CN209729276U - 一种填砂模型管装填及密实装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种填砂模型管装填及密实装置，第一漏斗的出口设置于第二漏斗入口的上方，第二漏斗的出口设置于第三漏斗入口的上方，第一漏斗、第二漏斗和第三漏斗的出口分别设有第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，第二电磁阀和第三电磁阀上均设有称重传感器；振动密实系统包括振动台、电机和转盘，转盘设置于振动台的振动台面上，振动台能够驱动转盘振动；电机的输出轴与转盘之间通过花键连接，当振动台驱动转盘振动时，电机能动驱动转盘转动，转盘能够与填砂模型管的下端可拆卸连接，当填砂模型管安装于转盘后，填砂模型管的上端与第三漏斗的出口正对并能承接第三漏斗出口排出的料。本实用新型能够简化传统操作步骤、提升模拟实验效率。

Description

一种填砂模型管装填及密实装置

技术领域

本实用新型涉及石油行业油气田开发工程方向的室内模拟实验设备技术领域，特别是涉及一种填砂模型管装填及密实装置，用以简化传统操作步骤、提升模拟实验效率。

背景技术

填砂模型管由本体和分别位于本体两端的两个帽塞接头一体装置组成，通过在其本体内部装填不同充填材料(通常为球形固体颗粒，如石英砂；也可装填液体)，在不同实验条件下(如改变进出口两端压力、通过流体流量)模拟地层得到地层岩石在相应状况下允许流体通过的渗透率参数。填砂模型管整体多为金属材质制成，其本体内壁经专门打磨较为粗糙，使得模拟实验更加贴近地层实际条件。目前，实验室通常使用本体长度为1m、直径为2.5cm的填砂模型管进行实验；可根据填砂模型管两端接头的不同采用螺纹连接、卡箍连接等方式将多根填砂模型管拼接在一起，不同程度地延伸填砂管、延长流体在管内通过的距离以更加符合地层实际环境，提高模拟实验结果的准确性。

最大程度地提高原油采收率、尽可能多地获得原油储量这一目标指引着石油行业内油气田开发工程前进的方向，由于原油开采的特殊性，行业内的科研工作者需要通过进行大量的室内模拟实验以得出结论来指导现场应用，这就使得室内模拟实验设备在石油行业内有着广泛的应用，如填砂模型管，在支撑裂缝评价实验、微生物驱油实验、稠油热采实验等室内模拟实验中都有应用。

虽然被广泛应用，但在使用填砂模型管的过程中，“填砂”步骤仍然存在以下几个问题(以球形固体颗粒为例)：为实现均匀填砂，目前普遍采用“逐层填砂”的方式，即：在保证填砂模型管一端封闭的情况下，将预先盛装在容器内的填充砂沿另一端端口缓慢倒入填砂管内，倒入一部分后就停止填砂并用橡皮锤敲击填砂管外侧，以使刚才倒入管内的填充砂形成的砂柱受到振荡从而使该砂柱内部原先存在的孔隙被砂粒充分充填，砂柱顶面高度略有下降；之后就开始重复以上两项操作，缓慢倒砂和轻敲管外交替进行，边填边敲，直至最终经过充分填充的砂柱，即将充满整个填砂管时停止“逐层填砂”。采用这样的填砂方式：

首先，敲击填砂管这一工序完全是人工进行的，敲击填砂管外侧时用多大的力完全取决执行者的习惯而难以定量控制，即使是同一个人也很难保证在完成一个敲击工序的过程中能够始终用相同的力量进行敲击，填砂管受力不均，这就导致填砂效果差，在实际上很难达到理应实现的“充分充填”的效果，如果是多人轮流进行敲击，则填砂效果更差。

其次，完成“逐层填砂”通常需要两人配合协作，且需要长时间敲击填砂管较为耗费体力，同时，填砂管主要由金属制成，不论是否填砂都具有较大的重量，在单人进行实验或以女性成员为主的团队进行实验时，完成该操作较为不便且难以取得良好的填砂效果。

最后，时间成本巨大。除了填砂过程耗时较长外，由于无法做到均匀、充分填砂，为保证实验结果的准确性，普遍在同一实验条件下进行多次模拟实验，取多个实验结果取平均值，显著增加了实验整体时长。

考虑到随着各个油田开发时间的延长，容易动用的原油储量将越来越低，为满足国内油气资源的需求，各个油田必然要将未来发展的重点的放在通过技术的改善来获得之前难以动用的储量，从而进一步提高原油采收率，为此，必然要进行大量的室内模拟实验。在此大环境下，通过发明如该装置之类的新型室内模拟实验设备来克服原有设备存在的缺陷从而提高实验效率对于推进石油行业内新技术、新产品的推广应用具有及其重要的意义。

