一种气垫悬浮式岩土离心机的制作方法

文档序号:27461745发布日期:2021-11-18 11:12阅读:91来源:国知局
一种气垫悬浮式岩土离心机的制作方法

1.本实用新型属于岩土离心模型试验的技术领域,具体涉及一种气垫悬浮式岩土离心机。


背景技术:

2.岩土离心机自六十年代开始,在世界范围内,逐渐成为土木工程界一种前沿的试验技术,其主要作用是在实验室内可以模拟地球的重力作用,从而研究高大土木建筑物的变形和稳定问题。因此从一开始,岩土离心模型试验技术就是研究岩岩土程问题的重要方法。试验中将缩小了尺寸的结构模型置于高速旋转的离心机中,让模型承受大于重力加速度的离心加速度的作用,补偿因为模型缩尺带来的岩土构筑物自重损失,使模型中的应力与原型完全相同,从而可以直接通过各类观测设备和数据采集设备,完成对岩土构筑物的变形和稳定研究。
3.目前世界上的主流岩土离心机全部是转臂式离心机,是一种绕固定轴旋转的机械结构,主要由电机和传动系统、转动系统、上下仪器舱、集流环和旋转接头等组成。其工作原理是通过旋转电机驱动一根巨大的转臂,转臂两端分别是吊篮以及用于平衡的配重,将提前做好的试验模型放入吊篮内,通过调节配重使得两边重量一致,以尽量消除转轴受到的不平衡力。进行试验时,通过转臂的旋转为试验模型提供所需的离心加速度,随着离心机转速提升,离心加速度逐渐增大,本身垂直于地面的吊篮受离心力作用慢慢向外摆动,最终呈现近似水平的状态,在离心加速度达到目标数值后就可以开始进行各项试验。
4.我国的岩工离心机起步比较晚,中国水利水电科学研究院于1991年建成了当时亚洲最大的,容量为450g

ton的岩土离心机,半径为4.5米,在我国的水利工程大坝建设中发挥了重要的作用。近年来,随着我国岩岩土程实践的不断发展,岩土离心模型试验技术也在不断完善,不断进步,中国水利水电科学研究院又于2020年建设一台容量1000g

ton大型岩土离心机,半径为8.5米,可以为岩岩土程建设提供更好的研究平台。
5.然而模拟地球的重力作用,首先需要注意到地球的重力方向基本是垂直地面的,而在离心机中,由于旋转半径的限制,模型中的重力场与实际地面上的重力场总有一个夹角,从而不可避免地产生一些系统误差,分析表明当旋转半径为4.5米时,误差约为5%;半径为8.5米时,误差约为2%,对于科学研究来说,这样的系统误差仍然比较大,因此有必要加大转动半径。然而对于臂式离心机,目前的机械和材料科学水平已经到达和接近极限安全水平,不能再增加了。
6.随着高铁技术的日益成熟,速度越来越快,已经可以达到1000km/h,因此完全可以将高铁技术用于岩土离心机,使高铁沿一个圆形轨道快速旋转,便可以产生试验要求的离心机加速度,无需转臂,彻底突破半径的限制,从而基本消除了岩土离心机的固有系统误差,当旋转半径超过20米时,误差可以降低到0.5%以下,离心机容量则可以提升到3000g

ton以上,这将是岩土离心机试验技术的一项重大突破。


技术实现要素:

