CN202453254U

CN202453254U - 电动大型应变控制式环剪仪

Info

Publication number: CN202453254U
Application number: CN2011205047082U
Authority: CN
Inventors: 蔺晓燕; 张常亮; 李萍; 李同录; 赵纪飞; 邢鲜丽; 王昌业; 李振江; 黄丽娟; 王阿丹; 张亚国
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2021-12-07

Abstract

本实用新型公开了一种电动大型应变控制式环剪仪，包括基础底座和平台；所述平台通过支撑杆安装在所述基础底座上方；在平台和基础底座之间设置有控制器、剪切小齿轮控制单元和剪切盒间隙控制单元；在平台上安装有剪切单元和竖直单元；该环剪仪在上剪切盒、下剪切盒之间设置间隙控制结构，保证上下剪切盒的密封性，有效防止实验过程中试样渗漏；通过齿轮传动及控制器实现速度控制，其最大剪切速度能达到588cm/s，相比国内1r/min的环剪速度，实现了真正意义上的高速环形剪切；通过齿轮机构传动来实现剪切破坏，下剪切盒进行的是环形转动，可实现试样在连续的位移条件下进行剪切，即实现剪切位移不限。

Description

电动大型应变控制式环剪仪

技术领域

本实用新型属于岩土工程领域，具体涉及一种环剪仪，特别是一种电动大型高速应变控制式环剪仪。

背景技术

环剪仪是岩土工程领域室内实验仪器的一种，主要用于岩土运动剪切强度参数的测定。对于天然滑坡的滑动面，土体会因多次滑动而产生相当大的变形，在分析滑坡的稳定性时，应采用残余强度。环剪仪则可以测定岩土的抗剪强度随位移增长的变化规律，特别适用于量测大位移后土的残余强度。

环剪实验是将土样装入环形试样盒中，通过上部加压板对试样施加垂直压力，在此基础上给土样施加一定的扭转剪力使其发生破坏的过程。环剪仪按其结构特征分为两种类型，即单环式环剪仪和双环式环剪仪。其中，单环式环剪仪是将土样装入整体式单环圆筒形剪切盒中，通过加压板对土样施加垂直压力的同时加以一定的扭转剪力，使用此种环剪仪进行实验的土样其剪切破坏不是发生在土样内部，而是出现于接近旋转加压板处，因此所测得的数据并不能反映土样的真实力学指标。双环式环剪仪是将整体式单环剪切盒设计成为上下分离的两个环形剪切盒，使用此种环剪仪进行实验的土样沿上下环形盒接触的预设面进行剪切，实现了真正意义上的环剪，但此种环剪仪上下剪切盒的间距较难控制，土样在实验过程中容易出现挤出现象。

目前，国内有关环剪仪研制与开发的成果尚少，所研制的环剪仪也多为小型环剪仪，此种环剪仪剪切盒尺寸偏小，由此产生的应力集中效应对实验数据的影响比较大，其加载较小，剪切速度也较低，最大速度一般只能达到1r/min，因此其应用范围非常有限，不能满足科研以及工程实际的需要。相形之下，国外发达国家对环剪仪的研制已经进行了较长时间，大型环剪仪和高自动化环剪仪也相继问世，但国外环剪仪的加压***和升降***均采用液压装置，这种液压装置的工作性能稳定，可靠性较好，但其在使用过程中存在几大缺陷，如在实验过程中易产生渗漏，存在污染；不利于日常维护，且维护费用较高；安装程序特别繁琐，需要布设大量的管路，这些管路会给实验过程带来诸多不便，需要配备液压源及相关配件，如液压泵等。除此之外，国外环剪仪价格昂贵，其推广应用也是举步维艰，国内使用的寥寥无几。

