CN209894664U - 一种冻融干湿循环试验机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及材料风化特性试验设备技术领域；一种冻融干湿循环试验机，主箱体为金属方箱，试件箱为保温材料制作的有门方箱，安装在主箱体内，主箱体内试件箱侧面设置有电气柜，气象模拟装置安装在试件箱上方，循环供排水系统安装在试件箱下方；气象模拟装置包括风机、红外辐射加热灯和雨雪模拟喷淋装置，风机与红外辐射加热灯安装在试件箱顶部，雨雪模拟喷淋装置包括多用喷头和导流管，多用喷头安装在试件箱顶部；本实用新型提供了一种冻融干湿循环试验机，在一台设备中可同时模拟气象环境与温度变化，提高了对材料风化试验数据采集的效率，并且利用太阳能供电，循环使用水，并能有效防止循环水变质影响实验数据采集，清洁环保。

Description

一种冻融干湿循环试验机

技术领域：

本实用新型涉及材料风化特性试验设备技术领域。

背景技术：

自然界中，岩石、混凝土和土壤经历着太阳辐射、水和温差等的作用进而理化性质发生变化，研究表明，长期反复的冻融-干湿循环过程引起岩石等发生强风化，对生态环境和人们的生存环境存在着一定的威胁，比如山体边坡破坏问题，季节性冻土问题、混凝土房屋及水利枢纽工程老化问题等等。

冻融作用指在寒冷气候条件下，土壤或岩层中冻结的冰在白天融化，晚上冻结，或者夏季融化，冬季冻结，这种融化、冻结的过程称为冻融作用。冻融风化是指土层或岩层裂缝中的水，在冬季或夜晚温度下降发生冻结时把岩石涨裂，并因冻结膨胀产生压力而把裂缝附近的岩石压碎成块石和更细的物质，它是冻土区一种最普遍的冻融作用形式。冻融是岩土层由于温度降到零度以下和升至零度以上而产生冻结和融化的一种物理地质作用和现象。

干湿循环是岩土体介质吸收空气水分或大气降雨而饱和、吸收阳光辐射水分蒸发或风干的物理循环过程。

目前对反复冻融干湿循环作用下岩石等的理化性质综合研究较少，并且野外试验费用高昂、费人工、不可控因素多和试验周期长等诸多不便，室内模拟研究由于试验边界条件可控、经济可靠、少人工等优点受到研究者的青睐。但是室内模拟试验领域尚未出现一种可较好模拟自然环境(阳光风雨雪等)并实现冻融干湿循环试验研究的自动化装置，现有装置中存在以下问题：

冻融试验多采用热水循环加热，效率低升温慢，且循环水系统维护不便，其加热装置有电阻丝等，加热装置单一，升温不均匀且不能较好模拟自然环境中光照辐射升温过程；

目前用于冻融过程、干湿循环的设备是分离的，试验过程需要多次转移试件，费时费力且影响试验精度，并且冻融装置缺少气象模拟部分，降雨风蚀等过程难以模拟。

因此，未充分考虑供电安全性与环保性，装置空间移动不便，一台机器不能同时模拟四季环境这些问题给研究岩石等的风化过程及破坏机理带来了阻碍。

发明内容：

鉴于此，有必要设计一种用于实验室试验材料冻融干湿循环的综合性试验装置。

一种冻融干湿循环试验机，包括主箱体、试件箱、加热装置、制冷装置、气象模拟装置、循环供排水系统、监测系统和数据采集系统。

其中，主箱体为金属方箱，试件箱为保温材料制作的有门方箱，安装在主箱体内，主箱体内试件箱侧面设置有电气柜，气象模拟装置安装在试件箱上方，循环供排水系统安装在试件箱下方。

加热装置为电热丝，安装在试件箱内；制冷装置为压缩机制冷系统，包括电动机、制冷管、制冷压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、电磁阀和过滤器，其中蒸发器安装于试件箱内，电动机、制冷管、制冷压缩机、冷凝器、节流阀、电磁阀和过滤器安装在电气柜内；蒸发器与电热丝间隔贴附在试件箱内壁上。

