[发明专利]一种真空管道磁悬浮岩土离心机

说明书

本发明属于土工离心模型试验技术领域，具体为一种真空管道磁悬浮岩土离心机，永磁轨道沿着真空管道轴向的固定于真空管道内壁，车体试验舱放置在永磁轨道上，直线电机的定子和转子分别固定于真空管道内壁以及车体试验舱上，直线驱动电机驱动车体试验舱开始沿永磁轨道运转；车体试验舱为密封结构；真空管道与真空设备连接，数据采集设备安装在车体试验舱，数据采集设备与无线传输设备连接，无线传输设备与地面试验室计算机无线通信连接；供电设备为各用电设备提供电源。本发明利用真空管道技术与磁悬浮技术相结合的方式，达到提高离心机转速的效果，继而达到提高离心机半径、最大容量、最大加速度和精度水平的目的。

技术领域

本发明属于土工离心模型试验技术领域，具体为一种真空管道磁悬浮岩土离心机。

背景技术

土工离心模型试验技术是研究岩土工程问题的重要方法。对于多数岩土工程结构，其受力状态和变形特性很大程度上取决于本身所受到的重力，特别是高土石建筑物，重力作用决定了其应力变形特性。而土工离心模型试验技术可以模拟原型的自重应力而成为研究大型岩土工程问题不可替代的手段之一。

土工离心模型试验技术是将缩小尺寸的土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的离心加速度的作用，补偿因为模型缩尺带来的土工构筑物自重损失。

目前现有的主流离心机全部是转臂式离心机，典型的转臂式土工离心机是一种绕固定轴旋转的机械结构，主要由传动系统、转动系统、上下仪器舱、集流环和旋转接头等组成。其工作原理是通过旋转电机驱动一根巨大的转臂，转臂两端分别是吊篮以及用于平衡的配重，将提前做好的试验模型放入吊篮内，通过调节配重使得两边重量一致，以尽量消除转轴受到的不平衡力。进行试验时，通过转臂的旋转为试验模型提供所需的离心加速度，随着离心机转速提升，离心加速度逐渐增大，本身垂直于地面的吊篮受离心力作用慢慢向外摆动，最终呈现近似水平的状态，在离心加速度达到目标数值后就可以开始进行各项试验。

世界上最早的离心机诞生于1931年的美国哥伦比亚大学，之后世界各国开始陆续建造和利用离心机进行土力学研究。美国加利福尼亚大学戴维斯分校有一台世界上最大的土工离心机，其半径9.2m，最大加速度300g，载荷3600kg，容量1080g-t；日本大阪市立大学1963年建造了日本第一台土工离心机并用于离心模型试验，据统计日本建造的离心机共40余台。我国的土工离心机建造开始于上世纪70年代，水利部长江水利委员会长江科学院研制建成了国内第一台容量为180g-t的土工离心机，1983年投入运行，之后中国水利水电科学研究院、南京水利科学研究院、河海大学、浙江大学、同济大学、成都理工大学等也建造了一系列土工离心机。

近年来，我国岩土工程实践的不断发展，离心模型试验技术也在不断进步，但随着时代的发展，我们面临的问题将越来越复杂，如300m以上高坝的安全性分析、千米级深地或深海工程、大时间跨度地下环境污染研究、大尺度城市抗震安全、千米尺度飞行器撞击及高能爆炸研究等等，相应地对岩土离心机的性能也提出了更高的要求。当前全球所建设的岩土离心机最大半径也仅为10m左右，容量也多为1000g·t以下，显然都无法满足这些未来可预见的问题所需。近年来，国内外也有新建或在计划中的新离心机，但在离心机的性能提升方面进展不大，这主要是臂式离心机自身的结构特点造成的，转臂长度的上限不高，且安全性差。例如韩国的KOWACO600g-t离心机，该离心机于2005年开始修建，该离心机半径为8m，模型箱尺寸为2m×2m×2m，在120g下可负载5t，在200g下可负载2t。但该机于2007年发生转臂断裂，所幸由于该机离心机室位于地下，未造成更严重后果。由此可见，在考虑提升岩土离心机性能的同时，离心机本身的安全和稳定也需要认真考虑。事实上悬臂式离心机性能提升的最大制约条件正是转臂的材料强度参数。悬臂式离心机主机转臂大都为钢制，钢材的最大优点是性价比高，要找到一种性价比高于钢材的材料应用于离心机转臂几乎可以说是不可能的。而钢材的缺点也很明显，就是其强度很有限，成为了离心机性能提高的瓶颈。

材料强度的限制造成臂式离心机半径、容量难以提升，同样试验精度也无法提高，也就无法满足前述的未来岩土工程实践问题的要求。