CN102359136A - 一种用于模型试验的精确自动开挖装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于模型试验的精确自动开挖装置，它有利于提高模型试验与实际工程的相似性，同时实现模型试验开挖过程的自动化，减少手动开挖对模型体人为扰动的影响，使模型试验的监测数据更加准确，试验中反应的规律与实际工程更加接近。它包括正面和周边同时切削低强度相似材料的刀具，刀具通过传动杆与动力系统连接；在刀具的后方、传动杆的前部还设有洞型控制装置，洞型控制装置上设有弧形的带有齿边的刀具运动轨道，传动杆设置在刀具运动轨道内，并通过齿轮与刀具运动轨道的内齿边啮合，齿轮还与传动杆外套的套管连接，套管上设有刻度，套管后部安装入进尺定位环；同时套管末端还安装控制刀具转速的刀具转动控制手柄。

Description

一种用于模型试验的精确自动开挖装置
技术领域
本发明涉及一种模型试验装置，尤其是一种地下工程模型试验精确控制掘进深度和洞型的用于模型试验的精确自动开挖装置。
背景技术
随着我国社会经济的发展和交通事业的腾飞，地下空间的开发利用越来越体现出巨大经济效益和社会效益。随着地下工程建设数量的不断增加，规模不断增大，范围不断拓展，工程建设的难度也不断增加。对地下工程建设、运营规律的研究已经成为热点，科学工作者也正通过各种研究手段对地下工程设计、施工和运营规律进行探索，其中，通过地下工程模型试验对地下工程进行仿真模拟，是一种行之有效的方法。
模型试验是根据相似理论，将实际工程转换为室内模型进行试验模拟的。这对模型试验的精度要求较高，因为模型试验中较小的误差就会造成与实际工程很大的偏差。但现在的地下工程模型试验中存在明显的弱点，模型试验中地下洞室的开挖仍然采用手动开挖的方式，每一循环的掘进深度难以精确控制，存在明显的超欠挖现象，实际开挖洞型和洞室走向与设计存在较大偏差，与实际工程的开挖工艺差距较大；同时，手动开挖难以模拟实际工程机械自动开挖的过程，并且手动开挖过程中对模型体产生很多认为扰动，对试验数据的监测影响较大。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有模型试验开挖技术的不足，提供一种用于模型试验的精确自动开挖装置，它结构简单，使用方便，可用于地下工程模型试验中精确控制掘进深度和洞型，有利于提高模型试验与实际工程的相似性，同时实现模型试验开挖过程的自动化，模拟实际工程中机械自动开挖的过程，减少手动开挖对模型体人为扰动的影响，使模型试验的监测数据更加准确，试验中反应的规律与实际工程更加接近。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于模型试验的精确自动开挖装置，它包括正面和周边同时切削低强度相似材料的刀具，刀具通过传动杆与动力系统连接；在刀具的后方、传动杆的前部还设有洞型控制装置，洞型控制装置上设有弧形的带有齿边的刀具运动轨道，传动杆设置在刀具运动轨道内，并通过齿轮与刀具运动轨道的内齿边啮合，齿轮还与传动杆外套的套管连接，套管上设有刻度，套管后部安装入进尺定位环；同时套管末端还安装控制刀具转速的刀具转动控制手柄。
所述刀具为十字形，正面和周边都开刃。
所述的刀具与洞型控制装置之间根据每一循环掘进深度的不同设置相应的间距。
所述洞型控制装置的形状与地下洞室的形状相同，包括依次相互固连的洞形控制盘钢板I、洞形控制盘钢板III和洞形控制盘钢板II，其中洞形控制盘钢板III被固定夹持在中间；在三者上均开设刀具运动轨道，在洞形控制盘钢板III内壁设有内齿边，使齿轮带动刀具只能沿环向运动。
所述刀具运动轨道的位置与刀具的尺寸保证刀具沿轨道转动一周后，刀具开挖面积覆盖整个开挖范围，且不出现超欠挖。
所述的传动杆和套管都采用拼接的多段式结构，根据开挖位置的变化，随时接长或减短。
所述动力系统为小型风动机。
本发明中的风动机为现有成熟技术，在此不再赘述。
本发明按照实际工程的开挖断面形状，按照相似理论，确定洞型控制盘的形状和尺寸，通过计算确定在洞型控制盘上的合适位置设置刀具运行轨道和刀具尺寸，保证刀具沿轨道运行一周后，刀具能覆盖开挖断面的全部面积，且不会出现超挖。套筒上刻有尺度，结合进尺定位环来精确控制每一循环的掘进深度。通过小型风动机为刀具提供转动的动力，实现开挖过程的自动化。
本发明开发了一种地下工程模型试验中精确自动开挖地下洞室的工具，解决了模型试验中地下洞室在开挖过程中洞型和掘进深度难以精确控制的问题，同时实现了模型试验中地下洞室开挖过程的自动化。将精确自动开挖装置应用于模型试验中，与前人研究相比，实现了模型试验地下洞室开挖过程的自动化，减少了模型试验传统的手动开挖对模型体的人为扰动，得到的试验成果与实际工程更加接近。
本发明解决了模型试验中地下洞室在开挖过程中洞型和掘进深度难以精确控制的问题，实现自动化开挖，具有以下优点：
1、能够精确控制地下工程模型试验的开挖洞型，开挖过程中的洞型由洞型控制盘精确控制，保证开挖过程的洞室轮廓与设计形状相同；
2、能够精确控制模型试验中每一循环的掘进深度，开挖过程中每一循环的掘进深度通过套筒上的刻度值和套筒末端的进尺定位环来精确控制，保证掘进深度与设计值相同；
3、能够精确控制开挖断面形状，不会出现超欠挖，刀具运行的轨道和刀具的尺寸都是根据开挖断面的形状计算确定，保证刀具沿轨道运动一周时，恰好覆盖整个断面面积，不出现超欠挖；
4、能够实现机械化开挖，开挖时刀具转动的动力由风动机提供，并由传动杆传递，提高了开挖过程的机械化；
5、刀具沿轨道的运动速度可以根据材料强度等条件通过刀具转动控制手柄调节，提高刀具的使用寿命，同时控制开挖对模型体的扰动强度；
6、传动杆和套筒采用可拼接的多段式设计，可用于模型体不同位置的开挖，使用方便，保证开挖精度。
附图说明
图1是本发明原理示意图；
图2是洞形控制盘钢板I和洞形控制盘钢板II详图；
图3是洞形控制盘钢板III详图。
其中，1.刀具；2.洞形控制盘钢板I；3.洞形控制盘钢板II；4.洞形控制盘钢板III；5.套管；6.进尺定位环；7.齿轮；8.螺栓；9.传动杆；10.动力系统；11.刀具转动控制手柄；12.刀具运动轨道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1中，一种地下工程模型试验精确自动开挖装置，包括能够正面和周边同时切削的低强度相似材料开挖刀具1，刀具1与传动杆9相连，传动杆9末端接到动力系统10上，动力由小型风动机提供。刀具1后面有洞型控制装置(由洞形控制盘钢板I 2、洞形控制盘钢板II 3、洞形控制盘钢板III 4、齿轮7、螺栓8、刀具运动轨道12组成)，洞型控制装置上有控制刀具运动轨道12，刀具运动轨道12上有齿轮7通过啮合控制刀具1转动，齿轮7与传动杆9外面的套管5相连，套管5上有刻度，末端安装进尺定位环6来精确控制每一循环的掘进深度。同时，套管5的后部还安装刀具转动控制手柄11，根据相似材料的强度来控制刀具1转动速度。
所述开挖刀具1呈十字形，正面和周边都开刃，能实现前方的掘进和洞周的切削。
所述洞型控制装置形状与地下洞室的形状相同，由三片钢板洞形控制盘钢板I 2、洞形控制盘钢板II 3、洞形控制盘钢板III 4拼接而成，其中洞形控制盘钢板III 4被固定夹持在中间，它的内壁设有齿边，可与齿轮7啮合，从而使齿轮7带动刀具1只能沿环向运动；在三者上面均有控制刀具运动轨道12。
所述刀具运动轨道12的位置与刀具1的尺寸由开挖洞室的形状和尺寸决定，经计算确定的轨道位置和刀具尺寸保证刀具1沿刀具运动轨道12转动一周后，刀具1开挖面积覆盖整个开挖范围，且不出现超欠挖。
所述传动杆9和套管5都采用可拼接的多段式设计，根据开挖位置的变化，随时接长或减短。
所述刀具1与洞型控制装置之间根据每一循环掘进深度的不同设置一定间距，临时放置开挖掉的相似材料，保证开挖顺利进行。

