動床模型試驗床沙實時保真取樣裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本實用新型涉及一種河流動床模型床沙采樣的裝置，特別涉及一種能夠?qū)崟r保真取樣的裝置，屬于水利領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
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[0002]床沙的顆粒組成和變化不僅影響床面沙粒、沙波阻力和洪水位的高低，而且是影響水流挾沙力、輸沙率及河床沖淤的重要因素，是研究水流泥沙運動的基本資料之一。在一般含沙量情況下，表層床沙與水中運動泥沙總在不斷地相互交換，其床沙組成也隨著沖淤及與深層床沙不斷交換而調(diào)整變化，其調(diào)整是河床變形計算中一個十分重要的問題。在現(xiàn)有的河床變形計算數(shù)學模型中，一般引入一個床沙活動交換層厚度的物理量，大多取一個經(jīng)驗性的定常值；此外，有效河床質(zhì)的厚度往往也都是假定的，這些假定對于河床變形的計算結(jié)果的影響很大。
[0003]天然沖積河流主要采用橫管式、錐式、蛘式、擊打式、錨式及海洋采泥的丸川式等采樣器來對河床及流態(tài)下的床沙進行取樣；這些采樣器普遍存在采樣率較低、沙樣可靠性不高；同時，由于床沙變化受水流條件、來沙情況以及本身河床組成等多因素的影響，其變化規(guī)律極為復(fù)雜，加之資料跟隨性以及量測儀器的制約，在天然河流中研究單因素對床沙變化的規(guī)律十分困難。動床模型試驗為床沙變化規(guī)律的精細研究提供了一種方法。然而，天然河流中床沙取樣采用的儀器在模型試驗中根本無法使用；目前在模型試驗中床沙實時保真取樣的儀器與方法都鮮有報道。
[0004]目前，國內(nèi)使用的河床床沙采樣器有挖斗式采樣器、重力式采樣器和一種利用火藥爆炸驅(qū)動的深水床沙采樣器等。挖斗式采樣器由挖斗、定挖斗位置的卡爪和鉛魚殼體等構(gòu)成。采樣時，通過一套聯(lián)動裝置，首先使限位卡爪松開，然后收絞起重索，通過纏繞在挖斗軸上的鋼絲繩帶動挖斗旋轉(zhuǎn)，挖取泥沙。各種重力式采樣器，由于其自身的缺陷(利用儀器自身及配重重量把采樣管壓入河床)，亦經(jīng)常取不到樣品，且采樣深度無法精確控制。一些改進型重力式采樣器亦因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造使用費用昂貴及未能從根本上解決采樣深度控制問題，均未能得到廣泛應(yīng)用。一種利用火藥爆炸驅(qū)動的深水床沙采樣器是利用子彈瞬間的爆炸力推動活塞運動，把采樣管打入河床泥沙中，在不破壞河床泥沙完整性和原狀性的情況下，將河床泥沙采集到采樣管內(nèi)。利用火藥爆炸驅(qū)動的深水床沙采樣器可在原型河床上進行深水床沙采樣，具有一定的危險性，不宜在模型河床上進行床沙取樣。
[0005]動床模型試驗中，水深較淺、并且取樣精度要求高，原型的取樣方法與采樣儀器無法在模型試驗中應(yīng)用。同時，試驗中河床底部床沙變化規(guī)律特別復(fù)雜，如何在動床模型試驗中進行床沙垂線上的自動采樣而不破壞模型河床泥沙淤積層次結(jié)構(gòu)是一個難題。
【實用新型內(nèi)容】:
[0006]本實用新型針對目前模型河床床沙采樣的需求，設(shè)計了一種動床模型試驗床沙實時保真取樣裝置。本實用新型的技術(shù)方案:
[0007]—種動床模型試驗床沙實時保真取樣裝置，包括支架、水平橫梁、取樣探針、高壓氣囊驅(qū)動器、垂直控制臺支柱、液氮容器、高壓氣體容器和控制器；其中，所述水平橫梁固定安裝在所述支架上，所述水平橫梁上設(shè)有水平導(dǎo)軌；所述垂直控制臺支柱的底部固定在水平移動機械手上，所述水平移動機械手設(shè)置在所述水平導(dǎo)軌上；所述垂直控制臺支柱上設(shè)有垂直導(dǎo)軌和垂直移動機械手，所述垂直移動機械手上固定有支承臺，所述支承臺側(cè)面設(shè)有支承橫梁，所述支承橫梁遠離所述支承臺的一端設(shè)有一個高壓氣囊驅(qū)動器固定扣環(huán)，所述高壓氣囊驅(qū)動器固定在所述高壓氣囊驅(qū)動器固定扣環(huán)內(nèi)；所述高壓氣囊驅(qū)動器上部依次通過高壓氣體輸送控制閥門、高壓氣體輸送管線和高壓容器控制閥門與所述高壓氣體容器連接，下部通過取樣機械手和所述取樣探針連接；垂直控制臺支柱頂端設(shè)有高壓氣體輸送管線掛鉤，所述高壓氣體輸送管線掛鉤上設(shè)有若干掛環(huán)；所述水平移動機械手上設(shè)有水平位移傳感器，所述垂直移動機械手上設(shè)有垂直位移傳感器，所述水平位移傳感器和所述垂直位移傳感器通過位移控制信號線與所述控制器連接；
