CN104165751B - 水平振动型泥沙沉降试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水平振动型泥沙沉降试验装置，包括用于盛放挟沙水体并观测泥沙颗粒沉降过程的沉降筒，所述沉降筒外侧顶部安装有为提供试验装置振动时所需动力的动力系统，沉降筒外侧垂向靠侧壁设置有用于将动力系统提供的旋转运动转换为水平往返直线运动的传动系统，沉降筒内部设置有若干垂直且平行的振动栅格，所述传动系统与振动栅格固定连接，振动栅格在传动系统的带动下呈水平往返直线运动。本发明提供的水平振动型泥沙沉降试验装置只产生水体的紊动而不会在颗粒沉降方向产生额外的附加惯性力，这种紊动的作用可近似认为是各向同性的，则其对沉速的影响就孤立出来了，即该装置能够准确模拟泥沙颗粒在真实紊动水体中的沉降运动规律。

Description

水平振动型泥沙沉降试验装置

技术领域

本发明涉及水利测量技术领域，特别涉及对紊动水体中泥沙颗粒沉降速度进行测量的水平振动型泥沙沉降试验装置。

背景技术

由于泥沙的比重大于水，水体中的泥沙在重力的作用下会往下沉降，泥沙在静水中的沉降是最简单的实例。泥沙颗粒的沉速是研究泥沙问题的基础，如河道的泥沙输移、水库或港口的泥沙淤积问题等都需要准确地求解泥沙颗粒的沉速。在天然情况下和实际工程应用中的水流形态几乎都是紊流，真实泥沙颗粒的沉降运动总是在紊动水体中发生的。在对泥沙沉降问题的传动研究中，试验装置大多只适用于对静水中泥沙的沉降速度进行测量，试验结果与与实际情况不符。

随着认知和技术水平的提升，在近代流体力学的研究中，有学者开始研究泥沙颗粒在紊动水体中的沉降。Rouse在含沙水体中采用垂向振动格栅使水体产生各种垂向的紊动，研究泥沙颗粒在此种紊动条件下的沉降规律，此后的学者均沿用此技术进行了各种紊动条件的研究。然而，垂向振动在产生水体紊动的同时，也向泥沙颗粒施加了额外的附加惯性力，当格栅向下运动、使水体产生向下的紊动时，其附加惯性力会加大颗粒的沉速，当格栅向上振动时则减小颗粒的沉速，即颗粒的沉降受到垂直振动附加惯性力的影响，导致试验结果存在较大的误差。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能够减小误差来测量泥沙颗粒在紊动水体沉降速度的水平振动型泥沙沉降试验装置。

一种水平振动型泥沙沉降试验装置，包括用于盛放挟沙水体并观测泥沙颗粒沉降过程的沉降筒，所述沉降筒外侧顶部安装有为提供试验装置振动时 所需动力的动力系统，沉降筒外侧垂向靠侧壁设置有用于将动力系统提供的旋转运动转换为水平往返直线运动的传动系统，沉降筒内部设置有若干垂直且平行的振动栅格，所述传动系统与振动栅格固定连接，振动栅格在传动系统的带动下呈水平往返直线运动。

进一步地，如上所述的水平振动型泥沙沉降试验装置，所述动力系统包括电机、用于支撑电机的机座、以及与电机的转轴连接的驱动齿轮。

进一步地，如上所述的水平振动型泥沙沉降试验装置，所述传动系统包括三部分；第一部分包括从动轮、左偏心轮、右偏心轮、左连杆、右连杆、上横梁、下横梁、连接板、支架、第一竖直导轨、第一竖直滑块；第二部分包括第二竖直导轨、可在第二竖直导轨上上下滑动的若干第二竖直滑块、内竖直驱动板、外竖直驱动板；第三部分包括若干水平导轨、在所述水平导轨上左右滑动的水平滑块、上连杆、下连杆、套在所述水平导轨上的套筒；

