CN106284192B - 一种制作不同几何形态沙坡的装置系统及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制作不同几何形态沙坡的装置系统，在水槽顶部设有水平导轨，水平导轨上安装有第一小车，第一小车上设有坡度伸缩板装置，在第一小车的尾部安装有固定支架，固定支架安装有截面为U形状的固定板，固定板中安装有开孔的塑料薄板，固定板上安装有锁紧螺栓，锁紧螺栓的端部顶住塑料薄板，从而固定塑料薄板，还可以设置第二小车，在第二小车上设置金属支架，在金属支架中插入可伸缩金属薄片，剪切出三角沙坡，在第一小车上设置转动装置，周期性的带动金属支架转动，从而制作出弧形沙坡。本发明的一种制作不同几何形态沙坡的装置系统，通过各个系统的配合，制作出平沙床、三角形沙坡和弧形沙坡多种沙坡，装置巧妙，制作方法易操作。

Description

一种制作不同几何形态沙坡的装置系统及制作方法

技术领域

本发明涉及制作不同几何形态沙坡的装置系统及制作方法，属于几何形态沙坡的制作领域。

背景技术

随着河流水生态、环境研究的深入，地表水和地下水交混区域即潜流带的生态学研究成了一个热门话题。在自然河流中，河流地表水和地下水之间相互作用被称为潜流交换。潜流交换影响了潜流带生物栖息地选择的整个过程，生物的新陈代谢和生物地化过程。而河流中沙波高度、沙波波峰位置、沙波表面的几何形状变化会对潜流交换产生重要影响。对潜流交换研究基本的方法是进行室内水槽实验。在室内水槽中手工制作沙坡，沙坡的几何形态难以控制且消耗大量的时间精力，如何在室内水槽高效制作出不同几何形态的沙坡对潜流带中的潜流交换具有重要的现实意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种制作不同几何形态沙坡的装置系统及制作方法，通过各个系统的配合，达到最终不同沙坡形态的制作，为后续潜流交换研究提供一定的技术参考。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种制作不同几何形态沙坡的装置系统，包括水槽，水槽设有进水口和出水口，在水槽的进水口和出水口均设有收集余沙装置，在水槽顶部设有水平导轨，水平导轨上安装有带滚轮的第一小车，第一小车上设有坡度伸缩板装置，在第一小车的尾部安装有固定支架，固定支架上安装有截面为U形状的固定板，固定板中安装有开孔的塑料薄板，固定板上安装有锁紧螺栓，通过拧动锁紧螺栓使得螺栓的端部顶住塑料薄板，从而固定塑料薄板。

作为优选，所述水平导轨上还设有第二小车，第一小车和第二小车上均安装有一对可调节高度的垂直钢杆，每一对垂直钢杆均与设有带卡槽的金属支架连接，金属支架内插入可伸缩金属薄片，第一小车和第二小车上的可伸缩金属薄片裁剪沙时以犬牙形式相接。

作为优选，所述水平导轨上还设有第二小车，第二小车的下方安装有垂直钢杆，在第二小车上安装有定滑轮，在定滑轮上缠绕有钢丝绳，钢丝绳一端与金属支架连接，金属支架同时与垂直钢杆连接，另一端与安装在第一小车上的转动装置连接，所述金属支架上插入刮沙装置。

作为优选，所述刮沙装置为设有开孔的金属片，金属片的底面由一层拦沙网覆盖，一方面保证金属片的放入不会使区域上覆水产生壅高，另一方面保证在金属片完成剪裁后提升的过程中只有沙子取出，从而不会产生因水流减少对已形成的三角沙坡的影响。两个小车的两片金属片的交接形式采用犬尺状交接，已达到铁杆带动金属薄片上升的过程中不会产生沙砾的泄露。

作为优选，所述刮沙装置为一端设有滚轮的开孔塑料板。

作为优选，所述转动装置包含固定在第一小车上的电机、与电机连接的转动杆和位于转动杆端部的半活动式转轮，所述半活动式转轮与钢丝绳连接，所述电机与变压器连接。

一种上述的制作不同几何形态沙坡的装置系统的制作方法，包括以下步骤：

A、往水槽中的注入到合适的高度，将沙砾放入到坡度伸缩板装置中，通电使第一小车在导轨上往返运动，使沙样平整、均匀、冲击力较小的放置进入水槽中，当坡度伸缩板装置中的沙砾全部进入水槽后关闭电源，向其填充沙子，填充后再次开启电源，经过若干次填充使沙样达到目标高度；

