CN108535179B - 颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台，包括用于装载待实验颗粒物质的装料盒，上夹板设置在装料机构内且沿着水平方向往复移动；设置在上夹板下方的下夹板用于支撑所述上夹板且与上夹板同步往复移动，下夹板与上夹板间隙布置且二者之间通过压力传感器连接，压力传感器用于采集颗粒物质作用在上下夹板竖直方向的压力竖直方向的力，驱动机构用于驱动上夹板及下夹板水平方向往复移动，驱动机构上设置有用于采集上、下夹板水平方向滑动摩擦力的切向力传感器，该实验设备较为完善，测量结果较为准确，能够准确的测得颗粒物质的摩擦系数并实时监测往复剪切运动过程中颗粒体系宏观力学性能的演变过程，以探究颗粒物质复杂的力学性能。

Description

颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台

技术领域

本发明涉及颗粒物质试验设备技术领域，具体涉及一种颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台。

背景技术

颗粒物质是大量离散的固体颗粒相互作用而组成的复杂体系，具有与一般固体和流体不同的特殊运动规律，表现出复杂的力学特性，是凝固态物理研究前沿之一。很多自然灾害，如雪崩、泥石流及山体滑坡等均与颗粒物质的力学特性密切相关，地震灾害中断裂带的形成、触发和滑移等很大程度上都取决于颗粒物质的运动特性。剪切是颗粒体系中较为常见的一种运动方式，在我们生活中较为常见，探究颗粒物质在剪切过程中的力学性能也成为科学研究中热点之一。

针对于颗粒物质的力学研究实验设备中，一般的实验装置简陋，特别是在剪切运动过程中，大多都只能测得单次剪切过程，无法得到颗粒物质在往复过程中颗粒物质宏观力学特性的变化过程，针对以上问题，本发明能够较为准确的测得颗粒物质的摩擦系数并实时监测往复剪切运动过程中颗粒体系宏观力学性能的演变过程，以探究颗粒物质复杂的力学性能。

发明内容

本发明的目的是：提供一种新的颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台，能够较为准确的测得颗粒物质的摩擦系数并实时监测往复剪切运动过程中颗粒体系宏观力学性能的演变过程，以探究颗粒物质复杂的力学性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台，

装料盒，用于装载待实验颗粒物质；

上夹板，设置在装料机构内且沿着水平方向往复移动；

下夹板，设置在上夹板下方，用于支撑所述上夹板且与所述上夹板同步往复移动；

所述下夹板与上夹板间隙布置且二者之间通过压力传感器连接，所述压力传感器用于采集上夹板与下夹板竖直方向的压力；

驱动机构，用于驱动上夹板及下夹板水平方向往复移动；

驱动机构上设置有用于采集上夹板及下夹板水平方向滑动摩擦力的切向力传感器。

本发明还存在以下特征：

所述上夹板及下夹板的板面水平且平行间隔布置，所述下夹板的两端下板面设置有支撑机构，所述支撑机构下方设置有法向力传感器。

所述装料盒呈矩形，所述装料盒的两侧盒壁设置有通孔，所述上夹板及下夹板伸出通孔且与通孔的上下孔壁间隙布置，所述支撑机构设置在装料盒两侧盒壁的外侧。

所述压力传感器的工作区域呈圆片状结构，所述压力传感器竖直布置且上下端分别与上夹板及下夹板上下板面抵靠，所述压力传感器沿着上夹板及下夹板的长度方向间隔设置有两个。

所述压力传感器与上夹板的抵靠端设置有橡胶垫圈。

所述支撑机构包括设置在装料盒两侧盒壁的支撑滚珠，所述支撑滚珠固定在法向力传感器的上端，所述法向力传感器固定在竖直调节模台的上端。

所述下夹板与上夹板的一端分别设置有第一、第二通孔，所述第一、第二通孔孔芯竖直且同芯布置，所述驱动机构包括连接板，所述连接板的板端设置有浮动销，所述浮动销竖直且穿置在所述第一、第二通孔内，所述第一、第二通孔的孔径大于浮动销的杆径。

