巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)，包括機室、主軸、轉臂、模型箱、上儀器艙、環(huán)形水箱、供水系統(tǒng)、第三進水管、第四進水管和回水系統(tǒng)，供水系統(tǒng)包括第一進水管、第二進水管和水泵，回水系統(tǒng)包括過濾池和集水池，過濾池內設置有過濾裝置。本實用新型巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)通過供水系統(tǒng)、回水系統(tǒng)和環(huán)形水箱及其對應裝置，可為巨型土工離心機試驗提供持續(xù)的大流量供水，并且能夠防止試驗水隨意噴濺入離心機室而對設備造成的損傷；同時可對含有泥砂等固體顆粒的試驗用水進行回收；試驗后的泥水經過濾處理，可進行重復利用，從而節(jié)約了試驗成本。
【專利說明】巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及離心機水循環(huán)系統(tǒng)，尤其涉及一種巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]巨型土工離心機一般指容量超過100gt (g為重力加速度，t為重量單位，噸)的超大型土工離心機。它利用高速旋轉的離心機產生η倍重力加速度的超重力場，補償模型因縮尺造成的自重應力損失，在模型尺度產生η倍的縮尺效應、η2倍的縮時效應、η 3倍的強化能量效應。
[0003]巨型土工離心機的研制，不僅將可解決極端環(huán)境、超重力、大時空尺度中的高巖土應力和高滲透壓下巖土體中固液氣多相耦合作用、大平面尺度巖土體中污染物長期運移、超重力場下物質運動規(guī)律等重大科學和技術問題，而且還將成為水庫大壩安全性、河流或海流對其中的土工構筑物的多場耦合作用等科研平臺。
[0004]要在巨型土工離心機上進行水庫大壩潰決破壞離心模擬試驗，或進行流體與土工構筑物的多場耦合離心試驗研宄，須在巨型土工離心機高速旋轉過程中，為吊籃內模型箱提供持續(xù)大流量供水。傳統(tǒng)技術實現(xiàn)上述功能主要有以下三種方案:
[0005](I)在離心機轉臂上設置大水箱，并通過水泵與吊籃內模型箱串聯(lián)，形成封閉的水循環(huán)系統(tǒng)；
[0006](2)通過旋轉接頭將地面試驗用水輸送到吊籃內模型箱，并將試驗后水輸送到地面；
[0007](3)實用新型專利“離心機大流量水流控制系統(tǒng)(專利號:ZL 201110434073.8)中，利用離心機室外高置的大體積出水箱向離心機旋轉軸上的環(huán)形水槽供水方式，在有限時間內實現(xiàn)了離心機大流量水流供給。
[0008]無論是進行水庫大壩潰決破壞離心模擬試驗，還是進行流體與土工構筑物的多場耦合離心試驗研宄，都需為高速旋轉的離心機轉臂上的模型箱提供持續(xù)的大流量供水，但是上述三種方式均不能同時實現(xiàn)離心試驗過程的持續(xù)大流量供水和試驗后帶泥沙的試驗用水的回收，分別存在下述缺點:
[0009]針對方案(I):大水箱增大了離心機轉臂的質量和不平衡力，為了實現(xiàn)轉臂兩端的平衡，需在安裝水箱的另一端增加相應的靜平衡配重塊，這將大幅度增大離心機的驅動功率。另外，在超重力場下，水泵不僅難以穩(wěn)定工作，而且很難將模型箱排除的水再泵回水箱。
[0010]針對方案(2):旋轉接頭不能實現(xiàn)大流量水的供給和回收，更難實現(xiàn)帶泥沙的水的回收。
[0011]針對方案(3)離心機大流量水流控制系統(tǒng)”理論上可通過設置無限大體積的儲水箱以實現(xiàn)持續(xù)大流量水的供給，但從模型箱排出的帶泥沙的水大量噴入離心機室，雖可通過泵將泥水泵出，但在離心力作用下，噴射到機室壁的泥水經折射和高速旋轉的轉臂的多次拍打，將飛濺到整個離心機主機室，不僅弄臟設備，而且還可能導致離心機轉臂上的電控元器件的損壞和離心機主機系統(tǒng)的銹蝕，從而影響設備的使用壽命。
實用新型內容
[0012]本實用新型的目的在于解決上述問題而提供一種巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)。
