專利名稱：用于離心設(shè)備的顆粒狀物質(zhì)供給裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖土工程中的離心模型試驗(yàn)裝置，尤其是涉及一種用于離心模型試驗(yàn) 中的顆粒狀物質(zhì)供給裝置。
背景技術(shù)：
離心模型試驗(yàn)是巖土工程的重要研究手段之一，在國內(nèi)外被廣泛采用。然而，由 于離心模型試驗(yàn)中模型箱在離心機(jī)中高速運(yùn)轉(zhuǎn)，土所受的離心加速度高達(dá)幾十甚至上百倍 的重力加速度，自由下落土粒在其作用下會高速運(yùn)動，且相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動較Ig困難很 多，因此在離心模型試驗(yàn)中控制砂土的供給速度、高度等方面面臨著較大挑戰(zhàn)。例如，在土木仿真實(shí)驗(yàn)中，需要向高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)中供給砂，以例如模擬高速旋 轉(zhuǎn)的鉆機(jī)中的實(shí)時沙土鉆探中鉆桿的力學(xué)分析。由于離心機(jī)的轉(zhuǎn)速很快，從而采用普通的 人為控制直接供砂或者進(jìn)行電磁閥來控制供砂的方法難以滿足該工藝條件，因?yàn)樵诟咚匐x 心機(jī)的工況下，電磁控制往往容易失靈。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的 在于提出一種可實(shí)現(xiàn)對例如砂土的顆粒狀物質(zhì)供給速率的控制的用于離心模型試驗(yàn)的離 心設(shè)備的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，該裝置可以滿足高速旋轉(zhuǎn)的離心設(shè)備的顆粒狀物質(zhì)供給工 況。根據(jù)本發(fā)明的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，包括至少一個顆粒狀物質(zhì)容器，所述顆粒狀 物質(zhì)容器的底部設(shè)置有顆粒狀物質(zhì)供給口，被容納于所述顆粒狀物質(zhì)容器中的顆粒狀物質(zhì) 通過所述顆粒狀物質(zhì)供給口被向外供給；與顆粒狀物質(zhì)容器對應(yīng)并與所述顆粒狀物質(zhì)容器 固定的至少一個顆粒狀物質(zhì)端口開關(guān)單元，每個顆粒狀物質(zhì)端口開關(guān)單元包括氣缸，所述 氣缸內(nèi)設(shè)置有活塞；以及控制桿，所述控制桿的一端連接至所述活塞，以在氣缸的作用下控 制所述顆粒狀物質(zhì)供給口的開閉。根據(jù)本發(fā)明的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，能夠在離心模型試驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)對顆粒狀物 質(zhì)供給速率及流量的控制，并且系統(tǒng)簡單，控制方便，成本低。另外，根據(jù)本發(fā)明的顆粒狀物質(zhì)供給裝置還具有如下附加技術(shù)特征所述顆粒狀物質(zhì)供給裝置進(jìn)一步包括延長桿，所述延長桿連接在所述控制桿下 端，可隨控制桿的伸縮而上下移動，且其向下移動可封閉所述顆粒狀物質(zhì)供給口。所述延長桿的直徑不小于所述顆粒狀物質(zhì)供給口的直徑。所述顆粒狀物質(zhì)供給口向下具有預(yù)定的錐度，且直徑向下逐漸變小，所述控制桿 的直徑大于所述顆粒狀物質(zhì)供給口處的最小直徑。所述氣缸設(shè)置有設(shè)置在活塞兩側(cè)的第一進(jìn)氣口和第二進(jìn)氣口，所述第一進(jìn)氣口 和第二進(jìn)氣口適于與外部氣壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行連通，以讓氣缸推動所述控制桿進(jìn)行豎向伸 縮運(yùn)動。
在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述顆粒狀物質(zhì)供給裝置包括兩個顆粒狀物質(zhì)容 器和與所述顆粒狀物質(zhì)容器對應(yīng)的顆粒狀物質(zhì)端口開關(guān)單元，所述顆粒狀物質(zhì)端口開關(guān)單 元的第一進(jìn)氣口分別連接至第一氣壓力控制系統(tǒng)，所述顆粒狀物質(zhì)端口開關(guān)單元的第二進(jìn) 氣口分別連接至第二氣壓力控制系統(tǒng)，以對所述顆粒狀物質(zhì)容器的顆粒狀物質(zhì)供給口進(jìn)行 同步地打開和關(guān)閉。所述顆粒狀物質(zhì)容器的下端呈漏斗形。