CN109632529B - 大型多功能环剪仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型多功能环剪仪，包括：样本剪切盒，包括上剪切盒与下剪切盒，上剪切盒与下剪切盒同轴设置，用于放置实验样品；驱动模块，包括负载齿轮和与负载齿轮配合使用的多个驱动装置组，负载齿轮与剪切盒相连接，多个驱动装置组驱动负载齿轮转动的转速分别具有不同的转速范围，多个驱动装置组各自对应的转速范围连续过渡；竖向加压装置，压在样本剪切盒上方，向样品施加竖直方向的压力。本发明提供大型多功能环剪仪，可以对大尺寸的环状试验样品的剪切强度进行测量，同时剪切速度范围较大，能够满足多种工况的剪切强度实验要求。

Description

大型多功能环剪仪

技术领域

本发明涉及一种环剪仪的技术领域，尤其是涉及一种大型多功能环剪仪。

背景技术

在土木工程学科，土壤的残余强度的研究一直是国内外关注的重点问题，而环剪仪能够实现剪切位移可控且连续，剪切面积恒定等功能，因此可认为环剪仪在土壤岩石类残余强度的研究中占有重要地位。

一般的常规环剪仪都是采用一台电机与减速机或者齿轮箱直连的方式驱动下剪切盒旋转运动，上剪切盒采用不同的方式固定不动，通过上、下剪切面以一定的速度相对转动对内部的实验试样进行剪切。

目前的环剪仪作用对象一般为小尺寸的环状试验样品，剪切速度只能满足某一小段的速度需求，很难达到实际要求，为了更好的模拟所需的实际工况，因此研究一种适用于大尺寸的环状试验样品且剪切速度范围更广的大型多功能环剪仪具有现实意义。

发明内容

本发明实施例提供一种大型多功能环剪仪，可以对大尺寸的环状试验样品的剪切强度进行测量，同时剪切速度范围较大，能够满足多种工况的剪切强度实验要求。

针对上述问题，根据本发明实施例提供一种大型多功能环剪仪，包括：样本剪切盒，包括上剪切盒与下剪切盒，上剪切盒与下剪切盒同轴设置，用于放置实验样品；驱动模块，包括负载齿轮和与负载齿轮配合使用的多个驱动装置组，负载齿轮与剪切盒相连接，多个驱动装置组驱动负载齿轮转动的转速分别具有不同的转速范围，多个驱动装置组各自对应的转速范围连续过渡；竖向加压装置，压在样本剪切盒上方，向样品施加竖直方向的压力。

根据本发明实施例的一个方面，竖向加压装置包括加压机和上模，加压机通过上模向样品施加竖直方向的压力，加压机可伸缩连接于上模，以带动上模靠向或远离样本剪切盒。

根据本发明实施例的一个方面，加压机包括推杆，上模连接于推杆；上模包括相连接的加压模和上压台，加压模能够由样本剪切盒的上方伸入样品容纳空间。

根据本发明实施例的一个方面，样本剪切盒、上模及加压机同轴设置。

根据本发明实施例的一个方面，进一步包括底座及连接于底座的多个支撑柱，样本剪切盒设置于底座，上模通过多个支撑柱置于样本剪切盒上方，且能够沿支撑柱纵向滑动设置。

根据本发明实施例的一个方面，在多个驱动装置组各自对应的转速范围从低到高排列的顺序上，相邻驱动装置组各自对应的转速范围具有部分重叠。

根据本发明实施例的一个方面，每个驱动装置组中包括至少一个驱动装置，每个驱动装置包括：原动机，提供转动动力；减速器，减速器的输入端与原动机的输出端连接，原动机驱动减速器运转；齿轮轴，齿轮轴的输入端与减速器的输出端连接，齿轮轴的外周设有与负载齿轮啮合的驱动齿轮；离合器，离合器连接在齿轮轴的输出端上，离合器配置为将齿轮轴上的驱动齿轮与负载齿轮啮合和脱开，优选的，离合器为液压离合器，通过操作和松开离合器使得驱动齿轮与负载齿轮脱开和啮合。

根据本发明实施例的一个方面，在多个驱动装置组各自对应的转速范围从低到高排列的顺序上，对应最低转速范围的驱动装置组的原动机为液压马达，对应最高转速范围的第驱动装置组的原动机为伺服电机。

根据本发明实施例的一个方面，多个驱动装置组包括第一驱动装置组和第二驱动装置组，第一驱动装置组包括至少一个第一驱动装置，第二驱动装置组包括至少一个第二驱动装置，驱动模块驱动负载齿轮转动的转速为10^-6rpm至10²rpm。

根据本发明实施例的一个方面，多个驱动装置组以及多个驱动装置中的所有驱动装置各自对应的齿轮轴在负载齿轮的周边均匀布置，至少一个第一驱动装置的数量M和至少一个第二驱动装置的数量N满足M：N＝3：2～1：1。

