细粒土土工筛装置设计改进方案探讨

(1.湖北水总水利水电建设股份有限公司，湖北 武汉 430000；2.湖北省武昌实验中学，湖北 武汉 430000)

1 引 言

土力学是土木工程、水利工程以及工程管理学科等相关专业的一门基础核心课程，且土力学实验在该课程中发挥着至关重要的作用。颗粒分析实验是土力学实验中的常规实验之一，其中常常需要用到一定粒径大小的土粒。筛析法是将土样通过各种不同孔径的筛子，并按照筛子孔径的大小将颗粒加以分组，然后再称量并计算出各个粒组占总量的百分数。

传统的筛析在筛土过程中需要人工用不同孔径的筛子一级级地进行筛分，程序烦琐，不仅效率低，还会产生大量的粉尘，严重影响人体健康[1]。随着社会经济的发展，人们研制出微型的电动筛土机，但筛选过程中需要动力装置，容易受到筛分场地限制，造成资源浪费。因此，研究一种实验室细粒土土工筛装置，能够实现土颗粒筛选过程中简单实用、经济节能等目标，以期为提升细粒土筛选效率提供参考。

为解决现有细粒土筛选装置筛选效率低等问题，结合当前国内外颗粒筛选装置所存在的问题，刘义伦等对颗粒土筛选装置的工作原理和结构特点进行了深入分析[2]。大多数学者从筛分效率角度出发，如霍鲁锋等通过改善筛网结构，将筛子层层排列组成筛网对不同直径的素土颗粒进行筛分，得到与筛子孔径大小相对应的颗粒[3]；张利民等设计增加动力装置，节省了人工劳动，在大量素土颗粒筛分时可大大提高筛分效率[4]，但未结合实际使用现状以及从经济合理运行的角度出发对筛选装置进行综合考虑。基于此，本文综合考虑效率、成本、精度、安全等因素，以简单实用为原则，结合人工与机械，采用手拉移动式振动的机械筛选方式，同时摒弃动力装置，降低制造成本，节省用电能源，设计出一种可拆卸、更换筛网的细粒土土工筛装置。

2 总体结构及关键部位设计

2.1 总体结构

通过对比研究分析传统筛选装置结构，本装置的设计从结构简单的角度出发摒弃了经典的电动机通过动力装置实现振动筛选的方式，设计为手拉移动式振动方式。该方式不仅结构简单可靠、操作方便，还可以在一定程度上达到节能的目的。为适应不同颗粒形状、半径大小对实验筛选的要求，在力求可靠简单的基础上，将筛土箱设计为可方便拆卸更换的结构型式，并进一步设计为一款结构简单、实用的多功能颗粒土土工筛选装置(见图1)，包括进料斗、筛土箱和滑槽。

图1 实验室细粒土土工筛装置的总体结构

筛土箱是由三面箱板及挡板围合构成的中空的直四棱柱体。在与挡板相交的箱板侧边连接L形的嵌入槽，使挡板插入嵌入槽后相对于箱板固定，避免松动；挡板上设手拉柄，方便在移动筛土箱过程中出力。同时在档板与箱板的相交处安装固定栓，螺丝插入固定栓后能够限制挡板的相对移动；在三面箱板内侧由上向下依次布置四层互相平行的凹槽，用于分层插接筛网，每层筛网的孔径不相同；筛土箱顶端连接进料斗，进料斗为贯通两端面的斜四棱柱体，其侧棱与底面的夹角为70°；筛土箱下部装有滑轮，滑轮安装于固定在地面或者平台上的滑槽内。

2.2 关键部位设计

2.2.1 进料口设计

在实验时为避免土颗粒倾倒过程中由于操作失误引起素土颗粒没有完全进行筛分，将设计一倾斜式的进料口，其侧棱与底面夹角设置为70°，在使用时可防止素土下降时撒落在装置外面，造成计量误差，同时可加快素土颗粒的输入速度，进一步提升了细粒土颗粒的筛选效率，见图2。

2.2.2 筛子网设计

为明确按照细粒土颗粒直径大小进行分类，进一步提高实验室细粒土筛分效率，该筛子网装置由若干个不同孔径的筛子纵向排列组成，其中筛子按照孔径大小从上至下依次排列，使细粒土颗粒能够根据筛网孔径从大到小被筛分出来。同时，筛子可通过凹槽进行拆卸和更换，在实验过程中可对黏在筛子网上没有充分筛分的颗粒再次进行人工手动筛分，提高筛分的精确性；也可以针对实验对不同直径的细粒土颗粒的需求选择相对应孔径的筛网，如此不仅延长了所设计土工筛装置的使用寿命，而且满足了不同直径的细粒土颗粒的筛选需求。筛子拆卸如图3所示。