实用新型内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种填砂模型管装填及密实装置。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种填砂模型管装填及密实装置，包括填充系统和振动密实系统，填充系统包括第一漏斗、第二漏斗和第三漏斗，第一漏斗的出口设置于第二漏斗入口的上方并用于向第二漏斗中排料，第二漏斗的出口设置于第三漏斗入口的上方并用于向第三漏斗中排料，第一漏斗、第二漏斗和第三漏斗的出口分别设有控制排料的第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，第二电磁阀和第三电磁阀上分别设有第一称重传感器和第二称重传感器；

振动密实系统包括振动台、电机和转盘，转盘设置于振动台的振动台面上，振动台能够驱动转盘振动；电机的输出轴与转盘之间通过花键连接，当振动台驱动转盘振动时，电机能动驱动转盘转动，转盘能够与填砂模型管的下端可拆卸连接，当填砂模型管安装于转盘后，填砂模型管的上端与第三漏斗的出口正对并能承接第三漏斗出口排出的料。

还包括振动台—转盘连接结构，振动台—转盘连接结构为空心筒状结构，振动台—转盘连接结构下端与振动台的台面固定连接，振动台—转盘连接结构的内壁设有环形的内凸缘，振动台—转盘连接结构的内腔处于内凸缘以上的为上腔体，处于内凸缘以下的为下腔体；转盘包括盘面和设置于盘面下表面中心处的转盘底座；转盘底座设置于所述上腔体中且转盘底座的下端与所述内凸缘相抵；电机设置于振动台的下方，电机的输出轴穿过振动台并从所述下腔体以及内凸缘中心向上延伸，与转盘底座之间通过花键连接；填砂模型管的下端与盘面可拆卸连接。

盘面上同轴设有用于防止填砂模型管脱落的安全护栏。

安全护栏为空心圆柱体，空心圆柱体的内径大于填砂模型管的外径。

转盘底座的下端与所述内凸缘之间设有钢球式推力轴承。

填砂模型管的下端中心设有多边形柱体结构，盘面的中心设有与该多边形柱体结构适配的凹槽，填砂模型管能够通过所述多边形柱体结构插入所述凹槽中。

还包括上箱体和下箱体，上箱体设置在下箱体的上方，下箱体无顶面，上箱体和下箱体之间可滑动连接，上箱体能够沿下箱体的一侧向与该侧相对的另一侧滑动；上箱体在其顶面与底边之间自上而下依次设有第一隔板和第二隔板，第一漏斗设置于上箱体顶面与第一隔板之间，第二漏斗设置于第一隔板与第二隔板之间，第三漏斗设置于第二隔板与上箱体底面之间；第一隔板、第二隔板和上箱体底面上分别开设有供第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀穿过的中心开孔；第一称重传感器和第二称重传感器分别位于第二隔板和上箱体底面的下方；振动密实系统设置于下箱体中。

下箱体中设有第三隔板，振动台设置在第三隔板的上部，电机设置在第三隔板的下部，第三隔板上开设有供电机输出轴穿过的通孔。

还包括智能控制系统，智能控制系统包括第一人机界面、第二人机界面和PLC控制器，第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第一称重传感器、第二称重传感器、第一人机界面、振动台、电机和第二人机界面均与PLC控制器连接；第一人机界面用于设置填砂质量和填砂次数；第二人机界面用于设置振动台的振动模式以及电机的转速。

一种填砂模型管自动装填及密实方法，采用上述装置进行，包括如下步骤：

S1，向第一漏斗内充填足量的充填砂；

S2，将空的填砂模型管安装在转盘上；

S3，控制振动台以预设频率和振幅振动，以及控制电机以预设转速驱动转盘转动，转盘驱动填砂模型管同步转动；

S4，控制第一电磁阀打开，将第一漏斗内的充填砂排至第二漏斗，当第二漏斗中的充填砂量达到预设值后关闭第一电磁阀；

S5，控制第二电磁阀打开，将第二漏斗内的充填砂分次排至第三漏斗，直至第二漏斗内的充填砂排完；

其中，当每次第二漏斗内的充填砂排至第三漏斗过程中，第一称重传感器称量第三漏斗内的充填砂量，当第三漏斗中的充填砂量达到预设值后，控制第二电磁阀关闭、第三电磁阀打开，第三漏斗中的充填砂排至填砂模型管中，当第二称重传感器检测到第三漏斗中的充填砂量为零时，第三电磁阀关闭；

S6，振动台振动结束以及电机转动结束后，控制振动台和电机停止，填砂模型管自动装填及密实结束。

所述填砂模型管装填及密实装置还包括智能控制系统，智能控制系统包括第一人机界面、第二人机界面和PLC控制器，第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第一称重传感器、第二称重传感器、第一人机界面、振动台、电机和第二人机界面均与PLC控制器连接；第一人机界面用于设置填砂质量和填砂次数；第二人机界面用于设置振动台的振动模式以及电机的转速；

