水平振動型泥沙沉降試驗裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種水平振動型泥沙沉降試驗裝置，包括用于盛放挾沙水體并觀測泥沙顆粒沉降過程的沉降筒，所述沉降筒外側頂部安裝有為提供試驗裝置振動時所需動力的動力系統，沉降筒外側垂向靠側壁設置有用于將動力系統提供的旋轉運動轉換為水平往返直線運動的傳動系統，沉降筒內部設置有若干垂直且平行的振動柵格，所述傳動系統與振動柵格固定連接，振動柵格在傳動系統的帶動下呈水平往返直線運動。本發明提供的水平振動型泥沙沉降試驗裝置只產生水體的紊動而不會在顆粒沉降方向產生額外的附加慣性力，這種紊動的作用可近似認為是各向同性的，則其對沉速的影響就孤立出來了，即該裝置能夠準確模擬泥沙顆粒在真實紊動水體中的沉降運動規律。
【專利說明】水平振動型泥沙沉降試驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及水利測量【技術領域】，特別涉及對紊動水體中泥沙顆粒沉降速度進行測量的水平振動型泥沙沉降試驗裝置。
【背景技術】
[0002]由于泥沙的比重大于水，水體中的泥沙在重力的作用下會往下沉降，泥沙在靜水中的沉降是最簡單的實例。泥沙顆粒的沉速是研究泥沙問題的基礎，如河道的泥沙輸移、水庫或港口的泥沙淤積問題等都需要準確地求解泥沙顆粒的沉速。在天然情況下和實際工程應用中的水流形態幾乎都是紊流，真實泥沙顆粒的沉降運動總是在紊動水體中發生的。在對泥沙沉降問題的傳動研究中，試驗裝置大多只適用于對靜水中泥沙的沉降速度進行測量，試驗結果與與實際情況不符。
[0003]隨著認知和技術水平的提升，在近代流體力學的研究中，有學者開始研究泥沙顆粒在紊動水體中的沉降。Rouse在含沙水體中采用垂向振動格柵使水體產生各種垂向的紊動，研究泥沙顆粒在此種紊動條件下的沉降規律，此后的學者均沿用此技術進行了各種紊動條件的研究。然而，垂向振動在產生水體紊動的同時，也向泥沙顆粒施加了額外的附加慣性力，當格柵向下運動、使水體產生向下的紊動時，其附加慣性力會加大顆粒的沉速，當格柵向上振動時則減小顆粒的沉速，即顆粒的沉降受到垂直振動附加慣性力的影響，導致試驗結果存在較大的誤差。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于解決上述現有技術存在的缺陷，提供一種能夠減小誤差來測量泥沙顆粒在紊動水體沉降速度的水平振動型泥沙沉降試驗裝置。
[0005]一種水平振動型泥沙沉降試驗裝置，包括用于盛放挾沙水體并觀測泥沙顆粒沉降過程的沉降筒，所述沉降筒外側頂部安裝有為提供試驗裝置振動時所需動力的動力系統，沉降筒外側垂向靠側壁設置有用于將動力系統提供的旋轉運動轉換為水平往返直線運動的傳動系統，沉降筒內部設置有若干垂直且平行的振動柵格，所述傳動系統與振動柵格固定連接，振動柵格在傳動系統的帶動下呈水平往返直線運動。
[0006]進一步地，如上所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，所述動力系統包括電機、用于支撐電機的機座、以及與電機的轉軸連接的驅動齒輪。
[0007]進一步地，如上所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，所述傳動系統包括三部分；第一部分包括從動輪、左偏心輪、右偏心輪、左連桿、右連桿、上橫梁、下橫梁、連接板、支架、第一豎直導軌、第一豎直滑塊；第二部分包括第二豎直導軌、可在第二豎直導軌上上下滑動的若干第二豎直滑塊、內豎直驅動板、外豎直驅動板；第三部分包括若干水平導軌、在所述水平導軌上左右滑動的水平滑塊、上連桿、下連桿、套在所述水平導軌上的套筒；
[0008]其中，第一部分，所述第一豎直導軌垂直固定在支架上，第一豎直滑塊可在第一豎直導軌上上下滑動；所述從動輪與驅動齒輪相互咬合，所述左偏心輪、右偏心輪分別同軸安裝在從動輪的左右兩側，左偏心輪通過左連桿與上橫梁直接相連，右偏心輪通過右連桿、第一豎直滑塊和連接板與下橫梁連接，左連桿與左偏心輪的連接位置、右連桿與右偏心輪的連接位置相差180°，當偏心輪隨從動輪旋轉時，左連桿、右連桿驅動上、下兩根橫梁沿第一豎直導軌相向往復運動；
