CN107632652B - 一种用于室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置及使用方法，装置包括压力供给单元、储浆搅拌单元和测控单元，其中：所述储浆搅拌单元包括具有容纳空间的腔体，所述腔体内设置有多级搅拌机构，腔体上设置有进浆通道和出浆通道，所述压力供给单元向储浆搅拌单元内部容纳的浆液提供伺服控制的压力，所述测控单元分别连接压力供给单元和储浆搅拌单元，通过控制施加的压力和进浆通道和出浆通道的流速或流量，实现注浆伺服闭环控制。本发明通过伺服控制加载盘对注浆压力进行测控；通过调控浆液体积大小对注浆流量及注浆量进行测控，对注浆压力、注浆流量及注浆量可随机切换伺服控制。

Description

一种用于室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置及操作方法

技术领域

一种用于室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置及操作方法

背景技术

注浆是进行地下工程突涌水灾害治理及地层加固的有效方法。受制于工程地质环境的复杂性及注浆施工的隐蔽性，目前复杂地层中的注浆扩散规律及加固机理尚不明确。目前，室内注浆模拟试验是研究注浆扩散加固理论及注浆技术的重要手段。

注浆装置用于控制室内模拟试验的注浆参数，是保证注浆试验精细化的关键之一。目前，室内试验注浆装置往往采用注浆泵、电磁流量计、压力变送器及注浆管路组装形成。下面将具有代表性的用于室内注浆模拟试验的注浆装置简介如下：

2014年10月，公开号为CN204155160U的中国专利申请《试验用恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统》中，提出了一种恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统，可根据试验要求调整浆液配比、注浆压力以及孔隙水压力。

2015年5月，《隧道断层泥注浆加固机制模型试验研究》文献中，注浆工艺模块使用定制版手动注浆泵，可实现“小流量、高压力”注浆。

2016年12月，《富水破碎岩体注浆加固模拟试验及应用研究》文献中，风动注浆泵送装置可实现注浆量0～30L/min范围内无级变速，最大注浆压力3MPa。

上述代表性提出了室内试验注浆方法，在一定程度上满足了注浆需求，但仍存在以下不足：

(1)已有的恒压注浆伺服控制系统适用于室内恒压注浆试验，不能满足恒流量注浆试验需求。

(2)已有的手动注浆泵满足小流量、高压的试验需求，但在注浆流量及注浆压力控制精度方面有待提高，不适用于精细化注浆试验。

(3)已有的风动注浆泵送装置适用于室内恒流量注浆试验，不能满足恒压注浆试验需求。

精准控制注浆参数是实现注浆试验精细化的关键之一。目前，没有对注浆流量、注浆压力及注浆量等注浆参数精准控制的试验装置。因此，研究开展室内试验的注浆伺服控制装置研究，考虑对注浆压力、注浆流量及注浆量的伺服控制，具有重要的理论研究意义和试验应用价值。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置及操作方法，本发明能够通过伺服控制加载盘对注浆压力进行测量控制；通过调控浆液体积大小对注浆流量及注浆量进行测量控制，同时，本发明对注浆压力、注浆流量及注浆量可随机切换伺服控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置，包括压力供给单元、储浆搅拌单元和测控单元，其中：所述储浆搅拌单元包括具有容纳空间的腔体，所述腔体内设置有多级搅拌机构，腔体上设置有进浆通道和出浆通道，所述压力供给单元向储浆搅拌单元内部容纳的浆液提供伺服控制的压力，所述测控单元分别连接压力供给单元和储浆搅拌单元，通过控制施加的压力和进浆通道和出浆通道的流速或流量，实现注浆伺服闭环控制。

进一步的，所述压力供给单元包含反力框架和步进组件，反力框架用于支承储浆搅拌单元和压力供给单元，并为步进升降组件提供反力，步进组件可在储浆搅拌单元内做步进升降运动，为本注浆装置提供设定的压力。

进一步的，反力框架包含立柱、上承压板和下承压板，上、下承压板为方形块体，四角位置均预留立柱孔，以贯穿立柱，上、下承压板之间容纳储浆搅拌单元，上、下承压板的中心位置预留有适配于储浆搅拌单元的安装孔，上承压板一侧预留两个与测控单元适配的安装孔，下承压板两侧分别预留有与进浆通道和出浆通道适配的安装孔。

