(1.湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司，湖北 武漢 430000；2.湖北省武昌實(shí)驗(yàn)中學(xué)，湖北 武漢 430000)

1 引 言

土力學(xué)是土木工程、水利工程以及工程管理學(xué)科等相關(guān)專業(yè)的一門基礎(chǔ)核心課程，且土力學(xué)實(shí)驗(yàn)在該課程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。顆粒分析實(shí)驗(yàn)是土力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的常規(guī)實(shí)驗(yàn)之一，其中常常需要用到一定粒徑大小的土粒。篩析法是將土樣通過各種不同孔徑的篩子，并按照篩子孔徑的大小將顆粒加以分組，然后再稱量并計(jì)算出各個(gè)粒組占總量的百分?jǐn)?shù)。

傳統(tǒng)的篩析在篩土過程中需要人工用不同孔徑的篩子一級(jí)級(jí)地進(jìn)行篩分，程序煩瑣，不僅效率低，還會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，嚴(yán)重影響人體健康[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們研制出微型的電動(dòng)篩土機(jī)，但篩選過程中需要?jiǎng)恿ρb置，容易受到篩分場地限制，造成資源浪費(fèi)。因此，研究一種實(shí)驗(yàn)室細(xì)粒土土工篩裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)土顆粒篩選過程中簡單實(shí)用、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等目標(biāo)，以期為提升細(xì)粒土篩選效率提供參考。

為解決現(xiàn)有細(xì)粒土篩選裝置篩選效率低等問題，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外顆粒篩選裝置所存在的問題，劉義倫等對顆粒土篩選裝置的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了深入分析[2]。大多數(shù)學(xué)者從篩分效率角度出發(fā)，如霍魯鋒等通過改善篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將篩子層層排列組成篩網(wǎng)對不同直徑的素土顆粒進(jìn)行篩分，得到與篩子孔徑大小相對應(yīng)的顆粒[3]；張利民等設(shè)計(jì)增加動(dòng)力裝置，節(jié)省了人工勞動(dòng)，在大量素土顆粒篩分時(shí)可大大提高篩分效率[4]，但未結(jié)合實(shí)際使用現(xiàn)狀以及從經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行的角度出發(fā)對篩選裝置進(jìn)行綜合考慮?；诖?，本文綜合考慮效率、成本、精度、安全等因素，以簡單實(shí)用為原則，結(jié)合人工與機(jī)械，采用手拉移動(dòng)式振動(dòng)的機(jī)械篩選方式，同時(shí)摒棄動(dòng)力裝置，降低制造成本，節(jié)省用電能源，設(shè)計(jì)出一種可拆卸、更換篩網(wǎng)的細(xì)粒土土工篩裝置。

2 總體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

通過對比研究分析傳統(tǒng)篩選裝置結(jié)構(gòu)，本裝置的設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)簡單的角度出發(fā)摒棄了經(jīng)典的電動(dòng)機(jī)通過動(dòng)力裝置實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩選的方式，設(shè)計(jì)為手拉移動(dòng)式振動(dòng)方式。該方式不僅結(jié)構(gòu)簡單可靠、操作方便，還可以在一定程度上達(dá)到節(jié)能的目的。為適應(yīng)不同顆粒形狀、半徑大小對實(shí)驗(yàn)篩選的要求，在力求可靠簡單的基礎(chǔ)上，將篩土箱設(shè)計(jì)為可方便拆卸更換的結(jié)構(gòu)型式，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)為一款結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用的多功能顆粒土土工篩選裝置(見圖1)，包括進(jìn)料斗、篩土箱和滑槽。

圖1 實(shí)驗(yàn)室細(xì)粒土土工篩裝置的總體結(jié)構(gòu)