[0013]本實用新型通過以下技術方案來實現(xiàn)上述目的:
[0014]一種巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)，包括機室、主軸、轉臂、模型箱和上儀器艙，所述轉臂通過其旋轉中心的安裝孔固定安裝在所述主軸上，所述主軸的下端通過傳動支承與所述機室的內底面固定連接，所述主軸的上端通過上支承與所述機室的內頂面固定連接，所述上儀器艙設置在所述機室的上頂面，且通過傳動軸與所述主軸的上端面連接，所述模型箱安裝在所述轉臂第一端的吊籃內，所述轉臂的第二端設置有配重塊，所述水循環(huán)系統(tǒng)還包括環(huán)形水箱、供水系統(tǒng)、第三進水管和第四進水管，所述供水系統(tǒng)的出水端設置在所述環(huán)形水箱內，所述主軸為空心軸，所述環(huán)形水箱通過螺釘與所述主軸的上端固定連接且位于所述上支承的上方，所述環(huán)形水箱下部設置有出水口，所述第三進水管設置在所述主軸的空腔內且所述第三進水管的進水端與所述環(huán)形水箱的出水口連接，所述第三進水管的出水端穿過所述主軸側壁的通孔與所述第四進水管的進水端連接，所述第四進水管安裝在所述轉臂上，所述第四進水管的出水端與所述模型箱接通，所述機室的內壁在與所述轉臂水平的位置設置有環(huán)形排水槽，所述環(huán)形排水槽的下部設置有出水口。
[0015]巨型土工離心機為單吊籃不對稱臂結構，轉臂跟隨隨主軸一起旋轉以產生離心加速度，從而為離心試驗提供超重力場。
[0016]具體地，所述供水系統(tǒng)包括第一進水管、第二進水管和水泵，所述第一進水管的出水端與所述水泵的進水端連接，所述水泵的出水端與所述第二進水管的進水端連接，所述第二進水管的出水端設置在所述環(huán)形水箱內。
[0017]當離心機運行到一定加速度需向模型箱注水時，通過控制供水系統(tǒng)的水泵將外部水源的水通過第一進水管按試驗要求流速和流量泵出，并通過第二進水管注入環(huán)形水箱。
[0018]進一步，所述水循環(huán)系統(tǒng)還包括回水系統(tǒng)，所述回水系統(tǒng)包括過濾池和集水池，所述過濾池內設置有過濾裝置，所述過濾池的進水口通過出水管與所述環(huán)形排水槽的出水口接通，所述過濾池的出水口與所述集水池的進水口接通，所述第一進水管的進水端設置在所述集水池內。
[0019]噴入環(huán)形排水槽的泥水經過出水口和出水管流入過濾池，過濾池中的過濾裝置對流入帶泥沙的水進行沉淀過濾處理，處理后的水流入集水池，然后通過供水系統(tǒng)進行循環(huán)利用。
[0020]優(yōu)選地，所述過濾裝置水平或豎直設置并將所述過濾池分為污水腔和清水腔，所述污水腔與所述環(huán)形排水槽接通，所述清水腔與所述集水池接通，所述過濾裝置包括兩層過濾網和石英砂，兩層所述過濾網平行設置且所述石英砂設置在其夾層內部。
[0021]更進一步，所述水循環(huán)系統(tǒng)還包括多個擋水柵格和排水軟管，所述排水軟管的一端與所述模型箱的出水口固定連接，多個所述擋水柵格均勻設置在所述環(huán)形排水槽內部并與所述環(huán)形排水槽的底面固定連接。
[0022]優(yōu)選地，所述擋水柵格所在的平面與所述擋水柵格和所述環(huán)形排水槽底面的連接點的切線所在的平面的夾角為銳角，所述擋水柵格的傾斜方向與所述轉臂的旋轉方向相反。
[0023]排水軟管可縮短模型箱的出水口與環(huán)形排水槽的距離，這樣從模型箱排出的泥水可靠近格柵直接噴入排水槽，在格柵的作用下，噴入的泥水可避免飛濺并全部進入排水槽的出水口。
[0024]具體地，所述上支承包括連接板、固定環(huán)片和連接環(huán)，所述固定環(huán)片的上表面與所述機室的內頂面固定連接，所述固定環(huán)片的下表面通過多個所述連接板與所述連接環(huán)固定連接，所述連接環(huán)通過滾動軸承與所述主軸的上端可轉動連接。
