低速‐高速旋剪摩擦試驗儀(low-to-high velocity rotary-shear frictional testing apparatus)

此低速‐高速旋剪摩擦試驗儀(low-to-high velocity rotary-shear frictional testing apparatus，簡稱LHVR)於1990年代由日本學者－嶋本利彥(Toshihiko Shimamoto)設計(Shimamoto and Tsutsumi, 1994)，經過多年改良與更新，演進至目前使用之機型。藉由齒輪組控制系統之離合器可改變高、中和低速三種旋轉速度模式。設備組成由上至下為：伺服馬達(Motor)、齒輪組系統(gearbox)、樣本試體(Specimen assembly)、扭力測定儀(Torque gauge)、軸向位移計(Axial LVDT)、軸向力測定儀(Axial force gauge)、軸向氣壓負載系統(Vertical load application cylinder)；試驗儀本體旁架設量測伺服控制系統(Controlling and measurement system)等相關組件。

旋剪試驗儀於試驗前，須預先設定正向(軸向)應力與等值滑移速度(Veq)。此旋剪儀最大可以提供9.8 kN的軸向荷重，由於試體外徑約為24.98 mm，而試體接觸的面積約為490 mm2，可以換算成最高正向應力約為20 MPa(1 MPa = 1 N/ mm2)。

作用在剪動面上之等值滑移速度Veq (equivalent slip velocity, Tsutsumi and Shimamto, 1996)定義如下(推導請參考Shimamoto and Tsutsimi, 1994)：

   (式 3. 1)

其中為R旋轉端轉速(rpm)，rinner和 router分別為圓柱試體之內外徑(mm)；本研究試體為實心圓柱體(rinner = 0)，故上式可以化簡如下：

    (式 3. 2)

該儀器轉速最快為1500 rpm，其等值滑移速度Veq約為1.3 m/s；本研究中的等值滑移速度皆以滑移速度稱之。轉速控制係由離合器變換齒輪組合的三種模式以及速度設定(Speed set)決定轉速的快慢，其中離合器的三種模式細節如下：(1)高速模式：齒輪比為1:1，轉速為1.5至1500 rpm，(2)中速模式：齒輪比為1:1000，轉速為1.5 × 10-3至1.5 rpm，(3)低速模式：齒輪比為1:1000000，最大轉速為1.5 × 10-6至1.5 × 10-3 rpm。速度設定(SPEED SET)範圍為0000至9999，其四位數代表的是電壓值，當設定為最大值9999時即電壓值為9.999V(速度設定1000時代表電壓值為1V，10V代表命令馬達以最大轉速1500rpm旋轉，且可做等比例之換算)。試驗過程中，施加一固定正向(軸向)荷重(由氣壓施加)，並依照取樣頻率監測正向(軸向)位移、正向(軸向)應力、旋轉角度和扭力值，其中隨滑移距離增加之扭力變化值可經由下式轉換為剪應力變化值。