其中，第一部分，所述第一竖直导轨垂直固定在支架上，第一竖直滑块可在第一竖直导轨上上下滑动；所述从动轮与驱动齿轮相互咬合，所述左偏心轮、右偏心轮分别同轴安装在从动轮的左右两侧，左偏心轮通过左连杆与上横梁直接相连，右偏心轮通过右连杆、第一竖直滑块和连接板与下横梁连接，左连杆与左偏心轮的连接位置、右连杆与右偏心轮的连接位置相差180°，当偏心轮随从动轮旋转时，左连杆、右连杆驱动上、下两根横梁沿第一竖直导轨相向往复运动；

第二部分，所述第二竖直导轨垂直固定在支架的两端，所述下横梁的两端分别垂直连接平行设置的两条内竖直驱动板，上横梁的两端分别垂直连接平行设置的两条外竖直驱动板，所述两条外竖直驱动板上设置有供第奇数个第二竖直滑块上下滑动的窄槽，两条内竖直驱动板上设置有与第偶数个第二竖直滑块活动连接的圆孔，所述外竖直驱动板、内竖直驱动板随着上横梁、下横梁的相向往复运动沿着第二竖直导轨上下运动进而带动第奇数个第二竖直滑块滑动；

第三部分，所述水平导轨垂直固定在第二竖直导轨上，第奇数个第二竖直滑块与所述上连杆的一端铰接连接，第偶数个第二竖直滑块与所述下连杆的一端铰接连接，所述上连杆、下连杆的另一端分别铰接连接在水平滑块的上下两端，所述水平滑块与套筒的一端固定连接，水平滑块、套筒的一端穿 过沉降筒的侧壁后，套筒与所述沉降筒内的振动栅格固定连接。

进一步地，如上所述的水平振动型泥沙沉降试验装置，所述振动栅格上分布有若干供沙水穿过的小孔。

进一步地，如上所述的水平振动型泥沙沉降试验装置，所述沉降筒的侧壁上还设置有供插入压力传感器可插入的测量小孔。

进一步地，如上所述的水平振动型泥沙沉降试验装置，所述沉降筒的四个侧壁上分别安装有白玻璃。

进一步地，如上所述的水平振动型泥沙沉降试验装置，所述传动系统的第二部分及第三部分的一部分包围在第一容器内，所述第一容器安装在所述沉降筒的侧壁上；所述传动系统的第一部分包围在第二容器内，所述第二容器安装在所述沉降筒的顶部。所述动力系统安装在第二容器的外部顶部。

进一步地，如上所述的水平振动型泥沙沉降试验装置，所述第二容器、第一容器上安装有用于观察传动系统运动状态的白玻璃。

本发明提供的水平振动型泥沙沉降试验装置只产生水体的紊动而不会在颗粒沉降方向产生额外的附加惯性力，这种紊动的作用可近似认为是各向同性的，则其对沉速的影响就孤立出来了，即该装置能够准确模拟泥沙颗粒在真实紊动水体中的沉降运动规律。

附图说明

图1为本发明水平振动型泥沙沉降试验装置主视图；

图2为本发明传动系统结构示意图一；

图3为本发明传动系统结构示意图二；

图4为第一容器与沉降筒的安装位置图；

图5为第一容器、第二容器与沉降筒的安装位置图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明水平振动型泥沙沉降试验装置主视图；如图1所示，本发明提供的水平振动型泥沙沉降试验装置，包括用于盛放挟沙水体并观测泥沙颗粒沉降过程的沉降筒1，所述沉降筒1外侧顶部安装有为提供试验装置振动时所需动力的动力系统，沉降筒1外侧垂向靠侧壁设置有用于将动力系统3提供的旋转运动转换为水平往返直线运动的传动系统，沉降筒1内部设置有若干垂直且平行的振动栅格5，所述传动系统与振动栅格5固定连接，振动栅格5在传动系统的带动下呈水平往返直线运动。

图2为本发明传动系统结构示意图一，图3为本发明传动系统结构示意图二，如图2及图3所示，所述动力系统3包括电机31、用于支撑电机31的机座32、以及与电机31的转轴连接的驱动齿轮33；

