CN108827854B - 一种固液耦合伺服加压式变水头发生装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固液耦合伺服加压式变水头发生装置及其测试方法。装置包括：一密封壳体，密封壳体上设有传压孔、水压输出孔和溢流孔；密封壳体的内壁上位于所述水压输出孔和溢流孔之间设有限位结构；一加压控制系统，设置于所述密封壳体内位于密封壳体顶部和所述限位结构之间的腔室内，包括：一竖向传力架，设置于密封壳体的顶部，可在密封壳体内沿密封壳体的高度方向上、下移动，竖向传力架的底部与一弹性传力机构连接；一步进电机，与所述竖向传力架驱动连接，用于带动所述竖向传力架沿密封壳体的高度方向上、下来回移动；一脉冲发生器，与所述步进电机控制连接，用于对所述步进电机发送脉冲信号。
Description
技术领域
本发明属于渗流试验领域，涉及一种水头发生装置，具体涉及一种固液耦合伺服加压式变水头发生装置及其测试方法。
背景技术
渗透试验分为室内试验和野外测定试验两大类。在实验室中测定渗透系数K的仪器种类和试验方法很多，按水头是否变化分为常水头试验和变水头试验。同时，在研究其他课题，例如土的力学性质的试验中，也会涉及常水头试验和变水头试验。常水头试验在整个试验过程中保持水头不变为常数，从而水头差也为常数。变水头试验就是试验过程中水头差时刻随时间的变化而变化。对于变水头试验，目前已有比较成熟的技术可以实现，但施加变水头的传统变水头发生装置仍然为通过改变上游水头高度的形式实现，这种方法占用实验室空间大，对空间高度有所要求，且形成的水压力流量大小有限，变水头形式局限于在循环水头加载，而气压式变水头发生装置具有潜在的危险性。
目前，非稳定水头下的试验研究越来越普遍，如何形成复杂的变水头形式，仍未有成熟的技术和仪器可以实现，是一个亟需解决的技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种压力式伺服变水头发生装置，能够形成大流量的变水头压力，输出的变水头形式多样，可通过电机—弹性传力机构耦合控制系统实现试验需要的任意水头形式，操作简单，避免了气压式变水头发生装置潜在的危险性，且装置占用空间小，能够在实验室中推广使用。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种固液耦合伺服加压式变水头发生装置，包括：
一密封壳体，所述密封壳体的底部一侧侧壁上设有传压孔，传压孔的外部与一水压发生设备连接；
密封壳体的中部位于所述传压孔另一侧的侧壁上设有水压输出孔，所述水压输出孔的外部与实验仪器连接；
密封壳体的侧壁上位于所述水压输出孔的上部设有溢流孔；
密封壳体的内壁上位于所述水压输出孔和溢流孔之间设有限位结构；
一加压控制系统，设置于所述密封壳体内位于密封壳体顶部和所述限位结构之间的腔室内，包括：
一竖向传力架，设置于密封壳体的顶部，可在密封壳体内沿密封壳体的高度方向上、下移动，竖向传力架的底部与一弹性传力机构 连接；
一步进电机，与所述竖向传力架驱动连接，用于带动所述竖向传力架沿密封壳体的高度方向上、下来回移动；
一脉冲发生器，通过步进电机驱动器与所述步进电机控制连接，用于对所述步进电机发送脉冲信号以改变所述竖向传力架的移动方向、移动速度和加速度。
所述传动机构包括：两个倒三角形支架、轴承、一对齿轮传动组以及齿条，其中，所述步进电机的驱动端与一对齿轮传动组中的主动齿轮连接；
密封壳体的顶部位于主动齿轮的一侧固定连接两个倒三角形支架，两个倒三角形支架上通过轴承以及转轴与一从动齿轮旋转支撑连接；
竖向传力架的杆壁上设有沿竖向布置的齿条；
所述主动齿轮、从动齿轮以及齿条依次啮合。
所述弹性传力机构包括设置在密封壳体内部与所述密封壳体内壁之间密封滑动连接的上加压板、下加压板以及连接在上加压板和下加压板之间的弹簧，所述竖向传力架的底部与所述上加压板的上端固定连接。
所述密封壳体内位于传压孔和水压输出孔之间的空腔内设有用于使水流平稳的多孔导流板，多孔导流板和密封壳体之间的空腔形成缓冲室。
所述密封壳体包括筒体、顶盖、底板以及若干根螺杆，其中，所述筒体的两头开口，筒体的下端开口与底部密封固定连接，所述顶盖通过若干根螺杆和筒体的上端开口之间可拆卸的密封固定连接。
所述脉冲发生器为单片机。
所述水压发生设备为水泵。
所述限位机构为沿密封壳体内壁周向均匀布置的若干个板托。
一种基于所述固液耦合伺服加压式变水头发生装置的测压方法：
包括以下几个步骤：
步骤1、接入水源，水通过水压发生设备从传压孔进入密封壳体内部；
步骤2、弹性传力机构由限位机构限位在封闭壳体内的上部，当水压发生设备继续往封闭壳体内中输送水时，封闭壳体内的液面上升直至对弹性传力机构开始有向上的水压力，随着该水压力不断增大，上液面克服弹性传力机构的弹性压力向上移动，移动一定距离后，溢流孔出现，水流开始从溢流孔流走，此时密封壳体内的水对弹性传力机构的向上水压力保持不变，水压发生设备向密封壳体输送的水量等于溢流孔流出的水量，水压输出孔的水压力为常数；