根据本发明实施例的一个方面，进一步包括设置在样本剪切盒底部的卸料装置，卸料装置与样本剪切盒同轴设置，包括卸料动力机和卸料板组件，卸料动力机设置在样本剪切盒下方，卸料板组件可伸缩连接在卸料动力机上，且卸料板组件设置在样本容纳空间内并可在样本容纳空间内相对滑动。

本发明实施例提供的大型多功能环剪仪能够施加足够大的竖向压力，竖向加压方式安全可靠，满足对大尺寸的环状试验样品进行剪切强度的测量；通过利用多个驱动装置组驱动剪切盒驱动齿轮转动的转速分别具有不同的转速范围，扩大了剪切盒驱动齿轮以及负载的整体转速范围，同时每种驱动装置中由多个驱动装置共同驱动负载，能够提供足够扭矩进行剪切实验，有效解决了适用于大尺寸试验样品实验的大型环剪仪在较大速度范围内稳定输出的问题。

附图说明

下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的大型多功能环剪仪的整体结构第一示意图；

图2是本发明实施例的大型多功能环剪仪的结构第二示意图；

图3是本发明实施例的大型多功能环剪仪的局部示意图；

图4是图3中A-A方向的剖面结构示意图；

图5是图3所示大型多功能环剪仪的驱动装置结构示意图。

标记说明：

其中：

1-样本剪切盒；11-上剪切盒；111-上剪切盒外圈；112-上剪切盒内圈；1121-盖板；1122-第一环状结构；1123-第一通孔；12-下剪切盒；121-第二环状结构；122-第三环状结构；123-底板；1231-第二通孔；1232-环状通孔；13-样本容纳空间；

2-驱动模块；21-负载齿轮；22-驱动装置组；22a-第一驱动装置组；22b-第二驱动装置组；220a-第一驱动装置；220b-第二驱动装置；221a、221b-原动机；222a、222b-减速机；223a、223b-齿轮轴；224a、224b-离合器；

3-竖向加压装置；31-加压机；311-推杆；312-机架；32-上模；321-加压模；322-上压台；33-支撑柱；

4-卸料装置；41-卸料动力机；42-卸料组件；421-第一推板；4211-第三通孔；422-立柱；423-第二推板；424-连接件；

5-底座；51-平台；52-安装座。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，用于示例性的说明本发明的原理，并不被配置为限定本发明。另外，附图中的机构件不一定是按照比例绘制的。例如，可能对于其他结构件或区域而放大了附图中的一些结构件或区域的尺寸，以帮助对本发明实施例的理解。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外术语“包括”、“包含”“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素结构件或组件不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出或固有的属于结构件、组件上的其他机构件。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种大型多功能环剪仪，包括样本剪切盒1、驱动模块2和竖直加压装置3，样本剪切盒1包括上剪切盒11与下剪切盒12，上剪切盒11与下剪切盒12同轴设置，用于放置实验样品；驱动模块2包括负载齿轮21和与负载齿轮21配合使用的多个驱动装置组22a、22b，负载齿轮21与样本剪切盒1同轴连接，多个驱动装置组22a、22b驱动负载齿轮21转动的转速分别具有不同的转速范围，多个驱动装置组22a、22b各自对应的转速范围连续过渡；竖向加压装置3压在样本剪切盒1上方，向样品施加竖直方向的压力。

请一并参阅图4，大型多功能环剪仪的样本剪切盒1，包括上剪切盒11和下剪切盒12，上剪切盒11和下剪切盒12同轴设置，上剪切盒11包括上剪切盒内圈112和上剪切盒外圈111，上剪切盒内圈112包括中空的第一环状结构1122和连接在第一环状结构1122其中一个端面上的盖板1121，本发明实施例中盖板1121的结构为环形，更好的与第一环状结构1122匹配，盖板1121在其厚度方向上设置有第一通孔1123，该第一通孔1123可以与盖板1121同轴或偏心设置，可选择的为同轴设置，可以理解的是，上剪切盒内圈112的第一环状结构1122和盖板1121能够一体的形成或焊接或螺纹连接而成。

上剪切盒外圈111为中空的法兰结构，且与上剪切盒内圈112的厚度一致，上剪切盒内圈112靠近盖板1121侧的端面和上剪切盒外圈112法兰端面在轴向上位于同一高度，相对的上剪切盒内圈112的另一端面与上剪切盒外圈111的另一端面在轴向上位于同一高度，上剪切盒内圈112位于上剪切盒外圈111的内部且与上剪切盒外圈111以一定的间隔同轴设置，形成环状的开放空间。

