地面力學參數綜合測試系統(tǒng)設計與試驗

汪 偉 趙家豐 沈晨暉 張曉良

(軍械工程學院火炮工程系， 石家莊 050003)

地面力學參數綜合測試系統(tǒng)設計與試驗

汪 偉 趙家豐 沈晨暉 張曉良

(軍械工程學院火炮工程系， 石家莊 050003)

為了改進貝氏儀不依賴大型設備時測試范圍的局限性和地面力學參數測試手段的分散多樣性，設計了一種室內外兩用的地面力學參數綜合測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)貫入、扭轉過程互不干涉，實現測試及數據處理的獨立性?？蛇x擇電動機驅動或手動驅動。借助絲杠升降機傳動，儀器具有較高的運行控制精度和測試量程。系統(tǒng)借助拉線位移傳感器和力、扭矩傳感器可實時同步獲取縱深行進動態(tài)信息、土壤承壓力和土壤抗剪切力等信息，可實現計算機遠程控制和數據采集記錄及處理自動化。實驗室壓實制備濕潤砂土，通過剪切盤剪切試驗得砂土內聚力為3.14 kPa，內摩擦角為38.2°；通過壓板試驗得砂土變形指數為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。試驗表明，該儀器具有較高的可靠性和實用性。

地面力學; 土壤參數; 測試系統(tǒng); 承壓特性; 剪切特性

引言

土壤承壓、剪切問題屬于農業(yè)工程領域中的重要問題，土壤機械壓實、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[1-2]。

貝氏儀以經典土力學公式為基礎，借助加載扭轉機構與測量系統(tǒng)獲取土壤承壓、剪切曲線，計算所得的力學參數可用來計算車輛沉陷量、土壤阻力，起到指導車輛通過的作用[3]。

美國陸軍坦克自動車司令部二戰(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，此后國內外各研究機構設計完成了不同類型的貝氏儀。ALEXANDROU等[4-5]借助車載設備進行壓板承壓試驗并研究下陷規(guī)律；BENOIT等[6]利用履帶汽車和大型液壓加載設備在實驗室土槽進行壓板試驗； BOON等[7]利用車載設備借助PLC控制進行土壤貫入和剪切試驗；2010年MASSAH等[8]設計推車式小型壓板錐頭液壓貫入綜合試驗臺；2011年APFELBECK等[9]借助多軸電動機對模擬月壤進行實驗室壓板沉陷爪盤剪切研究；2014年GRIFFITH等[10]借助電子萬能試驗機研究小徑輪形壓板與土壤相互作用規(guī)律。

莊繼德科研團隊[11-13]對塔克拉瑪干沙漠砂土進行了一系列原位壓板承壓剪切試驗；姚艷等[14]通過設計小面積壓板在重塑土壤中的壓板沉陷試驗，研究室內重塑土壤承壓下陷曲線擬合規(guī)律；蔡巍等[15]通過自行設計的便攜式貝氏儀進行灘涂土壤承壓剪切特性參數測量試驗；柏建彩等[16]借助液壓系統(tǒng)和配重進行農田原狀土壤壓實測試；鄒猛等[17-18]采用改進的電子萬能試驗機對模擬月壤樣品在小土槽中進行承壓試驗；徐國艷等[19]設計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特性測試。

實際操作常以直徑15 cm左右的壓板勻速貫入土壤深度約10 cm，根據土體的不同，有時要求儀器施加的載荷達數噸，這對于加載裝置要求較高。目前貝氏儀主要針對室內松軟土壤設計，依靠砝碼盤配重或者人體自重進行加載，量程較小，不足以指導野外路面車輛行駛。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，較為復雜笨重，且無法用于實驗室控制條件進行基礎實驗研究[3]。

圓錐指數儀源于美國工程兵水道試驗站(WES)[3]，相對于其他土壤力學特性測試工具，它的突出特點是簡單高效，依靠人力或者電動機驅動，即可快速獲取錐頭貫入阻力曲線。目前廣泛應用于農業(yè)領域，如記述反映作物生長的土壤特性，測定車輛對土壤壓實的影響等。

地面力學涉及參數多，人們針對不同土壤特性研究發(fā)明了不同儀器進行測試[2]，但一直以來較為缺乏可以同時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、剪切相關理論，針對目前儀器系統(tǒng)測試過程分散的弊端，設計搭建地面力學參數綜合測試系統(tǒng)(以下簡稱測試系統(tǒng))，并通過室內砂土試驗進行驗證。

1 土壤承壓剪切相關理論

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

1.2 爪盤剪切理論

土壤剪切強度為土壤產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。被廣泛應用的土壤塑性理論和摩爾- 庫倫準則的剪切強度表達式為[3]

τmax=c+σntanφ

(2)

