专利名称：用于离心设备的颗粒状物质供给装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程中的离心模型试验装置，尤其是涉及一种用于离心模型试验 中的颗粒状物质供给装置。
背景技术：
离心模型试验是岩土工程的重要研究手段之一，在国内外被广泛采用。然而，由 于离心模型试验中模型箱在离心机中高速运转，土所受的离心加速度高达几十甚至上百倍 的重力加速度，自由下落土粒在其作用下会高速运动，且相应的控制机构运动较Ig困难很 多，因此在离心模型试验中控制砂土的供给速度、高度等方面面临着较大挑战。例如，在土木仿真实验中，需要向高速旋转的离心机中供给砂，以例如模拟高速旋 转的钻机中的实时沙土钻探中钻杆的力学分析。由于离心机的转速很快，从而采用普通的 人为控制直接供砂或者进行电磁阀来控制供砂的方法难以满足该工艺条件，因为在高速离 心机的工况下，电磁控制往往容易失灵。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的 在于提出一种可实现对例如砂土的颗粒状物质供给速率的控制的用于离心模型试验的离 心设备的颗粒状物质供给装置，该装置可以满足高速旋转的离心设备的颗粒状物质供给工 况。根据本发明的颗粒状物质供给装置，包括至少一个颗粒状物质容器，所述颗粒状 物质容器的底部设置有颗粒状物质供给口，被容纳于所述颗粒状物质容器中的颗粒状物质 通过所述颗粒状物质供给口被向外供给；与颗粒状物质容器对应并与所述颗粒状物质容器 固定的至少一个颗粒状物质端口开关单元，每个颗粒状物质端口开关单元包括气缸，所述 气缸内设置有活塞；以及控制杆，所述控制杆的一端连接至所述活塞，以在气缸的作用下控 制所述颗粒状物质供给口的开闭。根据本发明的颗粒状物质供给装置，能够在离心模型试验过程中实现对颗粒状物 质供给速率及流量的控制，并且系统简单，控制方便，成本低。另外，根据本发明的颗粒状物质供给装置还具有如下附加技术特征所述颗粒状物质供给装置进一步包括延长杆，所述延长杆连接在所述控制杆下 端，可随控制杆的伸缩而上下移动，且其向下移动可封闭所述颗粒状物质供给口。所述延长杆的直径不小于所述颗粒状物质供给口的直径。所述颗粒状物质供给口向下具有预定的锥度，且直径向下逐渐变小，所述控制杆 的直径大于所述颗粒状物质供给口处的最小直径。所述气缸设置有设置在活塞两侧的第一进气口和第二进气口，所述第一进气口 和第二进气口适于与外部气压力控制系统进行连通，以让气缸推动所述控制杆进行竖向伸 缩运动。
在本发明的一种实施方式中，所述颗粒状物质供给装置包括两个颗粒状物质容 器和与所述颗粒状物质容器对应的颗粒状物质端口开关单元，所述颗粒状物质端口开关单 元的第一进气口分别连接至第一气压力控制系统，所述颗粒状物质端口开关单元的第二进 气口分别连接至第二气压力控制系统，以对所述颗粒状物质容器的颗粒状物质供给口进行 同步地打开和关闭。所述颗粒状物质容器的下端呈漏斗形。所述颗粒状物质容器为透明材质制成，便于在离心模型试验中进行对颗粒状物质 速度、流量等性状的观察。所述颗粒状物质供给装置进一步包括延长套，所述延长套的上端固定在颗粒状物 质供给口处。可便于颗粒状物质从颗粒状物质供给口向外排出并直接供给到外部的容器 中，避免颗粒状物质的泄漏。所述延长套由弹性材料制成。根据本发明的颗粒状物质供给装置可用于多种颗粒状物质，通用性高，控制方便。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中图1是根据本发明的实施例的砂供给装置在离心模型试验中的示意图；图2是根据本发明的砂供给装置的第一个实施例在离心模型试验中的剖面示意 图；以及图3是根据本发明的砂供给装置在离心模型试验中的第二个实施例的剖面示意 图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于 附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方 位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。下面参考图1-图3描述根据本发明实施例的砂供给装置。在本发明的描述中，颗 粒状物质以砂土为例来进行说明。与颗粒状物质相关联的技术特征均替换成砂土所对应的 技术特征。此外，需要说明的是，本发明的颗粒状物质供给装置可以用于各种离心设备，用 于供给颗粒状物质，例如土木模拟实验中所使用的土工离心试验机。如图1所示，根据本发明的一种用于离心设备的砂供给装置，包括至少一个砂容 器1和至少一个砂端口开关单元2，其中砂端口开关单元2与砂容器1相对应与砂容器1固 定。
