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一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置及测试方法

阅读：275发布：2023-02-26

专利汇可以提供一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置及测试方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置及测试方法，包括桶状结构装置本体，装置本体上部设置有用于对其密封的桶盖；还包括用于向装置本体内加压的加压气泵；还包括用于检测装置本体内气压的应力传感器；装置本体内设置有泥石流浆体；桶盖下端设置有电机，电机输出轴下端刚接有试样夹具；试样裸露于试验夹具外部分浸没在泥石流浆体内；电机输出轴上还设置有减速器、转速传感器、扭矩传感器；减速器、转速传感器、扭矩传感器和应力传感器均连接到用于存储其采集信号的控制装置；本发明可准确的模拟实际情况下的泥石流与沟床材料的接触状态，通过增加装置本体内的气压使泥石流浆体对试件的接触应力达到实际工程情况。，下面是一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置及测试方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置，其特征在于，包括桶状结构装置本体(1)，装置本体(1)上部设置有用于对其密封的桶盖(2)；还包括用于向装置本体(1)内加压的加压气泵(7)；还包括用于检测装置本体(1)内气压的应力传感器(22)；装置本体(1)内设置有泥石流浆体(6)；桶盖(2)下端设置有电机(9)，电机(9)输出轴下端刚接有试样夹具(4)；试样夹具(4)用于夹紧试样(5)，试样(5)裸露于试样夹具(4)外部分浸没在泥石流浆体(6)内；电机(9)输出轴上还设置有减速器(10)、转速传感器(11)、扭矩传感器(12)；减速器(10)、转速传感器(11)、扭矩传感器(12)和应力传感器(22)均连接到用于存储其采集信号的控制装置。
2.根据权利要求1所述的一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置，其特征在于，所述试样夹具(4)为圆柱体结构，下端面上设有供试样(5)插入的盲孔；试样夹具(4)对应盲孔位置均匀设置有多个锁紧螺钉(8)。
3.根据权利要求1所述的一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置，其特征在于，所述装置本体(1)和桶盖(2)之间设置有橡胶密封圈(16)。
4.根据权利要求1所述的一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置，其特征在于，所述加压气泵(7)通过气管(14)连接设置在桶盖(2)上的气管接头(18)；气管接头(18)和气管(14)之间设置有气阀(17)。
5.根据权利要求1所述的一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置，其特征在于，所述桶盖(2)下端连接设置有桶状结构机箱(3)，电机(9)设置在机箱(3)内，电机(9)的输出轴伸出机箱(3)外；输出轴与机箱(3)连接处设置有轴承(13)。
6.根据权利要求1所述的一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置，其特征在于，所述桶盖(2)上设置有把手(15)。
7.根据权利要求1所述的一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置，其特征在于，所述桶盖(2)上表面设置有显示器(21)，显示器(21)连接控制装置。
8.如权利要求1～7任一项所述一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据设计需求制作试样(5)，将试样(5)浸泡于水中，一定时间后擦干称重，重量为m1；在装置本体(1)内制作泥石流浆体(6)；
步骤2：将试样(5)固定在试样夹具(4)中，将桶盖(2)设置在装置本体(1)上；
步骤3：通过加压气泵(7)向装置本体(1)内加压，达到预设值为止；
步骤4：启动电机(9)，将其转速调到预设值；通过扭矩传感器(12)实时检测扭矩值M；
计算泥石流浆体(6)和试样(5)之间的摩擦系数μ：
M＝μFL
F＝σS
σ＝p0+γh
由上式可得到：
其中：F为作用在试样(5)上的法向压力，S为试样(5)浸入泥石流浆体(6)中的表面积，R为试样(5)的半径，H为试样(5)下端面到泥石流浆体(6)液面的深度，M为扭矩传感器(12)测得的扭矩值，L为力臂的大小，σ为作用在试样(5)上的应力，p0为应力传感器(22)测得的压力值，γ为泥石流浆体(6)的容重，h为试样(5)外表面上任一点距离泥石流浆体(6)液面的深度，r为试样(5)圆形底面上任意一点到圆心的距离；
步骤5：到达预设时间后，关闭电机(9)电源，对装置本体(1)进行放气；装置本体(1)内气压稳定后，打开桶盖(2)，将试样(5)从试样夹具(4)上取下；清洗试样后擦干水分称重，重量为m2；计算泥石流浆体(6)对试样(5)的磨蚀系数为(m1－m2)/m1；
步骤6：调整泥石流浆体(6)的颗粒级配、容重或试样(5)的类型，重复步骤1～步骤5，得到多种类型的泥石流浆体(6)和试样(5)之间的摩擦系数和磨蚀系数；
步骤7：调整电机(9)的输出功率或转动时间，重复步骤1～步骤5，得到多种运动条件下的泥石流浆体(6)和试样(5)之间的摩擦系数和磨蚀系数。

