专利名称：弹力式恒压供液装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及实验量测仪器技术领域，尤其涉及一种弹力式恒压供液装置，为土壤
渗流试验和土柱淋滤试验等科学实验提供一种压力稳定、可无电源长期工作的恒压供液装置。
背景技术：
水力学实验是一类基本物理力学实验，是水力学、渗流力学研究的主要研究手段
之一，而一套完善的恒压供液装置是进行水力学实验的必要装备。 目前应用较为普遍的供液装置大致为浮球式和自溢式供液装置，均为比较大众化 的供液装置，其功能均比较单一，不能满足科研及教学等领域的试验精度要求。传统的恒压 供液装置主要存在如下欠缺 1)传统的浮球式和自溢式供液装置的供液面波动较大，即供液压力波动较大，难 以满足对供液压力稳定性高要求的科学实验的需要。 2)为维持恒定液位，实验时必须对储液箱连续供液并保持溢流状态，资源浪费严 重。 3)传统恒压供液装置工作需要电源，一旦停电，实验将中断或废弃。 4)传统恒压供液装置工作时，储液箱溢流势必造成对供试液体的干扰，对于供试
液体自身稳定度要求较高的实验如流场、雷诺等实验项目就会产生不利影响。 5)目前缺乏用于酸、碱溶液等具有腐蚀性液体的专用恒压供液装置。 因此，研发更为完善的恒压供液装置对于促进水力学、渗流力学的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是解决传统的供液装置供液压力波动较大，资源浪费严重，且依赖
于电源的难题，提供一种弹力式恒压供液装置。该恒压供液装置结构简单，操作方便，供液 压力稳定，可无电源长期工作，可节约资源，可用于酸、碱溶液等腐蚀性液体的恒压供液，可 满足土壤渗流试验和土柱淋滤试验等科学实验对恒压供液装置的需求。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术措施 —种弹力式恒压供液装置，它由固定支架、导轨、柱塞缸固定支座、销轴套、圆柱销 轴、滚珠轴承、柱塞缸、柱塞、连接轴、连杆、导杆、导杆套、连杆支座、连杆固定转轴、导杆支 座、导杆固定转轴、转动轴、弹簧、螺母、供液阀、进液阀、进液管、盛液容器、供液管、限位轴 套等部件构成。 固定支架为一矩形刚架，水平放置。两组导轨各由二根槽口相对的平行槽型钢梁 组成，固定在固定支架的中部，并垂直于固定支架的左、右侧面。 柱塞缸为带底的圆柱形空心筒体，采用耐酸碱材料，如耐酸碱有机玻璃、工程塑料 制作，内径约为120 150mm，长约800 1000mm。柱塞为前半部分为矩形体、后半部分为
3圆柱体的杆件，采用耐酸碱材料，如耐酸碱有机玻璃、工程塑料制作，柱塞下半部分的圆柱 体长约830 1030mm，其外径较柱塞缸内径小约0. 05 0. 05mm。柱塞直接安装在柱塞缸 内，可在柱塞缸内前后自由活动，组装后的柱塞与柱塞缸的间隙为0. 015 0. 025mm。
连杆支座和导杆支座沿一水平线固定在固定支架的左侧壁上，连杆支座在前，导 杆支座在后。连杆由二根矩形杆组成，连杆的左端通过连杆固定转轴与连杆支座铰接，连杆 可绕连杆固定转轴转动。限位轴套位于连杆的二根矩形杆之间，套在连杆固定转轴上，使得 连杆的二根矩形杆保持一定的间距。连杆的右端通过连接轴与柱塞的顶部铰接。导杆套为 外方内圆的空心柱体，导杆套夹在连杆的二根矩形杆之间，并通过转动轴于F点与连杆铰 接。连杆固定转轴的轴心到转动轴的轴心的距离^与连杆固定转轴的轴心到导杆固定转 轴的轴心的距离而相等。 导杆为一圆柱形杆，导杆的左端通过导杆固定转轴与导杆支座铰接，导杆可绕导 杆固定转轴转动，导杆的右端部的1/3导杆长度范围带有螺纹，螺母拧在导杆的右端部。