综合上述情况可知，目前国内有关适合工程需要的大型高速环剪仪的自主研制与开发还属空白，仪器的缺乏大大限制了相关参数的测定，对地质灾害的深入研究造成了极大影响。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本实用新型的目的在于，提供一种电动大型高速应变控制式环剪仪，该环剪仪在上剪切盒、下剪切盒之间设置间隙控制结构，保证上下剪切盒的密封性，有效防止实验过程中试样渗漏；通过齿轮传动及控制器实现速度控制，其最大剪切速度能达到588cm/s，相比国内1r/min的环剪速度，实现了真正意义上的高速环形剪切；通过齿轮机构传动来实现剪切破坏，下剪切盒进行的是环形转动，可实现试样在连续的位移条件下进行剪切，即实现剪切位移不限。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术结局的方案：

一种电动大型应变控制式环剪仪，其特征在于，包括基础底座和平台；所述平台通过支撑杆安装在所述基础底座上方；在平台和基础底座之间设置有控制器、剪切小齿轮控制单元和剪切盒间隙控制单元；在平台上安装有剪切单元和竖直单元；

所述剪切小齿轮控制单元包括减速箱、剪切小齿轮轴、剪切力矩传感器、剪切小齿轮轴前端支承轴承、剪切小齿轮轴末端支承轴承、剪切锥齿轮副和剪切伺服电机；其中，剪切伺服电机固定在所述基础底座上，剪切伺服电机的输出端连接减速箱，减速箱的输出端连接剪切锥齿轮副的一个齿轮，剪切锥齿轮副的另一个齿轮通过剪切小齿轮轴末端支承轴承安装在基础底座上；剪切锥齿轮副的上方依次安装剪切小齿轮轴和剪切力矩传感器；其中，剪切力矩传感器上端的轴承向上穿过平台与剪切小齿轮轴前端支承轴承相连接；

所述剪切盒间隙控制单元包括间隙传感器、间隙控制伺服电机、间隙调整锥齿轮副和中轴，其中，中轴穿过平台，中轴的下端依次安装间歇传感器、间隙调整锥齿轮副；基础底座上还安装有间隙控制伺服电机，该间隙控制伺服电机的输出端和间隙调整锥齿轮副连接；

所述剪切单元包括上剪切盒、下剪切盒、上剪切盒安装盘、下剪切盒安装盘、剪切大齿轮、剪切小齿轮；其中，剪切大齿轮位于平台中央，剪切大齿轮两侧的平台上对称安装两个固定杆，下剪切盒安装盘固定在剪切大齿轮上，下剪切盒安装盘的上方依次同轴安装下剪切盒、上剪切盒和上剪切盒安装盘；其中，下剪切盒安装盘与下剪切盒之间通过螺栓相连接，上剪切盒与上剪切盒安装盘之间也通过螺栓相连接；剪切小齿轮安装在剪切小齿轮轴前端支承轴承上，且剪切小齿轮与剪切大齿轮啮合；

所述竖直单元包括对称设置的两个第一直线电动缸、连接套、连接杆、上部加载单元；其中，上部加载单元包括拉压力传感器、球铰链、第二直线电动缸、横梁、平衡杆、垂直压力分布盘、传力杆、加压板；其中，平衡杆两端固定在所述两个固定杆上端，横梁平行位于平衡杆下方，两个固定杆穿过横梁且该横梁能够相对固定杆上、下滑动；所述的两个第一直线电动缸通过直线电动缸底座分别设置在所述的两个固定杆的外侧，所述两个第一直线电动缸的电动缸轴通过连接杆和定位螺母固定在横梁的两端；第一直线电动缸的电动缸轴通过连接套与连接杆相连接；第二直线电动缸固定在所述横梁下方的中心；在第二直线电动缸的下方依次连接球铰链、拉压力传感器和垂直压力分布盘，在垂直压力分布盘的下方通过若干个传力杆固定加压板，在加压板的下表面通过螺栓连接下剪切盒安装盘；

