CN209247574U - 一种尾矿砂动力表观黏度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种尾矿砂动力表观黏度测量装置，包括模型箱、动力牵引组件、数据采集组件及供水组件；数据采集组件位于模型箱内部；动力牵引组件包括刚性框架、调速电机、丝杠、丝母、滑台、导向杆、牵引杆、牵引钢丝、拖杆及拖杆导轨，拖杆数量若干且在模型箱内部沿高度方向均布设置，每一根拖杆均配套有一组拖杆导轨且均通过一根牵引钢丝与牵引杆相连。测量方法为：将模型箱固装到振动台上；将动力牵引组件、数据采集组件及供水组件安装到位；采用砂雨法铺设尾矿砂，每铺设一层尾矿砂平整一次表面，平整后注水，使尾矿砂饱和；静置后启动振动台，使模型箱内饱和尾矿砂发生液化；启动调速电机输出拖拽力，使拖杆在液化尾矿砂中匀速移动；计算表观黏度。

Description

一种尾矿砂动力表观黏度测量装置

技术领域

本实用新型属于环境岩土工程技术领域，特别是涉及一种尾矿砂动力表观黏度测量装置。

背景技术

随着我国经济的快速发展，各项经济建设与基础工程越来越密不可分，并且生态环境也越来越得到重视，这势必对矿产资源的绿色开采、安全生产和稳定运营提出了更高的要求。

以尾矿坝为例，其作为选矿厂生产设施中的重要组成部分，而尾矿坝的安全则事关重大。目前，我国至少存在两千多座尾矿坝，其中很大一部分建设地震带甚至是强震带附近，一旦发生地震，则会引起坝体内尾矿砂的孔隙水压力不断升高，而尾矿砂的有效应力和抗剪强度不断降低，导致坝体内的尾矿砂颗粒逐渐处于悬浮状态，从而丧失原有的强度，并从欠固结状态转变成一种类似液体的状态，进而形成大面积的流动破坏，会对于坝体下游环境和人民群众的生命财产安全造成巨大危害。

而砂土液化特性是土动力学的研究热点，饱和砂土的总应力由有效应力和孔隙水压力两部分组成，一般情况下，由于有效应力的存在砂土的孔隙水压力小于总应力。然而，在地震、爆炸等动荷载作用下，饱和砂土中的孔隙水压力会不断升高，当孔隙水压力增大到与总应力相等时，砂土中的有效应力等于零，砂土骨架丧失了作用力，导致砂土颗粒“悬浮”在水中，此时砂土变成像流体一样的物质，从而丧失抗剪强度和承载能力，这就是饱和砂土的液化现象。而尾矿砂液化后处于流动状态，从流体力学的角度来分析液化大变形，则表观黏度是表征流体的力学性质最基本的参数，表观黏度基于牛顿内摩擦定律，通过切应力与剪切应变率之间的关系，表示流体的简单剪切流动。

目前，一般流体的表观黏度测量通常采用毛细管黏度计、旋转黏度计、落球黏度计。毛细管黏度计测量原理为：使流体在重力作用下缓慢流过一个标定好的玻璃毛细管勃度计，通过测量流体流过黏度计的时间来反映流体的黏度。旋转黏度计测量原理为：使流体在狭缝间产生剪切流动，测量流动过程中的扭矩来计算流体的表观黏度。落球黏度计测量原理为：将一刚性球放入盛满流体的透明量筒，刚性球凭重力下落，测量刚性球在流体中匀速通过时的速度来计算流体的表观黏度。

上述三种表观黏度测量方式，均为测纯流体的动力表观黏度装置，无法测定液化砂土的表观黏度。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种尾矿砂动力表观黏度测量装置，有效克服纯流体力学中表观黏度测量的应用局限性，能够满足液化砂土表观黏度的测量，并可实现不同深度的液化砂土表观黏度的同时测量。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种尾矿砂动力表观黏度测量装置，包括模型箱、动力牵引组件、数据采集组件及供水组件；所述模型箱固装在振动台上；所述动力牵引组件包括刚性框架、调速电机、丝杠、丝母、滑台、导向杆、牵引杆、牵引钢丝、拖杆及拖杆导轨；所述刚性框架与地面相固连；所述调速电机通过电机支架固装在刚性框架上；所述丝杠通过轴承座水平安装在刚性框架顶部，丝杠一端通过联轴器与调速电机的电机轴相固连；所述丝母套装在丝杠上；所述导向杆固装在刚性框架上，导向杆与丝杠相平行；所述滑台下端连接在导向杆上，滑台在导向杆上具有直线移动自由度；所述滑台上端与丝母相固连；所述牵引杆竖直固装在滑台下端；所述拖杆导轨设置在模型箱的内表面，拖杆导轨与丝杠相平行；所述拖杆的杆体两端采用球头结构，拖杆的端部球头位于拖杆导轨内，拖杆与拖杆导轨相垂直，拖杆的端部球头在拖杆导轨内具有直线移动自由度；所述牵引钢丝一端固连在拖杆的中部，牵引钢丝另一端固连在牵引杆上；所述数据采集组件位于模型箱内部；所述供水组件位于模型箱外部。

