CN106087936A - 一种电磁调频式孔底锤击薄壁低阻取土器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电磁调频式孔底锤击薄壁低阻取土器，本发明涉及内容包括薄壁低阻取土器、电磁调频锤击器、进尺及压力传感器、导线和地表控制器。其中薄壁低阻取土器包括减阻凹槽和螺纹接口，电磁调频锤击器包括超导线圈、永磁锤、减震胶垫、旋转吊环、排泄孔和螺纹接口。将本发明用钢丝绳吊至钻孔孔底，利用地表控制器开启底部电磁调频锤击器，进尺及压力传感器实时传输相关数据，地表控制器根据所采土样软硬、松散程度自动控制永磁锤锤击力度及频率，减小机械振动引起的土样扰动，从而获得低扰动原状土样。本方法适用于地质工程、岩土工程技术领域，能够广泛应用于各类原状土样快速采样。

Description

一种电磁调频式孔底锤击薄壁低阻取土器

技术领域

本发明属于地质工程、岩土工程技术领域，尤其是涉及一种电磁调频式孔底锤击薄壁低阻取土器。

背景技术

工程钻探过程中常常涉及原状土样采集，原有薄壁取土器锤击装置通常设置在地表以上，通过钻杆传力到底部从而将取土器击入土中。然而，原有方法在传力过程中会使钻杆产生大幅振动与扭曲，这个过程会对取得的原状土产生很大扰动。前人通过工程经验总结创造出数种机械式孔内锤击器，可以大大减小锤击力传递对试样产生的扰动。如，最接近现有技术，中国实用新型专利于2012年10月24日公开的《一种孔内捶击采取湿陷黄土原状样品的装置》，由于钻机的升降装置的钢丝绳通过提引绳将冲锤提升一定高度，然后释放冲锤，冲锤在护筒内自由下落，冲击锤垫和取土器完成贯入取样。然而，该已有发明均采用重锤机械提拉式掘进方式，该种方式重锤与采集器之间采用不完全封闭结构，当遇到较高地下水压力时水浮力作用将大大减小有效锤击力度，同时牵引绳常常存在变形滞后效应，很难保证锤击频率。

另外，由于取土器外侧壁较长，在拔出过程中外壁与周边土体之间会产生很大摩擦力使其难以移动。外力施加大小和频率具有偶然性，扰动大，取土动作不精细，采集到的土样失效。因此，砂性土原状样采集设备亟待开发与改进。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述技术缺陷而提供的一种电磁调频式孔底锤击薄壁低阻取土器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种电磁调频式孔底锤击薄壁低阻取土器，包括薄壁低阻取土器1、电磁调频锤击器2、进尺及压力传感器3、导线4和地表控制器5。

薄壁低阻取土器1与电磁调频锤击器2之间通过螺纹接口(12、26)连接。

所述的电磁调频锤击器2包括超导线圈21、永磁锤22、减震胶垫23、排泄孔25和螺纹接口(12、26)。

超导线圈21设置在永磁锤22中心，可以通过改变定向电流(正/负电流)产生双向磁场；

永磁锤22位于锤击点顶部位置，永磁锤22由环状永磁铁构成，并被密闭在电磁调频锤击器2内部环状空腔内，在超导线圈21产生磁场的作用下可以发生上升或下降运动；

减震胶垫23安装于永磁锤22底部，覆盖于整个锤击接触面，用于减小永磁锤下落产生的锤击振动；

通过开设排泄孔25使得电磁调频锤击器2内部与薄壁低阻取土器1直接连通，用于排出薄壁低阻取土器1内部空气或水。

电磁调频锤击器2、进尺及压力传感器3分别通过导线4与地表控制器5连接。

所述的进尺及压力传感器3用于测量取土器进尺速率和掘进力，分别获得参数V，F。

所述电磁调频锤击器2包括电流控制模块，电磁调频锤击器2通过该电流控制模块与市电连接，用于控制超导线圈21中通电电流。

所述地表控制器5包括作业控制软件模块，该作业控制软件模块的输入与进尺及压力传感器3输出连接，其输出与电磁调频锤击器2电流控制模块输入连接由此根据采集得到的V、F实时根据掘进土层环境高精度调控电磁调频锤击器2中超导线圈21电流大小i和电流方向转换频率f，从而可以获得最佳低扰动原状土样。

所述的薄壁低阻取土器1包括减阻凹槽和螺纹接口，减阻凹槽主要用于减小取土器与周边土体摩擦力。

本发明装置还可以包括旋转吊环24，用于连接外部钢丝绳，作业前用钢丝绳将本发明装置吊至钻孔孔底。

具体实施中，共有3中掘进方式可供选择：

1、全伺服掘进操作如下：首先选定勘探地点，将本发明用钢丝绳吊至钻孔孔底(钢丝绳连接本发明装置中的旋转吊环24)，在地表控制器5内设定目标土样基本类型，利用地表控制器5开启底部电磁调频锤击器2进行试掘进，通过取土器进尺速率V_ori和掘进力F_ori及所采土样软硬、松散程度自动调节超导线圈21电流大小i及电流方向转换频率f，从而控制永磁锤22锤击力度及频率，最终在永磁锤22的不断锤击作用下将薄壁低阻取土器1击入土中，从而可以获得最佳低扰动原状土样。

