電動大型應變控制式環剪儀的製作方法

2023-05-04 14:37:41

專利名稱：電動大型應變控制式環剪儀的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於巖土工程領域，具體涉及ー種環剪儀，特別是ー種電動大型高速應變控制式環剪儀。
背景技術：
環剪儀是巖土工程領域室內實驗儀器的ー種，主要用於巖土運動剪切強度參數的測定。對於天然滑坡的滑動面，土體會因多次滑動而產生相當大的變形，在分析滑坡的穩定性時，應採用殘餘強度。環剪儀則可以測定巖土的抗剪強度隨位移增長的變化規律，特別適 用於量測大位移后土的殘餘強度。環剪實驗是將土樣裝入環形試樣盒中，通過上部加壓板對試樣施加垂直壓カ，在此基礎上給土樣施加一定的扭轉剪力使其發生破壞的過程。環剪儀按其結構特徵分為兩種類型，即單環式環剪儀和雙環式環剪儀。其中，單環式環剪儀是將土樣裝入整體式單環圓筒形剪切盒中，通過加壓板對土樣施加垂直壓カ的同時加以一定的扭轉剪力，使用此種環剪儀進行實驗的土樣其剪切破壞不是發生在土樣內部，而是出現於接近旋轉加壓板處，因此所測得的數據並不能反映土樣的真實力學指標。雙環式環剪儀是將整體式單環剪切盒設計成為上下分離的兩個環形剪切盒，使用此種環剪儀進行實驗的土樣沿上下環形盒接觸的預設面進行剪切，實現了真正意義上的環剪，但此種環剪儀上下剪切盒的間距較難控制，土樣在實驗過程中容易出現擠出現象。目前，國內有關環剪儀研製與開發的成果尚少，所研製的環剪儀也多為小型環剪儀，此種環剪儀剪切盒尺寸偏小，由此產生的應カ集中效應對實驗數據的影響比較大，其加載較小，剪切速度也較低，最大速度一般只能達到lr/min，因此其應用範圍非常有限，不能滿足科研以及工程實際的需要。相形之下，國外發達國家對環剪儀的研製已經進行了較長時間，大型環剪儀和高自動化環剪儀也相繼問世，但國外環剪儀的加壓系統和升降系統均採用液壓裝置，這種液壓裝置的工作性能穩定，可靠性較好，但其在使用過程中存在幾大缺陷，如在實驗過程中易產生滲漏，存在汙染；不利於日常維護，且維護費用較高；安裝程序特別繁瑣，需要布設大量的管路，這些管路會給實驗過程帶來諸多不便，需要配備液壓源及相關配件，如液壓泵等。除此之外，國外環剪儀價格昂貴，其推廣應用也是舉步維艱，國內使用的寥寥無幾。綜合上述情況可知，目前國內有關適合工程需要的大型高速環剪儀的自主研製與開發還屬空白，儀器的缺乏大大限制了相關參數的測定，對地質災害的深入研究造成了極大影響。
發明內容針對上述現有技術存在的缺陷或不足，本實用新型的目的在於，提供ー種電動大型高速應變控制式環剪儀，該環剪儀在上剪切盒、下剪切盒之間設置間隙控制結構，保證上下剪切盒的密封性，有效防止實驗過程中試樣滲漏；通過齒輪傳動及控制器實現速度控制，其最大剪切速度能達到588cm/s,相比國內lr/min的環剪速度，實現了真正意義上的高速環形剪切；通過齒輪機構傳動來實現剪切破壞，下剪切盒進行的是環形轉動，可實現試樣在連續的位移條件下進行剪切，即實現剪切位移不限。