CN108762320B - 超重力场实验舱水位调节装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超重力场实验舱水位调节装置，包括模型箱、储水箱、体积块、连接管、导向装置和升降装置，所述模型箱和所述储水箱通过所述连接管连通，所述体积块竖直设置在所述储水箱内，且所述体积块通过所述导向装置与所述储水箱可滑动连接，所述体积块通过所述升降装置驱动上下移动。本发明超重力场实验舱水位调节装置从容器相对容积变化角度出发，通过上下调节体积块的高度，循环改变储水箱的相对容积，实现水位循环变化，从而改变试验箱内的水位，解决超重力场环境下水位循环升降问题，解决超重力场环境下固定水量循环利用问题，解决超重力场环境下直接排水对设备进行损害的问题。

Description

超重力场实验舱水位调节装置
技术领域
本发明涉及坝基试验领域，尤其涉及一种超重力场实验舱水位调节装置。
背景技术
目前在超重力场下液位调控系统主要是通过控制液体量实现上游液位动态可调，根据液位调控幅值指标，设计独立的给液和排液系统解决上游液位动态可调关键技术。
针对超重力场下液位的提升，目前主要实施手段是通过旋转接头从地面供水，具体做法是在地面上布置给液箱，通过旋转接头、控制阀、流量计等液压元件将水从给水箱供到水位调节区域，实现水位的抬升；或者将水箱布置在离心机转臂上通过离心力将水甩进模型箱。
针对超重力场下液位的降低，目前主要实施手段有两种：一种是直接将液体从模型箱排到地面；另一种是将模型箱底面做成空腔，液体下降过程中，将排出的水存储在模型箱底下的空腔，此方法可避免了直接排到机室对设备造成损害的现象。
目前非离心场下液位调节装置可通过虹吸作用实现液位升降功能，但该装置只适用于正常环境，并不应用于离心环境。
上述独立的给水排水方式不能循环利用水，循环试验时需不断供水和排水，并且直接排向机室的排水方式对机室破坏性较大，液体甩入机室过程中会产生雾化现象，损害设备；而将水排到模型箱底部空腔的做法增加了模型箱的高度，并且液体存储在模型箱底部，增加了负载重量。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种超重力场实验舱水位调节装置。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种超重力场实验舱水位调节装置，包括模型箱、储水箱、体积块、连接管、导向装置和升降装置，所述模型箱和所述储水箱通过所述连接管连通，所述体积块竖直设置在所述储水箱内，且所述体积块通过所述导向装置与所述储水箱可滑动连接，所述体积块通过所述升降装置驱动上下移动。
具体地，所述模型箱和所述储水箱平行设置，所述连接管起虹吸作用，且所述连接管的下切面与实验舱最低水位重合。
具体地，所述升降装置包括两个同步运动的液压缸，两个所述液压缸分别固定平行设置在所述储水箱的两端外侧，两个所述液压缸的升降端通过水平设置的连接杆固定连接，所述所述体积块的上端面与所述连接杆固定连接。
具体地，所述导向装置包括导轨和滑块，所述导轨竖直固定在所述储水箱的内侧面，所述滑块固定在所述体积块的外侧面且与所述导轨可滑动连接。
优选地，所述体积块为中空结构。
具体地，所述体积块和储水箱的尺寸满足公式：
Lk×Wk×A＝(Hmax-Hmin)×(L×W-Lk×Wk)+Vmax
式中：Lk、Wk为体积块外表面的长度和宽度；
A为体积块上下移动范围；
L、W为储水箱内表面的长度和宽度；
Hmax、Hmin为试验最高水位和最低水位；
Vmax为储水箱最大所需水量；
超重力场、体积块厚度、体积块重量满足公式(忽略上端连接杆重量)：
式中：Hk为体积块外表面的高度；
δ为体积块的厚度；
