CN111389601A - 一种小容量高g值的土工离心机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土工离心机技术领域，具体公开了一种小容量高G值的土工离心机，包括设备基础，所述设备基础上设置有电机安装坑道，所述的电机安装坑道内安装有电机，所述电机的输出端连接传动支承的主轴，所述的传动支承固定在设备基础的顶部，所述的传动支承的主轴上端连接转臂，主轴带动转臂旋转；所述的设备基础的顶部设置有机室，转臂及传动支承位于机室内。本发明的优点是本土工离心机的容量能达到1500gt，最高离心加速度能达到2000g，可在低气压和通风状态下运行，且能满足试验时的供水和供电要求。

Description

一种小容量高G值的土工离心机

技术领域

本发明涉及土工离心机技术领域，特别是一种小容量高G值的土工离心机。

背景技术

自1931年世界上第一台半径为0.25m的土工离心机在美国哥伦比亚大学诞生以来，经数十年的发展，全世界已建成土工离心机200余台。通过利用土工离心机高速旋转产生的超重力场，可以有效解决土工模型的缩尺模拟问题，可利用模型真实再现土木工程的原型特性，为研究实际土木工程问题提供了有效的手段。

目前，世界上建成的土工离心机容量从100gt至1144gt（以gt表示，其中g为重力加速度，t为质量单位:吨），离心机半径从1.5m至7m，最大离心加速度从50g至350g。其中，世界上建成的容量最大的离心机是法国Actidyn公司1995年为美国陆军工程师兵团水道试验站（WES）建成1144gt离心机，该离心机半径7m，最大离心加速度350g。国内建成的容量最大的土工离心机是中国物理工程研究院总体工程研究所为成都理工大学研制的500gt土工离心机，其最大离心加速度为250g。

现有土工离心机主要由转动系统、传动支承系统、驱动系统和辅助系统等组成（如图1所示：驱动系统和辅助系统略），其核心部件是传动支承系统和转动系统。转动系统主要由转臂和吊篮组成，其中吊篮用于安装试验模型；传动支承系统主要由机座402、主轴和轴承系统组成，除通过螺杆与地基的预埋件相连以传递载荷外，还传递驱动系统的扭矩，带动转动系统稳定高速的旋转以在吊篮底部形成g值恒定的离心场。机室用于安装土工离心机，由钢筋混凝土构成，天花板上预留进风孔，地板预留出风孔，通过风的循环带走土工离心机旋转过程中产生的热量。

通过上述对现有土工离心机结构的认识可知，土工离心机存在以下几个问题制约其进一步的发展，主要有：

（1）结构大，对设备基础要求高，基建投资巨大

现有土工离心机的结构均较为庞大（核心部件的重量高达5t以上，如转臂、吊篮）。因此，为了保证运行过程中的稳定和减少振动引起的结构破坏，现有土工离心机要求其安装的设备基础的质量要足够大、刚性要足够强以避免出现的共振。此外，为了保证试验过程中的安全性，防止由于试验模型崩裂等形成的飞溅物带来的冲击破坏，亦对机室侧壁的强度和厚度等提出了较高的要求。以上要求使得离心机机室的混凝土用量及钢筋数量大幅提高，导致基建投资巨大（约为设备投资的5倍以上）。其次，为了进一步增强土工离心机运行过程中的安全性，大型土工离心机或高速土工离心机均安装在地表以下（即机室和驱动间等需建设在地下），进一步增加了基建的投资。此外，基建的投资具有唯一性，若设备在使用过程中出现大幅改动或需要搬迁，往往需要重新建设昂贵的机室、基础等。

（2）机室环境控温方式单一

现有土工离心机机室结构均采用钢筋混凝土构造，由于混凝土机室具有透气、透水等问题，故现已建成的土工离心机均运行于常压下。为了达到交换土工离心机运行过程中由于转臂与空气摩擦产生的热量，通常采用自然通风的方式，具体作法是在机室天花板或者地板上开设进风孔或者排风孔（如图1所示）。该种方式对于低转速的土工离心机效果较为明显。但当土工离心机转速较高时，摩擦产生的热量会大幅提高，自然通风的方式往往难以控制机室内的温升。此外，空气进出机室会带来较大扰动，影响土工离心机转臂在高速运行时的稳定性。