為了達到上述目的，本實用新型採用如下技術結局的方案一種電動大型應變控制式環剪儀，其特徵在於，包括基礎底座和平臺；所述平臺通過支撐杆安裝在所述基礎底座上方；在平臺和基礎底座之間設置有控制器、剪切小齒輪控制単元和剪切盒間隙控制單元；在平臺上安裝有剪切単元和豎直單元；所述剪切小齒輪控制単元包括減速箱、剪切小齒輪軸、剪切力矩傳感器、剪切小齒輪軸前端支承軸承、剪切小齒輪軸末端支承軸承、剪切錐齒輪副和剪切伺服電機；其中，剪切伺服電機固定在所述基礎底座上，剪切伺服電機的輸出端連接減速箱，減速箱的輸出端連接剪切錐齒輪副的一個齒輪，剪切錐齒輪副的另ー個齒輪通過剪切小齒輪軸末端支承軸 承安裝在基礎底座上；剪切錐齒輪副的上方依次安裝剪切小齒輪軸和剪切力矩傳感器；其中，剪切力矩傳感器上端的軸承向上穿過平臺與剪切小齒輪軸前端支承軸承相連接；所述剪切盒間隙控制單元包括間隙傳感器、間隙控制伺服電機、間隙調整錐齒輪副和中軸，其中，中軸穿過平臺，中軸的下端依次安裝間歇傳感器、間隙調整錐齒輪副；基礎底座上還安裝有間隙控制伺服電機，該間隙控制伺服電機的輸出端和間隙調整錐齒輪副連接；所述剪切単元包括上剪切盒、下剪切盒、上剪切盒安裝盤、下剪切盒安裝盤、剪切大齒輪、剪切小齒輪；其中，剪切大齒輪位於平臺中央，剪切大齒輪兩側的平臺上對稱安裝兩個固定杆，下剪切盒安裝盤固定在剪切大齒輪上，下剪切盒安裝盤的上方依次同軸安裝下剪切盒、上剪切盒和上剪切盒安裝盤；其中，下剪切盒安裝盤與下剪切盒之間通過螺栓相連接，上剪切盒與上剪切盒安裝盤之間也通過螺栓相連接；剪切小齒輪安裝在剪切小齒輪軸前端支承軸承上，且剪切小齒輪與剪切大齒輪嚙合；所述豎直単元包括對稱設置的兩個第一直線電動缸、連接套、連接杆、上部加載單元；其中，上部加載單元包括拉壓カ傳感器、球鉸鏈、第二直線電動缸、橫梁、平衡杆、垂直壓力分布盤、傳カ杆、加壓板；其中，平衡杆兩端固定在所述兩個固定杆上端，橫梁平行位於平衡杆下方，兩個固定杆穿過橫梁且該橫梁能夠相對固定杆上、下滑動；所述的兩個第一直線電動缸通過直線電動缸底座分別設置在所述的兩個固定杆的外側，所述兩個第一直線電動缸的電動缸軸通過連接杆和定位螺母固定在橫梁的兩端；第一直線電動缸的電動缸軸通過連接套與連接杆相連接；第二直線電動缸固定在所述橫梁下方的中心；在第二直線電動缸的下方依次連接球鉸鏈、拉壓力傳感器和垂直壓カ分布盤，在垂直壓カ分布盤的下方通過若干個傳カ杆固定加壓板，在加壓板的下表面通過螺栓連接下剪切盒安裝盤；所述中軸的上端依次穿過剪切大齒輪、下剪切盒安裝盤、下剪切盒、上剪切盒、上剪切盒安裝盤和加壓板的中心，該中軸的上端被固定在加壓板中心的中軸蓋覆蓋；所述間隙控制伺服電機、剪切伺服電機、兩個第一直線電動缸、第二直線電動缸、間歇傳感器、剪切力矩傳感器分別連接控制器。本實用新型還包括如下其他技術特徵所述剪切伺服電機通過剪切伺服電機底座固定在所述基礎底座上。所述基礎底座上安裝有支架，所述控制器固定在所述支架上，所述間隙控制伺服電機通過間隙控制伺服電機底座固定在所述支架上。所述上剪切盒安裝盤底部外表面均勻設置了多個片狀凸起，下剪切盒安裝盤內的底面上也設置了多個片狀凸起。所述下剪切盒與所述上剪切盒之間設有橡膠圈。所述垂直壓カ分布盤的下方通過個傳カ杆固定所述加壓板。所述環剪儀還包括孔隙水壓カ傳感器，所述孔隙水壓カ傳感器安裝在所述上剪切盒側壁上設置的孔中。所述環剪儀還包括垂直位移傳感器，所述垂直位移傳感器通過垂直位移傳感器支架固定在固定杆上，且垂直位移傳感器的下端與所述垂直壓カ分布盤的上表面接觸。所述環剪儀還包括剪切位移傳感器，所述剪切位移傳感器通過剪切位移傳感器支 架固定在所述固定杆上且與所述下剪切盒安裝盤相接觸。所述環剪儀還包括剪切阻カ傳感器，所述剪切阻力傳感器安裝在所述固定杆上且與所述上剪切盒安裝盤接觸。與現有的環剪儀相比，本實用新型的電動大型高速應變控制式環剪儀的優點如下I、本實用新型是雙環式的環剪儀，在整個實驗過程中下剪切盒相對於上剪切盒發生環向剪切，保證了剪切面的面積始終保持不變。