[0009]第二部分，所述第二豎直導軌垂直固定在支架的兩端，所述下橫梁的兩端分別垂直連接平行設置的兩條內豎直驅動板，上橫梁的兩端分別垂直連接平行設置的兩條外豎直驅動板，所述兩條外豎直驅動板上設置有供第奇數個第二豎直滑塊上下滑動的窄槽，兩條內豎直驅動板上設置有與第偶數個第二豎直滑塊活動連接的圓孔，所述外豎直驅動板、內豎直驅動板隨著上橫梁、下橫梁的相向往復運動沿著第二豎直導軌上下運動進而帶動第奇數個第二豎直滑塊滑動；
[0010]第三部分，所述水平導軌垂直固定在第二豎直導軌上，第奇數個第二豎直滑塊與所述上連桿的一端鉸接連接，第偶數個第二豎直滑塊與所述下連桿的一端鉸接連接，所述上連桿、下連桿的另一端分別鉸接連接在水平滑塊的上下兩端，所述水平滑塊與套筒的一端固定連接，水平滑塊、套筒的一端穿過沉降筒的側壁后，套筒與所述沉降筒內的振動柵格固定連接。
[0011]進一步地，如上所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，所述振動柵格上分布有若干供沙水穿過的小孔。
[0012]進一步地，如上所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，所述沉降筒的側壁上還設置有供插入壓力傳感器可插入的測量小孔。
[0013]進一步地，如上所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，所述沉降筒的四個側壁上分別安裝有白玻璃。
[0014]進一步地，如上所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，所述傳動系統的第二部分及第三部分的一部分包圍在第一容器內，所述第一容器安裝在所述沉降筒的側壁上；所述傳動系統的第一部分包圍在第二容器內，所述第二容器安裝在所述沉降筒的頂部。所述動力系統安裝在第二容器的外部頂部。
[0015]進一步地，如上所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，所述第二容器、第一容器上安裝有用于觀察傳動系統運動狀態的白玻璃。
[0016]本發明提供的水平振動型泥沙沉降試驗裝置只產生水體的紊動而不會在顆粒沉降方向產生額外的附加慣性力，這種紊動的作用可近似認為是各向同性的，則其對沉速的影響就孤立出來了，即該裝置能夠準確模擬泥沙顆粒在真實紊動水體中的沉降運動規律。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明水平振動型泥沙沉降試驗裝置主視圖；
[0018]圖2為本發明傳動系統結構不意圖一；
[0019]圖3為本發明傳動系統結構示意圖二；
[0020]圖4為第一容器與沉降筒的安裝位置圖；
[0021]圖5為第一容器、第二容器與沉降筒的安裝位置圖。
【具體實施方式】
[0022]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0023]圖1為本發明水平振動型泥沙沉降試驗裝置主視圖；如圖1所示，本發明提供的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，包括用于盛放挾沙水體并觀測泥沙顆粒沉降過程的沉降筒1，所述沉降筒I外側頂部安裝有為提供試驗裝置振動時所需動力的動力系統，沉降筒I外側垂向靠側壁設置有用于將動力系統3提供的旋轉運動轉換為水平往返直線運動的傳動系統，沉降筒I內部設置有若干垂直且平行的振動柵格5，所述傳動系統與振動柵格5固定連接，振動柵格5在傳動系統的帶動下呈水平往返直線運動。
[0024]圖2為本發明傳動系統結構示意圖一，圖3為本發明傳動系統結構示意圖二，如圖2及圖3所示，所述動力系統3包括電機31、用于支撐電機31的機座32、以及與電機31的轉軸連接的驅動齒輪33 ；
