用于疏浚刀齿与黏土粘附力测定及刀齿优化的多功能装置的制作方法

本申请涉及水利工程中的疏浚工程领域，尤其是一种用于疏浚刀齿与黏土粘附力测定及刀齿优化的多功能装置。

背景技术：

疏浚工程自古有之，随着时间的推移，疏浚器具由古代人工简易工具发展到现在为机械所代替，如挖泥船等。随着经济发展及社会的进步，疏浚技术装备的发展面临着节能与环保的要求。

目前，疏浚软黏土多使用耙吸挖泥船；而绞吸挖泥船更适宜于疏浚硬黏土。无论何种类型的黏土，由于其粘聚力的存在，均会粘附于刀齿齿面，从而造成切削阻力增大、疏浚效率降低，能耗增加。

因此，如何测定疏浚刀齿与黏土粘附力大小和进行高效能疏浚刀齿的自主研发，已经成为我国疏浚技术领域亟待解决的难点问题。然而，目前国内外还缺乏实用有效的测定方法，通常是依靠工程经验设计疏浚刀齿，具有很大的盲目性。为弥补理论分析的局限性，对于新型疏浚刀齿的自主研发，迫切需要结合简单易行的粘附力测定试验进行分析，其中的关键技术是如何模拟在一定挖深情况下通过调整疏浚刀齿的材料及表面粗糙度以及刀齿行进速度来降低刀齿与黏土之间的粘附力，从水下疏浚刀齿与黏土粘附力测定试验进行新型刀齿的研发，目前尚未发现该类装置的报道。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种用于疏浚刀齿与黏土粘附力测定及刀齿优化的多功能装置，适用于疏浚工程领域，能满足疏浚领域刀齿与黏土切向粘附力测定的各项要求。该装置通过固结土样盒及加压装置使黏土在不同压力下固结，从而制备不同强度的土样。通过该套装置可以测定大气或浸水环境下，不同上覆荷载、不同运行速度、不同材料以及不同粗糙程度情况下疏浚刀齿金属材料与黏土之间的切向粘附力，并可实现数据的实时采集。可以通过上述不同因素组合的测定结果，结合已有的正交试验分析软件，判别影响疏浚刀齿与黏土之间粘附力大小的主要因素，确定降低粘附力的最佳组合，从而指导新型疏浚刀齿的研发与制造。

为了达到上述的目的，本申请采用如下的技术方案：

一种用于疏浚刀齿与黏土粘附力测定及刀齿优化的多功能装置，包括底座、水槽、加载机构、固结土样盒、拉拔土样盒、拉拔机构、拉压传感器、电脑操控系统；

其中，水槽安装在底座上；固结土样盒可拆卸地设置在水槽中，用于制作不同强度的土样；拉拔土样盒可拆卸地设置在水槽中，用于盛放所述土样；加载机构设置在水槽上方，用于向固结土样盒、拉拔土样盒施加竖向荷载；拉拔机构包括疏浚刀齿金属试验板，疏浚刀齿金属试验板穿设于拉拔土样盒中，用于对所述土样进行拉拔试验；拉压传感器与疏浚刀齿金属试验板连接，用于实时采集拉拔力的大小；电脑操控系统分别与加载机构、拉拔机构及拉压传感器连接，用于控制加载机构施加的竖向压力的大小，用于控制拉拔机构的拉拔速度，以及获取拉压传感器采集的拉拔力的大小。

进一步，所述电脑操控系统中安装有正交试验分析软件，用于根据大气或浸水环境下，不同上覆荷载、不同运行速度、不同材料以及不同粗糙程度情况下疏浚刀齿金属试验板与黏土之间的切向粘附力的测定结果，判别影响疏浚刀齿金属板与黏土之间粘附力大小的主要因素及降低粘附力的最佳组合。

进一步，加载机构包括传力杆、气缸、加载反力架、加压板、空压机；

加载反力架安装在水槽上，并与气缸连接，气缸与空压机连接，同时气缸底部通过传力杆与加压板连接，加压板位于固结土样盒或拉拔土样盒所在位置的上方，且加压板的尺寸与拉拔土样盒及固结土样盒所装土样的上顶面尺寸相同；

