一种土壤剪切实验测试仪的制作方法

本实用新型属于一种测试仪器，具体来讲是一种土壤剪切实验测试仪。属于农业机械领域。

背景技术：

农业机械的动力装备、作业机具在工作过程中均与土壤相互作用，土壤是动力装备的工作支撑，也是农机具的工作主要对象，由土壤变形引起的摩擦阻力和附着力是影响动力装备行走阻力、作业机具工作阻力的主要因素。为了优化农业机械装备的结构和工作参数，必须对不同类型、不同含水量土壤的力学特性进行测定，以便给相关机具设计提供依据。土壤力学特性参数主要包括内聚力、内摩擦角、剪切变形模量、沉陷系数、内聚力变形模量以及摩擦变形模量等,其中内聚力、内摩擦角、剪切变形模量用于表征土壤的剪切特性，是农业动力装备、作业机具设计涉及的主要参数，必须通过剪切试验间接获得。土壤的抗剪强度是土在外力作用条件下，其中一部分土体对于另外一部分土体滑动时所具有的抵抗剪切的极限强度，土壤的内聚力和内摩擦角是表征土壤剪切特性的主要参数，土壤的抗剪强度、内聚力和内摩擦角之间的关系由库伦公式计算。目前土壤的剪切特性利用剪切仪进行直剪试验获得，但剪切仪对试样施加预定的垂直压力采用杠杆、砝码加载进行加载，受杠杆支点状态差异较大，剪切速度采用传统的秒表、人工手轮控制，由速度不稳定引直起的冲击载荷大，而剪切力利用指针式仪表测试并人工观察记录，预压力加载精度、剪节速度的精度较低，人工观察单一的拉力值，不能连续记录土样整个剪切过程力的变化，直接影响内聚力、内摩擦角、剪切变形模量的测定结果，不能为工程设计提供理想的数据。因此，农业机械的动力机械、作业装备设计急需一种能够精确测定土壤剪切特性的仪器，实现剪切速度、土壤垂直加载载荷精确可调的测试装置与方法，为相关相具设计提供高精度基础数据。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了上述剪切仪的缺点，更加快速且精准的获得土壤的剪切特性，本实用新型提供一种土壤剪切实验测试仪，将预压力实现数值化直接加栽，加载速度数值化精确控制，同步记录整个剪切过程的力与位移、速度，可以精确获得土壤的剪切特性曲线，经过计算得土壤的内聚力、内摩擦角、剪切变形模量等剪切特性参数，测试精度高，操作简便，为不同类型不同含水量土壤剪切特性测定提供了理想的测定装置及其测试方法。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：土壤剪切实验测试仪，其包括驱动总成、剪切总成、预压力调节总成、控制总成，

驱动总成包括机架、步进电机、联轴器、丝杠螺母、滑块、丝杆、拉力盘，激光位移传感器、拉力传感器、轴承座、导轨、水平台，机架包括底板、中板、顶板和支柱，四根支柱平行且均穿过底板、中板、顶板的四角，四根支柱与底板、中板、顶板的四角固定连接构成机架；步进电机固定在机架顶板的下方；丝杆下端通过轴承、轴承座安装在机架底板上，丝杆上部通过轴承、轴承座安装在机架中板上，丝杆上端穿过机架中板与步进电机的输出轴通过联轴器连接；导轨设于机架的左内侧，导轨两端固定分别固定在机架底板和中板上，导轨的中心线与丝杆轴线平行；滑块安装在导轨上并与导轨构成移动副；丝杠螺母安装在丝杆上并与丝杠构成螺旋配合；丝杠螺母一侧固定在滑块上，拉力盘固定在丝杠螺母的另一侧；水平台左端固定在机架底板上；拉力传感器上部固定在拉力盘下方；激光位移传感器安装在丝杠螺母下方；

