CN105098313B - 一种隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置，包括自适应部分和运动部分，自适应部分主要用来自动控制雷达天线与掌子面之间的压力；运动部分由行走装置和升降机组成，运动部分主要用来控制自适应部分的上下左右运动；本发明可以自动地将雷达天线与隧道掌子面的压力保持在一个稳定值，并且压力值不随隧道掌子面的凹凸不平以及测量车与隧道掌子面距离的变化而发生变化；本发明可以使雷达天线贴着掌子面在水平和竖直方向任意运动，对掌子面进行全面积的测量。

Description

一种隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置

技术领域

本发明属于隧道施工领域，具体涉及一种隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置。

背景技术

隧道施工属于隐蔽性工程，设计施工中的不可预见性较其他工程大，为避免施工过程中掌子面前方发生涌水、瓦斯突出、岩爆、大变形等地质灾害，保证施工的安全和顺利进行，在隧道开挖前，有必要对掌子面前方的围岩做出超前预报。掌子面超前预报的方法多种多样，其中最常用的方法就是利用地质雷达进行地质预报。

目前通过地质雷达进行隧道掌子面超前预报时基本上使用两种方法：(I)：人力测量，即两个人抬着雷达天线贴着掌子面移动；(II)：刚性测量，即将雷达天线通过支架固定在车架上贴着掌子面移动。

实践表明：

方法(I)有如下缺点：人力测量有以下几个缺点：

①雷达天线与掌子面接触不稳定、雷达天线曲线前进和雷达天线倾斜前进等问题；②当需要量测的掌子面高度较高时，人力测量将显得十分困难；③人员在掌子面前面停留太久，不安全。④反复测量时，人力测量易于劳累；

方法(II)有如下缺点：由于掌子面凹凸不平，传统的在测量车上支撑雷达天线的支架没有采用自适应系统，因此极易在掌子面凸起位置发生卡死不动的现象。又由于测量车在测量过程中与掌子面的距离极易发生变化，也可能导致雷达天线在掌子面上发生卡死或接触不紧密的现象。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置，此装置巧妙地利用液压油缸的稳压原理自动调节雷达天线与隧道掌子面的压力，使其不因掌子面表面的凹凸不平或测量车与掌子面距离的变化而发生变化。

为达到上述效果，本发明采取的技术方案为：

一种隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置，包括依次与雷达天线连接的稳压单元、旋转单元和横向移动单元，稳压单元控制雷达天线与待测掌子面之间的压力保持恒定，旋转单元控制稳压单元与雷达天线一起进行旋转，横向移动单元控制旋转单元、稳压单元与雷达天线一起进行横向的来回移动。

具体的，所述的稳压单元包括稳压油缸，稳压油缸包括液压油缸、进油管、出油管和安装在进油管上的限压阀，进油管与液压油缸的非活塞杆端连通，出油管与液压油缸的活塞杆端连通，且进油管与出油管在液压油缸外连通，限压阀设置在进油管未与出油管连通的管路上；

稳压油缸的活塞端与雷达天线固定连接，当通过横向移动单元和旋转单元调整好雷达天线与待测掌子面之间的位置后，通过稳压油缸自动调节雷达天线与待测掌子面之间的位置。

更具体的，所述的旋转单元包括机械手掌，机械手掌为相隔离的双层圆盘结构，在机械手掌的双层结构的分隔处同轴设置第一滚动轴承，在机械手掌的一端同轴固设旋转轴，在机械手掌的另一端同轴固设稳压油缸，稳压油缸的活塞杆与雷达天线固接；

旋转轴的旋转带动机械手掌、稳压油缸和雷达天线共同旋转。

再具体的，在机械手掌上与旋转轴相对同轴固设固定轴，所述的固定轴包括固定外轴和固定内轴，固定外轴同轴固设在机械手掌上，固定内轴可在固定外轴内沿轴向来回移动，且固定内轴的端部与雷达天线固定连接。

优选的，所述的稳压油缸有两个，两个稳压油缸以固定轴为对称线设置在机械手掌上。

进一步的，其特征在于，所述的横向移动单元包括安装架、第一撑臂、第二撑臂、第三撑臂和蜗轮蜗杆机构，第一撑臂、第二撑臂和第三撑臂由安装架的一端依次并列垂直设置，第一撑臂、第二撑臂和第三撑臂分别与安装架活动式连接；