2、上剪切盒、下剪切盒的尺寸由國內傳統儀器的剪切盒的40cm2增大到392. 7cm2,其具體尺寸為內徑20cm、外徑30cm，最大裝樣高度10cm。改善了小試樣剪切的尺寸效應，測得的實驗數據能更真實地反映土樣的カ學指標。3、上剪切盒、下剪切盒用PEEK材料製成。PEEK材料是ー種熱塑性特種工程塑料，具有良好的機械性能和耐化學品、耐磨損、耐水解等性能，比重輕，具有非常好的加工性能，可注塑成任何高強度透明塑料零件。PEEK材料具有較高的玻璃化轉變溫度和熔點，負載熱變型溫度高達316°C，連續使用溫度為260°C。另外，在所有塑料中PEEK材料具有出眾的自潤滑性，特別適合於嚴格要求低摩擦係數和耐磨耗用途使用。同時，採用透明材料製作剪切盒更利於實驗人員在實驗過程中觀察試樣狀態。4、上剪切盒、下剪切盒之間設置了高精度的間隙傳感器和間隙控制伺服電機，保證了上、下剪切盒的密封性，能夠有效防止實驗過程中試樣滲漏。5、本實用新型是ー種高速環剪儀，通過齒輪傳動及控制器實現速度控制，其最大剪切速度能達到588cm/s,相比國內lr/min的環剪速度，實現了真正意義上的高速環形剪切，為滑坡、泥石流運動機制的研究提供了實驗條件。同時，環剪儀的應用範圍也因此得到了擴展，由最初主要用於土體在剪切面生成後對殘餘強度性質的研究，擴展到涉及與土體剪切破壞過程相關的研究當中，如可模擬地震、地下水波動等情況下試樣發生的應カ變化、可能發生的液化現象等。6、本實用新型主要通過齒輪機構(即剪切小齒輪8、剪切大齒輪32)傳動來實現剪切破壞，下剪切盒進行的是環形轉動，只要剪切小齒輪不停止轉動，上下剪切盒會產生ー個相對位移，可實現試樣在連續的位移條件下進行剪切，即實現剪切位移不限。在實際坡體滑動中，滑動數米乃至數百米的現象並不少見，因此本實用新型的這ー特點對於研究滑坡中巖土體運動的剪切強度特性意義重大。[0032]7、本實用新型採用垂直加載結構，摒棄原有的液壓加載機構，採用技術更先進的電動缸施加垂直荷載，並配有高精密電子器件(控制器、剪切位移傳感器、剪切力矩傳感器、間隙傳感器、垂直位移傳感器、孔隙水壓カ傳感器、電機、減速箱等)對實驗過程進行控制，可實現快速加載、連續加載和施加大荷載。本實用新型能施加的最大垂直荷載為4噸，施加給試樣的最大正應カ可達到lOOOkPa。與液壓機構相比，電動缸具有與其相當的穩定性和可靠性，同時還具備很多液壓機構所達不到的優勢，如電動缸系統重量輕；具有良好的長期貯藏特性；不存在液體滲漏，無汙染問題；易於檢測，維護、運行成本低；安裝方便，簡單的插入式電連接，不需要配備中心液壓源，不需要布設管路和檢查洩漏或汙染，只需布設電線路；不需要冷卻，額定負載功率效率高。除了加壓系統採用電動缸，完成加壓系統升降任務的機構同樣也採用電動缸，可以說採用電動缸是本實用新型最大的特點。8、各部件均採用機械連接，特別方便進行零部件更換，節約了成本。

圖I為本實用新型的結構示意圖。圖中符號含義如下I-基礎底座、2-減速箱、3-剪切小齒輪軸、4-剪切力矩傳感器、5-剪切小齒輪軸前端支承軸承、6-平臺、7-直線電動缸底座、8-剪切小齒輪、9-剪切位移傳感器支架、10-剪切位移傳感器、11-橡膠圏、12-剪切阻力傳感器13-第一直線電動缸、14-拉壓カ傳感器、15-球鉸鏈、16-連接套、17-第二直線電動缸、18-定位螺母、19-橫梁、20-平衡杆、21-垂直位移傳感器、22-垂直位移傳感器支架、23-垂直壓カ分布盤、24-傳カ杆、25-中軸蓋、26-加壓板、27-上剪切盒安裝盤、28-孔隙水壓カ傳感器29-上剪切盒、30-下剪切盒、31-下剪切盒安裝盤、32-剪切大齒輪、33-間隙傳感器、34-間隙控制伺服電機、35-間隙控制伺服電機底座、36-支架、37-間隙調整錐齒輪副、38-中軸、39-剪切小齒輪軸末端支承軸承、40-剪切錐齒輪副、41-剪切伺服電機底座、42-剪切伺服電機、43-控制器、44-支撐杆、45-固定杆、46-連接杆。