所述数据采集组件包括拉力传感器、位移传感器、孔压传感器及土压传感器；所述拉力传感器安装在牵引钢丝上；所述位移传感器、孔压传感器及土压传感器安装在模型箱的内表面。

所述供水组件包括水箱、水龙头及注水管；所述水箱固定在地面上方，水龙头设置在水箱底部；所述注水管底端管口与模型箱底部相连通，注水管竖直设置，注水管为透明材质，在注水管表面设有刻度尺，通过刻度尺标示液面高度；所述注水管顶端采用漏斗形状。

所述拖杆数量若干，若干拖杆在模型箱内部沿高度方向均布设置，每一根拖杆均配套有一组拖杆导轨，每一根拖杆均通过一根牵引钢丝与牵引杆相连。

所述模型箱为矩形箱体且采用可拆装式结构，模型箱由底板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板组成，底板与振动台相固连，所述前侧板、后侧板、左侧板、右侧板与底板之间通过插槽相连，且前侧板采用透明板；所述底板、前侧板、后侧板、左侧板及右侧板之间接缝通过密封胶进行密封；在所述左侧板、右侧板的内表面加装有内衬层，用于降低边界效应。

所述拖杆采用空心杆结构，拖杆的端部球头采用空心球头结构，所述拖杆导轨截面形状采用圆弧形，使拖杆的端部球头与拖杆导轨之间为点接触形式，且拖杆导轨与模型箱之间采用可拆卸式结构。

一种尾矿砂动力表观黏度测量方法，采用了所述的尾矿砂动力表观黏度测量装置，包括如下步骤：

步骤一：将组装好的模型箱固装到振动台上；

步骤二：将动力牵引组件、数据采集组件及供水组件分别安装到位；

步骤三：采用砂雨法在模型箱内铺设尾矿砂，每铺设一层尾矿砂，都需要对砂层表面进行平整，然后向模型箱内注水，直到模型箱内的水面超过砂层表面至少5cm，保证尾矿砂处于饱和状态；

步骤四：当模型箱内的尾矿砂全部铺设完毕后，静置24小时；

步骤五：启动振动台，使模型箱内饱和尾矿砂发生液化；

步骤六：启动调速电机，输出拖拽力，使拖杆在液化尾矿砂中匀速移动；

步骤七：通过公式η＝2(F-e_dDL)/3vL计算表观黏度，式中，η为表观黏度，F为拖拽力，e_d为土压力，D为拖杆直径，L为拖杆长度，v为拖杆移动速度。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的尾矿砂动力表观黏度测量装置，有效克服纯流体力学中表观黏度测量的应用局限性，能够满足液化砂土表观黏度的测量，并可实现不同深度的液化砂土表观黏度的同时测量。

