巨型土工离心机大流量水循环系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种巨型土工离心机大流量水循环系统，包括机室、主轴、转臂、模型箱、上仪器舱、环形水箱、供水系统、第三进水管、第四进水管和回水系统，供水系统包括第一进水管、第二进水管和水泵，回水系统包括过滤池和集水池，过滤池内设置有过滤装置。本发明巨型土工离心机大流量水循环系统通过供水系统、回水系统和环形水箱及其对应装置，可为巨型土工离心机试验提供持续的大流量供水，并且能够防止试验水随意喷溅入离心机室而对设备造成的损伤；同时可对含有泥砂等固体颗粒的试验用水进行回收；试验后的泥水经过滤处理，可进行重复利用，从而节约了试验成本。
【专利说明】
巨型土工离心机大流量水循环系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及离心机水循环系统，尤其涉及一种巨型土工离心机大流量水循环系统。
【背景技术】
[0002]巨型土工离心机一般指容量超过100gt (g为重力加速度，t为重量单位，吨)的超大型土工离心机。它利用高速旋转的离心机产生η倍重力加速度的超重力场，补偿模型因缩尺造成的自重应力损失，在模型尺度产生η倍的缩尺效应、η2倍的缩时效应、η3倍的强化能量效应。
[0003]巨型土工离心机的研制，不仅将可解决极端环境、超重力、大时空尺度中的高岩土应力和高渗透压下岩土体中固液气多相耦合作用、大平面尺度岩土体中污染物长期运移、超重力场下物质运动规律等重大科学和技术问题，而且还将成为水库大坝安全性、河流或海流对其中的土工构筑物的多场耦合作用等科研平台。
[0004]要在巨型土工离心机上进行水库大坝溃决破坏离心模拟试验，或进行流体与土工构筑物的多场耦合离心试验研究，须在巨型土工离心机高速旋转过程中，为吊篮内模型箱提供持续大流量供水。传统技术实现上述功能主要有以下三种方案:
[0005](I)在离心机转臂上设置大水箱，并通过水泵与吊篮内模型箱串联，形成封闭的水循环系统；
[0006](2)通过旋转接头将地面试验用水输送到吊篮内模型箱，并将试验后水输送到地面；
[0007](3)发明专利“离心机大流量水流控制系统(专利号:ZL201110434073.8)中，利用离心机室外高置的大体积出水箱向离心机旋转轴上的环形水槽供水方式，在有限时间内实现了离心机大流量水流供给。
[0008]无论是进行水库大坝溃决破坏离心模拟试验，还是进行流体与土工构筑物的多场耦合离心试验研究，都需为高速旋转的离心机转臂上的模型箱提供持续的大流量供水，但是上述三种方式均不能同时实现离心试验过程的持续大流量供水和试验后带泥沙的试验用水的回收，分别存在下述缺点:
[0009]针对方案(I):大水箱增大了离心机转臂的质量和不平衡力，为了实现转臂两端的平衡，需在安装水箱的另一端增加相应的静平衡配重块，这将大幅度增大离心机的驱动功率。另外，在超重力场下，水泵不仅难以稳定工作，而且很难将模型箱排除的水再泵回水箱。
[0010]针对方案(2):旋转接头不能实现大流量水的供给和回收，更难实现带泥沙的水的回收。
[0011]针对方案(3)离心机大流量水流控制系统”理论上可通过设置无限大体积的储水箱以实现持续大流量水的供给，但从模型箱排出的带泥沙的水大量喷入离心机室，虽可通过泵将泥水泵出，但在离心力作用下，喷射到机室壁的泥水经折射和高速旋转的转臂的多次拍打，将飞溅到整个离心机主机室，不仅弄脏设备，而且还可能导致离心机转臂上的电控元器件的损坏和离心机主机系统的锈蚀，从而影响设备的使用寿命。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于解决上述问题而提供一种巨型土工离心机大流量水循环系统。
[0013]本发明通过以下技术方案来实现上述目的:
[0014]一种巨型土工离心机大流量水循环系统，包括机室、主轴、转臂、模型箱和上仪器舱，所述转臂通过其旋转中心的安装孔固定安装在所述主轴上，所述主轴的下端通过传动支承与所述机室的内底面固定连接，所述主轴的上端通过上支承与所述机室的内顶面固定连接，所述上仪器舱设置在所述机室的上顶面，且通过传动轴与所述主轴的上端面连接，所述模型箱安装在所述转臂第一端的吊篮内，所述转臂的第二端设置有配重块，所述水循环系统还包括环形水箱、供水系统、第三进水管和第四进水管，所述供水系统的出水端设置在所述环形水箱内，所述主轴为空心轴，所述环形水箱通过螺钉与所述主轴的上端固定连接且位于所述上支承的上方，所述环形水箱下部设置有出水口，所述第三进水管设置在所述主轴的空腔内且所述第三进水管的进水端与所述环形水箱的出水口连接，所述第三进水管的出水端穿过所述主轴侧壁的通孔与所述第四进水管的进水端连接，所述第四进水管安装在所述转臂上，所述第四进水管的出水端与所述模型箱接通，所述机室的内壁在与所述转臂水平的位置设置有环形排水槽，所述环形排水槽的下部设置有出水口。
