CN104389853B - 可调速步进式液压驱动装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种可调速步进式液压驱动装置及方法，适用于隧道等地下工程的开挖模拟。它包括竖向油缸、经90°弯管与竖向油缸缸体相连通的水平油缸，竖向油缸的竖向活塞杆上连有磁性半球，磁性半球内设有金属球；竖向油缸的上部设有与水平油缸中部相连通的上行液管，上行液管上设有与水平油缸外端部相连通的下行液管，下行液管上设有阀门；将金属球从设定的高度自由下落冲击磁性半球，可对预埋地下空间模型的抽取速度和行程进行精确控制，同时带动竖向活塞杆、竖向活塞、竖向油缸和水平油缸以及上行液管内的液体、水平活塞、水平活塞杆和驱动对象一起运动；实现对开挖速度和进尺的准确模拟，其结构简单，使用方便，效果好。

Description

可调速步进式液压驱动装置及方法
技术领域
本发明涉及一种模拟试验装置，尤其是一种适用于隧道等地下工程开挖模拟的可调速步进式液压驱动装置。
背景技术
模拟地下工程施工的试验方法主要有两种：预埋法和非预埋法。预埋法一般是在铺设工程模型的过程中将独立预制的地下空间(如隧道)模型固定于设计的开挖位置，采用取出地下空间模型的方法来模拟开挖过程。非预埋法则是整个工程模型全部用岩土相似材料铺设，然后用人工或机械方法进行模拟开挖。
由于预埋法相对于非预埋法具有操作方便，开挖成形规整和尺寸精确，以及便于模拟不同开挖速度等显著优点，其应用越来越广泛。申请号为201310694586.1公开了一种模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置，解决了传统的预埋地下空间模型“与围岩之间的摩擦力大造成对围岩的附加扰动较大”和“难以实现多步开挖与支护”等问题。但是，如何驱动预埋地下空间模型的取出过程，以便准确控制每步开挖速度和进尺的问题，目前还没有解决。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种可调速步进式液压驱动装置，对预埋地下空间模型的抽取速度和行程进行精确控制，实现对开挖速度和进尺的准确模拟。
为实现上述目的，本发明的可调速步进式液压驱动装置，包括竖向油缸、经90°弯管与竖向油缸缸体相连通的水平油缸，所述竖向油缸的竖向活塞杆上连有一磁性半球，磁性半球内设有一金属球；所述竖向油缸的上部设有与水平油缸中部相连通的上行液管，上行液管上设有与水平油缸外端部相连通的下行液管，下行液管上设有阀门；所述水平油缸的水平活塞前端部封堵在上行液管的入口处，与水平活塞相连的水平活塞杆驱动对象相连。
所述水平油缸的内径与竖向油缸的内径相等，或大于竖向油缸的内径。
所述水平油缸的水平活塞杆上标有刻度，用于指示水平油缸的水平活塞前部端面至水平油缸与上行液管交汇口前部边界的距离。
使用上述可调速步进式液压驱动装置的方法，包括如下步骤：
(1)打开阀门并根据驱动行程和水平活塞杆上面标记的刻度准确设置水平活塞的位置，之后关闭阀门；
(2)将金属球从设定的高度自由下落冲击磁性半球，两者在磁吸力作用下结合在一起并克服所受阻力往下运动，同时带动竖向活塞杆、竖向活塞、竖向油缸和水平油缸以及上行液管内的液体、水平活塞、水平活塞杆和驱动对象一起运动；
(3)当水平活塞的前部端面运行至水平油缸与上行液管交汇口的前部边界时，水平活塞前方和后方的液体均被堵死，由于液体几乎不可压缩，整个系统将在瞬间停止运动，从而完成一个驱动过程；
(4)重复上述步骤，完成下一个驱动过程。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明可对预埋地下空间模型的抽取速度和行程进行精确控制，实现对开挖速度和进尺的准确模拟，其结构简单，使用方便，效果好，具有如下优点：
(1)可以准确设定驱动速度。根据能量守恒定律，在驱动装置和驱动阻力一定的情况下，驱动速度仅由球体的下落高度确定。只需调整球体的下落高度即可准确获得所需的驱动速度；
