用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置。该流变装置包括风室，所述风室上连接有支架、动力装置、输风管线，所述风室出风口端面与第一布风板连接，所述第一布风板上连接有由外筒、内筒以及第二布风板所围成的环形载物槽，所述环形载物槽内设置有环形盖板，该装置还设置有称重传感器、扭矩传感器、转速传感器以及摄像装置。该流变装置通过传感器所监测到试样在裹气下剪切流变的定量化数据，实现对不同风量和转速下试样剪切流变特性的定量化研究，为高速远程滑坡动力学特性的进一步研究提供重要物理力学参数，对于进一步掌握高速远程滑坡动力学机理具有潜在的巨大推动力，适合在实验设备领域推广应用。
【专利说明】用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及实验设备领域，具体涉及一种用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置。
【背景技术】
[0002]不同于常规低速近程滑坡，高速远程滑坡运动过程中常表现出异常流动性特征，如:在滑体整体顺沟谷向下游高速运动过程中，当遇到障碍物时，常可像流体一样绕过障碍物继续向前运动。高速远程滑坡运动过程中的这种异常流动性特征是其能够实现超长距离运动的关键，是高速远程滑坡运动机理研究的重中之重，也是近一个世纪以来，国内外学者一直关注的重点问题。流体力学实验作为测试流体流变特性的重要手段，已在空气动力学研究、泥石流流变特性研究、水力学研究等领域中得到了广泛应用，并取得了丰硕的研究成果；旋转式流变计作为研究流体流变特性的重要装置，亦已在泥石流流变特性研究中得到了较广泛的应用。然而，迄今为止，运用旋转式流变计研究高速远程滑坡运动过程中碎屑流流变特性的成果十分有限，尤其是高速远程滑坡运动过程中碎屑流裹气流变特性的研究更是无人涉及，在滑体的高速运行过程中，其对前缘及周边空气的高速压缩与裹挟是不容忽视的一个重要物理力学作用过程，开展高速远程滑坡运动过程中裹气流变特性的研究，了解碎屑流在裹入气流影响下的剪切流变特征，对于更加深入地了解高速远程滑坡运动过程中的动力学作用机制具有重要意义。对高速远程滑坡运动过程中的裹气流变特性进行研究，以分析碎屑流在不同气力值下的剪切流变特性，能进一步揭示高速远程滑坡的动力学机理提供参考。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现试样在裹入气流作用下剪切流变特性定量化研究的用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置。
[0004]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:该用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置，包括风机、输风管线、支架、动力装置、风室、第一布风板、第二布风板、内筒、外筒、称重传感器、扭矩传感器、转速传感器，所述动力装置与设置在风室上的第一齿轮连接，所述风室通过轴承安装在支架上方，所述风室通过输风管线与风机连接，所述风室的出风口端面设置有法兰盘，所述第一布风板覆盖在法兰盘上，所述外筒设置在第一布风板上并与第一布风板以及法兰盘连接为一体，所述第二布风板设置在外筒内，所述第二布风板的圆周面与外筒的内壁相适配，所述第一布风板与第二布风板之间设置有称重传感器，所述内筒固定连接在第二布风板上，所述外筒与内筒之间的距离为70-90mm，所述内筒外壁、外筒内壁以及第二布风板所围成的空间形成环形载物槽，所述环形载物槽内设置有与环形载物槽相适配的环形盖板，所述环形盖板通过连接杆与扭矩传感器连接，所述动力装置与转速传感器连接，所述摄像装置通过设置在法兰盘上的横杆安装在环形载物槽外侧。[0005]进一步的是，所述动力装置包括电机、减速器以及设置在减速器输出轴上的第二齿轮，所述第二齿轮与风室上的第一齿轮啮合。
[0006]进一步的是，所述风室的入风口设置在风室底部，其中心与第一布风板的中心位于同一轴线，所述入风口处还设置有入风管，所述第一齿轮固定在入风管的外壁上。
[0007]进一步的是，所述第一布风板上设置有第一环形气孔带，所述第一环形气孔带的外形与环形载物槽尺寸相对应，所述第一环形气孔带内均匀设置的气孔以正三角形方式排列，所述第二布风板上设置有与第一环形气孔带相对应的第二环形气孔带，所述第一环形气孔带的中心与第二环形气孔带的中心位于同一轴线。
