CN103592160B - 一种自动控制落距的砂雨装置和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动控制落距的砂雨装置及使用方法，砂雨装置由砂斗、砂漏、模型箱和自动升降台座等结构组成，采用将撒砂重量转换为台座下沉高度的方式实现了对落距的精确控制。本发明还公开了该装置的使用方法，技术步骤包括：确定砂样密度，确定落距，将模型箱固定在可通过重量自动调节下沉高度的台座上，水平移动砂斗撒砂，台座根据砂样重量自动下沉，直至撒砂结束。撒砂过程中无需移动砂漏竖向高度，台座下沉量始终与砂样高度相同，即落距始终不变。本发明克服了传统砂雨法制样过程中因落距不能精确控制而造成的砂样不均、密度不精确的问题，具有精确度高、操作方便、技术简单可行、实用性强等优点。

Description

一种自动控制落距的砂雨装置和使用方法

技术领域

本发明涉及一种可将撒砂重量自动转换为下沉高度的装置及使用方法，特别涉及一种自动控制落距的砂雨装置和使用方法。

背景技术

砂雨法是无粘性土常规试验中试样制备常用的一种方法。无粘性土试样的密度是制样过程中最重要的控制参数之一，其受多种因素影响，如砂斗形状、砂漏形状、模型箱形状、钢筛筛孔、平均落距等。其中，当砂斗形状、砂漏形状、模型箱形状和钢筛筛孔被选定后，均可通过标定得到其与砂样密度的关系，即这些参数在砂雨过程中为静态影响因素。而平均落距在砂雨过程中随着砂样的增高不断被打破，而后再被重新调整，其对砂样密度影响显著，且难以控制，是砂雨过程中典型的动态影响因素。

目前，试验中若采用砂雨法制样，大多通过调整砂斗和砂漏高度达到控制落距的目的。在撒砂过程中，砂斗和砂漏的升降是通过吊机实现的，而吊机的升降高度多为手动控制。因此，难以保证落距始终为h。另外，由于模型箱平面尺寸常常大于砂漏的截面尺寸，砂雨时不仅要调节落距，还要调节砂漏的水平位置，如此复杂的操作很难保证砂样的整体均匀性。

在本发明之前，采用传统砂雨法制备的砂样大多不能保证其密度的精确性，一些砂样即使平均密度合理，砂样的整体均匀性仍难以实现。砂样的相对密度十分敏感，而相对密度是控制砂样物理、力学特性的重要指标。因此，得到一种自动控制落距的砂雨装置和使用方法，对实现砂样密度精确性和整体均匀性十分重要。

发明内容

本发明的目的在于克服传统砂雨法在撒砂过程中难以准确控制落距、砂样密度和砂样均匀性等缺陷，提供一种自动控制落距的砂雨装置和使用方法。

一种自动控制落距的砂雨装置，包括砂斗、砂漏、模型箱和自动升降台座等，砂斗与砂漏通过软管连接，连接段设置阀门，模型箱和自动升降台座位于砂漏下方，其特征在于：模型箱固定于自动升降台座上并随台座升降；自动升降台座为弹簧形式或联动千斤顶形式；台座与砂样高度同步变化；台座侧壁为自由伸缩的橡皮膜，可随台座主体自由升降；撒砂过程中，砂斗与砂漏高度始终不变，即撒砂过程中落距始终为h。

自动升降台座是将撒砂重量转换为砂样高度，再执行与砂样高度相等的沉降量的装置。本台座采用两种形式实现自动下沉：①弹性系数值等于撒砂重量的弹簧组，弹簧组下端固定在台座底部，弹簧组与模型箱配套使用以确保弹簧压缩量与砂样高度同步；②将撒砂重量转换为沉降高度并执行沉降的组合千斤顶装置，该装置内置可量测重量的精度天平、根据模型箱尺寸将天平测得读数自动转换为下沉量Δh并自动输出的数据转换中枢、执行转换中枢输出结果的沉降装置等，千斤顶组由数个千斤顶组成，由联动装置连接以确保同步升降。

该砂雨装置具有精确度高、操作简单可行、实用性强等优点。撒砂过程中落距始终为h，落距的控制保证了砂样的整体均匀性和密度精确性。

本发明一种自动控制落距的砂雨方法，其采用以下技术步骤实现：

(1)根据试验方案，确定砂样密度；

(2)根据砂样密度，确定落距(h)，多次标定砂样密度与落距的关系，通过得到的关系曲线，插值得到目标砂样密度对应的落距，验证并确定插值得到的落距；

(3)将模型箱固定于自动升降台座上，模型箱与台座采用对称螺母连接，保证其整体稳定性；

(4)将砂斗吊起，使砂漏底面到达模型箱内底面的距离(落距)为h，固定砂斗高度，整个撒砂过程中无需改变砂斗与砂漏的高度。砂斗与砂漏由塑料软管连接，软管可以在不移动砂斗水平位置的前提下，小范围移动砂漏位置。砂斗、砂漏均采用至少两道钢箍实现与橡胶软管的连接，确保连接牢固；