其中，S3中，通过第一人机界面设置填砂质量和填砂次数，通过第二人机界面设置振动台的振动模式以及电机的转速；

S4和S5中，PLC控制器通过第一称重传感器和第二称重传感器采集的数据以及第一人机界面和第二人机界面的设置控制第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀、控制振动台和电机工作。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型的填砂模型管装填及密实装置利用第一漏斗、第二漏斗、第三漏斗、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀第一称重传感器和第二称重传感器能够自动完成填砂模型管的装填过程，在装填时，先向第一漏斗内充填足量的充填砂，接着制第一电磁阀打开，将第一漏斗内的充填砂排至第二漏斗，当第二漏斗中的充填砂量达到预设值后关闭第一电磁阀；然后控制第二电磁阀打开，将第二漏斗内的充填砂分次排至第三漏斗，直至第二漏斗内的充填砂排完；当每次第二漏斗内的充填砂排至第三漏斗过程中，第一称重传感器称量第三漏斗内的充填砂量，当第三漏斗中的充填砂量达到预设值后，控制第二电磁阀关闭、第三电磁阀打开，第三漏斗中的充填砂排至填砂模型管中，当第二称重传感器检测到第三漏斗中的充填砂量为零时，第三电磁阀关闭。本实用新型的填砂模型管装填及密实装置利用振动密实系统能够完成在装填过程中填砂模型管的自动密实过程，自动密实时，控制振动台以预设频率和振幅振动，以及控制电机以预设转速驱动转盘转动，转盘驱动填砂模型管同步转动；在填砂模型管被驱动转动和振动过程中，利用填充系统向填砂模型管中按照要求加入充填砂。综上所述，本实用新型的填砂模型管装填及密实装置能够：(1)定量控制使充填砂在填砂模型管内均匀分布的过程，使充填砂更加均匀地分布、显著改善填砂效果；(2)显著降低了进行室内模拟实验使用填砂模型管时“填砂”步骤对操作人员在人数、性别方面的限制，整个填砂过程只需操作人员完成几项简单的辅助工作而无需像之前采用传统的“逐层填砂”法时需要多人配合完成单次称量、多次填砂、多次敲击，单人就可完成；(3)实现填砂过程自动化且定量控制，而不需要多次重复取平均值，显著缩短了实验时长，在一定程度上缩短项目周期。

附图说明

图1本实用新型填砂模型管装填及密实装置主视图。

图中，1-入砂口盖板，2-第一人机界面，3-第一漏斗，4-第二漏斗，5-第三漏斗，6-第一隔板，7-第二隔板，8-第一电磁阀，9-第二电磁阀，10-第三电磁阀，11-第一称重传感器，12-第二称重传感器，13-填砂模型管，14-安全护栏，15-盘面，16-转盘底座，17-钢球式推力轴承，18-振动台—转盘连接结构，19-输出轴，20-振动台，21-第三隔板，22-电机，23-第二人机界面，24-PLC控制器，25-三角支架，26-上箱体，27-下箱体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本实用新型进一步说明。

实施例

如图1所示，本实施例的填砂模型管装填及密实装置通过机械部分和自动化控制系统的相互联系、相互配合，实现信息处理和自动控制，将填砂模型管的装填完成过程由传统的完全人工操作形式转化为自动化操作为主、人工操作为辅的形式，从而解决使用目前普遍采用的人工“逐层填砂”法装填填砂管时面临的问题，实现提高压实程度、降低操作难度、缩短时间跨度，大大提高室内模拟实验效率，为石油行业内新技术、新产品的推广应用创造有利条件。

该填砂模型管装填及密实装置包括上箱体26和下箱体27；上箱体26放置在下箱体27上方；下箱体27无顶板，在下箱体27前、后两块板的顶面设有导轨，也分别在上箱体26底板底面沿长度方向(在图1中所示三维坐标系中沿y轴方向)的两条边的内侧刻有凹槽，凹槽内装有滑轮，滑轮可放置在下箱体27前、后两块板顶面的导轨内并在导轨内滑动，上箱体26因此可在下箱体27上方左右移动；安装和卸下填砂模型管时移开上箱体26，操作人员可将手伸入下箱体27内部，装置工作时移回上箱体26在下箱体27上方进行遮盖；在下箱体27内部用一块中心开孔的平行隔板(即第三隔板21)将下箱体27的空间分为高度不同的上下两部分；上箱体26、下箱体27及内部的隔板均采用PVC板材料，组成上箱体26、下箱体27下部空间的PVC板及第三隔板不透明，上箱体26、下箱体27下部空间从外部不可见；组成下箱体27上部空间的PVC板透明，下箱体27上部空间从外部可见。

装填系统：由第一人机界面2、入砂口、第一漏斗3、第二漏斗4、第三漏斗、直通式电磁阀及称重传感器组成，用两块中心开孔的平行隔板(从上到下依次为第一隔板6、第二隔板7)将上箱体26的空间分为等高的三层，装填系统可根据预先设置的填砂质量参数、分次参数，通过多次计量实现分次填砂，在完成填砂工序的同时为之后的密实工序提供便利。

