[发明专利]一种可实现三维空间各向移动大型直剪仪及其试验方法

权利要求书

1.一种可实现三维空间各向移动大型直剪仪，其特征在于：所述可实现三维空间各向移动大型直剪仪包括试验台架、电控柜、工作平台、加载装置、支撑装置、水平位移约束装置、运动执行机构、上剪切盒、格栅压片、下剪切盒以及承载板；所述工作平台设置在试验台架上；所述电控柜、水平位移约束装置以及支撑装置均设置在工作平台上；所述加载装置与支撑装置相连并通过支撑装置设置在工作平台上；所述运动执行机构设置在试验台架上；所述加载装置的底部设置有承载板；所述上剪切盒、格栅压片以及下剪切盒自上而下设置在运动执行机构的上表面；所述加载装置通过承载板向上剪切盒、格栅压片以及下剪切盒施加竖向压力；所述水平位移约束装置与上剪切盒相连；待进行剪切试验的土工合成材料呈圆形，其直径与下剪切盒外径相同，待进行剪切试验的土工合成材料置于格栅压片以及下剪切盒的上端面之间；所述运动执行机构带动下剪切盒进行空间三维移动；所述电控柜分别与加载装置以及运动执行机构相连；

所述运动执行机构包括动平台、定平台以及三个结构完全相同的伸缩型运动分支；所述定平台设置在试验台架上；所述工作平台上设置有分支运动孔；所述动平台置于工作平台之上；所述下剪切盒设置在动平台上；所述伸缩型运动分支穿过工作平台上的分支运动孔后分别与动平台以及定平台相连；所述定平台通过伸缩型运动分支带动动平台以及下剪切盒进行空间三维移动。

2.根据权利要求1所述的可实现三维空间各向移动大型直剪仪，其特征在于：所述伸缩型运动分支包括上转动轴、上轴承、推杆电机、铰座、下转动轴、下轴承、滑块以及导轨；所述导轨设置在定平台上；所述铰座通过滑块设置在导轨上并可在导轨上自如滑动；所述推杆电机的顶部通过上转动轴设置在上轴承中；所述上轴承设置在动平台上；所述推杆电机的底部通过下转动轴设置在下轴承中；所述下轴承设置在铰座上；所述电控柜与推杆电机相连；在推杆电机的驱动下，动平台沿导轨的轴线移动绕上转动轴和/或下转动轴的轴向摆动。

3.根据权利要求2所述的可实现三维空间各向移动大型直剪仪，其特征在于：所述三个结构完全相同的伸缩型运动分支的导轨以正三角形式均匀布置于定平台上。

4.根据权利要求3所述的可实现三维空间各向移动大型直剪仪，其特征在于：所述动平台为六边形，对应外接圆直径至少为500 mm；所述定平台为矩形，最小尺寸为900×680×14 mm；所述动平台性能参数为：水平任意方向移动范围至少为±60 mm、垂向移动范围至少为±50 mm；水平任意方向承载力至少为0.5 t、垂向承载力至少为1.5 t。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的可实现三维空间各向移动大型直剪仪，其特征在于：所述水平位移约束装置包括定位块、丝杠、套筒、手轮以及基座；所述基座设置在工作平台上；所述套筒设置在基座上；所述套筒套装在丝杠外部并与丝杠啮合；所述丝杠的两端分别设置有手轮以及定位块；所述定位块与上剪切盒相连；所述水平位移约束装置是结构完全相同的两组；所述两组结构完全相同的水平位移约束装置以丝杠轴线互成120°。

6.根据权利要求5所述的可实现三维空间各向移动大型直剪仪，其特征在于：所述上剪切盒的外侧壁上设置有支座以及与支座相连且与定位块相匹配的定位槽；所述上剪切盒呈空心圆柱体结构，所述上剪切盒的内径至少为200 mm、壁厚至少10 mm、高度至少为110 mm；所述下剪切盒的内径至少为300 mm、厚度至少为10 mm；所述承载板的直径至少为195 mm、厚度至少为20 mm，所述承载板的直径与上剪切盒的内径之差应在2～5 mm范围内；所述格栅压片的直径与下剪切盒的直径相同，厚度至多为5 mm。

7.根据权利要求6所述的可实现三维空间各向移动大型直剪仪，其特征在于：所述试验台架是由角钢焊接而成的桁架式结构，所述试验台架的外表面设置有钣金包裹层；所述工作平台尺寸至少为1500×700×14 mm，所述工作平台上的分支运动孔的直径不小于120 mm；所述支撑装置包括支撑板以及支撑杆；所述支撑板通过支撑杆设置在工作平台上；所述加载装置设置在支撑板上。

8.一种基于如权利要求7所述的可实现三维空间各向移动大型直剪仪的待进行剪切试验的土工合成材料的试验方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）卸下上剪切盒以及下剪切盒，并在上剪切盒以及下剪切盒中装填与待进行剪切试验的土工合成材料相对应的试验土样；

2）将下剪切盒安装于运动执行机构动平台上表面，并在待进行剪切试验的土工合成材料置于下剪切盒的上表面，在待进行剪切试验的土工合成材料的上表面依次安装格栅压片、上剪切盒以及承载板，调整上剪切盒角度，并旋转水平位移约束装置的手轮，待定位块与定位槽表面贴合后调节上剪切盒运动至工作位置；

3）通过电控柜控制运动执行机构由初始位置运行至工作位置，调节加载装置通过加载对上剪切盒进行竖向压力加载；所述初始位置是所有推杆电机伸缩量为零时对应的位置；所述工作位置是所有推杆电机伸缩量为总行程的一半时对应的位置；

4）待竖向压力加载完毕后，根据试验要求在电控柜中输入所需的剪切方向、剪切位移以及剪切速度，由运动执行机构通过推杆电机开始对待进行剪切试验的土工合成材料进行试验；

5）试验运行过程中，实时记录运动执行机构中各推杆电机处的位移、速度以及作用力，采集频率为1～5Hz；系统根据运动动力学模型实时解算剪切方向、剪切位移、剪切速度以及剪切力；

6）待试验结束后，保存试验数据，将加载装置的压力泄压，运动执行机构回初始位置按照存储的试验数据绘制相应曲线及分析结果。