（3）离心加速度低，缩尺效应不显著

目前，以交付使用的土工离心机的转速均较低，能提供的离心加速度值也较低，最大350g。随着社会的发展和技术进步，人类急需对污染物地下长历时迁移、油气成藏、地质构造演变、新材料高通量制备等诸多具有长时间跨度特征的重大问题开展研究。而现有土工离心机缩尺效应不足以无法承担该类任务（缩尺效应与土工离心机提供的离心加速度值直接相关）。因此，迫切需要研制具有更高离心加速度的土工离心机。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种小容量高G值的土工离心机，使本土工离心机的容量能达到1500gt，最高离心加速度能达到2000g，可在低气压和通风状态下运行，且能满足试验时的供水和供电要求。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种小容量高G值的土工离心机，包括设备基础，所述设备基础上设置有电机安装坑道，所述的电机安装坑道内安装有电机，所述电机的输出端连接传动支承的主轴，所述的传动支承固定在设备基础的顶部，所述的传动支承的主轴上端连接转臂，主轴带动转臂旋转；

所述的设备基础的顶部可拆卸设置有机室，转臂及传动支承位于机室内。

具体的，所述的机室包括机室底板、机室壁，所述的机室壁设置在机室底板上围成圆形的结构，所述的机室壁的顶部设置有顶盖用于密封机室，所述的机室壁的顶部还设置有隔板。

具体的，所述的机室壁的外侧设置有多个加强钢板。

具体的，所述的传动支承包括主轴，所述主轴套设在机座402上，所述的机座402上端和下端通过轴承系与主轴转动连接，所述的机座402固定在设备基础上。

具体的，所述的隔板包括环件，以及与环件同心设置的安装环，所述安装环与环件之间阵列设置有多根支撑梁，所述环件的内圈安装有轴承，所述轴承的内圈设置有退卸套，所述的传动支承的主轴上端套设在退卸套内与环件转动连接，所述的环件与安装环之间还设置有蒙板，所述的安装环的外侧设置有定位台阶，所述的定位台阶嵌入机室壁内，所述环件上设置有进风孔。

具体的，所述的设备基础包括基础底板和基础顶板，所述基础底板和基础顶板之间设置钢筋混凝土层，所述的电机安装坑道设置在钢筋混凝土层上，且电机安装坑道的顶部设置有通孔贯穿钢筋混凝土层用于电机连接传动支承，所述的钢筋混凝土层内设置有通风管，所述的通风管一端连通机室，另一端连通室外；所述的基础顶板上设置有通风孔盖板用于密封通风管。

具体的，所述的钢筋混凝土层的顶部预埋有预置连接件，所述的预置连接件上设置有连接螺纹孔用于固定传动支承。

具体的，所述的基础底板和基础顶板之间通过连接杆连接，所述的连接杆预埋在所述钢筋混凝土层中并与钢筋混凝土层中的钢筋网焊接，所述的连接杆的上端螺纹连接有吊环。

具体的，所述的传动支承的主轴的顶部安装有气液电滑环，其转子固定在主轴上，定子固定在机室上，用于向试验模型提供水、气、电。

具体的，所述的顶盖上设置有抽气口和传感器安装口。

本发明具有以下优点：

1.通过采用整锻式转臂、上支承结构、设备基础和机室的结构设计及在轴顶部安装滑环等措施，可使本土工离心机在小负载的情况下，实现2000g的高速运行，且实现了自然通风和低气压下的供水、供电问题，满足现阶段科学试验的需求。

2.通过采用集成有设备基础、机室的一体式结构，可为运行过程中的设备提供足够的支撑，保证运行的平稳；此外，还便于设备的安装和吊装，极大降低了对基建的要求，减少了基建的投资成本。

3.通过机室的结构设计和冷却套结构设计，使土工离心机即可在自然通风状态下运行，亦可在低气压下运行，在使用便捷性、控制机室温度、节能减排、提高运行稳定性等方面取得进步。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为本发明的机室的结构示意图；

图3 为本发明去除顶盖后的俯视结构示意图；

图4 为本发明的隔板结构示意图；

图5 为本发明的环件结构示意图；

图6 为本发明的传动支承结构示意图；

图7 为本发明的设备基础主视结构示意图；

图8 为本发明的设备基础侧视结构示意图；

图中：1-设备基础，101-钢筋混凝土层，102-基础顶板，103-基础底板，104-通风管，105-连接杆，106-吊环，107-电机安装坑道，108-预置连接件，2-机室，201-机室壁，202-加强钢板，203-机室底板，204-顶盖，205-隔板，2051-环件，2052-进风孔，2053-蒙板，2054-安装环，2055-支撑梁，2056-退卸套，2057-轴承，206-通风孔盖板，207-抽气口，208-传感器安装口，3-电机，4-传动支承，401-主轴，402-机座，403-轴承系，5-转臂，6-气液电滑环。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1～8所示，一种小容量高G值的土工离心机，包括设备基础1，设备基础1主要是提供主机和机室2的安装平台，承受土工离心机旋转时产生的振动，所述设备基础1上设置有电机安装坑道107，所述的电机安装坑道107内安装有电机3，所述电机3的输出端连接传动支承4的主轴401，所述的传动支承4固定在设备基础1的顶部，所述的传动支承4的主轴401上端连接转臂5，主轴401带动转臂5旋转；转臂5通过高速旋转以在试验模型安装位置处产生稳定的离心加速度场，其需要承受旋转产生的离心力和试验模型附加的载荷作用，是土工离心机中核心承力部件，其采用整锻式结构。