导 杆穿过导杆套，弹簧套在导杆套以右的导杆上，弹簧位于导杆套与螺母之间。导杆固定转轴 的轴心到螺母的距离等于弹簧的原始长度。供液压力可通过调整弹簧的刚度来实现，调节 螺母的位置可以适应不同原始长度的弹簧。 柱塞缸固定支座为圆形套环，柱塞缸固定支座套在柱塞缸外壁上并与柱塞缸外壁 牢固连接。柱塞缸固定支座的底部的左右两端各连接一个销轴套，销轴套下部带有圆柱形 孔。销轴套的圆柱形孔各安装一根圆柱销轴，圆柱销轴的前、后端各安装一个滚珠轴承。所 述的滚珠轴承直接嵌在导轨的槽口内。滚珠轴承可沿导轨的纵轴线左右滑动，带动柱塞缸 固定支座及其上部的柱塞缸作左右水平移动，柱塞缸不会发生竖直、前后方向的运动或转 动。 柱塞缸的底部装有供液阀和进液阀。供液阀可通过供液管直接与用液单元(即承 受供试液体作用的装有试验样品的实验仪器或部件)连接。关闭进液阀时，在弹簧的弹力 作用下即可对用液单元进行恒压供液。 进液阀通过进液管与盛液容器中的供试液体(即用于实验的液体)连通。当关闭 供液阀的阀门，开启进液阀的阀门并外拔柱塞时，供试液体就会被吸入柱塞缸内。
所述的弹力式恒压供液装置的工作过程是下压柱塞至柱塞缸底部，然后，关闭供 液阀，开启进液阀，并外拔柱塞，将供试液体吸入柱塞缸内，当柱塞缸内的供试液体达到需 要的数量后，关闭进液阀。排空供液管中的空气，然后将供液管连接到相应的用液单元上， 开启供液阀，即可开展相关实验。在弹簧的弹力作用下，供试液体对用液单元产生一定的 压力，柱塞缸内的供试液体就会出流，且液位下降，柱塞在弹簧的弹力驱动就会下压供试液 体，此过程中供液压力恒定，实现了恒压供液。供液压力可以通过更换不同刚度的弹簧来调 整。 下面简要分析所述的弹力式恒压供液装置的原理。
附图7是所述的弹力式恒压供液装置恒压作用的原理图。 设丽=而=b，^ = d，弹簧的刚度系数为k，并令弹簧的原始长度L =丽，压力 P的作用线与OD平行，DE与OD的夹角为9 ，则有OC与OD的夹角|3 = ji -2 e
贝U，弹簧作用在OC杆的弹力T = 2kbcos e 弹力T对0点的力矩M(T) = 2kbcos 9 bsin 9 = kb2sin(2 9 )
压力P对0点的力矩M(P) = cPsin( Ji-2 9 ) =cPsin(2 9)
弹力T对0点的力矩M(T)与压力P对0点的力矩M(P)平衡，即
cPsin (29)= kb2sin (2 9 )
就有P = kb2/c 可见，只要满足设定的条件，所述的弹力式恒压供液装置的连杆处于任何位置，即 P为任意角度时，供液压力P始终为一恒定的值。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果 1)从前述的弹力式恒压供液装置恒压作用的原理可知，所述的弹力式恒压供液装 置所提供的液压来源于弹簧的弹力，在弹簧的弹力作用下，供试液体的压力是恒定的。
2)所述的弹力式恒压供液装置改变了以往恒压供液装置中储液箱内液位必须恒 定并保持溢流的做法，可以节省资源。 3)所述的弹力式恒压供液装置不需要电源，可长期工作，并节省能源，同时，增强 实验的可靠性，不会因停电造成实验中断，甚至废弃。 4)所述的弹力式恒压供液装置只需人工外拔柱塞，给所述的供液装置充液，不需 另配供液泵，解除了对设备安全的顾虑。 5)切断供液源头，有效切断液体内部振动源，极大地提高了供液压力的稳定性。
6)所述的弹力式恒压供液装置与供试液体接触的部件采用耐酸碱材料，如耐酸碱 有机玻璃、工程塑料制作，可用于酸、碱溶液等具有腐蚀性液体的恒压供液。同时，由于省去 供液泵、溢流装置等部件，设备更趋简单，有利于腐蚀性液体的安全管理。
