一种岩土材料动态接触角测量装置及方法制造方法及图纸

一种岩土材料动态接触角测量装置，包括取样装置、操作平台、移动平台、升降平台、旋转平台、液滴控制系统以及外部终端。取样装置包含用于制备重塑样的压样器和用于制备原状样的小环刀；操作平台包含左右平动系统，两个精密夹具；移动平台安装于操作平台之上，包含前后平动系统；升降平台在移动平台之上，包含升降系统；旋转平台安装在升降平台之上，包含可迅速且精密控制岩土试样位于不同倾角的旋转系统，由度、分、秒旋转轴，度、分、秒转动盘与投屏板构成；液滴控制系统采用电机螺旋活塞精准控制；外部终端为大光圈高清数码摄像机与计算机。本发明专利技术还给了相应的测量方法，可直接测取岩土试样的动态接触角，准确度高，操作简单，易于推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种岩土材料动态接触角测量装置及方法
本专利技术属于土工实验仪器
，涉及岩土材料的测试，特别涉及一种岩土材料动态接触角测量装置及方法。
技术介绍
非饱和颗粒材料，如岩土材料等由于有吸力(毛细力)的存在而使得材料的力学性质变得非常复杂。影响吸力的因素很多，而水-气交界面的存在是根本原因，目前采用接触角来准确定义任意两相物质间的界面特性。接触角包括静态接触角和动态接触角。岩土材料由于复杂的三相特征接触角的准确测试一直以来是一个技术难题，尤其是动态接触角的测试。现有测试动态接触角的技术手段主要有两种，第一种方法是增加或减小平面上的小水滴，第二种选择是整体倾斜测试框架。这两种方法对一般材料测试效果较好，第二种方法由于能够清晰观察液滴的形状及运动轨迹更被广泛使用，但对于岩土材料测试效果较差，主要原因是岩土材料是颗粒多孔介质材料，渗流效果显著，整体倾斜测试框架，速度较慢，难以记录液滴的形状及运动轨迹，导致测试效果较差。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种岩土材料动态接触角测量装置及方法，解决了传统测试手段难以准确获得岩土材料动态接触角的难题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种岩土材料动态接触角测量装置，包括操作平台1、旋转平台4和外部终端，其中旋转平台4位于操作平台1上方，能够升降且能够沿操作平台1前后左右平移，操作平台1上设置竖杆12，竖杆12上连接有用于固定液滴控制系统5的精密夹具，所述液滴控制系统5包括下部带滴管的装液瓶，装液瓶内有螺纹活塞，螺纹活塞与电机M-e14直接连接，所述旋转平台4上设置度、分、秒转动盘，各盘以旋转轴6和从动轴7连接，取样装置设置在秒转动盘上，所述取样装置包括底座，在底座上设置有小环刀，岩土试样16位于小环刀内，小环刀外侧箍有护环，压头作用在护环上方，护环、底座、压头组装后密实贴合小环刀，从而使剩余体积为固定值，即使压制完成后试样体积为定值，所述滴管垂直位于岩土试样16中心上方；所述旋转平台4上正对电机M-a9的位置设置有竖直的投屏板10，所述外部终端包括大光圈高清数码摄像机15和计算机8，其中大光圈高清数码摄像机15的镜头对准试样16与滴管的正面，并投影至投屏板10上。所述操作平台1上设置移动平台2，移动平台2上设置升降平台3，旋转平台4设置在升降平台3上，其中，操作平台1底部包含连接电机M-d的左右平动连杆装置，移动平台2连接在该左右平动连杆装置上，移动平台2包含连接电机M-c的前后平动连杆装置，升降平台3连接在该前后平动连杆装置上，升降平台3包含连接电机M-b的升降连杆装置11。所述操作平台1底部有四个调平螺母17，底座上方含两个垂直的条形水准器18a，18b，顶部留有两条22.5mm×5mm的左右滑槽；所述移动平台2底部有四个圆孔，圆孔位置对应操作平台1左右平动连杆的位置，孔径与孔深均为5mm，顶部留有两条22.5mm×5mm的前后滑槽；所述升降平台3底部有四个圆孔，圆孔位置对应着移动平台2前后平动连杆的位置，孔径与孔深均为5mm，顶部留有四个孔径5mm的圆孔，对应升降连杆11位置。所述精密夹具包括位于高处的精密夹具一13a和低处的精密夹具二13b，其中精密夹具一13a夹持电机M-e14，精密夹具二13b夹持装液瓶。所述旋转轴6与电机M-a9连接，通过计算机8精密控制电机M-a9与旋转轴6的接触，以此精确且迅速地控制旋转平台4的旋转角度。所述计算机8连接所述大光圈高清数码摄像机15和各电机，控制各电机的运转时间，并接收、分析大光圈高清数码摄像机15的图像数据。所述护环、底座、压头构成压样器，用于制备重塑样；所述小环刀用于制备原状试样，其上边沿外侧有切刃向上的切口结构，方便切取原状试样，所述岩土试样16有切口处向下摆置，与秒转动盘有上突出的卡槽紧密贴合，以确保旋转时位置不变化。