(2)可以准确设定驱动行程。根据水平活塞杆上标示的刻度，可以准确设定装置动作前水平活塞前部端面(驱动行进方向为前方)至水平油缸与上行液管交汇口前部边界的距离，该距离即为驱动行程；
(3)驱动过程中的速度恒定。根据能量守恒定律，只要合理确定球体的质量，使金属球、磁性半球、竖向活塞杆与竖向活塞在驱动过程中减少的势能等于装置的对外做功，就能确保驱动速度的恒定；
(4)驱动过程的启动和停止都在瞬间完成，而且几乎无震荡。驱动过程在金属球体冲击磁性半球的瞬间启动，而且由于磁吸力的作用使球体一旦接触磁性半球二者随即结合为一体，避免了球体的反弹对驱动过程造成震荡；由于在驱动过程中阀门关闭而且液体几乎不可压缩，当水平活塞的前部端面运行至水平油缸与上行液管交汇口的前部边界时，水平活塞前后的液体将在瞬间停止流动，从而使驱动过程即刻停止并且不会出现震荡现象。
附图说明
图1是本发明无荷载放大功能的可调速步进式液压驱动装置外形结构图；
图2是本发明无荷载放大功能的可调速步进式液压驱动装置剖视结构图；
图3是本发明有荷载放大功能的可调速步进式液压驱动装置剖视结构图。
图中：1－金属球；2.－磁性半球；3－竖向油缸；4－竖向活塞杆；5－竖向活塞；6－水平油缸；7.－水平活塞；8－水平活塞杆；9－上行液管；10－下行液管；11－阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
本发明的可调速步进式液压驱动装置，主要由金属球1、磁性半球2、竖向油缸3、竖向活塞杆4、竖向活塞5、水平油缸6、水平活塞7、水平活塞杆8、上行液管9、下行液管10和阀门11构成。竖向油缸3、经90°弯管与竖向油缸3缸体相连通的水平油缸6，所述竖向油缸3的竖向活塞杆4上连有磁性半球2，磁性半球2内设有金属球1；所述竖向油缸3的上部设有与水平油缸6中部相连通的上行液管9，上行液管9上设有与水平油缸6外端部相连通的下行液管10，下行液管10上设有阀门11；所述水平油缸6的水平活塞7前端部封堵在上行液管9的入口处，与水平活塞7相连的水平活塞杆8驱动对象相连。所述水平油缸6的内径与竖向油缸3的内径相等，或大于竖向油缸3的内径。所述水平油缸6的水平活塞杆8上标有刻度，用于指示水平油缸6的水平活塞7前部端面至水平油缸6与上行液管9交汇口前部边界的距离。
本发明的可调速步进式液压驱动方法，过程如下：
(1)打开阀门11并根据驱动行程和水平活塞杆8上面标记的刻度准确设置水平活塞7的位置，之后关闭阀门11；根据能量守恒定律和匀速驱动的要求，计算金属球1的质量和下落高度；
(2)将金属球1从设定的高度自由下落冲击磁性半球2，两者在磁吸力作用下结合在一起并克服系统所受阻力(主要包括活塞与油缸内壁之间的摩擦力、活塞杆与油缸端面结合部的摩擦力、驱动对象所受阻力)往下运动，同时带动竖向活塞杆4、竖向活塞5、竖向油缸3和水平油缸6以及上行液管9内的液体、水平活塞7、水平活塞杆8和驱动对象一起运动；
(3)当水平活塞7的前部端面运行至水平油缸6与上行液管9交汇口的前部边界时，水平活塞7前方和后方的液体均被堵死，由于液体几乎不可压缩，整个系统将在瞬间停止运动，从而完成一个驱动过程；
(4)重复上述步骤，完成下一个驱动过程。
工作原理：如图1所示，根据能量守恒定律，只要给定所需的驱动速度和驱动力(等于系统所受阻力)，就能确定对应的金属球质量及其下落高度；
如设所需驱动速度为v；系统所受阻力为F；系统中金属球1，磁性半球2，竖向活塞杆4，竖向活塞5，水平活塞7，水平活塞杆8，驱动对象，驱动过程中流动液体的质量分别为m1，m2，m4，m5，m7，m8，m0，mL；金属球1的下落高度为h；驱动行程为L；一个驱动行程中竖向活塞5的下降高度为h′；重力加速度为g；
根据能量守恒定律，在忽略其他能量损失的条件下，金属球1从开始下落到冲击磁性半球2的过程中，球体减少的势能全部转化为系统的动能，即
m 1 gh = 1 2 ( m 1 + m 2 + m 4 + m 5 + m 7 + m 8 + m 0 + m L ) v 2 - - - ( 1 )