圖2為倒扣狀態的上剪切盒安裝盤的結構示意圖。圖3為下剪切盒安裝盤結構示意圖。圖4為減速箱內部結構原理圖。其中，(a)為總體結構布置圖；圖中的標號表示齒輪序號，每個齒輪的齒數如下=Z47 = 25，Z48 = 75，Z49 = 50，Z50 = 50，Z51 = 65，Z52 = 35，Z53=85，Z54 = 35，Zgg = 75，Z56 = 45，Z57 = 40，Z58 = 60，Zgg = 40，Z61 = 60，Z61 = 35 ； (b)為I檔時齒輪嚙合布置圖；(C)為2檔時齒輪嚙合布置圖；(d)為3檔時齒輪嚙合布置圖；(e)為4檔時齒輪嚙合布置圖。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型做進ー步解釋說明。
具體實施方式
如圖I所示，本實用新型的電動大型應變控制式剪切儀，包括基礎底座I和平臺6，平臺6通過若干支撐杆44安裝在基礎底座I上方；在平臺6和基礎底座I之間設置有控制器43、剪切小齒輪控制単元和剪切盒間隙控制單元；在平臺6上安裝有剪切単元和豎直單
J Li ο所述剪切小齒輪控制単元包括減速箱2、剪切小齒輪軸3、剪切力矩傳感器4、剪切小齒輪軸前端支承軸承5、剪切小齒輪軸末端支承軸承39、剪切錐齒輪副40和剪切伺服電機42 ;其中，剪切伺服電機42通過剪切伺服電機底座41固定在基礎底座I上，剪切伺服電機42的輸出端連接減速箱2，減速箱2的輸出端連接剪切錐齒輪副40的一個齒輪，剪切錐齒輪副40的另ー個齒輪通過剪切小齒輪軸末端支承軸承39安裝在基礎底座I上；剪切錐齒輪副40的上方依次安裝剪切小齒輪軸3和剪切力矩傳感器4 ;其中，剪切力矩傳感器4上端的軸承向上穿過平臺6與剪切小齒輪軸前端支承軸承5相連接。所述剪切盒間隙控制單元包括間隙傳感器33、間隙控制伺服電機34、間隙調整錐齒輪副37和中軸38，其中，所述中軸38穿過平臺6，中軸38的下端依次安裝所述間歇傳感器、間隙調整錐齒輪副37 ;基礎底座I上安裝有支架36，所述控制器43固定在所述支架36上，所述間隙控制伺服電機34通過間隙控制伺服電機底座35固定在支架36上，該間隙控制伺服電機34的輸出端和間隙調整錐齒輪副37連接。所述剪切単元包括上剪切盒29、下剪切盒30、上剪切盒安裝盤27、下剪切盒安裝 盤31、剪切大齒輪32、剪切小齒輪8、剪切位移傳感器10和剪切阻力傳感器12 ;其中，剪切大齒輪32位於平臺6中央，剪切大齒輪32兩側的平臺6上對稱安裝兩個固定杆45，下剪切盒安裝盤31固定在剪切大齒輪32上，下剪切盒安裝盤31的上方依次同軸安裝所述下剪切盒30、上剪切盒29、上剪切盒安裝盤27 ;下剪切盒30與上剪切盒29之間設有橡膠圈11 ;所述上剪切盒29側壁上設置有孔，該孔中安裝孔隙水壓カ傳感器28 ;其中，下剪切盒安裝盤31與下剪切盒30之間通過螺栓相連接，上剪切盒29與上剪切盒安裝盤27之間也通過螺栓相連接；所述剪切阻力傳感器12安裝在固定杆45上且與所述上剪切盒安裝盤27接觸；所述剪切小齒輪8安裝在剪切小齒輪軸前端支承軸承5上且剪切小齒輪8與剪切大齒輪32嚙合；所述剪切位移傳感器10通過剪切位移傳感器支架9固定在固定杆45上且與下剪切盒安裝盤31相接觸；上剪切盒安裝盤27底部外表面均勻設置了多個片狀凸起(如圖2所示)，下剪切盒安裝盤31內的底面上也設置了多個片狀凸起(如圖3所示)。