所述传动系统包括三部分；第一部分包括从动轮411、左偏心轮4121、右偏心轮4122、左连杆4131、右连杆4132、上横梁4141、下横梁4142、连接板417、支架419、第一竖直导轨418、第一竖直滑块416；第二部分包括第二竖直导轨421、可在第二竖直导轨421上上下滑动的若干第二竖直滑块424、内竖直驱动板422、外竖直驱动板423；第三部分包括若干水平导轨433、在所述水平导轨433上左右滑动的水平滑块432、上连杆4311、下连杆4312、套在所述水平导轨433上的套筒434；

其中，第一部分，所述第一竖直导轨418垂直固定在支架419上，第一竖直滑块416可在第一竖直导轨418上上下滑动；所述从动轮411与驱动齿轮33相互咬合，所述左偏心轮4121、右偏心轮4122分别同轴安装在从动轮411的左右两侧，左偏心轮4121通过左连杆4131与上横梁4141直接相连，右偏心轮4122通过右连杆4132、第一竖直滑块416和连接板417与下横梁4142连接，左连杆4131与左偏心轮4121的连接位置、右连杆4132与右偏心轮4122的连接位置相差180°，当偏心轮随从动轮411旋转时，左连杆4131、右连杆4132驱动上、下两根横梁沿第一竖直导轨418相向往复运动；

第二部分，所述第二竖直导轨421垂直固定在支架419的两端，所述下横梁4142的两端分别垂直连接平行设置的两条内竖直驱动板422，上横梁4141的两端分别垂直连接平行设置的两条外竖直驱动板423，所述两条外竖直驱动板423上设置有供第奇数个第二竖直滑块424上下滑动的窄槽4231，两条内竖直驱动板422上设置有与第偶数个第二竖直滑块424活动连接的圆 孔4232，所述外竖直驱动板423、内竖直驱动板422随着上横梁4141、下横梁4142的相向往复运动沿着第二竖直导轨421上下运动进而带动第奇数个第二竖直滑块424滑动；

第三部分，所述水平导轨433垂直固定在第二竖直导轨421上，第奇数个第二竖直滑块424与所述上连杆4311的一端铰接连接，第偶数个第二竖直滑块424与所述下连杆4312的一端铰接连接，所述上连杆4311、下连杆4312的另一端分别铰接连接在水平滑块432的上下两端，所述水平滑块432与套筒434的一端固定连接，水平滑块432、套筒434的一端穿过沉降筒1的侧壁后，套筒434与所述沉降筒1内的振动栅格5固定连接；所述振动栅格5上分布有若干供沙水穿过的小孔。

进一步地，所述沉降筒1的侧壁上还设置有供插入压力传感器可插入的测量小孔11。所述沉降筒1的四个侧壁上分别安装有白玻璃2。

图4为第一容器与沉降筒的安装位置图，图5为第一容器、第二容器与沉降筒的安装位置图，如图4及图5所示，所述传动系统的第二部分及第三部分的一部分包围在第一容器6内，所述第一容器6安装在所述沉降筒1的侧壁上；所述传动系统的第一部分包围在第二容器7内，所述第二容器7安装在所述沉降筒1的顶部；所述动力系统3安装在第二容器7的外部顶部。所述第二容器7、第一容器6上安装有用于观察传动系统运动状态的白玻璃2。

具体地，本发明的提供的水平振动型泥沙沉降试验装置，由支撑框架8，沉降筒1，动力系统3，传动系统和振动栅格5五部分构成。其中，支撑框架8用于安装固定所述沉降筒1、第一容器6、第二容器7；支撑框架8位于整个试验装置的外部，起支撑和固定作用；沉降筒1固定在支撑框架8的中下部，是盛放挟沙水体并观测泥沙颗粒沉降过程的容器；动力系统3安装在支撑框架8的顶部平台上，负责提供试验装置振动时所需动力；传动系统沿试验装置的垂向靠侧壁布局，其作用是将动力系统3提供的旋转运动转换为水平往返直线运动，并驱动振动栅格5沿水平方向来回振动；振动栅格5与传动系统连接，在传动系统的带动下做水平往返运动，使挟沙水体处于紊动状态。

