一種界面拉伸試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)*

賈 雪，唐亞鳴，袁舒欣，訾丹丹

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，常州 江蘇 213022)

1 引 言

近年來(lái)，在國(guó)際疏浚業(yè)黃金發(fā)展的大環(huán)境下，我國(guó)疏浚業(yè)前景大好[1]，但疏浚過(guò)程中，泥沙對(duì)疏浚機(jī)具的阻力和粘附是疏浚過(guò)程的一大難題。關(guān)于土壤與泥沙的粘附機(jī)理的研究一直受到很多學(xué)者的關(guān)注，如空穴負(fù)壓現(xiàn)象的界面拉伸試驗(yàn)的研究[2]。土壤粘附力測(cè)定儀是進(jìn)行疏浚機(jī)具減粘脫土實(shí)驗(yàn)室研究時(shí)不可缺少的儀器[3]，現(xiàn)在已有不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的土壤粘附力測(cè)量?jī)x，如英國(guó)，西德，蘇聯(lián)等國(guó)家的土壤粘附儀，日本的精密土壤粘附力測(cè)定裝置，我國(guó)的SF-1型土壤外附力/內(nèi)聚力測(cè)量?jī)x、液壓電測(cè)式土壤粘附儀以及通用的天平式土壤粘附儀等[4]。土壤粘附力測(cè)量?jī)x的一般工作原理是施加預(yù)定的載荷到面積一定的測(cè)盤(pán)并垂直作用于土壤表面并保壓一定時(shí)間，再卸載拉脫測(cè)盤(pán)進(jìn)行土壤粘附力測(cè)量。

目前大部分國(guó)內(nèi)外的土壤粘附力測(cè)量?jī)x都是采用整體式測(cè)盤(pán)，無(wú)法測(cè)量外附力大于內(nèi)架力條件下的土攘粘附力。我國(guó)常用的土壤粘附力測(cè)定儀, 并不能保證測(cè)盤(pán)從土壤表面垂直拉開(kāi), 加載也難以均勻連續(xù)。

針對(duì)上述問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單的組合式界面拉伸試驗(yàn)裝置，用以測(cè)量各種條件下的土壤粘附力，對(duì)疏浚機(jī)具減粘脫土的研究，具有重要意義。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 加載方式

加載方式直接影響土壤粘附力測(cè)量精度和測(cè)試流程等環(huán)節(jié)，綜合考慮加載裝置復(fù)雜性、操作的簡(jiǎn)單性、試驗(yàn)的技術(shù)要求等諸多因素，選用氣壓式氣動(dòng)加載方式，既能保證加載、保壓、卸載和拉脫過(guò)程平穩(wěn)、波動(dòng)量小，而且加載控制裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[5]，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以保證將測(cè)盤(pán)從土壤表面垂直拉開(kāi)，能夠有效地提高測(cè)量精度。

氣缸選用型號(hào)為MAL25×25的鋁合金氣缸，如圖1所示，缸徑與行程均為25 mm。通過(guò)兩位五通電磁閥4V210-08實(shí)現(xiàn)電磁換向，使活塞實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)兩側(cè)的節(jié)流閥調(diào)整氣壓控制運(yùn)動(dòng)速度。活塞導(dǎo)桿通過(guò)軸1與傳惑器相連，通過(guò)電磁閥調(diào)節(jié)氣缸上下腔進(jìn)氣、排氣，使活塞上下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生0～50 kg的作用力，作用在傳感器和組合測(cè)盤(pán)表面上，試驗(yàn)時(shí)要求氣缸的工作條件為0.4 MPa左右。

圖1 雙氣缸工作原理

2.2 各器件的連接方式

氣動(dòng)三聯(lián)件由過(guò)濾器、減壓閥和油霧器三部分組成，選用SMC型AC2010-02氣源處理器。過(guò)濾器過(guò)濾精度為40 μm，主要作用是過(guò)濾壓縮空氣中的雜質(zhì)，使空壓機(jī)中的空氣能順暢的通過(guò)。減壓閥的主要作用是控制系統(tǒng)壓力，油霧器的主要作用是保證后端元件的給油潤(rùn)滑。動(dòng)力部分三個(gè)組件連接方式如圖2所示。

圖2 組件連接圖

氣壓機(jī)的進(jìn)氣口與空氣壓縮機(jī)連接，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)空壓機(jī)輸出的空氣壓力，按下按鈕時(shí)氣缸的的缸筒內(nèi)充氣，活塞桿上升;松開(kāi)按鈕，氣體排出，活塞桿下降。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械部分整體呈長(zhǎng)方體，各棱采用不銹鋼方管，上表面中間固定氣缸的部分是5 mm厚的窄鐵板，與四周的不銹鋼管焊接，底面同樣采用5 mm厚的鐵板，其中央有一個(gè)孔，方便用螺栓固定測(cè)盤(pán)。

中間部分連接傳感器的兩軸均為為直徑φ20 mm的45#圓鋼。軸1、2的零件圖如圖4、5所示，其中，軸1上端的內(nèi)螺紋孔與氣缸的活塞桿配合，下端的外螺紋與S型拉壓傳感器連接。軸2的上端與傳感器的內(nèi)螺紋孔配合，下端通過(guò)螺紋與試驗(yàn)測(cè)盤(pán)相連。兩個(gè)測(cè)盤(pán)直徑為φ61.2 mm，厚12 mm，材料為45#鋼，其表面加工精度為7級(jí)。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4 軸1零件圖