所述地表控制器5数学式表征为

$\left\{\begin{array}{cc}ifV>V_{\mathrm{\&xi;}\max }& f=(V_{\mathrm{\&xi;}\max }/V)f_{ori}\\ ifV<V_{\mathrm{\&xi;}\min }& f=(V_{\mathrm{\&xi;}\min }/V)f_{ori}\\ ifF>F_{\mathrm{\&xi;}\max }& i=(F_{\mathrm{\&xi;}\max }/F)i_{ori}\\ ifF<F_{\mathrm{\&xi;}\min }& i=(F_{\mathrm{\&xi;}\min }/F)i_{ori}\end{array}\right.$

式中：V表示进尺速率；F表示掘进力；i表示输出电流；f表示电流正负转换频率；i_ori，f_ori表示前一次锤击输出电流和电流正负装换频率；ξ为土样基本类型，其中包括两个区间取值，即V_ξ＝[a，b]，F_ξ＝[c，d]，其中V_ξmax＝b；V_ξmin＝a；F_ξmax＝d；F_ξmin＝c，其中a，b，c，d为经验常数根据不同土性预先设定在软件中。

2、定力掘进操作如下：首先选定勘探地点，将本发明用钢丝绳吊至钻孔孔底，在地表控制器5内设定目标土样基本类型及所需锤击力F_sat，利用地表控制器5开启底部电磁调频锤击器2进行试掘进，通过取土器掘进力F_ori自动调节超导线圈21电流大小i，从而控制永磁锤22锤击力度F，并根据所采土样软硬、松散程度自动调节超导线圈21电流方向转换频率f控制锤击频率，最终在永磁锤22的不断锤击作用下将薄壁低阻取土器1击入土中，从而获得低扰动原状土样。

所述地表控制器5数学式表征为

$\left\{\begin{array}{cc}ifV>V_{\mathrm{\&xi;}\max }& f=(V_{\mathrm{\&xi;}\max }/V)f_{ori}\\ ifV<V_{\mathrm{\&xi;}\min }& f=(V_{\mathrm{\&xi;}\min }/V)f_{ori}\\ ifF>F_{sat}& i=(F_{sat}/F)i_{ori}\\ ifF<F_{sat}& i=(F_{sat}/F)i_{ori}\end{array}\right.$

式中：V_sat表示设定掘进速率。

3、定速掘进操作如下：首先选定勘探地点，将本发明用钢丝绳吊至钻孔孔底，在地表控制器5内设定目标土样基本类型及所需掘进速率V_sat，利用地表控制器5开启底部电磁调频锤击器2进行试掘进，通过取土器进尺速率V_ori自动调节超导线圈21电流方向转换频率f，从而控制永磁锤22锤击频率及进尺速率V，并根据所采土样软硬、松散程度自动调节超导线圈21电流大小i控制锤击力，最终在永磁锤22的不断锤击作用下将薄壁低阻取土器1击入土中，从而获得低扰动原状土样。

所述地表控制器5数学式表征为

$\left\{\begin{array}{cc}ifV>V_{sat}& f=(V_{sat}/V)f_{ori}\\ ifV<V_{sat}& f=(V_{sat}/V)f_{ori}\\ ifF>F_{\mathrm{\&xi;}\max }& i=(F_{\mathrm{\&xi;}\max }/F)i_{ori}\\ ifF<F_{\mathrm{\&xi;}\min }& i=(F_{\mathrm{\&xi;}\min }/F)i_{ori}\end{array}\right.$

式中：F_sat表示设定掘进力。

本方法适用于地质工程、岩土工程技术领域，能够广泛应用于各类粘性土快速采样。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电磁调频锤击器水平剖面图；

图3为本发明的地表控制器；

图4为本发明的线路连接方式图；

图5为本发明全伺服掘进操作流程图；

图6为本发明定力掘进操作流程图；

图7为本发明定速掘进操作流程图。

具体实施方式

本发明的电磁调频式孔底锤击薄壁低阻取土器，包括薄壁低阻取土器、电磁调频锤击器、进尺及压力传感器、导线和地表控制器。其中薄壁低阻取土器包括减阻凹槽和螺纹接口，电磁调频锤击器包括超导线圈、永磁锤、减震胶垫、旋转吊环、排泄孔和螺纹接口。将本发明用钢丝绳吊至钻孔孔底，利用地表控制器开启底部电磁调频锤击器，进尺及压力传感器实时传输相关数据，地表控制器根据所采土样软硬、松散程度自动控制永磁锤锤击力度及频率，减小机械振动引起的土样扰动，从而获得低扰动原状土样。本方法适用于地质工程、岩土工程技术领域，能够广泛应用于各类原状土样快速采样。下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，本发明包括薄壁低阻取土器1、电磁调频锤击器2、进尺及压力传感器3、导线4和地表控制器5。