B、关闭电源，取出坡度伸缩板装置，调节水槽尾部拦沙网的高度使其与沙坡同高，在进水区和拦沙网后面放入收集余沙装置，将第一小车尾部的固定支架上的锁紧螺栓拧松，放入开孔的塑料薄板并向下放置到目标高度后拧紧螺栓，通电使第一小车双向往返运动，多次往返运动后形成平沙床；

C、将连接在金属支架上的两根垂直钢杆垂直固定于第一小车上，在水平导轨上放置第二小车，在第二小车上安装有一对垂直钢杆，调节垂直钢杆的长度使金属支架接近沙坡，同时根据所要求的三角沙坡形状调节两根垂直钢杆的长度差来改变金属支架的倾角；

D、将两侧的金属支架的卡槽中的可伸缩金属薄片插入到沙坡金属薄片交接的位置，通过同时拉伸金属支架上的垂直钢杆将剪切多余的沙取出；平移第一小车和第二小车至三角沙坡的下一个衔接位置，多次平移和剪切后沙床将形成周期性三角沙坡；

E、将第二小车下方的一个垂直钢杆取走，将钢丝绳连接到半活动式转轮和金属支架上，开启电机，使金属支架的一侧以合适的速度上下运动；当金属支架上下运动速度稳定后，开启小车的电源，当小车运行从水槽一侧运行到另一侧时关闭小车电源和电机，形成近周期性弧形沙坡；

F、将金属片换为连接着滚轮的开孔塑料板，将小车置于起点，重复近弧形沙坡制作过程，可将裁剪出或者水流冲刷形成的近弧形沙坡，通过塑料滚轮的多次滚动最终形成自然或人工周期性弧形沙坡。

在本发明中，沙砾进入水槽装置的小车由双相电压控制，使其能在水槽顶部的导轨上匀速双向的反复运动，小车上的缓冲装置设有带有渐变坡度和一定厚度的伸缩板，可根据不同待分选泥沙池的高度，可调整底部伸缩板的长度，使泥沙平缓，冲击力较小的进入水槽。在沙砾进水水槽前应保证水槽中具有合适的水位，此时通过小车的双向匀速运动和缓冲装置的作用，沙砾能饱和平整的在水槽中形成堆积。

在本发明中，在水槽进水区放入收集余沙装置，调节与容器连接的可伸缩垂直杠杆将收集余沙装置与弧形导水装置的垂直面贴合放入进水区，同时在水槽尾部调节拦沙网的高度与沙坡高度同高，放下于拦沙网平齐的收集余沙装置。不同几何形态沙坡制作过程中多余的沙砾可用收集余沙装置方便的收集。

在本发明中，近周期性弧形沙坡可由上述方法生成，也可直接由平河床通过调节水槽水阀的大小改变流速从而形成自然弧形沙坡。形成近弧形沙坡后，将固定支架下的金属薄板取出，换为一个开孔的塑料板，塑料板底部连接有塑料滚轮，塑料板和滚轮与水槽同宽，通过滚轮在近弧形沙坡上的滚动，得到最终的自然或人工周期性弧形沙坡。

有益效果：本发明与类似发明相比有以下优点：

(1)本发明通过双相电压控制的小车在水平导轨上的移动，小车上放置有坡度伸缩板装置，沙砾通过伸缩板装置进入水槽中达到饱和状态且沙坡表面平整。

(2)本发明可以简单制作平沙床，平沙床的高度可以通过螺栓调节塑料板的长度来调节，且塑料板底部为开孔薄塑料板能达到减少水流扰动的作用。

(3)在水槽进水区和出水口拦沙网放入可拆卸的收集余沙装置，同时收集余沙的高度可根据沙坡高度进行调整，可方便地取出制作不同形态沙坡过程中多余的沙砾。

(4)本发明运用简单的机械原理，通过固定金属支架卡槽中的可伸缩金属薄片的裁剪达到制作形状任意的三角形沙坡的目的。

(5)本发明通过调节与固定金属支架连接的两个钢杆的长度和长度差来达到调节固定金属支架的高度和金属支架的倾角的作用，从而可以改变三角沙坡的形状。

(6)本发明是在含水的水槽中制造沙坡，通过在金属薄片上开孔，在金属薄片底面覆盖一层拦沙网以及若干塑料薄板的开孔，使裁剪沙坡过程中不会产生局域水流壅水，并且取出裁剪的沙时不会产生因水量减少产生对已制作的三角沙坡形状产生影响。