附图说明

图1为本实用新型的一种尾矿砂动力表观黏度测量装置正视图；

图2为本实用新型的一种尾矿砂动力表观黏度测量装置俯视图；

图中，1—模型箱，2—刚性框架，3—调速电机，4—丝杠，5—丝母，6—滑台，7—导向杆，8—牵引杆，9—牵引钢丝，10—拖杆，11—拖杆导轨，12—电机支架，13—轴承座，14—拉力传感器，15—位移传感器，16—孔压传感器，17—土压传感器，18—水箱，19—水龙头，20—注水管，21—联轴器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种尾矿砂动力表观黏度测量装置，包括模型箱1、动力牵引组件、数据采集组件及供水组件；所述模型箱1固装在振动台上；所述动力牵引组件包括刚性框架2、调速电机3、丝杠4、丝母5、滑台6、导向杆7、牵引杆8、牵引钢丝9、拖杆10及拖杆导轨11；所述刚性框架2与地面相固连；所述调速电机3通过电机支架12固装在刚性框架2上；所述丝杠4通过轴承座13水平安装在刚性框架2顶部，丝杠4一端通过联轴器21与调速电机3的电机轴相固连；所述丝母5套装在丝杠4上；所述导向杆7固装在刚性框架2上，导向杆7与丝杠4相平行；所述滑台6下端连接在导向杆7上，滑台6在导向杆7上具有直线移动自由度；所述滑台6上端与丝母5相固连；所述牵引杆8竖直固装在滑台6下端；所述拖杆导轨11设置在模型箱1的内表面，拖杆导轨11与丝杠4相平行；所述拖杆10的杆体两端采用球头结构，拖杆10的端部球头位于拖杆导轨11内，拖杆10与拖杆导轨11相垂直，拖杆10的端部球头在拖杆导轨11内具有直线移动自由度；所述牵引钢丝9一端固连在拖杆10的中部，牵引钢丝9另一端固连在牵引杆8上；所述数据采集组件位于模型箱1内部；所述供水组件位于模型箱1外部。

所述数据采集组件包括拉力传感器14、位移传感器15、孔压传感器16及土压传感器17；所述拉力传感器14安装在牵引钢丝9上；所述位移传感器15、孔压传感器16及土压传感器17安装在模型箱1的内表面。

所述供水组件包括水箱18、水龙头19及注水管20；所述水箱18固定在地面上方，水龙头19设置在水箱18底部；所述注水管20底端管口与模型箱1底部相连通，注水管20竖直设置，注水管20为透明材质，在注水管20表面设有刻度尺，通过刻度尺标示液面高度；所述注水管20顶端采用漏斗形状。

所述拖杆10数量若干，若干拖杆10在模型箱1内部沿高度方向均布设置，每一根拖杆10均配套有一组拖杆导轨11，每一根拖杆10均通过一根牵引钢丝9与牵引杆8相连。

所述模型箱1为矩形箱体且采用可拆装式结构，模型箱1由底板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板组成，底板与振动台相固连，所述前侧板、后侧板、左侧板、右侧板与底板之间通过插槽相连，且前侧板采用透明板；所述底板、前侧板、后侧板、左侧板及右侧板之间接缝通过密封胶进行密封；在所述左侧板、右侧板的内表面加装有内衬层，用于降低边界效应。

所述拖杆10采用空心杆结构，拖杆10的端部球头采用空心球头结构，所述拖杆导轨11截面形状采用圆弧形，使拖杆10的端部球头与拖杆导轨11之间为点接触形式，如此可以最大程度的降低拖杆10端部球头与拖杆导轨11之间的摩擦力，提高测量精度；并且拖杆导轨11与模型箱1之间采用可拆卸式结构，如此可以任意调整拖杆导轨11的数量和位置，当测试条件需要调整时，也不用整体更换模型箱1，只需根据需要调整拖杆导轨11即可，有效提高了测量装置的适用性。

本实施例中，测试对象选用细粒尾矿砂；振动台输出的振动波选用EI-Centro地震波；模型箱1的底板、后侧板、左侧板和右侧板均采用Q235B钢板，模型箱1的前侧板采用钢化玻璃板，模型箱1各板接缝处采用的密封胶为704硅橡胶，模型箱1的左右侧板内表面的内衬层采用聚苯乙烯泡沫，模型箱1的底板与振动台之间采用螺栓进行固定连接；调试电机3采用低速电机，最大功率为15W，支持远程操控调速；刚性框架2采用钢材焊接制造；在模型箱1内部沿高度方向均布设置3根拖杆10。

一种尾矿砂动力表观黏度测量方法，采用了所述的尾矿砂动力表观黏度测量装置，包括如下步骤：

步骤一：将组装好的模型箱1固装到振动台上；在本实施例中，由于在模型箱1内部沿高度方向均布设置3根拖杆10，在实际测试时，只需通过一次拖拽，就可同步完成3种深度下的尾矿砂动力表观黏度测试；

步骤二：将动力牵引组件、数据采集组件及供水组件分别安装到位；

步骤三：采用砂雨法在模型箱1内铺设尾矿砂，每铺设一层尾矿砂，都需要对砂层表面进行平整，然后向模型箱1内注水，直到模型箱1内的水面超过砂层表面至少5cm，保证尾矿砂处于饱和状态；本实施例中，尾矿砂共铺设10层；