所述的薄壁低阻取土器1包括减阻凹槽11和螺纹接口12，减阻凹槽11主要用于减小取土器与周边土体摩擦力。

所述的电磁调频锤击器2包括超导线圈21、永磁锤22、减震胶垫23、旋转吊环24、排泄孔25和螺纹接口26。超导线圈21设置在永磁锤22中心，可以通过定向电流产生双向磁场；永磁锤22由环状永磁铁构成，并被密闭在电磁调频锤击器2内部环状空腔内，在超导线圈21产生磁场的作用下可以发生上升或下降运动；减震胶垫23用于减小永磁锤22下落产生的锤击振动；排泄孔25与薄壁低阻取土器1直接连通，用于排出薄壁低阻取土器1内部空气或水。薄壁低阻取土器1与电磁调频锤击器2之间通过螺纹接口12、26连接。

所述的进尺及压力传感器3用于测量取土器进尺速率和掘进力。

所述的地表控制器5设置在地表，通过导线4与电磁调频锤击器2连接，地表控制器5功能包括试掘进、土样类型设定、锤击频率设定、锤击力度设定、自动伺服控制、进尺速率输出、掘进力输出。

具体实施中，共有3中掘进方式可供选择：

1、全伺服掘进操作如下：首先选定勘探地点，将本发明用钢丝绳吊至钻孔孔底(钢丝绳连接本发明装置中的旋转吊环24)，在地表控制器5内设定目标土样基本类型，利用地表控制器5开启底部电磁调频锤击器2进行试掘进，通过取土器进尺速率和掘进力及所采土样软硬、松散程度自动调节超导线圈21电流大小及电流方向转换频率，从而控制永磁锤22锤击力度及频率，最终在永磁锤22的不断锤击作用下将薄壁低阻取土器1击入土中，从而可以获得最佳低扰动原状土样。

2、定力掘进操作如下：首先选定勘探地点，将本发明用钢丝绳吊至钻孔孔底，在地表控制器5内设定目标土样基本类型及所需锤击力，利用地表控制器5开启底部电磁调频锤击器2进行试掘进，通过取土器掘进力自动调节超导线圈21电流大小，从而控制永磁锤22锤击力度，并根据所采土样软硬、松散程度自动调节超导线圈21电流方向转换频率控制锤击频率，最终在永磁锤22的不断锤击作用下将薄壁低阻取土器1击入土中，从而获得低扰动原状土样。

3、定速掘进操作如下：首先选定勘探地点，将本发明用钢丝绳吊至钻孔孔底，在地表控制器5内设定目标土样基本类型及所需掘进速率，利用地表控制器5开启底部电磁调频锤击器2进行试掘进，通过取土器进尺速率自动调节超导线圈21电流方向转换频率，从而控制永磁锤22锤击频率及进尺速率，并根据所采土样软硬、松散程度自动调节超导线圈21电流大小控制锤击力，最终在永磁锤22的不断锤击作用下将薄壁低阻取土器1击入土中，从而获得低扰动原状土样。

本方法适用于地质工程、岩土工程技术领域，能够广泛应用于各类粘性土快速采样。

Claims (2)

1.一种电磁调频式孔底锤击薄壁低阻取土器，包括薄壁低阻取土器(1)、电磁调频锤击器(2)、进尺及压力传感器(3)、导线(4)和地表控制器(5)；

薄壁低阻取土器(1)与电磁调频锤击器(2)之间通过螺纹接口(12、26)连接；

所述的电磁调频锤击器(2)包括超导线圈(21)、永磁锤(22)、减震胶垫(23)、排泄孔(25)和螺纹接口(12、26)；

超导线圈(21)设置在永磁锤(22)中心，可以通过改变定向电流(正/负电流)产生双向磁场；

永磁锤(22)位于锤击点顶部位置，永磁锤(22)由环状永磁铁构成，并被密闭在电磁调频锤击器(2)内部环状空腔内，在超导线圈(21)产生磁场的作用下可以发生上升或下降运动；

减震胶垫(23)安装于永磁锤(22)底部，覆盖于整个锤击接触面，用于减小永磁锤下落产生的锤击振动；

通过开设排泄孔(25)使得电磁调频锤击器(2)内部与薄壁低阻取土器(1)直接连通，用于排出薄壁低阻取土器(1)内部空气或水；

电磁调频锤击器(2)、进尺及压力传感器(3)分别通过导线(4)与地表控制器(5)连接；

所述的进尺及压力传感器(3)用于测量取土器进尺速率和掘进力，分别获得参数V，F；

所述电磁调频锤击器(2)包括电流控制模块，电磁调频锤击器(2)通过该电流控制模块与市电连接，用于控制超导线圈(21)中通电电流；

所述地表控制器(5)包括作业控制软件模块，该作业控制软件模块的输入与进尺及压力传感器(3)输出连接，其输出与电磁调频锤击器(2)电流控制模块输入连接，由此根据采集得到的V、F实时根据掘进土层环境高精度调控电磁调频锤击器(2)中超导线圈(21)电流大小i和电流方向转换频率f，以获得低扰动原状土样。

2.如权利要求1所述的取土器，其特征在于，所述的薄壁低阻取土器(1)包括减阻凹槽和螺纹接口，减阻凹槽主要用于减小取土器与周边土体摩擦力。