CN113941455A - 应用于高速土工离心机的新型管线支架结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土工离心机技术领域，具体公开了一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，包括两个侧支架和四个连接板，两个所述侧支架相对且对称设置，两个所述侧支架之间通过四个所述连接板连接，侧支架为U形结构，四个连接板两两成组分别连接两个侧支架的上下两侧，同一组的两个所述连接板之间具有安装间隙，两个所述侧支架的顶部均设置有预置件。本发明的优点是管道和强电电缆、弱电电缆均预埋在高强度纤维制成的预置件中，通过高强度纤维保护了管道和电缆以满足高速土工离心机的供水、供电要求，减少了土工离心机转臂外表面的突出物，而管道安装结构的侧支架外表面通过模具固化成型，可实现外表面光滑过渡，从而降低了土工离心机的风阻。

Description

应用于高速土工离心机的新型管线支架结构

技术领域

本发明涉及土工离心机技术领域，特别是一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构。

背景技术

土工离心机是一种应用于岩土工程等领域的实验装置，可利用高速旋转形成的稳定的离心加速度场来模拟超重力场。依据模型的相似比原理，研究人员可以在土工离心机上对现实世界的百米高坝、巨型滑坡体等进行实验研究，评估其安全性，掌握滑坡发生的机理等。此外，土工离心机还广泛应用于深地深海工程、地下环境污染物评估、城市建筑结构的抗震性评估、高能爆炸研究等领域，为重大工程防灾减灾、能源开发、环境保护等重大战略性领域提供强力支撑。

高速、高容量土工离心机（以gt表示，其中g为重力加速度，t为质量单位吨）对于研究地质学演变、环境污染物迁移等具有重要的作用。

为了满足实验的需求，需要土工离心机具备向吊篮中的模型提供水、电、压缩空气的能力。现有的土工离心机在向吊篮供水、供气时采用的是金属管道，供电则是采用电缆。管道和电缆从转轴上的预留孔伸出，需一直沿转臂延伸至吊篮处。土工离心机在运行过程中，会对安装在其上的物体产生较大的离心力（高达其自重的n倍，与土工离心机的g值有关）。因此，为了防止管道和电缆在离心力作用下发生断裂，需要采取保护措施，现有的做法是：管道采用管夹进行固定，电缆利用压线夹固定。管夹和压线夹均通过螺钉连接在转臂上。

上述传统管线固定方式应用于高速土工离心机存在以下问题：

1.增大离心机风阻

土工离心机在达到实验需要的转速后，其驱动单元产生的动力大部分用于克服运行中的风阻，其消耗的能源也主要转变为离心机转臂与空气摩擦产生的热量。在相对封闭的机室内，该部分热量若不能及时排除，将导致机室内温升加剧，影响实验结果的准确性，甚至危及离心机的安全运行。因此，良好的气动外形有利用降低风阻，减少摩擦产生的热量，降低能源消耗。

与现有低速土工离心机不同，高速土工离心机的转臂为整体加工件，其外表光滑。然而，现有管道和电缆的布置方式使得其凸出转臂上表面，破坏了转臂良好的气动外形，增加了离心机运行的风阻。

2.防护能力弱

要保证管道和电缆在土工离心机上固定牢固，需要使得管夹与管道、电缆与压线夹间的摩擦力分别大于其各自在离心场下受的离心力。当高速土工离心机的离心机加速度达到1000g后，传统的管线安装结构将无法提供足够的摩擦力以平衡管线承受的离心力，因而电缆在离心力作用下发生断裂，无法实现高速土工离心机的供电要求。

3.影响转臂的结构强度和动平衡

要在转臂上安装固定管道和电缆的管夹和压线夹，就需要在转臂上预留螺钉孔。随着土工离心机转速的提高，为了保证管道和电缆的安全，就需要在增加单位长度内管夹和压线夹的数量。然而，对于高速土工离心机而言，在1000g以上的离心加速度下，转臂受力情况急剧恶化，其内部最大应力已经接近材料的许用应力。在转臂上加工安装管线的螺钉孔将导致开孔位置的应力值大幅升高并超出材料的许用应力，使得转臂在高离心场下极易在螺孔处发生结构破坏，严重影响高速土工离心机的安全运行。

