汪 偉 趙家豐 沈晨暉 張曉良

(軍械工程學(xué)院火炮工程系， 石家莊 050003)

地面力學(xué)參數(shù)綜合測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

汪 偉 趙家豐 沈晨暉 張曉良

(軍械工程學(xué)院火炮工程系， 石家莊 050003)

為了改進(jìn)貝氏儀不依賴大型設(shè)備時(shí)測試范圍的局限性和地面力學(xué)參數(shù)測試手段的分散多樣性，設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)外兩用的地面力學(xué)參數(shù)綜合測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)貫入、扭轉(zhuǎn)過程互不干涉，實(shí)現(xiàn)測試及數(shù)據(jù)處理的獨(dú)立性?？蛇x擇電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或手動(dòng)驅(qū)動(dòng)。借助絲杠升降機(jī)傳動(dòng)，儀器具有較高的運(yùn)行控制精度和測試量程。系統(tǒng)借助拉線位移傳感器和力、扭矩傳感器可實(shí)時(shí)同步獲取縱深行進(jìn)動(dòng)態(tài)信息、土壤承壓力和土壤抗剪切力等信息，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集記錄及處理自動(dòng)化。實(shí)驗(yàn)室壓實(shí)制備濕潤砂土，通過剪切盤剪切試驗(yàn)得砂土內(nèi)聚力為3.14 kPa，內(nèi)摩擦角為38.2°；通過壓板試驗(yàn)得砂土變形指數(shù)為0.963，粘聚變形模量為178.73 kN/mn+1，摩擦變形模量為11 908.40 kN/mn+2。試驗(yàn)表明，該儀器具有較高的可靠性和實(shí)用性。

地面力學(xué); 土壤參數(shù); 測試系統(tǒng); 承壓特性; 剪切特性

引言

土壤承壓、剪切問題屬于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中的重要問題，土壤機(jī)械壓實(shí)、車體下陷深度、車輛行駛阻力與土壤承壓剪切特性密切相關(guān)[1-2]。

貝氏儀以經(jīng)典土力學(xué)公式為基礎(chǔ)，借助加載扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與測量系統(tǒng)獲取土壤承壓、剪切曲線，計(jì)算所得的力學(xué)參數(shù)可用來計(jì)算車輛沉陷量、土壤阻力，起到指導(dǎo)車輛通過的作用[3]。

美國陸軍坦克自動(dòng)車司令部二戰(zhàn)后利用壓板、爪盤模擬車輛和土壤儀器加載條件來測定土壤參數(shù)，此后國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成了不同類型的貝氏儀。ALEXANDROU等[4-5]借助車載設(shè)備進(jìn)行壓板承壓試驗(yàn)并研究下陷規(guī)律；BENOIT等[6]利用履帶汽車和大型液壓加載設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室土槽進(jìn)行壓板試驗(yàn)； BOON等[7]利用車載設(shè)備借助PLC控制進(jìn)行土壤貫入和剪切試驗(yàn)；2010年MASSAH等[8]設(shè)計(jì)推車式小型壓板錐頭液壓貫入綜合試驗(yàn)臺(tái)；2011年APFELBECK等[9]借助多軸電動(dòng)機(jī)對模擬月壤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室壓板沉陷爪盤剪切研究；2014年GRIFFITH等[10]借助電子萬能試驗(yàn)機(jī)研究小徑輪形壓板與土壤相互作用規(guī)律。

莊繼德科研團(tuán)隊(duì)[11-13]對塔克拉瑪干沙漠砂土進(jìn)行了一系列原位壓板承壓剪切試驗(yàn)；姚艷等[14]通過設(shè)計(jì)小面積壓板在重塑土壤中的壓板沉陷試驗(yàn)，研究室內(nèi)重塑土壤承壓下陷曲線擬合規(guī)律；蔡巍等[15]通過自行設(shè)計(jì)的便攜式貝氏儀進(jìn)行灘涂土壤承壓剪切特性參數(shù)測量試驗(yàn)；柏建彩等[16]借助液壓系統(tǒng)和配重進(jìn)行農(nóng)田原狀土壤壓實(shí)測試；鄒猛等[17-18]采用改進(jìn)的電子萬能試驗(yàn)機(jī)對模擬月壤樣品在小土槽中進(jìn)行承壓試驗(yàn)；徐國艷等[19]設(shè)計(jì)制作基于貝氏儀測試原理的土壤承壓和剪切、圓錐貫入測試儀，儀器攜帶方便但只適用于松軟土壤力學(xué)特性測試。