[0015]巨型土工离心机为单吊篮不对称臂结构，转臂跟随随主轴一起旋转以产生离心加速度，从而为离心试验提供超重力场。
[0016]具体地，所述供水系统包括第一进水管、第二进水管和水泵，所述第一进水管的出水端与所述水泵的进水端连接，所述水泵的出水端与所述第二进水管的进水端连接，所述第二进水管的出水端设置在所述环形水箱内。
[0017]当离心机运行到一定加速度需向模型箱注水时，通过控制供水系统的水泵将外部水源的水通过第一进水管按试验要求流速和流量泵出，并通过第二进水管注入环形水箱。
[0018]进一步，所述水循环系统还包括回水系统，所述回水系统包括过滤池和集水池，所述过滤池内设置有过滤装置，所述过滤池的进水口通过出水管与所述环形排水槽的出水口接通，所述过滤池的出水口与所述集水池的进水口接通，所述第一进水管的进水端设置在所述集水池内。
[0019]喷入环形排水槽的泥水经过出水口和出水管流入过滤池，过滤池中的过滤装置对流入带泥沙的水进行沉淀过滤处理，处理后的水流入集水池，然后通过供水系统进行循环利用。
[0020]优选地，所述过滤装置水平或竖直设置并将所述过滤池分为污水腔和清水腔，所述污水腔与所述环形排水槽接通，所述清水腔与所述集水池接通，所述过滤装置包括两层过滤网和石英砂，两层所述过滤网平行设置且所述石英砂设置在其夹层内部。
[0021]更进一步，所述水循环系统还包括多个挡水栅格和排水软管，所述排水软管的一端与所述模型箱的出水口固定连接，多个所述挡水栅格均匀设置在所述环形排水槽内部并与所述环形排水槽的底面固定连接。
[0022]优选地，所述挡水栅格所在的平面与所述挡水栅格和所述环形排水槽底面的连接点的切线所在的平面的夹角为锐角，所述挡水栅格的倾斜方向与所述转臂的旋转方向相反。
[0023]排水软管可缩短模型箱的出水口与环形排水槽的距离，这样从模型箱排出的泥水可靠近格栅直接喷入排水槽，在格栅的作用下，喷入的泥水可避免飞溅并全部进入排水槽的出水口。
[0024]具体地，所述上支承包括连接板、固定环片和连接环，所述固定环片的上表面与所述机室的内顶面固定连接，所述固定环片的下表面通过多个所述连接板与所述连接环固定连接，所述连接环通过滚动轴承与所述主轴的上端可转动连接。
[0025]具体地，所述传动轴包括长轴、弧形片和连接环片，所述连接环片的下表面通过螺钉与所述主轴的上端面固定连接，所述连接环片的上表面通过多个所述弧形片与所述长轴的下端固定连接，所述长轴的上端与所述上仪器舱连接。
[0026]为了防止注入的水在离心力作用下从水箱口抛出，所述环形水箱为去除顶面的葫芦型水箱。
[0027]主轴为空心轴，其下段通过固定于机室地基的传动支承约束其径向位移，上段通过固定于机室顶地基的上支承约约束径向位移，上支承约与主轴通过滚动轴承联接，这样在不影响主轴旋转的前提下，实现了主轴上下支承，从而增大了主轴承载转臂不平衡力的能力；传动轴通过螺钉固定在主轴上端面，在离心机运转过程中，它将带动上仪器舱随主轴一起旋转，从而可以对转臂进行监控；环形水箱通过螺钉固定在主轴上端并随主轴一起旋转，由于环形水箱的特殊结构形式，在离心机运行过程中，它将不会与静止的上支承等结构发生干涉，同时也不影响传动轴的安装。
[0028]本发明的有益效果在于:
[0029]本发明巨型土工离心机大流量水循环系统通过供水系统、回水系统和环形水箱及其对应装置，可为巨型土工离心机试验提供持续的大流量供水，并且能够防止试验水随意喷溅入离心机室而对设备造成的损伤；同时可对含有泥砂等固体颗粒的试验用水进行回收；试验后的泥水经过滤处理，可进行重复利用，从而节约了试验成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是本发明所述巨型土工离心机大流量水循环系统的整体剖视图；
[0031]图2是图1的局部放大示意图；
[0032]图3是本发明所述挡水栅格的安装示意图；
[0033]图4是本发明所述上支承的结构示意图；
[0034]图5是本发明所述传动轴的结构示意图；