利用本弹力式恒压供液装置开展实验，当供试液体压力为100 200kPa，用液流 量在10ml/h 400ml/h时，供试液体压力波动仅为± lhPa，其压力控制精度为lhPa。解决 了传统的供液装置供液压力波动较大的难题，实现了高精度的恒压供液。利用本弹力式恒 压供液装置可开展低渗透性黏土试样的渗透实验，可长期连续工作达半月以上，且供试液 体压力稳定，具有良好的长期工作性状，解决了传统的供液装置依赖于电源和长期供液可 靠性差的难题。本弹力式恒压供液装置满足了土壤渗流试验和土柱淋滤试验等科学实验对 高精度的恒压供液装置的需求，对于推动水力学、渗流力学的发展具有意义。
图1为一种弹力式恒压供液装置结构示意图。
图2为所述的弹力式恒压供液装置的A-A剖面图。
图3为所述的弹力式恒压供液装置的B-B剖面图。
图4为所述的弹力式恒压供液装置的C-C剖面图。
图5为所述的弹力式恒压供液装置的D-D剖面图。
图6为所述的弹力式恒压供液装置的E-E剖面图。
图7为所述的弹力式恒压供液装置恒压作用的原理图。 图1 图7中，1.固定支架，2a、2b.导轨，3a、3b.柱塞缸固定支座，4a、4b、4c、4d 销轴套，5a、5b、5c、5d.圆柱销轴，6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h.滚珠轴承，7.柱塞缸，8.柱 塞，9.连接轴，IO.连杆，ll.导杆，12.导杆套，13.连杆支座，14.连杆固定转轴，15.导杆 支座，16.导杆固定转轴，17.转动轴，18.弹簧，19.螺母，20.供液阀，21.进液阀，22.进液管，23.盛液容器，24.供液管，25.限位轴套，26.供试液体。
具体实施例方式下面根据附图对本发明作进一步的描述 根据图1 图7可知，该弹力式恒压供液装置由固定支架1、第一、第二导轨2a、 2b、第一、第二柱塞缸固定支座3a、3b、第一、第二、第三、第四销轴套4a、4b、4c、4d、第一、第 二、第三、第四圆柱销轴5a、5b、5c、5d、第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八滚珠轴 承6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h、柱塞缸7、柱塞8、连接轴9、连杆10、导杆11、导杆套12、连杆 支座13、连杆固定转轴14、导杆支座15、导杆固定转轴16、转动轴17、弹簧18、螺母19、供液 阀20、进液阀21、进液管22、盛液容器23、供液管24、限位轴套25构成。
其特征在于固定支架1为一矩形刚架，水平放置。第一、第二导轨2a、2b各由二 根槽口相对的平行槽型钢梁组成，固定在固定支架1的中部，并垂直于固定支架的左、右侧 面。 柱塞缸7为带底的圆柱形空心筒体，采用耐酸碱材料，如耐酸碱有机玻璃、工程塑 料制作，内径约为120 150mm，长约800 1000mm。柱塞8为前半部分为矩形体、后半部 分为圆柱体的杆件，采用耐酸碱材料，如耐酸碱有机玻璃、工程塑料制作，柱塞8的下半部 分的圆柱体长约830 1030mm，其外径较柱塞缸7内径小约0. 05 0. 05mm。柱塞8直接 安装在柱塞缸7内，可在柱塞缸7内前后自由活动，组装后的柱塞8与柱塞缸7的间隙为 0.015 0.025mm。 连杆支座13和导杆支座15沿一水平线固定在固定支架1的左侧壁上，连杆支座 13在前，导杆支座15在后。 连杆10由二根矩形杆组成，连杆10的左端通过连杆固定转轴14与连杆支座13铰 接。限位轴套25夹在连杆10的二根矩形杆之间，套在连杆固定转轴14上。连杆10的右 端通过连接轴9与柱塞8的顶部铰接。