进一步的，所述步进组件包含步进电机、螺纹杆、螺纹套筒和加载盘，步进电机精确控制螺纹杆转速及转动角度，螺纹杆采用梯形螺纹，螺纹套筒外壁为光滑面，其端头部位与螺纹杆相吻合的梯形螺纹，其余内壁面光滑且内径大于螺纹杆外径，内壁光滑的一端设有环状螺栓固定台；加载盘环面开设多道密封圈槽，端面预留螺纹套筒螺纹安装孔。

进一步的，所述腔体包括钢桶和密封轴承，钢桶桶底预留安装孔，安装孔分为密封轴承孔和过浆孔，密封轴承孔位于桶底中心处，密封轴承孔周围预留两个过浆孔。

进一步的，多级搅拌机构包括搅拌架和搅拌电机，搅拌架包括中心转轴和搅拌桨，搅拌桨焊接在中心转轴上，呈多层扇形结构，每层含多个搅拌桨叶且搅拌桨叶绕中心转轴均匀布置，垂直投影面上双层搅拌桨呈一定夹角。

进一步的，搅拌架位于储浆桶内且其中心转轴穿过密封轴承与搅拌电机螺纹连接；搅拌机采用螺栓与下承压板连接；搅拌机带动搅拌架在储浆桶内做旋转运动。

进一步的，所述进浆通道和出浆通道均包括浆液管和设置在浆液管上的单向阀门，所述进浆通道和出浆通道与腔体连通。

进一步的，所述测控单元包含直线位移计、压力传送器和伺服控制箱，直线位移计采用螺栓固定在上承压板下表面且保证测线垂直向下，其测头固定于加载盘上端面，直线位移计用于监测加载盘的垂向运动；压力传送器安装出浆通道上，用于监测排出浆液的压力；伺服控制箱接收、处理并显示直线位移计及压力传感器传递的流量和压力信号，并依据流量和压力信号对步进电机进行调控。

基于上述装置的使用方法，包括：

(1)连接组成伺服注浆装置，将进浆通道置于含有浆液的制浆桶内，将出浆通道与试验模型架连接；

(2)按试验要求设定压力、流量或注浆量的初始大小及变化梯度，启动伺服注浆装置对试验架注浆，待注浆参数达到注浆要求后停止注浆；

(3)试验结束后，清洗注浆伺服控制装置，防止浆液凝固影响其使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用压力机与储浆搅拌单元相配合，同时进行加压浆液和搅拌浆液，保证储浆搅拌单元内浆液在高压小对流的情况下混合均匀；

(2)本发明采用压力机与直线位移计、伺服控制箱相配合形成注浆流量及注浆量伺服控制回路。通过对压力机加载盘位移的测控，可实现对浆液流量的测控及对浆液量的计量，并可实现对加载盘限位，避免加载盘与搅拌架碰撞；

(3)本发明采用压力机与压力变送器、伺服控制箱相配合形成注浆压力伺服控制回路。通过对压力机加载盘位移的测控，可实现对注浆压力的伺服控制；

(4)本发明采用压力机、储浆搅拌单元、测控单元相配合形成室内试验的注浆伺服控制装置，可实现对注浆压力、注浆流量及注浆量随机切换伺服控制。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明装置平面图；

图2为本发明反力框架示意图；

图3为本发明步进组件示意图；

图4为本发明储浆桶示意图；

图5为本发明装置使用示意图；

图6为本发明搅拌组件示意图；

图7为本发明测控元件安装示意图。

其中：1立柱、2上承压板、3下承压板、4步进电机、5螺纹杆、6螺纹套筒、7加载盘、8钢桶、9进浆单向阀、10出浆单向阀、11、搅拌架、12搅拌电机、13直线位移计、14压力变送器、15伺服控制箱、16底座、17螺帽、18密封圈槽、19密封轴承、20进浆管、21出浆管、22制浆桶、23试验架、24圆柱杆、25搅拌桨、26测线、27测头。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：包括自定义术语、不常见术语、需要解释限定清楚的术语、引用文献涉及内容等。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在室内注浆模拟试验装置往往采用注浆泵、电磁流量计、压力变送器及注浆管路组装形成。此类注浆装置能满足小流量与高压注浆需求，在对注浆流量、注浆压力及注浆量等参数控制精度方面有待进一步提高，实现注浆模拟试验精细化注浆。因此，研究开展室内试验的注浆伺服控制装置研究，考虑对注浆压力、注浆流量及注浆量的伺服控制，具有重要的理论研究意义和试验应用价值。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种用于室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置包含压力机、储浆搅拌单元、测控单元。压力机为柱塞桶内浆液提供伺服控制的压力，储浆搅拌单元为加压及搅拌浆液的场所，并可搅拌其单元内浆液，使浆液混合均匀；测控单元用于设定、监测及控制浆液的流量、压力及注浆量。