所述驱动机构包括设置在工作台上的调整模台上，所述连接板的一端固定在调整模台上，所述工作台上设置有伺服电机，所述伺服电机的输出轴设置有丝杆，所述丝杆与调整模台的螺母配合，所述丝杆的长度方向水平且与连接板平行，所述工作台上还设置有位移传感器，所述位移传感器呈杆状且与丝杆平行，所述位移传感器的杆端指向调整模台。

颗粒物质剪切运动力学特性测试方法，所述测试方法采用了上述的颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台，测试方法包括如下步骤：

第一步：将两块压力传感器放置在下夹板的上板面，将上夹板盖设在两个压力传感器的上方，将上夹板、下夹板及两个压力传感器形成的组装体伸出装料盒两侧盒壁设置的通孔，并且使得下夹板布置在在支撑机构的支撑滚珠上，使得下夹板与支撑滚珠接触；

第二步：调节竖直调节模台，使得上夹板及上夹板的板面处在水平状态，同时保证上夹板、上夹板及两个压力传感器形成的组装体与装料盒各处保持间隙布置；

第三步：将颗粒物质投入装料盒内，并且使得颗粒物质没过上夹板的上板面；

第四步：调节竖直调节模块，使得上夹板与支撑机构的支撑滚珠接触；

第五步：调节调整模台，使得连接板与切向力传感器上端水平接触，利用螺栓将连接板固定在切向力传感器上端，切向力传感器固定在调整模台上；

第六步：向装料盒的盒口位置施加重物，并且启动驱动机构使得上夹板、下夹板及两个压力传感器形成的组装体水平方向往复移动；

第七步：将压力传感器、法向力传感器、切向力传感器以及位移传感器采集的数据通过采集卡与计算机连接，利用计算机获取颗粒物质剪切运动力学特性数据。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：该实验设备较为完善，测量结果较为准确，能够准确的测得颗粒物质的摩擦系数并实时监测往复剪切运动过程中颗粒体系的变化，以探究颗粒物质复杂的力学性能。

附图说明

图1和图2是颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台两种视角的结构示意图；

图3是颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台移出驱动机构后的结构示意图；

图4是颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台移出驱动机构及上夹板后的结构示意图；

图5是上夹板、下夹板、连接板及装料盒配合的结构示意图；

图6是法向力传感器与支撑机构的结构示意图。

具体实施方式

结合图1至图6，对本发明作进一步地说明：

一种颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台，其特征在于：

装料盒10，用于装载待实验颗粒物质；

上夹板20，设置在装料机构10内且沿着水平方向往复移动；

下夹板30，设置在上夹板20下方，用于支撑所述上夹板20且与所述上夹板20同步往复移动；

所述下夹板30与上夹板20间隙布置且二者之间通过压力传感器40连接，所述压力传感器40用于采集上夹板20与下夹板30竖直方向的压力；

驱动机构，用于驱动上夹板20及下夹板30水平方向往复移动；

驱动机构上设置有用于采集上夹板20及下夹板30水平方向滑动摩擦力的切向力传感器50；

结合图1和图2所示，上述颗粒物质线性力学特性测试在实际测试时，采用两块间隔布置的上夹板20及下夹板30构成，并且在上夹板20及下夹板30间隙内设置压力传感器40，当颗粒物质装载在装料盒10内，颗粒物质与实验板20的上板面以及支撑板30的下板面接触，从而可有效采集颗粒物质传递到给实验板20和支撑板30上竖直方向的作用力；

上述的驱动机构驱动上夹板20及下夹板30水平方向往复移动的过程中，利用上述的切向力传感器50可转却获取颗粒物质施加给实验板20和支撑板30水平移动时产生的摩擦力，通过后处理分析获得的力学信号数据，可以得到颗粒物质与平面间摩擦系数的变化特性；

上述的上夹板20可根据实际的试验要求，设置不同的支撑面，磨砂面、毛面、平面等等，因此可根据实际情况，能够获得颗粒物质与不同平面之间、颗粒物质与颗粒物质之间的摩擦系数变化特性。