剪切总成包括定滑轮、钢丝绳、压力架、气缸、剪切上盒、剪切下盒、销、基座、压力板、直线滚珠轨道、压头、挂钩、水平指标仪，压力架中部横梁与水平台右端固定连接并保持水平台处于水平；基座固定在水平台上，两条直线滚珠轨道分别纵向安装在基座的上表面的两侧；剪切上盒、剪切下盒外形为长方体，剪切上盒、剪切下盒中心为同心同直径圆柱形空腔，且剪切上盒的圆柱形空腔为通孔，剪切下盒的圆柱形空腔底部不通透构成圆柱形容器；剪切下盒平放于两条直线滚珠轨道上，剪切上盒同中心轴线置于剪切下盒上，剪切上盒、剪切下盒的对角处均设有销孔，两支销分别插入剪切上盒、剪切下盒构成配合的两个销孔内，使剪切上盒、剪切下盒的中心空腔保持同心；压力板顶部设有锥形凹坑，压力板下部为圆柱体且直径与剪切上盒中心的通孔直径相同，压力板置于剪切上盒的中心通孔内并构成间隙配合；气缸的缸体端固定在压力架的上内部，压头上端安装在气缸的活塞杆端，压头下端为外凸锥形，压头下端的外凸锥形与压力板顶部锥形凹坑的锥度相同；压头轴线与剪切上盒中心通孔轴线在同一直线上；挂钩为L形，挂钩固定在剪切上盒外侧，且挂钩挂接在压力架中部的固定横梁上；剪切下盒内侧设有拉环，钢丝绳的一端固定在剪切下盒的拉环上，钢丝绳的另一端与拉力传感器下端连接，定滑轮固定在水平台左上部，钢丝绳从定滑轮下部绕过拉紧时水平段与水平台表面平行，钢丝绳的垂直段与水平台垂直；水平指标仪固定在水平台中部上表面；

预压力调节总成包括空气压缩机、调压阀、数显压力表、三位四通换向阀、三通阀、高压软管，调压阀、压力表，三位四通换向阀安装于水平台前侧，空气压缩机、调压阀、三通阀、三位四通换向阀、气缸的气路依次通过高压软管连接，三通阀的另一出口连接数显压力表；

控制总成包括控制器和触摸式显示屏，拉力传感器、激光位移传感器通过信号线与控制器连接，步进电机通过信号线、电源线与控制器连接，控制器和触摸式显示屏通过信号线连接。

剪切下盒下部一边为“八”字形槽道与直线滚珠轨道的滚动体接触，剪切下盒下部另一边水平与直线滚珠轨道的滚动体接触；

基座上设有两条表面为倒“八”字形槽道，两条直线滚珠轨道分别于两条置于倒“八”字形槽道上，直线滚珠轨道的滚动体与基座倒“八”字形槽道两斜面接触；

本实用新型带来的增益效果是，通过步进电动机驱动丝杆控制剪切速度，保证了整个进行剪切过程具有持续恒定的剪切速度，克服了传统的秒表、手轮控制剪切速度不精准的缺点；通过气缸、压力数显设定精确地对样品直接施加垂直预加载荷，克服了传统的采用杠杆、砝码加载准确差、受杠杆支点影响大、操作不便等缺点；通过控制器精确控制控制剪切速度、位移，实时自动记录整个剪切过程中剪节力、剪切位移，更能全面是分析剪切过程剪切力的变化过程，提供更吏精确的试验数据，并实现了测试过程自动化；装置操作方便，通用性高，适用于不同类型土壤剪切特性测定。