[0025]具體地，所述傳動軸包括長軸、弧形片和連接環(huán)片，所述連接環(huán)片的下表面通過螺釘與所述主軸的上端面固定連接，所述連接環(huán)片的上表面通過多個所述弧形片與所述長軸的下端固定連接，所述長軸的上端與所述上儀器艙連接。
[0026]主軸為空心軸，其下段通過固定于機室地基的傳動支承約束其徑向位移，上段通過固定于機室頂?shù)鼗纳现С屑s約束徑向位移，上支承約與主軸通過滾動軸承聯(lián)接，這樣在不影響主軸旋轉的前提下，實現(xiàn)了主軸上下支承，從而增大了主軸承載轉臂不平衡力的能力；傳動軸通過螺釘固定在主軸上端面，在離心機運轉過程中，它將帶動上儀器艙隨主軸一起旋轉，從而可以對轉臂進行監(jiān)控；環(huán)形水箱通過螺釘固定在主軸上端并隨主軸一起旋轉，由于環(huán)形水箱的特殊結構形式，在離心機運行過程中，它將不會與靜止的上支承等結構發(fā)生干涉，同時也不影響傳動軸的安裝。
[0027]本實用新型的有益效果在于:
[0028]本實用新型巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)通過供水系統(tǒng)、回水系統(tǒng)和環(huán)形水箱及其對應裝置，可為巨型土工離心機試驗提供持續(xù)的大流量供水，并且能夠防止試驗水隨意噴濺入離心機室而對設備造成的損傷；同時可對含有泥砂等固體顆粒的試驗用水進行回收；試驗后的泥水經過濾處理，可進行重復利用，從而節(jié)約了試驗成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本實用新型所述巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)的整體剖視圖；
[0030]圖2是圖1的局部放大示意圖；
[0031]圖3是本實用新型所述擋水柵格的安裝示意圖；
[0032]圖4是本實用新型所述上支承的結構示意圖；
[0033]圖5是本實用新型所述傳動軸的結構示意圖；
[0034]圖6是本實用新型所述環(huán)形水箱的半剖示意圖；
[0035]圖7是本實用新型所述環(huán)形水箱的結構示意圖。
[0036]I一機室；2—第一進水管；3—傳動支承；4一水泵；5—第二進水管；6—主軸；7—上儀器艙；8—環(huán)形水箱；9一第三進水管；10—上支承；11 一轉臂；12—第四進水管；13—模型箱；14一環(huán)形排水槽；15—出水管；16—過濾網；17—過濾池；18—石英砂；19一集水池；20—傳動軸；21—軸承；22—排水軟管；23—擋水柵格。

【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖對本實用新型作進一步說明:
[0038]如圖1、圖2、圖6和圖7所示，本實用新型巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)，包括機室1、主軸6、轉臂11、模型箱13、上儀器艙7、環(huán)形水箱8、供水系統(tǒng)、第三進水管9、第四進水管12和回水系統(tǒng)，環(huán)形水箱8為去除頂面的葫蘆型水箱，轉臂11通過其旋轉中心的安裝孔固定在所述主軸6上，主軸6的下端通過傳動支承3與機室I的內底面固定連接，主軸6的上端通過上支承10與機室I的內頂面固定連接，上儀器艙7設置在機室I的上頂面，且通過傳動軸20與主軸6的上端面連接，模型箱13安裝在轉臂11第一端的吊籃內，轉臂11的第二端設置有配重塊，供水系統(tǒng)的出水端設置在環(huán)形水箱8內，主軸6為空心軸，環(huán)形水箱8通過螺釘與主軸6的上端固定連接且位于上支承10的上方，環(huán)形水箱8下部設置有出水口，第三進水管9設置在主軸6的空腔內且第三進水管9的進水端與環(huán)形水箱8的出水口連接，第三進水管9的出水端穿過主軸6側壁的通孔與第四進水管12的進水端連接，第四進水管12安裝在轉臂11上，第四進水管12的出水端與模型箱13接通，機室I的內壁在與轉臂11水平的位置設置有環(huán)形排水槽14，環(huán)形排水槽14的下部設置有出水口，供水系統(tǒng)包括第一進水管2、第二進水管5和水泵4，第一進水管2的出水端與水泵4的進水端連接，水泵4的出水端與第二進水管5的進水端連接，第二進水管5的出水端設置在環(huán)形水箱8內，回水系統(tǒng)包括過濾池17和集水池19，過濾池17內設置有過濾裝置，過濾池17的進水口通過出水管15與環(huán)形排水槽14的出水口接通，過濾池17的出水口與集水池19的進水口接通，第一進水管2的進水端設置在集水池19內。
