一种履带式车辆水下作业的地面力学性能测试装置的制作方法

本发明属于履带式车辆作业领域，具体涉及一种履带式车辆水下作业的地面力学性能测试装置。

背景技术：

随着城市化进程的不断加快和全球气候变化的影响，我国城市特别是沿海城市面临着积水内涝的风险。据调查，近年来我国城市雨水内涝事件频发，且内涝频率呈现出不断上升的趋势。城市内涝势必造成内河岩石或泥沙淤积、河道变窄变浅等问题，使得内河汛期排水的功能受到限制，不仅威胁着公众生命财产安全，还会对国家或区域经济造成严重影响。河道清淤疏浚工作是迅速恢复城市内河汛期排水功能的重要举措。然而，传统机械清淤装备(如挖泥船)具有体型较大、功能单一、作业成本较高、机动性较差、智能化程度较低等缺点，无法满足城市内河河道清淤疏浚作业的要求。与传统挖泥船相比，履带式车辆是完成汛期城市内河河道清淤、疏浚工作的必要装备。履带式车辆工作环境恶劣、复杂多变，车辆水下行走、作业等方面的动力学耦合特性分析是研究其动力学性能的关键。履带板与城市内河河底松软沉积物之间的力学性能，会影响履带式车辆在河底运行时的压力-沉陷位移、剪切力-剪切位移，牵引力-滑转率等通过性参数。现有的履带式车辆作业时，发动机过大的输出扭矩与松软沉积物之间的较小附着力、传统的陆地履带板结构设计往往不能满足在此类特定环境下进行作业的要求，从而出现滑移率过大、通过性不好等缺陷。

技术实现要素：

本发明提供了一种履带式车辆水下作业的地面力学性能测试装置，解决履带车辆水下作业时各种沉积物路面上滑移率过大的问题，提高履带车辆的通过性和工作效率。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下方案：

一种履带式车辆水下作业的地面力学性能测试装置，包括横向剪切应力发生单元、竖直沉陷压力发生单元、履带板运动模拟单元和测试单元，所述横向剪切应力发生单元包括电机a，电机a与支架a固定，电机a通过拉力线a与连接板连接；所述竖直沉陷压力发生单元包括电机b，电机b与液压油泵相连，液压油泵经过进油管路和回油管路分别与液压油箱、单活塞缸连通，单活塞缸与液压油箱连通；履带板运动模拟单元包括连接在一起的履带板和连接板，连接板与单活塞缸的活塞杆下端接触；所述测试单元包括力传感器a、压力传感器b、位移传感器a、位移传感器b，力传感器a设置在拉力线a上，压力传感器b设置在连接板与单活塞缸的活塞杆下端之间，位移传感器a通过拉力线b与单活塞缸的活塞杆上端相连，位移传感器b设置在支架b上，且通过拉力线c与连接板相连；

所述单活塞缸与液压油箱之间的管路上设有液压阀。

上述技术方案中，还包括实验台架支架和沉积物模拟单元，实验台架支架用于安装竖直沉陷压力发生单元和沉积物模拟单元。

上述技术方案中，所述沉积物模拟单元包括沉积物储存箱以及装填在其中的沉积物，沉积物储存箱分别与支架a和支架b的u型支撑架固定。

上述技术方案中，所述实验台架支架为框架结构，实验台架支架设有支撑横梁a和支撑横梁b，支撑横梁a位于支撑横梁b上部，竖直沉陷压力发生单元安装在支撑横梁a上，沉积物储存箱固定在支撑横梁b上。

上述技术方案中，所述支架包括u型板和u型支撑架，u型支撑架固定在u型板侧面上，u型板上开有滑槽，滑槽顶端固定有螺纹孔，滑槽内卡接支座c，支座c包括半圆形的支座面和长方体状的安装板，支座面上加工有与螺纹孔形状相同的、位置对应的通孔。

上述技术方案中，所述u型支撑架为两个，对称固定在u型板侧面上，u型支撑架所在平面与u型板的法平面之间成一定角度。

上述技术方案中，所述支座c与位移调节器连为一体，具体为位移调节器的螺纹杆穿过支架的螺纹孔、支座面上的通孔，连为一体。

上述技术方案中，实验过程中，通过位移调节器使得定滑轮、拉力线a、力传感器a、连接板、拉力线c、位移传感器b处于同一水平线上。

上述技术方案中，所述电机a的电机轴上设有绕线盘，拉力线a的一端固定在绕线盘上，绕过电机轴，经过定滑轮后，穿过沉积物储存箱与连接板连接；定滑轮固定在支架a的支座安装板上。