所述支撑框架8由立柱81、中部平台83和顶部平台82三部分组成。其中，立柱81为四根75型角钢；中部平台83为10mm厚碳钢平板，平台上预 留圆孔固定竖直导轨，预留方孔供内竖直驱动板422、外竖直驱动板423穿过；顶部平台83为10mm厚碳钢平板，预留圆孔固定动力系统和部分传动系统，预留方孔供左连杆4131、右连杆4132穿过；中部平台83和顶部平台82通过螺丝与立柱81连接构成整个支撑框架。

所述沉降筒1由底板、前面板、后面板、左面板、右面板组成。其中，底板为10mm厚碳钢平板，其中部设有排水口供排水排沙，底板通过螺丝与支撑框架8的立柱81进行连接；前、后面板均为16mm厚碳钢平板，面板内部各安装一块10mm厚超白玻璃2以便于从外部观测泥沙沉降过程；左面板为16mm厚碳钢平板，右面板为16mm厚碳钢平板，平板内部安装数块10mm超白玻璃以便于观测泥沙沉降过程，玻璃窗之间设有测量小孔11用于插入压力传感器等小型测量仪器；第一容器6与沉降筒1之间的隔板为8mm厚碳钢平板，隔板中部预留6个圆孔以通过传动机构的水平导轨433，第一容器主要用于安装传动机构，沉降筒为试验区，第一容器与沉降筒分开隔板的目的是为了避免了传动机构对试验区内的挟沙水流产生不规则扰动。底板、各面板之间板均通过螺丝进行连接和固定，板与板之间的接缝敷设玻璃胶以防止漏水。

所述电机31选用惠斯通SM150-23020型伺服电机，电机31通过机座32固定在支撑框架8的顶部平台82；驱动齿轮33为直径100mm、厚10mm的100齿2模直齿轮，与电机31的转轴连接和驱动。

所述传动系统包括三部分，第一部分将电机31提供的旋转运动转换为竖直往复运动，第二下部分、第三部分将竖直往返运动转换为水平往复运动，所述从动轮411为直径200mm，厚10mm的200齿2模直齿轮，与驱动齿轮33相互咬合；所述内竖直驱动板422、外竖直驱动板423为10mm厚碳钢平板，其中内竖直驱动板422驱动第奇数个第二竖直滑块424，外竖直驱动板423驱动第偶数个第二竖直滑块424。为便于安装，每根外竖直驱动板423上均预留圆孔4232、窄槽4231，其中圆孔4232用于和第二竖直滑块424相连接，窄槽4231为第二竖直滑块424预留滑动空间。所述振动栅格5为均匀分布有圆孔的碳钢薄板，每块振动栅格5上预留圆孔用于和套筒434连接，振动栅格5跟随套筒434往返运动从而形成紊动水体团，紊动水团的大小随孔径和孔距改变，本发明振动栅格5上孔的孔径为20mm、孔距100mm。

本发明水平振动型泥沙沉降试验装置工作原理：首先在沉降筒内盛放待 测含沙水体，打开驱动电机31并根据试验需求调整电机转速(紊动水团的频率)和偏心度(紊动水团的振幅)。在电机的驱动下，振动栅格5沿水平导轨433往返运动，在水体中形成一定尺度的紊动水团。沉降筒内泥沙颗粒在紊动条件下的沉降运动过程通过布置在沉降筒玻璃窗外侧和通过测量小孔11插入水体内部的仪器进行测量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种水平振动型泥沙沉降试验装置，其特征在于，包括用于盛放挟沙水体并观测泥沙颗粒沉降过程的沉降筒（1），所述沉降筒（1）外侧顶部安装有为提供试验装置振动时所需动力的动力系统，沉降筒（1）外侧垂向靠侧壁设置有用于将动力系统（3）提供的旋转运动转换为水平往返直线运动的传动系统，沉降筒（1）内部设置有若干垂直且平行的振动栅格（5），所述传动系统与振动栅格（5）固定连接，振动栅格（5）在传动系统的带动下呈水平往返直线运动并使挟沙水体处于紊动状态；