實(shí)際操作常以直徑15 cm左右的壓板勻速貫入土壤深度約10 cm，根據(jù)土體的不同，有時(shí)要求儀器施加的載荷達(dá)數(shù)噸，這對于加載裝置要求較高。目前貝氏儀主要針對室內(nèi)松軟土壤設(shè)計(jì)，依靠砝碼盤配重或者人體自重進(jìn)行加載，量程較小，不足以指導(dǎo)野外路面車輛行駛。而室外貝氏儀必須依靠配重或者將儀器置于車體，依靠車體自重提供反作用力來提供加載力，較為復(fù)雜笨重，且無法用于實(shí)驗(yàn)室控制條件進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究[3]。

圓錐指數(shù)儀源于美國工程兵水道試驗(yàn)站(WES)[3]，相對于其他土壤力學(xué)特性測試工具，它的突出特點(diǎn)是簡單高效，依靠人力或者電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，即可快速獲取錐頭貫入阻力曲線。目前廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，如記述反映作物生長的土壤特性，測定車輛對土壤壓實(shí)的影響等。

地面力學(xué)涉及參數(shù)多，人們針對不同土壤特性研究發(fā)明了不同儀器進(jìn)行測試[2]，但一直以來較為缺乏可以同時(shí)測量軟硬土體承壓力、剪切力的綜合儀器。

本文通過土壤承壓、剪切相關(guān)理論，針對目前儀器系統(tǒng)測試過程分散的弊端，設(shè)計(jì)搭建地面力學(xué)參數(shù)綜合測試系統(tǒng)(以下簡稱測試系統(tǒng))，并通過室內(nèi)砂土試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 土壤承壓剪切相關(guān)理論

1.1 貝克承壓下陷理論

土壤承壓下陷模型如圖1所示。

圖1 土壤承壓下陷示意圖Fig.1 Sketch about pressure-sinkage of soil

BEKKER[3]建立了壓板承壓下陷關(guān)系

(1)

式中σ——平板接地比壓，kPab——板寬(圓板的半徑，矩形板的板寬)，m

Z——下陷量，m

Kc——黏聚變形模量，kN/mn+1

Kφ——摩擦變形模量，kN/mn+2

n——土壤變形指數(shù)

1.2 爪盤剪切理論

土壤剪切強(qiáng)度為土壤產(chǎn)生的用以阻止剪切破壞的最大阻力，決定著車輛的牽引性能。被廣泛應(yīng)用的土壤塑性理論和摩爾- 庫倫準(zhǔn)則的剪切強(qiáng)度表達(dá)式為[3]

τmax=c+σntanφ

(2)

式中τmax——最大剪應(yīng)力，Pac——內(nèi)聚力，Paφ——內(nèi)摩擦角，(°)σn——爪盤接地比壓，Pa

通過試驗(yàn)可繪制最大剪應(yīng)力- 承壓力曲線并擬合直線，根據(jù)斜率和截距可得內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ，如圖2b所示。剪應(yīng)力- 扭轉(zhuǎn)力公式為[3]

(3)

式中Tm——最大扭轉(zhuǎn)力矩，N·mr——爪盤內(nèi)徑，mR——爪盤外徑，m

圖2 爪盤剪切示意圖Fig.2 Sketches about theory of claw shearing

1.3 圓錐貫旋入理論

硬度測試是車輛地面力學(xué)測試的一個(gè)重要指標(biāo)，地面力學(xué)中圓錐指數(shù)通過特定尺寸錐頭的土壤貫入阻力用以描述土壤硬度，車輛下陷和滑轉(zhuǎn)率與之關(guān)系密切。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可起到研究錐頭貫入機(jī)理的作用，同時(shí)測試所得指數(shù)值可用以預(yù)測越野車輛行駛通過性能和牽引性能。

