一种土体滑动摩擦系数测量装置的制作方法

本实用新型属于地下工程施工领域，具体涉及一种土体滑动摩擦系数测量装置。

背景技术：

在地下工程的施工过程中，施工机械器具与土体相互作用时会产生摩擦作用，土体与机具等之间的摩擦系数会对施工机械或材料的选型和施工效率有着较大的影响。例如盾构机在施工过程中，盾壳、刀盘和螺旋出土器都会与土体产生摩擦，在施工时需要得到较为准确的土体滑动摩擦系数，以便设定施工参数。下面以土体与土压平衡盾构螺旋出土器间滑动摩擦系数的测量为例，论述土体滑动摩擦系数测量的重要意义。

土压平衡盾构是通过控制掘进速度和压力舱中控制渣土的排放速度来调节压力舱的压力，从而平衡开挖面的土水压力。在盾构机掘进过程中，通过盾构机的掘进速度来控制盾前土体的开挖量，同时控制螺旋排土器的转速来控制舱土的排放量，当开挖量和排土量保持一致时，盾构机才能进行正常的施工而不会出现超挖或欠挖等现象，进而影响地层稳定性，也就保证了施工的质量。因此，在土压盾构机施工过程中经切削进入压力舱的土体必须满足塑性流动状态，即较低的渗透性、良好的流动性、较小的摩擦系数和扭矩。若不满足这些条件，土压盾构机在施工过程中舱土通常会出现结饼、土舱闭塞和喷涌等三种导致施工无法正常进行的事故。

土体改良技术是指在切削下来的渣土中加入添加剂从而改良土体的力学性质，使其达到塑性流动状态，进而解决盾构机在施工过程中出现的结饼、土舱闭塞和喷涌等问题。因此，无论是未改良前的掘削渣土，还是改良后的土体，都需要进行土体与盾构机具等之间的摩擦系数。然而，目前学术界和工程界还没有统一公认的用于土体滑动摩擦系数的测量装置和方法，大多数学者采用简单的滑板实验来土体的外摩擦角。

实用新型专利“一种土体摩擦系数测量装置”(申请号201620078879.6)通过手摇摇柄，牵引线提升滑板一端，可以大致测得待测试样的外摩擦角，该装置易于操作，但驱动方式为人工驱动，提升速度稳定性难以保证，实验误差较大。

实用新型专利“一种模拟土压盾构螺旋出土器摩擦系数的测量装置”(申请号201220361657.7)采用丝杠调节的方式调节滑板的倾斜角，该装置滑板倾斜角增大的稳定性较难保证。

实用新型专利“一种摩擦系数测量器”(申请号201020149263.6)为中学物理实验教具，采用定位插销来调节滑板的倾斜角，调节幅度小、连续性差、误差大，不用来进行实验研究。

上述已知专利都是采用人力驱动，不能保证滑板角度抬升的均匀连贯；另外待测试样在滑板上出现微小滑动时也不易为人所察觉，以上原因都会给测量结果带来误差。

技术实现要素：

本实用新型提供一种土体滑动摩擦系数测量装置，其能有效保证测量的连贯性，并提高测量结果的准确性。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的具体技术方案为，一种土体滑动摩擦系数测量装置，包括试验台、量测机构和动力机构；试验台包括试验架、定轴和能升降垫脚；能升降垫脚设于试验架的底部；定轴设于试验架顶部的中间位置，并沿试验架宽度方向布置；量测机构包括钢板、套管、量角器刻度盘、量角器指针、水准器、光电门和轻质圆环；套管安装于定轴上并能在动力机构的带动下绕定轴转动，钢板的底部固定于套管上，并能随套管转动而转动；量角器刻度盘固定于钢板的中心位置，并能随钢板的转动而转动；量角器指针固定于定轴上，并且量角器指针竖直向上；钢板转动时，量角器指针与量角器刻度盘配合能实现对钢板转动角度的测量；水准器安装于钢板上；光电门固定于钢板上并位于量角器刻度盘的一侧，轻质圆环设于钢板上并与光电门相邻设置，同时轻质圆环能沿钢板滑动并穿过光电门；