下剪切盒12包括第二环状结构121、第三环状结构122和连接第二环状结构121、第三环状结构122的底板123，第二环状结构121和第三环状结构122高度相同，第三环状结构122设置在第二环状结构121内部且与第二环状结构121以一定的间隔同轴设置，上剪切盒内圈112的第一环状结构1122与下剪切盒12的第三环状结构122在径向上有重叠，可选择的，上剪切盒内圈112的第一环状结构1122的外表面直径和下剪切盒12的第三环状结构122的外表面直径相等且同轴；上剪切盒外圈111的第一环状结构1122和下剪切盒12的第二环状结构121的内表面直径相等且同轴；此时，上剪切盒11和下剪切盒12形成样本容纳空间13和与样本容纳空间13连通的入料口，样本容纳空间13用于放置试验样品，在进行试验时，上剪切盒内圈112和外圈固定，驱动模块2驱动下剪切盒12旋转，同时带动放置在剪切盒中的试验样品旋转，进行试验。

底板123用于连接第二环状结构121和第三环状结构122，本发明实施例中底板123的结构为环形，底板123外径大于等于第二环状结构121外表面直径，本发明实施例中，底板123外径等于第二环状结构121外表面直径，底板123在其自身厚度方向设置有第二通孔1231和环状通孔1232，其中底板123上第二通孔1231的直径小于等于第三环状结构122内壁直径且与第三环状结构122同轴，环状通孔1232设置第二环状结构121和第三环状结构122之间，即设置在样本容纳空间13内；可以理解的是，本发明实施例中的下剪切盒12可以为第二环状结构121、第三环状结构122和底板123一体的形成，也可以通过焊接或螺纹连接等方式连接在一起，本发明对第二环状结构121、第三环状结构122和底板123的连接方式不做限定。

竖向加压装置3设置于大型多功能环剪仪顶部，包括机架312，机架312是由钢板或铝板组成的框架结构，机架312通过支撑柱33固定在底座5上，竖向加压装置3设置在机架312上，包括加压机31和上模32，加压机31具有可往复移动的推杆311，上模32通过支撑柱33连接在加压机31的推杆311上，使得支撑柱33在推杆311的往复运动过程中带动上模32靠向或远离样本剪切盒1。本发明实施例中竖向加压机31为液压机，上模32穿过支撑柱33并在支撑柱33的导向作用下随着竖向加压机31的推杆311的伸缩运动进行同步伸缩运动，用于给装在样本剪切盒1中的试验样品试验样品施加压力。上模32相对机架312具有第一位置和第二位置，上模32随着竖向加压机31的伸缩运动做同步伸缩运动，能够由第一位置移动至第二位置，也可以从第二位置移动至第一位置，在第一位置时，上模32在样本剪切盒1上方且具有一定高度，上模32不与样本剪切盒1接触；移动至第二位置时，上模32能够由样本剪切盒1的上方伸入样本容纳空间13对放置在样本剪切盒1内的试验样品施加竖向压力。

上模32包括上压台322和加压模321，加压模321与上压台322相连接，上压台322通过支撑柱33连接在加压机31的推杆311上，上压台322是由钢板或铝板组成的长方体框架结构并具有一定的支撑强度，上压台322在加压机31上推杆311的带动下与推杆311同步移动，进而带动连接在上压台322上的加压模321同步往复移动，支撑柱33对压板的往复运动起导向作用，可选择的，上压台322上在长方体结构的四角处设置有直线轴承，设置在底座5上的四根支撑柱33插装在直线轴承内，在直线轴承的作用下，使得上压台322沿着支撑柱33上下直线移动。如图4所示，加压模321为中空的环状结构，为减轻加压模321重量，加压模321在轴向上的中部位置的壁厚设置为小于加压模321两端壁厚，在上模32运动过程中，加压模321能够伸入样本剪切盒1中对试验样品施加压力。

在对试验样品施压时，加压机31推杆311顶出，利用其推力作用带动加压模321由第一位置移动到第二位置，加压模321深入剪切盒的样本容纳空间13内，对装在样本容纳空间13内的试验样品施压。在同等条件下，例如液压缸，能够提供的极限推力大于极限拉力，本发明实施例中的竖向加压装置3配置为利用竖向加压机31的推力对试验样品施加压力，提高竖向加压机31输出力的利用率，能提供相对更大的作用力，更适用于大尺寸剪切盒的环剪试验，同时能够降低液压缸用拉动的方式进行加压时液压缸的行程过长造成加压过程存在风险。

请进一步参阅图3和图4，本发明实施例提供一种卸料装置4，包括卸料机41和卸料板组件42，卸料机41设置在大型多功能环剪仪底部，并连接在底座5上，卸料机41具有可伸缩运动的推杆311，本实施例中的卸料机41为液压缸，液压缸的推杆311的伸缩运动为卸料装置4提供动力，实现卸料，可以理解的是，卸料机41可以为电缸、气缸等具有可伸缩运动的推杆311、可提供动力的动力器件。

