮膜包裹或者装上可以转动的侧板，来限制试样受压后侧向膨胀。
[0004]总体来说，直剪仪、单剪仪的剪切速率较低，不适合测量剪切强度较低的高含水率饱和软土。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种切削速度快且可以精确控制，可以量测高含水率土样强度的基于变频器控速的新型二维切削试验装置。
[0006]为实现上述的技术目的，本实用新型的技术方案为:一种基于变频器控速的新型二维切削试验装置，其特征是，包括土槽、切削刀具、切削力量测系统和切削速度控制系统，所述土槽底部铺设反滤层和排水孔，所述土槽的上方设有台车，所述台车上挂有切削刀具，所述切削刀具连接切削力量测系统，所述台车连接切削速度控制系统，从而能够精确控制切削速度。本发明可以测量高含水率，高剪切速度条件下的材料与土的界面剪切强度，且可改变切削角度和切削厚度，构造简单，受力明确。
[0007]优选的是，所述切削力量测系统包括传感器、动态电阻应变仪、数据采集仪和数据处理装置，所述切削刀具与传感器连接，所述传感器分别连接动态电阻应变仪、数据采集仪和数据处理装置，传感器固定在支架的前面。
[0008]优选的是，所述切削速度控制系统包括电动机和变频器，所述台车连接电动机，给台车施加动力，所述电动机连接变频器，通过改变电机工作电源频率可以精确控制台车的移动速度。
[0009]优选的是，所述反滤层包括砂垫层和无纺土工布，所述砂垫层上面铺设无纺土工布，砂垫层砂子的粒径从上往下依次增大，无纺土土工布上面铺设待测土体。
[0010]优选的是，切削刀具与水平线的夹角为0°?90°，切削厚度也可调。
[0011]优选的是，所述传感器为八角环传感器，可以同时测量水平和竖直两个方向的受力，能精确控制和调节切削速度。
[0012]优选的是，所述土槽底部设有排水孔，所述排水孔连接排水管，所述排水管上设有阀门。
[0013]优选的是，传感器前方设置有挡板，防止切削过程中堆积土过多而触碰到传感器及导线。
[0014]优选的是，土槽的材料为聚甲醛板。
[0015]本实用新型所达到的有益效果:本实用新型所述基于变频器控速的新型二维切削试验装置通过切削速度控制系统的设置，能够精确控制切削速度；所述基于变频器控速的新型二维切削试验装置通过切削力量测系统的设置，可以用来测量高含水率、高相对运动速度条件下，各种土样的法向压应力与切向剪切强度，并通过几组不同切削角度的二维切削试验得出界面抗剪直线，从而得土的粘聚力c和摩擦角Φ这两个土的强度指标，也可以测量不同条件下(不同切削角度、切削厚度、刀面形状)刀片切削土体时的切削力。
【附图说明】
[0016]图1为直剪仪的结构示意图；
[0017]图2为叠环式单剪仪的结构示意图；
[0018]图3为本实用新型的结构示意图；
[0019]图4为本实用新型的刀片切削土样的示意图；
[0020]图5为施加水平方向力Fx后的标定曲线。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
[0022]如图3所示，一种基于变频器控速的新型二维切削试验装置，其特征是，包括土槽
1、切削刀具4、切削力量测系统和切削速度控制系统，所述土槽底部铺设反滤层和排水孔，所述土槽I的上方设有台车2，所述台车2上挂有切削刀具，所述切削刀具连接切削力量测系统，所述台车连接切削速度控制系统，从而能够精确控制切削速度，所述切削力量测系统包括传感器、动态电阻应变仪、数据采集仪和数据处理装置，所述切削刀具4与传感器3连接，所述传感器3分别连接动态电阻应变仪、数据采集仪和数据处理装置，传感器3固定在台车2的前面，所述切削速度控制系统包括电动机和变频器，所述台车连接电动机，给台车施加动力，所述电动机连接变频器，通过改变电机工作电源频率可以精确控制台车的移动速度，所述反滤层包括砂垫层7和无纺土工布，所述砂垫层7上面铺设无纺土工布，砂垫层7砂子的粒径从上往下依次增大，无纺土土工布上面铺设待测土体6，切削刀具与水平线的夹角为0°?90°，切削厚度也可调，所述传感器为八角环传感器，可以同时测量水平和竖直两个方向的受力，能精确控制和调节切削速度，所述土槽底部设有排水孔，所述排水孔连接排水管，所述排水管上设有阀门，传感器前方设置有挡板5，防止切削过程中堆积土过多而触碰到传感器及导线，动态电阻应变仪的电桥连接器固定到台车上，这样在切削过程中的扰动就只有电桥连接器和动态电阻应变仪之间的连线，受到扰动时对数据的影响可以忽略不计。
[0023]土槽I的材料是1mm厚的聚甲醛板，规格是长2400mm，宽400mm，高400mm。为了充分排水并且收集排出的水，土槽I底部每间隔10mm开孔，孔径10mm，共56个孔，每个孔外侧均连接排水管，排水管上设置阀门以控制排水量。使用时，先用土工布挡住槽底出水孔，防止砂土随水流出，然后土槽底部铺设砂垫层7，砂子的粒径从上往下依次加大，在砂土的上面铺设一层土工布。