所述中轴的上端依次穿过剪切大齿轮、下剪切盒安装盘、下剪切盒、上剪切盒、上剪切盒安装盘和加压板的中心，该中轴的上端被固定在加压板中心的中轴盖覆盖；

所述间隙控制伺服电机、剪切伺服电机、两个第一直线电动缸、第二直线电动缸、间歇传感器、剪切力矩传感器分别连接控制器。

本实用新型还包括如下其他技术特征：

所述剪切伺服电机通过剪切伺服电机底座固定在所述基础底座上。

所述基础底座上安装有支架，所述控制器固定在所述支架上，所述间隙控制伺服电机通过间隙控制伺服电机底座固定在所述支架上。

所述上剪切盒安装盘底部外表面均匀设置了多个片状凸起，下剪切盒安装盘内的底面上也设置了多个片状凸起。

所述下剪切盒与所述上剪切盒之间设有橡胶圈。

所述垂直压力分布盘的下方通过个传力杆固定所述加压板。

所述环剪仪还包括孔隙水压力传感器，所述孔隙水压力传感器安装在所述上剪切盒侧壁上设置的孔中。

所述环剪仪还包括垂直位移传感器，所述垂直位移传感器通过垂直位移传感器支架固定在固定杆上，且垂直位移传感器的下端与所述垂直压力分布盘的上表面接触。

所述环剪仪还包括剪切位移传感器，所述剪切位移传感器通过剪切位移传感器支架固定在所述固定杆上且与所述下剪切盒安装盘相接触。

所述环剪仪还包括剪切阻力传感器，所述剪切阻力传感器安装在所述固定杆上且与所述上剪切盒安装盘接触。

与现有的环剪仪相比，本实用新型的电动大型高速应变控制式环剪仪的优点如下：

1、本实用新型是双环式的环剪仪，在整个实验过程中下剪切盒相对于上剪切盒发生环向剪切，保证了剪切面的面积始终保持不变。

2、上剪切盒、下剪切盒的尺寸由国内传统仪器的剪切盒的40cm²增大到392.7cm²，其具体尺寸为内径20cm、外径30cm，最大装样高度10cm。改善了小试样剪切的尺寸效应，测得的实验数据能更真实地反映土样的力学指标。

3、上剪切盒、下剪切盒用PEEK材料制成。PEEK材料是一种热塑性特种工程塑料，具有良好的机械性能和耐化学品、耐磨损、耐水解等性能，比重轻，具有非常好的加工性能，可注塑成任何高强度透明塑料零件。PEEK材料具有较高的玻璃化转变温度和熔点，负载热变型温度高达316℃，连续使用温度为260℃。另外，在所有塑料中PEEK材料具有出众的自润滑性，特别适合于严格要求低摩擦系数和耐磨耗用途使用。同时，采用透明材料制作剪切盒更利于实验人员在实验过程中观察试样状态。

4、上剪切盒、下剪切盒之间设置了高精度的间隙传感器和间隙控制伺服电机，保证了上、下剪切盒的密封性，能够有效防止实验过程中试样渗漏。

5、本实用新型是一种高速环剪仪，通过齿轮传动及控制器实现速度控制，其最大剪切速度能达到588cm/s，相比国内1r/min的环剪速度，实现了真正意义上的高速环形剪切，为滑坡、泥石流运动机制的研究提供了实验条件。同时，环剪仪的应用范围也因此得到了扩展，由最初主要用于土体在剪切面生成后对残余强度性质的研究，扩展到涉及与土体剪切破坏过程相关的研究当中，如可模拟地震、地下水波动等情况下试样发生的应力变化、可能发生的液化现象等。

6、本实用新型主要通过齿轮机构(即剪切小齿轮8、剪切大齿轮32)传动来实现剪切破坏，下剪切盒进行的是环形转动，只要剪切小齿轮不停止转动，上下剪切盒会产生一个相对位移，可实现试样在连续的位移条件下进行剪切，即实现剪切位移不限。在实际坡体滑动中，滑动数米乃至数百米的现象并不少见，因此本实用新型的这一特点对于研究滑坡中岩土体运动的剪切强度特性意义重大。