篩土箱是由三面箱板及擋板圍合構(gòu)成的中空的直四棱柱體。在與擋板相交的箱板側(cè)邊連接L形的嵌入槽，使擋板插入嵌入槽后相對于箱板固定，避免松動(dòng)；擋板上設(shè)手拉柄，方便在移動(dòng)篩土箱過程中出力。同時(shí)在檔板與箱板的相交處安裝固定栓，螺絲插入固定栓后能夠限制擋板的相對移動(dòng)；在三面箱板內(nèi)側(cè)由上向下依次布置四層互相平行的凹槽，用于分層插接篩網(wǎng)，每層篩網(wǎng)的孔徑不相同；篩土箱頂端連接進(jìn)料斗，進(jìn)料斗為貫通兩端面的斜四棱柱體，其側(cè)棱與底面的夾角為70°；篩土箱下部裝有滑輪，滑輪安裝于固定在地面或者平臺(tái)上的滑槽內(nèi)。

2.2 關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

2.2.1 進(jìn)料口設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)時(shí)為避免土顆粒傾倒過程中由于操作失誤引起素土顆粒沒有完全進(jìn)行篩分，將設(shè)計(jì)一傾斜式的進(jìn)料口，其側(cè)棱與底面夾角設(shè)置為70°，在使用時(shí)可防止素土下降時(shí)撒落在裝置外面，造成計(jì)量誤差，同時(shí)可加快素土顆粒的輸入速度，進(jìn)一步提升了細(xì)粒土顆粒的篩選效率，見圖2。

2.2.2 篩子網(wǎng)設(shè)計(jì)

為明確按照細(xì)粒土顆粒直徑大小進(jìn)行分類，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)室細(xì)粒土篩分效率，該篩子網(wǎng)裝置由若干個(gè)不同孔徑的篩子縱向排列組成，其中篩子按照孔徑大小從上至下依次排列，使細(xì)粒土顆粒能夠根據(jù)篩網(wǎng)孔徑從大到小被篩分出來。同時(shí)，篩子可通過凹槽進(jìn)行拆卸和更換，在實(shí)驗(yàn)過程中可對黏在篩子網(wǎng)上沒有充分篩分的顆粒再次進(jìn)行人工手動(dòng)篩分，提高篩分的精確性；也可以針對實(shí)驗(yàn)對不同直徑的細(xì)粒土顆粒的需求選擇相對應(yīng)孔徑的篩網(wǎng)，如此不僅延長了所設(shè)計(jì)土工篩裝置的使用壽命，而且滿足了不同直徑的細(xì)粒土顆粒的篩選需求。篩子拆卸如圖3所示。

圖3 篩子拆卸示意圖

2.2.3 平移滑動(dòng)結(jié)構(gòu)

滑動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，為了使手動(dòng)振動(dòng)篩選過程更加省力方便，在原篩土箱下面設(shè)置四個(gè)滑輪，同時(shí)在下方安裝一固定滑槽，采用手拉固定栓來回移動(dòng)篩土箱的方式，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)素土篩分顆粒的目的，由于篩分裝置結(jié)構(gòu)輕便簡單，可以方便在不同地點(diǎn)對土顆粒進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)。

圖4 平移滑動(dòng)裝置

3 工作原理

實(shí)驗(yàn)室細(xì)粒土土工篩裝置的工作原理如下：

使用時(shí)，將0.075mm、0.25mm、0.5mm、1.0mm、2.0mm篩子嵌入篩土箱的凹槽中，形成篩網(wǎng)。然后將擋板插入擋板嵌入槽，并用固定栓固定，避免素土在振動(dòng)篩分過程中撒落出來。

隨之將帶有滑輪的篩土箱放置于固定在地面或平臺(tái)的滑槽上，將準(zhǔn)備好的土實(shí)驗(yàn)樣品緩慢倒入進(jìn)料斗，人工拉動(dòng)手拉柄讓篩土箱在滑槽上前后滑動(dòng)，使素土顆粒在各孔徑篩子上篩動(dòng)，達(dá)到篩分的目的。

篩分結(jié)束后打開固定栓，移開擋板取下各孔徑的篩子，分別稱量留在篩子以及活動(dòng)箱底部的顆粒土重量，若素土顆粒篩分不完全，則可通過人工方式進(jìn)行手動(dòng)篩分，進(jìn)一步提高篩分的準(zhǔn)確性。最后繪制素土顆粒粒徑的分布曲線，對土顆粒進(jìn)行分類，整個(gè)篩分試驗(yàn)即可實(shí)現(xiàn)。