所述豎直単元包括對稱設置的兩個第一直線電動缸13、連接套16、連接杆46、垂直位移傳感器21和上部加載單元；其中，上部加載單元包括拉壓カ傳感器14、球鉸鏈15、第二直線電動缸17、橫梁19、平衡杆20、垂直壓カ分布盤23、傳カ杆24、加壓板26;其中，所述平衡杆20兩端固定在兩個固定杆45上端，所述橫梁19平行位於平衡杆20下方，兩個固定杆45穿過所述橫梁19且橫梁19能夠相對固定杆45上、下滑動；兩個第一直線電動缸13通過直線電動缸底座7分別設置在兩個固定杆45的外側，兩個第一直線電動缸13的電動缸軸通過連接杆46和定位螺母18固定在橫梁19的兩端，第一直線電動缸13的電動缸軸通過連接套16與連接杆46相連接；第二直線電動缸17固定在橫梁19下方的中心；在第二直線電動缸17的下方依次連接所述球鉸鏈15、拉壓カ傳感器14和垂直壓カ分布盤23，在垂直壓カ分布盤23的下方通過若干個(一般為3個)傳カ杆24固定所述加壓板26,在加壓板26下表面通過螺栓連接下剪切盒安裝盤27 ;所述垂直位移傳感器21通過垂直位移傳感器支架22固定在固定杆45上，且垂直位移傳感器21的下端與垂直壓カ分布盤23的上表面接觸。所述中軸38的上端依次穿過剪切大齒輪32、下剪切盒安裝盤31、下剪切盒30、上剪切盒29、上剪切盒安裝盤27、加壓板26的中心，該中軸26的上端被固定在加壓板26中心的中軸蓋25覆蓋。所述間隙控制伺服電機34、剪切伺服電機42、兩個第一直線電動缸13、第二直線電動缸17、間歇傳感器33、剪切力矩傳感器4分別連接所述控制器43。以下是上述各部件在本實用新型中所起的作用基礎底座I用於保持整個儀器的穩定性；減速箱2用於提供不同檔位的剪切速度；；剪切力矩傳感器4用於測定施加在試樣上的剪切カ矩；平臺6用於支撐剪切単元、豎直単元；直線電動缸底座7用於安裝第二直線電動缸17 ;剪切小齒輪8用於帶動與其嚙合的剪切大齒輪32轉動；剪切位移傳感器支架9用於固定剪切位移傳感器10 ;剪切位移傳感器10用於測定剪切面的剪切位移量；橡膠圈11用於減小上剪切盒和下剪切盒之間的摩擦阻力；剪切阻力傳感器12用於測定剪切過程中剪切面處的摩擦阻力；第一直線電動缸13用於升降加壓板26 ;拉壓カ傳感器14用於測定第二直線電動缸17施加在壓カ分布盤26上的載荷大小；球鉸鏈15用於保證垂直載荷與儀器的軸線對中，防止力偏心產生傾斜カ矩；連接套16用於連接連接杆46和第一直線電動缸13的電動缸軸；第二直線電動缸17用於向剪切盒內的試樣提供垂直載荷；定位螺母18用於調整兩側的第一直線電動缸17的平衡；橫梁19用於固定和連接第一直線電動缸17 ;垂直位移傳感器21用於測定垂直壓カ分布盤23的垂直位移以計算試樣的垂直變形；垂直位移傳感器支架22用於固定垂直位移傳感器 21 ;垂直壓カ分布盤23用於將垂直壓カ分布在姆個傳カ杆24上；傳カ杆24用於將垂直壓カ傳至加壓板26上；中軸蓋25用於覆蓋中軸的上端；加壓板26用於給試樣施加垂直壓カ；上剪切盒安裝盤27用於固定上剪切盒27 ;孔隙水壓カ傳感器28用於測定試樣的孔隙水壓力；上剪切盒29、下剪切盒30均用於放置試樣；下剪切盒安裝盤31用於固定下剪切盒30 ；剪切大齒輪32用於在剪切小齒輪8的帶動下帶動剪切盒30轉動；間隙傳感器33用於測定上剪切盒、下剪切盒的間隙距離；間隙控制伺服電機34用於控制上剪切盒、下剪切盒間的間隙大小；間隙控制伺服電機底座35用於固定間隙控制伺服電機34 ;間隙調整錐齒輪副37用於將間隙控制伺服電機34的旋轉運動轉換為絲槓軸向運動；中軸38用於在間隙控制伺服電機34的帶動下調節上、下剪切盒的間隙；剪切錐齒輪副40用於傳遞減速器2輸出的扭矩；剪切伺服電機42用於為整個儀器提供動カ源並控制環剪速度；控制器43用於控制間隙控制伺服電機34、剪切伺服電機42的轉速和兩個第一直線電動缸13、第二直線電動缸17的升降位移。本實用新型的工作原理如下本實用新型的電動大型高速應變控制式環剪儀利用取自現場的擾動土樣進行實驗。實驗初期，上剪切盒和上剪切盒安裝盤之間的螺栓沒有固定，接通左右兩個對稱的直線電動缸13的電源使其開始工作，此時上部加載機構(包括構件14、15、17、19、20、23、24、26)以及上剪切盒安裝盤27 —起被整體提升，當提升到最高位置即達到控制器43所設定的最大提升位移時，左右兩個直線電動缸13停止工作，此時將試樣裝入上剪切盒29和下剪切盒30中，待試樣裝填完成後再次啟動左右兩個直線電動缸13進行反轉，上部加載機構開始下降，直至上剪切盒安裝盤27與上剪切盒29接觸時電動缸13停止工作，並將上剪切盒安裝盤27與上剪切盒29用螺栓進行固定，然後即可進行主體實驗。主體實驗正式開始後，首先啟動第二直線電動缸17使其絲槓軸向下運動，按實驗要求施加一定大小的垂直壓カ給拉壓カ傳感器14，拉壓カ傳感器14又將垂直壓カ傳給垂直壓カ分布盤23，再由傳カ杆傳24至加壓板26上。由於上剪切盒安裝盤27底部均勻設置很多片狀凸起，在受到上部垂直壓カ的作用下，這些片狀凸起嵌入試樣土體中，在給試樣施加垂直壓カ的同時增加了上剪切盒安裝盤27與試樣的摩擦力，從而保證了上剪切盒中的試樣保持穩定，不隨下剪切盒中試樣發生轉動。加載過程完成後，控制器43控制剪切伺服電機42實現剪切速度的控制，由減速箱2實現目標扭矩，剪切過程中，減速箱2的內部結構狀態如圖4所示。由減速箱2輸出的扭矩通過剪切錐齒輪副40傳遞給剪切小齒輪軸3，在剪切小齒輪軸3的上部安裝的剪切力矩傳感器4測定施加在試樣上的剪切カ矩。剪切小齒輪軸3的轉動帶動了安裝在剪切小齒輪軸3上的剪切小齒輪8轉 動，與剪切小齒輪8嚙合的剪切大齒輪32隨之轉動，下剪切盒安裝盤31固定在剪切大齒輪32上，下剪切盒安裝盤31同時轉動。由於下剪切盒安裝盤31內的底面上均勻設置很多片狀凸起，在受到上部垂直壓カ的作用下，這些片狀凸起嵌入試樣中，使得下剪切盒安裝盤31在轉動的同時帶動了下剪切盒30中的試樣發生轉動，並最終實現了試樣的環形剪切破壞。間隙傳感器33在實驗過程中實時採集間隙信號並傳送給控制器43，控制器43實時判斷間隙是否在正常範圍內，如果不正常，則實時控制間隙控制伺服電機34的轉速，從而通過間隙調整齒輪副37帶動中軸38做上下運動，中軸38上端頂住中軸蓋26，從而帶動加壓板26、上剪切盒安裝盤27和上剪切盒29整體做上、下運動，實現調整上、下剪切盒之間間隙至合適間隙。剪切力矩傳感器4在實驗過程中實時採集減速箱2輸出的扭矩，並將信號傳遞給控制器43，控制器43根據實驗所需剪切速度來調節剪切伺服電機42的轉速，如果扭矩或轉速不能滿足需要，可通過減速箱2換擋實現。剪切位移傳感器10、剪切阻力傳感器12、拉壓カ傳感器14、垂直位移傳感器21和孔隙水壓カ傳感器28均是測量単元，用於採集實驗信號，不參與調節和控制。