所述顆粒狀物質(zhì)容器為透明材質(zhì)制成，便于在離心模型試驗(yàn)中進(jìn)行對顆粒狀物質(zhì) 速度、流量等性狀的觀察。所述顆粒狀物質(zhì)供給裝置進(jìn)一步包括延長套，所述延長套的上端固定在顆粒狀物 質(zhì)供給口處。可便于顆粒狀物質(zhì)從顆粒狀物質(zhì)供給口向外排出并直接供給到外部的容器 中，避免顆粒狀物質(zhì)的泄漏。所述延長套由彈性材料制成。根據(jù)本發(fā)明的顆粒狀物質(zhì)供給裝置可用于多種顆粒狀物質(zhì)，通用性高，控制方便。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的砂供給裝置在離心模型試驗(yàn)中的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的砂供給裝置的第一個實(shí)施例在離心模型試驗(yàn)中的剖面示意 圖；以及圖3是根據(jù)本發(fā)明的砂供給裝置在離心模型試驗(yàn)中的第二個實(shí)施例的剖面示意 圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，術(shù)語“內(nèi)”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置關(guān)系為基于 附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明而不是要求本發(fā)明必須以特定的方 位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。下面參考圖1-圖3描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的砂供給裝置。在本發(fā)明的描述中，顆 粒狀物質(zhì)以砂土為例來進(jìn)行說明。與顆粒狀物質(zhì)相關(guān)聯(lián)的技術(shù)特征均替換成砂土所對應(yīng)的 技術(shù)特征。此外，需要說明的是，本發(fā)明的顆粒狀物質(zhì)供給裝置可以用于各種離心設(shè)備，用 于供給顆粒狀物質(zhì)，例如土木模擬實(shí)驗(yàn)中所使用的土工離心試驗(yàn)機(jī)。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的一種用于離心設(shè)備的砂供給裝置，包括至少一個砂容 器1和至少一個砂端口開關(guān)單元2，其中砂端口開關(guān)單元2與砂容器1相對應(yīng)與砂容器1固 定。
砂容器1的底部設(shè)置有出砂口 11，被容納于砂容器1中的砂通過出砂口 11被向外 供給。可選地，砂容器1的下端呈漏斗形，出砂口 11形成在該漏斗形砂容器的最下端。在 本發(fā)明的一個示例中，砂容器1可由透明材質(zhì)制成。這樣，可便于在離心模型試驗(yàn)中進(jìn)行對 砂土速度、流量等性狀的觀察。砂端口開關(guān)單元2包括氣缸21和控制桿22。其中，在氣缸21內(nèi)設(shè)置有活塞211， 而在氣缸21外部通過離心機(jī)滑環(huán)6與氣壓力控制系統(tǒng)7相連接，從而通過氣壓力控制系統(tǒng) 7來控制氣缸21的活塞運(yùn)動?？刂茥U22的一端連接至活塞211，以控制出砂口 11的開閉。 具體地，在控制桿22下端連接有延長桿23，延長桿23可隨控制桿22的伸縮而上下移動，且 其向下移動可封閉出砂口 11。延長桿23的直徑不小于出砂口 11的直徑。在本發(fā)明的另一個示例中，出砂口向下具有預(yù)定的錐度，且直徑向下逐漸變小，控 制桿22的直徑大于出砂口處的最小直徑。在本發(fā)明的再一個示例中，該砂供給裝置還進(jìn)一步包括延長套3，延長套3的上端 固定在出砂口 11處?？蛇x地，延長套3由彈性材料制成，可便于砂土從出砂口 11向外排出 并直接供給到外部的容器中，避免漏砂。下面將通過兩個實(shí)施例來介紹砂供給裝置在進(jìn)行離心模型試驗(yàn)時的控制過程。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的第一個實(shí)施例的砂供給裝置，砂端口開關(guān)單元2中的氣 缸21上形成有第一進(jìn)氣口 12和第二進(jìn)氣口 13，其中第一進(jìn)氣口 12和第二進(jìn)氣口 13分別 形成在活塞211的上下兩側(cè)，且適于與外部第一氣壓力控制系統(tǒng)4和第二氣壓力控制系統(tǒng) 5分別進(jìn)行連通，以讓氣缸21推動控制桿22進(jìn)行豎向伸縮運(yùn)動。第一個示例，當(dāng)砂容器1的數(shù)目為1個時，則與其對應(yīng)的砂端口開關(guān)單元2的數(shù)目 也為1個。