上述制冷装置中，电动机驱动制冷压缩机，制冷压缩机出口、冷凝器、过滤器、制冷管、电磁阀、节流阀、蒸发器、制冷压缩机进口顺次连接形成制冷回路。

气象模拟装置包括风机、红外辐射加热灯和雨雪模拟喷淋装置，其中风机与红外辐射加热灯安装在试件箱顶部，雨雪模拟喷淋装置包括多用喷头和导流管，多用喷头安装在试件箱顶部并与导流管连通。

监测系统包括环境温湿度传感器、流量传感器、数据采集器和显示终端，其中环境温湿度传感器安装在试件箱内，流量传感器安装在导流管上，环境温湿度传感器与流量传感器电性连接数据采集器，数据采集器电性连接显示终端。

数据采集系统为试件传感器组，设置在试件箱内，试件传感器组根据试验需求选用传感器类型与数理，可选传感器包括但不限于试件温湿度传感器、重量传感器、PH传感器、电导率传感器、光学摄像机、红外摄像机。

上述导流管接入循环供排水系统，试件箱底部设置有接入循环供排水系统的排水管。

工作时，显示终端可采用计算机，并以计算机作为控制终端；通过电热丝和制冷装置调节试件箱内的温度，实现温度控制；通过风机、红外辐射加热灯和雨雪模拟喷淋装置模拟风蚀、日晒和雨雪气象，实现设备的设计功能，同时，红外辐射加热灯可用于联合电热丝快速调节试件箱内试件温度，风机与红外辐射加热灯配合可实现对试件的快速干燥除湿。设置在试件箱下方的循环供排水系统可以回收雨雪模拟喷淋装置的水，经过滤处理后循环使用，降低设备耗水量，利于设备放置在不便于布设供排水管路的环境下使用。

环境监测系统用于监测设备的工作状态，防止出现故障后对试验试件和参数造成不可恢复的严重损失。

优选的，监测系统还包括水质传感器，安装在循环供排水系统内，与数据采集器电性连接，用于监测循环水质，防止循环用水在循环过程中PH值等参数严重偏离模拟条件造成试验数据失真，同时用于采集试件风化过程中对水质的影响数据。

优选的，本设计还包括主箱体附加装置，包括四角硅胶垫、把手和行走轮系。四角硅胶垫用于防止主箱体意外碰损，把手方便提拉拖行，行走轮系采用芯轴对称转动的三轮结构，方便转运、上下楼梯。

优选的，试件箱门采用双层门结构，外层门可独立打开，内层门为PC透明材料制作，方便试验过程中对试件进行不破坏试验环境的目视观察。优选的，试件箱内可选安装便于拆装组合的保温隔板与试件架；保温隔板用于分隔试件箱，使试件箱内的多个试件相互隔离，避免同一批试验过程中试件之间相互影响试验数据精度；试件架用于将试件悬空，防止试件箱底部因排水效率问题影响试验数据精度。

优选的，本设计还包括太阳能供电装置，包括光伏电池板、支撑座、伸缩杆和驱动器，其中支撑座安装在主箱体顶部一侧，伸缩杆下端铰接在支撑座上，伸缩杆上端固定安装在光伏电池板背面，驱动器安装在伸缩杆内，驱动器用于驱动伸缩杆上端相对伸缩杆下端转动。工作时，伸缩杆依托与支撑座的铰接抬起，并通过伸缩杆上端相对下端的转动调整倾斜角度，从而最大效率的追踪光源提高光伏电池板效率，通常情况下，在追踪太阳光照时，伸缩杆应与赤道面垂直，此时通过驱动器定时驱动即可稳定追踪太阳角度。

优选的，循环供排水系统包括淋溶液水室、净化水室、净化介质、普通水室、排污室、检测室、取样室和水泵室；其中淋溶液水室设置在试件箱下方，与排水管连通，净化水室与普通水室并列设置在淋溶液水室下方，检测室与取样室分别设置在淋溶液水室两侧，排污室与水泵室分别设置在净化水室、普通水室两侧。