第一撑臂用于支撑蜗轮蜗杆机构的蜗轮，第二撑臂用于支撑蜗轮蜗杆机构的蜗杆与旋转轴的连接点，第三撑臂用于支撑机械手掌。

更进一步的，所述的蜗杆与旋转轴的连接点为半滚动轴承，旋转轴安装在半滚动轴承的滚动端，蜗杆安装在半滚动轴承的固定端。

另外，所述的第二撑臂通过限位构件与安装架活动式连接，所述的限位构件包括电磁铁、衔铁和齿槽，电磁铁和衔铁设置在第二撑臂上，齿槽沿安装架的长度方向设置在第一撑臂和第二撑臂间；

通电时，衔铁被电磁铁吸附移出齿槽，第二撑臂在安装架上移动；断电时，衔铁脱离电磁铁的吸附卡在齿槽内，限制第二撑臂在安装架上的移动。

同时，所述的安装架为横向的条状架体，在安装架的端部垂直设置辅助三角架，第一撑臂通过高刚度弹簧与辅助三角架连接，且在齿槽的靠近第一撑臂的端部设置卡位块，第一撑臂、高刚度弹簧、安装架和卡位块组成高刚度缓冲结构。

且，还包括升降移动单元，所述的升降移动单元包括升降架和移动底盘，安装架设置在升降架的顶端，升降架安装在移动底盘上，升降架在竖向进行安装架位置的调节，移动底盘带动升降架和安装架一起进行水平的移动。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的隧道地质超前预报雷达天线自适应智能调位装置通过自适应部分和运动部分的设置，实现了该装置在隧道测量中的大范围的移动和精细位置的调节，尤其是自适应部分的结构设置可以自动地调节雷达天线与掌子面之间的压力，保证了雷达天线与掌子面的良好接触；

(2)本发明的自适应部分主要通过依次与雷达天线连接的稳压油缸、旋转单元和横向移动单元实现雷达天线多方位的调节需求，不仅能调整雷达天线的前进方向，同时也保证了雷达天线测量过程中的直线行进；

(3)本发明装置的运动部分可以进行横向和纵向的移动，可根据不同的掌子面高度调节相应的测量高度，解决了人力测量的掌子面高度太大时，难以触及的问题；可持续工作，续航能力强；工作人员无需接近掌子面工作，保证了工作人员的安全。

附图说明

图1是隧道地质超前预报雷达天线自适应智能调位装置主视图；

图2是本发明的隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置的稳压油缸的自动伸缩稳压原理图，图中I-推杆、II-活塞、III-缸体、IV-限压阀，箭头表示液压油的进出方向，A、B、C、D和E分别表示不同段的油路；

图3是本发明的隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置的固定轴内轴的结构示意图，图中A为主视图、B为俯视图、C为左视图；

图4为本发明的隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置的固定轴外轴的结构示意图，图中A为主视图、B为俯视图、C为左视图；

图5是图1的右视图；

图6是图1中自适应部分A-A截面剖面图；

图7是图1中自适应部分B-B截面剖面图；

图中各标号表示：1-压力传感器、2-固定内轴、201-卡块、202-卡条、3-固定外轴、301-卡槽、4-稳压油缸、5-第一滚动轴承、6-机械手掌、7-旋转轴、8-第一主动齿轮、9-第一传动齿轮、10-旋转电机、11-半滚动轴承、12-蜗轮蜗杆机构、13-推动电机、14-第一撑臂、15-高刚度弹簧、16-电磁铁、17-衔铁、18-齿槽、19-红外接收器、20-安装架、21-卡位块、22-升降机液压油缸、23-第四撑臂、24-第二滚动轴承、25-行走轮、26-第二传动齿轮、27-第二主动齿轮、28-行走电机、29-撑轮、30-第三撑臂、31-第二撑臂；

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明作具体说明。

具体实施方式

本发明提供了一种方便、实用的隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置，此装置包括自适应部分(上部分)和运动部分(下部分)两部分；

自适应部分包括稳压单元和调位单元，其中稳压单元巧妙地利用稳压油缸的稳压原理自动调节雷达天线与隧道掌子面的压力，使其不因掌子面表面的凹凸不平或测量车与掌子面距离的变化而发生变化；调位单元包括旋转调位构件和横向调位构件，旋转调位构件能进行360°的旋转，横向调位构件能在横向进行一定范围内的来回移动，稳压单元安装在旋转调位构件上，横向调位构件安装在旋转调位构件上，雷达天线安装在稳压单元上，通过旋转调位构件和横向调位构件两者的配合将稳压单元及雷达天线放置在待测量的隧道掌子面上，通过稳压单元的调节实现雷达天线与隧道掌子面的稳压接触；