7.本实用新型的目的在于针对现有技术中的上述不足,提供一种气垫悬浮式岩土离心机,以解决离心模型试验的精度水平低的问题。
8.为达到上述目的,本实用新型采取的技术方案是:
9.一种气垫悬浮式岩土离心机,其包括位于地面以下且活动设置于悬浮结构车体内的模型试验舱、直线电机、数据采集设备、无线传输设备、供电设备和地面试验室计算机;
10.气垫悬浮结构车体的侧部间隔设置两个相互平行的第一气垫,气垫悬浮结构车体的底部间隔设置两个相互平行的第二气垫;两个第一气垫之间构成的间隙与第一铁轨配合连接,两个第二气垫之间构成的间隙与第二铁轨配合连接;
11.直线电机的定子固定于第一铁轨和第二铁轨上,直线电机的动子固定于悬浮结构车体上;数据采集设备安装于模型试验舱内,并通过无线传输设备与地面试验室计算机信号连接。
12.进一步地,第一铁轨布设于与地面垂直的弧形侧墙上。
13.进一步地,侧墙的外部设置用于支撑侧墙受力的钢筋混凝土挡墙。
14.进一步地,第二铁轨布设于地面上的支撑底板上,且为圆形铁轨,圆形铁轨的直径大于等于20m。
15.进一步地,第一铁轨和第二铁轨相互平行设置。
16.进一步地,第一气垫上设置若干个用于提供高压空气的鼓风机,且第一气垫上还设置有第一进气口和第一出气口,第一进气口通过导气管与第一气垫内的气室连通。
17.进一步地,第一进气口的口径大于第一出气口的口径。
18.进一步地,第二气垫上开设第二进气口和出风口;第二进气口的口径大于出风口的口径。
19.进一步地,第一进气口和第二进气口均设置于悬浮结构车体的迎风面。
20.进一步地,模型试验舱通过旋转轴承活动设于悬浮结构车体内。
21.本实用新型提供的气垫悬浮式岩土离心机,具有以下有益效果:
22.本实用新型可以在行进过程中产生悬浮力,以抵消部分离心力的作用,利用高铁技术,将气垫与离心机相结合,提高了离心机旋转半径、增大了试验的最大容量,且提高了试验精度水平。较之传统离心机,本实用新型铁轨与悬浮结构车体摩擦损耗小,并突破现有旋转半径的限制,具有更大的试验容量,同时将主机设于地下,采用受压式结构设计,可以有效提高离心模型试验的安全性。
附图说明
23.图1为气垫悬浮式岩土离心机的俯视结构示意图。
24.图2为气垫悬浮式岩土离心机的横截面结构示意图。
25.图3为气垫悬浮式岩土离心机的车体模型试验舱外侧形状。
26.图4为气垫悬浮式岩土离心机的车体迎风面形状。
27.图5为气垫悬浮式岩土离心机的车体外侧面示意图。
28.其中,1、悬浮结构车体;2、模型试验舱;3、第二铁轨;4、第一铁轨;5、第一进气口;6、第二进气口;7、旋转轴承;8、支撑底板;9、侧墙;10、钢筋混凝土挡墙;11、地面;12、尾部;
13、迎风面;14、出风口;15、鼓风机;16、导气管;17、出气口;18、第一气垫;19、第二气垫。
具体实施方式
29.下面对本实用新型的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型,但应该清楚,本实用新型不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。
30.根据本技术的一个实施例,参考图1至图5,本方案的气垫悬浮式岩土离心机,包括位于地面11以下且活动设置于悬浮结构车体1内的模型试验舱2、直线电机、数据采集设备、无线传输设备、供电设备和地面试验室计算机。
31.气垫悬浮结构车体1的侧部间隔设置两个相互平行的第一气垫18,气垫悬浮结构车体1的底部间隔设置两个相互平行的第二气垫19。
32.两个第一气垫18之间构成的间隙与第一铁轨4配合连接,两个第二气垫19之间构成的间隙与第二铁轨3配合连接。
33.第一铁轨4布设于与地面11垂直的弧形侧墙9上,侧墙9的外部设置用于支撑侧墙9受力的钢筋混凝土挡墙10。
34.第二铁轨3布设于地面11上的支撑底板8上,且为圆形铁轨,圆形铁轨的直径大于等于20m;第一铁轨4和第二铁轨3相互平行设置。
35.第一气垫18上设置若干个用于提供高压空气的鼓风机15,且第一气垫18上还设置有第一进气口5和第一出气口17,第一进气口5通过导气管16与第一气垫18内的气室连通。第一进气口5的口径大于第一出气口17的口径。
36.第二气垫19上开设第二进气口6和出风口14;第二进气口6的口径大于出风口14的口径。第一进气口5和第二进气口6均设置于悬浮结构车体1的迎风面13。
37.第一铁轨4和第二铁轨3和悬浮结构车体1为本实用新型的核心组成部分,其结构决定了气垫悬浮的能力以及与铁轨相互咬合的紧密度,同时最大程度地减少振动和噪音。侧墙9上的第一铁轨4需要承担最大100倍的车体重量,因此不仅要求轨道具有较高的抗压变形能力,同时需要有坚固可靠的背后墙体支撑。
38.本实用新型在一个圆弧形隧洞中运行,隧洞断面为矩形,顶部为透明结构,可以直接观察到高铁离心机的运行,隧洞外侧墙9则是由一个巨大的圆弧形钢筋混凝土挡墙10支撑。
39.悬浮结构车体1头部的流线型设计在减少风阻力的同时,为车体提供悬浮力,迎风面13的导气管16将气体导入车体底部,从而为车体提供悬浮力。在车体内部外侧布置多个鼓风机15,由鼓风机15产生的高压空气,通过管道送入车体空腔的气室内形成气垫托起车体。该气室与迎风面13的导气管16不可联通。
40.悬浮结构车体1的迎风面13的进风口分布位于车体的侧面和底面,根据风压的大小和要求,侧面的进风口略大,底面的进风口略小。车厢整体要有足够的刚度和强度,车厢的开口部位位于车体的顶部,岩土模型可以通过顶部开口进行吊装。另外配有专用扶梯,以方便人员上下模型试验舱2。
41.模型试验舱2通过旋转轴承7活动设于悬浮结构车体1内,模型试验舱2沿着第一铁
轨4和第二铁轨3高速旋转,同时自身也在离心力的作用下可以沿径向旋转。
42.模型土样制备装在模型试验舱2内,模型试验舱2为可自动旋转结构,当离心机加速度大于10g(g为重力加速度)时,模型试验舱2呈水平方向。气垫悬浮式岩土离心机加速度可达100g,容量可达3000g