作为本发明的优选方案，所述上夹板20及下夹板30的板面水平且平行间隔布置，所述下夹板30的两端下板面设置有支撑机构60，所述支撑机构60下方设置有法向力传感器70；

为实现对上述的上夹板20及下夹板30的有效支撑，利用上述的支撑机构60上的法向力传感器70即可获得，上述的法向力传感器70可读取支撑机构60实施对下夹板30的支撑力，该支撑力即为颗粒物质施加给上夹板20的一部分竖直分立，该法向力传感器70获得的压力值与压力传感器40获得的压力值之和即为颗粒物质施加给上夹板20的压力，因此上述结构可有效提高竖直压力值的准确度；

优选地，结合图3至图5所示，所述装料盒10呈矩形，所述装料盒10的两侧盒壁设置有通孔11，所述上夹板20及下夹板30伸出通孔11且与通孔11的上下孔壁间隙布置，所述支撑机构60设置在装料盒10两侧盒壁的外侧；

上述的支撑机构60设置在装料盒10两侧盒壁的外侧，从而实现对上夹板20及下夹板30两端的支撑，使得上夹板20及下夹板30与通孔11的上下孔壁之间形成间隙，从而避免运动过程中，装料盒10的通孔11对测量结果的影响，法向力传感器70还能够监测支撑机构60对上夹板20及下夹板30中粘贴的压力传感器40示数的影响程度，并通过法向传感器70的读数调整上夹板20及下夹板30的位置。

为获取准确的压力信号，所述压力传感器40的工作区域呈圆片状结构，所述压力传感器40竖直布置且上下端分别与上夹板20及下夹板30上下板面抵靠，所述压力传感器40沿着上夹板20及下夹板30的长度方向间隔设置有两个；

上述的压力传感器40工作区域呈圆形，所述压力传感器40贴紧粘接在上夹板20(或下夹板30)内侧；

进一步地，所述压力传感器40与上夹板20的抵靠端设置有橡胶垫圈，上述的橡胶垫圈用于上夹板20及下夹板30的同时，还可将作用到上夹板20及下夹板30上的力较为均匀的传到压力传感器40上，提高测量准确性；另外，上述的橡胶垫圈还能方便调节上夹板20及下夹板30之间的间隙；

上述的上夹板20及下夹板30的两侧封闭，避免颗粒物质进入上夹板20及下夹板30之间的间隙内。

更进一步地，结合图3和图4所示，所述支撑机构60包括设置在装料盒10两侧盒壁的支撑滚珠61，所述支撑滚珠61固定在法向力传感器70的上端，所述法向力传感器70固定在竖直调节模台62的上端；

支撑滚珠61的设计可以利用竖直调节模台62调整上夹板20及下夹板30的位置，保证上夹板20及下夹板30的水平度并且使得运动更平稳，从而使得测量数据更稳定更精确。

更为优选地，结合图2和图3以及图5所示，所述下夹板30与上夹板20的一端分别设置有第一、第二通孔31、21，所述第一、第二通孔31、21孔芯竖直且同芯布置，所述驱动机构包括连接板80，所述连接板80的板端设置有浮动销81，所述浮动销81竖直且穿置在所述第一、第二通孔31、21内，所述第一、第二通孔31、21的孔径大于浮动销81的杆径；

上述的浮动销81的杆径小于第一、第二通孔31、21的孔径，以避免浮动销81对下夹板30与上夹板20竖直方向产生的承托力，保证在剪切运动过程中连接板对剪切盒中的压力传感器40示数不造成影响，浮动销81直接穿设在第一、第二通孔31、21内还能够实现剪切盒的往复运动。

为实现对下夹板30与上夹板20水平方向的往复移动，所述驱动机构包括设置在工作台90上的调整模台82上，所述切向力传感器50固定在调整模台82上，所述连接板80的一端固定在切向力传感器50上，所述工作台90上设置有伺服电机83，所述伺服电机83的输出轴设置有丝杆831，所述丝杆831与调整模台82的螺母配合，所述丝杆831的长度方向水平且与连接板80平行，所述工作台90上还设置有位移传感器84，所述位移传感器84呈杆状且与丝杆831平行，所述位移传感器84的杆端指向调整模台82；