在本示例中，根據(jù)本發(fā)明的砂供給裝置在離心模型試驗(yàn)時，首先調(diào)整氣缸21及其 控制桿22，以推動延長桿23向下移動封閉出砂口。再在砂容器1中裝上所需量的砂土，并 將氣缸21通過離心機(jī)滑環(huán)與氣壓力控制系統(tǒng)相連通，其中，第一進(jìn)氣口 12與第一氣壓力控 制系統(tǒng)4連通，而第二進(jìn)氣口 13與第二氣壓力控制系統(tǒng)5連通。然后啟動離心機(jī)，開始增 加離心加速度至設(shè)定值。之后，再啟動第一、第二氣壓力控制系統(tǒng)，使得通過位于活塞211 上部的第一進(jìn)氣口 12進(jìn)入的氣壓低于位于活塞211下部的第二進(jìn)氣口 13進(jìn)入的氣壓，從 而使得活塞211向上移動，帶動了控制桿22向上移動，而后使得延長桿23開始上移，逐漸 脫離出砂口 11，這樣，砂土便能從出砂口 11中供給到外部。需要在砂容器1中繼續(xù)裝砂土?xí)r，可啟動第一、第二氣壓力控制系統(tǒng)，使得通過位 于活塞211上部的第一進(jìn)氣口 12進(jìn)入的氣壓高于位于活塞211下部的第二進(jìn)氣口 13進(jìn)入 的氣壓，從而使得活塞211向下移動，帶動了控制桿22向下移動，而后使得延長桿23開始 下移，逐漸封閉出砂口 11，封閉出砂口 11后即可裝砂。需要說明的是，砂容器1的數(shù)目為多個例如為兩個，則與其對應(yīng)的砂端口開關(guān)單 元2的數(shù)目也為兩個(圖未示)。兩個砂容器1和與砂容器1對應(yīng)的砂端口開關(guān)單元2，兩個砂端口開關(guān)單元2的第 一進(jìn)氣口 12分別連接至第一氣壓力控制系統(tǒng)4，兩個砂端口開關(guān)單元2的第二進(jìn)氣口 13分 別連接至第二氣壓力控制系統(tǒng)5，以對兩個砂容器1的出砂口 11進(jìn)行同步地打開和關(guān)閉。本示例中的砂供給裝置的工作過程與上一個示例中一致，不同之處僅在于，第一氣壓力控制系統(tǒng)4與第二氣壓力控制系統(tǒng)5分別連通并同時控制兩個氣缸同步運(yùn)動。如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的第二個實(shí)施例的砂供給裝置，氣缸21上只形成有第一 進(jìn)氣口 12，該第一進(jìn)氣口 12設(shè)在活塞的上側(cè)，與第一氣壓力控制系統(tǒng)4相連通。這樣，第一 氣壓力控制系統(tǒng)4可通過控制氣缸21，使得活塞211上下運(yùn)動使得控制桿22帶動延長桿 23伸縮運(yùn)動。根據(jù)本發(fā)明的砂供給裝置在離心模型試驗(yàn)工作時，首先調(diào)整氣缸21及其控制桿 22，以推動延長桿23向下移動封閉出砂口。再在砂容器1中裝上所需量的砂土，將氣缸21 通過離心機(jī)滑環(huán)與第一氣壓力控制系統(tǒng)相連通。然后啟動離心機(jī)，開始增加離心加速度至 設(shè)定值。之后，再啟動氣壓力控制系統(tǒng)逐漸增大氣壓力，控制氣缸21的活塞211帶動控制 桿22向上移動，從而使得延長桿23開始上移，逐漸脫離出砂口 11，這樣，砂土便能從出砂口 11中供給到外部。同樣地，根據(jù)本發(fā)明的砂供給裝置的砂容器1和與其對應(yīng)的砂端口開關(guān)單元2的 數(shù)目為多個例如為兩個時(圖未示)，其工作過程與砂容器1和砂端口開關(guān)單元2的數(shù)目 為1個時的工作過程一致，不同之處僅在于第一氣壓力控制系統(tǒng)連通并同時控制兩個氣缸 進(jìn)行同步運(yùn)動。另外，本發(fā)明的其中一個示例中，砂供給裝置的出砂口 11下端的直徑是可以調(diào)整 變化的，可以根據(jù)砂土的顆粒形狀、粒徑級配等特性以及離心加速度條件，調(diào)試合適的出砂 口尺寸，可用于調(diào)整合適的出砂速率，同時，延長桿23的直徑也隨之變化。而出砂量可通過 砂容器的裝砂量來控制。根據(jù)本發(fā)明的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，能夠在離心模型試驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)對例如砂土 的顆粒狀物質(zhì)的供給速率及流量的控制，并且系統(tǒng)簡單，控制方便，成本低。另外，根據(jù)本發(fā) 明的顆粒狀物質(zhì)供給裝置可用于多種砂土，通用性高。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解在不 脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本 發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