7、本实用新型采用垂直加载结构，摒弃原有的液压加载机构，采用技术更先进的电动缸施加垂直荷载，并配有高精密电子器件(控制器、剪切位移传感器、剪切力矩传感器、间隙传感器、垂直位移传感器、孔隙水压力传感器、电机、减速箱等)对实验过程进行控制，可实现快速加载、连续加载和施加大荷载。本实用新型能施加的最大垂直荷载为4吨，施加给试样的最大正应力可达到1000kPa。与液压机构相比，电动缸具有与其相当的稳定性和可靠性，同时还具备很多液压机构所达不到的优势，如电动缸***重量轻；具有良好的长期贮藏特性；不存在液体渗漏，无污染问题；易于检测，维护、运行成本低；安装方便，简单的***式电连接，不需要配备中心液压源，不需要布设管路和检查泄漏或污染，只需布设电线路；不需要冷却，额定负载功率效率高。除了加压***采用电动缸，完成加压***升降任务的机构同样也采用电动缸，可以说采用电动缸是本实用新型最大的特点。

8、各部件均采用机械连接，特别方便进行零部件更换，节约了成本。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。图中符号含义如下：1-基础底座、2-减速箱、3-剪切小齿轮轴、4-剪切力矩传感器、5-剪切小齿轮轴前端支承轴承、6-平台、7-直线电动缸底座、8-剪切小齿轮、9-剪切位移传感器支架、10-剪切位移传感器、11-橡胶圈、12-剪切阻力传感器13-第一直线电动缸、14-拉压力传感器、15-球铰链、16-连接套、17-第二直线电动缸、18-定位螺母、19-横梁、20-平衡杆、21-垂直位移传感器、22-垂直位移传感器支架、23-垂直压力分布盘、24-传力杆、25-中轴盖、26-加压板、27-上剪切盒安装盘、28-孔隙水压力传感器29-上剪切盒、30-下剪切盒、31-下剪切盒安装盘、32-剪切大齿轮、33-间隙传感器、34-间隙控制伺服电机、35-间隙控制伺服电机底座、36-支架、37-间隙调整锥齿轮副、38-中轴、39-剪切小齿轮轴末端支承轴承、40-剪切锥齿轮副、41-剪切伺服电机底座、42-剪切伺服电机、43-控制器、44-支撑杆、45-固定杆、46-连接杆。

图2为倒扣状态的上剪切盒安装盘的结构示意图。

图3为下剪切盒安装盘结构示意图。

图4为减速箱内部结构原理图。其中，(a)为总体结构布置图；图中的标号表示齿轮序号，每个齿轮的齿数如下：Z₄₇＝25，Z₄₈＝75，Z₄₉＝50，Z₅₀＝50，Z₅₁＝65，Z₅₂＝35，Z₅₃＝85，Z₅₄＝35，Z₅₅＝75，Z₅₆＝45，Z₅₇＝40，Z₅₈＝60，Z₅₉＝40，Z₆₁＝60，Z₆₁＝35；(b)为1档时齿轮啮合布置图；(c)为2档时齿轮啮合布置图；(d)为3档时齿轮啮合布置图；(e)为4档时齿轮啮合布置图。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步解释说明。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的电动大型应变控制式剪切仪，包括基础底座1和平台6，平台6通过若干支撑杆44安装在基础底座1上方；在平台6和基础底座1之间设置有控制器43、剪切小齿轮控制单元和剪切盒间隙控制单元；在平台6上安装有剪切单元和竖直单元。

所述剪切小齿轮控制单元包括减速箱2、剪切小齿轮轴3、剪切力矩传感器4、剪切小齿轮轴前端支承轴承5、剪切小齿轮轴末端支承轴承39、剪切锥齿轮副40和剪切伺服电机42；其中，剪切伺服电机42通过剪切伺服电机底座41固定在基础底座1上，剪切伺服电机42的输出端连接减速箱2，减速箱2的输出端连接剪切锥齿轮副40的一个齿轮，剪切锥齿轮副40的另一个齿轮通过剪切小齿轮轴末端支承轴承39安装在基础底座1上；剪切锥齿轮副40的上方依次安装剪切小齿轮轴3和剪切力矩传感器4；其中，剪切力矩传感器4上端的轴承向上穿过平台6与剪切小齿轮轴前端支承轴承5相连接。