导杆套12为外方内圆的空心柱体，导杆套12夹在 连杆10的二根矩形杆之间，并通过转动轴17于F点与连杆10铰接。连杆固定转轴14的 轴心到转动轴17的轴心的距离，与连杆固定转轴14的轴心到导杆固定转轴16的轴心的 距离而相等。 导杆11为一圆柱形杆，导杆11的左端通过导杆固定转轴16与导杆支座15铰接， 导杆11可绕导杆固定转轴16转动，导杆11穿过导杆套12，导杆11的右端部的1/3导杆 长度范围带有螺纹，螺母19拧在导杆11的右端部。弹簧18套在导杆套12以右的导杆11 上，位于导杆套12与螺母19之间。导杆固定转轴16的轴心到螺母19的距离等于弹簧18 的原始长度。供液压力可通过调整弹簧18的刚度来实现，调节螺母19的位置可以适应不 同原始长度的弹簧。 第一、第二柱塞缸固定支座3a、3b为圆形套环，第一、第二柱塞缸固定支座3a、3b 分别套在柱塞缸7前、后两端的外壁上并与柱塞缸7外壁牢固连接。第一柱塞缸固定支座 3a的底部的左、右两端分别连接第一、第二销轴套4a、4b，第二柱塞缸固定支座3b的底部的 左、右两端分别连接一个第三、第四销轴套4c、4d，所述的第一、第二、第三、第四销轴套4a、 4b、4c、4d的下部带有圆柱形孔，第一、第二、第三、第四销轴套4a、4b、4c、4d的圆柱形孔分 别安装第一、第二、第三、第四圆柱销轴5a、5b、5c、5d，所述的第一、第二、第三、第四圆柱销轴5a、5b、5c、5d的前、后端分别安装第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八滚珠轴 承6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h。所述的第一、第二、第三、第四滚珠轴承6a、6b、6c、6d直接 嵌在第一导轨2a的槽口内，第五、第六、第七、第八滚珠轴承6e、6f、6g、6h直接嵌在第二导 轨2b的槽口内。第一、第二、第三、第四滚珠轴承6a、6b、6c、6d可沿第一导轨2a的纵轴线 左右滑动，第五、第六、第七、第八滚珠轴承6e、6f 、6g、6h可沿第二导轨2b的纵轴线左右滑 动，带动第一、第二柱塞缸固定支座3a、3b及其上部的柱塞缸7作水平移动，而柱塞缸7不 会发生竖直、前后方向的运动或转动。 柱塞缸7的底部装有供液阀20和进液阀21 。供液阀8可通过供液管24直接与用 液单元连接。关闭进液阀21时，在弹簧18的弹力作用下即可对用液单元进行恒压供液。
进液阀21通过进液管22与盛液容器23中的供试液体26连通，当关闭供液阀21 的阀门，并外拔柱塞8时，供试液体25就会被吸入柱塞缸7内。 所述的柱塞缸7、柱塞8、供液阀20、进液阀21、进液管22、盛液容器23、供液管24 采用耐酸碱材料，如耐酸碱有机玻璃、工程塑料、橡胶制作。
装置适用范围 本发明提供了一种弹力式恒压供液装置，能用于土壤渗流试验和土柱淋滤试验。
权利要求
一种弹力式恒压供液装置，它包括固定支架(1)、第一、第二柱塞缸固定支座(3a、3b)、柱塞缸(7)、导杆(11)、导杆套(12)、连杆支座(13)、连杆固定转动轴(14)、导杆支座(15)、导杆固定转轴(16)，其特征在于固定支架(1)为一矩形刚架，水平放置，第一、第二导轨(2a、2b)各由二根槽口相对的平行槽型钢梁组成，固定在固定支架(1)的中部，并垂直于固定支架(1)的左、右侧面，柱塞缸(7)为带底的圆柱形空心筒体，柱塞(8)为前半部分为矩形体、后半部分为圆柱体的杆件，柱塞(8)直接安装柱塞缸(7)内，第一、第二柱塞缸固定支座(3a、3b)为圆形套环，第一、第二柱塞缸固定支座(3a、3b)分别套在柱塞缸(7)前、后两端的外壁上并与柱塞缸(7)的外壁连接。
