CN104819818B - 自动式隧道仰拱冲击模型系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动式隧道仰拱冲击模型系统，包括冲击装置和冲击模型试验槽，冲击装置包括：支架；驱动机构，用于输出动力，设置于支架上；传动机构，与驱动机构连接，用于传输驱动机构输出的动力；落锤组件，包括锤头，落锤组件与传动机构连接，并通过传动机构接收来自于驱动机构输出的动力，以使锤头能够在自由落体之后回复原位置；冲击模型试验槽包括：位于上层的道砟槽，位于落锤组件的锤头的正下方，用于放置道砟及放置用于模拟铁轨的传力铁块；位于中间的仰拱试件，用于模拟仰拱结构；位于下部的围岩模型箱，用于模拟隧道中的岩土层。本发明结构简单，操作简易，而且能够快速、准确的进行冲击试验，试验数据可靠。

Description

自动式隧道仰拱冲击模型系统

技术领域

本发明涉及计量固体形变技术领域，尤其涉及一种自动式隧道仰拱冲击模型系统。

背景技术

仰拱是为改善上部支护结构受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构，是隧道结构的主要组成部分之一。仰拱通俗解释为向上仰的拱，一般为钢筋混凝土结构。其与二次衬砌构成隧道整体，用于增加结构稳定性以及防水。仰拱一方面要将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将路面上的荷载有效的传递到地下，另一方面，其还有效的抵抗隧道下部地层传来的反力。

对于重载线路来说，列车对仰拱结构的冲击作用严重，因此，开展重载铁路隧道仰拱病害机理以及仰拱结构抗冲击性能的研究，对于提高仰拱结构的使用寿命，减少仰拱病害的发生率，保证隧道整体安全具有非常重要的实际意义。

在开展重载铁路隧道仰拱抗冲击性能的研究试验当中，目前国内外采用最多的方法就是属于低速率冲击范畴内的落锤式冲击试验方法以及基于落锤法衍生出的各种冲击试验方法，具有代表性有落锤式冲击试验法、冲压冲击试验法、弯曲冲击试验法等几种。但是国内外研究实验所使用的冲击装置存在以下缺点急需改进：

一、钢质冲击锤下落点的初始位置和下落的初始速度不易准确控制，不能消除人为因素的影响。

二、撞击点难对准，美国釆用的冲击锤为球形，而传力球也为球形，两者的撞击为点与点的撞击，比较难控制。

三、冲击锤无保护，传力球未定位，冲击锤对钢球进行冲击后，会跌落到底板产生二次的无规律的冲击，也会对试验人员的安全产生威胁。

四、底座未固定，未固定的底座在冲击过程中会损耗一部分能量，影响试验精确度。

五、某些装置虽然非常先进，但是体积庞大，对试验场所、试验费用等要求较高，不利于推广使用。

六、在多次反复冲击时，人工操作的简易装置很难保证冲击锤落点一致，冲击高度一致。有些装置在使用时，冲击锤的球面直接冲击试件表面，易造成冲击点的应力集中，无法确保试验结果的准确性。人为手动释放冲击锤时，会影响其初始速度和初始加速度，很难保证冲击锤的自由落体运动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动式隧道仰拱冲击模型系统，以为隧道仰拱冲击试验提供科学可靠的装置，提高试验结果准确度。

为了实现上述目的，本发明提供的自动式隧道仰拱冲击模型系统的技术方案如下：

一种自动式隧道仰拱冲击模型系统，其包括冲击装置和冲击模型试验槽，所述冲击装置包括：支架，用于提供支撑作用；驱动机构，用于输出动力，设置于所述支架上；传动机构，与所述驱动机构连接，用于传输所述驱动机构输出的动力；落锤组件，包括锤头，所述落锤组件与所述传动机构连接，并通过所述传动机构接收来自于所述驱动机构输出的动力，以使所述锤头能够在自由落体之后回复原位置；所述冲击模型试验槽包括：位于上层的道砟槽，位于所述落锤组件的锤头的正下方，用于放置道砟及放置用于模拟铁轨的传力铁块；位于中间的仰拱试件，用于模拟仰拱结构；位于下部的围岩模型箱，用于模拟隧道中的岩土层。

