CN113324903B - 一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置及方法，包括带有力传感器的加压单元；夹紧单元，与加压单元相连；盛土盘，内设有土壤；待测试样，与夹紧单元相连；控制器，与加压单元相连，控制加压单元带动夹紧单元以预设的速度匀速转动；控制器还控制加压单元向夹紧单元施压，使得待测试样的表面与土壤在预设的法向载荷下接触；扭矩传感器，与盛土盘相连，测定盛土盘的扭矩；扭矩传感器还与控制器相连，由控制器基于扭矩及预设的法向载荷计算出土壤与待测试样表面的切向粘附应力。本发明不仅能够解决传统水平拖拉过程中土堆因塑性变形对运动阻碍导致测量数据偏大的问题，还能够实现高含水量下土壤对材料表面切向粘附力精确测试。

Description

一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置及方法

技术领域

本发明属于机械自动化领域，具体涉及一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置及方法。

背景技术

工程机械、农业机械等触土类装备在长期针对土壤介质施工过程中，由于土壤介质对作业机具表面的粘附，导致作业质量差、施工效率低、作业阻力大等问题。因此，降低土壤对作业机具表面的粘附力，实现土壤的高效脱附，是提升施工效率与质量的关键。

目前，土壤的脱附过程包含法向脱附与切向脱附，而土壤对机具的法向粘附力与切向粘附力分别是评价土壤粘附性的重要指标。据统计，80％以上作业机具的脱附阻力是由切向粘附力决定，说明降低切向粘附力更为重要。目前，土壤法向粘附力测试的装置与方法可以参考JTJ/T 320-96进行准确测试；但是，针对土壤对机具的切向粘附力暂无准确可靠的测试装置及评价方法，导致无法对减粘脱附技术研究与工艺可行性进行准确评价，制约减粘脱附技术的发展。因此，亟需开发一种能准确测定与评价土壤对作业机具的切向粘附力的装置与方法具有重要的意义。

现有技术中的土壤切向粘附力通常采用间接法进行测试，具体测试原理如下：F＝Ca+NtanΦ,其中F为水平拉力,Ca为土壤切向粘附力,N为施加在金属表面垂直于运动方向的正压力,Φ为土壤摩擦角。通过设置不同正压力，采用拉力计牵引金属块以极低的速度匀速运动，测得此时拉力计数值，通过对四组以上的N-F数据拟合，得到在Y轴上的截距，即为土壤的切向粘附力Ca。可见，虽然能有效且准确的测量含水量较低时土壤切向粘附力。但是，在土壤含水量较高时(接近或超过液限)或法向载荷较大时，土壤易发生变形，在水平匀速运动时容易在运动方向上堆积土壤，使工件不仅受到底面的粘附阻力，而且受到侧面土堆的阻力，导致测试结果偏大。

公开号为CN 106996844B的中国发明专利中，公开了离心式土壤切向粘附摩擦力测试装置及其测试计算方法，通过将土壤放置在电机控制的旋转圆盘上，启动电机让土壤随电机一起作匀速旋转运动，通过控制电机转速，让电机以一定增速的方式旋转，当转速达到N_i时刚好土壤可以脱离圆盘而甩出，记录电机的转速。此时，土壤与对应的工件之间的切向粘附摩擦力可由公式F＝MπR_iN_i ²/900；其中F为切向粘附摩擦力，M为被测土壤重量，N_i为土壤脱离盘面时的旋转速度，R_i为工件中心与圆盘中心的距离。可见，通过测量土壤从圆盘飞出时的临界离心力计算土壤切向脱附阻力，也就是切向粘附力与土壤与工件之间的摩擦力的合力，但无法单独测量土壤对工件表面的切向粘附力；由于转速N_i以一定的增幅增加，但是实际临界转速N_a在N_i-1与N_i之间，导致实际测量误差较大；在土壤含水量较高时(接近或超过液限)，此时土壤黏度较低，在工件表面无法成形，旋转飞出时不同保证从土壤-工件界面脱离，导致切向粘附摩擦力无法测量；土壤在高速脱离时需获得初始加速度，因此所计算的临界离心力大于粘附摩擦力，导致计算值偏大。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置及方法，不仅能够解决传统水平拖拉过程中土堆对运动阻碍导致测量数据偏大的问题，还能够实现高含水量下土壤对材料表面切向粘附力精确测试。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置，包括：

