CN110013919B - 一种真空管道磁悬浮岩土离心机 - Google Patents

Abstract

本发明属于土工离心模型试验技术领域，具体为一种真空管道磁悬浮岩土离心机，永磁轨道沿着真空管道轴向的固定于真空管道内壁，车体试验舱放置在永磁轨道上，直线电机的定子和转子分别固定于真空管道内壁以及车体试验舱上，直线驱动电机驱动车体试验舱开始沿永磁轨道运转；车体试验舱为密封结构；真空管道与真空设备连接，数据采集设备安装在车体试验舱，数据采集设备与无线传输设备连接，无线传输设备与地面试验室计算机无线通信连接；供电设备为各用电设备提供电源。本发明利用真空管道技术与磁悬浮技术相结合的方式，达到提高离心机转速的效果，继而达到提高离心机半径、最大容量、最大加速度和精度水平的目的。

Description

一种真空管道磁悬浮岩土离心机

技术领域

本发明属于土工离心模型试验技术领域，具体为一种真空管道磁悬浮岩土离心机。

背景技术

土工离心模型试验技术是研究岩土工程问题的重要方法。对于多数岩土工程结构，其受力状态和变形特性很大程度上取决于本身所受到的重力，特别是高土石建筑物，重力作用决定了其应力变形特性。而土工离心模型试验技术可以模拟原型的自重应力而成为研究大型岩土工程问题不可替代的手段之一。

土工离心模型试验技术是将缩小尺寸的土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的离心加速度的作用，补偿因为模型缩尺带来的土工构筑物自重损失。

目前现有的主流离心机全部是转臂式离心机，典型的转臂式土工离心机是一种绕固定轴旋转的机械结构，主要由传动系统、转动系统、上下仪器舱、集流环和旋转接头等组成。其工作原理是通过旋转电机驱动一根巨大的转臂，转臂两端分别是吊篮以及用于平衡的配重，将提前做好的试验模型放入吊篮内，通过调节配重使得两边重量一致，以尽量消除转轴受到的不平衡力。进行试验时，通过转臂的旋转为试验模型提供所需的离心加速度，随着离心机转速提升，离心加速度逐渐增大，本身垂直于地面的吊篮受离心力作用慢慢向外摆动，最终呈现近似水平的状态，在离心加速度达到目标数值后就可以开始进行各项试验。

世界上最早的离心机诞生于1931年的美国哥伦比亚大学，之后世界各国开始陆续建造和利用离心机进行土力学研究。美国加利福尼亚大学戴维斯分校有一台世界上最大的土工离心机，其半径9.2m，最大加速度300g，载荷3600kg，容量1080g-t；日本大阪市立大学1963年建造了日本第一台土工离心机并用于离心模型试验，据统计日本建造的离心机共40余台。我国的土工离心机建造开始于上世纪70年代，水利部长江水利委员会长江科学院研制建成了国内第一台容量为180g-t的土工离心机，1983年投入运行，之后中国水利水电科学研究院、南京水利科学研究院、河海大学、浙江大学、同济大学、成都理工大学等也建造了一系列土工离心机。

近年来，我国岩土工程实践的不断发展，离心模型试验技术也在不断进步，但随着时代的发展，我们面临的问题将越来越复杂，如300m以上高坝的安全性分析、千米级深地或深海工程、大时间跨度地下环境污染研究、大尺度城市抗震安全、千米尺度飞行器撞击及高能爆炸研究等等，相应地对岩土离心机的性能也提出了更高的要求。当前全球所建设的岩土离心机最大半径也仅为10m左右，容量也多为1000g·t以下，显然都无法满足这些未来可预见的问题所需。近年来，国内外也有新建或在计划中的新离心机，但在离心机的性能提升方面进展不大，这主要是臂式离心机自身的结构特点造成的，转臂长度的上限不高，且安全性差。例如韩国的KOWACO600g-t离心机，该离心机于2005年开始修建，该离心机半径为8m，模型箱尺寸为2m×2m×2m，在120g下可负载5t，在200g下可负载2t。但该机于2007年发生转臂断裂，所幸由于该机离心机室位于地下，未造成更严重后果。由此可见，在考虑提升岩土离心机性能的同时，离心机本身的安全和稳定也需要认真考虑。事实上悬臂式离心机性能提升的最大制约条件正是转臂的材料强度参数。悬臂式离心机主机转臂大都为钢制，钢材的最大优点是性价比高，要找到一种性价比高于钢材的材料应用于离心机转臂几乎可以说是不可能的。而钢材的缺点也很明显，就是其强度很有限，成为了离心机性能提高的瓶颈。