[0025]所述傳動系統包括三部分；第一部分包括從動輪411、左偏心輪4121、右偏心輪4122、左連桿4131、右連桿4132、上橫梁4141、下橫梁4142、連接板417、支架419、第一豎直導軌418、第一豎直滑塊416 ;第二部分包括第二豎直導軌421、可在第二豎直導軌421上上下滑動的若干第二豎直滑塊424、內豎直驅動板422、外豎直驅動板423 ;第三部分包括若干水平導軌433、在所述水平導軌433上左右滑動的水平滑塊432、上連桿4311、下連桿4312、套在所述水平導軌433上的套筒434 ；
[0026]其中，第一部分，所述第一豎直導軌418垂直固定在支架419上，第一豎直滑塊416可在第一豎直導軌418上上下滑動；所述從動輪411與驅動齒輪33相互咬合，所述左偏心輪4121、右偏心輪4122分別同軸安裝在從動輪411的左右兩側，左偏心輪4121通過左連桿4131與上橫梁4141直接相連，右偏心輪4122通過右連桿4132、第一豎直滑塊416和連接板417與下橫梁4142連接，左連桿4131與左偏心輪4121的連接位置、右連桿4132與右偏心輪4122的連接位置相差180°，當偏心輪隨從動輪411旋轉時，左連桿4131、右連桿4132驅動上、下兩根橫梁沿第一豎直導軌418相向往復運動；
[0027]第二部分，所述第二豎直導軌421垂直固定在支架419的兩端，所述下橫梁4142的兩端分別垂直連接平行設置的兩條內豎直驅動板422，上橫梁4141的兩端分別垂直連接平行設置的兩條外豎直驅動板423，所述兩條外豎直驅動板423上設置有供第奇數個第二豎直滑塊424上下滑動的窄槽4231，兩條內豎直驅動板422上設置有與第偶數個第二豎直滑塊424活動連接的圓孔4232，所述外豎直驅動板423、內豎直驅動板422隨著上橫梁4141、下橫梁4142的相向往復運動沿著第二豎直導軌421上下運動進而帶動第奇數個第二豎直滑塊424滑動；
[0028]第三部分，所述水平導軌433垂直固定在第二豎直導軌421上，第奇數個第二豎直滑塊424與所述上連桿4311的一端鉸接連接，第偶數個第二豎直滑塊424與所述下連桿4312的一端鉸接連接，所述上連桿4311、下連桿4312的另一端分別鉸接連接在水平滑塊432的上下兩端，所述水平滑塊432與套筒434的一端固定連接，水平滑塊432、套筒434的一端穿過沉降筒I的側壁后，套筒434與所述沉降筒I內的振動柵格5固定連接；所述振動柵格5上分布有若干供沙水穿過的小孔。
[0029]進一步地，所述沉降筒I的側壁上還設置有供插入壓力傳感器可插入的測量小孔
11。所述沉降筒I的四個側壁上分別安裝有白玻璃2。
[0030]圖4為第一容器與沉降筒的安裝位置圖，圖5為第一容器、第二容器與沉降筒的安裝位置圖，如圖4及圖5所示，所述傳動系統的第二部分及第三部分的一部分包圍在第一容器6內，所述第一容器6安裝在所述沉降筒I的側壁上；所述傳動系統的第一部分包圍在第二容器7內，所述第二容器7安裝在所述沉降筒I的頂部；所述動力系統3安裝在第二容器7的外部頂部。所述第二容器7、第一容器6上安裝有用于觀察傳動系統運動狀態的白玻璃2。
[0031]具體地，本發明的提供的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，由支撐框架8，沉降筒1，動力系統3，傳動系統和振動柵格5五部分構成。其中，支撐框架8用于安裝固定所述沉降筒1、第一容器6、第二容器7 ;支撐框架8位于整個試驗裝置的外部，起支撐和固定作用；沉降筒I固定在支撐框架8的中下部，是盛放挾沙水體并觀測泥沙顆粒沉降過程的容器；動力系統3安裝在支撐框架8的頂部平臺上，負責提供試驗裝置振動時所需動力；傳動系統沿試驗裝置的垂向靠側壁布局，其作用是將動力系統3提供的旋轉運動轉換為水平往返直線運動，并驅動振動柵格5沿水平方向來回振動；振動柵格5與傳動系統連接，在傳動系統的帶動下做水平往返運動，使挾沙水體處于紊動狀態。
[0032]所述支撐框架8由立柱81、中部平臺83和頂部平臺82三部分組成。其中，立柱81為四根75型角鋼；中部平臺83為1mm厚碳鋼平板，平臺上預留圓孔固定豎直導軌，預留方孔供內豎直驅動板422、外豎直驅動板423穿過；頂部平臺83為1mm厚碳鋼平板，預留圓孔固定動力系統和部分傳動系統，預留方孔供左連桿4131、右連桿4132穿過；中部平臺83和頂部平臺82通過螺絲與立柱81連接構成整個支撐框架。