附图说明

图1是土壤剪切实验测试仪的轴测图；

图2是土壤剪切实验测试仪的剪切总成的纵剖视图；

图3是土壤剪切实验测试仪的剪切总成的横剖视图；

图4是土壤剪切实验测试仪剪切总成的部分轴测图；

图5是土壤剪切实验测试仪的气路组成框图；

图6是土壤剪切实验测试仪的气路图；

图7是土壤剪切实验测试仪的控制总成电气图；

图中：底板1-1-1、中板1-1-2、顶板1-1-3和支柱1-1-4、步进电动机1-2、联轴器1-3、丝杠螺母1-4、滑块1-5、丝杆1-6、拉力盘1-7，激光位移传感器1-8、拉力传感器1-9、轴承座1-10、导轨1-11、水平台1-12、定滑轮2-1、钢丝绳2-2、压力架2-3、气缸2-4、剪切上盒2-5、销2-6、基座2-7、压力板2-8、直线滚珠轨道2-9、压头2-10、挂钩2-11、水平指标仪2-12、剪切下盒2-13空气压缩机3-1、调压阀3-2、数显压力表3-3、三位四通换向阀3-4、三通阀3-5、高压软管3-6、控制器4-1和触摸式显示屏4-2。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的具体结构及实施方式。

如图1、图2、图3所示，土壤剪切实验测试仪包括

驱动总成、剪切总成、预压力调节总成、控制总成，驱动总成包括机架1-1、步进电机1-2、联轴器1-3、丝杠螺母1-4、滑块1-5、丝杆1-6、拉力盘1-7，激光位移传感器1-8、拉力传感器1-9、轴承座1-10、导轨1-11、水平台1-12，机架1-1包括底板1-1-1、中板1-1-2、顶板1-1-3和支柱1-1-4，四根支柱1-1-4平行且均穿过底板1-1-1、中板1-1-2、顶板1-1-3的四角，四根支柱1-1-4与底板1-1-1、中板1-1-2、顶板1-1-3的四角固定连接构成机架1-1；步进电机1-2固定在机架顶板1-1-3的下方；丝杆1-6下端通过轴承、轴承座1-10安装在机架底板上，丝杆1-6上部通过轴承、轴承座1-10安装在机架中板1-1-2上，丝杆1-6上端穿过机架中板1-1-2与步进电机1-2的输出轴通过联轴器1-3连接；导轨1-11设于机架的左内侧，导轨1-11两端固定分别固定在机架底板1-1-1和中板1-1-2上，导轨1-11的中心线与丝杆1-6轴线平行；滑块1-5安装在导轨1-11上并与导轨构成移动副；丝杠螺母1-4安装在丝杆1-6上并与丝杠构成螺旋配合；丝杠螺母1-4一侧固定在滑块1-5上，拉力盘1-7固定在丝杠螺母1-4的另一侧；水平台1-12左端固定在机架底板1-1-1上；拉力传感器1-9上部固定在拉力盘1-7下方；激光位移传感器1-8安装在丝杠螺母1-4下方；

剪切总成包括定滑轮2-1、钢丝绳2-2、压力架2-3、气缸2-4、剪切上盒2-5、剪切下盒2-13、销2-6、基座2-7、压力板2-8、直线滚珠轨道2-9、压头2-10、挂钩2-11、水平指标仪2-12，压力架2-3中部横梁与水平台1-12右端固定连接并保持水平台1-12处于水平；基座2-7纵向中心固定在水平台1-12右上部，两条直线滚珠轨道2-9分别纵向安装在基座2-7的上表面的两侧；剪切上盒2-5、剪切下盒2-13外形为长方体，剪切上盒2-5、剪切下盒2-13中心为同心同直径圆柱形空腔，且剪切上盒2-5的圆柱形空腔为圆柱形通孔，剪切下盒2-13的圆柱形空腔底部不通透构成圆柱形容器；剪切下盒2-13平放于两条直线滚珠轨道2-9上，剪切上盒2-5同中心轴线置于剪切下盒2-13上，剪切上盒2-5、剪切下盒2-13的对角处均设有销孔，两支销2-6可分别插入剪切上盒2-5、剪切下盒2-13构成配合的两个销孔内，使剪切上盒2-5、剪切下盒2-13的中心空腔保持同心；压力板2-8顶部设有锥形凹坑，压力板2-8下部为圆柱体且直径与剪切上盒2-5中心的通孔直径相同，压力板2-8置于剪切上盒2-5的中心通孔内并构成间隙配合；气缸2-4的缸体端固定在压力架2-3的上内部，压头2-10上端安装在气缸2-4的活塞杆端，压头2-10下端为外凸锥形，压头2-10下端的外凸锥形与压力板2-8顶部锥形凹坑的锥度相同；压头2-10轴线与剪切上盒2-5中心通孔轴线在同一直线上；挂钩2-11为L形，挂钩2-11固定在剪切上盒2-5外侧，且挂钩2-11挂接在压力架2-3中部的固定横梁上；剪切下盒2-13内侧设有拉环，钢丝绳2-2的一端固定在剪切下盒2-13的拉环上，钢丝绳2-2的另一端与拉力传感器1-9下端连接，定滑轮2-1固定在水平台1-12左上部，钢丝绳2-2从定滑轮2-1下部绕过拉紧时水平段与水平台1-12表面平行，钢丝绳2-2的垂直段与水平台1-12垂直；水平指标仪2-12固定在水平台1-12中部上表面；