式中τmax——最大剪應力，Pac——內聚力，Paφ——內摩擦角，(°)σn——爪盤接地比壓，Pa

通過試驗可繪制最大剪應力- 承壓力曲線并擬合直線，根據斜率和截距可得內聚力c和內摩擦角φ，如圖2b所示。剪應力- 扭轉力公式為[3]

(3)

式中Tm——最大扭轉力矩，N·mr——爪盤內徑，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測試的一個重要指標，地面力學中圓錐指數通過特定尺寸錐頭的土壤貫入阻力用以描述土壤硬度，車輛下陷和滑轉率與之關系密切。本實驗臺可起到研究錐頭貫入機理的作用，同時測試所得指數值可用以預測越野車輛行駛通過性能和牽引性能。

2 設計要求和總體設計方案

測試系統(tǒng)總體設計要求：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度。傳感器應便于進行整體更換，并保證扭轉和承壓兩過程獨立互不干涉，各傳感器量程符合實際測試要求。這些要求的指標及具體實現參見關鍵部件設計。

測試系統(tǒng)機械結構如圖3所示，采用絲杠SWL10T，減速比24∶1，絲杠升降長度500 mm?？梢允謩域寗?，也可連接電動機驅動，將手輪或直流電動機的旋轉運動轉化為絲杠機的軸向直線運動，運動過程力矩小，運行效率高，同時過程控制簡單高效。整體槽鋼臺架，絲杠直徑58 mm。試驗臺上支架可以上下調節(jié)，進而協(xié)調由貫入部件更換引起的高度變化，下底盤留有貫入孔，室外原位試驗時，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現野外加載試驗。

圖3 地面力學參數綜合測試系統(tǒng)結構簡圖Fig.3 Structure diagram of integrated test system for terramechanics parameters1.試驗臺上支架 2.絲杠升降機 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.試驗臺下底盤(帶輪和支盤)

3 關鍵部件設計

測試系統(tǒng)主要由加載機構和數據采集測試系統(tǒng)組成，設計的難點是實現土壤貫入旋轉的獨立操作、同步采集及量程變化。

3.1 加載及行走穩(wěn)定機構

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，當大于整個試驗組件自重時，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組件自重之和即實際土壤反力。

圖4 軸承標定、錐頭、壓板、爪盤試驗組件示意圖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.軸承標定座 11.壓板 12.錐頭

從便攜性考慮，設計了行走輪。測試時可通過底盤4個定位盤將機構調平，保證測試過程的平穩(wěn)。

3.2 支架及土槽設計

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，側梁U-h160×b65，材料為S235。其中h為高度，b為寬度，具體可查閱機械設計手冊[20]。

選取槽鋼安全系數v=2(靜動態(tài)之間)，對于許用應力σallow=σlim/v=150 MPa，以上梁為例進行強度校核：

對于兩端支撐，受集中載荷的梁：彎曲應力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F=30 000/2=15 000 N，l=0.8 m，此時

同理可驗證下梁在軸向載荷作用下也低于許用應力，滿足總體設計要求中的不超過上下主梁抗彎強度的強度設計要求。

土槽尺寸設計考慮圍壓對試驗結果的影響，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%，進而可大大減少邊緣效應。

3.3 貫旋同步設計及傳感器量程選擇

如圖4所示，爪盤、軸承標定座、壓板、錐頭可配合主體結構(選擇適合的傳感器)實現不同的測試試驗。

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，設計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，與中間軸緊固的內環(huán)保持不動，軸承座帶動外環(huán)隨扭矩傳感器轉動，最終實現一體兩動，扭轉、貫入操作獨立實現，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，從而保證傳動性能。因此需對承壓軸承在不同壓力下的摩擦力進行標定，測試所得扭矩與該壓力下軸承摩擦力之差即為實際土壤反力。

傳感器選型是較為關鍵的環(huán)節(jié)，由于測試系統(tǒng)涉及扭轉、下壓兩種運動，并且圓錐、壓板、爪盤3組試驗決定各自獨立的量程。因此，結合前人試驗數據分析及本試驗臺架需要，壓力傳感器和扭矩傳感器座進行統(tǒng)一封裝，保證外形尺寸一致，便于更換。貫入組件采用高強度不銹鋼，耐腐蝕且強度高。

3.3.1 錐頭貫入部分組件

對于硬質地面，圓錐指數CI變化范圍0～10 MPa[21]，參考標準的大號WES圓錐，設計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 爪盤扭轉試驗部分組件

不同的土質，未經擾動的堅實土壤，如粉土、壤土、堅實的砂和松散的土壤，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徑之比R/r，根據文獻[3]對越野行駛、農業(yè)機械、實驗室土壤力學測試等眾多研究機構測頭尺寸的匯總及總結，R/r介于1.1～2.0之間。綜上，設計本爪盤尺寸為：爪盤1：內徑r=80 mm，外徑R=120 mm；爪盤2：內徑r=130 mm，外徑R=200 mm?？紤]下壓過程中內壁影響，爪盤帶通氣孔空腔。