[0033]所述沉降筒I由底板、前面板、后面板、左面板、右面板組成。其中，底板為1mm厚碳鋼平板，其中部設有排水口供排水排沙，底板通過螺絲與支撐框架8的立柱81進行連接；前、后面板均為16mm厚碳鋼平板,面板內部各安裝一塊1mm厚超白玻璃2以便于從外部觀測泥沙沉降過程；左面板為16mm厚碳鋼平板，右面板為16mm厚碳鋼平板，平板內部安裝數塊1mm超白玻璃以便于觀測泥沙沉降過程，玻璃窗之間設有測量小孔11用于插入壓力傳感器等小型測量儀器；第一容器6與沉降筒I之間的隔板為8_厚碳鋼平板，隔板中部預留6個圓孔以通過傳動機構的水平導軌433，第一容器主要用于安裝傳動機構，沉降筒為試驗區，第一容器與沉降筒分開隔板的目的是為了避免了傳動機構對試驗區內的挾沙水流產生不規則擾動。底板、各面板之間板均通過螺絲進行連接和固定，板與板之間的接縫敷設玻璃膠以防止漏水。
[0034]所述電機31選用惠斯通SM150-23020型伺服電機，電機31通過機座32固定在支撐框架8的頂部平臺82 ;驅動齒輪33為直徑100mm、厚1mm的100齒2模直齒輪，與電機31的轉軸連接和驅動。
[0035]所述傳動系統包括三部分，第一部分將電機31提供的旋轉運動轉換為豎直往復運動，第二下部分、第三部分將豎直往返運動轉換為水平往復運動，所述從動輪411為直徑200mm,厚1mm的200齒2模直齒輪，與驅動齒輪33相互咬合；所述內豎直驅動板422、外豎直驅動板423為1mm厚碳鋼平板，其中內豎直驅動板422驅動第奇數個第二豎直滑塊424，外豎直驅動板423驅動第偶數個第二豎直滑塊424。為便于安裝，每根外豎直驅動板423上均預留圓孔4232、窄槽4231，其中圓孔4232用于和第二豎直滑塊424相連接，窄槽4231為第二豎直滑塊424預留滑動空間。所述振動柵格5為均勻分布有圓孔的碳鋼薄板，每塊振動柵格5上預留圓孔用于和套筒434連接，振動柵格5跟隨套筒434往返運動從而形成紊動水體團，紊動水團的大小隨孔徑和孔距改變，本發明振動柵格5上孔的孔徑為20mm、孔距100mm。
[0036]本發明水平振動型泥沙沉降試驗裝置工作原理:首先在沉降筒內盛放待測含沙水體，打開驅動電機31并根據試驗需求調整電機轉速(紊動水團的頻率)和偏心度(紊動水團的振幅)。在電機的驅動下，振動柵格5沿水平導軌433往返運動，在水體中形成一定尺度的紊動水團。沉降筒內泥沙顆粒在紊動條件下的沉降運動過程通過布置在沉降筒玻璃窗外側和通過測量小孔11插入水體內部的儀器進行測量。
[0037]最后應說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。
【權利要求】
1.一種水平振動型泥沙沉降試驗裝置，其特征在于，包括用于盛放挾沙水體并觀測泥沙顆粒沉降過程的沉降筒(I)，所述沉降筒(I)外側頂部安裝有為提供試驗裝置振動時所需動力的動力系統，沉降筒(I)外側垂向靠側壁設置有用于將動力系統(3)提供的旋轉運動轉換為水平往返直線運動的傳動系統，沉降筒(I)內部設置有若干垂直且平行的振動柵格(5)，所述傳動系統與振動柵格(5)固定連接，振動柵格(5)在傳動系統的帶動下呈水平往返直線運動。
2.根據權利要求1所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，其特征在于，所述動力系統(3)包括電機(31)、用于支撐電機(31)的機座(32)、以及與電機(31)的轉軸連接的驅動齒輪(33)。