动力机构包括减速电动机、单槽小皮带轮、单槽大皮带轮以及皮带；单槽大皮带轮传动连接于套管，单槽小皮带轮传动连接于减速电机，单槽大皮带轮与单槽小皮带轮采用皮带连接；光电门与减速电动机导线连接。

作为本实用新型改进的技术方案，还包括锁定装置，锁定装置包括基座、棘爪和弹簧，基座设于试验架上，弹簧的一端固定在基座上，另一端与棘爪固定连接；套管上匹配地设置有与棘爪相啮合的棘轮，棘爪能卡于棘轮上，并且弹簧处于拉伸状态；当减速电动机停止转动时，棘轮与棘爪配合实现对套管的锁定。

作为本实用新型改进的技术方案，钢板的边沿设有围挡。

作为本实用新型改进的技术方案，轻质圆环为轻质塑料圆环。

作为本实用新型改进的技术方案，试验架为木质材质。

有益效果

本实用新型装置，用来测量改良土体的外摩擦角，以此算得土体改良后与螺旋出土器的摩擦系数，其结果准确；

该装置结构精巧、受环境影响小、结果稳定可靠、操作简便、实用性强，能够较准确地测量土体改良后与螺旋出土器间的外摩擦角进而得到滑动摩擦系数，可为室内试验人员或现场技术人员提供可靠的实验结果。

另外，本申请测量装置采用减速电机驱动，能保证钢板角度抬升的均匀连贯；同时采用与减速电机相连接的光电门，当试样出现微小滑动时电动机便会断电，这些都保证了测量结果的准确性。

综上，相对于现有技术中的测量装置，本申请装置结构简单，精准度更高。

附图说明

图1本申请测量装置的结构示意图；

图2本申请测量装置中动力机构的结构示意图；

图3本申请测量装置的俯视结构示意图；

图中，10、试验台；11、试验架；12、定轴；13、能升降垫脚；

20、量测机构；21、钢板；22、套管；23、量角器刻度盘；24、量角器指针；25、水准器；26、光电门；27、轻质塑料圆环；

30、传动装置；31、减速电动机；32、单槽小皮带轮；33、单槽大皮带轮；34、皮带；351、棘轮；352、棘爪；353、弹簧。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

实施例中，试验台10、试验架11、定轴12、能升降垫脚13、量测机构20、钢板21、套管22、量角器刻度盘23、量角器指针24、水准器25、光电门26、轻质塑料圆环27、传动装置30、减速电动机31、单槽小皮带轮32、单槽大皮带轮33、皮带34、棘轮351、棘爪352、弹簧353。

如图1‐3所示，一种土体滑动摩擦系数测量装置，包括试验台、量测机构和动力机构；

试验台包括试验架、定轴和能升降垫脚；能升降垫脚设于试验架的底部；定轴设于试验架顶部的中间位置，并沿试验架宽度方向布置；

量测机构包括钢板、套管、量角器刻度盘、量角器指针、水准器、光电门和轻质圆环；套管安装于定轴上并能在动力机构的带动下绕定轴转动，钢板的底部的中间位置固定于套管上(为了保证钢板能最快速度的保持平衡，优选的是，钢板在长度方向的中轴线固定于套管上)，并能随套管转动而转动；量角器刻度盘固定于钢板的中心位置(量角器刻度盘的长度方向平行于钢板的长度方向)，并能随钢板的转动而转动；量角器指针固定于定轴上，并且量角器指针竖直向上；钢板转动时，量角器指针与量角器刻度盘配合能实现对钢板转动角度的测量；水准器安装于钢板上；光电门固定于钢板上并位于量角器刻度盘的一侧，轻质圆环设于钢板上并与光电门相邻设置，同时轻质圆环能沿钢板滑动并穿过光电门(为了方便轻质圆环穿过光电门，光电门的长度、宽度以及高度均大于轻质圆环的直径和高度)。

