专利名称：一种多功能环剪仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多功能环剪仪，适用于测定土、石等颗粒材料的抗剪切力及剪切过程中的体积变化。
背景技术：
近年来，随着岩土工程与颗粒力学的发展，为 研究以土、石为主的颗粒物质在流动状态下力学性质的环剪装置得到越来越多的关注。目前我国研究环剪装置主依靠国外进□。已公知的文献有大型高速环剪试验机及其在滑坡研究中的应用；杨志双，许清涛，刘正华，赵淑云；长春科技大学学报；2001，31 (2) =163-167 ;大型高速环剪试验机的开发与应用；杨志双，孙立华，王莹；实验技术与管理，2007，24 (4) 55-57 ;这些文献都是通过引进日本的环剪试验机对固结成整体的岩土材料进行准静态的剪切试验。该装置可以对作用对象起到环向剪切的作用，但作用对象较为局限不能对离散的颗粒流体材料进行试验且条件较为单一。因此开发一种以散体颗粒为研究对象的，压力、速度、体积等多参数可控且剪切方式多元化的多功能环剪装置具有现实意义。

发明内容
本发明提供了一种多功能环剪仪，该环形剪切盒，使土、石等散体颗粒在剪切盒内处于流动的状态中，并测量颗粒物质在流动过程中受到剪切面的剪切力；采用可更换剪切盒设计，提供了水平、竖直两种剪切方式与不同粗糙度条件。本装置还实现了作用对象体积控制，竖直压力控制，剪切速率控制；剪切力，剪切速率，体积变化，压力的测量较为准确。本发明的技术方案如下一种多功能环剪仪，包括主机、液压升降系统、旋转动力系统、测量系统和框架五部分。主机、旋转动力系统、液压升降系统、测量系统分别固定在框架上。主机包括轴、上剪切盒、下剪切盒和轴承法兰；主机以轴为中心，圆锥轴承与下球轴承内接轴外接轴承法兰，支架法兰内接轴承法兰外接桌面，下剪切盒托盘内接轴承外接下剪切盒，上球轴承与中球轴承内接轴外接轴承架，直线轴承内接轴承架外接上剪切盒，上剪切盒上部为上盖。圆锥轴承对轴起支撑作用并与下球轴承一起固定并控制轴与轴承法兰的同轴度， 同时减小轴与轴承法兰之间的摩擦系数，即轴可在轴承法兰内部任意旋转，轴承法兰通过螺母与支架法兰连接固定在桌面上；轴的轴肩对下剪切盒托盘起支撑作用并通过轴上的花键对下剪切盒托盘传递旋转动力，下剪切盒随轴一起转动，下剪切盒通过螺母固定在下剪切盒托盘上，下剪切盒随轴一起转动；上球轴承与中球轴承通过卡子一与卡子二固定在轴承架上，控制轴承架与轴之间的同轴度并减少轴与轴承架之间的摩擦系数，即轴可在轴承架内部自由旋转，直线轴承通过卡子三固定在上剪切盒上，直线轴承保持上剪切盒与轴承架之间的同轴度并减少上剪切盒与轴承架之间的摩擦系数，上剪切盒可绕轴承架任意旋转并沿轴承架竖直上下运动，上盖通过螺母固定在上剪切盒上部方便对轴承等部件添加润滑油。在轴旋转的过程中，轴带动下剪切盒旋转使下剪切面为主动面，上剪切面为从动面且固定不动，此时对剪切盒内的作用对象形成了剪切的作用。下剪切盒通过螺母固定在下剪切盒托盘上，从而可以更方便通过更换剪切盒而改变剪切面积等参数，使剪切盒部位具有良好的开放性。上剪切面一通过螺母固定在上剪切盒上，下剪切面一通过螺母固定在下剪切盒上，粗糙的剪切面上下表面可对剪切盒内的作用对象产生水平剪切力。上剪切面二通过螺母固定在上剪切盒上，下剪切面二通过螺母固定在下剪切盒上，粗糙的剪切面上下表面可对剪切盒内的作用对象产生竖直剪切力。旋转动力系统包括变频器、变频电机及减速机组成，变频电机通过螺母水平固定在框架底部，变频电机的输出轴通过联轴节与减速机水平方向的输入轴相连接，减速机输竖直向上的输出轴与轴的下端通过联轴节连接，因此轴随着电机输出轴旋转而转动，且减速机将变频电机的转动方向旋转90°。液压升降系统包括液压升降臂和垂直载荷加载臂加载臂；液压升降臂一端通过螺母固定在上剪切盒上，一端通过螺母固定在液压升降机上，液压升降机通过液压升降臂将竖直方向的载荷与位移传递给上剪切盒，同时液压升降机固定在框架上。测量系统包括测速仪、位移传感器和压力传感器及扭矩传感器。