全自动往复式砂土试样制备仪的制作方法
【专利摘要】本发明是一种全自动往复式砂土试样制备仪，其特点是：它包括刚性框架，刚性框架与垂直升降系统固连，移动横梁与垂直升降系统固连，水平移动系统与移动横梁固连，移动支架与水平移动系统固连，漏斗组件吊装在移动支架下端，测距仪与漏斗组件固连，PLC可编程控制器与刚性框架固连，垂直升降系统、水平移动系统和测距仪均分别与PLC可编程控制器电连接。工作过程是：漏斗内的砂由鸭嘴进行砂雨洒落；测距仪实时监测漏斗组件与砂面之间的距离；水平移动系统带动漏斗组件水平运动；导向组件为移动支架及漏斗组件导向；垂直升降系统进行高度调整控制制样时砂子的落距；PLC可编程控制器控制调速电机运转从而实现该系统制样的全程自动化。
【专利说明】
全自动往复式砂土试样制备仪
技术领域
[0001 ]本发明涉及试验设备，是一种基于砂雨法制样的基本原理自主开发研制的全自动往复式砂土试样制备仪。
【背景技术】
[0002]土工模型实验对试验设备、试验材料和模型制样都有较高的要求，其中试样制备环节是模型实验中至关重要的技术环节。对于砂土试样，常见的制样方法有:振动法、分层击实法和砂雨法等。由于砂雨法模拟砂土在风力或水流作用下的沉积，其成型的试样与实际的天然砂土层更为接近，因此，在砂土的土工模型实验中得到广泛应用。清华大学的濮家骝教授等在1988年研究浅基础承载力的离心机模型实验中，采用了往复运动的扁嘴漏斗撒砂进行砂雨法装样。南京水科院的徐光明等1996年对离心模型中粒径效应和边界效应进行研究时，也采用了砂雨法。通过单孔漏斗在模型箱中分层制备试样。
[0003]目前，国内许多高校对土工模型试验中砂土的成样方法开展了针对性研究。大连理工大学岩土工程研究所的郭莹等根据砂土静力三轴试验结果讨论了砂土不同成样方法对试样剪切强度的影响。研究发现砂土成样方法对三轴试验的结果有着较大的影响，同时也指出，砂土的成样方法对松砂和中密砂的影响较大，但对密砂的影响较小;河海大学岩土工程研究所的周云东等基于真三轴试验结果也进一步讨论了不同装样方法对砂土试样的影响;浙江大学的吴建平等对砂雨法成型中漏斗大小问题，分别采用了动、静三轴和共振柱三种试验方式进行了试验研究，总结了漏斗形状和砂土平均落距对试样密度大小分布范围的影响规律，提出了漏斗管径与砂土最大粒径比值的理想范围。杨俊杰等在砂土地基承载力的离心模型实验中采用空中落砂法制备砂土模型地基，并讨论了粒径效应。英国剑桥大学的Madabhushi等在2006年自主研发了一套砂雨装置，主要采用单孔漏斗，通过调整落距让砂自然洒落，制备了不同密实度的砂土模型试样。在此基础上大连理工大学曾虹静、王忠涛等同样采用单孔漏斗，通过吊车导链悬挂，编写命令语句让漏斗沿着滑槽移动规定路径，在浅基础承载特性试验中进行了砂土制样，试验发现由于电机控制精度不足和漏斗的轻微晃动，导致了同样制备条件下砂土试样的密度在5%范围内出现了波动。
[0004]由此可见，尽管以往研究成果对砂土装样方法进行了改进，但制样的自动化程度仍然较低，人为因素影响很大，试样的均匀性和制样重复性不能充分保证。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是:提供一种全自动往复式砂土试样制备仪，能够准确实现砂土试样的均匀制备过程。
[0006]本发明是由以下技术方案来实现的:一种全自动往复式砂土试样制备仪，其特征是:它包括刚性框架、垂直升降系统、移动横梁、水平移动系统、导向组件、移动支架、漏斗组件、沙箱、测距仪和PLC可编程控制器，所述刚性框架为四根立柱支撑的固定横梁，两组垂直升降系统分别置于刚性框架的两侧，垂直升降系统的上端与刚性框架的固定横梁固连、下端与刚性框架铰接，移动横梁置于刚性框架内、两端分别与垂直升降系统固连，水平移动系统置于移动横梁上面并固连，导向组件置于移动横梁上、一端与移动横梁固连，移动支架同时套接在水平移动系统和移动横梁上，移动支架与水平移动系统固连、与导向组件的另一端固连，漏斗组件吊装在移动支架下端，砂箱置于刚性框架的底面上，测距仪置于漏斗组件上并固连，PLC可编程控制器置于刚性框架上并固连，垂直升降系统、水平移动系统和测距仪均分别与PLC可编程控制器电连接。