Claims (7)

1.一种用于模型试验的精确自动开挖装置，其特征是，它包括正面和周边同时切削低强度相似材料的刀具(1)，刀具(1)通过传动杆(9)与动力系统(10)连接；在刀具(1)的后方、传动杆(9)的前部还设有洞型控制装置，洞型控制装置上设有弧形的带有齿边的刀具运动轨道(12)，传动杆(9)设置在刀具运动轨道(12)内，并通过齿轮(7)与刀具运动轨道(12)的内齿边啮合，齿轮(7)还与传动杆(9)外套的套管(5)连接，套管(5)上设有刻度，套管(5)后部安装入进尺定位环(6)；同时套管(5)末端还安装控制刀具(1)转速的刀具转动控制手柄(11)。
2.如权利要求1所述的用于模型试验的精确自动开挖装置，其特征是，所述刀具(1)为十字形，正面和周边都开刃。
3.如权利要求1所述的用于模型试验的精确自动开挖装置，其特征是，所述的刀具(1)与洞型控制装置之间根据每一循环掘进深度的不同设置相应的间距。
4.如权利要求1或3所述的用于模型试验的精确自动开挖装置，其特征是，所述洞型控制装置的形状与地下洞室的形状相同，包括依次相互固连的洞形控制盘钢板I(2)、洞形控制盘钢板III(4)和洞形控制盘钢板II(3)，其中洞形控制盘钢板III(4)被固定夹持在中间；在三者上均开设刀具运动轨道(12)，在洞形控制盘钢板III(4)内壁设有内齿边，使齿轮(7)带动刀具(1)只能沿环向运动。
5.如权利要求4所述的用于模型试验的精确自动开挖装置，其特征是，所述刀具运动轨道(12)的位置与刀具(1)的尺寸保证刀具(1)沿轨道(12)转动一周后，刀具(1)开挖面积覆盖整个开挖范围，且不出现超欠挖。
6.如权利要求1所述的用于模型试验的精确自动开挖装置，其特征是，所述的传动杆(9)和套管(5)都采用拼接的多段式结构，根据开挖位置的变化，随时接长或减短。
7.如权利要求1所述的用于模型试验的精确自动开挖装置，其特征是，所述动力系统(10)为小型风动机。
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