优选地，在上述自动式隧道仰拱冲击模型系统中，所述驱动机构包括电机、与所述电机电连接的电机控制器，所述电机固定在所述支架上，所述电机的动力输出端经所述传动机构与所述落锤组件连接，所述电机控制器用于控制所述电机的输出动力大小和方向。

优选地，在上述自动式隧道仰拱冲击模型系统中，所述支架包括两根立柱和连接于两根所述立柱之间的架顶横梁、架中横梁，且所述架中横梁位于所述架顶横梁下方。

优选地，在上述自动式隧道仰拱冲击模型系统中，所述传动机构包括固定在所述支架上的卷扬筒、钢绞线，所述驱动机构输出旋转运动并与所述卷扬筒的旋转轴固定连接；所述钢绞线一端缠绕在所述卷扬筒上，另一端与所述落锤组件连接。

优选地，在上述自动式隧道仰拱冲击模型系统中，所述传动机构还包括固定在所述支架上的滑轮，所述滑轮设置在所述支架上并位于所述冲击模型试验槽上方，所述卷扬筒的高度低于所述滑轮，所述钢绞线经所述滑轮与所述落锤组件固定连接。

优选地，在上述自动式隧道仰拱冲击模型系统中，所述落锤组件包括块状的锤身、锤头，所述锤身与所述传动机构直接连接，所述锤头可拆卸地固定在所述锤身的下端，以便于更换。

优选地，在上述自动式隧道仰拱冲击模型系统中，所述落锤组件还包括竖直设置的两根导轨，所述锤身的两侧设有两翼，所述两翼的端部与所述导轨滑动配合，以为所述锤身的上下移动提供导向作用。

优选地，在上述自动式隧道仰拱冲击模型系统中，所述落锤组件还包括用于调整所述锤头及所述锤身重力的砝码，所述砝码可拆卸地固定于所述锤身的上端。

优选地，在上述自动式隧道仰拱冲击模型系统中，所述锤身的上方设有螺旋拉杆和固定螺母，用以固定所述砝码。

优选地，在上述自动式隧道仰拱冲击模型系统中，所述冲击模型试验槽还包括底座，所述底座包括底板和支护板，所述支护板为两块并分别设置在所述底板上表面两端，所述围岩模型箱位于所述支护板之间，所述道砟槽和仰拱试件位于所述支护板上。

分析可知，本发明结构简单，操作简易，而且能够快速、准确的进行冲击试验，试验数据可靠。

附图说明

图1为本发明实施例的主视结构示意图；

图2是本发明实施例的左视结构示意图；

图3是本发明实施例的冲击装置的主视结构示意图；

图4是本发明实施例的冲击装置的左视结构示意图；

图5是本发明实施例的冲击模型试验槽的主视结构示意图；

图6是本发明实施例的冲击模型试验槽的左视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明的自动式隧道仰拱冲击模型系统实施例主要包括两大部分：图3和图4详示的冲击装置、图5和图6详示的冲击模型试验槽。如图1所示，本实施例在应用时，冲击装置和冲击模型试验槽相邻设置，冲击模型试验槽位于冲击装置下方，且主视观之，二者的竖向中轴线相重合。

如图1-图4所示，冲击装置包括支架1、驱动机构2、传动机构3和落锤组件4。支架1呈框架式结构，驱动机构2、传动机构3、落锤组件4皆直接或间接地设置在支架1上。

具体而言，冲击支架1主要用于为冲击装置的其他部件提供支撑，其包括立柱11、架中横梁12和架顶横梁13。一对立柱11分布于两侧，竖直、平行设置。架中横梁12及架顶横梁13水平平行设置，二者的两端分别连接于立柱11的中部、顶部。高度及宽度可以根据实际需要灵活设置，例如，将其总体高度设置为170cm，总宽度设置为100cm。立柱11、架中横梁12和架顶横梁13的材质可以选用铁质方管，并焊接而成，整体强度高，结构稳定。

架中横梁12为电机21(例如步进电机)和卷扬筒31提供固定平台，架顶横梁13则为滑轮32提供固定平台。滑轮32虽然高于电机21、卷扬筒31等，但是并不上下对应，滑轮32基本位于冲击模型试验槽上方。

