一种界面拉伸试验装置的设计*

贾 雪，唐亚鸣，袁舒欣，訾丹丹

(河海大学 机电工程学院，常州 江苏 213022)

1 引 言

近年来，在国际疏浚业黄金发展的大环境下，我国疏浚业前景大好[1]，但疏浚过程中，泥沙对疏浚机具的阻力和粘附是疏浚过程的一大难题。关于土壤与泥沙的粘附机理的研究一直受到很多学者的关注，如空穴负压现象的界面拉伸试验的研究[2]。土壤粘附力测定仪是进行疏浚机具减粘脱土实验室研究时不可缺少的仪器[3]，现在已有不同结构特点的土壤粘附力测量仪，如英国，西德，苏联等国家的土壤粘附仪，日本的精密土壤粘附力测定装置，我国的SF-1型土壤外附力/内聚力测量仪、液压电测式土壤粘附仪以及通用的天平式土壤粘附仪等[4]。土壤粘附力测量仪的一般工作原理是施加预定的载荷到面积一定的测盘并垂直作用于土壤表面并保压一定时间，再卸载拉脱测盘进行土壤粘附力测量。

目前大部分国内外的土壤粘附力测量仪都是采用整体式测盘，无法测量外附力大于内架力条件下的土攘粘附力。我国常用的土壤粘附力测定仪, 并不能保证测盘从土壤表面垂直拉开, 加载也难以均匀连续。

针对上述问题，我们设计出一种简单的组合式界面拉伸试验装置，用以测量各种条件下的土壤粘附力，对疏浚机具减粘脱土的研究，具有重要意义。

2 设计过程

2.1 加载方式

加载方式直接影响土壤粘附力测量精度和测试流程等环节，综合考虑加载装置复杂性、操作的简单性、试验的技术要求等诸多因素，选用气压式气动加载方式，既能保证加载、保压、卸载和拉脱过程平稳、波动量小，而且加载控制装置结构简单[5]，实验过程中可以保证将测盘从土壤表面垂直拉开，能够有效地提高测量精度。

气缸选用型号为MAL25×25的铝合金气缸，如图1所示，缸径与行程均为25 mm。通过两位五通电磁阀4V210-08实现电磁换向，使活塞实现两个方向运动，通过两侧的节流阀调整气压控制运动速度。活塞导杆通过轴1与传惑器相连，通过电磁阀调节气缸上下腔进气、排气，使活塞上下运动，产生0～50 kg的作用力，作用在传感器和组合测盘表面上，试验时要求气缸的工作条件为0.4 MPa左右。

图1 双气缸工作原理

2.2 各器件的连接方式

气动三联件由过滤器、减压阀和油雾器三部分组成，选用SMC型AC2010-02气源处理器。过滤器过滤精度为40 μm，主要作用是过滤压缩空气中的杂质，使空压机中的空气能顺畅的通过。减压阀的主要作用是控制系统压力，油雾器的主要作用是保证后端元件的给油润滑。动力部分三个组件连接方式如图2所示。

图2 组件连接图

气压机的进气口与空气压缩机连接，通过手动调节调压阀调节空压机输出的空气压力，按下按钮时气缸的的缸筒内充气，活塞杆上升;松开按钮，气体排出，活塞杆下降。

实验台结构简图如图3所示。实验台的机械部分整体呈长方体，各棱采用不锈钢方管，上表面中间固定气缸的部分是5 mm厚的窄铁板，与四周的不锈钢管焊接，底面同样采用5 mm厚的铁板，其中央有一个孔，方便用螺栓固定测盘。

中间部分连接传感器的两轴均为为直径φ20 mm的45#圆钢。轴1、2的零件图如图4、5所示，其中，轴1上端的内螺纹孔与气缸的活塞杆配合，下端的外螺纹与S型拉压传感器连接。轴2的上端与传感器的内螺纹孔配合，下端通过螺纹与试验测盘相连。两个测盘直径为φ61.2 mm，厚12 mm，材料为45#钢，其表面加工精度为7级。