[0035]图6是本发明所述环形水箱的半剖示意图；
[0036]图7是本发明所述环形水箱的结构示意图。
[0037]I一机室；2—第一进水管；3—传动支承；4一水泵；5—第二进水管；6—主轴；7—上仪器舱；8—环形水箱；9一第三进水管；10—上支承；11一转臂；12—第四进水管；13—模型箱；14一环形排水槽；15 —出水管；16—过滤网；17—过滤池；18—石英砂；19一集水池；20—传动轴；21—轴承；22—排水软管；23—挡水栅格。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图对本发明作进一步说明:
[0039]如图1、图2、图6和图7所示，本发明巨型土工离心机大流量水循环系统，包括机室1、主轴6、转臂11、模型箱13、上仪器舱7、环形水箱8、供水系统、第三进水管9、第四进水管12和回水系统，环形水箱8为去除顶面的葫芦型水箱，转臂11通过其旋转中心的安装孔固定在所述主轴6上，主轴6的下端通过传动支承3与机室I的内底面固定连接，主轴6的上端通过上支承10与机室I的内顶面固定连接，上仪器舱7设置在机室I的上顶面，且通过传动轴20与主轴6的上端面连接，模型箱13安装在转臂11第一端的吊篮内，转臂11的第二端设置有配重块，供水系统的出水端设置在环形水箱8内，主轴6为空心轴，环形水箱8通过螺钉与主轴6的上端固定连接且位于上支承10的上方，环形水箱8下部设置有出水口，第三进水管9设置在主轴6的空腔内且第三进水管9的进水端与环形水箱8的出水口连接，第三进水管9的出水端穿过主轴6侧壁的通孔与第四进水管12的进水端连接，第四进水管12安装在转臂11上，第四进水管12的出水端与模型箱13接通，机室I的内壁在与转臂11水平的位置设置有环形排水槽14，环形排水槽14的下部设置有出水口，供水系统包括第一进水管2、第二进水管5和水泵4，第一进水管2的出水端与水泵4的进水端连接，水泵4的出水端与第二进水管5的进水端连接，第二进水管5的出水端设置在环形水箱8内，回水系统包括过滤池17和集水池19，过滤池17内设置有过滤装置，过滤池17的进水口通过出水管15与环形排水槽14的出水口接通，过滤池17的出水口与集水池19的进水口接通，第一进水管2的进水端设置在集水池19内。
[0040]过滤装置水平或竖直设置并将过滤池17分为污水腔和清水腔，污水腔与环形排水槽14接通，清水腔与集水池19接通，过滤装置包括两层过滤网16和石英砂18，两层过滤网16平行设置且石英砂18设置在其夹层内部。
[0041 ] 如图3所示，水循环系统还包括多个挡水栅格23和排水软管22，排水软管22的一端与模型箱13的出水口固定连接，多个挡水栅格23均匀设置在环形排水槽14内部并与环形排水槽14的底面固定连接，挡水栅格23所在的平面与挡水栅格23和环形排水槽14底面的连接点的切线所在的平面的夹角为锐角，挡水栅格23的倾斜方向与转臂11的旋转方向相反。
[0042]如图4所示，上支承10包括连接板、固定环片和连接环，固定环片的上表面与机室I的内顶面固定连接，固定环片的下表面通过多个连接板与连接环固定连接，连接环通过滚动轴承与主轴6的上端可转动连接。
[0043]如图5所示，传动轴20包括长轴、弧形片和连接环片，连接环片的下表面通过螺钉与主轴6的上端面固定连接，连接环片的上表面通过多个弧形片与长轴的下端固定连接，长轴的上端与上仪器舱7连接。
[0044]本发明巨型土工离心机大流量水循环系统的工作原理如下:
[0045]巨型土工离心机为单吊篮不对称臂结构，转臂11 一端安装吊篮及模型箱13，另一端设置配重块，转臂11安装在主轴6上，并随主轴6 —起旋转以产生离心加速度，从而为离心试验提供超重力场。
[0046]在模型箱13内进行水库大坝溃决破坏离心模拟试验或流体与土工构筑物的多场耦合离心试验研究，每小时流入模型箱13的试验用水超过数十立方米，试验后流出的水还夹带有泥沙等固体颗粒，本专利提出的水循环系统可实现上述工况的供水和回收。
[0047]当离心机运行到一定加速度需向模型箱13注水时，通过控制供水系统的水泵4将集水池19的水通过第一进水管2按试验要求流速和流量泵出，并通过第二进水管5注入环形水箱8，第二进水管5的出水端端头伸入环形水箱8，并与其保持了一定的安全间距，同时环形水箱8的葫芦状结构可防止注入的水在离心力作用下从水箱口抛出，注入的水将在重力作用下，从环形水箱8底部开口流入安装在主轴6空腔内的第三进水管9，然后进入安装在转臂11的第四进水管12，并在离心力作用下，试验用水到达模型箱13。