淋溶液水室侧下部设置有连接排污室的排污槽，水质传感器安装在检测室内并将检测端伸入淋溶液水室，取样室内安装有连通淋溶液水室的水龙头，净化水室上段安装有净化介质，并通过净化介质与淋溶液水室连通，水泵室内安装有净化水室水泵和普通水室水泵，净化水室水泵进口端连通至净化水室，排水口连接水泵三通，普通水室水泵进口端连接至普通水室，排水口连接水泵三通，水泵三通与导流管连接。

工作时，普通水室用于补水，排污室用于收集排除污物，水流由净化水室或普通水室通过泵输送喷淋后，经排水管回流至淋溶液水室，水中污物沉淀滑入排污槽并周期性由排污槽排入排污室，同时水通过净化介质过滤，进入净化水室下段并储存，完成循环利用。过程中水质传感器监测水质，取样室、水龙头可用于水质变化的取样存档或详细分析。

本实用新型提供了一种冻融干湿循环试验机，在一台设备中可同时模拟气象环境与温度变化，提高了对材料风化试验数据采集的效率，并且利用太阳能供电，循环使用水，并能有效防止循环水变质影响实验数据采集，清洁环保。

附图说明：

附图1是本实用新型一种冻融干湿循环试验机具体实施例结构示意图；

附图2是本实用新型一种冻融干湿循环试验机具体实施例数据采集系统连接结构示意图；

附图3是本实用新型一种冻融干湿循环试验机具体实施例太阳能供电装置局部结构示意图；

附图4是本实用新型一种冻融干湿循环试验机具体实施例气象模拟装置结构示意图；

附图5是本实用新型一种冻融干湿循环试验机具体实施例循环供排水系统结构示意图；

附图6是本实用新型一种冻融干湿循环试验机具体实施例制冷装置连接结构示意图；。

图中：主箱体1、电气柜101、把手102、行走轮系103、试件箱2、制冷装置4、电动机401、制冷管402、制冷压缩机403、冷凝器404、节流阀405、蒸发器406、电磁阀407、过滤器408、气象模拟装置5、风机501、红外辐射加热灯502、多用喷头503、导流管504、循环供排水系统6、淋溶液水室601、净化水室602、净化介质603、普通水室604、排污室605、检测室606、取样室607、水泵室608、环境温湿度传感器701、流量传感器702、水质传感器703、数据采集器704、显示终端705、光伏电池板801、支撑座802、伸缩杆803、驱动器804。

具体实施方式：

一种冻融干湿循环试验机，包括主箱体1、试件箱2、加热装置、制冷装置4、气象模拟装置5、循环供排水系统6、监测系统和数据采集系统。

其中，主箱体1为金属方箱，试件箱2为保温材料制作的有门方箱，安装在主箱体1内，主箱体1内试件箱侧面设置有电气柜101，气象模拟装置5安装在试件箱2上方，循环供排水系统6安装在试件箱2下方。

加热装置为电热丝，安装在试件箱内；制冷装置4为压缩机制冷系统，包括电动机401、制冷管402、制冷压缩机403、冷凝器404、节流阀405、蒸发器406、电磁阀407和过滤器408，其中蒸发器406安装于试件箱2内，电动机401、制冷管402、制冷压缩机403、冷凝器404、节流阀405、电磁阀407和过滤器408安装在电气柜内；蒸发器406与电热丝间隔贴附在试件箱2内壁上。

上述制冷装置4中，电动机401驱动制冷压缩机403，制冷压缩机403出口、冷凝器404、过滤器408、制冷管402、电磁阀407、节流阀405、蒸发器406、制冷压缩机403进口顺次连接形成制冷回路。

气象模拟装置5包括风机501、红外辐射加热灯502和雨雪模拟喷淋装置，其中风机501与红外辐射加热灯502安装在试件箱顶部，雨雪模拟喷淋装置包括多用喷头503和导流管504，多用喷头503安装在试件箱2顶部并与导流管504连通。