步骤3、通过脉冲发生器，事先输入试验需要的变水头形式信号，由脉冲发生器控制步进电机，步进电机再通过传动机构改变所述竖向传力架的移动状态，包括：竖向传力架移动距离、移动方向和移动速率；竖向传力架的移动状态通过弹性传力机构以力的形式传递给密封壳体中的水，从而在水压力输出端得到试验需要的变水头形式。
本发明的有益效果是：
第一、本发明通过步进电机—弹性传力机构耦合控制系统，有效的避免了传统变水头发生装置对空间高度的要求，并且利用步进电机转动的角位移量不受负载变化影响，仅与步进电机驱动器接收到的脉冲信号个数有关的特点，通过控制脉冲个数来控制角位移量，通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而使本发明装置输出的变水头形式不再局限于循环加载，可以通过脉冲信号发生器（如单片机等）输入试验需要的变水头形式信号来实现。
第二、本发明装置设计新颖，能够形成大流量的变水头压力，输出的变水头形式多样，可通过电机—弹性传力机构耦合控制系统实现试验需要的任意水头形式，操作简单，避免了气压式变水头发生装置潜在的危险性。
第三、另外，装置具有占用空间小的优点，适合在实验室中推广使用，解决了传统变水头发生装置通过改变上游水头高度实现下游水压力变化所带来的空间高度要求和水头变化形式单一等缺点。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的顶盖平面图；
图3为本发明装置的上加压板平面图；
图4为本发明装置的多孔导水板平面图；
图5为本发明装置的倒三角固定支架平面图；
图6为本发明装置的电机转轴、转轴及竖向传力架连接处的细节图；
图7为本发明装置的竖向传力架的三维结构图；
附图中的标记如下：
1—顶盖；2—底板；3—筒体；4—螺杆；5—步进电机；6—脉冲发生器；7—转轴；8—倒三角固定支架；9—圆柱滚子轴承；10—竖向传力架；11—上加压板；12—弹簧；13—下加压板；14—水泵；15—缓冲室；16—多孔导水板；17—板托；18—蓄水室；19—传压孔；20—溢流孔；21—水压输出孔；22—试验仪器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
结合说明书附图1-7可见，本压力式伺服变水头发生装置，包括：顶盖1、底板2、筒体3、螺杆4、加压控制系统、传压系统；所述加压控制系统位于装置上半部分，由电机5、电机—弹性传力机构耦合控制系统6、转轴7、倒三角固定支架8、竖向传力架10、上加压板11、弹簧12、下加压板13组成；所述传压系统位于装置下半部分，由水泵14、缓冲室15、多孔导水板16、蓄水室18、传压孔19、溢流孔20及水压输出端21组成。
本实施例中，变水头发生装置为圆筒形，筒身内径为500mm，顶盖和底板直径560mm；筒身内的圆形多孔导水板、上加压板和下加压板直径均为500mm。
所述的加压控制系统中采用步进电机5。步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移的开环控制元件。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，且不受负载变化的影响。因此，可以通过控制脉冲个数来控制步进电机的角位移量，通过控制脉冲频率来控制步进电机转动的速度和加速度。
所述的加压控制系统中脉冲发生器6可以为单片机或计算机，单片机或计算机发送控制命令给步进电机驱动器，再由步进电机驱动器将控制命令转化为驱动信号并传给步进电机。
所述的加压控制系统中的转轴7、倒三角固定支架8，其特征是转轴7中部为齿轮外表，两端与倒三角固定支架的连接处采用圆柱滚子轴承9连接，其中转轴两端分别与两个圆柱滚子轴承内边缘焊接固定。
倒三角形支架的上边与顶盖焊接，倒三角形支架的下角与圆柱滚子轴承外缘焊接固定。
所述的加压控制系统中的弹簧12，其特征为弹簧外径50mm，弹簧长度150mm，共五个。
所述密封壳体内位于底板和水压输出孔之间的腔室高度为400mm；在密封壳体侧壁溢流孔向下30mm高度处沿侧壁一周均匀布置若干个板托17，使底板和水压输出孔之间的腔室内水面压力为零时，下加压板由板托限位。
所述的多孔导水板16的外径外500mm，小孔孔径10mm，厚度20mm。多孔导水板与密封壳体内壁配合使流入密封壳体的水流平稳。
所述的传压孔的传压孔19孔径30mm，溢流孔20孔径25mm，水压输出端21开口孔径25mm。
所述的螺杆4直径为10mm。
所述的密封壳体包括：顶盖1、底板2、筒体3、螺杆4，其中，底板与筒体固定在一起，并做密封处理；顶盖通过螺杆与筒体及底板固定在一起。
