全自動往復式砂土試樣制備儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及試驗設備，是一種基于砂雨法制樣的基本原理自主開發(fā)研制的全自動往復式砂土試樣制備儀。
【背景技術】
[0002]土工模型實驗對試驗設備、試驗材料和模型制樣都有較高的要求，其中試樣制備環(huán)節(jié)是模型實驗中至關重要的技術環(huán)節(jié)。對于砂土試樣，常見的制樣方法有:振動法、分層擊實法和砂雨法等。由于砂雨法模擬砂土在風力或水流作用下的沉積，其成型的試樣與實際的天然砂土層更為接近，因此，在砂土的土工模型實驗中得到廣泛應用。清華大學的濮家騮教授等在1988年研究淺基礎承載力的離心機模型實驗中，采用了往復運動的扁嘴漏斗撒砂進行砂雨法裝樣。南京水科院的徐光明等1996年對離心模型中粒徑效應和邊界效應進行研究時，也采用了砂雨法。通過單孔漏斗在模型箱中分層制備試樣。
[0003]目前，國內(nèi)許多高校對土工模型試驗中砂土的成樣方法開展了針對性研究。大連理工大學巖土工程研究所的郭瑩等根據(jù)砂土靜力三軸試驗結果討論了砂土不同成樣方法對試樣剪切強度的影響。研究發(fā)現(xiàn)砂土成樣方法對三軸試驗的結果有著較大的影響，同時也指出，砂土的成樣方法對松砂和中密砂的影響較大，但對密砂的影響較小；河海大學巖土工程研究所的周云東等基于真三軸試驗結果也進一步討論了不同裝樣方法對砂土試樣的影響；浙江大學的吳建平等對砂雨法成型中漏斗大小問題，分別采用了動、靜三軸和共振柱三種試驗方式進行了試驗研究，總結了漏斗形狀和砂土平均落距對試樣密度大小分布范圍的影響規(guī)律，提出了漏斗管徑與砂土最大粒徑比值的理想范圍。楊俊杰等在砂土地基承載力的離心模型實驗中采用空中落砂法制備砂土模型地基，并討論了粒徑效應。英國劍橋大學的Madabhushi等在2006年自主研發(fā)了一套砂雨裝置，主要采用單孔漏斗，通過調(diào)整落距讓砂自然灑落，制備了不同密實度的砂土模型試樣。在此基礎上大連理工大學曾虹靜、王忠濤等同樣采用單孔漏斗，通過吊車導鏈懸掛，編寫命令語句讓漏斗沿著滑槽移動規(guī)定路徑，在淺基礎承載特性試驗中進行了砂土制樣，試驗發(fā)現(xiàn)由于電機控制精度不足和漏斗的輕微晃動，導致了同樣制備條件下砂土試樣的密度在5%范圍內(nèi)出現(xiàn)了波動。
[0004]由此可見，盡管以往研究成果對砂土裝樣方法進行了改進，但制樣的自動化程度仍然較低，人為因素影響很大，試樣的均勻性和制樣重復性不能充分保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是:提供一種全自動往復式砂土試樣制備儀，能夠準確實現(xiàn)砂土試樣的均勻制備過程。
[0006]本發(fā)明是由以下技術方案來實現(xiàn)的:一種全自動往復式砂土試樣制備儀，其特征是:它包括剛性框架、垂直升降系統(tǒng)、移動橫梁、水平移動系統(tǒng)、導向組件、移動支架、漏斗組件、沙箱、測距儀和PLC可編程控制器，所述剛性框架為四根立柱支撐的固定橫梁，兩組垂直升降系統(tǒng)分別置于剛性框架的兩側，垂直升降系統(tǒng)的上端與剛性框架的固定橫梁固連、下端與剛性框架鉸接，移動橫梁置于剛性框架內(nèi)、兩端分別與垂直升降系統(tǒng)固連，水平移動系統(tǒng)置于移動橫梁上面并固連，導向組件置于移動橫梁上、一端與移動橫梁固連，移動支架同時套接在水平移動系統(tǒng)和移動橫梁上，移動支架與水平移動系統(tǒng)固連、與導向組件的另一端固連，漏斗組件吊裝在移動支架下端，砂箱置于剛性框架的底面上，測距儀置于漏斗組件上并固連，PLC可編程控制器置于剛性框架上并固連，垂直升降系統(tǒng)、水平移動系統(tǒng)和測距儀均分別與PLC可編程控制器電連接。
[0007]所述垂直升降系統(tǒng)的結構是:它包括調(diào)速電機、聯(lián)軸器、第一絲杠、第一絲母和連接座，所述調(diào)速電機置于剛性框架的橫梁上并固連，第一絲杠的上端通過聯(lián)軸器與調(diào)速電機的動力軸固連、下端與剛性框架鉸接，第一絲母與第一絲杠螺紋連接，連接座套接在第一絲母上并與移動橫梁固連，調(diào)速電機與PLC可編程控制器電連接。
[0008]所述水平移動系統(tǒng)的結構是:它包括限位支座、第二絲杠、調(diào)速電機、聯(lián)軸器和第二絲母，所述限位支座內(nèi)置支撐套、置于移動橫梁上并固連，第二絲杠穿裝在限位支座內(nèi)置的支撐套內(nèi)、并通過支撐套與限位支座固連，第二絲杠一端伸出限位支座外，調(diào)速電機置于移動橫梁上、限位支座外的第二絲杠端頭并固連，調(diào)速電機的動力軸通過聯(lián)軸器與第二絲杠固連，第二絲母與第二絲杠螺紋連接，第二絲母置于移動支架內(nèi)并固連，調(diào)速電機與PLC可編程控制器電連接。