图3 实验台结构简图

图4 轴1零件图

图5 轴2零件图

2.3 数据采集

传感器是整个装置的核心部件，此试验装置采用S型传感器如图6所示，其测量力的量程为0～5000 N,输出电压范围为0～20 mV，配用USB-DAQ500数据采集你卡，通过编程使其采集电压范围为-2.5～2.5 V,设定其采集频率为10 次/s，选择输入单通道独立的24位AD，使数据以excel的形式保持于计算机中。S 型传感器和其它传感器弹性体结构不同的是：利用了曲折的路线完成力的传递，又使接触应力消失在远离测量区，应变测量区具备了不受任何干扰的测量重力环境，而应变测量区无论是双连孔还是单孔的结构设计都给重力测量提供了大小相等而应力方向相反的理想应变测量环境[6]，计量性能优良。

图6 S型传感器

2.4 试验系统流程

系统试验流程图如图7所示。采用空气压缩机提供气流，通过三联件和控制阀获得稳定输出的气流，气流作用于气压缸带动拉伸轴带动测盘的拉伸。传感器将获得的拉伸力转化为对应的电压信号输出到采集卡，通过PC机输出。电压信号的大小可以反映力的大小，通过对电压信号的分析，即可得出对力的情况分析。

图7 试验流程图

3 界面拉伸试验

3.1 不同介质的界面拉伸试验

采用界面拉伸试验模拟土壤粘附力的拉脱试验。将两个测盘贴合，启动试验装置采集空载时多组数据。然后在下测盘面上依次注水和涂油，贴合两测盘，使两测盘间形成均匀、连续的水膜和油膜，采集相关数据。将采集的数据用excel处理后如图8所示。

由图8可以看出，随着时间的延长，拉伸力不断增加，到最后逐渐平缓。界面间的介质依次为空气、水、黄油时，因为每种介质的粘度不同，所需的拉伸力也在增加。

图8 介质不同的界面拉伸试验曲线

3.2 采用仿生刀齿的界面拉伸实验

随着工程仿生学的不断研究与发展，我们已经知道几何非光滑形态是土壤动物体表不黏土的主要原因之一[7]。因此，我们采用表面改形方法来设计非光滑表面疏浚刀齿来实现减粘降阻的功能，试验中选用方便加工的凹坑形表面结构测盘与表面光滑的测盘进行对比试验。两种测盘的外形如图9所示。

图9 测盘外形图

采取多次测量取平均值的方法，将测量的数据处理后如图10、11所示。

图10 水介质时的界面拉伸实验曲线 图11 黄油介质界面拉伸实验曲线

如上图所示，采用凹坑形表面结构的测盘可以明显降低拉伸力。因为凹坑形物体接触面间会存在一些间隙，减小了刀齿界面的接触面积，所以能有效地降低界面大气负压，破坏水膜或油膜的连续性，从而降低测盘表面的粘附力。因此，可以根据非光滑平面的设计原理，最大限度的减少实际中土壤与非光滑表面疏浚刀齿的接触面积，从而降低土壤粘附力。

4 结 语

在总结已有技术的基础上，我们设计出了一种气动加载的界面拉伸试验装置，既能进行土壤粘附力的测量，又能完成疏浚刀齿界面拉伸试验。通过试验结果可以得出：

(1)界面间介质不同时，所需拉伸力不同；

(2)当测盘采用非光滑凹坑形表面结构时，所需的拉伸力比光滑结构表面结构小。

由此，可以得出非光滑凹坑形表面结构能减少土壤粘附力，有助于我们得出改善疏浚机具的改进方法。

参考文献：

[1] 疏浚工程[EB/OL] . http://baike.baidu.com/view/608489.html?tp=0_11.

[2] 邓石桥,任露泉,韩志武.空穴负压现象的界面拉伸试验研究 [J]. 农业机械学报,2004,35(4) :165-169.

[3] 桑正中,张继先,顾德强.液压电测式土壤粘附力测定仪 [J].农业机械学报,1984,(4):99-100.

[4] 任露泉,张书军,杨文志,等.土壤粘附仪组合测盘测力原理的试验研究 [J].试验技术与试验机,1990,(1):18-21.

[5] 吴连奎,石跃武,李月潭. 土壤粘附力测量仪气动加载及自动控制研究[J].试验技术与试验机,1993,33(2):28-31.

[6] 张如一,于 建,王增梅. S型测力传感器的动态特性与标定[J].实验力学,1991,6(2):117-126.

[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.