由此可以看出，可以簡單方便地通過平移滑動(dòng)細(xì)粒土土工篩裝置實(shí)現(xiàn)手拉振動(dòng)，從而對細(xì)粒土顆粒進(jìn)行有效的篩選，且通過對裝置配備可拆卸更換的篩網(wǎng)，不僅提高了細(xì)顆粒土的篩分準(zhǔn)確性，更延長了細(xì)粒土土工篩裝置的使用壽命。

4 性能實(shí)驗(yàn)

為證明所設(shè)計(jì)裝置的合理性，本文采用實(shí)驗(yàn)對比分析方法，準(zhǔn)備300g素土，分別運(yùn)用人工篩子、電動(dòng)篩土機(jī)，以及本文設(shè)計(jì)的土工篩裝置進(jìn)行篩分，確定細(xì)粒土顆粒各孔徑比例所占百分比，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 篩分比選

由圖5可知，隨著時(shí)間的推移，三種篩分方式最終的篩分結(jié)果趨于一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了本裝置的設(shè)計(jì)合理性。從時(shí)間角度來看，電動(dòng)篩土機(jī)t1=187s<土工篩裝置t2=920s<人工篩子t3=1720s，通過比較，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)篩土機(jī)篩分細(xì)粒土所花時(shí)間為187s，最短，效率最高；人工所花時(shí)間為1720s，最長，效率最低。本文設(shè)計(jì)裝置介于兩者之間，有著較強(qiáng)的協(xié)調(diào)作用；從實(shí)驗(yàn)精度角度來看，人工篩分和本裝置篩分結(jié)果相近，但電動(dòng)篩土機(jī)篩分結(jié)果與前兩者有一定的差距，原因可能是電動(dòng)篩分不充分，導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。

另外從成本角度考慮，電動(dòng)篩土機(jī)在使用過程中需要使用動(dòng)力裝置，會(huì)涉及電能源的消耗，并且電動(dòng)篩土機(jī)在制作過程中涉及的設(shè)備構(gòu)件價(jià)格較貴，制作成本較高，不宜大量推廣使用；從環(huán)境安全角度考慮，人工篩選素土顆粒過程中會(huì)引發(fā)大量的粉塵，造成環(huán)境污染，容易被人們吸收，不利于人們的身體健康。

綜合來講，在大量土顆粒篩分情況下，可選擇電動(dòng)篩土機(jī)進(jìn)行篩分，提高細(xì)粒土篩分效率。若考慮到能源節(jié)約以及場地限制等其他條件，本文所設(shè)計(jì)的裝置具有一定的推廣性。

5 結(jié) 論

針對實(shí)驗(yàn)室細(xì)粒土篩選效率低、能源損耗大等問題，綜合考慮了細(xì)粒土顆粒篩選的效率、精度、成本、安全等因素，設(shè)計(jì)了一種相對有效的實(shí)驗(yàn)室細(xì)粒土土工篩裝置。該土工篩結(jié)構(gòu)相對簡單，創(chuàng)新點(diǎn)在于設(shè)計(jì)了可拆卸更換的篩子網(wǎng)，極大地提高了篩選效率，在一定程度上可控制篩分精度，延長了篩選裝置的使用壽命，同時(shí)設(shè)計(jì)了可以平移振動(dòng)的滑動(dòng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省了勞動(dòng)力。

通過對電動(dòng)篩土機(jī)、土工篩裝置、人工篩子的篩分實(shí)驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)篩土機(jī)的篩分效率最高、人工篩子的篩分精度最高，但在使用過程中，本文所設(shè)計(jì)的土工篩篩分裝置綜合考慮了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣性。

隨著科技的進(jìn)步和設(shè)備裝置部件制作工藝的提高，細(xì)粒土的篩選方式在使用中還將不斷得到改進(jìn)，進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)后的篩分裝置可用于其他顆粒物的篩分。