(7)本发明电机利用电机带动设计转动杆及半活动式转轮，可以通过电机的转动带动半活动式转轮做圆周运动，并随着转动杆的转动，发生自转，自动调整转轮上的钢杆位置，这样既不会绕线又能使钢杆保持紧绷状态，从而保证固定金属支架一端做周期性升降运动，通过小车的运动金属薄板将会使三角沙坡裁剪为波浪形沙坡，与自然状态接近。

(8)本发明可以通过滚轮的周期性滚动，将裁剪或者水流冲刷形成的近弧形沙坡再次磨平，从而最终形成自然或人工周期性弧形沙坡。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的制作平沙床的装置示意图；

图3为本发明的周期性三角形沙坡制作装置示意图；

图4位本发明的周期性弧形沙坡制作装置示意图；

图5为可伸缩金属薄片的结构示意图。

图6为金属片的结构示意图；

图7为开孔塑料板的结构示意图；

图8为周期性弧形沙坡制作装置的制作原理示意图；

图9为周期性弧形沙坡制作装置的制作原理辅助示意图。

具体实施方式

如图1至图7所示，本发明的一种制作不同几何形态沙坡的装置系统，包括水槽，水槽设有进水口和出水口，在水槽的进水口和出水口均设有收集余沙装置6，所述收集余沙装置6包括可调节长度的垂直杆件和与垂直杆件连接的矩形收集容器，在水槽顶部设有水平导轨1，水平导轨1上安装有带滚轮的第一小车2，第一小车2上设有坡度伸缩板装置3，在第一小车2的尾部安装有固定支架，固定支架上安装有截面为U形状的固定板，固定板中安装有开孔的塑料薄板5，固定板上安装有锁紧螺栓4，通过拧动锁紧螺栓4使得螺栓的端部顶住塑料薄板5，从而固定塑料薄板5。可以制作简单的平沙床，平沙床的高度可以通过螺栓调节塑料薄板5的长度来调节，且塑料薄板5底部为开孔薄塑料薄板5能达到减少水流扰动的作用。

在本发明中，所述水平导轨1上还设有第二小车，第一小车2和第二小车上均安装有一对可调节高度的垂直钢杆7，每一对垂直钢杆7均与设有带卡槽的金属支架8连接，金属支架8内插入可伸缩金属薄片9，第一小车和第二小车上的可伸缩金属薄片裁剪沙时以犬牙形式相接，如图5所示。通过调节与固定金属支架8连接的两个垂直钢杆7的长度和长度差来达到调节固定金属支架8的高度和金属支架8的倾角的作用，从而可以改变三角沙坡的形状，通过两个金属支架8卡槽中的可伸缩金属薄片9的裁剪达到制作三角形沙坡的目的。

在本发明中，第二小车的下方的一侧的垂直钢杆7去掉，同时去掉第一小车2下方的垂直钢杆7以及金属支架8，在第二小车上安装有定滑轮14，在定滑轮14上缠绕有钢丝绳16，钢丝绳16一端与金属支架8连接，金属支架8同时与垂直钢杆7连接，另一端与安装在第一小车2上的转动装置连接，所述金属支架8上插入刮沙装置，刮沙装置为设有开孔的金属片，金属片的底面由一层拦沙网10覆盖或者所述刮沙装置为一端设有滚轮的开孔塑料板17。所述转动装置包含固定在第一小车2上的电机11、与电机11连接的转动杆13和位于转动杆13端部的半活动式转轮12，所述半活动式转轮12与钢丝绳16连接，所述电机11与变压器15连接。通过转动装置周期性的转动，从而带动金属支架8周期性运动，从而通过金属片或者开孔塑料板17形成近弧形沙坡或者自然或人工周期性弧形沙坡。