装填系统中第一人机界面2作为质量预设输入面板，第一人机界面2与智能控制系统的PLC控制器连接，手动在第一人机界面2输入：(1)需要填入填砂模型管13中的充填砂质量(单位：g)；(2)分几次完成对填砂模型管13的充填这两项信息后，输入的信息先经过第一人机界面2转化、处理通过输入电路传递给PLC控制器24。第一人机界面2采用类似于计算器面板的按键输入方式，共有15个按键(如“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“.”、“撤销”、“确认”、“分次”、“输入”)，第一人机界面2上搭配一块小型屏幕共同使用。

装填系统中入砂口位于该上箱体26顶板的中心，呈长方形(长边方向为图1中所示三维坐标系中x轴方向，x轴与纸面方向垂直)，入砂口贯穿顶板；入砂口上部有一比其略长、略宽的入砂口盖板1，入砂口盖板1底面两长边边缘分别装有具有一定宽度、厚度、与长边等长的垫块，垫块底面刻有长度小于垫块长度的凹槽，凹槽内设有一个小型滑轮；在入砂口的两长边外侧刻有与其上部盖板凹槽等长、等宽的导轨，两导轨间距离等于两凹槽间距离；将盖板底面两侧凹槽内滑轮置于入砂口两侧导轨内，入砂口盖板1通过滑轮的旋转在顶板上方沿入砂口长边方向前后移动，需要时露出入砂口，不需要时遮盖入砂口。

装填系统中的第一漏斗3、第二漏斗4和第三漏斗5均为三角漏斗结构，与常规三角漏斗相比没有下部的圆柱通道，第一漏斗3、第二漏斗4和第三漏斗5分别平稳放置、充分粘接在装填系统的第一、第二、第三层的中心位置；第一漏斗3、第二漏斗4和第三漏斗5的高度相同，均为6.1cm；第一漏斗3的顶部入口的直径为30cm，面积约706.5cm²，第一漏斗3的顶部入口的大于入砂口面积(200cm²)，第二漏斗4顶部入口的直径为22cm，面积约380cm²，第二漏斗4顶部入口的面积大于第一电磁阀8、第二电磁阀9和第三电磁阀10(第一电磁阀8、第二电磁阀9和第三电磁阀10均为直通式电磁阀)通道口截面积(直径0.6cm，面积约0.3cm²，第一漏斗3、第二漏斗4和第三漏斗5底部出口面积相同。

第一电磁阀8、第二电磁阀9和第三电磁阀10分别安装在第一隔板6、第二隔板7和上箱体26底板底面上的中心开孔处，第一电磁阀8、第二电磁阀9和第三电磁阀10的电磁铁线圈、铁芯、弹簧等控制类零件集合分别粘接在第一隔板、第二隔板和上箱体26底板底面开孔边缘，电磁阀阀体的一端贯穿中心开孔，中心开孔与阀体紧密贴合无缝隙，三角漏斗结构底部置于阀体通道口内关闭件以上。PLC控制器对电磁阀的通断电进行控制，通电时，电磁阀的电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，电磁阀打开，上部漏斗内的充填砂经过电磁阀向下流动；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭，上部漏斗内的充填砂停止向下流动。初始状态时，三个电磁阀均处于断电闭合状态。

装填系统中称重传感器共有两个，分别为第一称重传感器11和第二称重传感器12，第一称重传感器11和第二称重传感器12分别安装在第二电磁阀9和第三电磁阀10上，称重传感器从电磁阀阀体下端通道口进入与阀体通道口内关闭件底面连接，用以对该电磁阀上方漏斗内的充填砂进行称量。称重得到的结果经转化、处理成为输入信息输入PLC控制器24，PLC控制器24根据程序要求将这些新的信息与存储的之前从第一人机界面2输入的信息进行比较，做出逻辑判断，通过发送指令控制元器件(如第一电磁阀8、第二电磁阀9和第三电磁阀10)进行相应的操作。如在第一人机界面2输入的信息为：填砂X g，分Y次填完，则经过转化、处理后输入PLC控制器24的信息为：填砂量1(X g)、填砂量2(X/Y g)和填砂量3(X-[(Y-1)(X/Y)]g)，其中填砂量1表示填砂总量；填砂量3表示最后一次填砂量；填砂量2表示最后一次之前每次的填砂量；填砂量2和填砂量3采用不同的计算公式，是为了避免当(X/Y)存在较多位小数时由于只能保留有限个有效数字而导致经过多次循环后可能存在较大误差，导致在完成填砂工序后仍有部分充填砂残留在第二漏斗4内，在一定程度上影响实验结果准确程度。初始状态时，第一称重传感器11、第二称重传感器12均未接入PLC控制电路。