所述空压机与电脑操控系统连接，并通过电脑操控系统控制气缸对固结土样盒或拉拔土样盒中土样所施加的竖向压力的大小。

进一步，拉拔机构还包括滚轮支架、滚轮、小车、竖拉板、横拉板、传动轴、轨道、伺服电机；

水槽顶部安装两条轨道，两条轨道之上活动安装小车，同时伺服电机通过传动轴与小车相连，并可带动小车在轨道上移动；小车的底部与竖拉板连接，竖拉板与水平设置的横拉板连接，横拉板与疏浚刀齿金属试验板连接，且横拉板与疏浚刀齿金属试验板位于同一水平位置；

伺服电机的转动通过传动轴转化为小车的平动，并通过竖拉板、横拉板带动疏浚刀齿金属试验板对拉拔土样盒中的所述土样进行拉拔试验；伺服电机还与电脑操控系统连接，并通过电脑操控系统控制疏浚刀齿金属试验板的拉拔速度。

进一步，水槽内底部设置有两组滚轮支架，每组滚轮支架上均安装有高度可调节的上、下两排滚轮，上、下两排滚轮均水平设置，且上、下两排滚轮之间的间距与横拉板厚度相当，横拉板的两侧分别可移动地穿设于上、下两排滚轮之间。

进一步，滚轮支架上开设有安装孔，滚轮通过安装孔安装于滚轮支架上；同时安装孔具有一定长度，以便于调节滚轮的安装高度。

进一步，拉压传感器安装于横拉板上，并与电脑操控系统连接，通过电脑操控系统对拉拔力进行实时采集。

进一步，拉拔土样盒上开设有水平的开孔，用于放入对土样进行拉拔试验的疏浚刀齿金属试验板。

进一步，固结土样盒包括钢板、环箍、透水板；

钢板通过环箍拼装构成本身可拆卸的活动装置，同时该活动装置的四周及底部设置透水板构成固结土样盒。

进一步，水槽内底部安装有挡杆，用于固定固结土样盒或拉拔土样盒，且水槽底部安装有排水阀门。

与现有技术相比，本申请具有以下优点：

1)可根据研究的需要，制备不同强度的黏土土样。

2)可开展水上、水下两种不同环境下疏浚刀齿与黏土粘附力测定。

3)可通过不同因素组合的测定结果，判别影响疏浚刀齿与黏土之间粘附力大小的主要因素及降低粘附力的最佳组合，从而指导新型疏浚刀齿的研发与制造。

4)本申请构造简单，易于改造，可靠性强，适用性广，成本低。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。附图如下：

图1为本申请实施例提供的用于疏浚刀齿与黏土粘附力测定及刀齿优化的多功能装置的结构示意图；

图2为图1所示用于疏浚刀齿与黏土粘附力测定及刀齿优化的多功能装置的俯视图；

图3为图1中a-a剖面图；

图4为图1中b-b剖面图；

图5为图1中c-c剖面图；

图6为本申请实施例提供的固结土样盒的剖面图。

图中：1、底座，2、水槽，3、传力杆，4、气缸，5、加载反力架，6、加压板，7、拉拔土样盒，8、疏浚刀齿金属试验板，9、拉压传感器，10、挡杆，11、滚轮支架，12、滚轮，13、小车，14、竖拉板，15、横拉板，16、传动轴，17、轨道，18、伺服电机，19、排水阀门，20、电脑操控系统，21、钢板，22、环箍，23、透水板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步说明，但本申请的保护范围不限于下述的实施例。

如图1至图6所示，一种用于疏浚刀齿与黏土粘附力测定及刀齿优化的多功能装置，包括底座1、水槽2、加载机构、固结土样盒、拉拔土样盒7、拉拔机构、拉压传感器9、电脑操控系统20。