一种上述的制作不同几何形态沙坡的装置系统的制作方法，包括以下步骤：

A、往水槽中的注入到合适的高度，将沙砾放入到坡度伸缩板装置3中，通电使第一小车2在导轨上往返运动，使沙样平整、均匀、冲击力较小的放置进入水槽中，当坡度伸缩板装置3中的沙砾全部进入水槽后关闭电源，向其填充沙子，填充后再次开启电源，经过若干次填充使沙样达到目标高度；

B、关闭电源，取出坡度伸缩板装置3，调节水槽尾部拦沙网10的高度使其与沙坡同高，在进水区和拦沙网10后面放入收集余沙装置6，将第一小车2尾部的固定支架上的锁紧螺栓4拧松，放入开孔的塑料薄板并向下放置到目标高度后拧紧螺栓，通电使第一小车2双向往返运动，多次往返运动后形成平沙床；

C、将连接在金属支架上的两根垂直钢杆垂直固定于第一小车2上，在水平导轨1上放置第二小车，在第二小车上安装有一对垂直钢杆7，调节垂直钢杆的长度使金属支架8接近沙坡，同时根据所要求的三角沙坡形状调节两根垂直钢杆的长度差来改变金属支架8的倾角；

D、将两侧的金属支架的卡槽中的可伸缩金属薄片9插入到沙坡金属薄片9交接的位置，通过同时拉伸金属支架上的垂直钢杆将剪切多余的沙取出；平移第一小车和第二小车至三角沙坡的下一个衔接位置，多次平移和剪切后沙床将形成周期性三角沙坡；

E、将第二小车下方的一个垂直钢杆7取走，将钢丝绳16连接到半活动式转轮12和金属支架8上，在金属支架上插入金属片，开启电机11，使金属支架8的一侧以合适的速度上下运动；当金属支架8上下运动速度稳定后，开启小车的电源，当小车运行从水槽一侧运行到另一侧时关闭小车电源和电机11，形成近周期性弧形沙坡；

F、将金属片换为连接着滚轮的开孔塑料板17，将小车置于起点，重复近弧形沙坡制作过程，可将裁剪出或者水流冲刷形成的近弧形沙坡，通过塑料滚轮的多次滚动最终形成自然或人工周期性弧形沙坡。

本实施例中的制作弧形沙坡的原理如下：

为方便理解，将半活动式转轮12简化为一个点，随转动杆13做圆周运动。如图8所示，忽略钢丝绳16的变形，则金属片的上升或下降取决于钢丝绳16从定滑轮14联动点到半活动式转轮12连接点的长度变化。

以电机11与转动杆13连接点为圆心，设为O，则半活动式转轮12以此为圆心做圆周运动，做此轨迹线为辅助圆M，半径为R，在转动过程中，钢丝绳16在定滑轮14上的联动点一直在右上半圆周变化，但由于定滑轮14半径很小，为方便起见，选取两切线，如图9所示，设切线延长线交点为A；连接AO，交圆周于B、D，以A为圆心，以AB、AD为半径做辅助圆N和辅助圆P，可知辅助圆N、辅助圆P分别与辅助圆M相切，则可知联动点A到辅助圆M距离的最小值为AB、最大值为AD，假定AB为基准线，设转动到AC，转动角为∠BOC，连接OC、CD，则由圆的几何性质可知∠BOC＝2∠CDB，设∠BOC为θ，则∠CDB＝θ/2，在ΔBCD中，由几何知识可知∠BOC＝90°，即可知BC＝2Rsinθ/2，连接AC交辅助圆P于E，可知从OB转动到OC，钢丝绳16变化长度即为EC，过两圆切点，做切线BF交AC于F，则∠CBF+∠CBO＝∠CBO+∠BDC＝90°，∠CBF＝∠BDC＝θ/2，作BG垂直于AC与G，设∠CAB＝θ₁，则如图7所示：

CE＝CG-EG＝CB×cos∠BCG-GB×cot∠BEA＝CB×cos(π/2-θ/2-θ1)-GB×tanθ₁/2

＝2Rsinθ/2[sin(θ/2+θ₁)-cos(θ/2+θ₁)×tanθ₁/2]