自动密实系统：包括电机22、振动台20、转盘及振动台—转盘连接结构18，电机22为双向单相交流变速电机；当电机22工作，振动台20不工作时，填砂模型管13通过转动的方式密实装填在管内的充填砂；当电机22不工作，振动台20工作时，填砂模型管通过振动的方式密实装填在管内的充填砂；当电机22和振动台20同时工作时，填砂模型管13通过转动+振动的方式密实装填在管内的充填砂。

自动密实系统中双向单相交流变速电机安装方式为立式(即输出轴19向上)，通过螺纹连接的方式固定在第三隔板21底面中心开孔处，电机底部放置在一个铁质的三角支架25上，该三角支架25又焊接在整个装置底板上(即下箱体27的底面上)，三角支架25可增强电机及振动台分别或同时工作时整个装置的稳定性；电机22的输出轴19的轴伸方式为外花键轴伸型式。工作时，电机22受PLC控制器24控制，电机22根据操作人员设置的不同的参数带动输出轴上的连接部件以不同转速、不同方向进行转动。

自动密实系统中振动台20固定在第三隔板21顶面的中心；经过专门设计，在振动台中心有一贯穿整个振动台的圆柱洞，电机输出轴可穿过该圆柱洞；沿振动台台面中心圆孔90°相隔打4个贯穿振动台台面的螺纹孔，用来连接振动台和位于振动台上方的振动台—转盘连接结构。

自动密实系统中振动台—转盘连接结构18的结构类似于导向轴支座，但尺寸更大，振动台—转盘连接结构18中心的圆柱洞贯穿结构整体，电机22的输出轴19可通过该圆柱洞进入振动台—转盘连接结构18；振动台—转盘连接结构18底部呈正方圆角矩形，4个角均开有与振动台台面螺纹孔直径相同的螺纹孔，螺纹孔贯穿正方圆角矩形台体，可用4个长度适宜且相等螺钉通过螺纹连接的方式将振动台20和振动台—转盘连接结构18紧密连接，使它们成为一个整体；振动台—转盘连接结构18上部为具有一定厚度的空心圆柱体，在距柱体顶面1/2柱体高度处，沿柱体内壁设有一环形隔挡结构(即内凸缘)将柱体内部空间分为上下两部分，环形隔档结构中心圆孔的直径小于连接结构中心圆柱洞直径，电机22的输出轴19可穿过该圆孔。

自动密实系统中转盘包括盘面15和转盘底座16，盘面15上设有安全护栏14；盘面15为一块铁质圆板，在铁板中心设有一与填砂模型管13的封闭端帽塞外侧底部正六边形柱体凸出部分的边长相等正六边形洞，在完全对准的情况下，填砂模型管13的封闭端帽塞外侧底部的正六边形柱体凸出部分可插入该正六边形洞中，在此情况下，填砂模型管13与盘面15接触部分充分贴实，填砂模型管13与盘面15可等效为一个整体，填砂模型管13以相同的方式和盘面15同步运动；为防止插在盘面15上的填砂模型管13在高速转动或高速振动的情况下意外脱落继而向外飞出或向下掉落损坏仪器，在盘面15的中心固定安装有一具有一定高度，直径略大于填砂模型管13的直径的透明PVC材质空心圆柱体作为安全护栏14；转盘底座16为高度略高于振动台—转盘连接结构18上部分内部柱体空间高度的铁质空心圆柱体，通过焊接的方式将空心圆柱体顶面与转盘15的底面连接在一起，使盘面15和转盘底座16成为一个整体，盘面15和转盘底座16以相同的方式同步运动；在转盘底座16底面嵌入一个与其等径的内花键套，此内花键套与电机22的外花键轴伸输出轴相互配合，内花键套和输出轴花键部分的主要基本参数相同，内花键套高度略高于花键轴顶部的高度，电机输出轴接入内花键套后，电机可带动转盘底座及其上部的盘面、填砂模型管同步转动；内花键套下方焊接有一个由一个止推垫片和若干滚动体组成的外径与其相等但内径大于其内径的钢球式推力轴承17；转盘底座16的直径介于振动台—转盘连接结构18的内径和其中的环形隔挡结构内径之间，转盘底座16可坐在环形隔挡结构上，转盘整体通过若干滚动体与环形隔挡接触，滚动体将面面接触转化为点面接触，可显著减少电机输出轴带动转盘转动时转盘底座底面与环形隔档顶面之间的摩擦。日常进行设备维护时及时给钢球式推力轴承滚动体和环形隔档结构接触的部位涂抹润滑油，可进一步减小转动过程受到的摩擦阻力；当振动台20工作时，与振动台螺纹连接的振动台—转盘连接结构18随振动台一起振动，振动台—转盘连接结构18内部的环形隔挡结构带动坐在其上的底部焊接有钢球式推力轴承的转盘底座16一起振动，由于花键轴高度略大于花键套高度，花键套上下轻微移动不会影响花键轴与花键套各齿在水平方向的接触，因此花键轴可以带动处于振动状态的花键套进行转动，能够实现转盘带动承插在其上的填砂模型管同时进行振动和转动。