带有力传感器的加压单元；

夹紧单元，与所述加压单元相连；

盛土盘，内设有土壤；

待测试样，与所述夹紧单元相连；

控制器，与所述加压单元相连，控制加压单元带动夹紧单元以预设的速度匀速转动；所述控制器还控制加压单元向夹紧单元施压，使得所述待测试样的表面与土壤在预设的法向载荷下接触；

扭矩传感器，与所述盛土盘相连，测定所述盛土盘的扭矩；所述扭矩传感器还与所述控制器相连，由所述控制器基于所述扭矩及预设的法向载荷计算出土壤与待测试样表面的切向粘附应力。

可选地，所述加压单元包括顺次相连的第一连杆、力传感器和第二连杆。

可选地，所述夹紧单元包括相对设置的压紧盘和试样夹具，二者通过螺纹连接；所述压紧盘上设有缺口；所述待测试样部分位于所述压紧盘和试样夹具形成的容纳腔内，部分凸出于所述压紧盘上的缺口。

可选地，所述切向粘附应力的计算过程为：

基于与不同预设的法向载荷对应的扭矩值，计算出对应的土壤切向脱附阻力，所述土壤切向脱附阻力的计算公式为：

其中，τ为土壤切向脱附阻力，M为扭矩值，D为待测试样突出在压紧盘上缺口之外部分的直径；

计算出土壤与待测试样接触面上单位面积的压应力，所述压应力的计算公式为：

其中，σ为压应力，N为法向载荷；

结合公式τ＝Ca+σtanΦ，绘制τ-σ散点图，并对散点进行线性拟合，其中Ca为土壤切向粘附应力；

基于线性拟合结果获得线性方程，该线性方程的常数项则为土壤对试样表面切向粘附应力。

可选地，所述不同预设的法向载荷包括N1、N2、N3和N4，且N4＞N3＞N2＞N1，并保证在N4下土壤表面连续性不被破坏，N1为待测试样的自重。

可选地，所述待测试验突出部分的直径D为30-80mm，突出高度h≥2mm。

可选地，所述盛土盘上远离土壤的一侧设有第三连杆，所述扭矩传感器设于所述第三连杆内。

可选地，所述扭转式土壤切向粘附应力测试装置还包括显示器，所述显示器分别与加压单元中的力传感器和扭矩传感器相连，显示法向载荷和盛土盘的扭矩。

第二方面，本发明提供了一种适用于第一方面中任一项所述的扭转式土壤切向粘附应力测试装置的测试方法，其特征在于，包括：

利用夹紧单元固定待测试样；

在盛土盘中放置土壤，并确保土壤的上表面与盛土盘上表面位于同一平面；

设置法向载荷；

利用控制器控制加压单元向夹紧单元施压，使得所述待测试样的表面与土壤在预设的法向载荷下接触；

利用控制器控制加压单元带动夹紧单元以预设的速度匀速转动；

利用扭矩传感器记录扭矩；

利用控制器基于所述扭矩及预设的法向载荷计算出土壤与待测试样表面的切向粘附应力。

可选地，所述所述切向粘附应力的计算过程为：

基于与不同预设的法向载荷对应的扭矩值，计算出对应的土壤切向脱附阻力，所述土壤切向脱附阻力的计算公式为：

其中，τ为土壤切向脱附阻力，M为扭矩值，D为待测试样突出在压紧盘上缺口之外部分的直径；

计算出土壤与待测试样接触面上单位面积的压应力，所述压应力的计算公式为：

其中，σ为压应力，N为法向载荷；

