CN114281114B - 一种控制土工离心模型试验水位升降装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制土工离心模型试验水位升降装置及其控制方法，包括安装于吊篮内的模型箱和安装于装置固定支架内的排水液面调节管路装置，模型箱与排水液面调节管路装置连通，排水液面调节管路装置与步进电机传动装置连接；装置固定支架焊接在吊篮侧壁上，装置固定支架的底部安装有用于集中收集排水的废液箱；排水液面调节管路装置包括排水液面调节管和出水软管，排水液面调节管上对称安装有两个液面调节管固定夹。本发明模型箱内的水位高于排水液面调节管的内底面高程时，与模型箱连通的排水液面调节管路装置将溢出的水排放至废液箱，从而控制模型箱内水位高度；且通过步进电机传动装置的控制能够实现水位升降的高度和速度的有效控制。

Description

一种控制土工离心模型试验水位升降装置及其控制方法

技术领域

本发明属于物料传输的技术领域，具体涉及一种控制土工离心模型试验水位升降装置及其控制方法。

背景技术

库岸边坡与其他自然边坡的不同之处在于长期受到库水位变动的影响，尤其是快速水位降落会诱发不稳定边坡的滑动失稳，因此库岸边坡的稳定性分析有必要考虑库水位变动的影响。国内外学者对此开展了大量的研究，包括理论分析、室内试验、现场监测和数值模拟等研究工作。而离心模型试验作为室内模型试验的重要手段，具有能够还原边坡真实应力场的优点，已在边坡的模型试验中得到了广泛的应用。目前已有一些模拟库区水位快速降落的边坡离心模型试验，但是采用的水位控制方式为简单、粗狂的排水阀放水，难以实现库区水位升降高度、速度的精准控制。因此，为了克服这一缺陷，研制了一种适用于离心模型试验的水位升降精准控制装置，为库岸边坡的离心模型试验提供更好的技术支持。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种控制土工离心模型试验水位升降装置及其控制方法，解决了现有边坡离心模型试验难以实现水位升降高度、速度的精准控制的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本方案提供一种控制土工离心模型试验水位升降装置，其包括安装于吊篮内的模型箱和安装于装置固定支架内的排水液面调节管路装置，模型箱与排水液面调节管路装置连通，排水液面调节管路装置与步进电机传动装置连接；

装置固定支架焊接在吊篮侧壁上，装置固定支架的底部安装有用于集中收集排水的废液箱。

本发明模型箱内的水位高于排水液面调节管的内底面高程时，与模型箱连通的排水液面调节管路装置将溢出的水排放至废液箱，从而控制模型箱内水位高度；且通过步进电机传动装置的控制实现对水位升降的高度和速度的有效控制。

进一步地，排水液面调节管路装置包括排水液面调节管和出水软管，排水液面调节管上对称安装有两个液面调节管固定夹，排水液面调节管通过快换接头与出水软管连通；排水液面调节管的一端设置有堵头，排水液面调节管的另一端通过快换接头与排水软管连通。

通过4根出水软管与水平放置的排水液面调节管相连，形成U形连通器；排水液面调节管的一端封闭，另一端与排水软管相连，当模型箱内的水位高于排水液面调节管的内底面高程时，水将会自动溢流并沿排水软管排放至废液箱，从而实现模型箱内水位的高度调节。

进一步地，排水液面调节管通过液面调节管固定夹固定安装于提升锁定座安装板上。

排水液面调节管通过液面调节管固定夹固定安装于提升锁定座安装板上，当步进电机作业时，带动滚珠丝杆旋转，进而带动提升锁定座安装板和排水液面调节管升降，实现水位升降的控制。

进一步地，步进电机传动装置包括支撑端轴承支撑座安装板，支撑端轴承支撑座安装板上安装有滚珠丝杆和位于滚珠丝杆两侧的若干根光轴导轨，滚珠丝杆和若干根光轴导轨均向上延伸、依次穿过提升锁定座安装板并固定于固定端轴承支撑座安装板上。