砂容器1的底部设置有出砂口 11，被容纳于砂容器1中的砂通过出砂口 11被向外 供给。可选地，砂容器1的下端呈漏斗形，出砂口 11形成在该漏斗形砂容器的最下端。在 本发明的一个示例中，砂容器1可由透明材质制成。这样，可便于在离心模型试验中进行对 砂土速度、流量等性状的观察。砂端口开关单元2包括气缸21和控制杆22。其中，在气缸21内设置有活塞211， 而在气缸21外部通过离心机滑环6与气压力控制系统7相连接，从而通过气压力控制系统 7来控制气缸21的活塞运动。控制杆22的一端连接至活塞211，以控制出砂口 11的开闭。 具体地，在控制杆22下端连接有延长杆23，延长杆23可随控制杆22的伸缩而上下移动，且 其向下移动可封闭出砂口 11。延长杆23的直径不小于出砂口 11的直径。在本发明的另一个示例中，出砂口向下具有预定的锥度，且直径向下逐渐变小，控 制杆22的直径大于出砂口处的最小直径。在本发明的再一个示例中，该砂供给装置还进一步包括延长套3，延长套3的上端 固定在出砂口 11处。可选地，延长套3由弹性材料制成，可便于砂土从出砂口 11向外排出 并直接供给到外部的容器中，避免漏砂。下面将通过两个实施例来介绍砂供给装置在进行离心模型试验时的控制过程。如图2所示，根据本发明的第一个实施例的砂供给装置，砂端口开关单元2中的气 缸21上形成有第一进气口 12和第二进气口 13，其中第一进气口 12和第二进气口 13分别 形成在活塞211的上下两侧，且适于与外部第一气压力控制系统4和第二气压力控制系统 5分别进行连通，以让气缸21推动控制杆22进行竖向伸缩运动。第一个示例，当砂容器1的数目为1个时，则与其对应的砂端口开关单元2的数目 也为1个。在本示例中，根据本发明的砂供给装置在离心模型试验时，首先调整气缸21及其 控制杆22，以推动延长杆23向下移动封闭出砂口。再在砂容器1中装上所需量的砂土，并 将气缸21通过离心机滑环与气压力控制系统相连通，其中，第一进气口 12与第一气压力控 制系统4连通，而第二进气口 13与第二气压力控制系统5连通。然后启动离心机，开始增 加离心加速度至设定值。之后，再启动第一、第二气压力控制系统，使得通过位于活塞211 上部的第一进气口 12进入的气压低于位于活塞211下部的第二进气口 13进入的气压，从 而使得活塞211向上移动，带动了控制杆22向上移动，而后使得延长杆23开始上移，逐渐 脱离出砂口 11，这样，砂土便能从出砂口 11中供给到外部。需要在砂容器1中继续装砂土时，可启动第一、第二气压力控制系统，使得通过位 于活塞211上部的第一进气口 12进入的气压高于位于活塞211下部的第二进气口 13进入 的气压，从而使得活塞211向下移动，带动了控制杆22向下移动，而后使得延长杆23开始 下移，逐渐封闭出砂口 11，封闭出砂口 11后即可装砂。需要说明的是，砂容器1的数目为多个例如为两个，则与其对应的砂端口开关单 元2的数目也为两个(图未示)。两个砂容器1和与砂容器1对应的砂端口开关单元2，两个砂端口开关单元2的第 一进气口 12分别连接至第一气压力控制系统4，两个砂端口开关单元2的第二进气口 13分 别连接至第二气压力控制系统5，以对两个砂容器1的出砂口 11进行同步地打开和关闭。本示例中的砂供给装置的工作过程与上一个示例中一致，不同之处仅在于，第一气压力控制系统4与第二气压力控制系统5分别连通并同时控制两个气缸同步运动。如图3所示，根据本发明的第二个实施例的砂供给装置，气缸21上只形成有第一 进气口 12，该第一进气口 12设在活塞的上侧，与第一气压力控制系统4相连通。这样，第一 气压力控制系统4可通过控制气缸21，使得活塞211上下运动使得控制杆22带动延长杆 23伸缩运动。根据本发明的砂供给装置在离心模型试验工作时，首先调整气缸21及其控制杆 22，以推动延长杆23向下移动封闭出砂口。再在砂容器1中装上所需量的砂土，将气缸21 通过离心机滑环与第一气压力控制系统相连通。然后启动离心机，开始增加离心加速度至 设定值。