2 設(shè)計(jì)要求和總體設(shè)計(jì)方案

測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求：通過壓板壓入土槽后可以提供最大30 000 N的貫入壓力，并不超過上下主梁的抗彎強(qiáng)度。傳感器應(yīng)便于進(jìn)行整體更換，并保證扭轉(zhuǎn)和承壓兩過程獨(dú)立互不干涉，各傳感器量程符合實(shí)際測試要求。這些要求的指標(biāo)及具體實(shí)現(xiàn)參見關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)。

測試系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用絲杠SWL10T，減速比24∶1，絲杠升降長度500 mm?？梢允謩?dòng)驅(qū)動(dòng)，也可連接電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，將手輪或直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠機(jī)的軸向直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程力矩小，運(yùn)行效率高，同時(shí)過程控制簡單高效。整體槽鋼臺(tái)架，絲杠直徑58 mm。試驗(yàn)臺(tái)上支架可以上下調(diào)節(jié)，進(jìn)而協(xié)調(diào)由貫入部件更換引起的高度變化，下底盤留有貫入孔，室外原位試驗(yàn)時(shí)，撤去土槽，降低上支架至貫入組件接觸土壤，在底盤兩邊配重即可實(shí)現(xiàn)野外加載試驗(yàn)。

圖3 地面力學(xué)參數(shù)綜合測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structure diagram of integrated test system for terramechanics parameters1.試驗(yàn)臺(tái)上支架 2.絲杠升降機(jī) 3.拉線位移傳感器 4.壓力傳感器組件 5.扭矩傳感器組件 6.貫入部件 7.槽鋼架 8.試驗(yàn)臺(tái)下底盤(帶輪和支盤)

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)主要由加載機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)土壤貫入旋轉(zhuǎn)的獨(dú)立操作、同步采集及量程變化。

3.1 加載及行走穩(wěn)定機(jī)構(gòu)

如圖4所示，中間軸在自然狀態(tài)下被防墜螺母卡住，與傳感器頂頭有約2 mm間隙，貫入體在貫入土壤過程中必然受到土壤阻力，當(dāng)大于整個(gè)試驗(yàn)組件自重時(shí)，桿體順著直線軸承上移抵住壓力傳感器，桿體以二力桿的形式將所受阻力傳遞到壓力傳感器。因此測試所得壓力與試驗(yàn)組件自重之和即實(shí)際土壤反力。

圖4 軸承標(biāo)定、錐頭、壓板、爪盤試驗(yàn)組件示意圖Fig.4 Sketch of test part assembly about bearing calibration， cone， plate and claw1.絲杠法蘭 2.壓力傳感器 3.直線軸承 4.防墜螺母 5.中間軸 6.扭矩傳感器 7.承壓軸承 8.軸承座 9.爪盤 10.軸承標(biāo)定座 11.壓板 12.錐頭

從便攜性考慮，設(shè)計(jì)了行走輪。測試時(shí)可通過底盤4個(gè)定位盤將機(jī)構(gòu)調(diào)平，保證測試過程的平穩(wěn)。

3.2 支架及土槽設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)主體鋼架核心選取槽鋼，具體選型為上梁U-h80×b45，下底盤U-h120×b53，側(cè)梁U-h160×b65，材料為S235。其中h為高度，b為寬度，具體可查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[20]。

選取槽鋼安全系數(shù)v=2(靜動(dòng)態(tài)之間)，對于許用應(yīng)力σallow=σlim/v=150 MPa，以上梁為例進(jìn)行強(qiáng)度校核：