[0008]进一步的是，所述第二布风板的第二环形气孔带上表面设置有防漏网，所述防漏网上还设置有凹凸不平的第一阻流层。
[0009]进一步的是，所述环形盖板上设置有多个逸散孔，其下表面设置有凹凸不平的第
二阻流层。
[0010]进一步的是,所述环形载物槽由透明材质的材料构成,其高度范围为270-300_。
[0011]进一步的是，所述摄像装置为至少I台高速摄像机。
[0012]进一步的是，所述连接杆包括固定在环形盖板上表面的至少2根向上延伸的伸缩杆以及设置在伸缩杆另一端的横梁，所述扭矩传感器设置在横梁中部。
[0013]进一步的是，所述输风管线上设置有转子流量计。
[0014]本发明的有益效果:该流变装置所述的风室通过输风管线与风机连接，实现了气流自风机向风室的传输，所述动力装置和支架分别与风室上设置的第一齿轮以及轴承连接，使风室在动力装置的作用下能自由旋转。在实验过程中，称重传感器可以获取不同风量和不同转速下，环形载物槽内试样的重量变化情况；通过扭矩传感器可以获得不同风量和不同转速下，环形载物槽内的试样表层颗粒对环形盖板产生的扭矩值；通过转速传感器则可获取动力装置在不同时刻的实时转速；通过这些传感器便可以得到试样在裹气下剪切流变的定量化数据，实现对不同风量和转速下试样剪切流变特性的定量化研究，为高速远程滑坡动力学特性的进一步研究提供重要物理力学参数，对于进一步掌握高速远程滑坡动力学机理具有潜在的巨大推动力。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置的结构示意图；
[0016]图2是本发明第一布风板的平面结构示意图；
[0017]图3是本发明第二布风板的平面结构示意图；
[0018]图4是本发明环形盖板的平面结构示意图；
[0019]附图标记说明:风机1、输风管线2、转子流量计201、支架3、动力装置4、电机401、减速器402、第二齿轮403、风室5、第一齿轮501、轴承502、法兰盘503、第一布风板6、第一环形气孔带601、气孔602、第二布风板7、第二环形气孔带701、防漏网711、第一阻流层721、内筒8、外筒9、环形载物槽10、扭矩传感器11、转速传感器12、环形盖板13、逸散孔1301、第二阻流层1302、连接杆14、伸缩杆1401、横梁1402、横杆15、摄像装置16、称重传感器17、入风管18、入风口 1801。【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明。
[0021]如图1、2、3、4所示，该用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的旋转式剪切流变装置，包括风机1、输风管线2、支架3、动力装置4、风室5、第一布风板6、第二布风板7、内筒
8、外筒9、称重传感器17、扭矩传感器11、转速传感器12，所述动力装置4与设置在风室5上的第一齿轮501连接，所述风室5通过轴承502安装在支架3上方，所述风室5通过输风管线2与风机I连接，所述风室5的出风口端面设置有法兰盘503，所述第一布风板6覆盖在法兰盘503上,所述外筒9设置在第一布风板6上并与第一布风板6以及法兰盘503连接为一体，所述第二布风板7设置在外筒9内，所述第二布风板7的圆周面与外筒9的内壁相适配，所述第一布风板6与第二布风板7之间设置有称重传感器17，所述内筒8固定连接在第二布风板7上，所述外筒9与内筒8之间的距离为70-90mm，所述内筒8外壁、外筒9内壁以及第二布风板7所围成的空间形成环形载物槽10，所述环形载物槽10内设置有与环形载物槽10相适配的环形盖板13，所述环形盖板13通过连接杆14与扭矩传感器11连接，所述动力装置4与转速传感器12连接，所述摄像装置16通过设置在法兰盘503上的横杆15安装在环形载物槽10外侧。
