伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀的製作方法

2023-05-29 21:34:51 2

伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀，包括主機部分、加載機構和量測信號採集處理機構；所述的主機部分是對試樣施加荷載的核心；所述的加載機構包括豎向加載機構及水平加載機構；所述的量測信號採集處理機構用於對變形與荷載信號輸入以及傳感器信號輸出進行自動控制。本發明的裝置，完善了現有的動單剪儀儀器結構，使用操作簡便，實現在純剪切變形條件下，簡易而準確的模擬現場的許多實際加載條件，使其適合研究如地震作用等許多巖土動力學問題；能夠直接研究排水和不排水條件下的動剪應力與動剪應變的關係；另外，動力循環功能還能夠用來研究阻尼比和液化特性。
【專利說明】伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀
【技術領域】
[0001]本發明屬於巖土工程測試設備【技術領域】，涉及一種伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀。
【背景技術】
[0002]現有測定土剪切變形強度特性的試驗儀器設備包括直剪儀、單剪儀、三軸儀、扭剪儀、平面應變儀和真三軸儀，另外動力剪切儀還包括動單剪儀、動三軸儀和動扭剪儀。現有的動單剪儀主要採用圓柱體試樣和立方體試樣。
[0003]圓柱體試樣單剪儀利用多層疊環相結合的方法施加圍壓，土樣被多層疊環約束，來確保橫截面面積不變。但是，疊環處作為潛在的剪切面，對試樣進行直剪，仍舊沒有擺脫人為設定剪切面的缺陷；並且，環與環之間不能保證試樣側面平整、光滑。
[0004]立方體試樣單剪儀在試樣周圍採用剛性邊界，試樣高度較小，由於尺寸效應的影響使得試驗效果不理想，此外，試樣與剛性板之間的相互接觸會制約它們的運動，當試樣發生變形後，必然產生試樣與剛性板之間的相對運動，在剛性板與試樣的接觸面上將產生摩擦力，從而影響了動單剪試驗的測試結果，使所模擬的應力與變形條件均不能準確科學的反映實際狀態。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是提供一種伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀，解決了現有技術中存在的當試樣發生變形，試樣與剛性板之間產生相對運動時，剛性板與試樣的接觸面將產生摩擦力，影響動單剪試驗測試結果的問題。
[0006]本發明所採用的技術方案是，一種伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀，包括主機部分、加載機構和量測信號採集處理機構；所述的主機部分是對試樣施加荷載的核心；所述的加載機構包括豎向加載機構及水平加載機構；所述的量測信號採集處理機構用於對變形與荷載信號輸入以及傳感器信號輸出進行自動控制。
[0007]本發明的伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀，其特點還在於:
[0008]主機部分的壓力室設置有剛性支架及試樣腔，壓力室的剛性支架結構是，包括固定在機座的底座滾輪底板，底座滾輪底板向上通過外壁支撐有導柱座，導柱座的中心孔中套裝有導柱，導柱下端固定連接有蓋板，導柱上端與豎向加載機構連接。
[0009]壓力室的試樣腔結構是，在底座滾輪底板上表面固定設置有三組底座滾輪，在三組底座滾輪的所有滾輪上支撐安置有U型動床，U型動床縱向一端設置有與水平加載機構連接的接耳；U型動床上表面設置有底板，
[0010]U型動床沿縱向兩側分別固定設置有向上豎立的U型動床側板，每側U型動床側板下段水平穿有兩組下滾輪軸，每個下滾輪軸外端安裝有一個下滾輪，兩側的每個滾輪分別鑲嵌在一個槽型支架側板下段；朝向接耳的兩個槽型支架側板與一個槽型支架端板固定連接，遠離接耳的另外兩個槽型支架側板與另一個槽型支架端板固定連接，前後兩端的槽型支架端板內表面分別固定安裝有一塊隔板；每側的一個槽型支架側板上段均水平穿有一組上滾輪軸，每側的兩個上滾輪軸的外端頭均安裝有上滾輪，所有上滾輪均設置在外壁中的對應側壁槽型孔中；