所述旋转轴6由度轴19a、分轴19b和秒轴19c构成，各轴均与电机M-a9连接，靠近电机M-a9侧，各转动盘以轴连接，远端侧以从动轴7连接，三个轴均为套管状，度轴19a在最外侧，一端连接着度转动盘；分轴19b在度轴19a内侧，秒轴19c外侧，一端连接着分转动盘；秒轴19c在最内侧，一端连接着旋秒转动盘，度轴19a旋转一周，旋转平台4转动360°；分轴19b旋转一周，旋转平台4转动360′；秒轴19c旋转一周，旋转平台4转动360″，度轴19a套在分轴19b外侧，分轴19b套在秒轴19c外侧，电机M-a9的转动杆20上有四个片状的卡扣21，各轴上有与各卡扣21匹配的插缝。需要转动度轴19a时，卡扣21直接伸到最外侧；需要转动分轴19b时，卡扣21伸到度轴19a内侧；需要转动秒轴19c时，卡扣21伸到最内侧。如此可以保证度轴19a旋转会带动分轴19b，但分轴19b旋转不会带动度轴19a，分轴19b旋转会带动秒轴19c，但秒轴19c旋转不会带动分轴19b。本专利技术还提供了一种利用所述岩土材料动态接触角测量装置的测量方法，包括如下步骤：步骤一：将装置调平，对各平移与旋转处涂抹润滑油基，保证试验过程中均匀滑动转动；步骤二：制取岩土试样16；步骤三：向装液瓶装入试验所需液体，安装在精密夹具上，调整螺纹活塞，排出装液瓶中的气体；步骤四：将岩土试样16放在旋转平台4的秒转动盘上，控制电机M-b、M-c、M-d，调整岩土试样16与滴管的位置，使大光圈高清数码摄像机15可清晰对焦；步骤五：打开大光圈高清数码摄像机15开始录像，控制电机M-e14，推动螺纹活塞，向岩土试样16滴加设计体积的液滴；步骤六：控制电机M-a9快速旋转度、分、秒转动盘，记录液滴形状及运动轨迹，当液滴失稳后，停止记录；步骤七：控制电机M-c、M-d在试样的其它位置重复步骤五、六，获取对照结果，消除偶然因素对试验结果的影响。步骤八：数据分析，基于图像识别工具箱编制用于岩土材料动态接触角测量的应用程序，利用步骤五、六捕获的图像数据，获得岩土材料动态接触角。其中，所述岩土试样16的制取方法为：将小环刀放入底座，箍上护环，将计算所需质量的干土样、水，放入环刀，压上压头，将压样器放入液压千斤顶反力框架，利用液压千斤顶给压头加压5MPa，持续时间为3min，即可得到试验所需重塑样，制取原状样时，直接以小环刀取样。与现有技术相比，本专利技术直接用于测试岩土材料动态接触角，快速且准确度高，操作简单。附图说明图1为本专利技术一种岩土材料动态接触角测量的装置图。图2为本专利技术实验装置安装效果示意图。图3为本专利技术取样装置的小环刀剖面图。图4为图3中A-A剖视图。图5为压样器的上压头示意图。图6为图5中B-B剖视图。图7为压样器的护环剖面图。图8为图7中C-C剖视图。图9为压样器的底座剖面图。图10为图9中D-D剖视图。图11为旋转平台各转动盘布置图。图12为图11中E-E剖视图。图13为旋转平台本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩土材料动态接触角测量装置，其特征在于，包括操作平台(1)、旋转平台(4)和外部终端，其中旋转平台(4)位于操作平台(1)上方，能够升降且能够沿操作平台(1)前后左右平移，操作平台(1)上设置竖杆(12)，竖杆(12)上连接有用于固定液滴控制系统(5)的精密夹具，所述液滴控制系统(5)包括下部带滴管的装液瓶，装液瓶内有螺纹活塞，螺纹活塞与电机M-e(14)直接连接，所述旋转平台(4)上设置度、分、秒转动盘，各盘以旋转轴(6)和从动轴(7)连接，取样装置设置在秒转动盘上，所述取样装置包括底座，在底座上设置有小环刀，岩土试样(16)位于小环刀内，小环刀外侧箍有护环，压头作用在护环上方，护环、底座、压头组装后密实贴合小环刀，从而使压制完成后试样体积为定值，所述滴管垂直位于岩土试样(16)中心上方；所述旋转平台(4)上正对电机M-a(9)的位置设置有竖直的投屏板(10)，所述外部终端包括大光圈高清数码摄像机(15)和计算机(8)，其中大光圈高清数码摄像机(15)的镜头对准试样(16)与滴管的正面，并投影至投屏板(10)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种岩土材料动态接触角测量装置，其特征在于，包括操作平台(1)、旋转平台(4)和外部终端，其中旋转平台(4)位于操作平台(1)上方，能够升降且能够沿操作平台(1)前后左右平移，操作平台(1)上设置竖杆(12)，竖杆(12)上连接有用于固定液滴控制系统(5)的精密夹具，所述液滴控制系统(5)包括下部带滴管的装液瓶，装液瓶内有螺纹活塞，螺纹活塞与电机M-e(14)直接连接，所述旋转平台(4)上设置度、分、秒转动盘，各盘以旋转轴(6)和从动轴(7)连接，取样装置设置在秒转动盘上，所述取样装置包括底座，在底座上设置有小环刀，岩土试样(16)位于小环刀内，小环刀外侧箍有护环，压头作用在护环上方，护环、底座、压头组装后密实贴合小环刀，从而使压制完成后试样体积为定值，所述滴管垂直位于岩土试样(16)中心上方；所述旋转平台(4)上正对电机M-a(9)的位置设置有竖直的投屏板(10)，所述外部终端包括大光圈高清数码摄像机(15)和计算机(8)，其中大光圈高清数码摄像机(15)的镜头对准试样(16)与滴管的正面，并投影至投屏板(10)上。