说明书全文

一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置及测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及泥石流防治研究的试验技术领域，具体涉及一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置及测试方法。

背景技术

[0002] 泥石流是指在山区或其他沟谷深壑、地形陡峻、地质环境脆弱的地区，因暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流；其具有突发性、流速快、流量大、物质容量大和破坏力强等特点。泥石流爆发时常常冲毁公路铁路等交通设施甚至村镇，对居民生命财产安全造成巨大威胁。

[0003] 我国是世界上泥石流最为发育、数量最多、危害最严重的国家之一。泥石流在流动过程中对泥石流沟床及其防护工程有着强烈的磨蚀作用，尤其是对于防护工程，泥石流磨蚀作用明显缩短了防护工程的有效使用寿命，降低了防护工程的安全性能，严重威胁居民生命财产安全。

[0004] 目前，现有测试泥石流沟床磨蚀系数的试验设备存在以下不足：第一：现有的泥石流磨蚀系数的测试装置无法具体测量泥石流浆体与泥石流沟床或防护工程的摩擦系数，很难准确地描述泥石流对其的磨蚀破坏能力，不利于泥石流防护工程设计的优化；第二：在实际情况中，由于运动的泥石流浆体具有一定厚度，其对泥石流底部沟床或防护工程具有一定的压力，而现有的测试装置还无法精确得到泥石流对沟床或防护装置的压力大小。

发明内容

[0005] 本发明针对现有技术存在的问题，提供一种能真实模拟泥石流浆体对泥石流沟床或防护工程的底摩擦效应的泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置及测试方法。

[0006] 本发明采用的技术方案是：一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置，包括桶状结构装置本体，装置本体上部设置有用于对其密封的桶盖；还包括用于向装置本体内加压的加压气泵；还包括用于检测装置本体内气压的应力传感器；装置本体内设置有泥石流浆体；桶盖下端设置有电机，电机输出轴下端刚接有试样夹具；试样夹具用于夹紧试样，试样裸露于试样夹具外部分浸没在泥石流浆体内；电机输出轴上还设置有减速器、转速传感器、扭矩传感器；减速器、转速传感器、扭矩传感器和应力传感器均连接到用于存储其采集信号的控制装置。

[0007] 进一步的，所述试样夹具为圆柱体结构，下端面上设有供试样插入的盲孔；试样夹具对应盲孔位置均匀设置有多个锁紧螺钉。

[0008] 进一步的，所述装置本体和桶盖之间设置有橡胶密封圈。

[0009] 进一步的，所述加压气泵通过气管连接设置在桶盖上的气管接头；气管接头和气管之间设置有气阀。

[0010] 进一步的，所述桶盖下端连接设置有桶状结构机箱，电机设置在机箱内，电机的输出轴伸出机箱外；输出轴与机箱连接处设置有轴承。

[0011] 进一步的，所述桶盖上设置有把手。

[0012] 进一步的，所述桶盖上表面设置有显示器，显示器连接控制装置。

[0013] 一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置的测试方法，包括以下步骤：

[0014] 步骤1：根据设计需求制作试样，将试样浸泡于水中，一定时间后擦干称重，重量为m1；在装置本体内制作泥石流浆体；

[0015] 步骤2：将试样固定在试样夹具中，将桶盖设置在装置本体上；

[0016] 步骤3：通过加压气泵向装置本体内加压，达到预设值为止；

[0017] 步骤4：启动电机，将其转速调到预设值；通过扭矩传感器实时检测扭矩值M；

[0018] 计算泥石流浆体和试样之间的摩擦系数μ：

[0019] M＝μFL

[0020] F＝σS

[0021] σ＝p0+γh

[0022]

[0023] 由上式可得到：

[0024]