[0011]在每側兩個上滾輪軸內段上套裝有一上橫梁，在每側兩個下滾輪軸內段上套裝有一下橫梁，每側的上橫梁與下橫梁之間鉸接有兩個端梁和多個排梁，在每側的排梁與U型動床側板之間設置有一套鋼珠排。
[0012]底板上表面中心的凹槽中鑲嵌有透水板，透水板和底板的上表面處於同一水平面。
[0013]底板和U型動床設置有連通的排水通道，底板和U型動床的排水通道接觸面設置有O形密封圈。
[0014]豎向加載機構是，在機座上固定安裝有主機支架，主機支架頂板的中心安裝有豎向油壓缸；豎向油壓缸的活塞杆向下連接有荷載傳感器，荷載傳感器通過嵌入的L型固定塊A與活動接頭A傳動連接；L型固定塊A水平外端固定安裝有豎向的位移傳感器，該位移傳感器的探頭與主機支架頂板下表面連接；活動接頭A向下與導柱鉸接。
[0015]水平加載機構是，在機座上固定安裝有固定支架，固定支架中固定安裝有雙接口油壓缸，雙接口油壓缸的活塞杆依次與荷載傳感器B、L型固定塊B、活動接頭B連接，L型固定塊B豎向外端固定安裝有位移傳感器B，活動接頭B通過傳力杆與接耳鉸接。
[0016]本發明的有益效果是，完善了現有的動單剪儀儀器結構，使用操作簡便，實現在純剪切變形條件下，簡易而準確的模擬現場的許多實際加載條件，使其適合研究如地震作用等許多巖土動力學問題；能夠直接研究排水和不排水條件下的動剪應力與動剪應變的關係；另外，動力循環功能還能夠用來研究阻尼比和液化特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發明裝置中的主機部分的結構示意圖；
[0018]圖2是本發明裝置中的壓力室豎向剖面示意圖；
[0019]圖3是本發明裝置中的壓力室側視剖面示意圖；
[0020]圖4是本發明裝置中的壓力室俯視剖面示意圖；
[0021]圖5是本發明裝置中的端梁和排梁安裝結構示意圖；
[0022]圖6是本發明裝置中的鋼珠排安裝結構示意圖。
[0023]圖中，1.導柱，2.導柱座，3.蓋板，4.上滾輪軸，5.隔板，6.槽型支架端板，7.透水板，8.底板，9.U型動床，10.滾輪座A，11.滾輪座B，12.滾輪座C，13.底座滾輪，14.鋼珠排，15.下橫梁，16.端梁，17.銷釘，18.排梁，19.上橫梁，20.機座，21.插銷A，22.豎直位移傳感器，23.主機支架，24.豎向油壓缸，25.堵頭，26.油管接口，27.活塞杆，28.豎直荷載傳感器，29.L型固定塊A，30.活動接頭A，31.油壓缸固定支架，32.雙接口油壓缸，33.油壓接口 A，34.油壓接口 B，35.試樣，36.壓力室，37.0形密封圈，38.接耳，39.下滾輪軸，40.外壁，41.槽型支架側板，42.排水通道，43.側壁槽型孔，44.底座滾輪底板，45.U型動床側板，46.側向滾輪，47.導柱座固定螺栓，48.機座固定螺栓，49.水平位移傳感器，50.水平荷載傳感器，51.L型固定塊B，52.活動接頭B，53.傳力杆，54.插銷B。【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0025]本發明的裝置包括主機部分、加載機構、量測信號採集處理機構三大部分。其中主機部分是對試樣施加荷載的核心；加載機構包括豎向加載機構及水平加載機構，分別通過一套步進電機驅動伺服油壓缸施加荷載；量測信號採集處理機構用於對變形與荷載信號輸入以及傳感器信號輸出進行自動控制，能夠自動控制和測定垂直向應力和變形以及水平方向應力和變形。
[0026]參照圖1、圖2、圖3，本發明的主機部分的結構是，壓力室36設置有剛性支架及試樣腔，
[0027]壓力室36的剛性支架結構是，包括固定在機座20的底座滾輪底板44(作為底層)，底座滾輪底板44向上通過外壁40支撐有導柱座2 (作為上層)，外壁40固定連接在底座滾輪底板44與導柱座2之間，導柱座2的中心孔中套裝有導柱1，導柱I下端固定連接有蓋板3，導柱I上端與豎向加載機構連接；