所述的设备基础1的顶部可拆卸设置有机室2，转臂5及传动支承4位于机室2内。现有技术中土工离心机的结构均较为庞大，核心部件的重量高达5t以上，如转臂5、吊篮。因此，为了保证运行过程中的稳定和减少振动引起的结构破坏，现有土工离心机要求其安装的设备基础1的质量要足够大、刚性要足够强以避免出现的共振。此外，为了保证试验过程中的安全性，防止由于试验模型崩裂等形成的飞溅物带来的冲击破坏，亦对机室侧壁的强度和厚度等提出了较高的要求。以上要求使得离心机机室2的混凝土用量及钢筋数量大幅提高，导致基建投资巨大，约为设备投资的5倍以上。其次，为了进一步增强土工离心机运行过程中的安全性，大型土工离心机或高速土工离心机均安装在地表以下，即机室和驱动间等需建设在地下，进一步增加了基建的投资。此外，基建的投资具有唯一性，若设备在使用过程中出现大幅改动或需要搬迁，往往需要重新建设昂贵的机室、基础等；为了解决现有技术中土工离心机的基础造价高的问题，本方案中将设备基础1和机室2设计成可拆卸连接的方式，将机室2通过螺栓连接设置在设备基础1的顶部，形成可拆卸连接的结构，这样的结构方便安装及拆卸搬离，与现有技术的机室与地基为结构整体浇筑的结构相比，降低了施工的难度。

如图2所示，机室2为钢制焊接结构，其主要作用是形成土工离心机运行的特定环境，保护人员和设备的安全，所述的机室包括机室底板203、机室壁201，所述的机室壁201设置在机室底板203上围成圆形的结构，所述的机室壁201的顶部设置有顶盖204用于密封机室，所述的机室壁201的顶部还设置有隔板205。本方案中，机室壁201和机室底板203均采用钢材制成，且机室壁201和机室底板203焊接成一体，机室底板203通过螺栓固定在设备基础1上就能实现整体机室2与设备基础1的连接，在需要拆分搬运时，只需要松开螺栓就能实现机室底板203与设备基础1的分离，方便搬离，且结构简单，方便生产。需要说明的是在本方案的隔板205中设置有轴承2057，传动支承4的主轴401的上端通过轴承2057与隔板205转动连接，使主轴401形成悬臂支承或者上下支承。

如图2和3所示，所述的机室壁201的外侧设置有多个加强钢板202，加强板在机室壁201外侧形成肋板的结构对机室壁201进行加强，以提高抗侧向力的能力，其内侧集成有循环冷却水套，现有技术中土工离心机的机室采用的是钢筋混凝土的结构，其厚度厚，造成机室的体积大，且成本高，为一次性建筑，本方案的机室壁201采用钢材板的结构，在便于拆分的同时可以大大减小机室的体积。

如图6所示，所述的传动支承4包括主轴401，所述主轴401套设在机座402上，所述的机座402上端和下端通过轴承系403与主轴401转动连接，所述的机座402固定在设备基础1上，机座402的顶部与主轴401通过动密封装置进行密封，防止其发生漏气，主轴401通过胀套与转臂5连接。传动支承4的作用是起到支撑的作用，传动支承4上设置有主轴401，主轴401的底端通过联轴器与电机3连接，其上端连接转臂5，这样电机3工作就能带动主轴401旋转，从而带动转臂5旋转进行土工离心试验，机座402通过高强度螺栓固定在设备基础1上，对转臂5进行支承，主轴401与机座402通过轴承系403进行转动连接，在机座402的上端和下端均设置有轴承系403，本方案的轴承系403由两个径向滚动轴承和一个推力滚动轴承组成，以将载荷传递给机座402；其中，径向轴承用于承受离心机旋转时产生的不平衡力，推力轴承用于承受转臂5和主轴401等部件重量。