从金属球1冲击磁性半球2开始至完成一个驱动行程的过程中，为满足匀速的要求，金属球1、磁性半球2、竖向活塞杆4、竖向活塞5以及部分液体(设其质量为m′L)减少的总势能全部用于系统克服阻力对外做功，即
( m 1 + m 2 + m 4 + m 5 + m L ′ ) g h ′ = FL - - - ( 2 )
由于竖向油缸3和水平油缸6的净断面面积相同，必然有h'＝L，所以根据公式(2)可得金属球的质量应该为：
m 1 = F g - ( m 2 + m 4 + m 5 + m L ′ )
将此式代入公式(1)即可求得金属球的下落高度h。
磁性半球2与竖向活塞杆4的顶端连接，竖向活塞杆4的底端与竖向活塞5连接，竖向活塞5位于竖向油缸3内部，竖向油缸3经90°弯管与水平油缸6相通。竖向油缸3与水平油缸6的直径既可以相同，如附图1，此种情况无荷载放大功能；也可以不同，若水平油缸直径大于竖向油缸，则具有减速和荷载放大功能，如附图3。水平活塞7位于水平油缸6内部，水平活塞杆8左端与水平活塞7相连，右端伸出水平油缸6外与驱动对象相连，如附图1中右侧的虚线框所示。上行液管9下端与水平油缸6相通，上端与竖向油缸3的上部相通。下行液管10下端与水平油缸6相通，上端与上行液管9相通，下行液管10的中部装有阀门11。水平活塞杆8上标有刻度，用于指示水平活塞7前部端面(驱动行进方向为前方)至水平油缸6与上行液管9交汇口前部边界的距离。
对于附图1所示的情况，水平油缸6与竖向油缸3的直径相等，为了使驱动过程中管路竖向油缸3、水平油缸6、上行液管9中的液体流速相同，以确保装置运行平稳可靠，要求上行液管9的截面积等于竖向油缸3的截面积与竖向活塞杆4的截面积之差。
对于附图3所示的情况，水平油缸6的直径大于竖向油缸3，驱动装置具有减速和荷载放大功能，为保证水平活塞7所受的水平作用力与竖向活塞5所受的竖向作用力之比等于活塞7与5的横截面积之比，要求水平活塞杆8和竖向活塞杆4的直径之比应等于活塞7和5的直径之比。

Claims (4)

1.一种可调速步进式液压驱动装置，其特征在于：它包括竖向油缸（3）、经90°弯管与竖向油缸（3）缸体相连通的水平油缸（6），所述竖向油缸（3）的竖向活塞杆（4）上连有一磁性半球（2），磁性半球（2）内设有一金属球（1）；所述竖向油缸（3）的上部设有与水平油缸（6）中部相连通的上行液管（9），上行液管（9）上设有与水平油缸（6）外端部相连通的下行液管（10），下行液管（10）上设有阀门（11）；所述水平油缸（6）的水平活塞（7）前端部封堵在上行液管（9）的入口处，水平活塞（7）相连的水平活塞杆（8）与驱动对象相连。
2.根据权利要求1所述的一种可调速步进式液压驱动装置，其特征在于：所述水平油缸（6）的内径与竖向油缸（3）的内径相等，或大于竖向油缸（3）的内径。
3.根据权利要求1所述的一种可调速步进式液压驱动装置，其特征在于：所述水平油缸（6）的水平活塞杆（8）上标有刻度，用于指示水平油缸（6）的水平活塞（7）前部端面至水平油缸（6）与上行液管（9）交汇口前部边界的距离。
4.一种使用权利要求1、2或3所述装置的可调速步进式液压驱动方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）打开阀门（11）并根据驱动行程和水平活塞杆（8）上面标记的刻度准确设置水平活塞（7）的位置，之后关闭阀门（11）；
（2）将金属球（1）从设定的高度自由下落冲击磁性半球（2），两者在磁吸力作用下结合在一起并克服所受阻力往下运动，同时带动竖向活塞杆（4）、竖向活塞（5）、竖向油缸（3）和水平油缸（6）以及上行液管（9）内的液体、水平活塞（7）、水平活塞杆（8）和驱动对象一起运动；
（3）当水平活塞（7）的前部端面运行至水平油缸（6）与上行液管（9）交汇口的前部边界时，水平活塞（7）前方和后方的液体均被堵死，由于液体几乎不可压缩，整个系统将在瞬间停止运动，从而完成一个驱动过程；
（4）重复上述步骤，完成下一个驱动过程。
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