之后，再启动气压力控制系统逐渐增大气压力，控制气缸21的活塞211带动控制 杆22向上移动，从而使得延长杆23开始上移，逐渐脱离出砂口 11，这样，砂土便能从出砂口 11中供给到外部。同样地，根据本发明的砂供给装置的砂容器1和与其对应的砂端口开关单元2的 数目为多个例如为两个时(图未示)，其工作过程与砂容器1和砂端口开关单元2的数目 为1个时的工作过程一致，不同之处仅在于第一气压力控制系统连通并同时控制两个气缸 进行同步运动。另外，本发明的其中一个示例中，砂供给装置的出砂口 11下端的直径是可以调整 变化的，可以根据砂土的颗粒形状、粒径级配等特性以及离心加速度条件，调试合适的出砂 口尺寸，可用于调整合适的出砂速率，同时，延长杆23的直径也随之变化。而出砂量可通过 砂容器的装砂量来控制。根据本发明的颗粒状物质供给装置，能够在离心模型试验过程中实现对例如砂土 的颗粒状物质的供给速率及流量的控制，并且系统简单，控制方便，成本低。另外，根据本发 明的颗粒状物质供给装置可用于多种砂土，通用性高。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
一种用于离心设备的颗粒状物质供给装置，其特征在于，包括至少一个颗粒状物质容器，所述颗粒状物质容器的底部设置有颗粒状物质供给口，被容纳于所述颗粒状物质容器中的颗粒状物质通过所述颗粒状物质供给口被向外供给；与颗粒状物质容器对应并与所述颗粒状物质容器固定的至少一个颗粒状物质端口开关单元，每个颗粒状物质端口开关单元包括气缸，所述气缸内设置有活塞；以及控制杆，所述控制杆的一端连接至所述活塞，以在气缸的作用下控制所述颗粒状物质供给口的开闭。
2.根据权利要求1所述的颗粒状物质供给装置，其特征在于，进一步包括延长杆，所述 延长杆连接在所述控制杆下端，可随控制杆的伸缩而上下移动，且其向下移动可封闭所述 颗粒状物质供给口。
3.根据权利要求2所述的颗粒状物质供给装置，其特征在于，所述延长杆的直径不小 于所述颗粒状物质供给口的直径。
4.根据权利要求1所述的颗粒状物质供给装置，其特征在于，所述颗粒状物质供给口 向下具有预定的锥度，且直径向下逐渐变小，所述控制杆的直径大于所述颗粒状物质供给 口处的最小直径。
5.根据权利要求1所述的颗粒状物质供给装置，其特征在于，所述气缸设置有设置在活塞两侧的第一进气口和第二进气口，所述第一进气口和第二进气口适于与外部气压力控制系统进行连通，以让气缸推动所述控制杆进行竖向伸缩运动。
6.根据权利要求5所述的颗粒状物质供给装置，包括两个颗粒状物质容器和与所述 颗粒状物质容器对应的颗粒状物质端口开关单元，所述颗粒状物质端口开关单元的第一进 气口分别连接至第一气压力控制系统，所述颗粒状物质端口开关单元的第二进气口分别连 接至第二气压力控制系统，以对所述颗粒状物质容器的颗粒状物质供给口进行同步地打开 和关闭。
7.根据权利要求1所述的颗粒状物质供给装置，其特征在于，所述颗粒状物质容器的 下端呈漏斗形。
8.根据权利要求1所述的颗粒状物质供给装置，其特征在于，所述颗粒状物质容器为 透明材质制成。
9.根据权利要求1所述的颗粒状物质供给装置，其特征在于，进一步包括延长套，所述 延长套的上端固定在颗粒状物质供给口处。
10.根据权利要求9所述的颗粒状物质供给装置，其特征在于，所述延长套由弹性材料 制成。
全文摘要
本发明公开了一种颗粒状物质供给装置，包括至少一个颗粒状物质容器，所述颗粒状物质容器的底部设置有颗粒状物质供给口，被容纳于所述颗粒状物质容器中的颗粒状物质通过所述颗粒状物质供给口被向外供给；与颗粒状物质容器对应并与所述颗粒状物质容器固定的至少一个颗粒状物质端口开关单元，每个颗粒状物质端口开关单元包括气缸，所述气缸内设置有活塞；以及控制杆，所述控制杆的一端连接至所述活塞，以在气缸的作用下控制所述颗粒状物质供给口的开闭。根据本发明的颗粒状物质供给装置，能够在离心模型试验过程中实现对颗粒状物质供给速率及流量的控制，并且系统简单，控制方便，成本低。
文档编号B04B11/00GK101912826SQ201010225660
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月5日 优先权日2010年7月5日
发明者张嘎, 张建民, 王丽萍, 王睿, 郑瑞华 申请人:清华大学