本发明通过以上技术方案，可以达到如下有益效果：

(1)本发明的地面力学性能测试装置应用于履带式车辆水下作业的地面力学研究试验中，将被测履带板置于沉积物储物箱内，通过施加竖直沉陷压力，模拟履带式车辆对地面的压力，通过施加横向剪切应力，模拟履带式车辆运行过程中的水平牵引力，探求履带式车辆履带板与土壤之间相互作用关系。该测试装置具有能够模拟水下沉积物路面条件、控制试验参数、缩短试验周期、减少试验成本、试验结果易观测处理等优点，解决履带车辆在水下各种沉积物路面上滑移率过大的问题，提高履带车辆的通过效率。

(2)本发明的横向剪切应力发生单元采用永磁无刷直流电机驱动，可使横向剪切应力线性变化，也可以力传感器和数据采集仪精确记录电机转矩所产生的拉力，使实验更加操作可控。

(3)本发明所采用的沉积物储存单元可以根据具体的实验对象选取实验所需的沉积物，更加模拟真实环境。

(4)本发明的履带板运动模拟单元可以较为真实地模拟履带式车辆在城市内河河底作业时，由数据采集仪和传感器获取单块履带板的受力情况，实验结果精确可靠。

(5)本发明所采用的竖直沉陷压力发生单元，能够线性的对履带板进行加载和卸载，数据便于记录可控，使履带板受力更加稳定。

(6)本发明的垫圈可以减弱从活塞杆传递到履带板运动模拟单元的振动，同时可以避免由于液压冲击造成的振动损坏压力传感器，使得实验数据更加精确。

附图说明

图1为本发明一种履带式车辆水下作业的地面力学性能测试装置等轴测图；

图2为本发明一种履带式车辆水下作业的地面力学性能测试装置正视图；

图3为本发明一种履带式车辆水下作业的地面力学性能测试装置侧视图；

图4为本发明一种履带式车辆水下作业的地面力学性能测试装置俯视图；

图5为本发明中支架的等轴测图；

图6为本发明中单活塞缸的等轴测图；

图7为本发明中横向拉力发生单元的局部等轴测图；

图8为本发明中竖直沉陷压力发生单元中的液压系统动力源的等轴测图；

图9为本发明中图1的局部放大图。

附图标记说明如下：1-电机a；2-绕线盘；3-支座a；4-定滑轮；5-位移调节器a；6-位移传感器a；7-力传感器a；8-拉力线a；9-位移传感器b；10-压力传感器b；11-支柱；12-横臂梁；13-支撑横梁a；14-支撑横梁b；15-接地钢板；16-支架a；17-支架b；18-联轴器；19-液压油泵；20-液压油管；21-单活塞缸；22-液压阀；23-液压油箱；24-沉积物储存箱；25-支架c；26-沉积物；27-履带板；28-连接板；29-垫圈；30-位移调节器b；31-电机b；32-支座b；33-出油口；34-进油口；35-挂钩；36-拉力线b；37-拉力线c；38-支座c；39-u型支撑架；40-u型板；41-螺纹孔；42-液压油管b；43-液压油管c。

具体实施方式

以下结合附图对本装置作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1-4所示，本发明的一种履带式车辆水下作业的地面力学性能测试装置包括实验台架支架、横向剪切应力发生单元、竖直沉陷压力发生单元、沉积物模拟单元、履带板运动模拟单元和测试单元。

所述横向剪切应力发生单元包括电机a1、支座a3、绕线盘2、定滑轮4、位移调节器a5及拉力线a8，本实施例中电机a1优选为永磁无刷直流电机；如图7所示，电机a1通过螺钉固定在支座a3上，支座a3与支架a16焊接固定；电机a1的电机轴上设有绕线盘2，拉力线a8的一端固定在绕线盘2上，绕过电机轴，经过定滑轮4后，穿过沉积物储存箱24与连接板28连接，拉力线a8上设有力传感器a7；定滑轮4通过螺栓固定在支架a16的支座安装板上，位移调节器a5的螺纹杆穿过支架a16的螺纹孔、支座面上的通孔，连为一体。

所述实验台架支架包括支柱11、横臂梁12、支撑横梁a13、支撑横梁b14、接地钢板15、支架a16和支架b17，横臂梁12两端分别与支柱11顶端通过螺栓固连，两支柱11底端分别通过螺栓与接地钢板15连接，接地钢板15固定在地面上；两支柱11之间通过螺栓固定支撑横梁a13和支撑横梁b14，支撑横梁a13位于支撑横梁b14上部，支撑横梁b14上固定沉积物储存箱24，沉积物储存箱24分别与支架a16和支架b17的u型支撑架焊接。