滚珠丝杆通过联轴器与步进电机相连，当步进电机转动作业时，带动滚珠丝杆旋转，进而带动提升锁定座安装板和排水液面调节管升降，从而实现水位升降的控制，并且通过对步进电机转速的控制能够实现水位升降速度的有效控制。

进一步地，固定端轴承支撑座安装板通过若干根螺栓与电机支撑座固定连接，电机支撑座上安装有步进电机；步进电机通过联轴器与滚珠丝杆转动连接；提升锁定座安装板上设置有防偏光轴，防偏光轴的顶端穿过固定端轴承支撑座安装板并竖直向上延伸；固定端轴承支撑座安装板和支撑端轴承支撑座安装板均通过螺栓与装置固定支架固定连接。

滚珠丝杆两侧分别安装有光轴导轨，光轴导轨穿过提升锁定座安装板，能够让提升锁定座安装板沿光轴导轨上下移动；防偏光轴固定在提升锁定座安装板上，用于防止提升锁定座安装板偏斜；防偏光轴的上端穿过固定端轴承支撑座安装板，用于避免整个装置倾斜。

进一步地，模型箱靠近废液箱的一侧上开设有若干个用于排水的快接出水口，快接出水口与出水软管连通；模型箱顶部开设有用于注入水的进水口。

模型箱侧面布设4个快接出水口，便于与出水软管相连接；设置4个出水口用于处理模型箱内部中所溢出的水，出水时水流均匀、流速均匀，避免水流不均匀对模型试验产生扰动。

进一步地，废液箱上相邻所述快接出水口所在面的两对立侧面上均焊接有废液箱固定支架，废液箱固定支架包括若干根竖向槽钢，若干根竖向槽钢通过若干根横向槽钢固定连接。

废液箱固定支架用于实现废液箱与装置固定支架的配合，将废液箱固定于吊篮的侧壁，实现整个装置的稳定。

进一步地，废液箱内设置有若干个用于增强废液箱的整体刚度的补强角钢，若干个补强角钢分别位于废液箱内的四个棱边。

废液箱由钢板焊制而成，内部四个角落分别焊接补强角钢，补强角钢用于增强废液箱的整体刚度。

另一方面，本方案还提供一种控制土工离心模型试验水位升降装置的控制方法，其包括水位排出控制方法和水位高度和速度控制方法；

水位排出控制方法，包括以下步骤：

S1、当进水口往模型箱内注入水后，注入模型箱内的水通过快接出水口流经出水软管；

S2、随着模型箱内注入水的高度升高，注入水通过出水软管进入排水液面调节管；

S3、当模型箱内的水位高于排水液面调节管的内底面高程时，水将会自动溢流并沿排水软管排放至废液箱，实现对模型箱内水位的控制。

进一步地，水位高度和速度控制方法包括以下步骤：

控制步进电机的转速，控制土工离心试验模型箱内水位升降速度，计算公式如下：

v＝nS

其中，v为排水液面调节管的上升或下降速度，n为步进电机每秒的转速，S为滚珠丝杆的导程；

控制步进电机的转速和转动时间，控制土工离心试验模型箱内水位升降高度，计算公式如下：

H＝nSt

其中，H为模型箱内水位升降高度，t为步进电机的转动时间，n为步进电机每秒的转速，S为滚珠丝杆的导程。

本发明公开了一种控制土工离心模型试验水位升降装置，其有益效果为：

1、本发明在模型箱外部安装水平排水液面调节管，出水软管与模型箱相连形成U形连通器，模型箱内水体高出控制水位时将产生自由溢流，从而实现模型箱内水位的有效控制。

2、在模型箱侧面布设4个出水口，有利于模型箱内部出水水流均匀、流速均匀，避免不均匀的水流流动对模型试验产生扰动。

附图说明

图1为一种控制土工离心模型试验水位升降装置的结构示意图。

图2为一种控制土工离心模型试验水位升降装置的剖面视图。

图3为一种控制土工离心模型试验水位升降装置的模型箱示意图。

图4为一种控制土工离心模型试验水位升降装置的水液面调节管路系统示意图。