[0007]所述垂直升降系统的结构是:它包括调速电机、联轴器、第一丝杠、第一丝母和连接座，所述调速电机置于刚性框架的横梁上并固连，第一丝杠的上端通过联轴器与调速电机的动力轴固连、下端与刚性框架铰接，第一丝母与第一丝杠螺纹连接，连接座套接在第一丝母上并与移动横梁固连，调速电机与PLC可编程控制器电连接。
[0008]所述水平移动系统的结构是:它包括限位支座、第二丝杠、调速电机、联轴器和第二丝母，所述限位支座内置支撑套、置于移动横梁上并固连，第二丝杠穿装在限位支座内置的支撑套内、并通过支撑套与限位支座固连，第二丝杠一端伸出限位支座外，调速电机置于移动横梁上、限位支座外的第二丝杠端头并固连，调速电机的动力轴通过联轴器与第二丝杠固连，第二丝母与第二丝杠螺纹连接，第二丝母置于移动支架内并固连，调速电机与PLC可编程控制器电连接。
[0009]所述导向组件的结构是它包括导轨和滑块，所述导轨置于移动横梁上并固连，所述滑块置于移动支架内并固连，导轨与滑块滑动连接。
[0010]所述漏斗组件的结构是:它包括漏斗主体和开口调距部件，所述漏斗主体吊装于移动支架下端，开口调距部件置于漏斗主体的鸭嘴处并固连，开口调距部件的本体底面固连测距仪。
[0011 ]所述开口调距部件的结构是:它包括本体、宽度挡板、连接杆、手轮和锁紧螺母，所述本体置于漏斗主体的鸭嘴处并固连，本体设置垂直漏砂口，宽度挡板置于本体内并滑动连接，连接杆为螺杆且与本体螺纹连接，置于水平位置的连接杆一端伸入本体内与宽度挡板铰接、另一端位于本体外固连手轮，锁紧螺母置于本体外、与连接杆螺纹连接。
[0012]所述第一丝杠和第一丝母、第二丝杠和第二丝母均为滚珠丝杠和滚珠丝母。
[0013]所述支撑套为滚动轴承。
[0014]所述测距仪为激光测距传感器。
[0015]本发明的工作过程是:漏斗主体内的砂由鸭嘴通过调距部件进行砂雨洒落并由开口调距部件控制砂的流速；固连在漏斗组件上的测距仪实时监测漏斗组件与砂面之间的距离;水平移动系统通过固连的移动支架带动漏斗组件进行往复式运动，其滚珠丝杠副能够精确控制漏斗组件的水平运动速度;导向组件在为移动支架及其固连的漏斗组件导向的同时还承受移动支架及其固连的漏斗组件重量带来的压力;垂直升降系统通过固连的移动横梁带动其上固连的水平移动系统、导向组件、移动支架、漏斗组件和测距仪垂直升降进行高度调整，能够准确控制制样时砂子的落距;PLC可编程控制器接收测距仪传递的量测数据、并控制调速电机运转将移动横梁自主提升或将漏斗组件自主水平移动，从而实现该系统制样的全程自动化。
[0016]本发明的有益效果是:本发明将调速电机、测距仪和PLC可控编程器等元件相结合，实现了砂雨法制备砂土试样的自动化，其具有的优点体现在:1.采用了调速电机精确控制漏斗组件的水平行走速度，大幅度提高砂样制备的均匀性;2.采用了测距仪准确检测漏斗组件与砂土表面的距离，并实时反馈信号，大幅度提高落距控制准确性;3.采用了PLC可控编程器进行前期编程和行进中信号处理，实现砂土制样全过程的自动化;4.本发明从根本上避免了砂土制样中人工操作影响，提高了砂土试样的整体控制精度，为砂土模型试验的前期试样制备提供了技术支持。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的主视不意图；
[0018]图2为图1的左视不意图；
[0019]图3为图1的A局部放大示意图；
[0020]图4为本发明的垂直升降系统的结构示意图；
[0021 ]图5为本发明的水平移动系统的结构示意图；
[0022]图6为本发明的导向组件的结构示意图；
[0023]图7为图6的B局部放大示意图；
[0024]图8为本发明的漏斗组件的结构示意图；
[0025]图9为图8的左视不意图；
[0026]图10为图9的C局部放大示意图。