结合公式τ＝Ca+σtanΦ，绘制τ-σ散点图，并对散点进行线性拟合，其中Ca为土壤切向粘附应力；

基于线性拟合结果获得线性方程，该线性方程的常数项则为土壤对试样表面切向粘附应力。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提出一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置及方法，不仅能够解决传统水平拖拉过程中土堆对运动阻碍导致测量数据偏大的问题，还能够实现高含水量下土壤对材料表面切向粘附力精确测试。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明一种实施例的扭转式土壤切向粘附应力测试装置的结构示意图；

图2为本发明一种实施例的试样安装示意图；

其中：

1.第一连杆、2.力传感器、3.第二连杆、4.压紧盘、5.试样夹具、6.试样、7.土壤、8.盛土盘、9.第三连杆、10.控制器、11.显示器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例1

本发明实施例中提供了一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置，如图1-2所示，包括：

带有力传感器2的加压单元；在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述加压单元包括顺次相连的第一连杆1、力传感器2和第二连杆3；

夹紧单元，与所述加压单元相连；在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述夹紧单元包括相对设置的压紧盘4和试样夹具5，二者通过螺纹连接，保证待测试样6在测试过程中无法晃动；所述压紧盘4上设有缺口；所述待测试样6部分位于所述压紧盘4和试样夹具5形成的容纳腔内，部分凸出于所述压紧盘4上的缺口；在具体实施过程中，所述待测试验突出部分的直径D为30-80mm，突出高度h≥2mm；

盛土盘8，内设有土壤7；所述盛土盘8可以盛放不同含水量、不同土壤7性质的土壤7，并保证含水量高时土壤7不会发生流动；

待测试样6，与所述夹紧单元相连；

控制器10，与所述加压单元相连，控制加压单元带动夹紧单元以预设的速度匀速转动；所述控制器10还控制加压单元向夹紧单元施压，使得所述待测试样6的表面与土壤7在预设的法向载荷下接触；转动速度控制范围为0-10r/min，分辨率为0.1r/min，最大加载载荷0-500N，力传感器2分辨率为0.1N。

扭矩传感器，与所述盛土盘8相连，测定所述盛土盘8的扭矩；所述扭矩传感器还与所述控制器10相连，由所述控制器10基于所述扭矩及预设的法向载荷计算出土壤7与待测试样6表面的切向粘附应力；在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述盛土盘8上远离土壤7的一侧设有第三连杆9，所述扭矩传感器设于所述第三连杆9内；

