CN114534930A - 臂式离心机的多通路油水输送装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种臂式离心机的多通路油水输送装置及方法，液体输送管线中能够适应臂式吊篮离心机工作前后的吊篮‑转臂角度和间距变化，满足离心机水电油气输送需求；提出转臂接出口从转臂端头前移到吊篮销轴，减小了离心机吊篮部分的软管总长度，并利用中继加固接头配合加固横档，将软管进行有效加固，极大增大了离心机‑吊篮液体输送的安全性；所设计的软管穿过加固横档而不是固定于加固横档，可以避免在常重力下、在吊篮相对转臂旋转过程中管线过短而过度拉伸失效；采用管线并排设计，在常重力和超重力下均可以保证管线的顺畅排布；提出了软管长度计算方法，避免了软管在超重力下因过长而发生局部屈曲失效，提高了安全性。

Description

臂式离心机的多通路油水输送装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程模型试验领域，尤其涉及一种臂式离心机的多通路油水输送装置及方法。

背景技术

臂式土工离心机是用于岩土工程物理模拟试验的一种试验设备，其通过高速旋转产生的离心力模拟自重应力，使得吊篮内搭载的岩土体缩尺模型内的应力场与现场大尺寸原型相似，模拟原型岩土结构的受力、变形和破坏，以验证设计方案，进行材料参数研究、验证数学模型及数值分析计算结果、探索新的岩土工程物理现象，在岩土工程领域得到了广泛的应用。目前涉及的相关实验有土石坝管涌、溃坝实验、近海结构稳定性实验、边坡失稳实验、地下洞室变形破坏等。

在溃坝、管涌等涉及水的试验中，需要离心机提供向吊篮内的岩土模型内供水的能力；另外，随着对所研究岩土体深度的增加，在自重应力之外，还需要通过多路液压对所研究的岩土体模型施加轴压、围压等多路压力，模拟其原型的受力状态，提出了对离心机吊篮内多路供油的需求。

臂式离心机的构造是在水平的转臂两端悬挂两个垂直地面的吊篮，该吊篮在旋转前垂直于地面/转臂(方便装载大型实验装置)，而在实验中随着离心力的增大逐渐近似平行于地面/转臂，这个角度的变化给向吊篮内的供水、供油带来了一定的困难。传统做法中，离心机的供水、供油管线在离心机转臂末端设置刚性接头，接入柔性的钢丝软胶管向吊篮内输送水、油，利用钢丝胶管的柔性来适应吊篮在两种状态下的角度差异，这段软管称为“吊篮输送软管”。由于该段软管在离心实验中受吊篮带动位置会发生变化，无法对该段软管进行妥善的加固，故整段软管的离心力几乎全部要依靠其与转臂处的接头来承受。然而现存的高压油管和配套接头普遍为抗内压设计，而无抗拉强度的指标和能力，在大容量、高离心力的离心机上，吊篮输送软管及接头的安全性无法保证。随着实验装置能力的提升和离心力的升高，吊篮输送软管及接头存在最终无法承受超高的离心负载而有发生密封失效甚至断裂的风险。

例如在拟建的国家重大科技基础设施“超重力离心模拟与实验装置”上，拟建的模型机最高离心力为300倍地球重力，有效旋转半径为6.4m，吊篮输送软管悬空段长度为2.8m，经计算在正常负载下13mm内径的软管受力约为370公斤，这超出了高压软管的设计承载能力，迫切需求提出新的离心机油水液体输送方案。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种臂式离心机的多通路油水输送装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种臂式离心机的多通路油水输送装置，该装置包括离心机主机、地面液源、离心机底置旋转接头、离心机转臂、N根转臂输送刚性管、转臂刚性管接头、吊篮输送软管、中继加固接头、加固横档、吊篮直角弯接出口和吊篮；

所述离心机底置旋转接头固定在离心机主机底部，其定子端与地面液源通过地面输送管线连接，离心机旋转过程中保持不动；其转子端与离心机的N根转臂输送刚性管的一端相连，在离心机旋转过程中随离心机的旋转而旋转；离心机的N根转臂输送刚性管另一端均通过转臂刚性管接头与N根吊篮输送软管的一端相连；所述加固横档上设置有与吊篮输送管线数量相等的加固横档导向孔，每根吊篮输送软管的另一端穿过加固横档导向孔与吊篮直角弯接出口相连；吊篮输送软管上在穿过加固横档导向孔之前的部分设置有中继加固接头；所述中继加固接头卡在加固横档导向孔顶部；