[0022]所述动力装置4可以采用气动或者电机401驱动，为了减少空气压缩设备，节约资金投入，作为优选，本发明所采用的动力装置4包括电机401、减速器402，所述动力装置4与风机I连接，其连接方式可以采用皮带、链条或者齿轮，为了减少安装空间，提高传动比，作为优选，本发明采用的连接方式为齿轮连接，所述减速器402的输出轴上设置有第二齿轮403,所述第二齿轮403与第一齿轮501哨合,形成相互作用力系,保证了风室5在旋转时的动力需求。为了便于风室5更好的旋转，所述风室5安装在支架3上方，所述风室5与支架3之间设置有轴承502。为了使气流更好作用于试样上，本发明还设置有第一布风板6、第二布风板7、外筒9、内筒8，所述外筒9设置在第一布风板6上，所述第二布风板7设置在外筒9内，所述第二布风板7的圆周面与外筒9的内壁相适配，所述第二布风板7与外筒9之间的间隙小于试样的外部尺寸，使第二布风板7能在外筒9内上下移动的同时不会使试样从第二布风板7与外筒9之间的间隙掉落，保证了设置在第一布风板6与第二布风板7之间的称重传感器17的正常工作以及测量的精确度，所述内筒8固定连接在第二布风板7上，其固定方式可以为螺栓连接或者黏贴，为了保证密封性，便于加工，作为优选，本发明所采用的连接方式为黏贴，为了更好的固定内筒8的位置以及黏贴的稳定性，所述第二布风板7还可以设置用于放置内筒8的凹槽，所述内筒8放置到凹槽内后用有机玻璃胶黏贴即可。根据风量的大小、所需试样的重量以及整个设备的美观，所述外筒9与内筒8之间的距离为70-90mm，作为优选，本发明所述的外筒9与内筒8之间的距离为75mm，所述内筒8外壁、外筒9内壁以及第二布风板7所围成的空间形成环形载物槽10，试样放置在环形载物槽10内作为底板的第二布风板7上。为了保证试样的实验过程的处于旋转状态，所述风室5、第一布风板6以及外筒9连接为一体，其连接方式可以为焊接、粘接或者螺栓连接，为了便于拆卸、清理，作为优选，本发明所的连接方式为螺栓连接，所述风室5的出风口设置有法兰盘503,所述第一布风板6覆盖在法兰盘503上,所述外筒9设置在第一布风板6上并与第一布风板6以及法兰盘503通过螺栓连接为一体。所述环形载物槽10内设置有与环形载物槽10相适配的环形盖板13，所述环形盖板13通过连接杆14与扭矩传感器11连接，所述环形盖板13与外筒9内壁以及内筒8外壁之间的间隙小于试样的外部最小尺寸，保证试样的运动过程中不会散出环形载物槽10，确保监测数据的准确性。为了更好地观察环形载物槽10内试样的变化，本发明还包括摄像装置16，所述摄像装置16通过设置在法兰盘503上的横杆15安装在环形载物槽10外侧，所述摄像装置16的镜头相对环形载物槽10始终处于静止状态，保证了摄像效果。
[0023]所述风室5的入风口 1801可以设置在风室5的中部或者底部，为了防止气流直接作用于第一布风板6的第一环形气孔带601上，造成气流的不稳定，作为优选，本发明所述风室5的入风口 1801设置在风室5底部，其中心与第一布风板6的中心位于同一轴线，这样当气流自风室5入风口 1801进入风室5后，将直接冲向风室5出风口端面的第一布风板6的中心区域，由于第一环形气孔带601的设置，该中心区域范围内并无气孔602分布，气流在该区域受阻后，逐渐转向，向周边逸散，在接近稳定后，顺第一布风板6上第一环形气孔带601上的气孔602向上逸散，有效避免了气流直接冲向第一布风板6的第一环形气孔带601，而引起气流分布极不均匀对试样的冲击，造成数据的随机性。由于第二布风板7上设置有与第一布风板6对应的第二环形气孔带701，同时第一环形气孔带601的中心与第二环形气孔带701的中心位于同一轴线，保证了气流可以顺利穿过第一环形气孔带601以及第二环形气孔带701进入试样内部，使试样在气流作用下运动。
[0024]为了便于第一齿轮501与第二齿轮403啮合，减少安装空间，同时保证风室5旋转的平稳，所述风室5的入风口 1801处还设置有入风管18，所述第一齿轮501固定在入风管18的外壁上。
[0025]为了防止试样从第二布风板7上的第二环形气孔带701掉落，影响数据监测的准确性，所述第二环形气孔带701上表面设置有防漏网711，所述防漏网711可以采用塑料或者金属，为了提高其耐磨性，作为优选，本发明选用的材料为金属，所述金属可以为铜、铝或者铁，为了节约成本，本发明选用的为铁丝。为实现试样内部裹入气流的自由逸散，在环形盖板13上设置有多个逸散孔1301，为提高试样底面的粗糙度，以模拟碎屑流实际运动路径起伏不平的特点，所述防漏网711上还设置有凹凸不平的第一阻流层721，为增大实验过程中环形盖板13与试样间的相互作用力，所述环形盖板13下表面设置有凹凸不平的第二阻流层1302。为了模拟实际场景，作为优选，所述第一阻流层721与第二阻流层1302由石英砂颗粒构成。
[0026]为了保证摄像装置16能更好观察环形载物槽10内试样的变化，所述环形载物槽10由透明材质的材料构成，作为优选，本发明所采用的材料为有机玻璃，根据理论计算分析，再结合当前已有风机I规格以及整个设备的高度，所述环形载物槽10的高度范围为270-330mm，本发明所选用的高度为300mm。