權利要求1.一種電動大型應變控制式環剪儀，其特徵在於，包括基礎底座(I)和平臺￠);所述平臺(6)通過支撐杆(44)安裝在所述基礎底座(I)上方；在平臺(6)和基礎底座(I)之間設置有控制器(43)、剪切小齒輪控制単元和剪切盒間隙控制單元；在平臺(6)上安裝有剪切単元和豎直單元； 所述剪切小齒輪控制単元包括減速箱(2)、剪切小齒輪軸(3)、剪切力矩傳感器(4)、剪切小齒輪軸前端支承軸承(5)、剪切小齒輪軸末端支承軸承(39)、剪切錐齒輪副(40)和剪切伺服電機(42);其中，剪切伺服電機(42)固定在所述基礎底座(I)上，剪切伺服電機(42)的輸出端連接減速箱(2)，減速箱(2)的輸出端連接剪切錐齒輪副(40)的ー個齒輪，剪切錐齒輪副(40)的另ー個齒輪通過剪切小齒輪軸末端支承軸承(39)安裝在基礎底座(I)上；剪切錐齒輪副(40)的上方依次安裝剪切小齒輪軸(3)和剪切力矩傳感器(4);其中，剪切力矩傳感器(4)上端的軸承向上穿過平臺(6)與剪切小齒輪軸前端支承軸承(5)相連接； 所述剪切盒間隙控制單元包括間隙傳感器(33)、間隙控制伺服電機(34)、間隙調整錐齒輪副(37)和中軸(38)，其中，中軸(38)穿過平臺(6)，中軸(38)的下端依次安裝間歇傳感器(33)、間隙調整錐齒輪副(37);基礎底座(I)上還安裝有間隙控制伺服電機(34)，該間隙控制伺服電機(34)的輸出端和間隙調整錐齒輪副(37)連接； 所述剪切単元包括上剪切盒(29)、下剪切盒(30)、上剪切盒安裝盤(27)、下剪切盒安裝盤(31)、剪切大齒輪(32)、剪切小齒輪(8);其中，剪切大齒輪(32)位於平臺(6)中央，剪切大齒輪(32)兩側的平臺(6)上對稱安裝兩個固定杆(45)，下剪切盒安裝盤(31)固定在剪切大齒輪(32)上，下剪切盒安裝盤(31)的上方依次同軸安裝下剪切盒(30)、上剪切盒(29)和上剪切盒安裝盤(27);其中，下剪切盒安裝盤(31)與下剪切盒(30)之間通過螺栓相連接，上剪切盒(29)與上剪切盒安裝盤(27)之間也通過螺栓相連接；剪切小齒輪(8)安裝在剪切小齒輪軸前端支承軸承(5)上，且剪切小齒輪(8)與剪切大齒輪(32)嚙合； 所述豎直単元包括對稱設置的兩個第一直線電動缸(13)、連接套(16)、連接杆(46)、上部加載單元；其中，上部加載單元包括拉壓カ傳感器(14)、球鉸鏈(15)、第二直線電動缸(17)、橫梁(19)、平衡杆(20)、垂直壓カ分布盤(23)、傳カ杆(24)、加壓板(26);其中，平衡杆(20)兩端固定在所述兩個固定杆(45)上端，橫梁(19)平行位於平衡杆(20)下方，兩個固定杆(45)穿過橫梁(19)且該橫梁(19)能夠相對固定杆(45)上、下滑動；所述的兩個第一直線電動缸(13)通過直線電動缸底座(7)分別設置在所述的兩個固定杆(45)的外偵牝所述兩個第一直線電動缸(13)的電動缸軸通過連接杆(46)和定位螺母(18)固定在橫梁(19)的兩端；第一直線電動缸(13)的電動缸軸通過連接套(16)與連接杆(46)相連接；第二直線電動缸(17)固定在所述橫梁(19)下方的中心；在第二直線電動缸(17)的下方依次連接球鉸鏈(15)、拉壓カ傳感器(14)和垂直壓カ分布盤(23)，在垂直壓カ分布盤(23)的下方通過若干個傳カ杆(24)固定加壓板(26)，在加壓板(26)的下表面通過螺栓連接下剪切盒安裝盤(27)； 所述中軸(38)的上端依次穿過剪切大齒輪(32)、下剪切盒安裝盤(31)、下剪切盒(30)、上剪切盒(29)、上剪切盒安裝盤(27)和加壓板(26)的中心，該中軸(38)的上端被固定在加壓板(26)中心的中軸蓋(25)覆蓋； 所述間隙控制伺服電機(34)、剪切伺服電機(42)、兩個第一直線電動缸(13)、第二直線電動缸(17)、間歇傳感器(33)、剪切力矩傳感器(4)分別連接控制器(43)。