预压力调节总成包括空气压缩机3-1、调压阀3-2、数显压力表3-3、三位四通换向阀3-4、三通阀3-5、高压软管3-6，调压阀3-2、压力表3-4，三位四通换向阀3-5安装于水平台1-12前侧，空气压缩机3-1、调压阀3-2、三位四通换向阀3-4、气缸2-4的气路通过高压软管3-6连接，数显压力表3-3通过高压软管3-6与三通阀3-5的另一出口通路连接；

控制总成包括控制器4-1和触摸式显示屏4-2，拉力传感器1-9、激光位移传感器1-8通过信号线与控制器4-1连接，步进电机1-2通过信号线、电源线与控制器4-1连接，控制器4-1和触摸式显示屏4-2通过信号线连接，测定时剪切下盒2-13的拉动速度由控制器4-1控制，控制器4-1同时记录拉力传感器1-9的拉力数据、激光位移传感器1-8的位移数据。

剪切下盒2-13下部一边为“八”字形槽道与直线滚珠轨道2-9的滚动体接触，剪切下盒2-13下部另一边水平与直线滚珠轨道2-9的滚动体接触；

基座2-7上设有两条表面为倒“八”字形槽道，两条直线滚珠轨道2-9分别于两条置于倒“八”字形槽道上，直线滚珠轨道2-9的滚动体与基座2-7倒“八”字形槽道两斜面接触；