如图1-图4所示，冲击装置的驱动机构2包括电机21、电机控制器22，电机控制器22与电机21连接，以控制、记录电机21正反转、转速等。优选地，电机21为步进电机。应用时，调节电机21的正反转实现通过传动机构3连接的落锤组件4的提升与下降，例如，通过调节步进电机提升落锤组件4时的转数n来实现落锤组件4不同的提升高度，反之，也可以实现不同的下落高度。

电机控制器22包括电机驱动部分、运行程序部分和控制面板。控制面板可以上设置开关按钮、提升高度调节按钮、提升高度显示窗口和冲击次数显示窗口等，便于操作、显示参数。

在一具体设计中，电机21为110BYGH1502型步进电机，并通过SH-20403驱动器给予驱动，通过AT89C51单片机控制高低脉冲，从而实现电机驱动功能。单片机P0.0口与驱动器2H130A方向端口相连，发出方向信号。通过改变输出电平的高低，控制电机转动方向；单片机P0^1口与驱动器2H130A的脉冲端口相连，发出脉冲信号，通过改变脉冲信号频率控制电机转动速度。

更具体而言，电机控制器22包括单片机、复位电路、时钟电路、电源电路和按键电路，与单片机相连的驱动器控制步进电机。其中，复位电路由一个弹性按键、一个10KΩ电阻及一个22uF电解电容组成；时钟电路由一个12MHz晶振和两个30pF瓷片电容C1、C2组成；单片机的EA引脚连接+5V电源，表示程序将下载到单片机内部程序存储器中；单片机的Vcc引脚连接到+5V电源，Vss引脚接地，从而构成电源电路；单片机并行端口P0的P0.0引脚连接驱动器的方向端口，当端口P0.0引脚输出高电平时，步进电机正转，输出低电平时，电机反转；单片机端口P0的P0.1引脚连接驱动器的脉冲端口，通过改变输出脉冲的频率可以控制步进电机的转速；按键电路通过采用中断程序实现按键控制电机工作状态。

优选地，为了提高本实施例的自动化测试水平，电机控制器22还可以包括力矩自动感应装置，当落锤组件4冲击到试件时，钢绞线处于松弛的临界状态，拉伸力为零，对电机转轴的力矩为零，力矩自动感应装置对此刻状态进行自动感应，在设计程序的控制下，步进电机反方向转动，实现落锤组件4的自动提升。

进一步优选地，为了进一步提高本实施例电机的控制自动化水平，本实施例还包括两个位置传感器，用于检测落锤组件4的位置，例如设置在立柱11上的两个光电感应探头，可以称之为上探头、下探头。其中，下探头固定设置，靠近并位于冲击模型试验槽的上方；上探头高度可调设置，用于控制落锤组件4的提升高度。在应用时，该二探头能够自动控制落锤组件4的上升和下落，自动调节提升高度以获得大小不同的冲击力，自动显示冲击次数。具体地，当落锤组件4靠近下探头时，停止，随后提升；当落锤组件4靠近上探头时，停止，随后下降。如此，不仅能够减少人工耗能，而且大大减少人为误差，使实验结果更加准确。

此外，在上述两个光电感应探头配合下，尤其是下探头的配合下，本实施例的电机控制器22还能够实现自动计数功能。

为了提高本实施例的安全性，支架1顶部还可以安装限位开关，与电机控制器22连接。若出现故障，落锤组件4一直向上提升，不能停止，触及限位开关，可以使系统自动停止工作，防止出现安全问题。

传动机构3设置于电机21、落锤组件4之间，是动力系统2和落锤组件4的联系机构，在驱动机构2带动下，能够实现落锤组件4的上下往返运动。其主要包括卷扬筒31、滑轮32和钢绞线33。卷扬筒31与电机21的转轴连接，其直径较大，是电机21转轴的直径的五倍左右，能够充分扩大步进电机的带动作用，符合节能环保要求。滑轮32架设在架顶横梁13上，基本位于支架1的最高位置，如此可以使得落锤组件4提升高度范围的最大化，同时滑轮32凹槽宽度狭小，严格限制了环绕其上的钢绞线32的左右摆动，基本确定了落锤组件4沿支架1竖向中轴线下落的轨迹。钢绞线32一端固定于卷扬筒31上，另一端滑过滑轮32之后与落锤组件4连接。其具有强度高、柔性佳、质轻等优点，既能保证提升落锤组件4无断裂现象，也能确保钢绞线33在重锤下落冲击时不产生任何干扰，实现重锤的完全自由下落。