图3 筛子拆卸示意图

2.2.3 平移滑动结构

滑动结构如图4所示，为了使手动振动筛选过程更加省力方便，在原筛土箱下面设置四个滑轮，同时在下方安装一固定滑槽，采用手拉固定栓来回移动筛土箱的方式，实现振动素土筛分颗粒的目的，由于筛分装置结构轻便简单，可以方便在不同地点对土颗粒进行筛分实验。

图4 平移滑动装置

3 工作原理

实验室细粒土土工筛装置的工作原理如下：

使用时，将0.075mm、0.25mm、0.5mm、1.0mm、2.0mm筛子嵌入筛土箱的凹槽中，形成筛网。然后将挡板插入挡板嵌入槽，并用固定栓固定，避免素土在振动筛分过程中撒落出来。

随之将带有滑轮的筛土箱放置于固定在地面或平台的滑槽上，将准备好的土实验样品缓慢倒入进料斗，人工拉动手拉柄让筛土箱在滑槽上前后滑动，使素土颗粒在各孔径筛子上筛动，达到筛分的目的。

筛分结束后打开固定栓，移开挡板取下各孔径的筛子，分别称量留在筛子以及活动箱底部的颗粒土重量，若素土颗粒筛分不完全，则可通过人工方式进行手动筛分，进一步提高筛分的准确性。最后绘制素土颗粒粒径的分布曲线，对土颗粒进行分类，整个筛分试验即可实现。

由此可以看出，可以简单方便地通过平移滑动细粒土土工筛装置实现手拉振动，从而对细粒土颗粒进行有效的筛选，且通过对装置配备可拆卸更换的筛网，不仅提高了细颗粒土的筛分准确性，更延长了细粒土土工筛装置的使用寿命。

4 性能实验

为证明所设计装置的合理性，本文采用实验对比分析方法，准备300g素土，分别运用人工筛子、电动筛土机，以及本文设计的土工筛装置进行筛分，确定细粒土颗粒各孔径比例所占百分比，所得到的实验结果如图5所示。

图5 筛分比选

由图5可知，随着时间的推移，三种筛分方式最终的筛分结果趋于一致，进一步验证了本装置的设计合理性。从时间角度来看，电动筛土机t1=187s<土工筛装置t2=920s<人工筛子t3=1720s，通过比较，发现电动筛土机筛分细粒土所花时间为187s，最短，效率最高；人工所花时间为1720s，最长，效率最低。本文设计装置介于两者之间，有着较强的协调作用；从实验精度角度来看，人工筛分和本装置筛分结果相近，但电动筛土机筛分结果与前两者有一定的差距，原因可能是电动筛分不充分，导致结果产生一定的偏差。

另外从成本角度考虑，电动筛土机在使用过程中需要使用动力装置，会涉及电能源的消耗，并且电动筛土机在制作过程中涉及的设备构件价格较贵，制作成本较高，不宜大量推广使用；从环境安全角度考虑，人工筛选素土颗粒过程中会引发大量的粉尘，造成环境污染，容易被人们吸收，不利于人们的身体健康。

综合来讲，在大量土颗粒筛分情况下，可选择电动筛土机进行筛分，提高细粒土筛分效率。若考虑到能源节约以及场地限制等其他条件，本文所设计的装置具有一定的推广性。

5 结 论

针对实验室细粒土筛选效率低、能源损耗大等问题，综合考虑了细粒土颗粒筛选的效率、精度、成本、安全等因素，设计了一种相对有效的实验室细粒土土工筛装置。该土工筛结构相对简单，创新点在于设计了可拆卸更换的筛子网，极大地提高了筛选效率，在一定程度上可控制筛分精度，延长了筛选装置的使用寿命，同时设计了可以平移振动的滑动结构，节省了劳动力。

通过对电动筛土机、土工筛装置、人工筛子的筛分实验比较，发现电动筛土机的筛分效率最高、人工筛子的筛分精度最高，但在使用过程中，本文所设计的土工筛筛分装置综合考虑了两者的优点，具有一定的推广性。

随着科技的进步和设备装置部件制作工艺的提高，细粒土的筛选方式在使用中还将不断得到改进，进一步优化改进后的筛分装置可用于其他颗粒物的筛分。