卸料板组件42包括第一推板421、第二推板423、推杆和连接件424，第一推板421设置在下剪切盒12下方，可与下剪切盒12在轴向上产生相对位移，第一推板421在其自身厚度方向设置有第三通孔4211且第三通孔4211与在第一推板421同轴，第一推板421通过连接件424设置在卸料机41的推杆上，可进行往复伸缩运动，连接件424为截面成“工”字型的柱状结构，该连接件424在其自身厚度方向上中间部分直径小于两端直径，第一推板421套设在连接件424上，可选择的，第一推板421与连接件424同轴且安装在连接件424轴向的中间位置，连接件424中间部分的直径小于第一推板421上第三通孔4211的直径，便于第一推板421绕着连接件424进行转动，进而可绕着卸料机41进行转动，同时连接件424直径较小的中间部分厚度大于第一推板421的自身厚度，便于第一推板421可以与连接件424产生轴向相对位移。

第二推板423设置在上剪切盒11和下剪切盒12形成的样本容纳空间13内且通过立柱422连接在第一推板421上，第二推板423可在样本容纳空间13内沿着样本容纳空间13的轴向方向进行平移运动，放置在样本剪切盒1中的试验样品底部与第二推板423接触，可随着第二推板423的平移做同步平移运动，可选择的第二推板423为环状结构，与环状容纳空间形状对应，嵌入在上、下剪切盒12形成的样本容纳空间13内，由于连接件424中间部分的直径小于第一推板421上第三通孔4211的直径，使得在试验过程中第二推板423可随着下剪切盒12的旋转进行同步旋转，同时第二推板423通过推杆与第一推板421连接，可随着第一推板421的伸缩进行同步伸缩运动，可选择的推杆的长度大于样本剪切盒1的厚度之和，利于将试验样品从样本剪切盒1中完全顶出。

在进行卸料时，卸料机41的推杆311顶出，带动与之连接的连接件424向上运动，进而带动第一推板421、立柱422以及第二推板423同步向上运动，放置在剪切盒中的试验样品底部与第二推板423接触，随着第二推板423同步向上运动，把试验样品从样本剪切盒1中顶出，完成卸料。该卸料装置4能够实现自动卸料，更有利于大块试验样品从样本剪切盒1中取出，有效提高试验效率，同时减少人工取样的困难。

请参阅图3至图5，本发明实施例提供的驱动装置包括多个驱动装置组22a、22b和负载齿轮21，负载齿轮21与样本剪切盒1中的下剪切盒12固定连接，可选择的，负载齿轮21与下剪切盒12同轴设置，多个驱动装置组22a、22b驱动负载齿轮21转动进而驱动下剪切盒12转动，其中多个驱动装置组22a、22b驱动负载齿轮21转动的转速分别具有不同的转速范围，使驱动装置件在各自对应的转速范围连续过渡。本实施例中，多个驱动装置组22a、22b件包括至少一个第一驱动装置220a和至少一个第二驱动装置220b两种为例进行说明，其中驱动装置组是指具有相同的某种转速范围的一个或多个驱动装置，转速范围不同即表示对应的驱动装置组不同，可以理解的是，根据实际转动输出装置的转速输出范围，驱动装置组的个数可以是三个、四个、五个等其他。

多个驱动装置组22a、22b驱动负载齿轮21转动的转速分别具有不同的转速范围，扩大了负载齿轮21以及负载的整体转速范围，其中，竖向加压装置3提供的竖向压力、下剪切盒12以及放置在样本剪切盒1中的试验样品为作用在驱动模块2上的负载，多个驱动装置组22a、22b各自对应的转速范围连续过渡，使得负载转动的整体转速范围为连续区间，通过对多个驱动装置组22a、22b的转速范围合理分配，能提供10^-6转每分钟至几百转每分钟的转速区间，其速度的调控范围的放大倍数可达到10⁸倍，从而可以满足负载的宽范围转速要求，且在所有范围内的转速都能够稳定精确的控制。

由于驱动装置组驱动负载进行转动，需要提供足够的扭矩输出，当样本剪切盒1尺寸增加和竖向加压装置3提供的竖向压力增加时，请参阅图3，驱动装置组内设置多个相同或相近的驱动装置，同时共同驱动负载齿轮21转动，进而驱动负载转动，多个驱动装置组22a、22b在负载齿轮21的周向均匀分布，每个驱动装置组中设置多个相同的驱动装置，多个相同的驱动装置叠加能够增加驱动的源动力，实现对负载速度的精确稳定控制。本实施例第一驱动装置组22a中第一驱动装置220a的数量M和第二驱动装置组22b中第二驱动装置220b的数量N满足M：N＝3：2～1：1，可选择的，第一驱动装置220a的数量为两个，第二驱动装置220b的数量为两个，可以理解的是，每个驱动装置组内驱动装置的数量可以根据样本剪切盒1尺寸、试验样品的尺寸和竖向压力的变化进行调整。