對于兩端支撐，受集中載荷的梁：彎曲應(yīng)力σb=Mb/W，W為軸向載荷模量，彎曲力矩Mb=Fl/4，對于槽鋼U-h80×b45，W=26.5 cm3。

當(dāng)F=30 000/2=15 000 N，l=0.8 m，此時(shí)

同理可驗(yàn)證下梁在軸向載荷作用下也低于許用應(yīng)力，滿足總體設(shè)計(jì)要求中的不超過上下主梁抗彎強(qiáng)度的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

土槽尺寸設(shè)計(jì)考慮圍壓對試驗(yàn)結(jié)果的影響，選取土槽尺寸長600 mm、寬600 mm、高500 mm，長、寬為最大壓板直徑150 mm的4倍，材料選取鋼板包合角鐵，避免出現(xiàn)高載荷土槽破裂。由壓力傳遞規(guī)律

(4)

式中p0——地表所受壓板壓力，kPaσz——深度Z處傳遞應(yīng)力，kPaZ——深度，m

可知在土槽深度0.5 m左右，正底部土壤的壓力約為土壤表面壓力的3%，進(jìn)而可大大減少邊緣效應(yīng)。

3.3 貫旋同步設(shè)計(jì)及傳感器量程選擇

如圖4所示，爪盤、軸承標(biāo)定座、壓板、錐頭可配合主體結(jié)構(gòu)(選擇適合的傳感器)實(shí)現(xiàn)不同的測試試驗(yàn)。

為解決壓力傳感器與扭矩傳感器互相影響以及不同組件配套傳感器的更換，設(shè)計(jì)中空式扭矩傳感器外形，與軸承座、貫入體部件螺紋剛性連接。承壓軸承受壓時(shí)，與中間軸緊固的內(nèi)環(huán)保持不動(dòng)，軸承座帶動(dòng)外環(huán)隨扭矩傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)一體兩動(dòng)，扭轉(zhuǎn)、貫入操作獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，互不干涉。承壓軸承密封于腹腔體上，可起到防塵防土的作用，從而保證傳動(dòng)性能。因此需對承壓軸承在不同壓力下的摩擦力進(jìn)行標(biāo)定，測試所得扭矩與該壓力下軸承摩擦力之差即為實(shí)際土壤反力。

傳感器選型是較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，由于測試系統(tǒng)涉及扭轉(zhuǎn)、下壓兩種運(yùn)動(dòng)，并且圓錐、壓板、爪盤3組試驗(yàn)決定各自獨(dú)立的量程。因此，結(jié)合前人試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及本試驗(yàn)臺(tái)架需要，壓力傳感器和扭矩傳感器座進(jìn)行統(tǒng)一封裝，保證外形尺寸一致，便于更換。貫入組件采用高強(qiáng)度不銹鋼，耐腐蝕且強(qiáng)度高。

3.3.1 錐頭貫入部分組件

對于硬質(zhì)地面，圓錐指數(shù)CI變化范圍0～10 MPa[21]，參考標(biāo)準(zhǔn)的大號WES圓錐，設(shè)計(jì)測試圓錐頭底面直徑d為22.27 mm，錐桿角度30°。為增加對比性及研究性，增加45°、60°、90°幾種錐頭類型。

F=πCI(d/2)2≤3 799 N，選擇壓力傳感器量程4 000 N。

3.3.2 爪盤扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)部分組件

不同的土質(zhì)，未經(jīng)擾動(dòng)的堅(jiān)實(shí)土壤，如粉土、壤土、堅(jiān)實(shí)的砂和松散的土壤，如干砂、飽和粘土，均決定爪盤的最小尺寸，大的爪盤可較明顯改善由于土質(zhì)不均和表面凹凸不平的影響，但由于儀器容許扭矩和壓力、自身重力以及土槽尺寸限制，爪盤外直徑尺寸R限制在100～200 mm為宜。決定爪盤剪切效果另一因素是外內(nèi)徑之比R/r，根據(jù)文獻(xiàn)[3]對越野行駛、農(nóng)業(yè)機(jī)械、實(shí)驗(yàn)室土壤力學(xué)測試等眾多研究機(jī)構(gòu)測頭尺寸的匯總及總結(jié)，R/r介于1.1～2.0之間。綜上，設(shè)計(jì)本爪盤尺寸為：爪盤1：內(nèi)徑r=80 mm，外徑R=120 mm；爪盤2：內(nèi)徑r=130 mm，外徑R=200 mm?？紤]下壓過程中內(nèi)壁影響，爪盤帶通氣孔空腔。