智能控制系统：包括第一人机界面2、第二人机界面23和PLC控制器24，PLC控制器通过运行存储在其内存中的、编辑好的程序，对接收到来自第一人机界面2、第二人机界面23、称重传感器的不同输入信息做出逻辑判断后输出不同控制指令，控制其他系统中不同的元器件进行一系列操作，起到控制装填系统、自动密实系统完成填砂、密实两道工序的作用。

智能控制系统中第二人机界面23包括1个装置启动按钮、1个关机按钮、4个工作模式选择按钮和6个工作参数调节旋钮。4个工作模式包括：自动装填模式，在此模式下，第一电磁阀8、第二电磁阀9、第三电磁阀10、第一称重传感器11、第二称重传感器12、电机22和振动台20同时接入PLC控制器的控制电路，PLC控制器按照程序在控制装填系统为填砂模型管填砂的同时，或控制电机带动转盘及承插在转盘上的填砂模型管共同转动，或控制振动台带动转盘及承插在转盘上的填砂模型管在竖直方向同步振动，或同时控制电机和振动台使转盘及承插在转盘上的填砂模型管在转动的同时也在振动；转动模式，在此模式下，仅电机接入PLC控制器的控制电路，电机带动转盘及承插在转盘上的填砂模型管共同转动；振动模式，在此模式下，仅振动台接入PLC控制器的控制电路，振动台带动转盘及承插在转盘上的填砂模型管在竖直方向同步振动；转动+振动模式，在此模式下，电机和振动台同时接入PLC控制电路，转盘及承插在转盘上的填砂模型管在转动的同时也在振动。6个工作参数包括：转动方向：正向或反向单向转动；正向和反向双向转动；转动速度分为100r/min、150r/min、200r/min、250r/min和3000r/min；转动交替间隔：即电机通过输出轴带动连接部件交替进行正向转动和反向转动的时间间隔，仅针对双向转动的情况，单向转动默认为零，分为2s、4s、6s、8s和10s；振动频率范围为1Hz～400Hz；振动扫频范围为1Hz～400Hz；振幅为0—5mm。PLC控制器放置在装置底板上；PLC控制器分别与称重传感器、第一人机界面2、第二人机界面、电磁阀、电机和振动台连接，实现输入电路和输出电路的正确连接。

以分4次向填砂模型管13内装填500g充填砂、装填完成后依次采用转动模式模式、振动模式、转动+振动模式三种密实方式使充填砂在填砂模型管内均匀分布充分压实为例，其具包括如下步骤：

(1)滑动打开入砂口上方的入砂口盖板1，视第一漏斗3内的充填砂量将充填砂通过入砂口倒入第一漏斗，若第一漏斗内无剩余充填砂或所剩充填砂较少，则倒入大量充填砂；若第一漏斗内还留有大量剩余充填砂，则倒入少量充填砂或不倒入；

(2)移开上箱体26，将填砂模型管13放入安全护栏14内部并将填砂模型管13密封端帽塞外侧底部正六边形凸出插入盘面15中心的正六边形洞内；

(3)在第一人机界面2依次点击按键“5”、“0”、“0”、“确认”(表示共填砂500g)、“分次”、“4”、“确认”(表示将500g充填砂分4次填入填砂模型管)、“输入”(表示输入的填砂量、分次信息无误并将此两项信息通过输入电路输入至PLC控制器)；