显示器11，所述显示器11分别与加压单元中的力传感器和扭矩传感器相连，显示作用在土壤7表面的法向载荷及第三连杆9的扭矩，并可以保存数据。

所述切向粘附应力的计算过程为：

基于与不同预设的法向载荷对应的扭矩值，计算出对应的土壤切向脱附阻力，所述土壤切向脱附阻力的计算公式为：

其中，τ为土壤切向脱附阻力，M为扭矩值，D为待测试样6突出在压紧盘4上缺口之外部分的直径；

计算出土壤7与待测试样6接触面上单位面积的压应力，所述压应力的计算公式为：

其中，σ为压应力，N为法向载荷；

结合公式τ＝Ca+σtanΦ，绘制τ-σ散点图，并对散点进行线性拟合，其中Ca为土壤切向粘附应力；

基于线性拟合结果获得线性方程，该线性方程的常数项则为土壤对试样表面切向粘附应力。

在实际应用过程中，所述不同预设的法向载荷包括N1、N2、N3和N4，且N4＞N3＞N2＞N1，并保证在N4下土壤7表面连续性不被破坏，N1为待测试样6的自重。

实施例2

本发明实施例中提供了一种适用于实施例1中所述的扭转式土壤切向粘附应力测试装置的测试方法，具体包括以下步骤：

利用夹紧单元固定待测试样6；

在盛土盘8中放置土壤7，并确保土壤7的上表面与盛土盘8上表面位于同一平面；

设置法向载荷；

利用控制器10控制加压单元向夹紧单元施压，使得所述待测试样6的表面与土壤7在预设的法向载荷下接触；

利用控制器10控制加压单元带动夹紧单元以预设的速度匀速转动；

利用扭矩传感器记录扭矩；

利用控制器10基于所述扭矩及预设的法向载荷计算出土壤7与待测试样6表面的切向粘附应力。

下面结合一具体实施方式对本发明实施例中的测试方法进行详细说明。

1、安装待测试样6，保证不出现松动晃动；在盛土盘8中放置土壤7，压实压紧，用土工刀刮去多余土壤7，确保土壤7上表面与盛土盘8上表面处于同一平面；

2、系统清零，保证显示器11上显示的压力值与扭矩值均为零；

3、设置法向载荷，初始法向载荷推荐待测试样6的自重，计为N1；

4、通过控制器10控制第一连杆1、第二连杆3，带动力传感器2、压紧盘4、试样夹具5、待测试样6向下运动，当显示器11上所显示的压力值为所设置的法向载荷±0.5N时，停止向下运动；

5、设置任意旋转速度(0-4r/min)，通过控制器10控制第一连杆1、第二连杆3，带动力传感器2、压紧盘4、试样夹具5、待测试样6匀速旋转，当显示器11上所显示的扭矩趋于稳定，停止旋转，显示的扭矩记为M1；

6、尽可能大梯度的设置N2-N4三种法向载荷，使N4＞N3＞N2＞N1，并保证在N4下土壤7表面连续性不被破坏；基于不同法向载荷，重复上述步骤3-5，获得在不同法向载荷下所对应的扭矩值，记为M2-M4；

根据上述测得的4组数据，计算土壤7切向粘附力的完整步骤如下：

1、通过土壤7所传递到第三连杆9的扭矩：

通过扭矩公式计算得到切向脱附阻力：

其中τ为土壤切向脱附阻力，M为显示器11所显示在扭矩稳定阶段的值，D为待测试样6突出部分直径；

2、将上述测得的M1-M4扭矩值代入土壤切向脱附阻力计算公式中，得到τ1-τ4四组切向脱附阻力；

3、参考土壤7在切向运动时，切向脱附阻力τ＝Ca+σtanΦ，其中Ca为土壤切向粘附应力，σ为土壤7与试样接触面上单位面积的压应力，计算方法为

采用数据分析软件，绘制τ-σ散点图，并通过数据分析工具对散点进行线性拟合；在拟合后，确认P值≤0.05，保证数据有效性；如P值≥0.05，重复上述测试与计算步骤，获得新的数据组合，去除异常数据，直到P值≤0.05；

4、基于上述线性拟合结果，得到直线在Y轴上的截距或一次方程的常数项则为土壤7对试样表面切向粘附应力。

综上可见：

(1)本发明开发的一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置，采用旋转测扭矩计算切向脱附阻力替代传统水平测切向脱附阻力的方式，减少实验误差，保证数据的准确性。

(2)本发明采用微机控制加载，可以实现法向的连续加载，且加载应力更为均匀与稳定，保证实验所得到的数据更为稳定。

(3)本发明提供了力传感器、扭矩传感器的布置方法，从而最大程度的减小实验误差以及保证设备安全性。

(4)本发明规定了法向载荷的选择标准，可有效减少实验量，以及保证数据可靠性。

(5)本发明提供一种基于扭矩测试的切向脱附阻力计算与切向粘附力获得的方法，保证计算过程的科学合理性，从而确保切向粘附力的真实有效性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置，其特征在于，包括：