作为本实用新型改进的技术方案，动力机构包括减速电动机、单槽小皮带轮、单槽大皮带轮以及皮带；单槽大皮带轮传动连接于套管，单槽小皮带轮传动连接于减速电机，单槽大皮带轮与单槽小皮带轮采用皮带连接；减速电动机转动时通过单槽小皮带轮、单槽大皮带轮以及皮带实现带动套管转动；

本实施例中动力机构也能采用减速电动机同轴连接套管实现，但其稳定性没有上述动力机构稳定。

在本实施例中，试验架高1m，长1.1m，宽0.4m，材料为木头。钢板长1m，宽0.3m，围挡高0.05m，材料为不锈钢板；光电门宽度为0.25m，高度为0.15m；轻质塑料圆环直径为0.2m，高0.1m，底部平滑；量角器刻度精度为1°；在减速电动机、单槽小皮带轮、单槽大皮带轮的共同作用下钢板的转动角速度为0.1°/s～0.5°/s。

为了提高减速电动机停止转动时钢板的稳定性，还包括锁定装置，锁定装置包括基座、棘爪和弹簧，基座设于试验架上，弹簧的一端固定在基座上，另一端与棘爪固定连接；套管上匹配地设置有与棘爪相啮合的棘轮，棘爪能卡于棘轮上，并且弹簧处于拉伸状态；当减速电动机停止转动时，棘轮与棘爪配合实现对套管的锁定。

优选地，本实施例中轻质圆环为轻质塑料圆环，为了防止轻质塑料圆环滑落到钢板外，钢板的边沿设有围挡，优选地是钢板长度方向的两端设有挡板。

为了提高测量的精准度，光电门与减速电动机导线连接，当光电门检测到信号时，减速电动机能及时响应，停止工作。

一种土体滑动摩擦系数测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤一、开启减速电动机，在动力机构的带动下促使钢板初步达到水平位置；再调节能升降垫脚使水准器内的气泡居中；

步骤二、向轻质圆环中装满渣土，并将渣土压平，保证渣土与钢板接触的一面光滑；将装有渣土的轻质圆环放于钢板上，并保证其与光电门相邻；

步骤三、启动减速电动机，减速电动机带动钢板单向转动，直至轻质圆环发生位移，光电门感应到信号的变化，同时减速电机停止转动，锁定装置实现对套管的锁定；

步骤四、读取量角器指针在量角器刻度盘上的度数，该度数为渣土与钢板的外摩擦角，并根据该外摩擦角计算滑动摩擦系数。

作为本实用新型改进的技术方案，减速电动机带动钢板转动的角度为0.1°/s‐0.5°/s。

作为本实用新型改进的技术方案，步骤一还包括在套管与定轴之间填入润滑油或轴承。

具体地，使用时，先将钢板调至大致水平位置，再调节底部的能升降垫脚使水准器内气泡居中，然后在轻质塑料圆环中装满(改良)渣土，将其放置于钢板上紧靠光电门，启动电源，减速电动机转动并带动钢板使其缓慢单向转动，直到轻质塑料圆环有微小滑动，此时光电门感应到信号的变化，减速电动机随即断电并停止转动，锁定装置随即处于锁定状态。读出此时量角器指针在量角器刻度盘的度数，读数时应保证视线与量角器指针和刻度盘的垂直，估读一位小数，该度数θ即为改良渣土与钢板21的外摩擦角。渣土与土压盾构间的滑动摩擦系数通过μ＝tanθ算出，每组实验做3～5个同种试样并求平均值。

上述测量装置并不仅局限于测量土体与土压盾构机具间的滑动摩擦系数，上述具体实施方式也仅为本实用新型的优选方式，并非对本实用新型保护范围的限制，但凡采用本实用新型的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳作而做出的变化，均应属于本实用新型的保护范围。