第一驱动装置组22a和第二驱动装置组22b的驱动方式大致相似，以下将对第一驱动装置组22a的驱动方式进行进一步详述。

第一驱动装置组22a内的第一驱动装置220a的数量为两个，本实施例中两个第一驱动装置220a的结构相同，在实现大负载低转速运行时，两个第一驱动装置220a共同驱动负载转动，使驱动负载运动的源动力叠加，增大源动力，为大负载提供足够大的源动力，避免源动力过小不能正常驱动负载转动；每个第一驱动装置220a同时驱动负载齿轮21转动进而驱动负载转动，能够互相调节和校正对负载转速的控制，从而实现在第一驱动装置组22a驱动的转速范围内均能稳定精确的控制负载运动；可以理解的是两个第一驱动装置220a的结构可以根据实际工况进行调整，只要能实现多功能环剪实验***的稳定低速输出即可。

第二驱动装置组22b内的第二驱动装置220b的数量为两个，本实施例中两个第二驱动装置220b的结构相同，在实现大负载高转速运行时，两个第二驱动装置220b共同驱动负载转动，使驱动负载运动的源动力相叠加增大源动力，为大负载提供足够大的源动力，避免源动力过小不能正常驱动负载转动；每个第二驱动装置220b同时驱动负载齿轮21转动进而驱动负载转动，能够互相调节和校正对负载转速的控制，从而实现在第二驱动装置220b驱动的转速范围内均能稳定精确的控制负载运动；可以理解的是两个第二驱动装置220b的结构可以根据实际工况进行调整，只要能实现多功能环剪实验***的稳定高速输出即可。

在多个驱动装置组22a、22b各自对应的转速范围从低到高排列的顺序上，相邻两个驱动装置组各自对应的转速范围具有部分重叠，例如在本实施例中，第一驱动装置组22a内的两个第一驱动装置220a共同驱动负载齿轮21转动的转速为10^-6rpm(Revolutions Perminute，rpm)至N₁rpm；第二驱动装置组22b内的两个第二驱动装置220b共同驱动负载齿轮21转动的转速为N₂至10²rpm，其中10^-6＜N₂＜N₁＜10²，N₁和N₂的转速可以根据用户的实际需求进行设计。其中，第一驱动装置组22a内的两个第一驱动装置220a驱动负载齿轮21转动的转速相同，第二驱动装置组22b内的两个第二驱动装置220b驱动负载齿轮21转动的转速相同；同时第一驱动装置组22a对应的转速范围与第二驱动装置组22b的转速范围有部分重叠。多个驱动装置组22a、22b可驱动负载的转速范围覆盖10^-6rpm至10²rpm，其速度控制范围的放大倍数可达到10⁸倍，且在所有控制范围内均能精确稳定的控制负载的转速。

在上述示例中，当负载需要的转速为10^-6rpm至N₁rpm时，速度较低需要的负载扭矩较大，两个第一驱动装置220a同时启动，速度由两个第一驱动装置220a共同驱动负载齿轮21转动，两个第一驱动装置220a使驱动力叠加，增加驱动负载的驱动力，使负载能启动和进行稳定的转动；当负载需要的转速为N₂rpm至N₁rpm时，两个第一驱动装置220a和两个第二驱动装置220b可以同时驱动负载齿轮21转动，当负载需要的转速N₂至10²时，由两个第二驱动装置220b单独驱动负载齿轮21转动。由于转速范围从低到高排列的多个驱动装置组22a、22b中，相邻两个驱动装置组的转速范围具有部分重叠，使得多个驱动装置组22a、22b大部分工况下分别单独输出转动力至负载；每个驱动装置组中的多个驱动装置同时共同驱动负载，相互调整和校正负载运动的稳定性，并且在相邻转速范围的两种驱动装置之间进行替换运行时，可以利用转速范围重叠的部分进行平稳过渡，提高负载运动的平顺性和稳定性。

需要说明的是，以上仅为第一驱动装置组22a和第二驱动装置组22b各自对应的转速范围的一种示例，在其它实施例中，驱动模块2包括的驱动装置组的个数、每个驱动装置组内的驱动装置的数量以及各驱动模块2对应的转速范围可以根据负载的转速要求进行设计调整。