由于钢丝绳16在定滑轮14上的联动点与转动杆13上半活动式转轮12距离很远，交汇区域变化很小，因此θ₁≈0，为简化计算取为0，即可得CE≈2Rsin²θ/2＝2R(1-cosθ)，因此，变化长度为2R(1-cosθ)，从而升降变化的周期为2π，θ∈[2kπ，(2k+1)π],处于上升段，θ∈[(2k+1)π，2(k+1)π]处于下降段，k∈N，其振幅为2R，平衡位置在θ＝(2k+1)π/2处。此时金属薄片在竖直面上为周期性弧形运动，在水平面上为cosθ函数的展开。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种制作不同几何形态沙坡的装置系统，其特征在于：包括水槽，水槽设有进水口和出水口，在水槽的进水口和出水口均设有收集余沙装置，在水槽顶部设有水平导轨，水平导轨上安装有带滚轮的第一小车，第一小车上设有坡度伸缩板装置，在第一小车的尾部安装有固定支架，固定支架上安装有截面为U形状的固定板，固定板中安装有开孔的塑料薄板，固定板上安装有锁紧螺栓，通过拧动锁紧螺栓使得螺栓的端部顶住塑料薄板，从而固定塑料薄板。

2.根据权利要求1所述的制作不同几何形态沙坡的装置系统，其特征在于：所述水平导轨上还设有第二小车，第一小车和第二小车上均安装有一对可调节高度的垂直钢杆，每一对垂直钢杆均与带卡槽的金属支架连接，金属支架内插入可伸缩金属薄片，第一小车和第二小车上的可伸缩金属薄片裁剪沙时以犬牙形式相接。

3.根据权利要求1所述的制作不同几何形态沙坡的装置系统，其特征在于：所述水平导轨上还设有第二小车，第二小车的下方安装有垂直钢杆，在第二小车上安装有定滑轮，在定滑轮上缠绕有钢丝绳，钢丝绳一端与金属支架连接，金属支架同时与垂直钢杆连接，另一端与安装在第一小车上的转动装置连接，所述金属支架上插入刮沙装置。

4.根据权利要求3所述的制作不同几何形态沙坡的装置系统，其特征在于：所述刮沙装置为设有开孔的金属片，金属片的底面由一层拦沙网覆盖。

5.根据权利要求3所述的制作不同几何形态沙坡的装置系统，其特征在于：所述刮沙装置为一端设有滚轮的开孔塑料板。

6.根据权利要求4所述的制作不同几何形态沙坡的装置系统，其特征在于：所述转动装置包含固定在第一小车上的电机、与电机连接的转动杆和位于转动杆端部的半活动式转轮，所述半活动式转轮与钢丝绳连接，所述电机与变压器连接。

7.一种如权利要求6所述的制作不同几何形态沙坡的装置系统的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、往水槽中的注入到合适的高度，将沙砾放入到坡度伸缩板装置中，通电使第一小车在导轨上往返运动，使沙样平整、均匀、冲击力较小的放置进入水槽中，当坡度伸缩板装置中的沙砾全部进入水槽后关闭电源，向其填充沙子，填充后再次开启电源，经过若干次填充使沙样达到目标高度；

B、关闭电源，取出坡度伸缩板装置，放入收集余沙装置，将第一小车尾部的固定支架上的锁紧螺栓拧松，放入开孔的塑料薄板并向下放置到目标高度后拧紧螺栓，通电使第一小车双向往返运动，多次往返运动后形成平沙床；

C、将连接在金属支架上的两根垂直钢杆垂直固定于第一小车上，在水平导轨上放置第二小车，在第二小车上安装有一对垂直钢杆，调节垂直钢杆的长度使金属支架接近沙坡，同时根据所要求的三角沙坡形状调节两根垂直钢杆的长度差来改变金属支架的倾角；

D、将两侧的金属支架的卡槽中的可伸缩金属薄片插入到沙坡金属薄片交接的位置，通过同时拉伸金属支架上的垂直钢杆将剪切多余的沙取出；平移第一小车和第二小车至三角沙坡的下一个衔接位置，多次平移和剪切后沙床将形成周期性三角沙坡；

E、将第二小车下方的一个垂直钢杆取走，将钢丝绳连接到半活动式转轮和金属支架上，开启电机，使金属支架的一侧以合适的速度上下运动；当金属支架上下运动速度稳定后，开启小车的电源，当小车从水槽一侧运行到另一侧时关闭小车电源和电机，形成近周期性弧形沙坡；

F、将金属片换为连接着滚轮的开孔塑料板，将小车置于起点，重复近弧形沙坡制作过程，最终形成自然或人工周期性弧形沙坡。