此外，为了保证高速土工离心机的运行品质，减少高速运行时的振动，转臂均进行了动平衡测试。在转臂上钻孔布置管道和电缆容易导致质量分布不均匀，从而影响转臂的动平衡。

因此，传统的管道和电缆固定方式无法应用于高速土工离心机。

4.安装困难、故障排查效率低

传统的管线支撑方式需要在土工离心机的转臂上布置大量的管夹、线夹，该工作需要拆卸土工离心机的转臂或者人员攀爬至土工离心机转臂上进行操作，作业面高度较高，操作不便。若电缆出现故障，则需要将电缆解散后找出故障电缆后，再进行捆扎固定，故障排查效率低下。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，可为管道和电缆提供足够的保护以实现高速离心机的水电气输送，便于更换，且不影响高速土工离心机的性能。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，包括两个侧支架和四个连接板，两个所述侧支架相对且对称设置，两个所述侧支架之间通过四个所述连接板连接，所述侧支架为U形结构，四个所述连接板两两成组分别连接两个侧支架的上下两侧，同一组的两个所述连接板之间具有安装间隙，两个所述侧支架的顶部均设置有预置件。

具体的，所述预置件内预埋有强电电缆、弱电电缆和管道，所述预置件的中部设置接线端子、两个航空插头和进出管口，所述接线端子与强电电缆的中部电连接，所述弱电电缆的一端与所述航空插头连接，所述进出管口与管道连通。

具体的，所述强电电缆位于预置件内的部分去除外表面的绝缘层后与接线端子连接，然后在强电电缆及接线端子的外表面用绝缘的树脂材料进行包裹；所述强电电缆的两端延伸出预置件，且延伸出的部分保留绝缘层，并在强电电缆的两端安装接线头。

具体的，所述航空插头与弱电电缆焊接在一起。

具体的，所述管道的外表面设置有多个台阶。

具体的，所述侧支架采用高强度的纤维材料通过模压制成，其内侧型面与高速土工离心机的转臂外形一致，外侧型面光滑过渡。

具体的，所述侧支架上设置矩形定位沉孔，所述预置件置于所述矩形定位沉孔内并通过螺栓与侧支架固定连接。

具体的，所述侧支架与预置件和连接板对应连接的位置均内嵌有金属材质的衬套以安装连接螺栓。

具体的，所述预置件两端的侧支架上预埋有接线板。

具体的，所述预置件采用高强度纤维材料制成。

本发明具有以下优点：

1、管道和强电电缆、弱电电缆均预埋高强度纤维制成的预置件中，减少了土工离心机转臂外表面的突出物，而管道安装结构的侧支架外表面通过模具固化成型，可实现外表面光滑过渡，从而降低了土工离心机的风阻。

2.以高强度纤维为主体材料的管线支架强度高、耐候性好，能够适应离心机机室内的环境及承受1500g的离心加速度。通过高强度纤维将管道、电缆包覆和固定，可为管道和电缆提供有效的保护，以保证其在高离心加速度下的安全使用，防止管道和电缆在离心力的作用下发生断裂。

3.预埋有管线的预置件自成一体，通过机械连接的方式与管线支架的侧支架进行连接，便于后期进行维护和更换，降低了更换成本。

4.以高强度纤维为主体材料的支架重量轻，不会增加转臂的额外重量；支架结构安装拆卸简单，不用在土工离心机转臂上预留大量安装螺孔，不会造成转臂上局部区域出现应力集中，可有效保证转臂的使用安全；支架自成一体，可通过动平衡校核和配平以确保支架安装后不会影响离心机转臂的动平衡。

附图说明

图1 为本发明的管线支架结构整体结构示意图；

图2 为本发明的预置件结构示意图；

图3 为本发明的强电电缆结构示意图；

图4 为本发明的弱电电缆结构示意图；

图5 为图4中A处放大结构示意图；

图6 为本发明的管道结构示意图；

图7 为本发明的矩形定位沉孔设置结构示意图；

图8 为本发明的管线支架结构在土工离心机中的安装位置示意图；

图中：1-侧支架，2-连接板，3-预置件，4-强电电缆，5-弱电电缆，6-管道，7-进出管口，8-接线端子，9-航空插头，10-树脂材料层，11-接线头，12-台阶，13-矩形定位沉孔，14-接线板。