2. 根据权利要求1所述的一种弹力式恒压供液装置，其特征在于所述的连杆支座(13)和导杆支座(15)沿水平线固定在固定支架(1)的左侧壁上，连杆支座(13)在前，导杆支座(15)在后，连杆(10)由二根矩形杆组成，连杆(10)的左端通过连杆固定转轴(14)与连杆支座(13)铰接，限位轴套(25)夹在连杆(10)的二根矩形杆之间，套在连杆固定转轴(14)上，连杆(10)的右端通过连接轴(9)与柱塞(8)的顶部铰接，导杆套(12)为外方内圆的空心柱体，导杆套(12)夹在连杆(10)的二根矩形杆之间，通过转动轴(17)于F点与连杆(10)铰接。
3. 根据权利要求1所述的一种弹力式恒压供液装置，其特征在于所述的连杆固定转轴(14)的轴心到转动轴(17)的轴心的距离OF与连杆固定转轴(14)的轴心到导杆固定转轴(16)的轴心的距离OD相等。
4. 根据权利要求l所述的一种弹力式恒压供液装置，其特征在于所述的导杆(11)为一圆柱形杆，其右端部的1/3导杆长度范围带有螺纹，螺母(19)拧在导杆(11)的右端部，导杆(11)的左端通过导杆固定转轴(16)与导杆支座(15)铰接，导杆(11)穿过导杆套(12)，弹簧(18)套在导杆套(12)以右的导杆(11)上，位于导杆套(12)与螺母(19)之间。
5. 根据权利要求l所述的一种弹力式恒压供液装置，其特征在于所述的第一、第二柱塞缸固定支座(3a、3b)的底部的左、右两端分别连接第一、第二、第三、第四销轴套(4a、4b、4c、4d)，所述的第一、第二、第三、第四销轴套(4a、4b、4c、4d)的下部均带有圆柱形孔，第一、第二、第三、第四销轴套(4a、4b、4c、4d)的圆柱形孔分别安装第一、第二、第三、第四圆柱销轴(5a、5b、5c、5d)，所述的第一、第二、第三、第四圆柱销轴(5a、5b、5c、5d)的前、后端分别安装第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八滚珠轴承(6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h)，第一、第二、第三、第四滚珠轴承(6a、6b、6c、6d)直接嵌在第一导轨(2a)的槽口内，第五、第六、第七、第八滚珠轴承(6e、6f、6g、6h)直接嵌在第二导轨(2b)的槽口内。
6. 根据权利要求1所述的一种弹力式恒压供液装置，其特征在于所述的柱塞缸(7)的底部装有供液阀(20)和进液阀(21)，进液阀(21)通过进液管(22)与盛液容器(23)中的供试液体(26)连通。
全文摘要
本发明公开了一种弹力式恒压供液装置，固定支架为一矩形刚架，导轨各由二根槽口相对的平行槽型钢梁组成，固定在固定支架的中部，并垂直于固定支架的左、右侧面，柱塞缸为带底的圆柱形空心筒体，柱塞为前半部分为矩形体、后半部分为圆柱体的杆件，柱塞直接安装柱塞缸内，柱塞缸固定支座为圆形套环，柱塞缸固定支座分别套在柱塞缸前、后两端的外壁上并与柱塞缸的外壁连接。连杆支座和导杆支座沿水平线固定在固定支架的左侧壁上，连杆的左端通过连杆固定转轴与连杆支座铰接，限位轴套夹在连杆的二根矩形杆之间，套在连杆固定转轴上，连杆的右端通过连接轴与柱塞铰接。结构合理、简单，操作方便，实现恒压供液，可用于土壤渗流试验和土柱淋滤试验。
文档编号G01N13/04GK101738364SQ20091027332
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者陈善雄, 韩卓 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所