2.如權利要求I所述的電動大型應變控制式環剪儀，其特徵在於，所述剪切伺服電機(42)通過剪切伺服電機底座(41)固定在所述基礎底座(I)上。
3.如權利要求I所述的電動大型應變控制式環剪儀，其特徵在於，所述基礎底座(I)上安裝有支架(36)，所述控制器(43)固定在所述支架(36)上，所述間隙控制伺服電機(34)通過間隙控制伺服電機底座(35)固定在支架(36)上。
4.如權利要求I所述的電動大型應變控制式環剪儀，其特徵在於，所述上剪切盒安裝盤(27)底部外表面均勻設置了多個片狀凸起，下剪切盒安裝盤(31)內的底面上也設置了多個片狀凸起。
5.如權利要求I所述的電動大型應變控制式環剪儀，其特徵在於，所述下剪切盒(30)與所述上剪切盒(29)之間設有橡膠圈(11)。
6.如權利要求I所述的電動大型應變控制式環剪儀，其特徵在於，所述垂直壓カ分布盤(23)的下方通過(3)個傳カ杆(24)固定所述加壓板(26)。
7.如權利要求I所述的電動大型應變控制式環剪儀，其特徵在於，所述環剪儀還包括孔隙水壓カ傳感器(28)，所述孔隙水壓カ傳感器(28)安裝在所述上剪切盒(29)側壁上設置的孔中。
8.如權利要求I所述的電動大型應變控制式環剪儀，其特徵在於，所述環剪儀還包括垂直位移傳感器(21)，所述垂直位移傳感器(21)通過垂直位移傳感器支架(22)固定在固定杆(45)上，且垂直位移傳感器(21)的下端與所述垂直壓カ分布盤(23)的上表面接觸。
9.如權利要求I所述的電動大型應變控制式環剪儀，其特徵在於，所述環剪儀還包括剪切位移傳感器(10)，所述剪切位移傳感器(10)通過剪切位移傳感器支架(9)固定在所述固定杆(45)上且與所述下剪切盒安裝盤(31)相接觸。
10.如權利要求I所述的電動大型應變控制式環剪儀，其特徵在於，所述環剪儀還包括剪切阻力傳感器(12)，所述剪切阻力傳感器(12)安裝在所述固定杆(45)上且與所述上剪切盒安裝盤(27)接觸。
專利摘要本實用新型公開了一種電動大型應變控制式環剪儀，包括基礎底座和平臺；所述平臺通過支撐杆安裝在所述基礎底座上方；在平臺和基礎底座之間設置有控制器、剪切小齒輪控制單元和剪切盒間隙控制單元；在平臺上安裝有剪切單元和豎直單元；該環剪儀在上剪切盒、下剪切盒之間設置間隙控制結構，保證上下剪切盒的密封性，有效防止實驗過程中試樣滲漏；通過齒輪傳動及控制器實現速度控制，其最大剪切速度能達到588cm/s，相比國內1r/min的環剪速度，實現了真正意義上的高速環形剪切；通過齒輪機構傳動來實現剪切破壞，下剪切盒進行的是環形轉動，可實現試樣在連續的位移條件下進行剪切，即實現剪切位移不限。
文檔編號G01N3/24GK202453254SQ201120504708
公開日2012年9月26日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者張亞國, 張常亮, 李同錄, 李振江, 李萍, 王昌業, 王阿丹, 藺曉燕, 趙紀飛, 邢鮮麗, 黃麗娟 申請人:長安大學