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，一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，包括两个侧支架1和四个连接板2，两个所述侧支架1相对且对称设置，两个所述侧支架1之间通过四个所述连接板2连接，所述侧支架1为U形结构，四个所述连接板2两两成组分别连接两个所述侧支架1的上下两侧，同一组的两个所述连接板2之间具有安装间隙，两个所述侧支架1的顶部均设置有预置件3。本实施例为了解决在土工离心机转臂上设置供水、电、气通过的管道时需要在转臂设置管夹的方式带来问题，采用新型的管线支架结构来将外部的水、电、气经过管线支架结构供应到吊篮，本实施例中设置有两个侧支架1，两个侧支架1均为U形的结构，这样在相对设置后两个侧支架1之间形成包裹住转臂的容纳腔，在安装时两个侧支架1包裹在土工离心机的两侧，然后将两个侧支架1的上下两侧通过连接板2固定连接，每侧通过两个连接板2连接，侧支架1与连接板2通过螺栓进行连接，同一侧的两个连接板2与两个侧支架1之间形成定位安装孔，两个连接板2相对的一侧设置圆弧形的缺口，然后在两个侧支架1相对处设置圆弧形的缺口，这样两个连接板2的圆弧形缺口和两个侧支架1的圆弧形缺口拼接成完整的圆形定位安装孔，土工离心机的转轴穿过圆形定位安装孔，就能将管线支架定位安装在土工离心机的转臂上，这样的安装方式不需要在转臂上钻孔，这样就避免了在转臂上钻孔使得转臂在高离心场下极易在螺孔处发生结构破坏的情况发生，对转臂的结构强度完全没有影响；采用四个连接板2就将两个侧支架1连接成一个整体包裹在土工离心机的转臂上，从而实现管线支架与转臂一起旋转及承受离心力作用，这样的结构能单独进行动平衡测试和配平，从而避免了传统方式对离心机转臂强度及动平衡性能的影响，本实施例中的管线支架采用对称的结构，同样也有利于动平衡，供水、供电和供气通过设置在侧支架1上的预置件3进行传输。

进一步的，所述预置件3内预埋有强电电缆4、弱电电缆5和管道6，所述预置件3的中部设置接线端子8、航空插头9和进出管口7，所述接线端子8与强电电缆4的中部电连接，所述弱电电缆5的一端与所述航空插头9连接，所述进出管口7与管道6连通。本实施例中通过在预置件3内预埋强电电缆4、弱电电缆5和管道6来将外部的水、电、气向吊篮供应，强电电缆4为整根电缆，其中部电连接接线端子8，强电电缆4的两端延伸出预置件3，通过接线端子8外接强电电源，通过两端头分别向转臂两端的吊篮进行供电，每个预置件3内设置有多根弱电电缆5，多根弱电电缆5的一端分别延伸出预置件3的一端，预置件3两端设置的弱电电缆5的电缆相同，且每根弱电电缆5对应设置一个航空插头9，用于传输转臂两侧的吊篮内的各种检测器件的电信号，其中弱电电缆5由多根电缆相互缠绕构成，采用这样的方式可以增大与预置件3的连接面积，保证弱电电缆5与预置件3的紧密连接；管道6的中部设置有进出管口7，外部的气通过进出管口7进入管道6内，然后分别传输进入两个吊篮，这样将强电电缆4、弱电电缆5和管道6预埋在预置件3内的方式可以降低土工离心机的转臂在转动时产生的风阻，

进一步的，所述强电电缆4位于预置件3内的部分去除外表面的绝缘层后与接线端子8连接，然后在强电电缆4及接线端子8的外表面用绝缘的树脂材料层10进行包裹；所述强电电缆4的两端延伸出预置件3，且延伸出的部分保留绝缘层，并在强电电缆4的两端安装接线头11。为了确保强电电缆4在预置件3内的可靠固定，本实施中采用现有的强电电缆4，将强电电缆4的部分绝缘层去除，然后中部与接线端子8焊接在一起，再将强电电缆4及接线端子8的外表面用绝缘的树脂材料层10进行包裹，树脂材料层10只包裹位于预置件3内部的强电电缆4，采用这样的方式能可确保强电电缆4预埋后与预置件3连接紧密，不会在离心力作用下发生断裂。

进一步的，所述航空插头9与弱电电缆5焊接在一起。

进一步的，所述管道6的外表面设置有多个台阶12。本实施例中在管道6的外壁均布设置多个台阶12，通过台阶12实现与预置件3的固定，确保在高速转动的过程中不会断裂。

进一步的，所述侧支架1采用高强度的纤维材料通过模压制成，其内侧型面与高速土工离心机的转臂外形一致，外侧型面光滑过渡。在安装完成后侧支架1的内侧壁紧密贴合在转臂的外表面上，外侧型面光滑过渡以降低风阻，侧支架1采用高强度的纤维材料制成可以保证其能承受离心力。