如图4和5所示，所述的隔板205包括环件2051，以及与环件2051同心设置的安装环2054，所述安装环2054与环件2051之间阵列设置有多根支撑梁2055，所述环件2051的内圈安装有轴承，所述轴承的内圈设置有退卸套2056，所述的传动支承4的主轴401上端套设在退卸套2056内与环件2051转动连接，所述的环件2051与安装环2054之间还设置有蒙板2053，蒙板2053用于控制通风状态气流流动，蒙板2053使机室内的流场与外界大气隔离，并使得通风状态下的气流通过隔板205上的环件2051的进风孔2052进入，并经位于机室底部的与设备基础1 内的通风管104流出；所述的安装环2054的外侧设置有定位台阶，所述的定位台阶嵌入机室壁201内并通过螺栓固定在机室壁201上，所述环件2051上设置有进风孔2052。本方案中环件2051为一个环形的盘状结构，其内圈设置轴承2057，通过轴承2057与主轴401转动连接，具体的，轴承2057与主轴401通过退卸套2056连接，为离心机在低气压下运行提供上部支撑力，保证高速运行下的平稳性，为了将转臂5和试验模型产生的不平衡力传递给机室2，在安装环2054与环件2051之间以圆形为起点，放射状在安装环2054与环件2051之间设置支撑梁2055。

如图7和8所示，所述的设备基础1包括基础底板103和基础顶板102，所述基础底板103和基础顶板102之间设置钢筋混凝土层101，所述的电机安装坑道107设置在钢筋混凝土层101上，且电机安装坑道107的顶部设置有通孔贯穿钢筋混凝土层101用于电机3连接传动支承4，电机安装坑道107用于安装电机3以及方便人员检修和设备进出，所述的钢筋混凝土层101内设置有通风管104，所述的通风管104一端连通机室2，另一端连通室外；所述的基础顶板102上设置有通风孔盖板206用于密封通风管104。本方案中设备基础1采用钢筋混凝土加预置件的结构，为了使土工离心机方便安装及搬运，将土工离心机的各部分设计成可拆卸的结构，在土工离心机中需要安装在质量大、刚性强的设备基础1上，一般设备基础1是采用钢筋混凝土的结构，其一般设置在地表以下的地基上，与地基为一体，而本方案需要土工离心机可以搬离，故本方案的设备基础1为独立结构，包括基础底板103、基础顶板102以及基础底板103和基础顶板102之间设置的钢筋混凝土层101，基础底板103用于安装设备基础1时通过基础底板103与地基螺纹连接就能实现将设备基础1固定在地基上，通风管104浇筑并固化在钢筋混凝土层101，用于对机室2进行排风。

如图7和8所示，所述的钢筋混凝土层101的顶部预埋有预置连接件108，所述的预置连接件108上设置有连接螺纹孔用于固定传动支承4。预置连接件108浇筑在钢筋混凝土层101内，在传动支承4的基座上设置有安装孔，传动支承4的机座402通过螺栓与预置连接件108连接，将机座402与设备基础1连接，以实现将载荷传递给设备基础1。同时预置连接件108还用于安装机室2。

如图7和8所示，所述的基础底板103和基础顶板102之间通过连接杆105连接，所述的连接杆105预埋在所述钢筋混凝土层101中并与钢筋混凝土层101中的钢筋网焊接，所述的连接杆105的上端螺纹连接有吊环106。本方案中将连接杆105与钢筋混凝土层101中的钢筋网焊接可以增强承载能力，在连接杆105上螺纹连接的吊环106用于设备的吊装，方便设备基础1的安装吊运。

进一步的，为了满足土工离心试验中需要向试验模型中提供水、气、电以及采集测试数据等要求，在传动支承4的主轴401的顶部安装有气液电滑环6，其转子固定在主轴401上，定子固定在机室2上，用于向试验模型提供水、气、电以及采集测试数据等要求。本方案中，气液电滑环6的转子端随主轴401一起旋转，气液电滑环6的电缆、管路等通过密封穿线管连接地面设备，防止管、线穿过机室壁201发生漏气。

进一步的，所述的顶盖204上设置有抽气口207和传感器安装口208。

自然通风状态：拆卸顶盖204和通风孔盖板206即可使气流从机室2顶部流入机室2，具体通过隔板205上的环件2051的进风孔2052进入，并经位于机室底部的与设备基础1内的通风管104流出。自然通风时，可使操作更简单，满足某些对气压比较敏感的试验。

低气压状态：安装顶盖204和通风孔盖板206，并在顶盖204和机室壁201之间、传动支承4和机室底板203之间、通风孔盖板206处分别设置静密封圈或密封垫，再在动密封装置和密封穿线管的配合下实现机室的全密封，通过顶盖204上预留的抽气口207，可以通过真空泵实现机室2内气压的调节。低气压时，可以减少运行风阻、气流引起的结构扰动及降低能耗。