运动部分，又称测量车部分，由行走底盘和液压升降机组成。液压升降机安装在行走地盘上。该部分用以实现自适应部分横向和纵向的移动。

本发明的隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置中的旋转电机，可以360°地调节机械手掌和雷达天线的角度，在旋转电机、推动电机和运动部分的综合作用下，可以使雷达天线在掌子面前方的“四维空间”内随意移动；

本发明的半滚动轴承一端以滚动轴承的形式和旋转轴相连，一端通过螺栓与推进螺杆固连，起到承上启下的作用。

结合图2，本发明的稳压油缸的自适应稳压原理为：

掌子面凹凸不平或该装置在测量过程中与掌子面的距离发生变化时，液压油缸自动伸缩，稳压原理如图2：在进口端E处安装限压阀IV可以控制油液压强为稳定值。测量车移动过程中，当掌子面凸起或测量车与掌子面之间的距离变小时，F端受到雷达天线的推动使活塞II向右移动，此时进口处E的一部分压力油经过EBD路线回到油箱；当到达隧道凸起顶部时，F端停止继续向右推动活塞II；因为活塞II两端压力油压强不变，压差为恒值，因此F端压力不变，回到预定值；当隧道内壁凹下时的情况与此相同，即使测量车在运行过程中产生远离或接近隧道掌子面的现象或掌子面表面凹凸不平时，依靠液压油缸的自我调节功能也能将雷达天线与隧道掌子面之间的压力调节为预定值。

以下通过实施例对本发明作进一步解释说明。

实施例一：

结合图1-7，本实施例的隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置包括自适应部分(上部分)和运动部分(下部分)两部分，其中：

自适应部分包括安装架20，安装架20包括横梁式的横向架体和安装在横向架体一端的直角三角形架体，直角三角形架体的一个直角边与横向架体垂直，横向架体为中空的顶部带有部分开口槽的架体，；

与直角三角形的直角边平行依次设有第一撑臂14、第二撑臂31和第三撑臂30，第一撑臂14与直角三角架的竖向直角边通过两个平行于横向架的高刚度弹簧15固定连接，第一撑臂14为倒“T”形的结构，第一撑臂14的带有横梁的端面卡设在安装架20的腔体内并可沿安装架20的开口槽小范围的滑动，第一撑臂14的顶端上设置推动电机13；第二撑臂31与横向架可移动式连接，第二撑臂31的低端设置撑轮29，通过撑轮29使第二撑臂31沿横向架的开口槽来回的移动；为了能对第二撑臂31的移动范围进行限定，在横向架上第一撑臂14与第二撑臂31之间设置卡位块21，且由卡位块21的位置沿远离第一撑臂14的方向在横向架上设置齿槽18，与第二撑臂31同轴靠近第二撑臂31底端的第二撑臂31上依次设置电磁铁16和衔铁17，不通电时衔铁17的端部能深入齿槽18内；第二撑臂31的顶端固设半滚动轴承11，靠近第一撑臂14方向的半滚动轴承11的端部为固定端，半滚动轴承11的固定端内设置蜗杆，推动电机13的端部设置蜗轮，通过推动电机13带动涡轮蜗杆机构12将第二撑臂31沿横向架前后移动；

第三撑臂30与横向架可移动连接，具体连接方式与第二撑臂31与横向架的连接方式相同，第三撑臂30的顶端设置机械手掌6，机械手掌6为相隔离的双层圆盘结构，在机械手掌6的双层结构的分隔处同轴设置第一滚动轴承5，第三撑臂30的顶端伸入机械手掌6的双层空间内与第一滚动轴承5的外部固定连接；穿过机械手掌6和第一滚动轴承5的中央靠近第二撑臂31的方向固定连接旋转轴7，旋转轴7的外周同轴套设第一传动齿轮9，与第一传动齿轮9啮合第一主动齿轮8，通过旋转电机10控制第一主动齿轮8带动第一传动齿轮9与旋转轴7的转动，同时带动机械手掌6上的第一滚动轴承5转动，实现机械手掌6的360°旋转；穿过机械手掌6和第一滚动轴承5的中央远离第二撑臂31的方向同轴固设固定轴，固定轴包括固定外轴3和固定内轴2，固定外轴3内同轴设置固定内轴2，固定内轴2能相对于固定外轴3沿轴向移动，且固定内轴2与雷达天线的中央固定连接；在机械手掌6靠近雷达天线的盘体上垂直固设两个稳压油缸4，两个稳压油缸4以固定轴为对称轴线设置，稳压油缸4的活塞端与雷达天线固定连接；