图5为一种控制土工离心模型试验水位升降装置的步进电机传动系统示意图。

图6为一种控制土工离心模型试验水位升降装置的废液箱示意图。

图7一种控制土工离心模型试验水位升降装置的装置固定支架示意图。

其中，1、吊篮；2、模型箱；3、步进电机；4、滚珠丝杆；5、防偏光轴；6、装置固定支架；7、电机支撑座；8、固定端轴承支撑座安装板；9、提升锁定座安装板；10、支撑端轴承支撑座安装板；11、排水液面调节管；12、废液箱；13、竖向槽钢；14、出水软管；15、排水软管；16、快换接头；17、联轴器；18、进水口；19、快接出水口；20、堵头；21、液面调节管固定夹；22、光轴导轨；23、横向槽钢；24、补强角钢。

具体实施方式

面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的实施例一，参考图1和图2，本实施例的一种控制土工离心模型试验水位升降装置，包括：

吊篮1、模型箱2、装置固定支架6、排水液面调节管路装置、步进电机传动装置和废液箱12。

模型箱2安装于吊篮1内，排水液面调节管路装置安装于装置固定支架6内，排水液面调节管路装置与模型箱2连通，排水液面调节管路装置与步进电机传动装置连接。

装置固定支架6焊接在吊篮1的侧壁上，废液箱12安装于装置固定支架6的底部，废液箱12用于集中收集排水。

以下将对上述各个部件进行详细描述：

排水液面调节管路装置，具体包括：出水软管14、排水软管15、快换接头16、堵头20和液面调节管固定夹21。

参考图4，排水液面调节管11上对称安装有两个液面调节管固定夹21，排水液面调节管11通过快换接头16与出水软管14连通；排水液面调节管11的一端设置有堵头20，排水液面调节管11的另一端通过快换接头16与排水软管15连通。

通过4根出水软管14与水平放置的排水液面调节管11相连，形成U形连通器；排水液面调节管11的一端封闭，另一端与排水软管15相连，当模型箱2内的水位高于排水液面调节管11的内底面高程时，水将会自动溢流并沿排水软管15排放至废液箱12，从而实现模型箱2内水位的高度调节。

排水液面调节管11通过液面调节管固定夹21固定安装于提升锁定座安装板9上。

排水液面调节管11通过液面调节管固定夹21固定安装于提升锁定座安装板9上，当步进电机3作业时，带动滚珠丝杆4旋转，进而带动提升锁定座安装板9和排水液面调节管11升降，实现水位升降的控制。

步进电机传动装置，具体包括：步进电机3、滚珠丝杆4、防偏光轴5、电机支撑座7、固定端轴承支撑座安装板8、提升锁定座安装板9、支撑端轴承支撑座安装板10、联轴器17、光轴导轨22。

参考图5，支撑端轴承支撑座安装板10上安装有滚珠丝杆4和若干根光轴导轨22，若干根光轴导轨22分别位于滚珠丝杆4的两侧；滚珠丝杆4和若干根光轴导轨22均穿过提升锁定座安装板9与固定端轴承支撑座安装板8固定连接。

滚珠丝杆4通过联轴器17与步进电机3相连，当步进电机3转动作业时，带动滚珠丝杆4旋转，进而带动提升锁定座安装板9和排水液面调节管11升降，从而实现水位升降的控制，并且通过对步进电机3转速的控制能够实现水位升降速度的有效控制。

固定端轴承支撑座安装板8通过若干根螺栓与电机支撑座7固定连接，电机支撑座7上安装有步进电机3；滚珠丝杆4通过联轴器17与步进电机3转动连接；提升锁定座安装板9上设置有防偏光轴5，防偏光轴5的顶端穿过固定端轴承支撑座安装板8；固定端轴承支撑座安装板8和支撑端轴承支撑座安装板10均通过螺栓与装置固定支架6固定连接。