取內(nèi)聚力0

選取扭矩傳感器量程300 N·m，對應(yīng)壓力傳感器量程4 000 N，這樣可以與錐頭共用同一壓力傳感器。

3.3.3 壓板壓入試驗(yàn)部分組件

與爪盤類似，土壤均勻程度影響壓板最小尺寸，由式(1)知壓板半徑b影響后續(xù)承壓力學(xué)參數(shù)求解，因此壓板尺寸應(yīng)有一定間隔，設(shè)計(jì)直徑為110 mm、130 mm和150 mm 3種壓板，與臺(tái)架承載能力相對應(yīng)，壓力傳感器量程選擇30 000 N。

3.4 信號采集系統(tǒng)

信號采集系統(tǒng)主要由力傳感器、拉線位移傳感器、放大器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等組成，如圖5所示。

圖5 地面力學(xué)參數(shù)綜合測試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Physical photo of integrated test system for terramechanics parameters1.采集儀 2.位移傳感器 3.適配器(從左至右為位移傳感器適配器、扭矩壓力應(yīng)變放大器) 4.壓力傳感器 5.扭傳感器 6.貫入體(圖示為爪盤)

試驗(yàn)需要測試位移、力、扭矩3個(gè)物理量，利用Delphi程序開發(fā)工具編制軟件進(jìn)行信號采集，圖6為編制的采集界面，可設(shè)置采樣頻率、采集時(shí)間，統(tǒng)一采集時(shí)間。在軟件參數(shù)錄入界面輸入應(yīng)變放大器增益、靈敏度、傳感器靈敏度、位移傳感器電阻、初始位置，軟件顯示窗口可以顯示力、扭矩、位移的自動(dòng)計(jì)算結(jié)果。

圖6 采集軟件界面Fig.6 Acquisition software interfaces

4 傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定

4.1 壓力傳感器標(biāo)定

由貝克理論可知，土壤承壓下陷有類似于彈簧受壓的規(guī)律，因此對于壓力傳感器的標(biāo)定可借助承壓儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬測量和力學(xué)性能標(biāo)定，該力學(xué)標(biāo)定系統(tǒng)由高強(qiáng)度壓力彈簧、電子地磅等組成，壓力彈簧下部以環(huán)形陣列的方式定位在套筒內(nèi)，封裝在柱形桶內(nèi)。測量過程中，壓力傳感器輸出電壓信號，與數(shù)字電子秤顯示數(shù)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)比較處理，通過對0～30 000 N范圍內(nèi)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，直線擬合決定系數(shù)為0.998，表明輸入-輸出特性服從嚴(yán)格的線性關(guān)系。

4.2 位移傳感器電阻標(biāo)定

如圖5所示，拉線位移傳感器Celesco MT2A-30E-33-10K-C1為精準(zhǔn)電阻輸出，量程700 mm，工作電壓5～30 V，借助自制的傳感器標(biāo)定距離線卡對位移傳感器電阻進(jìn)行標(biāo)定，通過傳感器在不同拉線量輸出電壓和電源輸入電壓的關(guān)系可求得傳感器電阻ro=15.4 Ω。

4.3 承壓軸承摩擦力標(biāo)定

組裝軸承摩擦力標(biāo)定試驗(yàn)組件，試驗(yàn)過程設(shè)置采樣頻率200 Hz，采樣時(shí)間10 s。

采集原始扭矩、電壓信號，先對信號進(jìn)行下采樣(先濾波后減采樣率)，然后進(jìn)行中值濾波。

采集多組不同壓力下扭矩信號，做差消除零漂影響，同時(shí)取絕對值輸出扭矩正值，得到對應(yīng)壓力F與扭矩T的散點(diǎn)圖，按趨勢進(jìn)行線性擬合繪制單個(gè)軸承摩擦力曲線如圖7所示。