[0025] 其中：F为作用在试样上的法向压力，S为试样浸入泥石流浆体中的表面积，R为试样的半径，H为试样下端面到泥石流浆体液面的深度，M为扭矩传感器测得的扭矩值，L为力臂的大小，σ为作用在试样上的应力，p0为应力传感器测得的压力值，γ为泥石流浆体的容重，h为试样外表面上任一点距离泥石流浆体液面的深度，r为试样圆形底面上任意一点到圆心的距离；

[0026] 步骤5：到达预设时间后，关闭电机电源，打开气阀对装置本体进行放气；装置本体内气压稳定后，打开桶盖，将试样从试样夹具上取下；清洗试样后擦干水分称重，重量为m2；计算泥石流浆体对试样的磨蚀系数为(m1－m2)/m1；

[0027] 步骤6：调整泥石流浆体的颗粒级配、容重或试样的类型，重复步骤1～步骤5，得到多种类型的泥石流浆体和试样之间的摩擦系数和磨蚀系数；

[0028] 步骤7：调整电机的输出功率或转动时间，重复步骤1～步骤5，得到多种运动条件下的泥石流浆体和试样之间的摩擦系数和磨蚀系数。

[0029] 本发明的有益效果是：

[0030] (1)本发明可准确的模拟实际情况下的泥石流与沟床材料的接触状态，通过增加装置本体内的气压使泥石流浆体对试件的接触应力达到实际工程情况；

[0031] (2)本发明可根据实际情况选择不同颗粒级配、容重的泥石流浆体和不同的沟床材料；同时设定不同的转动时间与转动速度，得到不同类型、不同动力条件下的泥石流浆体对不同沟床材料的磨蚀规律；

[0032] (3)本发明可实时得到泥石流浆体与泥石流沟床材料之间的动摩擦系数的变化；在泥石流防治工程的稳定性、耐久性和设计优化方面具有较高的推广价值。
附图说明

[0033] 图1为本发明的正视结构示意图。

[0034] 图2为本发明的俯视结构示意图。

[0035] 图中：1-装置本体，2-桶盖，3-机箱，4-试样夹具，5-试样，6-泥石流浆体，7-加压气泵，8-锁紧螺钉，9-电机，10-减速器，11-转速传感器，12-扭矩传感器，13-轴承，14-气管，15-把手，16-橡胶密封圈，17-气阀，18-气管接头，19-电源接头，20-电源线，21-显示器，22-应力传感器。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

[0037] 如图1和图2所示，一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置，包括桶状结构装置本体1，装置本体1上部设置有用于对其密封的桶盖2；装置本体1为不锈钢桶，桶盖2通过螺纹与装置本体1上部连接；桶盖2和装置本体1之间设置有橡胶密封圈16，可保证装置本体1的气密性；桶盖2上设置有把手15。

[0038] 还包括用于向装置本体1内加压的加压气泵7；加压气泵7通过气管14连接设置在桶盖2上的气管接头18；气管接头18和气管14之间设置有气阀17；气阀17关闭时保证装置本体1内的气密性；气管接头18上端外侧设置有与气管14相配套的螺纹结构，方便两者螺接，保证向装置本体1内加压时的气密性。

[0039] 还包括用于检测装置本体1内气压的应力传感器22；应力传感器22设置在桶盖2下表面上，检测装置本体1内的气压；进而得到泥石流浆体6作用在试样5上的应力。

[0040] 装置本体1内设置有泥石流浆体6；桶盖2下端设置有电机9，电机9输出轴下端刚接有试样夹具4；试样夹具4用于夹紧试样5，试样5裸露于试样夹具4外部分浸没在泥石流浆体6内；试样夹具4为圆柱体结构，下端面上设有供试样5插入的盲孔；试样夹具4对应盲孔位置均匀设置有多个锁紧螺钉8。试样5分为泥石流沟床基岩试件与预设标号混凝土试件，试件为圆柱状，具有一定长度、直径；其直径略小于试件夹具4盲孔内径。其中沟床基岩试件是由原位钻取岩芯后于室内制作的具有一定长度且两端磨平的试件，而混凝土试件直接由模具制得。装置本体1内壁设置有刻度线，配置混凝土浆体6应恰好达到刻度线。盖上桶盖2后，试件5裸露于试样夹具4之外的部分恰好完全浸入泥石流浆体6中；泥石流浆体6的液面恰好不接触试样夹具4下端面。