上述的切向力传感器50为三向力传感器，该切向力传感器50仅用来获得水平方向的力学信号，即可获得颗粒物质对平面水平移动时产生的摩擦力；

上述的位移传感器84用于采集上夹板20、下夹板30及两个压力传感器40形成的组装体水平往复移动的距离。

结合图6所示，上述的竖直调节模台62包括固定在工作台90的第一支板621，所述第一支板621上竖直设置有导轨，所述导轨上设置有第二支板622，所述第二支板622上设置有支撑柱6221，所述第一支板621上转动设置有调节支架623，所述调节支架623的一端设置有滚珠6231与支撑柱6221的下端抵靠，所述调节支架623的另一端与调节螺杆624的杆端抵靠；

通过转动上述的调节螺杆624，从而使得调节支架623的滚珠6231与支撑柱6221的下端抵靠，进而实现对第二支板622高度的调节，以实现对下夹板30的有效承托。

上述的调整模台82能够实现对连接板80竖直方向的调节，以确保实现对下夹板30与上夹板20水平方向的往复，避免下夹板30与上夹板20产生偏转。

上述的装料盒10及支撑机构60单独设置在支撑台100上，该支撑台100能够对支撑机构60进行竖直调节，用于对支撑机构60竖直方向位置调整。

下面介绍一下颗粒物质剪切运动力学特性测试方法，所述测试方法采用了上述的颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台，测试方法包括如下步骤：

第一步：将两块压力传感器40放置在下夹板30的上板面，将上夹板20盖设在两个压力传感器40的上方，将上夹板20、下夹板30及两个压力传感器40形成的组装体伸出装料盒10两侧盒壁设置的通孔11，并且使得下夹板30布置在在支撑机构60的支撑滚珠61上，使得下夹板30与支撑滚珠61接触；

第二步：调节竖直调节模台62，使得上夹板20及下夹板30的板面处在水平状态，同时保证上夹板20、下夹板30及两个压力传感器40形成的组装体与装料盒10各处保持间隙布置；

第三步：将颗粒物质投入装料盒10内，并且使得颗粒物质没过上夹板20的上板面；

第四步：调节竖直调节模块62，使得上夹板20与支撑机构60的支撑滚珠61接触；

第五步：调节调整模台82，使得连接板80与切向力传感器50上端水平接触，利用螺栓将连接板80固定在切向力传感器50上端，切向力传感器50固定在调整模台82上；

第六步：向装料盒10的盒口位置施加重物，并且启动驱动机构使得上夹板20、下夹板30及两个压力传感器40形成的组装体水平方向往复移动；

第七步：将压力传感器40、法向力传感器70、切向力传感器50以及位移传感器84采集的数据通过采集卡与计算机连接，利用计算机获取颗粒物质剪切运动力学特性数据。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台，其特征在于：

装料盒(10)，用于装载待实验颗粒物质；

上夹板(20)，设置在装料机构(10)内且沿着水平方向往复移动；

下夹板(30)，设置在上夹板(20)下方，用于支撑所述上夹板(20)且与所述上夹板(20)同步往复移动；

所述下夹板(30)与上夹板(20)间隙布置且二者之间通过压力传感器(40)连接，所述压力传感器(40)用于采集上夹板(20)与下夹板(30)竖直方向的压力；

驱动机构，用于驱动上夹板(20)及下夹板(30)水平方向往复移动；

驱动机构上设置有用于采集上夹板(20)及下夹板(30)水平方向滑动摩擦力的切向力传感器(50)；

所述上夹板(20)及下夹板(30)的板面水平且平行间隔布置，所述下夹板(30)的两端下板面设置有支撑机构(60)，所述支撑机构(60)下方设置有法向力传感器(70)；