本发明固液耦合伺服加压式变水头发生装置的工作原理为：
1，接入水源，水通过水泵从传压孔进入缓冲室，进入缓冲室的水经多孔导水板进入蓄水室。由缓冲室和多孔导水板的共同作用下，使流入蓄水室的水平稳。
2，当蓄水室中正好充满水时，水面正好与下加压板接触，此时下加压板由板托托着。当水泵继续往缓冲室中输送水时，蓄水室上液面对下加压板开始有向上的水压力，随着该水压力不断增大，下加压板开始向上移动，移动一定距离后，溢流孔出现，水流开始从溢流孔流走，此时蓄水室中的水对下加压板的向上水压力保持不变，水泵向缓冲室输送的水量等于溢流孔流出的水量，水压输出端的水压力为常数。
3，通过脉冲发生器，事先输入试验需要的变水头形式信号，由脉冲发生器控制步进电机，步进电机再通过传动机构改变所述竖向传力架的移动状态，包括：竖向传力架移动距离、移动方向和移动速率；竖向传力架的移动状态通过弹性传力机构 以力的形式传递给密封壳体中的水，从而在水压力输出端得到试验需要的变水头形式。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (6)
1.一种固液耦合伺服加压式变水头发生装置，其特征在于，包括：
一密封壳体，所述密封壳体的底部一侧侧壁上设有传压孔，传压孔的外部与一水压发生设备连接；
密封壳体的中部位于所述传压孔另一侧的侧壁上设有水压输出孔，所述水压输出孔的外部与实验仪器连接；
密封壳体的侧壁上位于所述水压输出孔的上部设有溢流孔；
密封壳体的内壁上位于所述水压输出孔和溢流孔之间设有限位结构；
一加压控制系统，设置于所述密封壳体内位于密封壳体顶部和所述限位结构之间的腔室内，包括：
一竖向传力架，设置于密封壳体的顶部，可在密封壳体内沿密封壳体的高度方向上、下移动，竖向传力架的底部与一弹性传力机构连接；
一步进电机，与所述竖向传力架驱动连接，用于带动所述竖向传力架沿密封壳体的高度方向上、下来回移动；
一脉冲发生器，通过步进电机驱动器与所述步进电机控制连接，用于对所述步进电机发送脉冲信号以改变所述竖向传力架的移动方向、移动速度和加速度；
步进电机再通过传动机构改变所述竖向传力架的移动状态，所述传动机构包括：两个倒三角形支架、轴承、一对齿轮传动组以及齿条，其中，所述步进电机的驱动端与一对齿轮传动组中的主动齿轮连接；
密封壳体的顶部位于主动齿轮的一侧固定连接两个倒三角形支架，两个倒三角形支架上通过轴承以及转轴与一从动齿轮旋转支撑连接；
竖向传力架的杆壁上设有沿竖向布置的齿条；
所述主动齿轮、从动齿轮以及齿条依次啮合；
所述密封壳体内位于传压孔和水压输出孔之间的空腔内设有用于使水流平稳的多孔导流板，多孔导流板和密封壳体之间的空腔形成缓冲室；
所述密封壳体包括筒体、顶盖、底板以及若干根螺杆，其中，所述筒体的两头开口，筒体的下端开口与底部密封固定连接，所述顶盖通过若干根螺杆和筒体的上端开口之间可拆卸的密封固定连接。
2.根据权利要求1所述的固液耦合伺服加压式变水头发生装置，其特征在于，所述弹性传力机构包括设置在密封壳体内部与所述密封壳体内壁之间密封滑动连接的上加压板、下加压板以及连接在上加压板和下加压板之间的弹簧，所述竖向传力架的底部与所述上加压板的上端固定连接。
3.根据权利要求1所述的固液耦合伺服加压式变水头发生装置，其特征在于，所述脉冲发生器为单片机。
4.根据权利要求1所述的固液耦合伺服加压式变水头发生装置，其特征在于，所述水压发生设备为水泵。
5.根据权利要求1所述的固液耦合伺服加压式变水头发生装置，其特征在于，所述限位机构为沿密封壳体内壁周向均匀布置的若干个板托。
6.一种基于权利要求1所述固液耦合伺服加压式变水头发生装置的测压方法：
其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1、接入水源，水通过水压发生设备从传压孔进入密封壳体内部；
步骤2、弹性传力机构由限位机构限位在封闭壳体内的上部，当水压发生设备继续往封闭壳体内中输送水时，封闭壳体内的液面上升直至对弹性传力机构开始有向上的水压力，随着该水压力不断增大，上液面克服弹性传力机构的弹性压力向上移动，移动一定距离后，溢流孔出现，水流开始从溢流孔流走，此时密封壳体内的水对弹性传力机构的向上水压力保持不变，水压发生设备向密封壳体输送的水量等于溢流孔流出的水量，水压输出孔的水压力为常数；
步骤3、通过脉冲发生器，事先输入试验需要的变水头形式信号，由脉冲发生器控制步进电机，包括：竖向传力架移动距离、移动方向和移动速率；竖向传力架的移动状态通过弹性传力机构以力的形式传递给密封壳体中的水，从而在水压力输出端得到试验需要的变水头形式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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