[0041] 电机9输出轴上还设置有减速器10、转速传感器11、扭矩传感器12；减速器10、转速传感器11、扭矩传感器12和应力传感器22均连接到用于存储其采集信号的控制装置。桶盖2下端连接设置有桶状结构机箱3，电机9设置在机箱3内，电机9的输出轴伸出机箱3外；输出轴与机箱3连接处设置有轴承13；设置机箱3结构可保护电机9、减速器10、转速传感器11、扭矩传感器12在试验过程中不受泥石流浆体6磨蚀破坏；桶盖2上表面设置有显示器21，显示器21连接控制装置；显示器21可实时显示电机转速、应力传感器22测得的应力值、扭矩传感器12测得的扭矩，还可显示预设的时间，即一次泥石流流通时间。

[0042] 一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置的测试方法，包括以下步骤：

[0043] 步骤1：根据设计需求制作试样5，将试样5浸泡于水中，一定时间后擦干称重，重量为m1；在装置本体1内制作泥石流浆体6；浸泡时间优选48h；泥石流浆体6根据预设颗粒级配、预设容重进行配置，并充分搅拌均匀。

[0044] 步骤2：将试样5固定在试样夹具4中，将桶盖2设置在装置本体1上，保证其气密性；

[0045] 步骤3：通过加压气泵7向装置本体1内加压，达到预设值为止；将加压气泵7通过气管14连接到气管接头18；向装置本体1内加压，使应力传感器22达到预设应力值，关闭气阀17；移除气管，准备工作就绪。

[0046] 步骤4：启动电机9，将其转速调到预设值；通过扭矩传感器12实时检测扭矩值M；通过调节电机9的输出功率，使其转速达到预设试验速度，泥石流磨蚀试验开始。试验中扭矩传感器12实时检测泥石流浆体6和试样5之间动摩擦系数的变化。

[0047] 计算泥石流浆体6和试样5之间的摩擦系数μ：

[0048] M＝μFL

[0049] F＝σS

[0050] σ＝p0+γh

[0051]

[0052] 由上式可得到：

[0053]

[0054] 其中：F为作用在试样5上的法向压力，S为试样5浸入泥石流浆体6中的表面积，R为试样5的半径，H为试样5下端面到泥石流浆体6液面的深度，M为扭矩传感器12测得的扭矩值，L为力臂的大小，σ为作用在试样5上的应力，p0为应力传感器22测得的压力值，γ为泥石流浆体6的容重，h为试样5外表面上任一点距离泥石流浆体6液面的深度，r为试样圆形底面上任意一点到圆心的距离；本实施例中试样5为圆柱体结构，计算其侧面扭矩时，力臂为R，计算其底面扭矩时，力臂为r。

[0055] 步骤5：到达预设时间(即一次泥石流流通时间)后，关闭电机9电源，打开气阀17对装置本体1进行放气；装置本体1内气压稳定后，打开桶盖2，将试样5从试样夹具4上取下；清洗试样后擦干水分称重，重量为m2；计算泥石流浆体6对试样5的磨蚀系数为m2/m1；

[0056] 步骤6：调整泥石流浆体6的颗粒级配、容重或试样5的类型，重复步骤1～步骤5，得到多种类型的泥石流浆体6和试样5之间的摩擦系数和磨蚀系数；

[0057] 步骤7：调整电机9的输出功率或转动时间，重复步骤1～步骤5，得到多种运动条件下的泥石流浆体6和试样5之间的摩擦系数和磨蚀系数。

[0058] 本发明可较为准确的模拟实际情况下的泥石流与沟床材料的接触状态，即通过增加装置本体1内的气压，使泥石流浆体6对试样5的接触应力达到实际工程情况；根据实际情况选择不同颗粒级配、容重的泥石流浆体和不同的沟床材料(沟床基岩或设定标号混凝土)。同时设定不同的转动时间与转动速度，由此探索不同类型、不同动力条件下的泥石流浆体对不同沟床材料的磨蚀规律。可实时测量泥石流浆体与泥石流沟床材料之间动摩擦系数的变化，深化泥石流沟床下切规律的研究。在泥石流防治工程的稳定性、耐久性和设计优化方面具有较高的推广价值。

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