圖7 軸承摩擦力數(shù)值擬合結(jié)果Fig.7 Numerical fitting result of bearing friction

5 實(shí)驗(yàn)室砂土參數(shù)測試試驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)室配土及基本物理參數(shù)測試

圖8所示為土槽砂土配制及各試驗(yàn)圖片，首先利用孔寬0.35 mm×0.35 mm鋼絲網(wǎng)篩選濕潤細(xì)砂，然后分層配土鎮(zhèn)壓。試驗(yàn)前對不同深度配置的砂土利用不銹鋼環(huán)刀進(jìn)行多組取樣，通過質(zhì)量體積比取均值測定該砂土密度γ=1.86 g/cm3。將干燥鋁盒置于150°內(nèi)的干燥箱內(nèi)約8 h，借助電子天平，通過干燥前后的質(zhì)量差計(jì)算平均含水率約為9%。

圖8 土壤參數(shù)測試試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.8 Photos of soil parameter tests

5.2 爪盤剪切測試

如圖8c所示，選取大號爪盤(內(nèi)徑130 mm，外徑200 mm)，組裝爪盤貫入、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)部件。爪盤開始貫入土體后，由于土壤反作用力，中間軸下部頂住承壓軸承，上部頂住壓力傳感器觸頭，壓力傳感器感受采集力信號，貫入到一定深度后，維持深度不變，勻速扭轉(zhuǎn)扭矩傳感器，爪盤隨著扭矩傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，采集此時(shí)扭矩和力信號。扭轉(zhuǎn)一圈后停止，增壓下壓，繼續(xù)扭轉(zhuǎn)采集；試驗(yàn)重復(fù)6～8次。壓力隨下陷量變化曲線如圖9所示，可以看到隨著剪切的進(jìn)行，有較明顯的駝峰，符合未經(jīng)攪動(dòng)的密實(shí)砂土特點(diǎn)。需注意剪切盤及扭轉(zhuǎn)組件自身質(zhì)量不可忽略(21 kg)，已計(jì)算包含在壓力中。另外壓力傳感器下置有高強(qiáng)度彈簧，避免剪切過程發(fā)生剛性泄力導(dǎo)致壓力突變。

圖9 爪盤剪切試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test result of claw shearing of soil

采集6組不同壓力作用下扭矩信號，做差消除零漂影響，同時(shí)取絕對值輸出扭矩正值，計(jì)算得到對應(yīng)剪應(yīng)力與壓應(yīng)力散點(diǎn)圖，按趨勢進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖10所示。

圖10 剪壓應(yīng)力擬合曲線Fig.10 Fitting curve of shear stress and compressive stress

擬合剪應(yīng)力- 壓應(yīng)力直線方程：截距b=3.135 7，斜率k=0.787 7，對比分析式(2)可得：實(shí)驗(yàn)室砂土內(nèi)聚力c=b=3.14 kPa，內(nèi)摩擦角φ=arctank=38.2°。

5.3 壓板貫入測試

如圖8d組裝壓板貫入試驗(yàn)部件，首先取110 mm壓板開始貫入土體后，由于土壤反作用力，中間軸下部頂住承壓軸承，上部頂住壓力傳感器觸頭，壓力傳感器感受采集力信號；壓板勻速下壓，采集貫入過程中壓力傳感器信號，壓板貫入10 cm左右時(shí)，停止信號采集，平整重塑土壤，換取直徑150 mm壓板再次開始試驗(yàn)過程。砂土土壤承壓沉陷試驗(yàn)最終所得曲線如圖11所示。

曲線分析可知，150 mm壓板在下陷初始有一個(gè)小陡峰，可能原因是110 mm壓板下壓之后對表層土體影響較大，后期缺乏有效平整恢復(fù)。但曲線整體走勢接近線性，符合砂土的承壓下陷曲線。