[0008]所述取樣探針包括外層的真空腔和內(nèi)層的液氮腔，所述液氮腔的上端設(shè)有出氣孔和液氮進口，所述出氣孔通過出氣孔閥門與所述控制器連接，所述液氮進口通過液氮輸送管線和液氮電控閥門與所述液氮容器連接；
[0009]所述高壓氣囊驅(qū)動器內(nèi)部設(shè)有活塞，所述活塞下部設(shè)有彈簧，所述活塞通過驅(qū)動器連桿與所述取樣機械手固定連接；所述高壓氣囊驅(qū)動器頂部設(shè)有與所述高壓氣囊腔連通的出氣孔和進氣孔，所述進氣孔通過所述高壓氣體輸送控制閥門與所述高壓氣體輸送管線連通，所述出氣孔通過高壓氣囊出氣孔閥門與所述控制器連接。
[0010]本實用新型的取樣裝置，利用高壓氣囊驅(qū)動器的高壓沖力使取樣探針瞬間插入淤積泥沙中，同時液氮容器的液氮快速進入取樣探針內(nèi)，完成床沙保真取樣過程；采用水平移動機械手和垂直移動機械手分別沿著水平和垂直導(dǎo)軌運動，能夠精確地控制取樣位置；由于高壓氣囊驅(qū)動器的尺寸一定，取樣探針的下落距離可由垂直移動機械手在垂直導(dǎo)軌的初始位直確定。
[0011]本實用新型實現(xiàn)了動床模型床沙斷面的實時保真采樣，同時采樣的效率大大提高，對試驗數(shù)據(jù)的精確與完善具有極大的促進作用。
【附圖說明】
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[0012]圖1、本實用新型采用的取樣裝置整體布置示意圖；
[0013]圖2、本實用新型采用的取樣探針局部結(jié)構(gòu)詳圖；
[0014]圖3、本實用新型采用的高壓氣囊驅(qū)動器剖面圖；
[0015]圖中，1.淤積泥沙；2.水面；3.交換層泥沙；4.探針；5.水平橫梁；6.支架；7.取樣機械手；8.水平移動機械手；9.高壓氣囊驅(qū)動器；10.垂直控制臺支柱；11.位移控制信號輸出線；12.液氮閥門控制信號輸出線；13.監(jiān)控計算機；14.控制器；15.液氮電控閥門；16.液氮容器；17.監(jiān)控信號輸出線；18.高壓氣體容器；19.高壓容器控制閥門控制信號線；20.高壓容器控制閥門；21.電源；22.高壓氣體輸送管線；23.液氮輸送管線；24.垂直導(dǎo)軌；25.垂直位移傳感器；26.垂直移動機械手；27.水平位移傳感器；28.垂直控制臺支柱頂端；29.高壓氣體輸送管線掛鉤；30.高壓氣體輸送控制閥門；31.高壓氣囊驅(qū)動器固定扣環(huán)；41.出氣孔閥門；42.真空腔；43.液氮腔；44.針孔；91.高壓氣囊腔；92.活塞；93.驅(qū)動器連桿；94.低壓腔；95.高壓氣囊出氣孔閥門；96.低壓腔防撞底座；97.彈簧；98.驅(qū)動器腔壁。
【具體實施方式】
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[0016]下面結(jié)合圖1-圖3，對本實用新型的【具體實施方式】做詳細說明。
[0017]首先，布設(shè)動床模型和取樣設(shè)備:
[0018]動床模型的河床內(nèi)有淤積泥沙1，河床水底和所述淤積泥沙I之間設(shè)有交換層泥沙3 ;
[0019]本實用新型的動床模型試驗床沙實時保真取樣裝置，包括支架6、水平橫梁5、取樣探針4、高壓氣囊驅(qū)動器9、垂直控制臺支柱10、液氮容器16、高壓氣體容器18和控制器14 ;其中，所述支架6設(shè)置在所述動床模型的兩側(cè)，所述水平橫梁5固定安裝在所述支架6上，所述水平橫梁5上設(shè)有水平導(dǎo)軌。所述垂直控制臺支柱10的底部固定在水平移動機械手8上，所述水平移動機械手8設(shè)置在所述水平導(dǎo)軌上，并能夠沿著所述水平導(dǎo)軌移動；所述垂直控制臺支柱10上設(shè)有垂直導(dǎo)軌24和垂直移動機械手26，所述垂直移動機械手26能夠沿著所述垂直導(dǎo)軌24上下移動，所述垂直移動機械手26上固定有支承臺