所述吊篮直角弯接出口纵向部分为输入口，横向部分为输出口，为吊篮装载的实验装置提供高压液体输送能力。

进一步地，所述地面液源包括液压源、水源。

进一步地，地面输送管线与离心机底置旋转接头的定子端通过密封螺纹口连接。

进一步地，所述加固横档通过螺栓或卡套方式固定在吊篮的侧壁上。

进一步地，加固横档导向孔的直径大于吊篮输送管线的外径，小于中继加固接头的外径。

进一步地，根据需求吊篮输送软管上设多段加固横档和中继加固接头。

本发明还提供了一种基于所述装置的吊篮输送软管总长度估算方法，转臂输送管接出口距离转臂-吊篮旋转中心的距离均为D，N根吊篮输送软管的弹性模量为E，密度为ρ，转臂-吊篮旋转中心距离吊篮底部的距离为H，吊篮直角弯接出口的高度为b，吊篮底部距离旋转轴心的距离为R，吊篮底部的离心加速度为G；

转臂输送刚性管接头到中继加固接头段的吊篮输送软管长度为L₁(含中继加固接头)，以及中继加固接头到吊篮直角弯接出口段的吊篮输送软管的长度为L₂考虑接头之间的距离及软管在超重力下的伸长量，可按下式估算：：

。

本发明还提供了一种基于所述装置的加固横档位置确定方法，N根转臂输送管接口相对地面自下而上依次编号为1-N，对应的吊篮输送软管、中继加固接头、加固横档导向孔编号也分别为1-N；在常重力下，1、2号转臂接出口与1、2号加固横档导向孔之间的间距小于该段软管的长度，故在常重力下，1、2号吊篮输送软管为弯曲状态，考虑软管存在最小曲率半径，加固横档的位置确定应满足常重力下加固横档1号导向孔与1号转臂输送刚性管接头的间距能够满足1号软管的弯曲半径需求；3号吊篮输送软管由于排布平顺的需要，排在2号吊篮输送软管外侧，两者长度相同而软管直径不可忽略，3号吊篮输送软管将从加固横档导向孔中向上移动部分距离来满足2号吊篮输送软外的排布需求；4-N号软管依此类推，分别将带动中继加固接头和吊篮直角弯接出口向上移动。

假设转臂刚性管接头与吊篮输送软管的软硬接头抗拉强度为T₁，中继加固接头处的软硬接头抗拉强度均为T₂，则加固横档距离吊篮底部的距离F的确定应满足：

本发明具有以下优点和积极效果：

1)本发明中的液体输送管线中能够适应臂式吊篮离心机工作前后的吊篮-转臂角度和间距变化，满足离心机水电油气输送需求

2)转臂-吊篮的长距离软管连接在无加固的情况下无法在极端重力环境下适用，本发明提出了利用软管中继加固接头配合加固横档，将软管进行有效加固，且可根据需求设多段加固横档和中继加固接头，极大增大了离心机-吊篮液体输送的安全性。

3)多路软管的排布设计较为困难，在常重力-超重力下的姿态、距离的变化可能导致软管发生纠缠、过度拉伸、甚至过度屈曲等危险情况而引发管路液体泄漏事故，所提出的管线并排方案在常重力和超重力下均可以保证管线的顺畅排布；提出的软管长度计算方法避免了软管在超重力下因过长而发生局部屈曲失效；提出的软管穿过加固横档而不是固定于加固横档，可以避免在常重力下、在吊篮相对转臂旋转过程中管线过短而过度拉伸失效，极大提高了安全性；

附图说明

图1本发明提出的一种臂式离心机的多通路油水输送装置结构示意图。

图2吊篮部分常重力视图，其中吊篮与地面垂直。

图3吊篮部分超重力视图，其中吊篮与地面平行。

1离心机主机、2地面液源、3地面输送管线、4离心机底置旋转接头、5离心机转臂、6转臂输送刚性管、7转臂刚性管接头、8吊篮输送软管、9中继加固接头、10加固横档、10-1加固横档导向孔、11吊篮直角弯接出口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种臂式离心机的多通路油水输送装置及方法，可满足高离心力条件下对离心机吊篮中多路油、水、气介质的安全输送。包括离心机主机1、地面液源2、离心机底置旋转接头4、离心机转臂5、转臂输送刚性管6、转臂刚性管接头7、吊篮输送软管8、中继加固接头9、加固横档10、吊篮直角弯接出口11、吊篮。

所述地面液源2包括液压源、水源等，通过地面输送管线3与离心机底置旋转接头4的定子端通过高压密封螺纹口相连接；

所述离心机底置旋转接头4固定在离心机主机1底部，其定子端与地面液源2通过管路连接，离心机旋转过程中保持不动；其转子端与离心机的转臂输送刚性管6相连，在离心机旋转过程中随离心机的旋转而旋转，实现将固定的地面液源2提供的具有特定流量和压力的液体输送进旋转的离心机内；