(5)打开砂斗底部的阀门，向模型箱内撒砂，撒砂过程中，保持砂斗与砂漏高度不变，水平、缓慢移动砂斗与砂漏位置；

(6)撒砂过程中，台座根据上部砂样重量自动调节下降，其下降高度与模型箱内砂样高度相同。待模型箱内砂样高度达到试验要求后，关闭砂斗底部的阀门，结束撒砂；

(7)称量模型箱内砂样重量，计算砂样密度。

本发明所述的弹簧形式的升降台座，通过数只弹簧组成的弹簧组实现，弹簧组的弹性系数为k＝L×S×γ，其中，L＝模型箱内壁长、S＝模型箱内壁宽、γ＝砂样重度。实现了模型箱内砂样高度与弹簧组沉降量相同，均为Δh，弹簧组下端固定在台座底部。弹簧组与模型箱配套使用以确保弹簧压缩量与砂样高度同步，弹簧组可简单拆卸，简单组装。

本发明所述的千斤顶形式的升降台座，通过内置量测重量的精度天平、将天平测得读数自动转换为下沉量Δh并输出的数据转换中枢、执行转换中枢输出结果的联动千斤顶组实现。其中，天平置于台座中心，可以精确测得砂样重量；将天平测得读数自动转换为下沉量Δh并输出的数据转换中枢，采用简单计算器实现；执行转换中枢输出结果的沉降装置，采用4个联动的小型油压千斤顶实现，千斤顶将重量按照参数k'＝W/(L×S×γ)换算为台座沉降量，其中，W＝任意时刻撒砂重量、L＝模型箱内壁长、S＝模型箱内壁宽、γ＝砂样重度。实现了模型箱内砂样高度与弹簧组沉降量相同，均为Δh。

本发明所述的自动升降台座采用可伸缩的橡皮膜侧壁，撒砂过程中，侧壁随台座主体自由升降。

所述的砂斗与砂漏高度在撒砂过程中始终不变，砂漏底面到模型箱内砂样表面的高度始终为h，即落距始终为h。

本发明的优点和效果在于：采用将撒砂重量自动转换为台座下沉高度的方式实现了对落距的精确控制，撒砂过程中无需调整砂斗与砂漏的竖向高度，克服了传统砂雨法在撒砂过程中难以准确控制落距、砂样密度和砂样均匀性等缺陷，具有精确度高、操作方便、技术简单可行、实用性强等优点。

附图说明

图1本发明一种自动控制落距的砂雨装置结构示意图；

图2本发明结构的工作状态图。其中，(a)确定砂样密度和落距，(b)将模型箱固定于台座之上，(c)撒砂过程中台座根据上部重量自动沉降，(d)撒砂结束并关闭阀门；

图3本发明砂斗、砂漏与塑料软管的钢箍连接图；

图4本发明模型箱与台座螺母连接图；

图5本发明弹簧形式的自动升降台座及其剖面图；

图6本发明联动千斤顶形式的自动升降台座及其剖面图。

图中：1为吊绳，2为砂斗，3为阀门，4为塑料软管，5为钢箍，6为砂漏，7为钢筛，8为模型箱，9为升降台座，10为可伸缩橡皮侧壁，11为水平缓慢移动砂斗和砂漏，12台座下沉，13为台座最终位置，14为砂样表面最终高度；15为砂斗下部连接管，16为钢箍卡头，17为模型箱卡座，18为螺母，19为弹簧组，20为油压千斤顶，21为千斤顶底座，22为天平，23为数据转换中枢，24为沉降量显示器，25为联动装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

如图1-6所示所示，本发明一种自动控制落距的砂雨装置，包括吊绳(1)、砂斗(2)、砂漏(6)、模型箱(8)和自动升降台座(9)等。砂斗与砂漏通过软管连接(4)，连接处采用至少两道钢箍(5)，连接段设置阀门(3)用于控制砂雨过程的开始和结束，砂漏选择合适孔径的钢筛(7)，模型箱固定于自动升降台座之上，两者位于砂漏下方。其特征在于：模型箱固定于自动升降台座上并随台座升降；自动升降台座为弹簧形式或联动千斤顶形式；台座与砂样高度同步变化；台座侧壁为自由伸缩的橡皮膜(10)，可自由升降；砂斗与砂漏高度在撒砂过程中始终不变，即撒砂过程中落距始终为h。

所述的弹簧形式的升降台座(如图5)，包括数只弹簧组成的弹簧组(19)，弹簧组下端固定在台座底部，弹簧组与模型箱配套使用以确保弹簧压缩量与砂样高度同步。

所述的千斤顶形式的升降台座(如图6)，内置量测重量的精度天平(22)、将天平测得读数自动转换为下沉量Δh并输出的数据转换中枢(23)、执行转换中枢输出结果的联动千斤顶组(20)。千斤顶组由数个千斤顶组成，由联动装置(25)连接以确保同步升降。