滚珠丝杆4两侧分别安装有光轴导轨22，光轴导轨22穿过提升锁定座安装板9，能够让提升锁定座安装板9沿光轴导轨22上下移动；防偏光轴5固定在提升锁定座安装板9上，用于防止提升锁定座安装板9偏斜；防偏光轴5的上端穿过固定端轴承支撑座安装板8，用于避免整个装置倾斜。

参考图4，模型箱2靠近废液箱12的一侧上开设有若干个用于排水的快接出水口19，快接出水口19与出水软管14连通。

模型箱2侧面布设4个快接出水口19，便于与出水软管14相连接；设置4个快接出水口19用于处理模型箱2内部中所溢出的水，出水时水流均匀、流速均匀，避免水流不均匀对模型试验产生扰动。

参考图6和图7，废液箱12上相邻所述快接出水口19所在面的两对立侧面上均焊接有废液箱固定支架，废液箱固定支架包括若干根竖向槽钢13，若干根竖向槽钢13通过若干根横向槽钢23固定连接。

废液箱固定支架用于实现废液箱12与装置固定支架6的配合，将废液箱12固定于吊篮1的侧壁，实现整个装置的稳定。

废液箱12内设置有若干个补强角钢24，若干个补强角钢24分别位于废液箱12内的四个棱边，废液箱12由钢板焊制而成，补强角钢24用于增强废液箱的整体刚度。

本实施例一的工作原理为：

当模型箱2内的水位高于排水液面调节管11的内底面高程时，水将会自动溢流并沿排水软管15排放至废液箱12，从而实现控制模型箱2内水位的功能。

排水液面调节管11通过提升锁定座安装板9安装在滚珠丝杆4上，滚珠丝杆4进一步通过联轴器17与步进电机3相连，步进电机3转动会带动滚珠丝杆4旋转，进而带动提升锁定座安装板9和排水液面调节管11升降，从而实现水位升降的控制，并且通过步进电机3转速的控制能够实现水位升降速度的有效控制。

根据本申请的实施例二，本实施例的控制土工离心模型试验水位升降装置的控制方法，包括水位排出控制方法和水位高度和速度控制方法；

水位排出控制方法，包括以下步骤：

S1、当进水口18往模型箱2内注入水后，注入模型箱2内的水通过快接出水口19流经出水软管14；

S2、随着模型箱2内注入水的高度升高，注入水通过出水软管14进入排水液面调节管11；

S3、当模型箱2内的水位高于排水液面调节管11的内底面高程时，水将会自动溢流并沿排水软管15排放至废液箱12，实现对模型箱2内水位的控制。

水位高度和速度控制方法包括以下步骤：

控制步进电机3的转速，控制土工离心试验模型箱内水位升降速度，计算公式如下：

v＝nS

其中，v为排水液面调节管11的上升或下降速度，n为步进电机3每秒的转速，S为滚珠丝杆4的导程；

控制步进电机3的转速和转动时间，控制土工离心试验模型箱内水位升降高度，计算公式如下：

H＝nSt

其中，H为模型箱2内水位升降高度，t为步进电机3的转动时间，n为步进电机3每秒的转速，S为滚珠丝杆4的导程

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种控制土工离心模型试验水位升降装置，其特征在于：包括安装于吊篮(1)内的模型箱(2)和安装于装置固定支架(6)内的排水液面调节管路装置，所述模型箱(2)与排水液面调节管路装置连通，所述排水液面调节管路装置与步进电机传动装置连接；