3.根據權利要求1所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，其特征在于，所述傳動系統包括三部分；第一部分包括從動輪(411)、左偏心輪(4121)、右偏心輪(4122)、左連桿(4131)、右連桿(4132)、上橫梁(4141)、下橫梁(4142)、連接板(417)、支架(419)、第一豎直導軌(418)、第一豎直滑塊(416);第二部分包括第二豎直導軌(421)、可在第二豎直導軌(421)上上下滑動的若干第二豎直滑塊(424)、內豎直驅動板(422)、外豎直驅動板(423)；第三部分包括若干水平導軌(433)、在所述水平導軌(433)上左右滑動的水平滑塊(432)、上連桿(4311)、下連桿(4312)、套在所述水平導軌(433)上的套筒(434)； 其中，第一部分，所述第一豎直導軌(418)垂直固定在支架(419)上，第一豎直滑塊(416)可在第一豎直導軌(418)上上下滑動；所述從動輪(411)與驅動齒輪(33)相互咬合，所述左偏心輪(4121)、右偏心輪(4122)分別同軸安裝在從動輪(411)的左右兩側，左偏心輪(4121)通過左連桿(4131)與上橫梁(4141)直接相連，右偏心輪(4122)通過右連桿(4132)、第一豎直滑塊(416)和連接板(417)與下橫梁(4142)連接，左連桿(4131)與左偏心輪(4121)的連接位置、右連桿(4132)與右偏心輪(4122)的連接位置相差180°，當偏心輪隨從動輪(411)旋轉時，左連桿(4131)、右連桿(4132)驅動上、下兩根橫梁沿第一豎直導軌(418)相向往復運動； 第二部分，所述第二豎直導軌(421)垂直固定在支架(419)的兩端，所述下橫梁(4142)的兩端分別垂直連接平行設置的兩條內豎直驅動板(422)，上橫梁(4141)的兩端分別垂直連接平行設置的兩條外豎直驅動板(423)，所述兩條外豎直驅動板(423)上設置有供第奇數個第二豎直滑塊(424)上下滑動的窄槽(4231)，兩條內豎直驅動板(422)上設置有與第偶數個第二豎直滑塊(424)活動連接的圓孔(4232)，所述外豎直驅動板(423)、內豎直驅動板(422)隨著上橫梁(4141)、下橫梁(4142)的相向往復運動沿著第二豎直導軌(421)上下運動進而帶動第奇數個第二豎直滑塊(424)滑動； 第三部分，所述水平導軌(433)垂直固定在第二豎直導軌(421)上，第奇數個第二豎直滑塊(424)與所述上連桿(4311)的一端鉸接連接，第偶數個第二豎直滑塊(424)與所述下連桿(4312)的一端鉸接連接，所述上連桿(4311)、下連桿(4312)的另一端分別鉸接連接在水平滑塊(432)的上下兩端，所述水平滑塊(432)與套筒(434)的一端固定連接，水平滑塊(432)、套筒(434)的一端穿過沉降筒(I)的側壁后，套筒(434)與所述沉降筒(I)內的振動柵格(5)固定連接。
4.根據權利要求1所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，其特征在于，所述振動柵格(5)上分布有若干供沙水穿過的小孔。
5.根據權利要求1所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，其特征在于，所述沉降筒(I)的側壁上還設置有供插入壓力傳感器可插入的測量小孔(11)。
6.根據權利要求1所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，其特征在于，所述沉降筒(I)的四個側壁上分別安裝有白玻璃(2)。
7.根據權利要求1所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，其特征在于，所述傳動系統的第二部分及第三部分的一部分包圍在第一容器￠)內，所述第一容器(6)安裝在所述沉降筒(I)的側壁上；所述傳動系統的第一部分包圍在第二容器(7)內，所述第二容器(7)安裝在所述沉降筒(I)的頂部；所述動力系統(3)安裝在第二容器(7)的外部頂部。
8.根據權利要求7所述的水平振動型泥沙沉降試驗裝置，其特征在于，所述第二容器(7)、第一容器(6)上安裝有用于觀察傳動系統運動狀態的白玻璃(2)。
【文檔編號】G09B23/12GK104165751SQ201410197953
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年9月1日 優先權日:2014年9月1日
【發明者】李文杰, 陳啟剛, 楊勝發, 張鵬, 王興奎, 曹慶萬 申請人:重慶交通大學