圖5 軸2零件圖

2.3 數(shù)據(jù)采集

傳感器是整個(gè)裝置的核心部件，此試驗(yàn)裝置采用S型傳感器如圖6所示，其測(cè)量力的量程為0～5000 N,輸出電壓范圍為0～20 mV，配用USB-DAQ500數(shù)據(jù)采集你卡，通過(guò)編程使其采集電壓范圍為-2.5～2.5 V,設(shè)定其采集頻率為10 次/s，選擇輸入單通道獨(dú)立的24位AD，使數(shù)據(jù)以excel的形式保持于計(jì)算機(jī)中。S 型傳感器和其它傳感器彈性體結(jié)構(gòu)不同的是：利用了曲折的路線完成力的傳遞，又使接觸應(yīng)力消失在遠(yuǎn)離測(cè)量區(qū)，應(yīng)變測(cè)量區(qū)具備了不受任何干擾的測(cè)量重力環(huán)境，而應(yīng)變測(cè)量區(qū)無(wú)論是雙連孔還是單孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都給重力測(cè)量提供了大小相等而應(yīng)力方向相反的理想應(yīng)變測(cè)量環(huán)境[6]，計(jì)量性能優(yōu)良。

圖6 S型傳感器

2.4 試驗(yàn)系統(tǒng)流程

系統(tǒng)試驗(yàn)流程圖如圖7所示。采用空氣壓縮機(jī)提供氣流，通過(guò)三聯(lián)件和控制閥獲得穩(wěn)定輸出的氣流，氣流作用于氣壓缸帶動(dòng)拉伸軸帶動(dòng)測(cè)盤(pán)的拉伸。傳感器將獲得的拉伸力轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)輸出到采集卡，通過(guò)PC機(jī)輸出。電壓信號(hào)的大小可以反映力的大小，通過(guò)對(duì)電壓信號(hào)的分析，即可得出對(duì)力的情況分析。

圖7 試驗(yàn)流程圖

3 界面拉伸試驗(yàn)

3.1 不同介質(zhì)的界面拉伸試驗(yàn)

采用界面拉伸試驗(yàn)?zāi)M土壤粘附力的拉脫試驗(yàn)。將兩個(gè)測(cè)盤(pán)貼合，啟動(dòng)試驗(yàn)裝置采集空載時(shí)多組數(shù)據(jù)。然后在下測(cè)盤(pán)面上依次注水和涂油，貼合兩測(cè)盤(pán)，使兩測(cè)盤(pán)間形成均勻、連續(xù)的水膜和油膜，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。將采集的數(shù)據(jù)用excel處理后如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，拉伸力不斷增加，到最后逐漸平緩。界面間的介質(zhì)依次為空氣、水、黃油時(shí)，因?yàn)槊糠N介質(zhì)的粘度不同，所需的拉伸力也在增加。

圖8 介質(zhì)不同的界面拉伸試驗(yàn)曲線

3.2 采用仿生刀齒的界面拉伸實(shí)驗(yàn)

隨著工程仿生學(xué)的不斷研究與發(fā)展，我們已經(jīng)知道幾何非光滑形態(tài)是土壤動(dòng)物體表不黏土的主要原因之一[7]。因此，我們采用表面改形方法來(lái)設(shè)計(jì)非光滑表面疏浚刀齒來(lái)實(shí)現(xiàn)減粘降阻的功能，試驗(yàn)中選用方便加工的凹坑形表面結(jié)構(gòu)測(cè)盤(pán)與表面光滑的測(cè)盤(pán)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。兩種測(cè)盤(pán)的外形如圖9所示。

圖9 測(cè)盤(pán)外形圖

采取多次測(cè)量取平均值的方法，將測(cè)量的數(shù)據(jù)處理后如圖10、11所示。

圖10 水介質(zhì)時(shí)的界面拉伸實(shí)驗(yàn)曲線 圖11 黃油介質(zhì)界面拉伸實(shí)驗(yàn)曲線

如上圖所示，采用凹坑形表面結(jié)構(gòu)的測(cè)盤(pán)可以明顯降低拉伸力。因?yàn)榘伎有挝矬w接觸面間會(huì)存在一些間隙，減小了刀齒界面的接觸面積，所以能有效地降低界面大氣負(fù)壓，破壞水膜或油膜的連續(xù)性，從而降低測(cè)盤(pán)表面的粘附力。因此，可以根據(jù)非光滑平面的設(shè)計(jì)原理，最大限度的減少實(shí)際中土壤與非光滑表面疏浚刀齒的接觸面積，從而降低土壤粘附力。

4 結(jié) 語(yǔ)

在總結(jié)已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)出了一種氣動(dòng)加載的界面拉伸試驗(yàn)裝置，既能進(jìn)行土壤粘附力的測(cè)量，又能完成疏浚刀齒界面拉伸試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以得出：

(1)界面間介質(zhì)不同時(shí)，所需拉伸力不同；

(2)當(dāng)測(cè)盤(pán)采用非光滑凹坑形表面結(jié)構(gòu)時(shí)，所需的拉伸力比光滑結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)小。

由此，可以得出非光滑凹坑形表面結(jié)構(gòu)能減少土壤粘附力，有助于我們得出改善疏浚機(jī)具的改進(jìn)方法。

參考文獻(xiàn)：

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[7] Tong Jin, Ren Luquan,Chen Bingcong, et al. Characteristics of Adhesion Between Soil and Solid Surfaces[J].Journal of Terrame Chanics,1994,31(2):93-105.