[0028]壓力室36的試樣腔結構是，在底座滾輪底板44上表面固定設置有三組底座滾輪13，該三組底座滾輪13呈品字形水平布置；在三組底座滾輪13的所有滾輪上支撐安置有U型動床9，U型動床9與其下方的所有滾輪保持滾動接觸，U型動床9縱向一端設置有與水平加載機構連接的接耳38，這樣能夠最大程度的減少水平移動方向(以下稱為縱向)移動時的摩擦力；U型動床9上表面設置有底板8，底板8上表面中心的凹槽中鑲嵌有多孔有機玻璃材料製作的透水板7 ;透水板7和底板8的上表面處於同一水平面,用於放置試樣35 ；底板8和U型動床9設置有連通的排水通道42，底板8和U型動床9的排水通道42接觸面設置有O形密封圈37，實現密封連接；
[0029]參照圖2、圖3、圖4，U型動床9沿縱向兩側分別固定設置有向上豎立的U型動床側板45，每側U型動床側板45下段水平穿有兩組下滾輪軸39，每個下滾輪軸39外端安裝有一個下滾輪，稱為一對下滾輪，兩側的每個滾輪分別鑲嵌在一個槽型支架側板41下段(兩側合計總共四個槽型支架側板41下端鑲嵌的下滾輪)；朝向接耳38的兩個槽型支架側板41 (縱向後端)與一個槽型支架端板6固定連接,遠離接耳38的另外兩個槽型支架側板41 (縱向前端)與另一個槽型支架端板6固定連接,前後兩端的槽型支架端板6內表面分別固定安裝有一塊隔板5，隔板5與試樣35沿縱向的兩面接觸(稱為縱向前後的側面)，限制前後側向變形；每側的一個槽型支架側板41上段均水平穿有一組上滾輪軸4，這樣每側的兩個上滾輪軸4的外端頭均安裝有上滾輪，所有上滾輪均設置在外壁40中的對應側壁槽型孔43中，各個上滾輪軸4的滾輪均可在各自的側壁槽型孔43內豎向上下運動；
[0030]U型動床9上的U型動床側板45通過下滾輪軸39、槽型支架側板41、上滾輪軸4依次鉸接連成一體，實現U型動床9相對於外壁40沿縱向產生相對運動；
[0031]參照圖3、圖4、圖5、圖6，在每側兩個上滾輪軸4內段上套裝有一上橫梁19，在每側兩個下滾輪軸39內段上套裝有一下橫梁15，每側的上橫梁19與下橫梁15之間通過銷釘17鉸接有兩個端梁16和多個排梁18，在每側的排梁18與U型動床側板45之間設置有一套鋼珠排14,鋼珠排14位於上橫梁19及下橫梁15之間，且支撐在下橫梁15上表面；
[0032]至此，底板8及其透水板7作為下板、槽型支架端板6內表面的隔板5作為縱向兩端的側板、每側的兩個端梁16和多個排梁18作為縱向兩側的側板、蓋板3作為上板，共同圍成一個空間，稱為壓力室36的試樣腔,試樣腔內放置六面體的試樣35,試樣35與上述的六個面分別貼緊。
[0033]壓力室36的試樣腔呈立方體，試樣35的尺寸優選70mmX 70mmX 70mm，試樣35的
表面包裹一層乳膠膜便於裝卸。
[0034]上滾輪軸4依次穿過槽型支架側板41和上橫梁19，槽型支架側板41上段與上橫梁19能夠繞上滾輪軸4同軸轉動；下滾輪軸39從槽型支架側板41下段穿過U型動床側板45和下橫梁15，該三者能夠繞下滾輪軸39同軸轉動；下滾輪軸39隨U型動床9通過接耳38牽引在水平面內往返運動時，上滾輪軸4沿側壁槽型孔43上下運動，端梁16及排梁18傾斜一定角度，適應試樣35的壓縮及剪切變形。
[0035]在壓力室36縱向兩測的外壁40上呈三角形分布設置有三個滾輪座，即位於上方的滾輪座B11，以及位於下方前後的滾輪座AlO和滾輪座C12，該三個滾輪座均固定於豎向的外壁40上，其中的滾輪座Bll的側向滾輪46用於支撐U型動床側壁45，U型動床側壁45再支撐鋼珠排14，鋼珠排14最終支撐排梁18 ;滾輪座AlO和滾輪座C12的側向滾輪46用於支撐U型動床9的側面，三個滾輪座A10、滾輪座Bll和滾輪座C12的側向滾輪46共同實現限制U型動床9及其U型動床側壁45的側向位移。
[0036]底座滾輪底板44將壓力室36固定於機座20，保持壓力室36剛性支架的位置固定不變。
[0037]導柱座固定螺栓47用於固定導柱底座2與外壁40頂端；機座固定螺栓48用於固定底座滾輪底板44與機座20。
[0038]如圖1所示，本發明兩套加載機構的結構分別是，