带有力传感器的加压单元；

夹紧单元，与所述加压单元相连；

盛土盘，内设有土壤；

待测试样，与所述夹紧单元相连；

控制器，与所述加压单元相连，控制加压单元带动夹紧单元以预设的速度匀速转动；

所述控制器还控制加压单元向夹紧单元施压，使得所述待测试样的表面与土壤在预设的法向载荷下接触；

扭矩传感器，与所述盛土盘相连，测定所述盛土盘的扭矩；所述扭矩传感器还与所述控制器相连，由所述控制器基于所述扭矩及预设的法向载荷计算出土壤与待测试样表面的切向粘附应力；

所述夹紧单元包括相对设置的压紧盘和试样夹具，二者通过螺纹连接；所述压紧盘上设有缺口；所述待测试样部分位于所述压紧盘和试样夹具形成的容纳腔内，部分凸出于所述压紧盘上的缺口；

所述切向粘附应力的计算过程为：

基于与不同预设的法向载荷对应的扭矩值，计算出对应的土壤切向脱附阻力，所述土壤切向脱附阻力的计算公式为：

其中，τ为土壤切向脱附阻力，M为扭矩值，D为待测试样突出在压紧盘上缺口之外部分的直径；

计算出土壤与待测试样接触面上单位面积的压应力，所述压应力的计算公式为：

其中，σ为压应力，N为法向载荷；

结合公式τ＝Ca+σtanΦ，绘制τ-σ散点图，并对散点进行线性拟合，其中Ca为土壤切向粘附应力；

基于线性拟合结果获得线性方程，该线性方程的常数项则为土壤对试样表面切向粘附应力。

2.根据权利要求1所述的一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置，其特征在于：所述加压单元包括顺次相连的第一连杆、力传感器和第二连杆。

3.根据权利要求1所述的一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置，其特征在于：所述不同预设的法向载荷包括N1、N2、N3和N4，且N4＞N3＞N2＞N1，并保证在N4下土壤表面连续性不被破坏，N1为待测试样的自重。

4.根据权利要求1所述的一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置，其特征在于：所述待测试样突出部分的直径D为30-80mm，突出高度h≥2mm。

5.根据权利要求1所述的一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置，其特征在于：所述盛土盘上远离土壤的一侧设有第三连杆，所述扭矩传感器设于所述第三连杆内。

6.根据权利要求1所述的一种扭转式土壤切向粘附应力测试装置，其特征在于：所述扭转式土壤切向粘附应力测试装置还包括显示器，所述显示器分别与加压单元中的力传感器和扭矩传感器相连，显示法向载荷和盛土盘的扭矩。

7.一种适用于权利要求1-6中任一项所述的扭转式土壤切向粘附应力测试装置的测试方法，其特征在于，包括：

利用夹紧单元固定待测试样；

在盛土盘中放置土壤，并确保土壤的上表面与盛土盘上表面位于同一平面；

设置法向载荷；

利用控制器控制加压单元向夹紧单元施压，使得所述待测试样的表面与土壤在预设的法向载荷下接触；

利用控制器控制加压单元带动夹紧单元以预设的速度匀速转动；

利用扭矩传感器记录扭矩；

利用控制器基于所述扭矩及预设的法向载荷计算出土壤与待测试样表面的切向粘附应力。

8.根据权利要求7所述的一种扭转式土壤切向粘附应力测试方法，其特征在于，所述切向粘附应力的计算过程为：

基于与不同预设的法向载荷对应的扭矩值，计算出对应的土壤切向脱附阻力，所述土壤切向脱附阻力的计算公式为：

其中，τ为土壤切向脱附阻力，M为扭矩值，D为待测试样突出在压紧盘上缺口之外部分的直径；

计算出土壤与待测试样接触面上单位面积的压应力，所述压应力的计算公式为：

其中，σ为压应力，N为法向载荷；

结合公式τ＝Ca+σtanΦ，绘制τ-σ散点图，并对散点进行线性拟合，其中Ca为土壤切向粘附应力；

基于线性拟合结果获得线性方程，该线性方程的常数项则为土壤对试样表面切向粘附应力。

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