水槽2安装在底座1上；拉拔土样盒7设置在水槽2中用于盛放土样；拉拔机构包括疏浚刀齿金属试验板8，疏浚刀齿金属试验板8设置在拉拔土样盒7中用于对土样进行拉拔试验；拉压传感器9与疏浚刀齿金属试验板8连接用于实时采集拉拔力的大小；固结土样盒设置在水槽2中用于制作不同强度的土样；加载机构用于向固结土样盒及拉拔土样盒7施加竖向荷载；电脑操控系统20分别与加载机构、拉拔机构及拉压传感器9连接，用于控制加载机构施加的压力大小，控制拉拔机构的拉拔速度，以及获取拉压传感器9采集的拉拔力的大小，并判断影响疏浚刀齿与土样之间粘附力大小的主要因素及优化出降低粘附力的最佳试验条件组合。

进一步，固结土样盒可从水槽2内取出，其包括钢板21、环箍22、透水板23，钢板21通过环箍22拼装构成的本身可拆卸的活动装置，便于土样的装取，同时在该活动装置的四周及底部设置有透水板23，以利于土样内水的排出。

进一步，拉拔土样盒7为活动装置，可从水槽2内取出装样。进一步，在拉拔土样盒7上开设有水平的开孔，所述开孔用于放入疏浚刀齿金属试验板8。

进一步，水槽2采用透明有机玻璃材质的，水槽2内底部安装有挡杆10，挡杆10用于固定固结土样盒或拉拔土样盒7，同时水槽2一侧的底部安装有排水阀门19。

进一步，加载机构还包括传力杆3、气缸4、加载反力架5、加压板6、空压机。加载反力架5安装在水槽2内部，并位于固结土样盒或拉拔土样盒7所在位置的上方，加载反力架5上方安装气缸4，气缸4与空压机连接，气缸4底部通过竖向设置的传力杆3与水平设置的加压板6连接，加压板6位于固结土样盒或拉拔土样盒7所在位置的上方，且其尺寸与拉拔土样盒7及固结土样盒所装土样的上顶面尺寸相同，通过气缸4内活塞的运动将设定的竖向压力依次通过传力杆3、加压板6施加于固结土样盒或拉拔土样盒7中土样上。

进一步，拉拔机构还包括疏浚刀齿金属试验板8、滚轮支架11、滚轮12、小车13、竖拉板14、横拉板15、传动轴16、轨道17、伺服电机18。在水槽2顶部固定安装两道轨道17，两道轨道17可以分别安装于水槽2顶部前后两边缘处，同时将小车13活动安装于轨道17之上；伺服电机18同样安装于水槽2顶部，且伺服电机18通过传动轴16与小车13相连，并带动小车13在轨道17上移动；同时竖拉板14与小车13底部相连，横拉板15一端与竖拉板14相连，横拉板15另一端与疏浚刀齿金属试验板8相连，且疏浚刀齿金属试验板8与横拉板15位于同一水平位置。

进一步，在水槽2内底部安装有前后对称两组滚轮支架，每组滚轮支架均包括两个滚轮支架11，每个滚轮支架11上均安装有上、下两个滚轮12，且上、下两个滚轮12之间的间距与横拉板15厚度相当，横拉板15的前后两侧分别穿设于滚轮支架11的上、下滚轮12之间。拉拔试验时，因横拉板15穿过上、下滚轮12中间，可以保证横拉板15的水平移动。

进一步，横拉板15可以与竖拉板14通过螺栓连接，且横拉板15安装高度可调节；具体的，可以在滚轮支架11上开设有安装孔，滚轮12通过所述安装孔安装于滚轮支架11上，且滚轮支架11上安装孔具有一定长度，便于调节滚轮12的高度。

进一步，拉压传感器9具有防水功能，其安装于横拉板15上，并与电脑操控系统20连接，通过电脑操控系统20对拉拔力进行实时采集。

进一步，电脑操控系统20还分别与空压机、伺服电机18连接，用于通过空压机控制加载机构施加的竖向压力大小，以及通过伺服电机18控制疏浚刀齿金属试验板8的拉拔速度。

本申请中，伺服电机18的转动通过传动轴16转化为小车13的平动，并通过竖拉板14、横拉板15带动疏浚刀齿金属试验板8的平移完成拉拔试验。拉拔过程中，通过电脑操控系统20来控制竖向压力大小和拉拔速度。