取內聚力0

選取扭矩傳感器量程300 N·m，對應壓力傳感器量程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)承壓力學參數求解，因此壓板尺寸應有一定間隔，設計直徑為110 mm、130 mm和150 mm 3種壓板，與臺架承載能力相對應，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、數據采集卡、計算機等組成，如圖5所示。

圖5 地面力學參數綜合測試系統(tǒng)實物圖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)

試驗需要測試位移、力、扭矩3個物理量，利用Delphi程序開發(fā)工具編制軟件進行信號采集，圖6為編制的采集界面，可設置采樣頻率、采集時間，統(tǒng)一采集時間。在軟件參數錄入界面輸入應變放大器增益、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、位移的自動計算結果。

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

4 傳感器動態(tài)標定

4.1 壓力傳感器標定

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定可借助承壓儀進行動態(tài)模擬測量和力學性能標定，該力學標定系統(tǒng)由高強度壓力彈簧、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，封裝在柱形桶內。測量過程中，壓力傳感器輸出電壓信號，與數字電子秤顯示數值進行動態(tài)比較處理，通過對0～30 000 N范圍內壓力傳感器進行標定，直線擬合決定系數為0.998，表明輸入-輸出特性服從嚴格的線性關系。

4.2 位移傳感器電阻標定

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

4.3 承壓軸承摩擦力標定

組裝軸承摩擦力標定試驗組件，試驗過程設置采樣頻率200 Hz，采樣時間10 s。

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

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

圖7 軸承摩擦力數值擬合結果Fig.7 Numerical fitting result of bearing friction

5 實驗室砂土參數測試試驗

5.1 實驗室配土及基本物理參數測試

圖8所示為土槽砂土配制及各試驗圖片，首先利用孔寬0.35 mm×0.35 mm鋼絲網篩選濕潤細砂，然后分層配土鎮(zhèn)壓。試驗前對不同深度配置的砂土利用不銹鋼環(huán)刀進行多組取樣，通過質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°內的干燥箱內約8 h，借助電子天平，通過干燥前后的質量差計算平均含水率約為9%。

圖8 土壤參數測試試驗照片Fig.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(內徑130 mm，外徑200 mm)，組裝爪盤貫入、扭轉試驗部件。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，勻速扭轉扭矩傳感器，爪盤隨著扭矩傳感器轉動，采集此時扭矩和力信號。扭轉一圈后停止，增壓下壓，繼續(xù)扭轉采集；試驗重復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行，有較明顯的駝峰，符合未經攪動的密實砂土特點。需注意剪切盤及扭轉組件自身質量不可忽略(21 kg)，已計算包含在壓力中。另外壓力傳感器下置有高強度彈簧，避免剪切過程發(fā)生剛性泄力導致壓力突變。

圖9 爪盤剪切試驗結果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，同時取絕對值輸出扭矩正值，計算得到對應剪應力與壓應力散點圖，按趨勢進行線性擬合，結果如圖10所示。

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

擬合剪應力- 壓應力直線方程：截距b=3.135 7，斜率k=0.787 7，對比分析式(2)可得：實驗室砂土內聚力c=b=3.14 kPa，內摩擦角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，停止信號采集，平整重塑土壤，換取直徑150 mm壓板再次開始試驗過程。砂土土壤承壓沉陷試驗最終所得曲線如圖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。但曲線整體走勢接近線性，符合砂土的承壓下陷曲線。

圖11 壓實砂土試驗沉陷曲線Fig.11 Pressure-sinkage curves of compacted sand

為確定Bekker承壓模型的3個待定參數，可采用加權最小二乘法進行承壓特性參數的計算[18]。

(5)

(6)

(7)

式中pi——壓力zi——沉陷量nav——2個壓板得到的變形指數平均值

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

6 結論

(1)在貝氏儀基本原理的基礎上，設計了地面力學參數綜合測試系統(tǒng)，承壓量程可達30 000 N，貫旋體可實現豎直和旋轉兩維度運動互相獨立，從而實現錐頭、爪盤、壓板等地面力學測試部件的一體通用，配合相應信號采集系統(tǒng)，滿足地面力學參數大量程、多維度、統(tǒng)一性的測試要求。

(2)在傳感器及軸承摩擦力標定的基礎上，利用土壤承壓下陷測試系統(tǒng)對實驗室砂性土壤進行承壓力、剪切力試驗，爪盤剪切試驗求得砂土內聚力為3.14 kPa，內摩擦角為38.2°；壓板試驗求得砂土變形指數為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- 應力規(guī)律提供試驗基礎。

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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

國家自然科學基金項目(51575523)和軍內科研項目

汪偉(1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事測試技術、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