监测系统包括环境温湿度传感器701、流量传感器702、水质传感器703、数据采集器704和显示终端705，其中环境温湿度传感器701安装在试件箱2内，流量传感器702安装在导流管504上，水质传感器703安装在循环供排水系统内6，环境温湿度传感器701、流量传感器702与水质传感器703电性连接数据采集器704，数据采集器704电性连接显示终端705，显示终端705为电脑。

数据采集系统为试件传感器组，设置在试件箱2内，试件传感器组根据试验需求选用传感器类型与数理，可选传感器包括但不限于试件温湿度传感器、重量传感器、PH传感器、电导率传感器、光学摄像机、红外摄像机。

上述导流管504接入循环供排水系统6，试件箱2底部设置有接入循环供排水系统6的排水管。

工作时，显示终端705可采用计算机，并以计算机作为控制终端；通过电热丝和制冷装置4调节试件箱2内的温度，实现温度控制；通过风机501、红外辐射加热灯502和雨雪模拟喷淋装置模拟风蚀、日晒和雨雪气象，实现设备的设计功能，同时，红外辐射加热灯502可用于联合电热丝快速调节试件箱2内试件温度，风机501与红外辐射加热灯502配合可实现对试件的快速干燥除湿。设置在试件箱2下方的循环供排水系统6可以回收雨雪模拟喷淋装置的水，经过滤处理后循环使用，降低设备耗水量，利于设备放置在不便于布设供排水管路的环境下使用。

环境监测系统用于监测设备的工作状态，防止出现故障后对试验试件和参数造成不可恢复的严重损失，水质传感器用于监测循环水质，防止循环用水在循环过程中PH值等参数严重偏离模拟条件造成试验数据失真，同时用于采集试件风化过程中对水质的影响数据。

主箱体1外安装有附加装置，包括四角硅胶垫、把手102和行走轮系103。四角硅胶垫用于防止主箱体1意外碰损，把手102方便提拉拖行，行走轮系103采用芯轴对称转动的三轮结构，方便转运、上下楼梯。

试件箱门采用双层门结构，外层门可独立打开，内层门为PC透明材料制作，方便试验过程中对试件进行不破坏试验环境的目视观察。试件箱内可选安装便于拆装组合的保温隔板与试件架；保温隔板用于分隔试件箱，使试件箱内的多个试件相互隔离，避免同一批试验过程中试件之间相互影响试验数据精度；试件架用于将试件悬空，防止试件箱底部因排水效率问题影响试验数据精度。

本设计还包括太阳能供电装置，包括光伏电池板801、支撑座802、伸缩杆803和驱动器804，其中支撑座802安装在主箱体1顶部一侧，伸缩杆803下端铰接在支撑座802上，伸缩杆803上端固定安装在光伏电池板801背面，驱动器804安装在伸缩杆内，驱动器804用于驱动伸缩杆803上端相对伸缩杆803下端转动。工作时，伸缩杆803依托与支撑座802的铰接抬起，并通过伸缩杆803上端相对下端的转动调整倾斜角度，从而最大效率的追踪光源提高光伏电池板801效率，通常情况下，在追踪太阳光照时，伸缩杆803应与赤道面垂直，此时通过驱动器804定时驱动即可稳定追踪太阳角度。在光伏板801放平时，光伏板801四角通过四角硅胶垫接触主箱体1，防止晃动与碰损。

循环供排水系统6包括淋溶液水室601、净化水室602、净化介质603、普通水室604、排污室605、检测室606、取样室607和水泵室608；其中淋溶液水室601设置在试件箱2下方，与排水管连通，净化水室602与普通水室604并列设置在淋溶液水室601下方，检测室606与取样室607分别设置在淋溶液水室601两侧，排污室605与水泵室608分别设置在净化水室602、普通水室604两侧。