落锤组件4包括导轨41、锤身42、砝码43和锤头44。导轨41呈杆状或槽状，竖直设置，优选地，直接设置在立柱11上，用于限制落锤组件4的运动轨迹，防止落锤组件下落后翻滚。导轨41表面光洁度高，摩擦阻力小。锤身42上方有螺旋拉杆和固定螺母，用以固定砝码43；下方有内凹螺旋孔，用以更换锤头44，左右设有两翼和套环，两翼向导轨41靠近，套环则固定在两翼的顶端，并套设在杆状的导轨41上，以与导轨41相连。锤头44的底面积不相同，上方有螺杆，通过更换锤头44可以产生不同的冲击压强，适用于不同要求的冲击试验。

如图1、图2和图5、图6所示，冲击模型试验槽包括底座5、围岩模型箱6、仰拱试件7、道砟槽8、传力铁块9和固定构件10。

底座5包括底板51和两块支护板52，应用时，底板51通过膨胀螺丝与落锤组件4下方的地面固定，牢固稳定。支护板52则是固定在底板51上表面两端，围岩模型箱6位于两块支护板52之间，借此可以防止冲击过程中围岩模型箱6左右移动，同时为仰拱试件7和道砟槽8的固定提供支架。

优选地，底座5的支护板52高出围岩模型箱6大约2mm，使支护,52与围岩模型箱6相互独立，实现仰拱试件7的简支，确保仰拱受力完全作用于下面的围岩上，消除试验槽本身对实验的影响。

盛有三合土的围岩模型箱6用来模拟仰拱下起传力缓冲作用的岩土层。在本实施例中，根据相似比关系，围岩模型箱6长45cm、宽20cm、高20cm(当然还可以为其他尺寸)。侧面采用有机钢化玻璃，不但抗压、抗冲击能力强，在抗冲击过程中实现围岩外形的整体稳定，而且透明度好，可以观测围岩变化情况和仰拱试件7拱形部分的开裂情况。模型相似关系如附表1所示。

表1模型相似关系

仰拱试件7是试验冲击的主要对象，其由不同强度的混凝土浇筑而成，如图5、图6所示，其中试弧度部分采用等离子技术加工而成。根据相似比关系，道砟槽8长50cm、宽15cm、高5cm，道砟槽8内放有两个传力铁块9，两个传力铁块9的中心间距为14.35cm以模拟铁轨，传力铁块9上覆有铁板(未标记)，锤头44下落冲击铁板时通过传力铁块9将一个中心集中力重新分配到左右两点上，使仰拱试件7的受力点与工程实际契合。

固定构件10包括条形铁101、螺旋拉杆102和固定螺母103。固定构件10将仰拱试件7和道砟槽8固定在支护板52的上端面上，并位于围岩模型箱6之上，防止本实施例的冲击模型试验槽受冲击过程中出现明显的震动。

具体地，螺旋拉杆102直立设置在支护班52上端面。条形铁101为中部凸出的大约3cm厚铁片，其主要用以防止道砟槽8和仰拱试件7受到冲击荷载而抬升。该条形铁101两端各有一个圆孔，可以套进螺旋拉杆102。装配时，先将固定螺母103拧在螺旋拉杆102高度合适的位置，将条形铁101套进螺旋拉杆紧贴固定螺母103，再将另一组固定螺母103拧在条形铁101上部，拧紧固定即可。支护板52顶部掏有内凹螺旋，供螺旋拉杆102拧紧固定。