步骤四：当模型箱1内的尾矿砂全部铺设完毕后，静置24小时；

步骤五：启动振动台，使模型箱1内饱和尾矿砂发生液化；

步骤六：启动调速电机3，输出拖拽力，使拖杆10在液化尾矿砂中匀速移动；拖拽力的传递过程为：首先通过调速电机3带动丝杠4转动，再通过丝杠4转动同步带动丝母5、滑台6及牵引杆8直线移动，最后通过牵引杆8的直线移动借助牵引钢丝9对拖杆10进行拖拽；由于整个动力牵引组件并不与振动台发生接触，因此有效避免了振动台输出振动对动力牵引组件产生的影响，保证了测试精度。

步骤七：通过公式η＝2(F-e_dDL)/3vL计算表观黏度，式中，η为表观黏度，F为拖拽力，e_d为土压力，D为拖杆直径，L为拖杆长度，v为拖杆移动速度。

实施例中的方案并非用以限制本实用新型的专利保护范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种尾矿砂动力表观黏度测量装置，其特征在于：包括模型箱、动力牵引组件、数据采集组件及供水组件；所述模型箱固装在振动台上；所述动力牵引组件包括刚性框架、调速电机、丝杠、丝母、滑台、导向杆、牵引杆、牵引钢丝、拖杆及拖杆导轨；所述刚性框架与地面相固连；所述调速电机通过电机支架固装在刚性框架上；所述丝杠通过轴承座水平安装在刚性框架顶部，丝杠一端通过联轴器与调速电机的电机轴相固连；所述丝母套装在丝杠上；所述导向杆固装在刚性框架上，导向杆与丝杠相平行；所述滑台下端连接在导向杆上，滑台在导向杆上具有直线移动自由度；所述滑台上端与丝母相固连；所述牵引杆竖直固装在滑台下端；所述拖杆导轨设置在模型箱的内表面，拖杆导轨与丝杠相平行；所述拖杆的杆体两端采用球头结构，拖杆的端部球头位于拖杆导轨内，拖杆与拖杆导轨相垂直，拖杆的端部球头在拖杆导轨内具有直线移动自由度；所述牵引钢丝一端固连在拖杆的中部，牵引钢丝另一端固连在牵引杆上；所述数据采集组件位于模型箱内部；所述供水组件位于模型箱外部。

2.根据权利要求1所述的一种尾矿砂动力表观黏度测量装置，其特征在于：所述数据采集组件包括拉力传感器、位移传感器、孔压传感器及土压传感器；所述拉力传感器安装在牵引钢丝上；所述位移传感器、孔压传感器及土压传感器安装在模型箱的内表面。

3.根据权利要求1所述的一种尾矿砂动力表观黏度测量装置，其特征在于：所述供水组件包括水箱、水龙头及注水管；所述水箱固定在地面上方，水龙头设置在水箱底部；所述注水管底端管口与模型箱底部相连通，注水管竖直设置，注水管为透明材质，在注水管表面设有刻度尺，通过刻度尺标示液面高度；所述注水管顶端采用漏斗形状。

4.根据权利要求1所述的一种尾矿砂动力表观黏度测量装置，其特征在于：所述拖杆数量若干，若干拖杆在模型箱内部沿高度方向均布设置，每一根拖杆均配套有一组拖杆导轨，每一根拖杆均通过一根牵引钢丝与牵引杆相连。

5.根据权利要求1所述的一种尾矿砂动力表观黏度测量装置，其特征在于：所述模型箱为矩形箱体且采用可拆装式结构，模型箱由底板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板组成，底板与振动台相固连，所述前侧板、后侧板、左侧板、右侧板与底板之间通过插槽相连，且前侧板采用透明板；所述底板、前侧板、后侧板、左侧板及右侧板之间接缝通过密封胶进行密封；在所述左侧板、右侧板的内表面加装有内衬层，用于降低边界效应。

6.根据权利要求1所述的一种尾矿砂动力表观黏度测量装置，其特征在于：所述拖杆采用空心杆结构，拖杆的端部球头采用空心球头结构，所述拖杆导轨截面形状采用圆弧形，使拖杆的端部球头与拖杆导轨之间为点接触形式，且拖杆导轨与模型箱之间采用可拆卸式结构。