如图5所示，为支架a16和支架b17的示意图，支架包括u型板40和u型支撑架39，两个u型支撑架39对称固定在u型板40侧面，u型支撑架39所在平面与u型板40的法平面之间成26°；u型板40上开有滑槽，滑槽顶端固定有螺纹孔41，滑槽内卡接支座c38，支座c38包括两部分：半圆形的支座面和长方体状的安装板，支座面上加工有与螺纹孔41形状相同的、位置对应的通孔。

所述竖直沉陷压力发生单元置于支撑横梁a13上，包括电机b31、联轴器18、液压油泵19、液压油管20、单活塞缸21、液压阀22和液压油箱23，本实施例中电机b31优选为永磁无刷直流电机；如图8所示，电机b31通过支座b32固定在支撑横梁a13上，电机b31的电机轴通过联轴器18与液压油泵19的转轴相连，液压油泵19通过液压油管a20与液压油箱23连通；如图6所述，液压油泵19还通过液压油管b42与单活塞缸21的进油口33连通，单活塞缸21的出油口33通过液压油管c43与液压油箱23连通，液压油管c43上设有液压阀22，单活塞缸21工作时，液压阀22关闭使得单活塞缸21上腔保持一定的压力，从而推动活塞杆下移；单活塞缸21的活塞杆下端通过螺栓固定压力传感器b10，如图6所示。液压油泵19泵轴带动叶片为液压油提供压力，将液压油压入单活塞缸21并与液压油管b42、液压油管c43、液压阀22、液压油箱23相连构成液压回路。

所述沉积物模拟单元包括沉积物储存箱24、支架c25和沉积物26，沉积物储存箱24底部由支架c25支撑，沉积物储存箱24中装填沉积物26，沉积物储存箱24下端开设有排水阀。沉积物26可根据模拟的真实环境采用不同的城市内河河底沉积物。

所述履带板运动模拟单元包括履带板27、连接板28和垫圈29，如图9所示，履带板27通过螺栓与连接板28相连，连接板28通过垫圈29与单活塞缸21活塞杆的下端柔性相连，活塞杆的下端与连接板28之间设有力传感器b10，防止力传感器b10与履带板运动模拟单元刚性接触而产生损坏。履带板27可根据实验对象所测的履带式车辆的尺寸参数确定。履带板27伸入沉积物储存箱24，测试时，履带板27与沉积物26接触。

所述测试单元包括位移传感器a6、压力传感器b10、力传感器a7、位移传感器b9、位移调节器b30和拉力线b36，位移传感器a6安装在横臂梁12上，位移传感器a6通过拉力线b36、挂钩35与单活塞缸21活塞杆的上端连接，拉力线b36缠绕固定在挂钩35上，压力传感器b10通过螺栓固定在单活塞缸21的活塞杆下端与连接板28之间；位移传感器b9通过螺栓固定在支架b17的支座安装板上，位移调节器b30的螺纹杆穿过支架b17的螺纹孔、支座面上的通孔，连为一体；位移传感器b9还连接拉力线c37一端，拉力线c37穿过沉积物储存箱24后与连接板28相连；位移传感器a6、压力传感器b10、力传感器a7、位移传感器b9均与数据采集仪(多功能数据采集系统，西门子lmsscadas)信号连接。

实验过程中，通过位移调节器a5和位移调节器b30使得定滑轮4、拉力线a8、力传感器a7、连接板28、拉力线c37、位移传感器b9处于同一水平线上。

电机a1和电机b31均与电机控制器信号连接，实验时，通过电机控制器控制电机转速，使得横向剪应力发生单元和竖直沉陷压力发生单元所提供的水平剪切应力和竖直沉陷压力均具有线性可调的性质，能够提供稳定的剪切力和沉陷压力。

一种履带式车辆水下作业的地面力学性能测试装置工作过程如下：电机控制器驱动电机b31工作，竖直沉陷压力发生单元开始工作，电机b31带动液压油泵19向单活塞缸21中泵入一定压力的液压油，液压油推动活塞杆下移，使履带板27沉陷下移，模拟履带式车辆对地面的压力；同时，位移传感器a6和压力传感器b10将采集的沉陷位移和沉陷压力通过数据采集仪传输到电脑，得出实验所需的沉陷压力/位移之间的关系曲线。电机控制器驱动电机a1工作，横向剪切应力发生单元开始工作，通过电机轴的旋转运动将拉力线a8拉紧，拉动履带板27在沉积物26上产生横向剪切应力，模拟履带式车辆对地面的压力；与此同时，位移传感器b9和力传感器a7将采集到的剪切应力和剪切位移传输到电脑中，从而得出实验所需的剪切应力/位移之间的关系曲线。由沉陷压力/位移之间的关系曲线和剪切应力/位移之间的关系曲线，探求履带式车辆履带板与沉积物之间的相互作用关系，优化设计履带板的结构参数，提高履带式车辆水下作业时的通过性能。

所述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。