测速仪固定在框架上、桌面下方，可使激光束对准轴并通过接收反射波测量转速；位移传感器固定在框架上，液压升降臂的下方，对液压升降臂的位移进行测量从而对上剪切盒的位移进行测量；压力传感器固定在液压升降机对液压升降臂的支撑点上，测量液压升降机与液压升降臂之间的压力从而测量上剪切盒对剪切盒内作用对象的压力；扭矩传感器固定在液压升降臂与液压升降机水平连接处，通过测量液压升降臂与液压升降机之间的水平压力间接测量作用对象对上剪切盒的剪切力。本发明的技术特点有I、本发明为土、石等散体颗粒提供一个受剪切的连续流动环境且运动距离上限可视为无限。2、本发明的下剪切盒可从下剪切盒托盘上拆3、卸，根据使用者的要求更换不同体积、形状的剪切盒。下剪切盒与下剪切面之间通过倒置沉头螺母固定，既似的剪切面可更换，又避免的螺母对剪切面的影响。4、本发明可通过更换剪切面提供不同摩擦系数的水平剪切力。5、本发明可通过更换剪切面提供不同摩擦系数的竖直剪切力。6、本发明可通过改变轴的转速为作用对象提供不同的剪切速率。7、本发明可通过液压升降机对上剪切盒的作用为作用对象提供不同的垂直压力。8、本发明的上剪切盒可沿竖直方向上下移动。



附图I为本发明多功能环剪仪整体结构示意图。附图2为本发明的主机示意图。附图3为本发明剪切盒部位水平剪切面结构的示意图。
附图4为本发明剪切盒部位竖直剪切面结构的示意图。图中I变频电机及变频器；2减速机；3转速仪；4主机；5位移传感器；6变频器；7液压升降臂；8液压升降装置；9框架；10上盖；11上剪切盒；12轴承架；13上球轴承；14直线轴承；15轴；16中球轴承；17上剪切面一 ；18下剪切盒；19下剪切面一；20下剪切盒托盘；21支架法兰；22轴承法兰；23圆锥轴承；24下球轴承；25上剪切面二 ；26下剪切面二 ；27扭矩传感器28压力传感器；29桌面;A1_A7为螺母为轴承卡子。
具体实施例方式下面结合附图通过对本发明的结构、操作过程、测试过程及实施实例作进一步的说明。图I中，本发明主要以框架支撑整个结构。将变频电机I、变频器6与蜗轮蜗杆减速机2用通过联轴节Cl连接，并用螺母固定在框架底部。B4为框架中桌面，焊接在框架上并用角钢支撑，将主机的支架法兰21通过螺母Al固定在桌面B4上，同时保证轴15下端与蜗轮蜗杆减速机2的输出轴通过联轴节C2直线连接。将液压升降装置8安装在框架侧壁上如图所示位置，液压升降臂7 —端固定在液压装置上一端通过螺母A5固定在上剪切盒11 上。测速仪3安装在桌面下方如图所示位置，使得激光束可以照射到轴15上。位移传感器 5安装如图所示位置，从而可以测量载荷臂的位移。压力传感器、扭矩传感器6安装在图示位置，通过载荷臂7与液压载荷系统8之间的水平、竖直相互作用力，测得上剪切盒11所受的竖直载荷与剪切力。图2中，本发明的主机部分已轴15为中心，下端通过联轴节C2连接蜗轮蜗杆减速机2的输出轴，依靠圆锥轴承23提供竖直方向的支撑作用，圆锥轴承23与下球轴承24共同提供竖直方向的垂直度。轴承法兰22将圆锥轴承23与下球轴承24固定，同时通过螺母 A6固定在支架法兰21上。下剪切托盘20通过花键固定在轴15上，同时通过螺母A2与下剪切盒18连接在一起。轴承架12通过上球轴承13与中球轴承16固定在轴15上，因为过程中轴承架12不承受竖直载荷，所以三者之间的过盈配合即可支撑轴承架12的重力，上球轴承13通过卡子BI固定在轴承架12上，中球轴承16通过卡子B2固定在轴承架12上。上剪切盒11通过直线轴承14与轴承架12连接，直线轴承14通过B3固定在上剪切盒11上， 通过两层轴承的过渡，上剪切盒11分离了轴15的转动力，只保持了与轴15的同轴关系。且上剪切盒11可在竖直方向上自由运动。图3为本发明水平剪切结构的剪切盒简图，上剪切面一 17与通过螺母A4与上剪切盒11连接，下剪切面一 19通过螺母A3与下剪切盒18连接。在过程中，下剪切盒18的竖直方向的内壁为光滑面，下剪切面一 19水平上表面为粗糙面并随轴15转动，上剪切面一 17水平下表面为粗糙面且固定静止，因此两平行粗糙面对作用对象产生了水平剪切效果。图4为本发明竖直剪切结构的剪切盒简图，上剪切面25与通过螺母A4与上剪切盒11连接，下剪切面26通过螺母A3与下剪切盒18连接。在作用过程中，下剪切面27水平面为光滑面，竖直内侧为粗糙面，上剪切面25水平面为光滑面，竖直外侧为粗糙面，下剪切面26随轴15转动，上剪切面二 25固定静止，因此两竖直内外平行的剪切面对作用对象产生了竖直剪切的效果。