[0009]所述導向組件的結構是它包括導軌和滑塊，所述導軌置于移動橫梁上并固連，所述滑塊置于移動支架內(nèi)并固連，導軌與滑塊滑動連接。
[0010]所述漏斗組件的結構是:它包括漏斗主體和開口調(diào)距部件，所述漏斗主體吊裝于移動支架下端，開口調(diào)距部件置于漏斗主體的鴨嘴處并固連，開口調(diào)距部件的本體底面固連測距儀。
[0011]所述開口調(diào)距部件的結構是:它包括本體、寬度擋板、連接桿、手輪和鎖緊螺母，所述本體置于漏斗主體的鴨嘴處并固連，本體設置垂直漏砂口，寬度擋板置于本體內(nèi)并滑動連接，連接桿為螺桿且與本體螺紋連接，置于水平位置的連接桿一端伸入本體內(nèi)與寬度擋板鉸接、另一端位于本體外固連手輪，鎖緊螺母置于本體外、與連接桿螺紋連接。
[0012]所述第一絲杠和第一絲母、第二絲杠和第二絲母均為滾珠絲杠和滾珠絲母。
[0013]所述支撐套為滾動軸承。
[0014]所述測距儀為激光測距傳感器。
[0015]本發(fā)明的工作過程是:漏斗主體內(nèi)的砂由鴨嘴通過調(diào)距部件進行砂雨灑落并由開口調(diào)距部件控制砂的流速；固連在漏斗組件上的測距儀實時監(jiān)測漏斗組件與砂面之間的距離；水平移動系統(tǒng)通過固連的移動支架帶動漏斗組件進行往復式運動，其滾珠絲杠副能夠精確控制漏斗組件的水平運動速度；導向組件在為移動支架及其固連的漏斗組件導向的同時還承受移動支架及其固連的漏斗組件重量帶來的壓力；垂直升降系統(tǒng)通過固連的移動橫梁帶動其上固連的水平移動系統(tǒng)、導向組件、移動支架、漏斗組件和測距儀垂直升降進行高度調(diào)整，能夠準確控制制樣時砂子的落距；PLC可編程控制器接收測距儀傳遞的量測數(shù)據(jù)、并控制調(diào)速電機運轉將移動橫梁自主提升或?qū)⒙┒方M件自主水平移動，從而實現(xiàn)該系統(tǒng)制樣的全程自動化。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明將調(diào)速電機、測距儀和PLC可控編程器等元件相結合，實現(xiàn)了砂雨法制備砂土試樣的自動化，其具有的優(yōu)點體現(xiàn)在: 1.采用了調(diào)速電機精確控制漏斗組件的水平行走速度，大幅度提高砂樣制備的均勻性；
2.采用了測距儀準確檢測漏斗組件與砂土表面的距離，并實時反饋信號，大幅度提高落距控制準確性；
3.采用了PLC可控編程器進行前期編程和行進中信號處理，實現(xiàn)砂土制樣全過程的自動化；
4.本發(fā)明從根本上避免了砂土制樣中人工操作影響，提高了砂土試樣的整體控制精度，為砂土模型試驗的前期試樣制備提供了技術支持。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的主視示意圖；
圖2為圖1的左視不意圖；
圖3為圖1的A局部放大示意圖；
圖4為本發(fā)明的垂直升降系統(tǒng)的結構示意圖；
圖5為本發(fā)明的水平移動系統(tǒng)的結構示意圖；
圖6為本發(fā)明的導向組件的結構示意圖；
圖7為圖6的B局部放大示意圖；
圖8為本發(fā)明的漏斗組件的結構示意圖；
圖9為圖8的左視不意圖；
圖10為圖9的C局部放大示意圖。
[0018]圖中:I垂直升降系統(tǒng)，2剛性框架，3移動橫梁，4水平移動系統(tǒng)，5移動支架，6漏斗組件，7砂箱，8導向組件，9第一絲杠，10第一絲母，11連接座，12調(diào)速電機，13聯(lián)軸器，14限位支座，15第二絲母，16第二絲杠，17滑塊，18導軌，19漏斗主體，20開口調(diào)距部件，21本體，22鎖緊螺母，23手輪，24連接桿，25寬度擋板。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0020]參見圖1?圖10，本發(fā)明一種全自動往復式砂土試樣制備儀，它包括剛性框架2、垂直升降系統(tǒng)1、移動橫梁3、水平移動系統(tǒng)4、導向組件8、移動支架5、漏斗組件6、砂箱7、測距儀、控制箱和PLC可編程控制器，所述剛性框架2為四根立柱支撐的固定橫梁，兩組垂直升降系統(tǒng)I分別置于剛性框架2的兩側，垂直升降系統(tǒng)I的上端與剛性框架2