[0039]過濾裝置水平或豎直設置并將過濾池17分為污水腔和清水腔，污水腔與環(huán)形排水槽14接通，清水腔與集水池19接通，過濾裝置包括兩層過濾網16和石英砂18，兩層過濾網16平行設置且石英砂18設置在其夾層內部。
[0040]如圖3所示，水循環(huán)系統(tǒng)還包括多個擋水柵格23和排水軟管22，排水軟管22的一端與模型箱13的出水口固定連接，多個擋水柵格23均勻設置在環(huán)形排水槽14內部并與環(huán)形排水槽14的底面固定連接，擋水柵格23所在的平面與擋水柵格23和環(huán)形排水槽14底面的連接點的切線所在的平面的夾角為銳角，擋水柵格23的傾斜方向與轉臂11的旋轉方向相反。
[0041]如圖4所示，上支承1包括連接板、固定環(huán)片和連接環(huán)，固定環(huán)片的上表面與機室I的內頂面固定連接，固定環(huán)片的下表面通過多個連接板與連接環(huán)固定連接，連接環(huán)通過滾動軸承與主軸6的上端可轉動連接。
[0042]如圖5所示，傳動軸20包括長軸、弧形片和連接環(huán)片，連接環(huán)片的下表面通過螺釘與主軸6的上端面固定連接，連接環(huán)片的上表面通過多個弧形片與長軸的下端固定連接，長軸的上端與上儀器艙7連接。
[0043]本實用新型巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)的工作原理如下:
[0044]巨型土工離心機為單吊籃不對稱臂結構，轉臂11 一端安裝吊籃及模型箱13，另一端設置配重塊，轉臂11安裝在主軸6上，并隨主軸6 —起旋轉以產生離心加速度，從而為離心試驗提供超重力場。
[0045]在模型箱13內進行水庫大壩潰決破壞離心模擬試驗或流體與土工構筑物的多場耦合離心試驗研宄，每小時流入模型箱13的試驗用水超過數(shù)十立方米，試驗后流出的水還夾帶有泥沙等固體顆粒，本專利提出的水循環(huán)系統(tǒng)可實現(xiàn)上述工況的供水和回收。
[0046]當離心機運行到一定加速度需向模型箱13注水時，通過控制供水系統(tǒng)的水泵4將集水池19的水通過第一進水管2按試驗要求流速和流量泵出，并通過第二進水管5注入環(huán)形水箱8，第二進水管5的出水端端頭伸入環(huán)形水箱8，并與其保持了一定的安全間距，同時環(huán)形水箱8的葫蘆狀結構可防止注入的水在離心力作用下從水箱口拋出，注入的水將在重力作用下，從環(huán)形水箱8底部開口流入安裝在主軸6空腔內的第三進水管9，然后進入安裝在轉臂11的第四進水管12，并在離心力作用下，試驗用水到達模型箱13。
[0047]水在模型箱13內完成試驗后，模型箱13內的泥水從其出水口流入排水軟管22，排水軟管22可縮短模型箱13底部出水口與環(huán)形排水槽14的距離，同時在與擋水柵格23的共同作用下可以防止大流量泥水噴入環(huán)形排水槽14時到處飛濺，環(huán)形排水槽14將收集的泥水從其出水口排出。
[0048]噴入環(huán)形排水槽14的泥水經過其出水口和出水管流入過濾池17，過濾池17內設置的過濾裝置，可對流入的泥水進行多次沉淀過濾處理，處理后的水匯集于集水池19，然后通過供水系統(tǒng)進行循環(huán)利用。