材料强度的限制造成臂式离心机半径、容量难以提升，同样试验精度也无法提高，也就无法满足前述的未来岩土工程实践问题的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真空管道磁悬浮岩土离心机，通过将真空管道技术和磁悬浮技术应用于岩土离心机，以达到大幅提高离心机转速、半径、容量等性能的目的，同时进一步提升离心模型试验的精度水平。

具体技术方案为：

一种真空管道磁悬浮岩土离心机，包括环形的真空管道、永磁轨道、车体试验舱、直线电机、真空设备、数据采集设备、无线传输设备、供电设备、地面试验室计算机；

所述的永磁轨道沿着真空管道轴向的固定于真空管道内壁，车体试验舱放置在永磁轨道上，直线电机的定子和转子分别固定于真空管道内壁以及车体试验舱上，直线驱动电机驱动车体试验舱开始沿永磁轨道运转；

模型土样制备装在车体试验舱内，所述的车体试验舱为密封结构；真空管道与真空设备连接，真空设备对真空管道内部进行抽真空；

数据采集设备安装在车体试验舱，收集各项所需科学数据，数据采集设备与无线传输设备连接，无线传输设备与地面试验室计算机无线通信连接；供电设备为各用电设备提供电源。

进一步的，所述的永磁轨道有多条，并且相互平行，多条轨道分布在真空管道的底侧区域和外径侧区域。

优选的，永磁轨道还分布在真空管道的内径侧区域。

本发明提供的一种真空管道磁悬浮岩土离心机，利用真空管道技术与磁悬浮技术相结合的方式，达到提高离心机转速的效果，继而达到提高离心机半径、最大容量、最大加速度和精度水平的目的。较之传统离心机，真空磁悬浮离心机轨道摩擦损耗为零、空气阻力为零，故可以实现更大的有效半径和更高的最大加速度值，同时还可具有更大的容量。同时采用真空管道设计可以大幅减少离心机耗能，降低试验成本。除此之外，真空磁悬浮离心机由于其封闭式的结构，还可以有效提升离心机的安全性。

附图说明

图1是本发明的俯视结构示意图；

图2是本发明的横截面结构示意图；

图3是本发明的永磁轨道分布方式之一：

图4是本发明的永磁轨道分布方式之二：

图5是本发明的永磁轨道分布方式之三：

图6是本发明的试验舱偏转过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步详述：

如图1和图2所示，一种真空管道磁悬浮岩土离心机，包括环形的真空管道1、永磁轨道2、车体试验舱3、直线电机、真空设备、数据采集设备、无线传输设备、供电设备、地面试验室计算机；

所述的永磁轨道2沿着真空管道1轴向的固定于真空管道1内壁，车体试验舱3放置在永磁轨道2上，直线电机的定子和转子分别固定于真空管道1内壁以及车体试验舱3上，直线电机驱动车体试验舱3开始沿永磁轨道2运转；

模型土样制备装在车体试验舱3内，所述的车体试验舱3为密封结构；真空管道1与真空设备连接，真空设备对真空管道1内部进行抽真空；

数据采集设备安装在车体试验舱3，收集各项所需科学数据，数据采集设备与无线传输设备连接，无线传输设备与地面试验室计算机无线通信连接；供电设备为各用电设备提供电源。

真空管道1是本发明的核心组成部分，其结构决定了真空管道是一个封闭的系统，不受外界因素影响，也不会对周围环境产生污染，要求管道具有极高的密封性、抗压性来保证其安全性和可靠性。主体是一个环形管道，是离心机的主要构件之一。在进行抽真空后，真空管道1要保证能够承受内外的气压差以及离心机运行时对侧壁产生的巨大压力。因此要求管道整体要有足够的刚度和强度。真空管道1的合适位置设置人员上下通道及试验平台，用于试验准备和设备检修。

永磁轨道2是提供磁悬浮效应所需不均匀磁场的重要结构，布设于真空管道1内部，与附着于车体试验舱3外部的高温超导体相互作用共同实现磁悬浮效果。永磁轨道2一般由NdFeB材料永磁体及聚磁夹铁组成，作为磁悬浮技术的核心部件，由于磁悬浮效应本身的特性，永磁轨道2可提供的磁场分布越复杂、越不均匀，则整个系统对磁场的利用率也就越高。