一种基于上述土壤剪切实验测试仪的土壤剪切力测定方法是：第一步：确定待测土壤类型，按试验方案的要求制备不同含水率的土样；第二步：调节调压阀3-2并观察数显压力3-3表，使压缩空气的输出压力即数显压力表3-3的数值达到试验设定值；通过触摸式显示屏4-2和控制器4-1调节步进电动机1-2转速，使步进电机1-2转动时丝杠螺母1-4上移速度可达到快剪0.8mm/min或慢剪0.2mm/s规定值；第三步：将剪切上盒2-5、剪切下盒2-13的销孔对准，插入销2-6，在剪切下盒2-13中放入透水石和滤纸，利用环刀取土样并将试样小心放入剪切上盒2-5与剪切下盒2-13中心构成的圆柱腔体内，再将压力板2-8放在剪切上盒2-5中心圆柱腔体的土样上；第四步：利用三位四通换向阀3-4使气路与气缸2-4接通，气缸2-4的活塞杆带动压头2-8下移，压头2-8与压力板2-8上部的凹坑接触，然后以设定的预压力向土样施加垂直压力，直到气缸2-4的活塞杆无下移；第五步：通过触摸式显示屏4-2和控制器4-1控制步进电动机1-2工作，步进电动机1-2驱动丝杆1-6转动并带动丝杆螺母1-4沿导轨1-11上升，同时丝杆螺母1-4依次带动拉力盘1-7、拉力传感器1-9上升，从而拉紧钢丝绳2-2，钢丝绳2-2绕过定滑轮2-1拉剪切下盒2-13；随着丝杆螺母1-4继续上升，钢丝绳2-2拉紧并将拉力传递至剪切下盒2-13；在钢丝绳2-2被拉紧的该过程中控制器4-1不断检测并记录拉力传感器1-9的力信号，当钢丝绳2-2走完空行程后会被拉紧，因此当拉力传感器1-9的力急剧增加时即开始拉动剪切下盒2-13，钢丝绳2-2被拉动的同时需同步记录激光位移传感器1-8检测位移信号即为剪切下盒2-13移动的距离，剪切下盒2-13在拉力作用下在直线滚珠轨道2-9上移动，当位移量达到6mm时，土壤已完成剪切变形，此时控制器4-1控制步进电动机1-2停止上升并复位至初始位置；在同时记录剪切下盒2-13移动距离和拉力传感器1-9的力信号期间，测得的拉力即为使土样发生剪切变形所需的力(应用时可以取该过程中的最大力，也可以取平均力)，该力与剪切下盒中心圆柱形腔体横截圆面之比即为剪切力。通过上述五步可测得土样在该设定预压力条件下的剪切力，完成一次测定试验；第六步：针对同一类型不同含水率的土样，通过调节调压阀使压缩空气的输出压力达到土样下一个预压力试验设置值，重复上述过程即可获得该设定预压力时的剪切力；第七步：将大于等于五个不同预压力条件测得的剪切力数据进行数据处理，利用库伦公式计算获得土样的内聚力、内摩擦角、剪切变形模量等力学参数。

本实用新型的工作过程：通过触摸显示屏4-2和控制器4-1控制步进电机1-2使用拉力盘1-7上升速度即剪切速度为设定值，将剪切下盒2-13放置在基座2-7上的直线滚珠轨道2-9上并推至右极限位置，剪切上盒2-5放置在剪切下盒2-13上，在对角剪切上盒2-5与剪切下盒2-13对角的销孔中插入销2-6，使剪切上盒2-5与剪切下盒2-13不能相对移动，剪切上盒2-5与剪切下盒2-13中心形成圆柱形空腔；将制备好的土样利用环刀取出并压入由剪切上盒2-5和剪切下盒2-13构成的圆柱形腔体，将压力板2-8放置剪切上盒2-5内的土样上方，保持压力板2-8与剪切上盒2-5的中心在同一垂直线上，启动空气压缩机3-1，调节调压阀3-2使压力表3-3读数为预设压力值，打开三位四通换向阀3-5，压缩空气推动气缸2-4中的活塞杆向下移动，固定在活塞杆上的压头2-10以设定预压力压向压力板2-8，压力板2-8以设定压力对土样直接施以垂直预压力；拔掉插在剪切上盒2-5与剪切下盒2-13销孔中的销2-6，通过触摸显示屏4-2和控制器4-1控制步进电机1-2工作，步进电机1-2驱动丝杆1-6转动并带动丝杠螺母1-4沿导轨1-11上升，同时丝杆螺母1-4依次带动拉力盘1-7、拉力传感器1-9上升，从而拉紧钢丝绳2-2，钢丝绳2-2绕过定滑轮2-1拉动剪切下盒2-13；随着丝杆螺母1-4继续上升，钢丝绳2-2拉紧并将拉力传递至剪切下盒2-13，控制器4-1检测并记录拉力传感器1-9的力信号，当拉力传感器1-9的力急剧增加时即为开始拉动剪切下盒2-13的拉力，同时记录激光位移传感器1-8检测位移信号即为剪切下盒2-13移动的距离，剪切下盒2-13在拉力作用下在直线滚珠轨道2-9上移动，当位移量达到6mm时，控制器4-1控制步进电动机1-2停止上升并复位至初始位置，一次预压力剪切过程结束。