如图2所示，压力机包含反力框架和步进组件。反力框架用于支承本注浆装置并为步进升降组件提供反力。步进组件在储浆搅拌单元内步进升降运动，为本注浆装置提供压力、流量等精确参数的浆液。

反力框架包含立柱1、上承压板2和下承压板3。立柱1一端为T型螺纹，另一端为盘状式底座16；上承压板2、下承压板3均为方形块体，四角位置均预留立柱孔，中心位置均预留安装孔，安装孔包括中心孔和周围螺栓孔，上承压板2一侧预留两个测控单元安装孔，下承压板3两侧分别预留一个单向阀孔。反力框架组装形式为：四根立柱1分别穿过上、下承压板的预留立柱孔，立柱1螺纹端采用螺帽17与上承压板固定。

步进组件包含步进电机4、螺纹杆5、螺纹套筒6和加载盘7。步进电机1可精确控制螺纹杆5转速及转动角度；螺纹杆5采用梯形螺纹；螺纹套筒6外壁为光滑面，其端头部位内壁为与螺纹杆5相吻合的梯形螺纹，其余内壁面光滑且内径大于螺纹杆5外径，内壁光滑的一端设有环状螺栓固定台；加载盘7环面开设三道密封圈槽18，端面预留螺纹套筒螺纹安装孔。步进组件组装形式为：步进电机4通过预留安装孔与上承压板2螺栓连接；螺纹杆5穿过上承压板2中心孔与步进电机4螺纹连接；螺纹套筒6通过其内壁螺纹段旋拧在螺纹杆4上；螺纹套筒6通过螺栓固定台与加载盘7螺栓连接；密封圈安装在加载盘密封圈槽18内。

储浆搅拌单元包含储浆桶和搅拌组件。储浆桶为加压及搅拌浆液的场所，搅拌组件用于搅拌储浆桶内浆液。

储浆桶包括钢桶8、进浆单向阀9、出浆单向阀10、密封轴承19、吸浆管20以及出浆管21。钢桶8桶底预留安装孔，分别为密封轴承孔和过浆孔，密封轴承孔位于钢桶8桶底中心处，密封轴承孔周围预留两个过浆孔；出浆管为高压胶管。储浆桶组装形式为：密封轴承19安装在钢桶8桶底密封轴承孔上，进浆单向阀9和出浆单向阀10分别安装在储浆桶过浆孔上，进浆单向阀9通过吸浆管20外连制浆桶22，出浆单向阀通过出浆管21外连试验架23。

搅拌组件包括搅拌架11和搅拌电机12。搅拌架11由圆柱杆24和搅拌桨25组成，搅拌桨25焊接在圆柱杆24上，呈双层扇形结构，每层含三个搅拌桨25且均匀布置，垂直投影面上双层搅拌桨25呈30°～40°夹角。搅拌架11位于储浆桶内且其圆柱杆24穿过密封轴承19与搅拌电机12螺纹连接；搅拌机12采用螺栓与下承压板3连接；搅拌机12带动搅拌架11在储浆桶内做旋转运动。

测控单元包含直线位移计13、压力传送器14、伺服控制箱15。直线位移计13采用螺栓固定在上承压板2下表面且保证测线26垂直向下，其测头27固定于加载盘7上端面，直线位移计13用于监测加载盘7的垂向运动；压力传送器14安装在出浆管21上，用于监测储浆桶排出浆液的压力；伺服控制箱15用于接收、处理、显示直线位移计13及压力传感器14传递的流量、压力信号，并依据流量、压力信号对步进电机4进行调控。

用于室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)连接组成高压小流量伺服注浆装置，将吸浆管20置于含有浆液的制浆桶22内，将出浆管21与试验架23连接；