[0024]如图4所示，切削刀大小根据土槽大小设定，本仪器刀片大小设计为lOOmmXSOmm，刀片下边缘打磨锋利，与水平线的夹角是45°，切削刀片的下端部位于土槽的中部。
[0025]本实用新型的具体操作步骤如下:
[0026](I)土槽内装入待测土体6，搅拌、整平，在土样上加盖板，在盖板上加载，两小时内排水量小于1ml即可进行试验或者加下一级荷载，粘土每级加载12h，粉土、砂土加载时间可以根据实际情况减少。加载时土槽和收集排水的水桶用塑料薄膜覆盖，减少水分蒸发。
[0027](2)达到加载时间后，卸载，取出盖板，将土体6表面泌出的水收集到量筒中。
[0028](3)刀片插入土体(刀片的下端部基本处于土样中部)，调节变频器，精确控制台车横移速度，开始切削试验。
[0029](4)刀片切削土体结束，保存采集到的数据并且转换为excel数据表格格式，以备分析。
[0030](5)将粘附在刀面的土样刮下放回土槽，加入因为加载排出的水分，搅拌均匀，尽量使土恢复到初始状态。
[0031]实验采集到的数据为传感器法向及切向(即铰刀水平方向和竖直方向)在切削过程中的电压变化，通过标定曲线转换为铰刀水平方向力Fx和竖直方向力Fy。
[0032]如图5所示，标定曲线的获得过程如下:用弹簧秤对铰刀刀片施加水平方向拉力Fx (即八角环传感器法向)和竖直方向拉力(即八角环传感器切向)Fy，记录动态电阻应变仪两个通道显示的电压值。以荷载(即拉力N)为横坐标，电压值为纵坐标，拟合得到标定曲线。
[0033]根据公式Fn=Fx.sin45。+Fy.cos45°，Ft=Fx.cos45。-Fy.sin45。，将 Fx、Fy换算为刀片表面的法向力Fn及切向力Ft。45°是切削刀与水平面的夹角，仅为举例。
[0034]通过改变切削角度、切削厚度、固结压力，重复以上试验过程，得到另外几组刀片表面的法向压力及切向阻力。
[0035]根据公式:τ =Ft/A，σ =Fn/A，其中A为刀片的面积，得到切削刀片切向的抗剪强度τ和法向的垂直应力σ，以τ为纵坐标，σ为横坐标，获得切削刀片与土体界面的抗剪强度直线。由该直线获得界面强度指标:粘聚力c和摩擦角Φ。
[0036]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种基于变频器控速的新型二维切削试验装置，其特征是，包括土槽、切削刀具、切削力量测系统和切削速度控制系统，所述土槽底部铺设反滤层和排水孔，所述土槽的上方设有台车，所述台车上挂有切削刀具，所述切削刀具连接切削力量测系统，所述台车连接切削速度控制系统。2.根据权利要求1所述的基于变频器控速的新型二维切削试验装置，其特征是，所述切削力量测系统包括传感器、动态电阻应变仪、数据采集仪和数据处理装置，所述切削刀具与传感器连接，所述传感器分别连接动态电阻应变仪、数据采集仪和数据处理装置。3.根据权利要求2所述的基于变频器控速的新型二维切削试验装置，其特征是，所述切削速度控制系统包括电动机和变频器，所述台车连接电动机，所述电动机连接变频器。4.根据权利要求1所述的基于变频器控速的新型二维切削试验装置，其特征是，所述反滤层包括砂垫层和无纺土工布，所述砂垫层上面铺设无纺土工布。5.根据权利要求1所述的基于变频器控速的新型二维切削试验装置，其特征是，切削刀具与水平线的夹角为0°?90°。6.根据权利要求2所述的基于变频器控速的新型二维切削试验装置，其特征是，所述传感器为八角环传感器。7.根据权利要求1所述的基于变频器控速的新型二维切削试验装置，其特征是，所述土槽底部设有排水孔，所述排水孔连接排水管，所述排水管上设有阀门。8.根据权利要求2所述的基于变频器控速的新型二维切削试验装置，其特征是，传感器前方设置有挡板。9.根据权利要求1所述的基于变频器控速的新型二维切削试验装置，其特征是，土槽的材料为聚甲醛板。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于变频器控速的新型二维切削试验装置，其特征是，包括土槽、切削刀具、切削力量测系统和切削速度控制系统，所述土槽底部铺设反滤层和排水孔，所述土槽的上方设有台车，所述台车上挂有切削刀具，所述切削刀具连接切削力量测系统，所述台车连接切削速度控制系统；本实用新型所述基于变频器控速的新型二维切削试验装置通过切削速度控制系统的设置，能够精确控制切削速度；所述基于变频器控速的新型二维切削试验装置通过切削力量测系统的设置，可以用来测量高含水率、高相对运动速度条件下，各种土样的法向压应力与切向剪切强度，可以测量不同条件下刀片切削土体时的切削力。
【IPC分类】G01N3/24
【公开号】CN204679353
【申请号】CN201520297880
【发明人】桑伟, 王保田, 张 浩, 范磊
【申请人】河海大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年5月8日