所述装置固定支架(6)焊接在吊篮(1)侧壁上，所述装置固定支架(6)的底部安装有用于集中收集排水的废液箱(12)；

所述排水液面调节管路装置包括排水液面调节管(11)和出水软管(14)，所述排水液面调节管(11)上对称安装有两个液面调节管固定夹(21)，所述排水液面调节管(11)通过快换接头(16)与出水软管(14)连通；所述排水液面调节管(11)的一端设置有堵头(20)，所述排水液面调节管(11)的另一端通过快换接头(16)与排水软管(15)连通；

所述排水液面调节管(11)通过液面调节管固定夹(21)固定安装于提升锁定座安装板(9)上；

所述步进电机传动装置包括支撑端轴承支撑座安装板(10)，所述支撑端轴承支撑座安装板(10)上安装有滚珠丝杆(4)和位于滚珠丝杆(4)两侧的若干根光轴导轨(22)，所述滚珠丝杆(4)和若干根光轴导轨(22)均向上延伸、依次穿过提升锁定座安装板(9)并固定于固定端轴承支撑座安装板(8)上，所述固定端轴承支撑座安装板(8)通过若干根螺栓与电机支撑座(7)固定连接，所述电机支撑座(7)上安装有步进电机(3)；所述步进电机(3)通过联轴器(17)与滚珠丝杆(4)转动连接。

2.根据权利要求1所述的控制土工离心模型试验水位升降装置，其特征在于：所述提升锁定座安装板(9)上设置有防偏光轴(5)，所述防偏光轴(5)的顶端穿过固定端轴承支撑座安装板(8)并竖直向上延伸；所述固定端轴承支撑座安装板(8)和支撑端轴承支撑座安装板(10)均通过螺栓与装置固定支架(6)固定连接。

3.根据权利要求1所述的控制土工离心模型试验水位升降装置，其特征在于：所述模型箱(2)靠近所述废液箱(12)的一侧上开设有若干个用于排水的快接出水口(19)，所述快接出水口(19)与出水软管(14)连通；所述模型箱(2)顶部开设有用于注入水的进水口(18)。

4.根据权利要求3所述的控制土工离心模型试验水位升降装置，其特征在于：所述废液箱(12)上的相邻所述快接出水口(19)所在面的两对立侧面上均焊接有废液箱固定支架，所述废液箱固定支架包括若干根竖向槽钢(13)，若干根所述竖向槽钢(13)通过若干根横向槽钢(23)固定连接。

5.根据权利要求1所述的控制土工离心模型试验水位升降装置，其特征在于：所述废液箱(12)内设置有若干个用于增强废液箱的整体刚度的补强角钢(24)，若干个所述补强角钢(24)分别位于所述废液箱(12)内的四个棱边。

6.根据权利要求1-5任一所述的控制土工离心模型试验水位升降装置的控制方法，其特征在于，包括水位排出控制方法和水位高度和速度控制方法；

水位排出控制方法，包括以下步骤：

S1、当进水口(18)往模型箱(2)内注入水后，注入模型箱(2)内的水通过快接出水口(19)流经出水软管(14)；

S2、随着模型箱(2)内注入水的高度升高，注入水通过出水软管(14)进入排水液面调节管(11)；

S3、当模型箱(2)内的水位高于排水液面调节管(11)的内底面高程时，水将会自动溢流并沿排水软管(15)排放至废液箱(12)，实现对模型箱(2)内水位的控制。

7.根据权利要求6所述的控制土工离心模型试验水位升降装置的控制方法，其特征在于，水位高度和速度控制方法包括以下步骤：

控制步进电机(3)的转速，控制土工离心试验模型箱内水位升降速度，计算公式如下：

v＝nS

其中，v为排水液面调节管(11)的上升或下降速度，n为步进电机(3)每秒的转速，S为滚珠丝杆(4)的导程；

控制步进电机(3)的转速和转动时间，控制土工离心试验模型箱内水位升降高度，计算公式如下：

H＝nSt

其中，H为模型箱(2)内水位升降高度，t为步进电机(3)的转动时间，n为步进电机(3)每秒的转速，S为滚珠丝杆(4)的导程。

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