第一驱动装置220a和第二驱动装置220b的结构大致相似，以下将对第一驱动装置220a的结构进行进一步详述。

第一驱动装置组22a设置在底座5上，底座5上设置有安装座52，具体的第一驱动装置220a设置在安装座52上，且与安装座52同轴设置，其中，第一驱动装置组22a中的两个第一驱动装置220a结构相同，以其中一个第一驱动装置220a的结构进行详述，第一驱动装置220a包括原动机221a、减速器223a、离合器224a以及齿轮轴223a，齿轮轴223a在外周设有与负载齿轮21啮合的驱动齿轮；原动机221a提供转动动力，减速器223a与原动机221a连接，原动机221a的输出端与减速器223a的输入端连接，齿轮轴223a位于减速器223a和离合器224a之间，减速器223a的输出端与齿轮轴223a一端连接，离合器224a的输出端与齿轮轴223a另一端连接，齿轮轴223a与负载齿轮21相啮合，离合器224a配置为控制齿轮轴223a与负载齿轮21的啮合和脱开，其中两个第一驱动装置220a具有相同的结构。

第二驱动装置组22b设置在底座5上的在安装座52上，包括原动机221b、减速器223b、离合器224b以及齿轮轴223b，齿轮轴223b在外周设有与负载齿轮21啮合的驱动齿轮；原动机221b提供转动动力，减速器223b与原动机221b连接，原动机221b的输出轴与减速器223b的输入端连接，齿轮轴223b位于减速器223b和离合器、224b之间，减速器223b的输出端与齿轮轴223b一端连接，所述离合器224b的输出端与齿轮轴223b另一端连接，驱动小齿轮与负载齿轮21相啮合，离合器224b配置为控制齿轮轴223b与负载齿轮21的啮合和脱开；其中两个第二驱动装置220b具有相同的结构；其中由于输出转速的不同，第二驱动装置组22b的各部件规格可以与第一驱动装置组22a的各部件规格不同。

原动机221a可以为伺服电机，提供较小的启动扭矩便于启动；原动机221b可以为液压马达，提供的启动扭矩较大，更适用于高速启动。运用运动控制反馈的原理对其输出转速进行精确控制，精度高，可靠性强，可以理解的是，每个驱动装置组内的驱动装置以及不同驱动装置组内的驱动装置的原动机221a、221b可以是相同的或不同的，原动机221a、221b可以为步进电机，本发明对此不作限制，只要能提供足够的动力驱动负载转动即可。

本实施例中，离合器224a、224b为液压离合器，离合器224a、224b配置为将减速器223a、223b输出端与齿轮轴223a、223b的动力传递接通和断开，从而实现齿轮轴223a、223b与负载齿轮21的啮合和脱开，离合器224a、224b直接作用在与负载齿轮21啮合的齿轮轴223a、223b上的，减少了离合器224a、224b与剪切盒之间传动级数，提高了离合器224a、224b的工作效率。需要说明的是，在一些实施例中，离合器224a、224b可以不限于是液压离合器，例如也可以是气动离合器、电磁离合器、超越离合器等其他类型的离合器。以下通过将详细描述第一驱动装置组22a内的其中一个第一驱动装置220a中离合器224a的工作原理，第一驱动装置组22a内的另一个第一驱动装置220a、第二驱动装置组22b内的两个第二驱动装置220b中离合器224b工作原理类似，不再详述。

在离合器224a中，其离合器224a输出端与齿轮轴223a连接且同步转动，齿轮轴223a与负载齿轮21相配合；通过操作离合器224a实现齿轮轴223a与负载齿轮21的啮合和脱开。

具体地，不操作离合器224a对应于齿轮轴223a的实时转速在减速器223a输出端输出的转速范围内，操作离合器224a工作时对应于齿轮轴223a的实时转速在减速器223a输出端输出的转速范围外。减速器223a输出端与第一驱动装置220a驱动负载齿轮21转动的转速范围具有对应关系，当与负载齿轮21啮合的齿轮轴223a的转速位于在减速器223a输出端输出的转速范围内时，不操作离合器224a，使得减速器223a输出端与驱动齿轮接合，将动力传递给驱动齿轮，使齿轮轴223a上的驱动齿轮与负载齿轮21的啮合，第一驱动装置220a向负载供给转动力；当与负载齿轮21啮合的齿轮轴223a的转速高于或低于减速器223a输出端输出的转速范围时，操作离合器224a，切断减速器223a输出端与齿轮轴223a之间的动力传递，减速器223a输出端与驱动齿轮断开，使得驱动齿轮与负载齿轮21的脱开啮合，第一驱动装置220a停止向负载供给转动力。

第二驱动装置组22b内的第二驱动装置220b中的离合器224b在其各自的转速范围内工作原理与上述离合器224a的工作原理类似。

将上述包括两个驱动装置组22a、22b即包括第一驱动装置组22a、第二驱动装置组22b为例对其在多种档位上的工作过程进行说明。为方便描述，定义每个离合器224a、224b包括接合状态和分离状态，其中接合状态指操作离合器224a、224b切断与其对应的减速器223a、223b输出端与驱动齿轮之间的动力传递，脱开驱动齿轮与负载齿轮21之间的啮合，分离状态指不操作离合器224a、224b，使与其对应的减速器223a、223b输出端与驱动齿轮之间的动力保持传递，保持驱动齿轮与负载齿轮21之间的啮合。