权利要求
1.一种多功能环剪仪，包括主机、液压升降系统、旋转动力系统、测量系统和框架五部分，一种多功能环剪仪，包括主机、液压升降系统、旋转动力系统、测量系统和框架；主机、旋转动力系统、液压升降系统、测量系统分别固定在框架上；其特征在于主机包括轴、上剪切盒、下剪切盒和轴承法兰；主机以轴为中心，圆锥轴承对轴起支撑作用并与下球轴承一起固定并控制轴与轴承法兰的同轴度，轴在轴承法兰内部任意旋转， 轴承法兰通过螺母与支架法兰连接固定在桌面上；轴的轴肩对下剪切盒托盘起支撑作用并通过轴上的花键对下剪切盒托盘传递旋转动力，下剪切盒随轴一起转动，下剪切盒通过螺母固定在下剪切盒托盘上，下剪切盒随轴一起转动；上球轴承与中球轴承通过卡子一与卡子二固定在轴承架上，轴在轴承架内部自由旋转，直线轴承通过卡子三固定在上剪切盒上， 直线轴承保持上剪切盒与轴承架之间的同轴度并减少上剪切盒与轴承架之间的摩擦系数， 上剪切盒绕轴承架任意旋转并沿轴承架竖直上下运动，上盖通过螺母固定在上剪切盒上部；在轴旋转的过程中，轴带动下剪切盒旋转使下剪切面为主动面，上剪切面为从动面且固定不动,此时对剪切盒内的试验对象形成了剪切的作用；下剪切盒通过螺母固定在下剪切盒托盘上，通过更换剪切盒而改变剪切参数；上剪切面一通过螺母固定在上剪切盒上，下剪切面一通过螺母固定在下剪切盒上，粗糙的剪切面上下表面对剪切盒内对象产生水平剪切力；上剪切面二通过螺母固定在上剪切盒上，下剪切面二通过螺母固定在下剪切盒上，粗糙的剪切面上下表面对剪切盒内的对象产生竖直剪切力；上剪切面一固定在上剪切盒上，下剪切面一固定在下剪切盒上；上剪切面二固定在上剪切盒上，下剪切面二固定在下剪切盒上。
2.根据权利要求I所述的一种多功能环剪仪，其特征在于，旋转动力系统包括变频器、 变频电机及减速机组成，变频电机通过螺母水平固定在框架底部，变频电机的输出轴通过联轴节与减速机水平方向的输入轴相连接，减速机输竖直向上的输出轴与轴的下端通过联轴节连接，因此轴随着电机输出轴旋转而转动，且减速机将变频电机的转动方向旋转90°。
3.根据权利要求I所述的一种多功能环剪仪，其特征在于，液压升降系统包括液压升降臂和垂直载荷加载臂加载臂；液压升降臂一端通过螺母固定在上剪切盒上，一端通过螺母固定在液压升降机上，液压升降机通过液压升降臂将竖直方向的载荷与位移传递给上剪切盒，同时液压升降机固定在框架上。
4.根据权利要求I所述的一种多功能环剪仪，其特征在于，测量系统包括测速仪、位移传感器和压力传感器及扭矩传感器。测速仪固定在框架上、桌面下方，使激光束对准轴并通过接收反射波测量转速；位移传感器固定在框架上，液压升降臂的下方，对液压升降臂的位移进行测量从而对上剪切盒的位移进行测量；压力传感器固定在液压升降机对液压升降臂的支撑点上，测量液压升降机与液压升降臂之间的压力从而测量上剪切盒对剪切盒内作用对象的压力；扭矩传感器固定在液压升降臂与液压升降机水平连接处，通过测量液压升降臂与液压升降机之间的水平压力间接测量作用对象对上剪切盒的剪切力。
全文摘要
本发明涉及一种多功能环剪仪，适用于测定土、石等颗粒材料的抗剪切力及剪切过程中的体积变化。其主要由主机、液压升降系统、旋转动力系统、测量系统和框架等构成，主机、旋转动力系统、液压升降系统、测量系统分别固定在框架上，主机包括轴、上剪切盒、下剪切盒和轴承法兰等部件。该环形剪切盒提供了水平、竖直两种剪切方式与不同粗糙度条件，使土、石等散体颗粒在剪切盒内处于流动的状态中，并测量颗粒物质在流动过程中受到剪切面的剪切力，剪切盒可更换使用。本发明对于作用对象的体积控制、竖直压力控制、剪切速率控制、剪切力、剪切速率、体积变化、压力等测量都较为准确。
文档编号G01N3/24GK102621044SQ20121008108
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者季顺迎, 毕祥军, 陈晓东 申请人:大连理工大学