一種用于離心設(shè)備的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，其特征在于，包括至少一個顆粒狀物質(zhì)容器，所述顆粒狀物質(zhì)容器的底部設(shè)置有顆粒狀物質(zhì)供給口，被容納于所述顆粒狀物質(zhì)容器中的顆粒狀物質(zhì)通過所述顆粒狀物質(zhì)供給口被向外供給；與顆粒狀物質(zhì)容器對應(yīng)并與所述顆粒狀物質(zhì)容器固定的至少一個顆粒狀物質(zhì)端口開關(guān)單元，每個顆粒狀物質(zhì)端口開關(guān)單元包括氣缸，所述氣缸內(nèi)設(shè)置有活塞；以及控制桿，所述控制桿的一端連接至所述活塞，以在氣缸的作用下控制所述顆粒狀物質(zhì)供給口的開閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括延長桿，所述 延長桿連接在所述控制桿下端，可隨控制桿的伸縮而上下移動，且其向下移動可封閉所述 顆粒狀物質(zhì)供給口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，其特征在于，所述延長桿的直徑不小 于所述顆粒狀物質(zhì)供給口的直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，其特征在于，所述顆粒狀物質(zhì)供給口 向下具有預(yù)定的錐度，且直徑向下逐漸變小，所述控制桿的直徑大于所述顆粒狀物質(zhì)供給 口處的最小直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，其特征在于，所述氣缸設(shè)置有設(shè)置在活塞兩側(cè)的第一進(jìn)氣口和第二進(jìn)氣口，所述第一進(jìn)氣口和第二進(jìn)氣口適于與外部氣壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行連通，以讓氣缸推動所述控制桿進(jìn)行豎向伸縮運(yùn)動。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，包括兩個顆粒狀物質(zhì)容器和與所述 顆粒狀物質(zhì)容器對應(yīng)的顆粒狀物質(zhì)端口開關(guān)單元，所述顆粒狀物質(zhì)端口開關(guān)單元的第一進(jìn) 氣口分別連接至第一氣壓力控制系統(tǒng)，所述顆粒狀物質(zhì)端口開關(guān)單元的第二進(jìn)氣口分別連 接至第二氣壓力控制系統(tǒng)，以對所述顆粒狀物質(zhì)容器的顆粒狀物質(zhì)供給口進(jìn)行同步地打開 和關(guān)閉。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，其特征在于，所述顆粒狀物質(zhì)容器的 下端呈漏斗形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，其特征在于，所述顆粒狀物質(zhì)容器為 透明材質(zhì)制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括延長套，所述 延長套的上端固定在顆粒狀物質(zhì)供給口處。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，其特征在于，所述延長套由彈性材料 制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種顆粒狀物質(zhì)供給裝置，包括至少一個顆粒狀物質(zhì)容器，所述顆粒狀物質(zhì)容器的底部設(shè)置有顆粒狀物質(zhì)供給口，被容納于所述顆粒狀物質(zhì)容器中的顆粒狀物質(zhì)通過所述顆粒狀物質(zhì)供給口被向外供給；與顆粒狀物質(zhì)容器對應(yīng)并與所述顆粒狀物質(zhì)容器固定的至少一個顆粒狀物質(zhì)端口開關(guān)單元，每個顆粒狀物質(zhì)端口開關(guān)單元包括氣缸，所述氣缸內(nèi)設(shè)置有活塞；以及控制桿，所述控制桿的一端連接至所述活塞，以在氣缸的作用下控制所述顆粒狀物質(zhì)供給口的開閉。根據(jù)本發(fā)明的顆粒狀物質(zhì)供給裝置，能夠在離心模型試驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)對顆粒狀物質(zhì)供給速率及流量的控制，并且系統(tǒng)簡單，控制方便，成本低。
文檔編號B04B11/00GK101912826SQ201010225660
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者張嘎, 張建民, 王麗萍, 王睿, 鄭瑞華 申請人:清華大學(xué)