由于离心机由静止到达到最大加速度期间，车体试验舱3的合加速度方向由竖直向下逐渐转变为近似水平向外，因此要求悬浮力也应随之改变，而单一轨道的悬浮力方向是一定的，因此考虑采用多条轨道组合提供悬浮力的方式，永磁轨道2分布在真空管道1的底侧区域和外径侧区域，甚至内径侧区域。具体的可采用如下布置方式：

如图3所示，所述的永磁轨道2有三条，并且相互平行，三条轨道分布在真空管道1的左下和右下两侧、外径侧靠上即左上方。图3中中心圆形部分为车体试验舱3截面，三角形部分为永磁轨道2，右侧为真空管道1的内径侧，留出右上一侧以便满足吊装试验模型、检修设备等工作需要。采用如此布置方式，永磁轨道2可满足车体试验舱3在整个试验过程中的悬浮力要求，且无需人为控制。

除此之外还可以有多种布置方式，比如图4，三条轨道分布在真空管道1低侧正中间、外径侧正中、内径侧正中。或者如图5所示，只有两条轨道，分别位于低侧正中间、外径侧正中。

车体试验舱3部分主要由车体外壳、试验舱体、超导块材阵列三部分组成：

第一部分是车体外壳部分，外形大致为圆柱体，主要功能是形成一个气密性良好的全密封环境，同时还要能承受车体内外的压力差，所以本质上车体外壳就是一个压力容器；

第二部分是车体以上承载的试验舱体，试验舱是进行离心模型试验的主要场所，其内部集成了离心模型试验所需的所有设备，包括但不限于模型箱、电力系统、供水系统、数采系统和无线通讯系统等，试验舱体本身也是比车体外壳略小的圆柱体，与车体外壳呈双套筒结构，二者之间用回转支承轴承连接。其次，在离心机运行过程中，试验舱要实现传统离心机吊篮随转速和离心力增大而由竖直向水平翻转的过程。实现这一过程需要在结构布置时保证离心机运转时，如图6所示，试样舱体重心始终位于圆柱体中轴下方，这样在离心机运行时，随着转速及离心加速度的提高，试验舱重心受离心力影响绕中轴向外侧逐渐发生偏转，最终在达到所需g值后达到近似水平状态。

第三部分是超导块材阵列，为了实现稳定的磁悬浮效应，需要在车体底部与永磁轨道相对应的位置安装高温超导材料块体阵列。真空设备，用于试验前后对管道内部进行抽真空，由一系列真空泵组成。

数据采集设备，用于进行离心模型试验期间获取试验数据，包括照相摄像设备、传感器、高速数据采集模块。

离心机运行时，试验舱体与外界完全隔离，故需要利用无线的方式与外界进行数据传输，考虑真空磁悬浮离心机半径达到20m以上，故可以沿真空管道布设一系列无线路由器，以保证信号的稳定。

供电设备为真空磁悬浮离心机提供所需电力，包括有线供电设备和无线供电设备两部分，有线供电设备主要负责为车体试验舱以外的所有部分进行供电，无线供电设备又称感应供电设备、非接触式供电设备，主要是为满足车体试验舱内部设备的用电需求。

Claims (3)

1.一种真空管道磁悬浮岩土离心机，其特征在于，包括环形的真空管道(1)、永磁轨道(2)、车体试验舱(3)、直线电机、真空设备、数据采集设备、无线传输设备、供电设备、地面试验室计算机；

所述的永磁轨道(2)沿着真空管道(1)轴向的固定于真空管道(1)内壁，车体试验舱(3)放置在永磁轨道(2)上，直线电机的定子和转子分别固定于真空管道(1)内壁以及车体试验舱(3)上，直线电机驱动车体试验舱(3)开始沿永磁轨道(2)运转；

模型土样制备装在车体试验舱(3)内，所述的车体试验舱(3)为密封结构；真空管道(1)与真空设备连接，真空设备对真空管道(1)内部进行抽真空；

数据采集设备安装在车体试验舱(3)，收集各项所需科学数据，数据采集设备与无线传输设备连接，无线传输设备与地面试验室计算机无线通信连接；供电设备为各用电设备提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种真空管道磁悬浮岩土离心机，其特征在于，所述的永磁轨道(2)有多条，并且相互平行，多条轨道分布在真空管道(1)的底侧区域和外径侧区域。

3.根据权利要求2所述的一种真空管道磁悬浮岩土离心机，其特征在于，所述的永磁轨道(2)还分布在真空管道(1)的内径侧区域。