通过采用上述技术方案，实现了土工离心机在自然通风状态和100Pa以上低气压下的高速平稳运行，离心机最大运行g值高达到2000g，并且可以实现向转臂5端头的试验模型供水、供电，突破了现有土工离心机的局限。且整机设备便于安装和搬运，对土建基础的要求大幅降低，有效减少了基建的投资成本，通过该设备，可以为离心模型试验提供更高的缩尺效应，解决大尺寸、长历时、高能量等工程问题的试验模拟。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种小容量高G值的土工离心机，其特征在于：包括设备基础（1），所述设备基础（1）上设置有电机安装坑道（107），所述的电机安装坑道（107）内安装有电机（3），所述电机（3）的输出端连接传动支承（4）的主轴（401），所述的传动支承（4）固定在设备基础（1）的顶部，所述的传动支承（4）的主轴（401）上端连接转臂（5），主轴（401）带动转臂（5）旋转；

所述的设备基础（1）的顶部可拆卸设置有机室（2），转臂（5）及传动支承（4）位于机室（2）内。

2.根据权利要求1所述的一种小容量高G值的土工离心机，其特征在于：所述的机室（2）包括机室底板（203）、机室壁（201），所述的机室壁（201）设置在机室底板（203）上围成圆形的结构，所述的机室壁（201）的顶部设置有顶盖（204）用于密封机室（2），所述的机室壁（201）的顶部还设置有隔板（205）。

3.根据权利要求2所述的一种小容量高G值的土工离心机，其特征在于：所述的机室壁（201）的外侧设置有多个加强钢板（202）。

4.根据权利要求1所述的一种小容量高G值的土工离心机，其特征在于：所述的传动支承（4）包括主轴（401），所述主轴（401）套设在机座（402）上，所述机座（402）的上端和下端通过轴承系（403）与主轴（401）转动连接，所述的机座（402）固定在设备基础（1）上。

5.根据权利要求2所述的一种小容量高G值的土工离心机，其特征在于：所述的隔板（205）包括环件（2051），以及与环件（2051）同心设置的安装环（2054），所述安装环（2054）与环件（2051）之间阵列设置有多根支撑梁（2055），所述环件（2051）的内圈安装有轴承（2057），所述轴承（2057）的内圈设置有退卸套（2056），所述的传动支承（4）的主轴（401）上端套设在退卸套（2056）内与环件（2051）转动连接，所述的环件（2051）与安装环（2054）之间还设置有蒙板（2053），所述的安装环（2054）的外侧设置有定位台阶，所述的定位台阶嵌入机室壁（201）内，所述环件（2051）上设置有进风孔（2052）。

6.根据权利要求1所述的一种小容量高G值的土工离心机，其特征在于：所述的设备基础（1）包括基础底板（103）和基础顶板（102），所述基础底板（103）和基础顶板（102）之间设置钢筋混凝土层（101），所述的电机安装坑道（107）设置在钢筋混凝土层（101）上，且电机安装坑道（107）的顶部设置有通孔贯穿钢筋混凝土层（101）用于电机（3）连接传动支承（4），所述的钢筋混凝土层（101）内设置有通风管（104），所述的通风管（104）一端连通机室（2），另一端连通室外；所述的基础顶板（102）上设置有通风孔盖板（206）用于密封通风管（104）。

7.根据权利要求6所述的一种小容量高G值的土工离心机，其特征在于：所述的钢筋混凝土层（101）的顶部预埋有预置连接件（108），所述的预置连接件（108）上设置有连接螺纹孔用于固定传动支承（4）。

8.根据权利要求6所述的一种小容量高G值的土工离心机，其特征在于：所述的基础底板（103）和基础顶板（102）之间通过连接杆（105）连接，所述的连接杆（105）预埋在所述钢筋混凝土层（101）中并与钢筋混凝土层（101）中的钢筋网焊接，所述的连接杆（105）的上端螺纹连接有吊环（106）。

9.根据权利要求1所述的一种小容量高G值的土工离心机，其特征在于：所述的传动支承（4）的主轴（401）的顶部安装有气液电滑环（6），其转子固定在主轴（401）上，定子固定在机室（2）上，用于向试验模型提供水、气、电。

10.根据权利要求1所述的一种小容量高G值的土工离心机，其特征在于：所述的顶盖（204）上设置有抽气口（207）和传感器安装口（208），所述抽气口（207）上设置有密封盖。

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