所述剪切盒间隙控制单元包括间隙传感器33、间隙控制伺服电机34、间隙调整锥齿轮副37和中轴38，其中，所述中轴38穿过平台6，中轴38的下端依次安装所述间歇传感器、间隙调整锥齿轮副37；基础底座1上安装有支架36，所述控制器43固定在所述支架36上，所述间隙控制伺服电机34通过间隙控制伺服电机底座35固定在支架36上，该间隙控制伺服电机34的输出端和间隙调整锥齿轮副37连接。

所述剪切单元包括上剪切盒29、下剪切盒30、上剪切盒安装盘27、下剪切盒安装盘31、剪切大齿轮32、剪切小齿轮8、剪切位移传感器10和剪切阻力传感器12；其中，剪切大齿轮32位于平台6中央，剪切大齿轮32两侧的平台6上对称安装两个固定杆45，下剪切盒安装盘31固定在剪切大齿轮32上，下剪切盒安装盘31的上方依次同轴安装所述下剪切盒30、上剪切盒29、上剪切盒安装盘27；下剪切盒30与上剪切盒29之间设有橡胶圈11；所述上剪切盒29侧壁上设置有孔，该孔中安装孔隙水压力传感器28；其中，下剪切盒安装盘31与下剪切盒30之间通过螺栓相连接，上剪切盒29与上剪切盒安装盘27之间也通过螺栓相连接；所述剪切阻力传感器12安装在固定杆45上且与所述上剪切盒安装盘27接触；所述剪切小齿轮8安装在剪切小齿轮轴前端支承轴承5上且剪切小齿轮8与剪切大齿轮32啮合；所述剪切位移传感器10通过剪切位移传感器支架9固定在固定杆45上且与下剪切盒安装盘31相接触；上剪切盒安装盘27底部外表面均匀设置了多个片状凸起(如图2所示)，下剪切盒安装盘31内的底面上也设置了多个片状凸起(如图3所示)。

所述竖直单元包括对称设置的两个第一直线电动缸13、连接套16、连接杆46、垂直位移传感器21和上部加载单元；其中，上部加载单元包括拉压力传感器14、球铰链15、第二直线电动缸17、横梁19、平衡杆20、垂直压力分布盘23、传力杆24、加压板26；其中，所述平衡杆20两端固定在两个固定杆45上端，所述横梁19平行位于平衡杆20下方，两个固定杆45穿过所述横梁19且横梁19能够相对固定杆45上、下滑动；两个第一直线电动缸13通过直线电动缸底座7分别设置在两个固定杆45的外侧，两个第一直线电动缸13的电动缸轴通过连接杆46和定位螺母18固定在横梁19的两端，第一直线电动缸13的电动缸轴通过连接套16与连接杆46相连接；第二直线电动缸17固定在横梁19下方的中心；在第二直线电动缸17的下方依次连接所述球铰链15、拉压力传感器14和垂直压力分布盘23，在垂直压力分布盘23的下方通过若干个(一般为3个)传力杆24固定所述加压板26，在加压板26下表面通过螺栓连接下剪切盒安装盘27；所述垂直位移传感器21通过垂直位移传感器支架22固定在固定杆45上，且垂直位移传感器21的下端与垂直压力分布盘23的上表面接触。

所述中轴38的上端依次穿过剪切大齿轮32、下剪切盒安装盘31、下剪切盒30、上剪切盒29、上剪切盒安装盘27、加压板26的中心，该中轴26的上端被固定在加压板26中心的中轴盖25覆盖。