[0039]豎向加載機構是，在機座20上固定安裝有主機支架23，主機支架23頂板的中心安裝有豎向油壓缸24，與壓力室36豎向中心一致，豎向油壓缸24設置有油管接口 26及堵頭25 ;豎向油壓缸24的活塞杆27向下連接有荷載傳感器28，荷載傳感器28通過嵌入的L型固定塊A29與活動接頭A30傳動連接，即L型固定塊A29嵌在荷載傳感器28與活動接頭A30之間；L型固定塊A29水平外端固定安裝有豎向的位移傳感器22，該位移傳感器22的探頭與主機支架23頂板下表面連接；活動接頭A30向下通過插銷A21與導柱I插接；
[0040]水平加載機構是，在機座20上另外固定安裝有固定支架31，固定支架31中固定安裝有雙接口油壓缸32，雙接口油壓缸32分別設置有油壓接口 A33和油壓接口 B34，雙接口油壓缸32的活塞杆依次與荷載傳感器B50、L型固定塊B51、活動接頭B52連接，L型固定塊B51豎向外端固定安裝有位移傳感器B49，該活動接頭B52通過傳力杆53與U型動床9的接耳38鉸接，傳力杆53與接耳38之間通過插銷B54鉸接。
[0041]上述的豎向加載機構採用一套伺服油壓缸控制系統作為液壓源，與豎向油壓缸24連通，豎向油壓缸24將豎向的荷載通過導柱I及蓋板3傳遞到試樣35上表面。
[0042]上述的水平加載機構採用兩套伺服油壓缸控制系統作為液壓源，油壓源分別與雙接口油壓缸32活塞兩側的油壓接口 A33和油壓接口 B34連通，使得雙接口油壓缸32活塞產生往返運動,牽引U型動床9沿水平縱向運動，通過底板8對試樣35產生往返的動剪應力。
[0043]當試樣35受到U型動床9上固定的底板8動剪應力作用時，上橫梁15及其鉸接的排梁18和端梁16上端只發生垂直方向的位移；下橫梁19及其鉸接排梁18和端梁16下端只發生水平方向的位移；上橫梁15、下橫梁19和槽型支架端板6內嵌入隔板5的形狀則由原始狀態的矩形變成受力狀態後的菱形(試樣同時受下壓力及水平力的共同作用後，試樣截面由矩形變成菱形)，即隨試樣35的剪切而發生同步的變化。在剪切過程中，下橫梁15、上橫梁19、槽型支架端板6內嵌入隔板5及固定底板8的U型動床9構成的鉸接機構，能夠有效的減少由於試樣與側板發生相對運動所產生的摩擦力對試驗精度的影響。
[0044]量測信號採集處理機構，包括各個傳感器、數據採集系統及相應的控制櫃，均為現有技術，在此不多重複。豎向的荷載傳感器28和位移傳感器22量測豎向荷載及變形量，反饋與控制系統，調節豎向油壓缸24活塞出力，或者活塞的運動位移，實現豎向加載控制。水平方向的加載採用兩套步進電機驅動伺服油壓缸控制系統，通過荷載傳感器B50和位移傳感器B49量測水平向荷載及變形量，反饋回控制系統，調節對雙接口油壓缸32活塞兩側輸出油壓，控制雙接口油壓缸32活塞的位移及方向，實現水平向加載控制。
[0045]加載機構中的兩個位移傳感器及兩個荷載傳感器分別與控制系統的PCB板的連接均採用航插連接方式，其優點在於不僅大大簡化了儀器的裝卸步驟，而且減少了由於經常拆卸傳感器造成與PCB板接口的磨損，從而使得信號處理系統更加耐用，信號傳遞可靠。
[0046]本發明裝置可進行土的動強度與液化試驗，能夠得到動剪應力與破壞周數的關係、動孔隙水壓力及動剪切應變隨著破壞周數發展的情況；通過動模量和阻尼比試驗，能夠得到動剪應力與動剪切應變、動剪切模量與動剪切應變、以及阻尼比與動剪切應變的相互關係，確定各動剪應變時的動剪切模量和阻尼比。實現了在複雜應力條件下研究土的動力學特性及強度變形變化機理，不但能夠直接研究排水和不排水條件下的動剪切應力與動剪切應變的關係，還能夠利用動態循環功能來研究阻尼比和液化。
【權利要求】
1.一種伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀，其特點在於:包括主機部分、加載機構和量測信號採集處理機構； 所述的主機部分是對試樣施加荷載的核心； 所述的加載機構包括豎向加載機構及水平加載機構； 所述的量測信號採集處理機構用於對變形與荷載信號輸入以及傳感器信號輸出進行自動控制。