在低速转动段，两个第一驱动装置220a同时工作，即低速档位驱动装置同时工作，两个原动机221a分别带动负载工作，两个第一驱动装置220a的工作过程相似，以其中一个第一驱动装置220a的工作过程进行详细说明，此时离合器224a为分离状态，减速器223a带动驱动齿轮、驱动负载齿轮21转动，***工作。负载齿轮21带动低速档位的驱动齿轮转动，此时，高速档位的两个原动机221b未开启，高速档位的两个离合器224b为接合状态，与其对应的齿轮轴223b与负载齿轮21之间为脱开啮合状态。

在高速转动段，两个第二驱动装置220b同时工作，即高速档位驱动装置同时工作，带动负载工作，两个第二驱动装置220b的工作过程相似，以其中一个第二驱动装置220b的工作过程进行详细说明，此时离合器224b为分离状态，减速器223b带动驱动齿轮驱动负载齿轮21转动，***工作。负载齿轮21带动高速档位的驱动齿轮转动，此时低速档位的原动机221a未开启，或者低速档位的原动机221a对应减速器223a的输出转速低于高速档位减速器223b的输出转速，低速档位的离合器224a为接合状态。

当低速档向高速档过渡前，首先进入第一驱动装置组22a和第二驱动装置组22b的减速器223a、223b的输出转速相同的阶段，两个第一驱动装置220a的离合器224a全部接合，减速器223a、223b分别带动对应的两个第二驱动装置220b的齿轮轴223b逐步与负载齿轮21啮合，此时样本剪切盒1是在第一驱动装置220a中的两个齿轮轴223a和第二驱动装置220b中的两个齿轮轴223b共同驱动下工作；当速度将要过渡到高速档时，第一驱动装置220a的离合器224a接合，减速器223a带动低速挡的齿轮轴223a与负载齿轮21脱开啮合状态，随后只有两个第二驱动装置220b的齿轮轴223b共同带动负载齿轮21转动，这样***就由低速档过渡到高速档状态下工作，反之亦然。

根据上述实施例，通过操作离合器224a、224b的接合或分离，可以控制齿轮轴223a、223b与负载齿轮21的啮合或脱开。多个驱动装置组22a、22b的离合器224a、224b相互配合，可以自动实现相邻转速范围的驱动模块2的稳定替换运行，接合与分离平稳，选用液压离合器可在较高的转速差下进行接合与分离，传动可靠性高，体积和重量相对较小，有效的简化了大型多功能环剪仪的结构。

在一些实施例中，多个驱动装置组22a、22b下的多个驱动装置以及各自对应的驱动齿轮可以在负载齿轮21的周边均匀布置；当然在其它一些实施例中，根据所要带动负载200的结构要求，多种驱动齿轮在负载齿轮21的周边的布局方式也可以调整。

在本发明实施例中，当剪切盒外径为650mm，内径为450mm时，计算得到竖向压力可以提高到1MPa，计算可知，此时负载转动的扭矩为20000N.m，通过对多个驱动装置组22a、22b的驱动力和驱动速度范围计算，得到当第一驱动装置220a的数量为两个，且“并联”设置时，能够提供足够的负载转动的扭矩，所谓“并联”设置为两个第一驱动装置220a同时共同驱动负载齿轮21转动，两个原动机221a、221b的驱动力相互叠加；第二驱动装置220b的数量为两个，且“并联”设置时，能够提供足够的负载转动的扭矩，所谓“并联”设置为两个第二驱动装置220b同时共同驱动负载齿轮21转动，两个原动机221a、221b的驱动力相互叠加，能够提供足够的负载转动的扭矩，此时第一驱动组22a与第二驱动组22b相互配合可以使负载具有较宽的转速范围，使得负载在10^-6rpm至10²rpm范围内连续过渡。通过计算得到每个驱动装置组内的驱动装置的数量能够更好的与负载所需的扭矩匹配，避免数量过少不能驱动负载工作，数量过多时造成动力源浪费，且增加了实验装置的制造成本。

每个驱动装置设置有多个相同的驱动装置，多台原动机221a、221b共同驱动负载转动，解决大剪切盒的大负载下单动力源无法驱动的问题；且采用多种挡位速度控制的方式，通过利用多个驱动装置组22a、22b驱动负载齿轮21转动的转速分别具有不同的转速范围，扩大了负载齿轮21以及负载的整体转速范围，实现了低速和高速状态下对负载的稳定剪切控制，其中，驱动装置的整体动力源是指多个某种驱动装置的多个动力源总和，例如本发明实施例中第二驱动装置220b的整体动力源为两个第二驱动装置220b原动机221b的总和。

