一种便携式贝氏仪的制作方法

[0001]
本实用新型涉及表层土壤力学参数测试领域，具体涉及一种便携式贝氏仪。


背景技术：

[0002]
近些年来，随着科学技术的进一步发展，人们对于未知领域的探索以及研究越来越深入，在这些探索以及研究当中，又以地面力学的研究最为基础。地面力学这门学科主要是研究机器在作业时与土壤相互作用的过程，而这其中所需了解的基本参数便是土壤本身的性质。土壤承压特性及土壤剪切特性是土壤本身的两种重要特性，其中土壤的承压特性是指地面垂直变形与因之产生的法向应力的关系。同时，机械在地面上行驶时所能产生的最大牵引力受到土壤切向抗剪强度的限制，因此土壤的剪切特性是影响汽车等运动机械地面通过性的最重要特征。测量上述特性的工具有很多，其中贝氏仪是最常用的一种，贝氏仪通过测量一定沉陷下压板所受正应力来得出土壤承压特性以及一定沉陷下土壤剪切力来得出土壤剪切特性。贝氏仪具有结构简单，操作容易，适用于在野外进行原样试验的优点。但现如今贝氏仪体积过大，重量较重，携带不便，不适用于试验室环境，同时试验需更换压板次数多，试验过程繁琐。故设计了新型的便携式贝氏仪以解决上述问题。