2.根据权利要求1所述岩土材料动态接触角测量装置，其特征在于，所述操作平台(1)上设置移动平台(2)，移动平台(2)上设置升降平台(3)，旋转平台(4)设置在升降平台(3)上，其中，操作平台(1)底部包含连接电机M-d的左右平动连杆装置，移动平台(2)连接在该左右平动连杆装置上，移动平台(2)包含连接电机M-c的前后平动连杆装置，升降平台(3)连接在该前后平动连杆装置上，升降平台(3)包含连接电机M-b的升降连杆装置(11)。


3.根据权利要求2所述岩土材料动态接触角测量装置，其特征在于，所述操作平台(1)底部有四个调平螺母(17)，底座上方含两个垂直的条形水准器(18a，18b)，顶部留有两条22.5mm×5mm的左右滑槽；所述移动平台(2)底部有四个圆孔，圆孔位置对应操作平台(1)左右平动连杆的位置，孔径与孔深均为5mm，顶部留有两条22.5mm×5mm的前后滑槽；所述升降平台(3)底部有四个圆孔，圆孔位置对应着移动平台(2)前后平动连杆的位置，孔径与孔深均为5mm，顶部留有四个孔径5mm的圆孔，对应升降连杆(11)位置。


4.根据权利要求1所述岩土材料动态接触角测量装置，其特征在于，所述精密夹具包括位于高处的精密夹具一(13a)和低处的精密夹具二(13b)，其中精密夹具一(13a)夹持电机M-e(14)，精密夹具二(13b)夹持装液瓶。


5.根据权利要求1所述岩土材料动态接触角测量装置，其特征在于，所述旋转轴(6)与电机M-a(9)连接，通过计算机(8)精密控制电机M-a(9)与旋转轴(6)的接触，以此精确且迅速地控制旋转平台(4)的旋转角度。


6.根据权利要求5所述岩土材料动态接触角测量装置，其特征在于，所述计算机(8)连接所述大光圈高清数码摄像机(15)和各电机，控制各电机的运转时间，并接收、分析大光圈高清数码摄像机(15)的图像数据。


7.根据权利要求1所述岩土材料动态接...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖红建，吕龙龙，伏映鹏，夏龙飞，何玉琪，李胜斌，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61