[0027]为了更好地观察试样的运动轨迹，本发明所述的摄像装置16可以为摄像机或者相机，由于试样较小、运动速度快、运动轨迹不规则，作为优选，本发明所述的摄像装置16为高速摄像机。为了更好的观察不同区域的试样运动，所述高速摄像机为至少I台，作为优选，本发明所述的高速摄像机为2台，两台高速摄像机分别固定于设置在法兰盘503上的两根横杆15的端部。
[0028]由于装入环形载物槽10的试样重量有所不同，其放入环形载物槽10内的高度也有所不同，而环形盖板13需要覆盖在试样上表面，为了更好的使环形盖板13能在环形载物槽10内上下移动，本发明所述的连接杆14包括固定在环形盖板13上表面的至少2根向上延伸的伸缩杆1401以及设置在伸缩杆1401另一端的横梁1402，为了保证扭矩传感器11的受力均匀，所述伸缩杆1401均布在环形盖板13上，所述扭矩传感器11设置在横梁1402中部，由于试样在测试的扭矩值较小，为了便于安装，本发明所述的伸缩杆1401为4根。
[0029]为了观察不同风量以及风速作用下，实验试样的运动规律，所述输风管线2上设置有转子流量计201，而按理论计算知所需实验的试样进入流化状态的最大供风量约为120m3/h，所述转子流量计 201 优选 LZB-25 (测量范围 1.6_16m3/h)和 LZB-50 (16-160m3/h)两款不同测量范围的转子流量计201，从而实现气流量从零增至120m3/h变化。
[0030]该扭矩传感器11的选取是根据理论计算和简单实验法确定的，在满足量程范围要求的前提下，又避免了因盲目选取较大量程者，造成数据精度降低的情况，本发明所述的扭矩传感器11采用的是量程为20N -m ;所述称重传感器17采用的是单点受压式测量方法，该受压方式将上部荷载集中于传感器中心凸起点，保证了测量值的精确度，此外，对于该传感器量程的选择则是以拟开展各组实验中试样及第二布风板7等总重量为依据进行选取的，其量程为20kg ;为了保证在实时测量风室5转速的精确度、可靠性，导磁体上凸起的齿或是凹下的槽，并转变成一个交变电压信号，经内部精密电路的处理输出良好的方波脉冲信号实现转速测量导磁体上凸起的齿或是凹下的槽，并转变成一个交变电压信号，经内部精密电路的处理输出良好的方波脉冲信号实现转速测量。导磁体上凸起的齿或是凹下的槽，并转变成一个交变电压信号，经内部精密电路的处理输出良好的方波脉冲信号实现转速测量。本发明所述的转速传感器12采用的是电磁式测速法。该流变装置通过传感器所监测到试样在裹气下剪切流变的定量化数据，实现对不同风量和转速下试样剪切流变特性的定量化研究，为高速远程滑坡动力学特性的进一步研究提供重要物理力学参数，对于进一步掌握高速远程滑坡动力学机理具有潜在的巨大推动力
[0031]该用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置的工作过程如下:首先，将需要进行实验的试样放入环形载物槽10内的环形区域内，抹平；然后，将环形盖板13盖于试样上表面，对试样进行压密至规定高度，静置一定时间；继而，开启各个传感器监测系统和摄像装置，将其调节至实验状态；开启风机1，将风量调至实验值，高压的气流顺着输风管线2以及转子流量计201进入风室5，然后，经过第一布风板6和第二布风板7后，吹入环形载物槽10内的试样中；启动电机401和减速器402，使风室5按预先设定好的速度开始运转，试样在风力和旋转力的作用下不规则运动，与环形盖板13下表面相接触的试样将对环形盖板13产生扭矩值，通过摄像装置所记录试样在环形载物槽10内的变形情况，最终得到试样在裹气状态下剪切流变的定量化数据，实现对不同风量和转速下试样剪切流变特性的定量化研究，为高速远程滑坡动力学特性的进一步研究提供重要物理力学参数。
【权利要求】