技术实现要素：

[0003]
为解决现有贝氏仪质量重、体积大、试验步骤繁琐的缺陷。本实用新型提出了一种便携式贝氏仪。该种试验台可测量土壤在不同压板作用下的法向受力以及法向受力作用下的沉陷数据，根据所得数据以及上述第一公式得到土壤承压特性，求出土壤承压特性参数(k
c
、n)并可绘制土壤承压特性曲线。同时，该种试验台可测量土壤在一定法向力作用下的扭矩值及沉陷值，并通过所得数据结合上述第二、三、四、五公式得到土壤剪切特性，求出土壤剪切特性参数(k)并可绘制土壤剪切特性曲线。该便携式贝氏仪由于使用了现如今较为先进的直线电缸以及伺服电机作为驱动装置，在保证动力的同时大大减小了贝氏仪的体积和质量。此外，由于设计了三组伺服电机，可减小更换压板的次数，提高试验效率，减小误差。该试验台具有操作方便、体积小、质量轻、便于携带的特点。
[0004]
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005]
一种便携式贝氏仪，包括测试系统、控制及数据采集系统、机架。所述测试系统包括直线电缸、法向力传感器、伺服电机、减速器、扭矩传感器、转轴、压板、履带板；其中两个直线电缸布置在底层平板上；法向力传感器一端与直线电缸相连，另一端与压板相连，负责测量土壤承压特性。一个直线电缸布置在顶层平板上；法向力传感器一端与直线电缸相连，另一端与门型框架相连；伺服电机与减速器配合相连；减速器一端与伺服电机相连另一端与扭矩传感器相连，同时减速器与机架通过螺栓连接；扭矩传感器一端与减速器配合，另一端与转轴配合；转轴一端与扭矩传感器配合，另一端与履带板相连，负责测量土壤剪切特性。
[0006]
进一步地，所述控制及数据采集系统包括控制器及数据采集器；控制器与直线电
缸以及伺服电机相连接，负责控制直线电缸上下运动从而对土壤施加法向力，控制伺服电机带动转轴旋转从而提供剪应力；数据采集器与法向力传感器以及扭矩传感器相连接，负责采集传感器所采集到的数据。
[0007]
更进一步的，所述机架包括支撑腿、底层平板、二层机架、顶层平板、导向轴、门型框架、导向轴套、机架端盖；支撑腿与底层平板焊接；门型框架与二层机架连接；导向轴与底层平板、二层机架、顶层平板、导向轴套相连，对控制系统运动起到上下导向作用。
[0008]
本实用新型的有益效果：
[0009]
1、使用直线电缸、伺服电缸等，大大减小了贝氏仪的体积与质量，使所设计便携式贝氏仪可方便携带，同时在实验室条件下方便布置。
[0010]
2、设计了两组直线电缸机构，可测试不同压板作用下土壤的承压特性，减少了频繁更换压板带来的试验误差。
[0011]
3、当不需测量土壤剪切特性时，可将其改为土壤承压特性测量部分进行测量。
附图说明
[0012]
图1是本实用新型的结构示意图。
[0013]
图2是本实用新型一个优选实施例的主视图。
[0014]
图3是本实用新型一个优选实施例的便携式贝氏仪左视图。
[0015]
图中：1-测试系统，2-控制及数据采集系统，3-机架，11-直线电缸，12 法向力传感器，13-伺服电机，14-减速器，15-扭矩传感器，16-转轴，17-压板， 18-履带板，31-支撑腿，32-底层平板，33-二层机架，34-顶层平板，35-门型框架，36-导向轴套，37-导向轴。
具体实施方式
[0016]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和造作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0017]
如图1所示，一种便携式贝氏仪，包括测试系统1、控制及数据采集系统 2和机架3；测试系统1既能通过测量法向力以及法向沉陷来测量土壤承压特性，又能通过测量剪应力、法向力、法向沉陷、切向位移来测量土壤剪切特性；控制及数据采集系统2负责控制测试系统进行测试，并通过采集系统进行传感器的数据采集。机架3负责连接测试系统1以及控制及数据采集系统2 中部件。
[0018]
如图3所示，所述测试系统1包括直线电缸11、法向力传感器12、伺服电机13、减速器14、扭矩传感器15、转轴16、履带板18；其中还包括图2 中所示全部机架3中机构；伺服电机13输出轴与减速器14输入端过盈配合，二者之间的法兰盘通过螺栓连接；减速器14输出端与扭矩传感器15输入端过盈配合；扭矩传感器15下端通过螺栓与二层机架33紧固相连；扭矩传感器15输出端与转轴16上端通过键连接相连；转轴16下端与履带板18通过螺纹连接。
[0019]
如图2所示，所述测试系统1中的直线电缸11通过螺纹连接固定在底层平板32以及顶层平板34上；法向力传感器12上端与直线电缸11通过螺纹连接，下端与压板17通过螺纹
连接；所述机架3包括支撑腿31、底层平板 32、二层机架33、顶层平板34、门型框架35、导向轴套36、导向轴37；支撑腿31焊接在底层平板32下方起到支撑的作用；导向轴37通过螺纹连接固定在底层平板32上；二层机架33通过导向轴套36与导向轴37间隙配合，可使其沿轴上下滑动；顶层平板34通过螺纹连接固定在导向轴37上；门型框架35通过螺栓连接固定在二层机架33上，用于挂接剪切参数测试机构。
[0020]
所述测试系统1能测得土壤承压特性：通过法向力传感器测出一定深度下的法向力并以及直线电缸所输出的沉陷，并通过控制及数据采集系统2中的数据采集器进行数据采集；利用第一计算公式得出特定土壤条件下土壤承压特性，所述第一公式为：
[0021][0022]
其中，p为压板所受法向力，k
c
为土壤黏聚模量，b为所用压板半径，为土壤摩擦模量，z为压板下陷量，n为土壤变形指数；其中所求变量为k
c
、n，其余为测试量。
[0023]
所述测试系统1还能测得土壤剪切特性：通过法向力传感器测出垂直于剪切面积的单位压力，通过直线电缸所输出的沉陷以及扭矩传感器所测出的扭矩值，并通过控制及数据采集系统2中的数据采集器进行采集；利用第二计算公式得出特定土壤条件下的土壤剪切特性，所述第二公式为：
[0024][0025]
其中τ为土壤剪切力，τ
max
为土壤最大剪切应力，j为剪切位移，k 为土壤剪切变形模量。
[0026]
当测量土壤剪切特性时，所述第二公式中τ可以通过第三计算公式进行计算，所述第三公式为：
[0027][0028]
其中t
m
为扭矩传感器所测扭矩，r
o
为履带板外圈半径，r
i
为履带板内圈半径；
[0029]
所述第二公式中τ
max
可通过第四计算公式进行计算，所述第四公式为：
[0030]
τ
max
＝c+p tanφ
[0031]
其中，c为土壤内聚力，p为履带板所受法向力，为土壤颗粒间的摩擦系数；
[0032]
所述第二公式中j可通过第五计算公式进行计算，所述第五公式为：
[0033][0034]
其中r
o
为履带板外圈半径，r
i
为履带板内圈半径，α为剪切角。
[0035]
本实用新型工作原理如下：
[0036]
请参阅图1、图2、图3所示，试验前先在法向力传感器12下方安装所需尺寸压板，在转轴16下方安装所需尺寸履带板，随后将支撑腿31放置在水平面上，保证各连接轴垂直于被测土壤，通过数据采集及控制系统2启动直线电缸11将压板17以及履带板18缓慢下降至于被测表面接触，并将法向力传感器12以及扭矩传感器15读数归零，将沉陷读数归零。在进行土壤承压特性测试试验时，打开开关，数据采集及控制系统2控制底层平板32上直线电缸
11驱动压板17压入土中，法向力传感器12输出压板受力情况，同时直线电缸输出沉陷情况，当压力增大且沉陷不再增大时停止驱动，数据采集及控制系统2记录所测法向压力以及土壤法向变形数据。当进行剪切特性测试试验时，打开开关，数据采集及控制系统2控制顶层平板34上直线电缸11 驱动履带板18压入土中，法向力传感器12输出履带板18所受法向力数据，直线电缸11输出土壤法向变形数据，随后伺服电机13启动带动转轴16转动，扭矩传感器15输出相应角位移下的扭矩情况，当压力增大且沉陷不再增大时停止驱动，数据采集及控制系统2记录数据。