由上可知，在本发明中，落锤组件的提升与下落是通过电机等驱动机构实现的，具体地，连接落锤组件的钢绞线与卷扬筒绕接，步进电机带动卷扬筒正、反向旋转，从而实现落锤的提升与下落。电机和卷扬筒的高度固定不变，而是通过控制电机转数调节落锤的提升高度，适应不同高度冲击的要求；也可以通过控制电机转动的速度调节落锤的下落速度，能近似模拟锤的自由落体运动。进一步地，本发明采用步进电机提供动力，在非超载的情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得速度、位置等用步进电机控制非常简单，能够容易而且精准的调节锤的提升高度和下落速度。

其次，本发明根据相似计算原理设计模型槽尺寸，可以准确模拟出隧道仰拱的真实工作环境，使试验说服力强，精确度高，科学可靠，模型槽可以研究围岩状况等周边因素对仰拱破坏的影响，全面研究仰拱病害生成机理。

综上所述，本发明在隧道仰拱结构冲击试验中，可以简单、准确、快速的获得试验数据。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种自动式隧道仰拱冲击模型系统，其特征在于，包括冲击装置和冲击模型试验槽，所述冲击装置包括：

支架，用于提供支撑作用；

驱动机构，用于输出动力，设置于所述支架上；

传动机构，与所述驱动机构连接，用于传输所述驱动机构输出的动力；

落锤组件，包括锤头，所述落锤组件与所述传动机构连接，并通过所述传动机构接收来自于所述驱动机构输出的动力，以使所述锤头能够在自由落体之后回复原位置；

所述冲击模型试验槽包括：

位于上层的道砟槽，位于所述落锤组件的锤头的正下方，用于放置道砟及放置用于模拟铁轨的传力铁块；

位于中间的仰拱试件，用于模拟仰拱结构；

位于下部的围岩模型箱，用于模拟隧道中的岩土层。

2.根据权利要求1所述的自动式隧道仰拱冲击模型系统，其特征在于，所述驱动机构包括电机、与所述电机电连接的电机控制器，所述电机固定在所述支架上，所述电机的动力输出端经所述传动机构与所述落锤组件连接，所述电机控制器用于控制所述电机的输出动力大小和方向。

3.根据权利要求1所述的自动式隧道仰拱冲击模型系统，其特征在于，所述支架包括两根立柱和连接于两根所述立柱之间的架顶横梁、架中横梁，且所述架中横梁位于所述架顶横梁下方。

4.根据权利要求1所述的自动式隧道仰拱冲击模型系统，其特征在于，所述传动机构包括固定在所述支架上的卷扬筒、钢绞线，所述驱动机构输出旋转运动并与所述卷扬筒的旋转轴固定连接；所述钢绞线一端缠绕在所述卷扬筒上，另一端与所述落锤组件连接。

5.根据权利要求4所述的自动式隧道仰拱冲击模型系统，其特征在于，所述传动机构还包括固定在所述支架上的滑轮，所述滑轮设置在所述支架上并位于所述冲击模型试验槽上方，所述卷扬筒的高度低于所述滑轮，所述钢绞线经所述滑轮与所述落锤组件固定连接。

6.根据权利要求1所述的自动式隧道仰拱冲击模型系统，其特征在于，所述落锤组件包括块状的锤身、锤头，所述锤身与所述传动机构直接连接，所述锤头可拆卸地固定在所述锤身的下端，以便于更换。

7.根据权利要求6所述的自动式隧道仰拱冲击模型系统，其特征在于，所述落锤组件还包括竖直设置的两根导轨，所述锤身的两侧设有两翼，所述两翼的端部与所述导轨滑动配合，以为所述锤身的上下移动提供导向作用。

8.根据权利要求6所述的自动式隧道仰拱冲击模型系统，其特征在于，所述落锤组件还包括用于调整所述锤头及所述锤身重力的砝码，所述砝码可拆卸地固定于所述锤身的上端。

9.根据权利要求8所述的自动式隧道仰拱冲击模型系统，其特征在于，所述锤身的上方设有螺旋拉杆和固定螺母，用以固定所述砝码。

10.根据权利要求1-9任一所述的自动式隧道仰拱冲击模型系统，其特征在于，所述冲击模型试验槽还包括底座，所述底座包括底板和支护板，所述支护板为两块并分别设置在所述底板上表面两端，所述围岩模型箱位于所述支护板之间，所述道砟槽和仰拱试件位于所述支护板上。