2.根據權利要求1所述的伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀，其特點在於:所述的主機部分的壓力室(36)設置有剛性支架及試樣腔， 壓力室(36)的剛性支架結構是，包括固定在機座(20)的底座滾輪底板(44)，底座滾輪底板(44)向上通過外壁(40)支撐有導柱座(2)，導柱座(2)的中心孔中套裝有導柱(1)，導柱(I)下端固定連接有蓋板(3)，導柱(I)上端與豎向加載機構連接。
3.根據權利要求2所述的伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀，其特點在於:所述的壓力室(36)的試樣腔結構是，在底座滾輪底板(44)上表面固定設置有三組底座滾輪(13)，在三組底座滾輪(13 )的所有滾輪上支撐安置有U型動床(9)，U型動床(9)縱向一端設置有與水平加載機構連接的接耳(38) ;U型動床(9)上表面設置有底板(8)， U型動床(9)沿縱向兩側分別固定設置有向上豎立的U型動床側板(45)，每側U型動床側板(45)下段水平穿有兩組下滾輪軸(39)，每個下滾輪軸(39)外端安裝有一個下滾輪，兩側的每個滾輪分別鑲嵌在一個槽型支架側板(41)下段；朝向接耳(38)的兩個槽型支架側板(41)與一個槽型支架端板￠)固定連接，遠離接耳(38)的另外兩個槽型支架側板(41)與另一個槽型支架端板￠)固定連接，前後兩端的槽型支架端板￠)內表面分別固定安裝有一塊隔板(5);每側的一個槽型支架側板(41)上段均水平穿有一組上滾輪軸(4)，每側的兩個上滾輪軸(4)的外端頭均安裝有上滾輪，所有上滾輪均設置在外壁(40)中的對應側壁槽型孔(43)中； 在每側兩個上滾輪軸(4)內段上套裝有一上橫梁(19)，在每側兩個下滾輪軸(39)內段上套裝有一下橫梁(15)，每側的上橫梁(19)與下橫梁(15)之間鉸接有兩個端梁(16)和多個排梁(18)，在每側的排梁(18)與U型動床側板(45)之間設置有一套鋼珠排(14)。
4.根據權利要求3所述的伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀，其特點在於:所述的底板(8)上表面中心的凹槽中鑲嵌有透水板(7)，透水板(7)和底板(8)的上表面處於同一水平面。
5.根據權利要求3所述的伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀，其特點在於:所述的底板⑶和U型動床(9)設置有連通的排水通道(42)，底板⑶和U型動床(9)的排水通道(42)接觸面設置有O形密封圈(37)。
6.根據權利要求1所述的伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀，其特點在於:所述的豎向加載機構是，在機座(20)上固定安裝有主機支架(23)，主機支架(23)頂板的中心安裝有豎向油壓缸(24);豎向油壓缸(24)的活塞杆(27)向下連接有荷載傳感器(28)，荷載傳感器(28)通過嵌入的L型固定塊A(29)與活動接頭A(30)傳動連接山型固定塊A(29)水平外端固定安裝有豎向的位移傳感器(22)，該位移傳感器(22)的探頭與主機支架(23)頂板下表面連接；活動接頭A(30)向下與導柱(I)鉸接。
7.根據權利要求1所述的伺服油缸驅動的立方體鉸接機構動單剪儀，其特點在於:所述的水平加載機構是，在機座(20)上固定安裝有固定支架(31)，固定支架(31)中固定安裝有雙接口油壓缸(32)，雙接口油壓缸(32)的活塞杆依次與荷載傳感器B(50)、L型固定塊B (51)、活動接頭B (52)連接，L型固定塊B (51)豎向外端固定安裝有位移傳感器B (49)，活動接頭B(52)通 過傳力杆(53)與接耳(38)鉸接。
【文檔編號】G01N3/24GK103454161SQ201310357342
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月15日 優先權日:2013年8月15日
【發明者】邵生俊, 王強, 褚峰, 李佳坤 申請人:西安理工大學