所述间隙控制伺服电机34、剪切伺服电机42、两个第一直线电动缸13、第二直线电动缸17、间歇传感器33、剪切力矩传感器4分别连接所述控制器43。

以下是上述各部件在本实用新型中所起的作用：

基础底座1用于保持整个仪器的稳定性；减速箱2用于提供不同档位的剪切速度；；剪切力矩传感器4用于测定施加在试样上的剪切力矩；平台6用于支撑剪切单元、竖直单元；直线电动缸底座7用于安装第二直线电动缸17；剪切小齿轮8用于带动与其啮合的剪切大齿轮32转动；剪切位移传感器支架9用于固定剪切位移传感器10；剪切位移传感器10用于测定剪切面的剪切位移量；橡胶圈11用于减小上剪切盒和下剪切盒之间的摩擦阻力；剪切阻力传感器12用于测定剪切过程中剪切面处的摩擦阻力；第一直线电动缸13用于升降加压板26；拉压力传感器14用于测定第二直线电动缸17施加在压力分布盘26上的载荷大小；球铰链15用于保证垂直载荷与仪器的轴线对中，防止力偏心产生倾斜力矩；连接套16用于连接连接杆46和第一直线电动缸13的电动缸轴；第二直线电动缸17用于向剪切盒内的试样提供垂直载荷；定位螺母18用于调整两侧的第一直线电动缸17的平衡；横梁19用于固定和连接第一直线电动缸17；垂直位移传感器21用于测定垂直压力分布盘23的垂直位移以计算试样的垂直变形；垂直位移传感器支架22用于固定垂直位移传感器21；垂直压力分布盘23用于将垂直压力分布在每个传力杆24上；传力杆24用于将垂直压力传至加压板26上；中轴盖25用于覆盖中轴的上端；加压板26用于给试样施加垂直压力；上剪切盒安装盘27用于固定上剪切盒27；孔隙水压力传感器28用于测定试样的孔隙水压力；上剪切盒29、下剪切盒30均用于放置试样；下剪切盒安装盘31用于固定下剪切盒30；剪切大齿轮32用于在剪切小齿轮8的带动下带动剪切盒30转动；间隙传感器33用于测定上剪切盒、下剪切盒的间隙距离；间隙控制伺服电机34用于控制上剪切盒、下剪切盒间的间隙大小；间隙控制伺服电机底座35用于固定间隙控制伺服电机34；间隙调整锥齿轮副37用于将间隙控制伺服电机34的旋转运动转换为丝杠轴向运动；中轴38用于在间隙控制伺服电机34的带动下调节上、下剪切盒的间隙；剪切锥齿轮副40用于传递减速器2输出的扭矩；剪切伺服电机42用于为整个仪器提供动力源并控制环剪速度；控制器43用于控制间隙控制伺服电机34、剪切伺服电机42的转速和两个第一直线电动缸13、第二直线电动缸17的升降位移。

本实用新型的工作原理如下：

本实用新型的电动大型高速应变控制式环剪仪利用取自现场的扰动土样进行实验。实验初期，上剪切盒和上剪切盒安装盘之间的螺栓没有固定，接通左右两个对称的直线电动缸13的电源使其开始工作，此时上部加载机构(包括构件14、15、17、19、20、23、24、26)以及上剪切盒安装盘27一起被整体提升，当提升到最高位置即达到控制器43所设定的最大提升位移时，左右两个直线电动缸13停止工作，此时将试样装入上剪切盒29和下剪切盒30中，待试样装填完成后再次启动左右两个直线电动缸13进行反转，上部加载机构开始下降，直至上剪切盒安装盘27与上剪切盒29接触时电动缸13停止工作，并将上剪切盒安装盘27与上剪切盒29用螺栓进行固定，然后即可进行主体实验。

主体实验正式开始后，首先启动第二直线电动缸17使其丝杠轴向下运动，按实验要求施加一定大小的垂直压力给拉压力传感器14，拉压力传感器14又将垂直压力传给垂直压力分布盘23，再由传力杆传24至加压板26上。由于上剪切盒安装盘27底部均匀设置很多片状凸起，在受到上部垂直压力的作用下，这些片状凸起嵌入试样土体中，在给试样施加垂直压力的同时增加了上剪切盒安装盘27与试样的摩擦力，从而保证了上剪切盒中的试样保持稳定，不随下剪切盒中试样发生转动。