(4)在第二人机界面23先选择自动装填模式，然后通过3个参数调节旋钮设置转动方向、转动速度和交替间隔这三个参数的数值，最后按动装置启动按钮；

(5)装填系统的电器元部件和电机同时接入PLC控制电路，PLC控制器首先对装填系统进行控制；第一称重传感器11接入PLC控制电路，PLC控制器使第一电磁阀打开，第一漏斗中的充填砂通过阀门向下流动进入第二漏斗；第二电磁阀处于关闭状态，由于有充填砂进入第二漏斗，第一称重传感器开始记录到数据，当PLC控制器读取到第一称重传感器的称量结果达到500g时，PLC控制器使第一电磁阀关闭，充填砂停止进入第二漏斗；当PLC控制器连续5s从第一称重传感器读取到相同的非零数据后，第二称重传感器接入PLC控制电路，PLC控制器使第二电磁阀打开，第二漏斗中的充填砂通过阀门向下流动进入第三漏斗；当PLC控制器读取到第二称重传感器的称量结果达到125g时，PLC控制器使第二电磁阀关闭，充填砂停止进入第三漏斗；当PLC控制器连续5s从第二称重传感器读取到相同的非零数据后，PLC控制器使第三电磁阀打开；第三电磁阀打开的同时，PLC控制器控制电机开始工作，电机通过输出轴带动转盘底座及与转盘底座焊接在一起的盘面转动，第三电磁阀下方、承插在盘面中心的填砂模型管随转盘以预先在第二人机界面23设置的参数转动，第三漏斗中的充填砂通过阀门向下流动进入转动状态的填砂模型管；第二称重传感器的称重结果由于充填砂的不断流出第三漏斗流入填砂模型管而减小，当称重结果为零时，受PLC控制器的控制，第三电磁阀关闭、电机停止运转，填砂模型管停止转动，即在充填砂由第三漏斗通过第三电磁阀流入填砂模型管的整个过程中，填砂模型管一直保持转动，这样可在一定程度上使充填砂在填砂模型管内均匀分布；当连续5s从第二称重传感器读取到“0”称量结果后，PLC控制器使第二电磁阀再次打开，第二漏斗中的充填砂通过阀门向下流动进入第三漏斗；当PLC控制器读取到第二称重传感器的称量结果达到125g时，PLC控制器使第二电磁阀关闭，充填砂停止进入第三漏斗；当PLC控制器连续5s从第二称重传感器读取到相同的非零数据后，PLC控制器使第三电磁阀打开；PLC控制器再次对电机进行控制，电机通过输出轴带动转盘转动，填砂模型管随转盘以预先在第二人机界面23设置的参数转动，第三漏斗中的充填砂通过阀门向下流动进入转动状态的填砂模型管；第二称重传感器的称重结果不断减小，当称重结果为零时，第三电磁阀再次关闭、电机停止运转，填砂模型管停止转动；连续5s从第二称重传感器读取到“0”称量结果后，PLC控制器使第二电磁阀第三次打开，第二漏斗中的充填砂进入第三漏斗，当PLC控制器读取到第二称重传感器的称量结果达到125g时第二电磁阀关闭，PLC控制器连续5s从第二称重传感器读取到相同的非零数据，第三电磁阀第三次打开，填砂模型管第三次随转盘以预先在第二人机界面23设置的参数转动，第三漏斗中的充填砂进入转动状态的填砂模型管，当第二称重传感器的称重结果为零时，第三电磁阀第三次关闭、电机停止运转，填砂模型管停止转动；在三次打开和关闭第二电磁阀后，PLC控制器读取到第一称重传感器的称量结果达到125g，第二称重传感器退出PLC控制电路，PLC控制器使第二电磁阀和第三电磁阀同时打开，PLC控制器对电机进行控制，电机通过输出轴带动转盘转动，填砂模型管随转盘以预先在第二人机界面23设置的参数转动，第二漏斗中剩余的填充砂依次通过第二电磁阀、第三漏斗、第三电磁阀进入转动状态的填砂模型管；第二漏斗中的充填砂全部流出，第一称重传感器称量结果清零，PLC控制器连续5s从第一称重传感器读取到“0”称量结果后，第一称重传感器退出PLC控制电路，PLC控制器使第二电磁阀、第三电磁阀断电，两阀门关闭，电机停止运转，填砂模型管停止转动，自动装填模式下的自动装填过程结束；

(6)在第二人机界面23先选择转动模式，然后通过3个参数调节旋钮设置转动方向、转动速度和交替间隔这三个参数的数值，最后按动装置启动按钮；

(7)交流电机接入PLC控制电路，PLC控制器对电机进行控制，电机通过输出轴带动转盘转动，填砂模型管随转盘以预先在第二人机界面23设置的3个转动参数进行转动；

(8)在第二人机界面23先选择振动模式，然后通过3个参数调节旋钮设置振动频率范围、振动扫频范围、振幅这三个参数的数值，最后按动装置启动按钮；

(9)振动台接入PLC控制电路，PLC控制器对垂直振动台进行控制，垂直振动台以预先在第二人机界面23设置的3个振动参数带动与其连接的连接结构、坐在连接结构内部环形隔挡结构上的转盘及承插在盘面中心的填砂模型管共同振动；

(10)在第二人机界面23选择转动+振动模式，然后通过6个参数调节旋钮设置转动方向、转动速度、交替间隔、振动频率范围、振动扫频范围、振幅这六个参数的数值，最后按动装置启动按钮；

(11)交流电机和垂直振动台同时接入PLC控制电路，PLC控制器对交流电机和垂直振动台进行控制，交流电机通过输出轴以预先在第二人机界面23设置的3个转动参数带动由垂直振动台以预先在第二人机界面23设置的3个振动参数引起的处在振动状态的转盘及承插在盘面中心的填砂模型管共同转动；

(12)移开上箱体26，缓慢将经过一系列操作内部已均匀分布充分压实的填砂模型管从盘面中心的正六边形洞中拔下并从下箱体27上部空间取出，按动第二人机界面23的关机按钮，装置断电，从装填至密实的整个填砂过程结束；

(13)将上箱体26移回到初始位置。

由以上技术方案可以看出，本实用新型将装填实验用填砂模型管这一过程由传统的人工完成转变为自动化控制完成，实现了对整个过程内各个环节的定量化控制，显著改善了填砂效果；显著降低了进行室内模拟实验使用填砂模型管时“填砂”步骤对操作人员在人数、性别方面的限制；显著缩短了实验时长，可在一定程度上缩短项目周期。