所述离心机的转臂输送刚性管6在离心机内部，一端与离心机底置旋转接头4的转子端相连，另一端的接头纵向并排固定于转臂-吊篮的转轴附近，通过转臂刚性管接头7与吊篮输送软管8相连，离心机的转臂输送刚性管6在离心机旋转过程中随离心机的旋转而旋转；

所述吊篮输送软管8一端与离心机的转臂输送刚性管6相连，另一端穿过加固横档10与吊篮直角弯接出口11相连。每根吊篮输送软管8上在穿过加固横档10之前的部分设置有中继加固接头9；

所述加固横档10可选地通过螺栓、卡套等方式固定在吊篮的侧壁上，加固横档10上设置有与吊篮输送管线8数量相等的加固横档导向孔10-1，每根吊篮输送软管8均穿过加固横档导向孔10-1；加固横档导向孔10-1的直径大于吊篮输送管线8的外径，但小于中继加固接头9的外径；加固横档导向孔10-1的间距应与转臂输送刚性管接头7的间距相等或相近。

所述中继加固接头9底部相对吊篮底部的高度与加固横档导向孔10-1顶部相对吊篮底部的高度相等，在超重力下，吊篮输送软管8上的中继加固接头9正好卡在加固横档导向孔10-1顶部，为处于超重力下的中继加固接头9和中继加固接头9以下的吊篮输送软管8提供支撑；可根据需求设多段加固横档10和中继加固接头9，

所述吊篮直角弯接出口11纵向部分为输入口，与吊篮输送软管8相连，横向部分为输出口，将为吊篮中的装置提供高压液体输送能力。

如图2和图3所示，所述吊篮输送软管8长度和加固横档10位置的确定方法如下：

已知N根转臂刚性管接头7相对地面自下而上依次编号为1-N，对应的吊篮输送软管8、中继加固接头9、加固横档导向孔10-1编号也分别为1-N；转臂刚性管接头7距离转臂-吊篮旋转中心的距离均为D，N根吊篮输送软管8的弹性模量为E，密度为ρ，转臂-吊篮旋转中心距离吊篮底部的距离为H，吊篮直角弯接出口11的高度为b，吊篮底部距离旋转轴心的距离为R，吊篮底部的离心加速度为G，加固横档10顶部距离吊篮底部的距离为F；

1)吊篮输送软管8长度估算：

则为保证吊篮输送软管8在超重力下的安全，吊篮输送软管8的长度应以在超重力下顺直为原则，转臂输送刚性管接头7到中继加固接头9段的吊篮输送软管8长度L₁(含中继加固接头),及中继加固接头9到吊篮直角弯接出口11段的吊篮输送软管8的长度L₂，应考虑接头之间的距离及软管在超重力下的伸长量，可按下式估算：

2)加固横档10位置确定：

考虑在离心机工作的超重力状态下，转臂刚性管接头与吊篮输送软管的软硬接头需要承担该接头至中继加固接头部分的重力，中继加固接头处的软硬接头需要承担其下部分的吊篮输送软管的重力，故应满足两个接头处所受的自重应力不超过软硬接头的抗拉强度。假设转臂刚性管接头与吊篮输送软管的软硬接头抗拉强度为T₁，中继加固接头处的软硬接头抗拉强度均为T₂，则加固横档距离吊篮底部的距离F的确定应满足

同时，加固横档10位置的确定还需要考虑上段吊篮输送软管8在常重力-超重力下的排布问题(吊篮输送软管8的两端在常重力下的距离不等于吊篮输送软管8的实际长度，且该距离在超重力增大的过程中不断变化)。在常重力下，1、2号转臂接出口与1、2号加固横档导向孔之间的间距小于该段软管的长度，故在常重力下，1、2号吊篮输送软管为弯曲状态；考虑软管存在最小曲率半径，加固横档的位置确定应满足：

常重力下加固横档1号导向孔与1号转臂输送刚性管接头的间距能够满足1号软管的弯曲半径需求。

3号吊篮输送软管由于排布平顺的需要，排在2号吊篮输送软管外侧，两者长度相同而软管直径不可忽略，易知3号吊篮输送软管将从加固横档导向孔中向上移动部分距离来满足2号吊篮输送软外的排布需求；4-N号软管依此类推，分别将带动中继加固接头9和吊篮直角弯接出口11向上移动；在离心过程中，随着吊篮逐渐变为与地面平行，1-N号软管逐渐平顺，各中继加固接头9最终回落到加固横档10上，提供支撑；吊篮直角弯接出口11落到吊篮底面上，由吊篮提供支撑。在常重力下，N号软管需要上移的距离最大，为避免N号吊篮输送软管8从加固横档的导向孔中脱出，故在确定加固横档的位置的时候，需要满足下式(加固横档距离吊篮底部的高度F与L₂有关，见上述公式)。其中N号软管的上移距离需根据管道间距、弯曲半径等设计确定或者实验确定。