所述装料盒(10)呈矩形，所述装料盒(10)的两侧盒壁设置有通孔(11)，所述上夹板(20)及下夹板(30)伸出通孔(11)且与通孔(11)的上下孔壁间隙布置，所述支撑机构(60)设置在装料盒(10)两侧盒壁的外侧。

2.根据权利要求1所述的颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台，其特征在于：所述压力传感器(40)的工作区域呈圆片状结构，所述压力传感器(40)竖直布置且上下端分别与上夹板(20)及下夹板(30)上下板面抵靠，所述压力传感器(40)沿着上夹板(20)及下夹板(30)的长度方向间隔设置有两个。

3.根据权利要求2所述的颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台，其特征在于：所述压力传感器(40)与上夹板(20)的抵靠端设置有橡胶垫圈。

4.根据权利要求1所述的颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台，其特征在于：所述支撑机构(60)包括设置在装料盒(10)两侧盒壁的支撑滚珠(61)，所述支撑滚珠(61)固定在法向力传感器(70)的上端，所述法向力传感器(70)固定在竖直调节模台(62)的上端。

5.根据权利要求2所述的颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台，其特征在于：所述下夹板(30)与上夹板(20)的一端分别设置有第一、第二通孔(31、21)，所述第一、第二通孔(31、21)孔芯竖直且同芯布置，所述驱动机构包括连接板(80)，所述连接板(80)的板端设置有浮动销(81)，所述浮动销(81)竖直且穿置在所述第一、第二通孔(31、21)内，所述第一、第二通孔(31、21)的孔径大于浮动销(81)的杆径。

6.根据权利要求5所述的颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台，其特征在于：所述驱动机构包括设置在工作台(90)上的调整模台(82)上，所述切向力传感器(50)固定在调整模台(82)上，所述连接板(80)的一端固定在切向力传感器(50)上，所述工作台(90)上设置有伺服电机(83)，所述伺服电机(83)的输出轴设置有丝杆(831)，所述丝杆(831)与调整模台(82)的螺母配合，所述丝杆(831)的长度方向水平且与连接板(80)平行，所述工作台(90)上还设置有位移传感器(84)，所述位移传感器(84)呈杆状且与丝杆(831)平行，所述位移传感器(84)的杆端指向调整模台(82)。

7.颗粒物质剪切运动力学特性测试方法，其特征在于：所述测试方法采用了权利要求1至6任意一项所述的颗粒物质线性往复剪切运动力学特性测试平台，测试方法包括如下步骤：

第一步：将两块压力传感器(40)放置在下夹板(30)的上板面，将上夹板(20)盖设在两个压力传感器(40)的上方，将上夹板(20)、下夹板(30)及两个压力传感器(40)形成的组装体伸出装料盒(10)两侧盒壁设置的通孔(11)，并且使得下夹板(30)布置在在支撑机构(60)的支撑滚珠(61)上，使得下夹板(30)与支撑滚珠(61)接触；

第二步：调节竖直调节模台(62)，使得上夹板(20)及下夹板(30)的板面处在水平状态，同时保证上夹板(20)、下夹板(30)及两个压力传感器(40)形成的组装体与装料盒(10)各处保持间隙布置；

第三步：将颗粒物质投入装料盒(10)内，并且使得颗粒物质没过上夹板(20)的上板面；

第四步：调节竖直调节模块(62)，使得上夹板(20)与支撑机构(60)的支撑滚珠(61)接触；

第五步：调节调整模台(82)，使得连接板(80)与切向力传感器(50)上端水平接触，利用螺栓将连接板(80)固定在切向力传感器(50)上端，切向力传感器(50)固定在调整模台(82)上；

第六步：向装料盒(10)的盒口位置施加重物，并且启动驱动机构使得上夹板(20)、下夹板(30)及两个压力传感器(40)形成的组装体水平方向往复移动；

第七步：将压力传感器(40)、法向力传感器(70)、切向力传感器(50)以及位移传感器(84)采集的数据通过采集卡与计算机连接，利用计算机获取颗粒物质剪切运动力学特性数据。

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