[0048]水在模型箱13内完成试验后，模型箱13内的泥水从其出水口流入排水软管22，排水软管22可缩短模型箱13底部出水口与环形排水槽14的距离，同时在与挡水栅格23的共同作用下可以防止大流量泥水喷入环形排水槽14时到处飞溅，环形排水槽14将收集的泥水从其出水口排出。
[0049]喷入环形排水槽14的泥水经过其出水口和出水管流入过滤池17，过滤池17内设置的过滤装置，可对流入的泥水进行多次沉淀过滤处理，处理后的水汇集于集水池19，然后通过供水系统进行循环利用。
[0050]本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种巨型土工离心机大流量水循环系统，包括机室、主轴、转臂、模型箱和上仪器舱，所述转臂通过其旋转中心的安装孔固定安装在所述主轴上，所述主轴的下端通过传动支承与所述机室的内底面固定连接，所述主轴的上端通过上支承与所述机室的内顶面固定连接，所述上仪器舱设置在所述机室的上顶面，且通过传动轴与所述主轴的上端面连接，所述模型箱安装在所述转臂第一端的吊篮内，所述转臂的第二端设置有配重块，其特征在于:还包括环形水箱、供水系统、第三进水管和第四进水管，所述供水系统的出水端设置在所述环形水箱内，所述主轴为空心轴，所述环形水箱通过螺钉与所述主轴的上端固定连接且位于所述上支承的上方，所述环形水箱下部设置有出水口，所述第三进水管设置在所述主轴的空腔内且所述第三进水管的进水端与所述环形水箱的出水口连接，所述第三进水管的出水端穿过所述主轴侧壁的通孔与所述第四进水管的进水端连接，所述第四进水管安装在所述转臂上，所述第四进水管的出水端与所述模型箱接通，所述机室的内壁在与所述转臂水平的位置设置有环形排水槽，所述环形排水槽的下部设置有出水口。
2.根据权利要求1所述的巨型土工离心机大流量水循环系统，其特征在于:所述供水系统包括第一进水管、第二进水管和水泵，所述第一进水管的出水端与所述水泵的进水端连接，所述水泵的出水端与所述第二进水管的进水端连接，所述第二进水管的出水端设置在所述环形水箱内。
3.根据权利要求1或2所述的巨型土工离心机大流量水循环系统，其特征在于:还包括回水系统，所述回水系统包括过滤池和集水池，所述过滤池内设置有过滤装置，所述过滤池的进水口通过出水管与所述环形排水槽的出水口接通，所述过滤池17的出水口与所述集水池的进水口接通，所述第一进水管的进水端设置在所述集水池内。
4.根据权利要求3所述的巨型土工离心机大流量水循环系统，其特征在于:所述过滤装置水平或竖直设置并将所述过滤池分为污水腔和清水腔，所述污水腔与所述环形排水槽接通，所述清水腔与所述集水池接通，所述过滤装置包括两层过滤网和石英砂，两层所述过滤网平行设置且所述石英砂设置在其夹层内部。
5.根据权利要求1所述的巨型土工离心机大流量水循环系统，其特征在于:还包括多个挡水栅格和排水软管，所述排水软管的一端与所述模型箱的出水口固定连接，多个所述挡水栅格均匀设置在所述环形排水槽内部并与所述环形排水槽的底面固定连接。
6.根据权利要求5所述的巨型土工离心机大流量水循环系统，其特征在于:所述挡水栅格所在的平面与所述挡水栅格和所述环形排水槽底面的连接点的切线所在的平面的夹角为锐角，所述挡水栅格的倾斜方向与所述转臂的旋转方向相反。
7.根据权利要求1所述的巨型土工离心机大流量水循环系统，其特征在于:所述上支承包括连接板、固定环片和连接环，所述固定环片的上表面与所述机室的内顶面固定连接，所述固定环片的下表面通过多个所述连接板与所述连接环固定连接，所述连接环通过滚动轴承与所述主轴的上端可转动连接。
8.根据权利要求1所述的巨型土工离心机大流量水循环系统，其特征在于:所述传动轴包括长轴、弧形片和连接环片，所述连接环片的下表面通过螺钉与所述主轴的上端面固定连接，所述连接环片的上表面通过多个所述弧形片与所述长轴的下端固定连接，所述长轴的上端与所述上仪器舱连接。
9.根据权利要求1所述的巨型土工离心机大流量水循环系统，其特征在于:所述环形水箱为去除顶面的葫芦型水箱。
【文档编号】E02B1/02GK104233998SQ201410513758
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】冉光斌, 洪建忠, 黎启胜, 刘伟, 李明海, 赵宝忠 申请人:中国工程物理研究院总体工程研究所