(2)按试验要求设定压力、流量或注浆量的初始大小及增加梯度，启动高压小流量伺服注浆装置对试验架23注浆，待注浆参数达到注浆要求后停止注浆；

(3)试验结束后，清洗注浆伺服控制装置，防止浆液凝固影响其使用。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置，其特征是：包括压力供给单元、储浆搅拌单元和测控单元，其中：所述储浆搅拌单元包括具有容纳空间的腔体，所述腔体内设置有多级搅拌机构，腔体上设置有进浆通道和出浆通道，所述压力供给单元向储浆搅拌单元内部容纳的浆液提供伺服控制的压力，所述测控单元分别连接压力供给单元和储浆搅拌单元，通过控制施加的压力和进浆通道和出浆通道的流速或流量，实现注浆伺服闭环控制；

所述测控单元包含直线位移计、压力传送器和伺服控制箱，直线位移计采用螺栓固定在上承压板下表面且保证测线垂直向下，其测头固定于加载盘上端面，直线位移计用于监测加载盘的垂向运动；压力传送器安装在出浆通道上，用于监测排出浆液的压力；伺服控制箱接收、处理并显示直线位移计及压力传感器传递的流量和压力信号，并依据流量和压力信号对步进电机进行调控。

2.如权利要求1所述的一种室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置，其特征是：所述压力供给单元包含反力框架和步进组件，反力框架用于支承储浆搅拌单元和压力供给单元，并为步进组件提供反力，步进组件在储浆搅拌单元内步进升降运动，为所述注浆伺服控制装置提供设定的压力。

3.如权利要求2所述的一种室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置，其特征是：反力框架包含立柱、上承压板和下承压板，上、下承压板为方形块体，四角位置均预留立柱孔，以贯穿立柱，上、下承压板之间容纳储浆搅拌单元，上、下承压板的中心位置预留有适配于储浆搅拌单元的安装孔，上承压板一侧预留两个与测控单元适配的安装孔，下承压板两侧分别预留有与进浆通道和出浆通道适配的安装孔。

4.如权利要求2所述的一种室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置，其特征是：所述步进组件包含步进电机、螺纹杆、螺纹套筒和加载盘，步进电机精确控制螺纹杆转速及转动角度，螺纹杆采用梯形螺纹，螺纹套筒外壁为光滑面，其端头部位与螺纹杆的梯形螺纹相吻合，其余内壁面光滑且内径大于螺纹杆外径，内壁光滑的一端设有环状螺栓固定台；加载盘环面开设多道密封圈槽，端面预留螺纹套筒螺纹安装孔。

5.如权利要求1所述的一种室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置，其特征是：所述腔体包括钢桶和密封轴承，钢桶桶底预留安装孔，安装孔分为密封轴承孔和过浆孔，密封轴承孔位于桶底中心处，密封轴承孔周围预留两个过浆孔。

6.如权利要求1所述的一种室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置，其特征是：多级搅拌机构包括搅拌架和搅拌电机，搅拌架包括中心转轴和搅拌桨，搅拌桨焊接在中心转轴上，呈多层扇形结构，每层含多个搅拌桨叶且搅拌桨叶绕中心转轴均匀布置，垂直投影面上双层搅拌桨呈一定夹角。

7.如权利要求6所述的一种室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置，其特征是：搅拌架位于储浆桶内且其中心转轴穿过密封轴承与搅拌电机螺纹连接；搅拌机采用螺栓与下承压板连接；搅拌机带动搅拌架在储浆桶内做旋转运动。

8.如权利要求1所述的一种室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置，其特征是：所述进浆通道和出浆通道均包括浆液管和设置在浆液管上的单向阀门，所述进浆通道和出浆通道与腔体连通。

9.基于如权利要求1-8中任一项所述的注浆伺服控制装置的使用方法，其特征是：包括：

(1)连接组成注浆伺服控制装置，将进浆通道置于含有浆液的制浆桶内，将出浆通道与试验模型架连接；

(2)按试验要求设定压力、流量或注浆量的初始大小及变化梯度，启动注浆伺服控制装置对试验架注浆，待注浆参数达到注浆要求后停止注浆；

(3)试验结束后，清洗注浆伺服控制装置，防止浆液凝固影响其使用。