g'为超重力场的重力；
G为体积块在超重力场下的重量；
ρk为体积块的平均密度；
ρ为水的密度；
Fmax为体积块所受最大浮力。
本发明的有益效果在于：
本发明超重力场实验舱水位调节装置从容器相对容积变化角度出发，通过上下调节体积块的高度，循环改变储水箱的相对容积，实现水位循环变化，从而改变试验箱内的水位，解决超重力场环境下水位循环升降问题，解决超重力场环境下固定水量循环利用问题，解决超重力场环境下直接排水对设备进行损害的问题。
附图说明
图1是本发明所述的超重力场实验舱水位调节装置的结构示意图；
图2是本发明所述的超重力场实验舱水位调节装置的侧视图，图中为低水位；
图3是本发明所述的超重力场实验舱水位调节装置的侧视图，图中为高水位。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1、图2和图3所示，本发明一种超重力场实验舱水位调节装置，包括模型箱1、储水箱2、体积块3、连接管6、导向装置4和升降装置5，模型箱1和储水箱2平行设置，模型箱1和储水箱2通过设置连接管起虹吸作用，连接管6的下切面与试验最低水位重合，体积块3竖直设置在储水箱2内，且体积块3通过导向装置4与储水箱2可滑动连接，体积块3通过升降装置5驱动上下移动，体积块3为中空结构。
升降装置5包括两个同步运动的液压缸，两个液压缸分别固定平行设置在储水箱2的两端外侧，两个液压缸的升降端通过水平设置的连接杆固定连接，体积块3的上端面与连接杆固定连接。
导向装置4包括导轨和滑块，导轨竖直固定在储水箱2的内侧面，滑块固定在体积块3的外侧面且与导轨可滑动连接。
能循环利用储水箱2里的水实现模型箱1水位升降，解决模型箱1水位调节需求，同时布局方面降低了模型箱1水位调节区域位置的限定，布局更灵活，并且排水也在储水箱2中进行，避免了水直接排向外部对设备造成损害。从容器相对容积变化角度出发，通过上下调节体积块3的高度，循环改变储水箱2的相对容积，实现水位循环变化。
下面提供一个具体的实施例对本装置进行进一步说明：
以单向液压缸推动体积块3为实施例，储水箱2和试验用模型箱1底面高度假定相同，试验用模型箱1水位调节指标为：在超重力g'环境下，水位调节范围为Hmin～Hmax，水位调节最大所需水量为Vmax，其中：g'＝100g，Hmin＝300mm，Hmax＝800mm，Vmax＝100L；
如图2所示，储水箱2装有水量为的Vmax水，体积块3底面位于最低液位处，当体积块3向下运动时，体积块3逐渐浸入水里，随着体积块3的下移，储水箱2水位不断提高直到达到所需的最高水位Hmax，实现试验用模型箱1水位达到Hmax；当体积块3上移时，储水箱2水位不断下降，体积块3上移至脱离水面时，储水箱2下降至最低水位，实现试验用模型箱1水位达到Hmin。
体积块3位于最高位置时，储水箱2水位处于最低值Hmin，体积块3高度调节最大幅值由最低水位Hmin限定，体积块3高度方向位置变化幅值A≤Hmin，根据Hmin＝300mm，设定A＝250mm，保留体积块3外底面与储水箱2内底面间隔50mm，保证体积块3向下运动过程中与储水箱2底面不发生碰撞；
体积块3为中空结构，体积块3底面与储水箱2底面平行，体积块3尺寸需能满足水位调节幅度：
Lk×Wk×A＝(Hmax-Hmin)×(L×W-Lk×Wk)+Vmax
Lk、Wk为体积块3外表面的长度和宽度，Lk×Wk＞560000mm2，可设计Lk＝800mm，Wk＝750mm；L、W为储水箱2内表面的长度和宽度，L＝900mm，W＝833mm；A＝250mm为体积块3上下移动范围；
储水箱2内腔高度需高于最高水位，由于水位最高为800mm，可设计储水箱2内腔高度为H＝900mm，高于最高水位100mm，避免水溢出。