[0027]图中:I垂直升降系统，2刚性框架，3移动横梁，4水平移动系统，5移动支架，6漏斗组件，7砂箱，8导向组件，9第一丝杠，10第一丝母，11连接座，12调速电机，13联轴器，14限位支座，15第二丝母，16第二丝杠，17滑块，18导轨，19漏斗主体，20开口调距部件，21本体，22锁紧螺母，23手轮，24连接杆，25宽度挡板。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0029]参见图1?图10，本发明一种全自动往复式砂土试样制备仪，它包括刚性框架2、垂直升降系统1、移动横梁3、水平移动系统4、导向组件8、移动支架5、漏斗组件6、砂箱7、测距仪、控制箱和PLC可编程控制器，所述刚性框架2为四根立柱支撑的固定横梁，两组垂直升降系统I分别置于刚性框架2的两侧，垂直升降系统I的上端与刚性框架2的固定横梁固连、下端与刚性框架2铰接，移动横梁3置于刚性框架2内、两端分别与垂直升降系统I固连，水平移动系统4置于移动横梁3上面并固连，导向组件8置于移动横梁3上、一端与移动横梁3固连，移动支架5同时套接在水平移动系统4和移动横梁3上，移动支架5与水平移动系统4固连、与导向组件8的另一端固连，漏斗组件6吊装在移动支架5下端，砂箱7置于刚性框架2的底面上，测距仪置于漏斗组件6上并固连，控制箱置于刚性框架2上并固连，PLC可编程控制器置于刚性框架2上并固连，垂直升降系统1、水平移动系统4、测距仪和控制箱均分别与PLC可编程控制器电连接。
[0030]所述垂直升降系统I的结构是:它包括调速电机12、联轴器13、第一丝杠9、第一丝母10和连接座11，所述调速电机12置于刚性框架2的横梁上并固连，第一丝杠9的上端通过联轴器13与调速电机12的动力轴固连、下端与刚性框架2铰接，第一丝母10与第一丝杠9螺纹连接，连接座11套接在第一丝母10上并与移动横梁3固连，调速电机12与PLC可编程控制器电连接。
[0031]所述水平移动系统4的结构是:它包括限位支座14、第二丝杠16、调速电机12、联轴器13和第二丝母15，所述限位支座14内置作为支撑套的滚动轴承、置于移动横梁3上并固连，第二丝杠16穿装在限位支座14内置的支撑套内、并通过作为支撑套的滚动轴承与限位支座14固连，第二丝杠16—端伸出限位支座14外，调速电机12置于移动横梁3上、限位支座14外的第二丝杠16端头并固连，调速电机12的动力轴通过联轴器13与第二丝杠16固连，第二丝母15与第二丝杠16螺纹连接，第二丝母15置于移动支架5内并固连，调速电机12与PLC可编程控制器电连接。
[0032]所述导向组件8的结构是:它包括导轨18和滑块17，所述导轨18置于移动横梁3上并固连，所述滑块17置于移动支架5内并固连，导轨18与滑块17滑动连接。
[0033]所述漏斗组件6的结构是:它包括漏斗主体19和开口调距部件20，所述漏斗主体19吊装于移动支架5下端，开口调距部件20置于漏斗主体19的鸭嘴处并固连，开口调距部件20的本体21底面固连测距仪。
[0034]所述调距部件的结构是:它包括本体21、宽度挡板25、连接杆24、手轮23和锁紧螺母22，所述本体21置于漏斗主体19的鸭嘴处并固连，本体21设置垂直漏砂口，宽度挡板25置于本体21内并滑动连接，连接杆24为螺杆且与本体21螺纹连接，置于水平位置的连接杆24一端伸入本体21内与宽度挡板25铰接、另一端位于本体21外固连手轮23，锁紧螺母22置于本体21外、与连接杆24螺纹连接。
[0035]本实施例采用现有技术制造，所述第一丝杠9和第一丝母10、第二丝杠16和第二丝母15均为市售的FM-CPlO自动化齿条轨道，所述调速电机12为市售的Y180L-4、22KW变频调速电机;所述测距仪为市售的MSE-D150激光测距传感器，测量范围30米，输出单位cm;所述控制箱为市售的4-20MA普通开关控制箱;所述PLC可编程控制器为市售的FX3GA-24MR-CM、PLC可编程控制器;本实施例所述的滚动轴承、采用的试验仪器及元件均为市售产品。