下面对本发明实施例的大型多功能环剪仪的试验原理进行描述。

本发明实施例提供的大型多功能环剪仪在工作时首先向样本剪切盒1的样本容纳空间13内放置试验样品，试验样品的高度超过下剪切盒12的轴向高度，部分实验试验样品放置在上剪切盒11中，然后通竖向加压装置3对试验样品施加足够大的竖向压力，保持上剪切盒11固定，竖向加压装置3加压完成后启动驱动模块2进行工作，输出稳定的转速和恒定的扭矩，驱动与驱动模块2固定连接的下剪切盒12连续稳定转动进而驱动设置在样本容纳空间13内的试验样本进行稳定连续转动，实现试验样品发生剪切位移，通过数据采集***对剪切扭矩等数据进行测量并反馈数据；同时可以通过调整驱动模块2变更试验中下剪切盒12转动的速度，模拟多种工况下的土壤残余剪切强度的测量。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。并且，在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。

Claims (7)

1.一种大型多功能环剪仪，其特征在于，包括：

样本剪切盒，包括上剪切盒与下剪切盒，所述上剪切盒与所述下剪切盒同轴设置，并形成用于放置实验样品的样本容纳空间；

驱动模块，包括负载齿轮和与所述负载齿轮配合使用的多个驱动装置组，所述负载齿轮与所述样本剪切盒相连接，多个所述驱动装置组驱动所述负载齿轮转动的转速分别具有不同的转速范围，多个所述驱动装置组各自对应的所述转速范围连续过渡；

竖向加压装置，压在所述样本剪切盒上方，向样品施加竖直方向的压力；

其中，在多个所述驱动装置组各自对应的转速范围从低到高排列的顺序上，相邻所述驱动装置组各自对应的转速范围具有部分重叠；

其中，每个驱动装置组中包括至少一个驱动装置，每个所述驱动装置包括：

原动机，提供转动动力；

减速器，所述减速器的输入端与所述原动机的输出端连接，所述原动机驱动所述减速器运转；

齿轮轴，所述齿轮轴与所述减速器的输出端连接，所述齿轮轴的外周设有与负载齿轮啮合的驱动齿轮；

离合器，所述离合器连接在所述齿轮轴上；

所述齿轮轴设置在所述减速器与所述离合器之间，所述离合器配置为将所述齿轮轴上的所述驱动齿轮与所述负载齿轮啮合和脱开；

其中，多个驱动装置组包括第一驱动装置组和第二驱动装置组，所述第一驱动装置组包括至少一个第一驱动装置，所述第二驱动装置组包括至少一个第二驱动装置，所述驱动模块驱动所述负载齿轮转动的转速为10^-6rpm至10²rpm；

其中，多个所述驱动装置组以及多个所述驱动装置组中所有驱动装置各自对应的所述齿轮轴在所述负载齿轮的周边均匀布置，至少一个所述第一驱动装置的数量M和至少一个所述第二驱动装置的数量N满足M：N=3：2~1：1。

2.根据权利要求1所述的大型多功能环剪仪，其特征在于，所述竖向加压装置包括加压机和上模，所述加压机通过所述上模向样品施加竖直方向的压力，所述加压机可伸缩连接于所述上模，以带动所述上模靠向或远离所述样本剪切盒。

3.根据权利要求2所述的大型多功能环剪仪，其特征在于，所述加压机包括推杆，所述上模连接于所述推杆；

所述上模包括相连接的加压模和上压台，所述加压模能够由所述样本剪切盒的上方伸入样本容纳空间。

4.根据权利要求2所述的大型多功能环剪仪，其特征在于，所述样本剪切盒、所述上模及所述加压机同轴设置。

5.根据权利要求2所述的大型多功能环剪仪，其特征在于，进一步包括底座及连接于所述底座的多个支撑柱，所述样本剪切盒设置于所述底座，所述上模通过多个所述支撑柱置于所述样本剪切盒上方，且能够沿所述支撑柱纵向滑动设置。

6.根据权利要求1所述的大型多功能环剪仪，其特征在于，所述离合器为液压离合器，通过操作和松开所述离合器使得所述驱动齿轮与负载齿轮脱开和啮合。

7.根据权利要求1所述的大型多功能环剪仪，其特征在于，进一步包括设置在所述样本剪切盒底部的卸料装置，所述卸料装置与所述样本剪切盒同轴设置，包括卸料动力机和卸料板组件，所述卸料动力机设置在所述样本剪切盒下方，所述卸料板组件可伸缩连接在所述卸料动力机上，且所述卸料板组件设置在所述样本容纳空间内并可在所述样本容纳空间内相对滑动。