进一步，电脑操控系统20中安装有正交试验分析软件，用于根据大气或浸水环境下，不同上覆荷载、不同运行速度、不同材料以及不同粗糙程度情况下疏浚刀齿金属试验板8与黏土之间的切向粘附力的测定结果，判别影响疏浚刀齿金属板与黏土之间粘附力大小的主要因素及降低粘附力的最佳组合。

值得注意的是，本申请采用的正交试验分析软件为现有技术，非本申请的创新之处。

本装置的工作过程如下：

1)将固结土样盒拼装钢板21通过环箍22固定，完成固结土样盒的拼装；

2)在固结土样盒内放置透水板23，将制样用土放入固结土样盒内。通过挡杆10将固结土样盒固定于水槽2内底部上，对土样进行加压排水固结，通过电脑操控系统20控制竖向压力大小；

3)土样固结完成后，取出固结土样盒并拆卸后取出土样；

4)根据拉拔土样盒7尺寸及疏浚刀齿金属试验板8的摆放位置，对土样进行切割；

5)将切割后一半土样装填至拉拔土样盒7中，此时土样高度刚好达到拉拔土样盒7上预留的放置疏浚刀齿金属试验板8的开孔处，放入疏浚刀齿金属试验板8，然后继续装填另一半切割后土样；

6)将装填土样的拉拔土样盒7通过挡杆10固定在底座1上，防止拉拔土样盒移动；

7)将疏浚刀齿金属板8与横拉板15相连，根据横拉板15高度，在滚轮支架11上安装滚轮12，而后将横拉板14通过螺栓与竖拉板15相连；

8)根据试验条件要求，决定是否向透明有机玻璃水槽2内注水，若开展水环境试验，则注水，若开展大气环境试验，则不需要注水；根据不同挖深条件，通过气缸4对土样施加一定上覆荷载；

9)通过电脑操控系统20输入拉拔速度，而后开始试验。试验过程中，通过拉压传感器9量测拉力大小，通过电脑操控系统20自动采集数据；

10)试验测定大气或浸水环境下，不同上覆荷载、不同运行速度、不同材料以及不同粗糙程度情况下疏浚刀齿金属试验板8与黏土之间的切向粘附力，并进行数据的实时采集；进而通过上述不同因素组合的测定结果，采用正交试验分析法判别影响疏浚刀齿与黏土之间粘附力大小的主要因素及降低粘附力的最佳组合，从而指导新型疏浚刀齿的研发与制造。

采用本申请多功能装置，依据以上所述操作流程，开展大气环境下，不同材质的疏浚刀齿金属试验板(材质1：中低碳合金钢，材质2：普通铸铁，材质3：高铬铸铁)在不同上覆压力(压力1：60kpa，压力2：110kpa，压力3：150kpa),不同拉拔速度下(速度1：1cm/s，速度2：4cm/s，速度3：8cm/s)与黏土切向粘附力测定试验。

通过正交试验分析法，依据试验结果绘制正交试验分析表，对影响疏浚刀齿金属试验板与黏土之间粘附力大小的主要因素及降低粘附力的最佳组合进行判定。

正交试验分析表

通过正交试验分析表知，该试验条件下对疏浚刀齿与黏土之间粘附力大小影响最大的因素是疏浚刀齿金属材质，其次是上覆压力，最后是拉拔速度；粘附力最低的组合为疏浚刀齿金属材质3(高铬铸铁)，上覆压力2(110kpa),拉拔速度2(4cm/s)。

综上，本申请多功能装置具有以下主要功能：

1)根据研究的需要，制备不同强度的黏土土样。

2)可开展大气环境及水环境下疏浚刀齿金属试验板与黏土粘附力的测定。

3)可实现不同挖深情况下应力状态的模拟。

4)可开展不同材质的疏浚刀齿金属试验板与黏土粘附力的测定。

5)可开展不同拉拔速度下疏浚刀齿金属试验板与黏土粘附力的测定。

6)可开展不同粗糙度的疏浚刀齿金属试验板与黏土粘附力的测定。

7)针对目标土体，开展1)-6)的组合性试验，并可通过不同因素组合的测定结果，判别影响疏浚刀齿与黏土之间粘附力大小的主要因素，确定降低粘附力的最佳组合，从而指导新型疏浚刀齿的研发与制造。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。