一种机械-土界面动态剪切特性测定装置及方法

本发明涉及一种机械-土界面动态剪切特性测定装置及方法。

背景技术：

1、机械挖掘工具或牵引部件与土体的相互作用包括针对土体的挤压变形和剪切行为，为探明这一复杂问题，需要对土体物理力学性能进行全面深入的试验研究，其中土体的承压特性涉及到法向压力作用下土体的竖向变形行为，土体的剪切特性涉及到法向和切向应力共同作用下土体的切向滑移变形行为。在地面力学领域，机械挖掘工具如刮刀、切刀、截割齿和牵引部件如履带、车轮等结构与土体界面的动态相互作用与经典土力学试验中基于准静态的剪切加载条件具有较大差别，挖掘或牵引行为的土体剪切速率至少比经典土力学试验中的剪切速率增加至少2-3个数量级，因此需要重新设计试验方案以对机械-土界面动态剪切特性进行深入研究，进而优化机械挖掘工具的切土能力与运土效率、提升牵引部件的地面通过性能等。

2、外力加载方向是影响土体动态剪切特性参数的重要因素之一，现场土体通常呈现分层特征，即随埋深增加含水量、孔隙率等土体参数迅速变化，这使得土体表现出各向异性，因此需在实际可能发生的剪切面内对其进行测试。已有的土体剪切强度测试方法包括环向剪切、线性直接剪切、单轴压缩测试等。其中环剪测试方法能够在大应变条件下对土体剪切特性进行测定，且可部分模拟地面力学领域车轮或履带对土体的剪切作用，因此应用较为广泛，然而由于环剪试验中剪切环内外的剪切速度不同，环半径上的应力和位移分布不均匀，同时环叶片间的软土由于离心力被拉出环外使得剪切环下方的空间无法完全被剪切土填充，以上因素可能导致剪切强度结果被低估。线性直接剪切测试一定程度上能够改善环剪试验的某些缺陷，然而多数线性直接剪切试验过程中极易出现“推土效应”，即当剪切装置前方土体持续累积并被推开时，测得的水平力是剪切力和推力的合力，这使得土体动态剪切强度可能被高估且难以精确控制剪切速率，此外线性直接剪切测试对场地和空间的要求较高，不适用于狭窄的实验室环境。因此需要研发全新的土体动态剪切特性测定装置从而改进现有试验及装置的缺陷。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中所存在的问题，提出了本发明。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种机械-土界面动态剪切特性测定装置，包括链式测试模型、测试框架、加载与控制系统和数据采集系统；

3、所述链式测试模型包括链条、待测剪切板、齿轮转轴、驱动齿轮、从动齿轮、悬挂板、中隔板、测试底座和高强螺栓；所述驱动齿轮和从动齿轮呈等腰三角形布置；所述齿轮转轴通过带座轴承和螺栓安装固定在位于链条两侧的悬挂板上；所述链条安装在驱动齿轮和从动齿轮上，链条外侧均预留螺栓孔；所述待测剪切板通过链条上的预留螺栓孔和螺栓固定在链条上；所述悬挂板位于链条两侧并通过高强螺栓连接固定；所述中隔板设置在悬挂板之间；所述测试底座位于两个从动齿轮中间，测试底座底部安装固定有链条导轨，测试底座与悬挂板之间通过高强螺栓连接。

4、作为本发明所述机械-土界面动态剪切特性测定装置的一种优选方案，其中：所述测试框架包括钢制框架、支撑底座、亚克力透明板和水平线性导轨；所述钢制框架底部安装有支撑底座，钢制框架前侧安装有亚克力透明板，钢制框架内部放置待测土体；所述链式测试模型放置在待测土体上；所述水平线性导轨安装在钢制框架顶部，用于控制链式测试模型的水平位置。

5、作为本发明所述机械-土界面动态剪切特性测定装置的一种优选方案，其中：所述加载与控制系统包括直线伺服电缸、伺服电机、行星减速机和伺服电机驱动装置；所述伺服电机动力输出轴与所述行星减速机动力输入端通过刚性联轴器连接，伺服电机和行星减速机外壳通过螺栓固定的法兰盘连接；所述直线伺服电缸底部与水平线性导轨通过螺纹连接固定，直线伺服电缸的滑动块与悬挂板一侧通过高强螺栓连接；所述伺服电机驱动装置安装在钢制框架顶部，伺服电机驱动装置分别与直线伺服电缸和伺服电机通过导线连接，用于针对链式测试模型的位置、速度、齿轮转动力矩进行闭环控制。

6、作为本发明所述机械-土界面动态剪切特性测定装置的一种优选方案，其中：所述数据采集系统包括扭矩传感器、转速传感器、薄膜压力传感器、线性位移传感器、竖向力传感器、牵引力传感器、微型土压力盒、数据采集模块、计算机模块和电源模块；所述扭矩传感器安装在驱动齿轮的齿轮转轴上，扭矩传感器动力输入端与行星减速机动力输出轴与通过键连接，扭矩传感器动力输出轴与驱动齿轮转轴通过轴套连接，用于检测伺服电机的驱动扭矩；所述转速传感器分别安装在驱动齿轮和从动齿轮转轴端部，用于检测齿轮的转速；所述薄膜压力传感器粘贴或嵌入在待测剪切板可能与待测土体接触的底面和侧面，用于检测待测剪切板所受到的实际法向压力与板侧土体运动阻力；所述线性位移传感器安装在直线伺服电缸一端，用于检测链式测试模型与待测土体的竖向距离；所述竖向力传感器安装在直线伺服电缸滑动块上，用于检测链式测试模型整体施加给待测土体的法向压力；所述牵引力传感器安装在水平线性导轨上部，用于检测链条转动时链式测试模型所受到的水平牵引力；所述微型土压力盒等间距放置在不同深度的待测土体中，测试链式测试模型在不同沉陷深度条件下待测土体中土压力的分布与变化规律。