体积块3位于最低位置时，体积块3上顶面需高于储水箱2的高度，由于H＝900mm，体积块3高度可设计为Hk＝910mm，则体积块3处于最低位置时，体积块3顶面与储水箱2顶面间隔为0mm，避免体积块3连接件与储水箱2顶面干涉；
体积块3自重大于体积块3所受水施加的浮力(忽略体积块3与液压缸连接部分的重量)：
δ为体积块3的厚度；G为体积块3在超重力场下的重量；ρk为体积块3的平均密度；ρ为水的密度；Fmax为体积块3所受最大浮力。
计算得，Fmax＝441KN，则设计体积块3在100g离心场下重量为G＝450KN，则可计算出体积块3壁厚为δ＝47.6mm；
体积块3上端由液压缸驱动，液压缸作用力和行程需使体积块3上下运动达到所需的位置要求，液压缸推力需能承载体积块3与连接件重力(忽略连接件重力)，液压缸推力为体积块3自重与液体对底面压力的合力，当体积块3底面和储水箱2水面不接触时，液压缸推力最大，液压缸推力F≥G,根据G＝450KN，则选用单作用液压缸时液压缸推力大于450KN即可满足使用要求,液压缸行程需能驱动体积块3在最高位置和最低位置上下移动，液压缸行程AA需满足：AA≥A，液压缸行程大于250mm即可满足要求；
本调节装置，从容器相对容积变化角度出发，通过上下调节体积块3的高度，循环改变储水箱2的相对容积，实现水位循环变化，试验用模型箱1与储水箱2通过连接管6连通，通过虹吸作用，实现试验用模型箱1水位与储水箱2水位同步变化，水位调节对象由传统的试验用模型箱1水位转移成储水箱2水位，从调节水量与液位高度调节范围指标角度出发，设计储水箱2与体积块3尺寸，体积块3上端由液压缸驱动，液压缸作用力和行程需使体积块3上下运动达到所需的位置要求，安装导向装置4对体积块3运动进行导向，导向装置4不仅限于导轨滑块装置，还可以包括导套、导筒等，升降装置5不仅限于液压缸，还可以包括直线电机、机械臂等。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种超重力场实验舱水位调节装置，其特征在于：包括模型箱、储水箱、体积块、连接管、导向装置和升降装置，所述模型箱和所述储水箱通过所述连接管连通，所述体积块竖直设置在所述储水箱内，且所述体积块通过所述导向装置与所述储水箱可滑动连接，所述体积块通过所述升降装置驱动上下移动；
所述模型箱和所述储水箱平行设置，且所述连接管的下切面与实验舱的最低水位重合；
所述体积块为中空结构，所述体积块和储水箱的尺寸满足公式：
Lk×Wk×A＝(Hmax-Hmin)×(L×W-Lk×Wk)+Vmax；
式中：Lk、Wk为体积块外表面的长度和宽度；
A为体积块上下移动范围；
L、W为储水箱内表面的长度和宽度；
Hmax、Hmin为试验最高水位和最低水位；
Vmax为储水箱最大所需水量；
超重力场、体积块厚度、体积块重量满足公式，且忽略上端连接杆重量：
式中：Hk为体积块外表面的高度；
δ为体积块的厚度；
g'为超重力场的重力；
G为体积块在超重力场下的重量；
ρk为体积块的平均密度；
ρ为水的密度；
Fmax为体积块所受最大浮力。
2.根据权利要求1所述的超重力场实验舱水位调节装置，其特征在于：所述升降装置包括两个同步运动的液压缸，两个所述液压缸分别固定平行设置在所述储水箱的两端外侧，两个所述液压缸的升降端通过水平设置的连接杆固定连接，所述体积块的上端面与所述连接杆固定连接。
3.根据权利要求1所述的超重力场实验舱水位调节装置，其特征在于：所述导向装置包括导轨和滑块，所述导轨竖直固定在所述储水箱的内侧面，所述滑块固定在所述体积块的外侧面且与所述导轨可滑动连接。
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