[0036]本实施例的工作过程是:漏斗主体19内的砂由鸭嘴通过开口调距部件20进行砂雨洒落并由开口调距部件20控制砂的流速；固连在漏斗组件6上的测距仪实时监测漏斗组件6与砂面之间的距离;水平移动系统4通过固连的移动支架5带动漏斗组件6进行往复式运动，其第二丝杠16和第二丝母15组成的滚珠丝杠副能够精确控制漏斗组件6的水平运动速度；导向组件8在为移动支架5及其固连的漏斗组件6导向的同时还承受移动支架5及其固连的漏斗组件6重量带来的压力；垂直升降系统I通过固连的移动横梁3带动其上固连的水平移动系统4、导向组件8、移动支架5、漏斗组件6和测距仪垂直升降进行高度调整，能够准确控制制样时砂子的落距;PLC可编程控制器接收测距仪传递的量测数据、并控制调速电机12运转将移动横梁3自主提升或将漏斗组件6自主水平移动，从而实现该系统制样的全程自动化。
【主权项】
1.一种全自动往复式砂土试样制备仪，其特征是:它包括刚性框架、垂直升降系统、移动横梁、水平移动系统、导向组件、移动支架、漏斗组件、砂箱、测距仪和PLC可编程控制器，所述刚性框架为四根立柱支撑的固定横梁，两组垂直升降系统分别置于刚性框架的两侧，垂直升降系统的上端与刚性框架的固定横梁固连、下端与刚性框架铰接，移动横梁置于刚性框架内、两端分别与垂直升降系统固连，水平移动系统置于移动横梁上面并固连，导向组件置于移动横梁上、一端与移动横梁固连，移动支架同时套接在水平移动系统和移动横梁上，移动支架与水平移动系统固连、与导向组件的另一端固连，漏斗组件吊装在移动支架下端，砂箱置于刚性框架的底面上，测距仪置于漏斗组件上并固连，PLC可编程控制器置于刚性框架上并固连，垂直升降系统、水平移动系统和测距仪均分别与PLC可编程控制器电连接。2.如权利要求1所述的全自动往复式砂土试样制备仪，其特征是:所述垂直升降系统的结构是:它包括调速电机、联轴器、第一丝杠、第一丝母和连接座，所述调速电机置于刚性框架的横梁上并固连，第一丝杠的上端通过联轴器与调速电机的动力轴固连、下端与刚性框架铰接，第一丝母与第一丝杠螺纹连接，连接座套接在第一丝母上并与移动横梁固连，调速电机与PLC可编程控制器电连接。3.如权利要求1所述的全自动往复式砂土试样制备仪，其特征是:所述水平移动系统的结构是:它包括限位支座、第二丝杠、调速电机、联轴器和第二丝母，所述限位支座内置支撑套、置于移动横梁上并固连，第二丝杠穿装在限位支座内置的支撑套内、并通过支撑套与限位支座固连，第二丝杠一端伸出限位支座外，调速电机置于移动横梁上、限位支座外的第二丝杠端头并固连，调速电机的动力轴通过联轴器与第二丝杠固连，第二丝母与第二丝杠螺纹连接，第二丝母置于移动支架内并固连，调速电机与PLC可编程控制器电连接。4.如权利要求3所述的全自动往复式砂土试样制备仪，其特征是:所述支撑套为滚动轴承。5.如权利要求1所述的全自动往复式砂土试样制备仪，其特征是:所述导向组件的结构是:它包括导轨和滑块，所述导轨置于移动横梁上并固连，所述滑块置于移动支架内并固连，导轨与滑块接触。6.如权利要求1所述的全自动往复式砂土试样制备仪，其特征是:所述漏斗组件的结构是:它包括漏斗主体和开口调距部件，所述漏斗主体吊装于移动支架下端，开口调距部件置于漏斗主体的鸭嘴处并固连，开口调距部件的本体底面固连测距仪。7.如权利要求6所述的全自动往复式砂土试样制备仪，其特征是:所述开口调距部件的结构是:它包括本体、宽度挡板、连接杆、手轮和锁紧螺母，所述本体置于漏斗主体的鸭嘴处并固连，本体设置垂直漏砂口，宽度挡板置于本体内并滑动连接，连接杆为螺杆且与本体螺纹连接，置于水平位置的连接杆一端伸入本体内与宽度挡板铰接、另一端位于本体外固连手轮，锁紧螺母置于本体外、与连接杆螺纹连接。8.如权利要求2或3所述的全自动往复式砂土试样制备仪，其特征是:所述第一丝杠和第一丝母、第二丝杠和第二丝母均为滚珠丝杠和滚珠丝母。9.如权利要求1或6所述的全自动往复式砂土试样制备仪，其特征是:所述测距仪为激光测距传感器。
【文档编号】G01N1/28GK106053184SQ201610674638
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月16日 公开号201610674638.2, CN 106053184 A, CN 106053184A, CN 201610674638, CN-A-106053184, CN106053184 A, CN106053184A, CN201610674638, CN201610674638.2
【发明人】陈泳东
【申请人】陈泳东