圖11 壓實(shí)砂土試驗(yàn)沉陷曲線Fig.11 Pressure-sinkage curves of compacted sand

為確定Bekker承壓模型的3個(gè)待定參數(shù)，可采用加權(quán)最小二乘法進(jìn)行承壓特性參數(shù)的計(jì)算[18]。

(5)

(6)

(7)

式中pi——壓力zi——沉陷量nav——2個(gè)壓板得到的變形指數(shù)平均值

K根據(jù)b的不同有兩個(gè)取值Kb1與Kb2，聯(lián)立式(5)～(7)可得承壓參數(shù)：Kc=178.73 kN/mn+1，Kφ=11 908.40 kN/mn+2，n=0.963。

6 結(jié)論

(1)在貝氏儀基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了地面力學(xué)參數(shù)綜合測試系統(tǒng)，承壓量程可達(dá)30 000 N，貫旋體可實(shí)現(xiàn)豎直和旋轉(zhuǎn)兩維度運(yùn)動(dòng)互相獨(dú)立，從而實(shí)現(xiàn)錐頭、爪盤、壓板等地面力學(xué)測試部件的一體通用，配合相應(yīng)信號采集系統(tǒng)，滿足地面力學(xué)參數(shù)大量程、多維度、統(tǒng)一性的測試要求。

(2)在傳感器及軸承摩擦力標(biāo)定的基礎(chǔ)上，利用土壤承壓下陷測試系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)室砂性土壤進(jìn)行承壓力、剪切力試驗(yàn)，爪盤剪切試驗(yàn)求得砂土內(nèi)聚力為3.14 kPa，內(nèi)摩擦角為38.2°；壓板試驗(yàn)求得砂土變形指數(shù)為0.963，粘聚變形模量為178.73 kN/mn+1，摩擦變形模量為11 908.40 kN/mn+2。結(jié)果表明，綜合測試儀起到了較好的效果，可為研究載荷- 下陷曲線、剪切- 應(yīng)力規(guī)律提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

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Design and Experiment of Integrated Test System for Terramechanics Parameters

WANG Wei ZHAO Jiafeng SHEN Chenhui ZHANG Xiaoliang
(DepartmentofArtilleryEngineering,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003,China)

Soil compressive strength and shear strength are important problems in the field of agricultural engineering, and vehicle subsidence depth and driving resistance are closely related with soil pressure and shear properties. In order to improve the testing range of bevameter independent of large equipment and solve the dispersion and diversity of test methods about terramechanics parameters, a comprehensive tester of soil pressure, shear and adhesion both indoor and outdoor was designed. Penetration test was independent of torsion process and did not impact relatively, realizing the testing and data processing independently. Choosing the drive motor or manually driven by screw lift transmission, the test instrument can obtain high range and accurate operating control. The system with cable displacement sensor and force torque sensor can take real-time dynamic travel information about soil sinkage depth, soil shear strength, and soil resistance of bearing pressure and other information, realizing the automation of computer remote control and data acquisition and processing. Shearing tests of wet compacted sand got results that soil cohesion was 3.14 kPa, internal friction angle was 38.2°; the plate loading test of wet compacted got results that the sand deformation index was 0.963, the cohesive deformation modulus was 178.73 kN/mn+1and friction deformation modulus was 11 908.40 kN/mn+2. The results showed that the comprehensive test instrument provided experimental basis and played a good effect on the research on load subsidence curve and shear stress distribution. Laboratory sand tests showed that the instrument had high reliability and practicability. The instrument met the requirements of test for a large range, multi dimension and unity of terramechanics parameters.

terramechanics； soil parameters； test system； pressure properties； shear properties

2016-09-18

2016-10-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51575523)和軍內(nèi)科研項(xiàng)目

汪偉(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事測試技術(shù)、故障診斷和信號處理等研究，E-mail: wangweiwill@126.com

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.008

S152.9; S237

A

1000-1298(2017)05-0072-07