加载过程完成后，控制器43控制剪切伺服电机42实现剪切速度的控制，由减速箱2实现目标扭矩，剪切过程中，减速箱2的内部结构状态如图4所示。

由减速箱2输出的扭矩通过剪切锥齿轮副40传递给剪切小齿轮轴3，在剪切小齿轮轴3的上部安装的剪切力矩传感器4测定施加在试样上的剪切力矩。剪切小齿轮轴3的转动带动了安装在剪切小齿轮轴3上的剪切小齿轮8转动，与剪切小齿轮8啮合的剪切大齿轮32随之转动，下剪切盒安装盘31固定在剪切大齿轮32上，下剪切盒安装盘31同时转动。由于下剪切盒安装盘31内的底面上均匀设置很多片状凸起，在受到上部垂直压力的作用下，这些片状凸起嵌入试样中，使得下剪切盒安装盘31在转动的同时带动了下剪切盒30中的试样发生转动，并最终实现了试样的环形剪切破坏。

间隙传感器33在实验过程中实时采集间隙信号并传送给控制器43，控制器43实时判断间隙是否在正常范围内，如果不正常，则实时控制间隙控制伺服电机34的转速，从而通过间隙调整齿轮副37带动中轴38做上下运动，中轴38上端顶住中轴盖26，从而带动加压板26、上剪切盒安装盘27和上剪切盒29整体做上、下运动，实现调整上、下剪切盒之间间隙至合适间隙。

剪切力矩传感器4在实验过程中实时采集减速箱2输出的扭矩，并将信号传递给控制器43，控制器43根据实验所需剪切速度来调节剪切伺服电机42的转速，如果扭矩或转速不能满足需要，可通过减速箱2换挡实现。

剪切位移传感器10、剪切阻力传感器12、拉压力传感器14、垂直位移传感器21和孔隙水压力传感器28均是测量单元，用于采集实验信号，不参与调节和控制。

Claims

1.一种电动大型应变控制式环剪仪，其特征在于，包括基础底座(1)和平台(6)；所述平台(6)通过支撑杆(44)安装在所述基础底座(1)上方；在平台(6)和基础底座(1)之间设置有控制器(43)、剪切小齿轮控制单元和剪切盒间隙控制单元；在平台(6)上安装有剪切单元和竖直单元；

所述剪切小齿轮控制单元包括减速箱(2)、剪切小齿轮轴(3)、剪切力矩传感器(4)、剪切小齿轮轴前端支承轴承(5)、剪切小齿轮轴末端支承轴承(39)、剪切锥齿轮副(40)和剪切伺服电机(42)；其中，剪切伺服电机(42)固定在所述基础底座(1)上，剪切伺服电机(42)的输出端连接减速箱(2)，减速箱(2)的输出端连接剪切锥齿轮副(40)的一个齿轮，剪切锥齿轮副(40)的另一个齿轮通过剪切小齿轮轴末端支承轴承(39)安装在基础底座(1)上；剪切锥齿轮副(40)的上方依次安装剪切小齿轮轴(3)和剪切力矩传感器(4)；其中，剪切力矩传感器(4)上端的轴承向上穿过平台(6)与剪切小齿轮轴前端支承轴承(5)相连接；

所述剪切盒间隙控制单元包括间隙传感器(33)、间隙控制伺服电机(34)、间隙调整锥齿轮副(37)和中轴(38)，其中，中轴(38)穿过平台(6)，中轴(38)的下端依次安装间歇传感器(33)、间隙调整锥齿轮副(37)；基础底座(1)上还安装有间隙控制伺服电机(34)，该间隙控制伺服电机(34)的输出端和间隙调整锥齿轮副(37)连接；

所述剪切单元包括上剪切盒(29)、下剪切盒(30)、上剪切盒安装盘(27)、下剪切盒安装盘(31)、剪切大齿轮(32)、剪切小齿轮(8)；其中，剪切大齿轮(32)位于平台(6)中央，剪切大齿轮(32)两侧的平台(6)上对称安装两个固定杆(45)，下剪切盒安装盘(31)固定在剪切大齿轮(32)上，下剪切盒安装盘(31)的上方依次同轴安装下剪切盒(30)、上剪切盒(29)和上剪切盒安装盘(27)；其中，下剪切盒安装盘(31)与下剪切盒(30)之间通过螺栓相连接，上剪切盒(29)与上剪切盒安装盘(27)之间也通过螺栓相连接；剪切小齿轮(8)安装在剪切小齿轮轴前端支承轴承(5)上，且剪切小齿轮(8)与剪切大齿轮(32)啮合；