进一步的，所述侧支架1上设置有矩形定位沉孔13，所述预置件3置于所述矩形定位沉孔13内并通过螺栓与侧支架1固定连接。预置件3不是完全位于矩形定位沉孔13，其顶部突出矩形定位沉孔13，将预置件3置于矩形定位沉孔13内再采用螺栓进行固定的方式可以实现预置件3的定位，同时可以降低螺栓在高速转动的过程中的受力，矩形定位沉孔13的侧壁可以平衡部分预置件3在高速转动中的承受的离心力，同时也为了便于后期检修和更换电缆及管道6，降低维修成本。通过合理设计管线支架的结构，实现了在不拆卸离心机主机结构的前提下的管线支架的安装和更换，并确保了管线支架在1500g离心场下的结构的可靠性和安全。

进一步的，所述侧支架1与预置件3、连接板2对应连接的位置均内嵌有金属材质的衬套以安装连接螺栓。本实施例中为了提供定位精度和防止因应力集中而导致的结构疲劳破坏，在侧支架1与连接板2的连接处，以及侧支架1与预置件3的连接处均设置衬套，衬套预埋在预置件3内，需要说明的是连接板2与侧支架1的连接同样采用螺栓进行连接。

进一步的，所述预置件3两端的侧支架1上预埋有接线板14。管线支架安装在高速土工离心机转臂上后，转臂端部模型箱的电缆通过其自身的接线端子与预置件3中预埋的电缆在接线板14连接，接线板14与预置件3内的强电电缆4和弱电电缆5分别连接，模型箱内的管路直接与预置件3的管道6相连；预置件3中部预埋的接线端子8、管道接头7和航空插头9分别与离心机主轴上的接口相连；再借助离心机主轴顶端的滑环和电机底部的旋转接头，从而将地面的水、电和气输送至离心机转臂上的模型箱内，再将试验过程中的测试数据传输至地面。

进一步的，所述预置件3采用高强度纤维材料制成。预置件3同样采用高强度纤维材料制成，通过将强电电缆4、弱电电缆5和管道6预埋在高强度纤维材料制成的预置件3中，利用纤维材料的高强度、高刚度等特点分担了强电电缆4、弱电电缆5和管道6在离心场下承受的离心力，实现了对强电电缆4、弱电电缆5和管道6可靠固定和防护。

采用上述技术方案，可实现管线支架的快速便捷安装和更换，可以保证管道和电缆在1500g的离心场下可靠工作，能满足高速土工离心机1500g离心加速度下的水、电、气输送要求。

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)

1.一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，其特征在于：包括两个侧支架（1）和四个连接板（2），两个所述侧支架（1）相对且对称设置，两个所述侧支架（1）之间通过四个所述连接板（2）连接，所述侧支架（1）为U形结构，四个所述连接板（2）两两成组分别连接两个所述侧支架（1）的上下两侧，同一组的两个所述连接板（2）之间具有安装间隙，两个所述侧支架（1）的顶部均设置有预置件（3）。

2.根据权利要求1所述的一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，其特征在于：所述预置件（3）内预埋有强电电缆（4）、弱电电缆（5）和管道（6），所述预置件（3）的中部设置接线端子（8）、航空插头（9）和进出管口（7），所述接线端子（8）与强电电缆（4）的中部电连接，所述弱电电缆（5）的一端与所述航空插头（9）连接，所述进出管口（7）与管道（6）连通。

3.根据权利要求2所述的一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，其特征在于：所述强电电缆（4）位于预置件（3）内的部分去除外表面的绝缘层后与接线端子（8）连接，然后在强电电缆（5）及接线端子（8）的外表面用绝缘的树脂材料层（10）进行包裹；所述强电电缆（5）的两端延伸出预置件（3），且延伸出的部分保留绝缘层，并在强电电缆（5）的两端安装接线头（11）。

4.根据权利要求2所述的一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，其特征在于：所述航空插头（9）与弱电电缆（5）焊接在一起。

5.根据权利要求2所述的一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，其特征在于：所述管道（6）的外表面设置有多个台阶（12）。

6.根据权利要求1所述的一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，其特征在于：所述侧支架（1）采用高强度的纤维材料通过模压制成，其内侧型面与高速土工离心机的转臂外形一致，外侧型面光滑过渡。

7.根据权利要求1所述的一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，其特征在于：所述侧支架（1）上设置有矩形定位沉孔（13），所述预置件（3）置于所述矩形定位沉孔（13）内并通过螺栓与侧支架（1）固定连接。

8.根据权利要求1所述的一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，其特征在于：所述侧支架（1）与预置件（3）、连接板（2）对应连接的位置均内嵌有金属材质的衬套以安装连接螺栓。

9.根据权利要求1所述的一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，其特征在于：所述预置件（3）两端的侧支架（1）上预埋有接线板（14）。

10.根据权利要求1所述的一种应用于高速土工离心机的新型管线支架结构，其特征在于：所述预置件（3）采用高强度纤维材料制成。

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