所述传动系统包括三部分；第一部分包括从动轮（411）、左偏心轮（4121）、右偏心轮（4122）、左连杆（4131）、右连杆（4132）、上横梁（4141）、下横梁（4142）、连接板（417）、支架（419）、第一竖直导轨（418）、第一竖直滑块（416）；第二部分包括第二竖直导轨（421）、可在第二竖直导轨（421）上上下滑动的若干第二竖直滑块（424）、内竖直驱动板（422）、外竖直驱动板（423）；第三部分包括若干水平导轨（433）、在所述水平导轨（433）上左右滑动的水平滑块（432）、上连杆（4311）、下连杆（4312）、套在所述水平导轨（433）上的套筒（434）；

其中，第一部分，所述第一竖直导轨（418）垂直固定在支架（419）上，第一竖直滑块（416）可在第一竖直导轨（418）上上下滑动；所述从动轮（411）与驱动齿轮（33）相互咬合，所述左偏心轮（4121）、右偏心轮（4122）分别同轴安装在从动轮（411）的左右两侧，左偏心轮（4121）通过左连杆（4131）与上横梁（4141）直接相连，右偏心轮（4122）通过右连杆（4132）、第一竖直滑块（416）和连接板（417）与下横梁（4142）连接，左连杆（4131）与左偏心轮（4121）的连接位置、右连杆（4132）与右偏心轮（4122）的连接位置相差180°，当偏心轮随从动轮（411）旋转时，左连杆（4131）、右连杆（4132）驱动上、下两根横梁沿第一竖直导轨（418）相向往复运动；

第二部分，所述第二竖直导轨（421）垂直固定在支架（419）的两端，所述下横梁（4142）的两端分别垂直连接平行设置的两条内竖直驱动板（422），上横梁（4141）的两端分别垂直连接平行设置的两条外竖直驱动板（423），所述两条外竖直驱动板（423）上设置有供第奇数个第二竖直滑块（424）上下滑动的窄槽（4231），两条内竖直驱动板（422）上设置有与第偶数个第二竖直滑块（424）活动连接的圆孔（4232），所述外竖直驱动板（423）、内竖直驱动板（422）随着上横梁（4141）、下横梁（4142）的相向往复运动沿着第二竖直导轨（421）上下运动进而带动第奇数个第二竖直滑块（424）滑动；

第三部分，所述水平导轨（433）垂直固定在第二竖直导轨（421）上，第奇数个第二竖直滑块（424）与所述上连杆（4311）的一端铰接连接，第偶数个第二竖直滑块（424）与所述下连杆（4312）的一端铰接连接，所述上连杆（4311）、下连杆（4312）的另一端分别铰接连接在水平滑块（432）的上下两端，所述水平滑块（432）与套筒（434）的一端固定连接，水平滑块（432）、套筒（434）的一端穿过沉降筒（1）的侧壁后，套筒（434）与所述沉降筒（1）内的振动栅格（5）固定连接。

2.根据权利要求1所述的水平振动型泥沙沉降试验装置，其特征在于，所述动力系统（3）包括电机（31）、用于支撑电机（31）的机座（32）、以及与电机（31）的转轴连接的驱动齿轮（33）。

3.根据权利要求1所述的水平振动型泥沙沉降试验装置，其特征在于，所述振动栅格（5）上分布有若干供沙水穿过的小孔。

4.根据权利要求1所述的水平振动型泥沙沉降试验装置，其特征在于，所述沉降筒（1）的侧壁上还设置有供插入压力传感器可插入的测量小孔（11）。

5.根据权利要求1所述的水平振动型泥沙沉降试验装置，其特征在于，所述沉降筒（1）的四个侧壁上分别安装有白玻璃（2）。

6.根据权利要求1所述的水平振动型泥沙沉降试验装置，其特征在于，所述传动系统的第二部分及第三部分的一部分包围在第一容器（6）内，所述第一容器（6）安装在所述沉降筒（1）的侧壁上；所述传动 系统的第一部分包围在第二容器（7）内，所述第二容器（7）安装在所述沉降筒（1）的顶部；所述动力系统（3）安装在第二容器（7）的外部顶部。

7.根据权利要求6所述的水平振动型泥沙沉降试验装置，其特征在于，所述第二容器（7）、第一容器（6）上安装有用于观察传动系统运动状态的白玻璃（2）。