所述竖直单元包括对称设置的两个第一直线电动缸(13)、连接套(16)、连接杆(46)、上部加载单元；其中，上部加载单元包括拉压力传感器(14)、球铰链(15)、第二直线电动缸(17)、横梁(19)、平衡杆(20)、垂直压力分布盘(23)、传力杆(24)、加压板(26)；其中，平衡杆(20)两端固定在所述两个固定杆(45)上端，横梁(19)平行位于平衡杆(20)下方，两个固定杆(45)穿过横梁(19)且该横梁(19)能够相对固定杆(45)上、下滑动；所述的两个第一直线电动缸(13)通过直线电动缸底座(7)分别设置在所述的两个固定杆(45)的外侧，所述两个第一直线电动缸(13)的电动缸轴通过连接杆(46)和定位螺母(18)固定在横梁(19)的两端；第一直线电动缸(13)的电动缸轴通过连接套(16)与连接杆(46)相连接；第二直线电动缸(17)固定在所述横梁(19)下方的中心；在第二直线电动缸(17)的下方依次连接球铰链(15)、拉压力传感器(14)和垂直压力分布盘(23)，在垂直压力分布盘(23)的下方通过若干个传力杆(24)固定加压板(26)，在加压板(26)的下表面通过螺栓连接下剪切盒安装盘(27)；

所述中轴(38)的上端依次穿过剪切大齿轮(32)、下剪切盒安装盘(31)、下剪切盒(30)、上剪切盒(29)、上剪切盒安装盘(27)和加压板(26)的中心，该中轴(38)的上端被固定在加压板(26)中心的中轴盖(25)覆盖；

所述间隙控制伺服电机(34)、剪切伺服电机(42)、两个第一直线电动缸(13)、第二直线电动缸(17)、间歇传感器(33)、剪切力矩传感器(4)分别连接控制器(43)。

2.如权利要求1所述的电动大型应变控制式环剪仪，其特征在于，所述剪切伺服电机(42)通过剪切伺服电机底座(41)固定在所述基础底座(1)上。

3.如权利要求1所述的电动大型应变控制式环剪仪，其特征在于，所述基础底座(1)上安装有支架(36)，所述控制器(43)固定在所述支架(36)上，所述间隙控制伺服电机(34)通过间隙控制伺服电机底座(35)固定在支架(36)上。

4.如权利要求1所述的电动大型应变控制式环剪仪，其特征在于，所述上剪切盒安装盘(27)底部外表面均匀设置了多个片状凸起，下剪切盒安装盘(31)内的底面上也设置了多个片状凸起。

5.如权利要求1所述的电动大型应变控制式环剪仪，其特征在于，所述下剪切盒(30)与所述上剪切盒(29)之间设有橡胶圈(11)。

6.如权利要求1所述的电动大型应变控制式环剪仪，其特征在于，所述垂直压力分布盘(23)的下方通过(3)个传力杆(24)固定所述加压板(26)。

7.如权利要求1所述的电动大型应变控制式环剪仪，其特征在于，所述环剪仪还包括孔隙水压力传感器(28)，所述孔隙水压力传感器(28)安装在所述上剪切盒(29)侧壁上设置的孔中。

8.如权利要求1所述的电动大型应变控制式环剪仪，其特征在于，所述环剪仪还包括垂直位移传感器(21)，所述垂直位移传感器(21)通过垂直位移传感器支架(22)固定在固定杆(45)上，且垂直位移传感器(21)的下端与所述垂直压力分布盘(23)的上表面接触。

9.如权利要求1所述的电动大型应变控制式环剪仪，其特征在于，所述环剪仪还包括剪切位移传感器(10)，所述剪切位移传感器(10)通过剪切位移传感器支架(9)固定在所述固定杆(45)上且与所述下剪切盒安装盘(31)相接触。

10. 如权利要求1所述的电动大型应变控制式环剪仪，其特征在于，所述环剪仪还包括剪切阻力传感器(12)，所述剪切阻力传感器(12)安装在所述固定杆(45)上且与所述上剪切盒安装盘(27)接触。