[0049]本實用新型的技術方案不限于上述具體實施例的限制，凡是根據本實用新型的技術方案做出的技術變形，均落入本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)，包括機室、主軸、轉臂、模型箱和上儀器艙，所述轉臂通過其旋轉中心的安裝孔固定安裝在所述主軸上，所述主軸的下端通過傳動支承與所述機室的內底面固定連接，所述主軸的上端通過上支承與所述機室的內頂面固定連接，所述上儀器艙設置在所述機室的上頂面，且通過傳動軸與所述主軸的上端面連接，所述模型箱安裝在所述轉臂第一端的吊籃內，所述轉臂的第二端設置有配重塊，其特征在于:還包括環(huán)形水箱、供水系統(tǒng)、第三進水管和第四進水管，所述供水系統(tǒng)的出水端設置在所述環(huán)形水箱內，所述主軸為空心軸，所述環(huán)形水箱通過螺釘與所述主軸的上端固定連接且位于所述上支承的上方，所述環(huán)形水箱下部設置有出水口，所述第三進水管設置在所述主軸的空腔內且所述第三進水管的進水端與所述環(huán)形水箱的出水口連接，所述第三進水管的出水端穿過所述主軸側壁的通孔與所述第四進水管的進水端連接，所述第四進水管安裝在所述轉臂上，所述第四進水管的出水端與所述模型箱接通，所述機室的內壁在與所述轉臂水平的位置設置有環(huán)形排水槽，所述環(huán)形排水槽的下部設置有出水口。
2.根據權利要求1所述的巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于:所述供水系統(tǒng)包括第一進水管、第二進水管和水泵，所述第一進水管的出水端與所述水泵的進水端連接，所述水泵的出水端與所述第二進水管的進水端連接，所述第二進水管的出水端設置在所述環(huán)形水箱內。
3.根據權利要求2所述的巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于:還包括回水系統(tǒng)，所述回水系統(tǒng)包括過濾池和集水池，所述過濾池內設置有過濾裝置，所述過濾池的進水口通過出水管與所述環(huán)形排水槽的出水口接通，所述過濾池17的出水口與所述集水池的進水口接通，所述第一進水管的進水端設置在所述集水池內。
4.根據權利要求3所述的巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于:所述過濾裝置水平或豎直設置并將所述過濾池分為污水腔和清水腔，所述污水腔與所述環(huán)形排水槽接通，所述清水腔與所述集水池接通，所述過濾裝置包括兩層過濾網和石英砂，兩層所述過濾網平行設置且所述石英砂設置在其夾層內部。
5.根據權利要求1所述的巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于:還包括多個擋水柵格和排水軟管，所述排水軟管的一端與所述模型箱的出水口固定連接，多個所述擋水柵格均勻設置在所述環(huán)形排水槽內部并與所述環(huán)形排水槽的底面固定連接。
6.根據權利要求5所述的巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于:所述擋水柵格所在的平面與所述擋水柵格和所述環(huán)形排水槽底面的連接點的切線所在的平面的夾角為銳角，所述擋水柵格的傾斜方向與所述轉臂的旋轉方向相反。
7.根據權利要求1所述的巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于:所述上支承包括連接板、固定環(huán)片和連接環(huán)，所述固定環(huán)片的上表面與所述機室的內頂面固定連接，所述固定環(huán)片的下表面通過多個所述連接板與所述連接環(huán)固定連接，所述連接環(huán)通過滾動軸承與所述主軸的上端可轉動連接。
8.根據權利要求1所述的巨型土工離心機大流量水循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于:所述傳動軸包括長軸、弧形片和連接環(huán)片，所述連接環(huán)片的下表面通過螺釘與所述主軸的上端面固定連接，所述連接環(huán)片的上表面通過多個所述弧形片與所述長軸的下端固定連接，所述長軸的上端與所述上儀器艙連接。
【文檔編號】E02B1/02GK204163045SQ201420569506
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權日:2014年9月29日
【發(fā)明者】冉光斌, 洪建忠, 黎啟勝, 劉偉, 李明海, 趙寶忠 申請人:中國工程物理研究院總體工程研究所