Claims (9)

1.一种填砂模型管装填及密实装置，其特征在于，包括填充系统和振动密实系统，填充系统包括第一漏斗(3)、第二漏斗(4)和第三漏斗(5)，第一漏斗(3)的出口设置于第二漏斗(4)入口的上方并用于向第二漏斗(4)中排料，第二漏斗(4)的出口设置于第三漏斗(5)入口的上方并用于向第三漏斗(5)中排料，第一漏斗(3)、第二漏斗(4)和第三漏斗(5)的出口分别设有控制排料的第一电磁阀(8)、第二电磁阀(9)和第三电磁阀(10)，第二电磁阀(9)和第三电磁阀(10)上分别设有第一称重传感器(11)和第二称重传感器(12)；

振动密实系统包括振动台(20)、电机(22)和转盘，转盘设置于振动台(20)的振动台面上，振动台(20)能够驱动转盘振动；电机(22)的输出轴与转盘之间通过花键连接，当振动台(20)驱动转盘振动时，电机(22)能驱动转盘转动，转盘能够与填砂模型管(13)的下端可拆卸连接，当填砂模型管(13)安装于转盘后，填砂模型管(13)的上端与第三漏斗(5)的出口正对并能承接第三漏斗(5)出口排出的料。

2.根据权利要求1所述的一种填砂模型管装填及密实装置，其特征在于，还包括振动台—转盘连接结构(18)，振动台—转盘连接结构(18)为空心筒状结构，振动台—转盘连接结构(18)下端与振动台(20)的台面固定连接，振动台—转盘连接结构(18)的内壁设有环形的内凸缘，振动台—转盘连接结构(18)的内腔处于内凸缘以上的为上腔体，处于内凸缘以下的为下腔体；转盘包括盘面(15)和设置于盘面(15)下表面中心处的转盘底座(16)；转盘底座(16)设置于所述上腔体中且转盘底座(16)的下端与所述内凸缘相抵；电机(22)设置于振动台(20)的下方，电机(22)的输出轴(19)穿过振动台(20)并从所述下腔体以及内凸缘中心向上延伸，与转盘底座(16)之间通过花键连接；填砂模型管(13)的下端与盘面(15)可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的一种填砂模型管装填及密实装置，其特征在于，盘面(15)上同轴设有用于防止填砂模型管(13)脱落的安全护栏(14)。

4.根据权利要求3所述的一种填砂模型管装填及密实装置，其特征在于，安全护栏(14)为空心圆柱体，空心圆柱体的内径大于填砂模型管(13)的外径。

5.根据权利要求2所述的一种填砂模型管装填及密实装置，其特征在于，转盘底座(16)的下端与所述内凸缘之间设有钢球式推力轴承。

6.根据权利要求2所述的一种填砂模型管装填及密实装置，其特征在于，填砂模型管(13)的下端中心设有多边形柱体结构，盘面(15)的中心设有与该多边形柱体结构适配的凹槽，填砂模型管(13)能够通过所述多边形柱体结构插入所述凹槽中。

7.根据权利要求1所述的一种填砂模型管装填及密实装置，其特征在于，还包括上箱体和下箱体，上箱体设置在下箱体的上方，下箱体无顶面，上箱体和下箱体之间可滑动连接，上箱体能够沿下箱体的一侧向与该侧相对的另一侧滑动；上箱体在其顶面与底边之间自上而下依次设有第一隔板(6)和第二隔板(7)，第一漏斗(3)设置于上箱体顶面与第一隔板(6)之间，第二漏斗(4)设置于第一隔板(6)与第二隔板(7)之间，第三漏斗(5)设置于第二隔板(7)与上箱体底面之间；第一隔板(6)、第二隔板(7)和上箱体底面上分别开设有供第一电磁阀(8)、第二电磁阀(9)和第三电磁阀(10)穿过的中心开孔；第一称重传感器(11)和第二称重传感器(12)分别位于第二隔板(7)和上箱体底面的下方；振动密实系统设置于下箱体中。

8.根据权利要求7所述的一种填砂模型管装填及密实装置，其特征在于，下箱体中设有第三隔板(21)，振动台(20)设置在第三隔板(21)的上部，电机(22)设置在第三隔板(21)的下部，第三隔板(21)上开设有供电机输出轴穿过的通孔。

9.根据权利要求1所述的一种填砂模型管装填及密实装置，其特征在于，还包括智能控制系统，智能控制系统包括第一人机界面(2)、第二人机界面(23)和PLC控制器(24)，第一电磁阀(8)、第二电磁阀(9)、第三电磁阀(10)、第一称重传感器(11)、第二称重传感器(12)、第一人机界面(2)、振动台(20)、电机(22)和第二人机界面(23)均与PLC控制器连接；第一人机界面(2)用于设置填砂质量和填砂次数；第二人机界面(23)用于设置振动台(20)的振动模式以及电机(22)的转速。