本发明一种自动控制落距的砂雨方法，其采用以下技术步骤实现：

如图2(a)所示，根据试验方案，确定砂样密度，根据砂样密度，确定落距(h)，多次标定砂样密度与落距的关系，通过得到的关系曲线，插值得到目标砂样密度对应的落距，验证并确定插值得到的落距。将砂斗与砂漏下部连接管(15)通过软管连接，连接处采用至少两道钢箍(如图3)，钢箍卡头(16)位置错开，连接段设置阀门用于控制砂雨过程的开始和结束，砂漏选择合适孔径的钢筛，从而形成上部撒砂系统。图2(b)所示，将模型箱卡座(17)与台座采用对称螺母(18)连接(如图4)，保证其整体稳定性。采用吊机将砂斗吊起，使砂漏底面到达模型箱内底面的距离(落距)为h，固定砂斗高度，整个撒砂过程中无需改变砂斗与砂漏的高度。图2(c)所示，打开砂斗底部的阀门，向模型箱内撒砂，撒砂过程中，水平、缓慢移动砂斗与砂漏位置(11)，确保砂样的整体均匀性。随着砂样高度的增加，台座根据上部重量自动下沉(12)。台座可通过两种形式实现自动下沉：①通过弹性系数值等于撒砂重量的弹簧组(19)实现(如图5)，弹簧组的弹性系数为k＝L×S×γ，其中，L＝模型箱内壁长、S＝模型箱内壁宽、γ＝砂样重度，模型箱内砂样高度与弹簧组沉降量相同，均为Δh。根据常用的模型箱配置多种型号的弹簧组，弹簧组与模型箱配套使用。弹簧组下端固定在台座底部，可简单拆卸，简单组装；②将撒砂重量转换为沉降高度并执行沉降的联动千斤顶装置(25)，该装置内置量测重量的精度天平(22)、根据模型箱尺寸将天平测得读数自动转换为下沉量Δh并输出的数据转换中枢(23)、执行转换中枢输出结果的沉降装置等(如图6)。其中，天平置于台座中心，可以精确测得砂样重量；将天平测得读数自动转换为下沉量Δh并输出的数据转换中枢，采用简单计算器实现，并通过显示器显示沉降值(24)；执行转换中枢输出结果的沉降装置，采用数个联动的小型油压千斤顶(20)实现，千斤顶通过底座(21)与台座连接。千斤顶将重量按照参数k'＝W/(L×S×γ)换算为台座沉降量，其中，W＝任意时刻撒砂重量、L＝模型箱内壁长、S＝模型箱内壁宽、γ＝砂样重度，模型箱内砂样高度与弹簧组沉降量始终相同，均为Δh。如图2(d)所示，待模型箱内砂样高度达到试验要求后，关闭砂斗底部的阀门，结束撒砂，台座停留在最终位置(13)，砂样表面达到最终高度(14)。

本发明的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

Claims (2)

1.一种自动控制落距的砂雨装置，包括砂斗、砂漏、模型箱和自动升降台座，砂斗与砂漏通过软管连接，连接段设置阀门，模型箱和自动升降台座位于砂漏下方，其特征在于：模型箱固定于自动升降台座之上并随台座升降；自动升降台座为弹簧形式或联动千斤顶形式；台座与砂样高度同步变化；台座侧壁为自由伸缩的橡皮膜，可随台座主体自由升降；撒砂过程中砂斗与砂漏高度始终不变，即落距始终为h；

所述的弹簧形式的升降台座，包括数只弹簧组成的弹簧组，弹簧组下端固定在台座底部，弹簧组与模型箱配套使用以确保弹簧压缩量与砂样高度同步；

所述的千斤顶形式的升降台座，内置量测重量的精度天平、将天平测得读数自动转换为下沉量并输出的数据转换中枢、执行转换中枢输出结果的联动千斤顶组，千斤顶组由数个千斤顶组成，由联动装置连接以确保同步升降。

2.根据权利要求1所述的一种自动控制落距的砂雨装置的使用方法，包括以下技术步骤：

（1）根据试验方案，确定砂样密度；

（2）根据砂样密度，确定落距（h），多次标定砂样密度与落距的关系，通过得到的关系曲线，插值得到目标砂样密度对应的落距，验证并确定插值得到的落距；

（3）将模型箱固定于自动升降台座上，模型箱与台座采用对称螺母连接，保证其整体稳定性；

（4）将砂斗吊起，使砂漏底面到达模型箱内底面的距离（落距）为h，固定砂斗高度，砂斗与砂漏由塑料软管连接，砂斗、砂漏均采用至少两道钢箍实现与橡胶软管的连接；

（5）打开砂斗底部的阀门，向模型箱内撒砂，撒砂过程中，保持砂斗与砂漏高度不变，缓慢移动砂斗与砂漏的水平位置；

（6）撒砂过程中，台座根据上部砂样重量自动调节下降，其下降高度与模型箱内砂样高度相同，待模型箱内砂样高度达到试验要求后，关闭砂斗底部的阀门，结束撒砂；

（7）称量模型箱内砂样重量，计算砂样密度。