7、作为本发明所述机械-土界面动态剪切特性测定装置的一种优选方案，其中：所述数据采集模块的输入端口分别与各传感器相连接；所述数据采集模块的输出端口接入计算机模块；所述计算机模块接收各传感器的实时数据并进行自动可视化处理；所述电源模块分别为扭矩传感器、转速传感器、薄膜压力传感器、线性位移传感器、竖向力传感器、牵引力传感器、微型土压力盒、数据采集模块、计算机模块、直线伺服电缸、伺服电机、行星减速机和伺服电机驱动装置供电。

8、作为本发明所述机械-土界面动态剪切特性测定装置的一种优选方案，其中：测定装置可在室内土槽、室外施工现场等开展机械-土界面动态剪切特性参数测试，用于研究土体参数、机械参数、驱动条件对机械-土接触界面动态剪切特性(最大剪切应力、残余剪切应力、剪切应力-滑移位移曲线)的影响规律。

9、作为本发明所述机械-土界面动态剪切特性测定装置的一种优选方案，其中：所述待测剪切板具有不同的形式，可根据试验需求灵活调整，在测试土体动态剪切特性时，待测剪切板的尺寸形状与待研究的机械结构一致或等比例缩小。

10、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种机械-土界面动态剪切特性测定方法，

11、s1：试验前根据所需研究的机械类型定制待测剪切板的尺寸形状，并通过螺栓按照一定排列方式固定在链条上；

12、s2：通过加载与控制系统启动直线伺服电缸缓慢精确调整链式测试模型的竖向位置，使其底部与待测土体表面水平接触，直线伺服电缸滑动块上的竖向力传感器持续记录链式测试模型整体施加给待测土体的竖向力，直到其达到预定值并控制其保持不变；

13、s3：通过加载与控制系统启动伺服电机带动齿轮转轴转动，扭矩传感器持续记录伺服电机驱动扭矩，转速传感器持续记录齿轮的转速，薄膜压力传感器持续输出待测剪切板所受到的板侧土体运动阻力，竖向力传感器持续记录链式测试模型施加给待测土体的总法向压力；

14、s4：数据采集模块和计算机模块对接收到的所有试验数据进行全面整理与汇总，并对机械-土界面动态剪切特性相关参数进行计算。

15、作为本发明所述机械-土界面动态剪切特性测定方法的一种优选方案，其中：所述机械-土界面动态剪切特性测定装置能够测得机械-土接触界面动态剪切特性相关参数：根据扭矩传感器、转速传感器、薄膜压力传感器、竖向力传感器记录的实测数据，利用第一公式可以得出不同条件下机械-土接触界面动态剪切特性，所述第一公式为：

16、

17、其中τd为机械-土界面动态剪切应力，τmax为土体动态最大剪切应力，τ0为土体准静态剪切应力，v为动态剪切速率，k为动态剪切变形系数；

18、在研究机械-土接触界面动态剪切特性时，所述第一公式中τd可以通过第二公式进行计算，所述第二公式为：

19、

20、其中tm为伺服电机驱动扭矩，r0为驱动齿轮半径，m为与待测土体接触的待测剪切板数量，a为待测剪切板面积，τf为待测剪切板侧单位土体运动阻力；

21、所述第一公式中τ0可通过第三公式进行计算，所述第三公式为：

22、

23、其中c为土体黏聚力，n为待测剪切板单位法向压力，为土体内摩擦角；

24、所述第一公式中v可通过第四公式进行计算，所述第四公式为：

25、v＝2πnr0

26、其中n为驱动齿轮转速；

27、所述第三公式中n可通过第五公式进行计算，所述第五公式为：

28、

29、其中nw为待测剪切板受到的总法向压力；

30、所述第一公式中τmax可通过链式测试模型1测得，通过扭矩传感器(41)测量伺服电机(32)在启动瞬间令待测土体有滑移趋势的最大扭矩tmax,0，随后令tm＝tmax,0，通过第二公式求得τmax。

31、作为本发明所述机械-土界面动态剪切特性测定方法的一种优选方案，其中：所述线性位移传感器能够记录待测土体竖向变形，从而分析待测土体的承压力学特性；所述牵引力传感器能够记录链条转动时产生的水平牵引力，从而分析链式测试模型的运动趋势，进而优化链条传动参数；所述微型土压力盒能够记录待测土体中土压力的分布与变化情况，可分析实际牵引部件或挖掘机械工作时对周边土体的扰动情况并优化相应结构参数。

32、本发明的有益效果：1、本发明提供的链式测试模型呈等腰三角形放置，整体结构稳固，空间占用小，适合实验室环境，通过伺服电机和直线伺服电缸装置便能够实现机械-土界面高精度可控制的动态线性剪切行为。

33、2、链条传动模式的引入极大改善了传统长距离线性剪切试验易发生的推土效应，同时也避免了传统环剪试验中剪切环内外的剪切速度差异和环半径上的应力不均匀等问题。

34、3、待测剪切板形状、尺寸和材料可随试验类型、机械类型的差异灵活定制，适用性较强，链条上设置的螺栓孔有利于待测剪切板的装配和拆卸，不同类型和编组的待测剪切板可模拟履带、车轮、挖掘机械等多种使用场景。

35、4、由于悬挂板未封闭链条及待测剪切板外侧空间，薄膜压力传感器可直接粘贴或嵌入在待测剪切板上随链条同时转动而不会被卡住，能够最直观准确地测试不同剪切速率和时间条件下机械与土接触界面的动态剪切力学特性。