1.用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置，其特征在于:包括风机(I)、输风管线(2)、支架(3)、动力装置(4)、风室(5)、第一布风板(6)、第二布风板(7)、内筒(8)、外筒(9)、称重传感器(17)、扭矩传感器(11)、转速传感器(12)，所述动力装置(4)与设置在风室(5 )上的第一齿轮(501)连接，所述风室(5 )通过轴承(502 )安装在支架(3 )上方，所述风室(5)通过输风管线(2)与风机(I)连接，所述风室(5)的出风口端面设置有法兰盘(503 )，所述第一布风板(6 )覆盖在法兰盘(503 )上，所述外筒(9 )设置在第一布风板(6 )上并与第一布风板(6)以及法兰盘(503)连接为一体，所述第二布风板(7)设置在外筒(9)内，所述第二布风板(7)的圆周面与外筒(9)的内壁相适配，所述第一布风板(6)与第二布风板(7 )之间设置有称重传感器(17 )，所述内筒(8 )固定连接在第二布风板(7 )上，所述外筒(9)与内筒(8)之间的距离为70-90mm，所述内筒(8)外壁、外筒(9)内壁以及第二布风板 (7)所围成的空间形成环形载物槽(10)，所述环形载物槽(10)内设置有与环形载物槽(10)相适配的环形盖板(13)，所述环形盖板(13)通过连接杆(14)与扭矩传感器(11)连接，所述动力装置(4)与转速传感器(12)连接，所述摄像装置(16)通过设置在法兰盘(503)上的横杆(15 )安装在环形载物槽(10 )外侧。
2.如权利要求1所述的用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置，其特征在于:所述动力装置(4)包括电机(401)、减速器(402)以及设置在减速器(402)输出轴上的第二齿轮(403)，所述第二齿轮(403)与风室(5)上的第一齿轮(501)啮合。
3.如权利要求1所述的用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置，其特征在于:所述风室(5)的入风口(1801)设置在风室(5)底部，其中心与第一布风板(6)的中心位于同一轴线，所述入风口(1801)处还设置有入风管(18)，所述第一齿轮(501)固定在入风管(18)的外壁上。
4.如权利要求3所述的用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置，其特征在于:所述第一布风板(6)上设置有第一环形气孔带(601)，所述第一环形气孔带(601)的外形与环形载物槽(10)尺寸相对应，所述第一环形气孔带(601)内均匀设置的气孔(602)以正三角形方式排列，所述第二布风板(7)上设置有与第一环形气孔带(601)相对应的第二环形气孔带(701)，所述第一环形气孔带(601)的中心与第二环形气孔带(701)的中心位于同一轴线。
5.如权利要求4所述的用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置，其特征在于:所述第二布风板(7)的第二环形气孔带(701)上表面设置有防漏网(711)，所述防漏网(711)上还设置有凹凸不平的第一阻流层(721)。
6.如权利要求1所述的用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置，其特征在于:所述环形盖板(13)上设置有多个逸散孔(1301)，其下表面设置有凹凸不平的第二阻流层(1302)。
7.如权利要求1所述的用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置，其特征在于:所述环形载物槽(10)由透明材质的材料构成，其高度范围为270-330mm。
8.如权利要求1所述的用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置，其特征在于:所述摄像装置(16)为至少I台高速摄像机。
9.如权利要求1所述的用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置，其特征在于:所述连接杆(14)包括固定在环形盖板(13)上表面的至少2根向上延伸的伸缩杆(1401)以及设置在伸缩杆(1401)另一端的横梁(1402)，所述扭矩传感器(11)设置在横梁(1402)中部。
10.如权利要求1所述的用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置，其特征在于:所述输风管线(2 )上设置有转子流量计(201)。
【文档编号】G01N19/00GK103543098SQ201310526938
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】王玉峰, 程谦恭, 罗忠旭, 陈锣增, 仲昱全, 吴九江 申请人:西南交通大学