稳压油缸4由于其进油口接有限压阀，可以将油液压力控制在稳定值；进油口和出油口相连接，保证了稳压油缸4活塞的左右液体压强相同，压差为固定值，因此一旦对限压阀的参数进行设定，便可以控制整个过程中雷达天线与掌子面的压力值；

第一撑臂14、高刚度弹簧15、安装架20和卡位块21共同组成一组高刚度缓冲结构，平时使用时通过卡位块21和高刚度弹簧15的限制，第一撑臂14的位置基本不会移动；当限压阀失效致使稳压油缸4收缩不及时时，雷达天线所受压力增长，该压力通过稳压油缸4、机械手掌6、旋转轴7、蜗轮蜗杆机构12的刚性传动将压力传至第一撑臂14，高刚度弹簧15受力压缩，第一撑臂14在卡位块21和直角三脚架之间的横向架体内移动对该力进行缓冲控制；该缓冲结构一般情况下不发挥作用，其重要功能是避免紧急情况下雷达天线受力过大以至于出现卡死或运动不协调的现象；

本实施例对固定轴的结构做出的改变，如若固定轴使用传统的单轴，则稳压油缸对雷达天线的推力可能会被固定轴所承受，稳压油缸4的推力和固定轴的拉力会使雷达天线承受很大的弯矩，严重时会导致雷达天线的破坏，而本实例所用的双轴结构，固定内轴2和固定外轴3在稳压油缸4的伸缩方向可以自由的相互运动，避免了在雷达天线上产生上述弯矩，同时，该双轴结构并不影响在掌子面平面内对雷达天线的支撑作用。具体的，固定外轴3为空腔的侧部带有卡槽301的轴体，固定内轴2的端部为垂直于固定内轴设置的卡条202，固定内轴2的外壁上设置卡块201，固定内轴2设置在固定外轴3内，卡块201沿卡槽301的限定范围内移动，且卡条202卡在固定外轴3的口部同时进行限位，固定内轴2可以随雷达天线一起做直线运动；

运动部分，又称测量车部分，由行走底盘和液压升降机组成，液压升降机安装在行走地盘上，自适应部分安装在液压升降机的顶端，实现自适应部分横向和纵向的移动；

具体的，液压升降机包括折叠伸缩架和升降机液压油缸22，折叠伸缩架可以在竖向进行高度的变化，自适应部分的安装架20的底端与折叠伸缩架的顶端固定连接，通过升降机液压油缸22控制折叠伸缩架的升降高度从而进行自适应部分的纵向高度；

具体的，行走底盘包括设置在底盘上的行走电机28、与行走电机连接的第二主动齿轮27和与第二主动齿轮啮合的第二传动齿轮26，为行走底盘的横向移动提供动力，行走轮25通过第二滚动轴承24安装在底盘下部的第四撑臂23上，实现整个车体的行走。

本实施例的隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置还包括红外控制装置19，红外控制装置19设置在安装架的后端，可以将所有操作按钮集中于一遥控器上，因此可以方便、准确、快速地对该装置进行操作。

另外，为了实时监测稳压油缸4与雷达天线之间压力情况，避免局部压力过大对雷达天线造成破坏，在稳压油缸4与雷达天线之间设置压力传感器1。

本发明在实际实施中具体的步骤为：

开始工作时，将隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置停留在距离掌子面适当的位置，根据需要测量的掌子面高度调节液压升降机22；

推动电机13和电磁铁16共用一个开关，推动电机13开启，电磁铁16通电，衔铁17退出齿槽18，自适应部分的整个工作装置将向左进行移动，直到雷达天线将要触碰到掌子面时推动电机13停止，衔铁17卡入齿槽18，自适应部分得以固定；

开启旋转电机10，旋转电机10控制第一主动齿轮8和第一传动齿轮9，使旋转轴7带动机械手掌6旋转，用以调节雷达天线的正方向为行驶方向；

调节限压阀，开启液压泵，使稳压油缸4推动雷达天线贴紧掌子面并达到预定的压力；

开启运动部分的行走电机28，通过相互啮合的第二主动齿轮27和第二传动齿轮26驱动行走轮25转动，雷达天线开始贴着掌子面移动；移动过程中，当整个装置与掌子面的距离发生变化或者掌子面表面凹凸不平时，稳压油缸4通过活塞的伸缩开始重新调节雷达天线与掌子面的压力直至预定压力；