淋溶液水室601侧下部设置有连接排污室605的排污槽，水质传感器703安装在检测室606内并将检测端伸入淋溶液水室601，取样室607内安装有连通淋溶液水室601的水龙头，净化水室602上段安装有净化介质603，并通过净化介质603与淋溶液水室601连通，水泵室608内安装有净化水室水泵和普通水室水泵，净化水室水泵进口端连通至净化水室602，排水口连接水泵三通，普通水室水泵进口端连接至普通水室604，排水口连接水泵三通，水泵三通与导流管504连接。

工作时，普通水室604用于补水，排污室605用于收集排除污物，水流由净化水室602或普通水室604通过泵输送喷淋后，经排水管回流至淋溶液水室601，水中污物沉淀滑入排污槽并周期性由排污槽排入排污室605，同时水通过净化介质603过滤，进入净化水室602下段并储存，完成循环利用。过程中水质传感器703监测水质，取样室607、水龙头可用于水质变化的取样存档或详细分析。

Claims (5)

1.一种冻融干湿循环试验机，其特征在于，包括主箱体、试件箱、加热装置、制冷装置、气象模拟装置、循环供排水系统、监测系统和数据采集系统；

其中，主箱体为金属方箱，试件箱为保温材料制作的有门方箱，安装在主箱体内，主箱体内试件箱侧面设置有电气柜，气象模拟装置安装在试件箱上方，循环供排水系统安装在试件箱下方；

加热装置为电热丝，安装在试件箱内；

制冷装置为压缩机制冷系统，包括电动机、制冷管、制冷压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、电磁阀和过滤器，其中蒸发器安装于试件箱内，电动机、制冷管、制冷压缩机、冷凝器、节流阀、电磁阀和过滤器安装在电气柜内；

气象模拟装置包括风机、红外辐射加热灯和雨雪模拟喷淋装置，其中风机与红外辐射加热灯安装在试件箱顶部，雨雪模拟喷淋装置包括多用喷头和导流管，多用喷头安装在试件箱顶部并与导流管连通；

监测系统包括环境温湿度传感器、流量传感器、数据采集器和显示终端，其中环境温湿度传感器安装在试件箱内，流量传感器安装在导流管上，环境温湿度传感器与流量传感器电性连接数据采集器，数据采集器电性连接显示终端；

数据采集系统为试件传感器组，设置在试件箱内；

上述导流管接入循环供排水系统，试件箱底部设置有接入循环供排水系统的排水管。

2.如权利要求1所述的一种冻融干湿循环试验机，其特征在于，所述监测系统还包括水质传感器，安装在循环供排水系统内，与数据采集器电性连接。

3.如权利要求1所述的一种冻融干湿循环试验机，其特征在于，还包括主箱体附加装置，包括四角硅胶垫、把手和行走轮系。

4.如权利要求3所述的一种冻融干湿循环试验机，其特征在于，还包括太阳能供电装置，包括光伏电池板、支撑座、伸缩杆和驱动器，其中支撑座安装在主箱体顶部一侧，伸缩杆下端铰接在支撑座上，伸缩杆上端固定安装在光伏电池板背面，驱动器安装在伸缩杆内，驱动器用于驱动伸缩杆上端相对伸缩杆下端转动。

5.如权利要求2所述的一种冻融干湿循环试验机，其特征在于，所述循环供排水系统包括淋溶液水室、净化水室、净化介质、普通水室、排污室、检测室、取样室和水泵室；其中淋溶液水室设置在试件箱下方，与排水管连通，净化水室与普通水室并列设置在淋溶液水室下方，检测室与取样室分别设置在淋溶液水室两侧，排污室与水泵室分别设置在净化水室、普通水室两侧；

淋溶液水室侧下部设置有连接排污室的排污槽，水质传感器安装在检测室内并将检测端伸入淋溶液水室，取样室内安装有连通淋溶液水室的水龙头，净化水室上段安装有净化介质，并通过净化介质与淋溶液水室连通，水泵室内安装有净化水室水泵和普通水室水泵，净化水室水泵进口端连通至净化水室，排水口连接水泵三通，普通水室水泵进口端连接至普通水室，排水口连接水泵三通，水泵三通与导流管连接。

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