ton以上,其容量远大于现有的臂式岩土离心机。
43.悬浮结构车体1的迎风面13和尾部12均采用流线型设计,使得悬浮结构车体1自身在高速旋转过程中产生一定的悬浮效果,结合气垫结构设计,可进一步减小摩擦力。
44.直线电机用于驱动悬浮结构车体1严第一铁轨4和第二铁轨3运动,直线电机的定子固定于第一铁轨4和第二铁轨3上,直线电机的动子固定于悬浮结构车体1上;数据采集设备安装于模型试验舱2内,并通过无线传输设备与地面11试验室计算机信号连接。
45.数据采集设备安装在模型试验舱2和主控室中,各类传感器布置在模型试验舱2中。通过主控系统和数据采集设备收集各项所需科学数据,数据采集设备与无线传输设备连接,无线传输设备与地面11试验室计算机无线通信连接;供电设备为各用电设备提供电源。
46.车体试验舱是进行离心模型试验的主要场所,其内部集成了离心模型试验所需的所有设备,包括但不限于模型箱、电力系统、供水系统、数采系统和无线通讯系统等,模型试验舱2本身也是比车体外壳略小的圆柱体,与车体外壳呈双套筒结构,二者之间用旋转轴承7连接,轴承是一种常见的连接结构,其所连接的两部分结构可以流畅地实现相对转动,而回转支承轴承区别于普通轴承的特点是其可以承受较大的综合载荷,可以同时承受较大的轴向、径向载荷和倾覆力矩,这样就可以保证轴承本身在离心机运行时产生的加速场中不会发生过度变形。
47.在离心机运行过程中,模型试验舱2随转速和离心力增大而由竖直向水平方向旋转。实现这一过程需要在结构布置时保证离心机运转时,模型试验舱2重心始终位于圆柱体中轴下方,如此在离心机运行时,随着转速及离心加速度的提高,试验舱重心受离心力影响绕中轴向外侧逐渐发生偏转,最终在达到所需离心加速度值后达到近似水平状态。
48.直线电机是一种应用广泛的驱动设备,由于省去了中间传动机构,可以直接实现直线驱动,提高了能量利用效率。其工作原理也分为同步电机和感应电机,当次级部分为直流励磁绕组或永磁体时,初级三相绕组通相交流电时在电机气隙中产生的行波磁场与次级磁极磁场相互作用,气隙行波磁场对次级产生直线型的电磁推为。直线感应电机与旋转式感应电动机类似,次级通常为端部连接的金属导条(栅形次级)或平板金属(平板型次级),气隙行波磁场穿过次级金属导条或金属板感应形成涡流,次级中产生涡流磁场,次级涡流磁场与气隙行波磁场作用产生电磁推力。直线同步电机相对于直线感应电机有推力大,易于实现高精度控制的优点,但直线感应电机由于其结构简便,感应板次级要比永磁次级成本低很多。
49.供电设备为真空磁悬浮离心机提供所需电力,包括有线供电设备和无线供电设备两部分,有线供电设备主要负责为车体试验舱以外的所有部分进行供电,无线供电设备又称感应供电设备、非接触式供电设备,主要是为满足车体试验舱内部设备的用电需求。
50.虽然结合附图对实用新型的具体实施方式进行了详细地描述,但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内,本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
当前第1页1 2 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1