第一撑臂14、高刚度弹簧15、安装架20和卡位块21组成高刚度缓冲结构，避免了整个结构受到冲击等其他紧急情况时雷达天线在隧道掌子面上发生卡死现象；

该机构中，所有线路均与红外接收器19相连，操作者通过对遥控器的控制，便可以实现整个测量工作的进行，同时通过压力传感器1进行稳压油缸4与雷达天线之间压力的检测。

Claims (4)

1.一种隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置，其特征在于，包括依次与雷达天线连接的稳压单元、旋转单元和横向移动单元，稳压单元控制雷达天线与待测掌子面之间的压力保持恒定，旋转单元控制稳压单元与雷达天线一起进行旋转，横向移动单元控制旋转单元、稳压单元与雷达天线一起进行横向的来回移动；

所述的稳压单元包括稳压油缸(4)，稳压油缸(4)包括液压油缸、进油管、出油管和限压阀，进油管与液压油缸的非活塞杆端连通，出油管与液压油缸的活塞杆端连通，且进油管与出油管在液压油缸外连通，限压阀设置在进油管未与出油管连通的管路上；

稳压油缸(4)的活塞端与雷达天线固定连接，当通过横向移动单元和旋转单元调整好雷达天线与待测掌子面之间的位置后，通过稳压油缸(4)自动调节雷达天线与待测掌子面之间的位置；

所述的旋转单元包括机械手掌(6)，机械手掌(6)为相隔离的双层圆盘结构，在机械手掌(6)的双层结构的分隔处同轴设置第一滚动轴承(5)，在机械手掌(6)的一端同轴固设旋转轴(7)，在机械手掌(6)的另一端同轴固设稳压油缸(4)，稳压油缸(4)的活塞杆与雷达天线固接；

旋转轴(7)的旋转带动机械手掌(6)、稳压油缸(4)和雷达天线共同旋转；

在机械手掌(6)上与旋转轴(7)相对同轴固设固定轴，所述的固定轴包括固定外轴(3)和固定内轴(2)，固定外轴(3)同轴固设在机械手掌(6)上，固定内轴(2)可在固定外轴(3)内沿轴向来回移动，且固定内轴(2)的端部与雷达天线固定连接；

所述的横向移动单元包括安装架(20)、第一撑臂(14)、第二撑臂(31)、第三撑臂(30)和蜗轮蜗杆机构(12)，第一撑臂(14)、第二撑臂(31)和第三撑臂(30)由安装架(20)的一端依次并列垂直设置，第一撑臂(14)、第二撑臂(31)和第三撑臂(30)分别与安装架(20)活动式连接；

第一撑臂(14)用于支撑蜗轮蜗杆机构(12)的蜗轮，第二撑臂(31)用于支撑蜗轮蜗杆机构(12)的蜗杆与旋转轴(7)的连接点，第三撑臂(30)用于支撑机械手掌(6)；

所述的蜗杆与旋转轴(7)的连接点为半滚动轴承(11)，旋转轴(7)安装在半滚动轴承(11)的滚动端，蜗杆安装在半滚动轴承(11)的固定端；

所述的第二撑臂(31)通过限位构件与安装架(20)活动式连接，所述的限位构件包括电磁铁(16)、衔铁(17)和齿槽(18)，电磁铁(16)和衔铁(17)设置在第二撑臂(31)上，齿槽(18)沿安装架(20)的长度方向设置在第一撑臂(14)和第二撑臂(31)间；

通电时，衔铁(17)被电磁铁(16)吸附移出齿槽(18)，第二撑臂(31)在安装架(20)上移动；断电时，衔铁(17)脱离电磁铁(16)的吸附卡在齿槽(18)内，限制第二撑臂(31)在安装架(20)上的移动。

2.如权利要求1所述的隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置，其特征在于，所述的稳压油缸(4)有两个，两个稳压油缸(4)以固定轴为对称线设置在机械手掌(6)上。

3.如权利要求1所述的隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置，其特征在于，所述的安装架(20)为横向的条状架体，在安装架(20)的端部垂直设置辅助三角架，第一撑臂(14)通过高刚度弹簧(15)与辅助三角架连接，且在齿槽(18)的靠近第一撑臂(14)的端部设置卡位块(21)，第一撑臂(14)、高刚度弹簧(15)、安装架(20)和卡位块(21)组成高刚度缓冲结构。

4.如权利要求3所述的隧道地质超前预报雷达天线自适应调位装置，其特征在于，还包括升降移动单元，所述的升降移动单元包括升降架和移动底盘，安装架(20)设置在升降架的顶端，升降架安装在移动底盘上，升降架在竖向进行安装架(20)位置的调节，移动底盘带动升降架和安装架(20)一起进行水平移动。