本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种臂式离心机的多通路油水输送装置，其特征在于，该装置包括离心机主机(1)、地面液源(2)、离心机底置旋转接头(4)、离心机转臂(5)、N根转臂输送刚性管(6)、转臂刚性管接头(7)、吊篮输送软管(8)、中继加固接头(9)、加固横档(10)、吊篮直角弯接出口(11)和吊篮；

所述离心机底置旋转接头(4)固定在离心机主机(1)底部，其定子端与地面液源(2)通过地面输送管线(3)连接，离心机旋转过程中保持不动；其转子端与离心机的N根转臂输送刚性管(6)的一端相连，在离心机旋转过程中随离心机的旋转而旋转；离心机的N根转臂输送刚性管(6)另一端均通过转臂刚性管接头(7)与N根吊篮输送软管(8)的一端相连；所述加固横档(10)上设置有与吊篮输送管线(8)数量相等的加固横档导向孔(10-1)，每根吊篮输送软管(8)的另一端穿过加固横档导向孔(10-1)与吊篮直角弯接出口(11)相连；吊篮输送软管(8)上在穿过加固横档导向孔(10-1)之前的部分设置有中继加固接头(9)；所述中继加固接头(9)卡在加固横档导向孔(10-1)顶部；

所述吊篮直角弯接出口(11)纵向部分为输入口，横向部分为输出口，为吊篮装载的实验装置提供高压液体输送能力。

2.根据权利要求1所述的一种臂式离心机的多通路油水输送装置，其特征在于，所述地面液源(2)包括液压源、水源。

3.根据权利要求1所述的一种臂式离心机的多通路油水输送装置，其特征在于，地面输送管线(3)与离心机底置旋转接头(4)的定子端通过密封螺纹口连接。

4.根据权利要求1所述的一种臂式离心机的多通路油水输送装置，其特征在于，所述加固横档(10)通过螺栓或卡套方式固定在吊篮的侧壁上。

5.根据权利要求1所述的一种臂式离心机的多通路油水输送装置，其特征在于，加固横档导向孔(10-1)的直径大于吊篮输送管线(8)的外径，小于中继加固接头(9)的外径。

6.根据权利要求1所述的一种臂式离心机的多通路油水输送装置，其特征在于，根据需求吊篮输送软管(8)上设多段加固横档(10)和中继加固接头(9)。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述装置的吊篮输送软管总长度估算方法，其特征在于，转臂输送管接出口距离转臂-吊篮旋转中心的距离均为D，N根吊篮输送软管的弹性模量为E，密度为ρ，转臂-吊篮旋转中心距离吊篮底部的距离为H，吊篮直角弯接出口的高度为b，吊篮底部距离旋转轴心的距离为R，吊篮底部的离心加速度为G；转臂输送刚性管接头(7)到中继加固接头(9)段的吊篮输送软管(8)长度为L₁(含中继加固接头)，以及中继加固接头(9)到吊篮直角弯接出口(11)段的吊篮输送软管(8)的长度为L₂考虑接头之间的距离及软管在超重力下的伸长量，可按下式估算：：

8.一种基于权利要求1-6任一项所述装置的加固横档位置确定方法，其特征在于，N根转臂刚性管接头(7)相对地面自下而上依次编号为1-N，对应的吊篮输送软管(8)、中继加固接头(9)、加固横档导向孔(10-1)编号也分别为1-N；在常重力下，1、2号转臂刚性管接头与1、2号加固横档导向孔之间的间距小于对应软管的长度，故在常重力下，1、2号吊篮输送软管为弯曲状态，考虑软管存在最小曲率半径，加固横档的位置确定应满足常重力下加固横档1号导向孔与1号转臂输送刚性管接头的间距能够满足1号软管的弯曲半径需求；3号吊篮输送软管由于排布平顺的需要，排在2号吊篮输送软管外侧，两者长度相同而软管直径不可忽略，3号吊篮输送软管将从加固横档导向孔中向上移动部分距离来满足2号吊篮输送软外的排布需求；4-N号软管依此类推，分别将带动中继加固接头(9)和吊篮直角弯接出口(11)向上移动。

假设转臂刚性管接头与吊篮输送软管的软硬接头抗拉强度为T₁，中继加固接头处的软硬接头抗拉强度均为T₂，则加固横档距离吊篮底部的距离F的确定应满足：

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