CN109238826B - 一种电磁触探装置及其动力线圈电流的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电磁触探装置及其动力线圈电流的控制方法，包括有定位套筒，所述定位套筒中套装有与其滑动配合的落锤承重块，落锤承重块中心套装有与其一体的触探杆，触探杆上对应落锤承重块上方的部位自上而下依次套装有动力磁块和落锤，动力磁块和落锤固定连接为一体且均与定位套筒滑动导向配合；触探杆下端伸出定位套筒，触探杆底端为触探头，触探头上旋装有触探板；定位套筒内位于动力磁块上方的部位固定套装有可以产生电磁场的动力线圈。本发明采用电磁为动力基础，通过控制交变电流的来控制落锤下落的动能，取代了轻型，重型，超重型等各种动力触探装置，真正实现一锤多用。

Description

一种电磁触探装置及其动力线圈电流的控制方法
技术领域：
本发明属于动力触探领域，主要涉及一种电磁触探装置及其动力线圈电流的控制方法。
背景技术：
动力触探试验是岩土工程勘察常用的一种原位测试方法，是在静力触探试验的基础上发展而来。对于粗颗粒土或贯人阻力大的地基土，需要用动力才易于将探头贯人。从上世纪50年代后期开始使用动力触探，将一定尺寸、一定形状的探头打入土中，根据打入的难度，即贯入锤击数，判定土层名称及其工程性质。根据落锤质量和提升高度的不同，国内常用的落锤质量为10kg、63.5kg和120kg，分别称为轻型、重型和超重型动力触探。轻型动力触探适用于粘性土和粉土，常用来检测浅基础的地基承载力和基坑验槽。重型动力触探适用于砂土和砾卵石，超重型动力触探适用于砾卵石。如将锥形探头换成管式标准贯入器，落锤质量采用63.5kg，则可称为标准贯入试验具有勘察与测试的双重性能。标准贯入试验适用于粘性土、粉土和砂土。1982年首次制定《动力触探使用技术暂行规定》在生产中试行，1987年颁布为铁道部标准《动力触探技术规定》，2003年并入《铁路工程地质原位测试规程》，一般用来衡量碎石土的密实度。平均粒径和最大粒径不同的土体选用的型号也不同，动力触探试验成果应用广泛。但由于试验操作的不规范，在试验过程中，无法使触探杆以确定的深度打入土体中，造成实验数据有较大误差。同时，在计算土基承载力，用以评价工程场地的结论的问题和确定的岩土工程设计参数时，并没有一个统一的计算方法和修正方法，采用贯入一定深度的锤击数与土的力学指标建立经验相关关系并不能更好的确定地基土力学性质。此外，现有的动力触探装置，由人工操作，但由于动力锤质量较大，造成人工操作过程中产生疲劳感，且实验次数有限的问题，
发明内容：
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种电磁触探装置及其动力线圈电流的控制方法。用电磁作为动力来源代替人工，通过控制输入电流的大小来控磁场强度，模拟不同型号的落锤作用下的效果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种电磁触探装置，其特征在于：包括有定位套筒，所述定位套筒中套装有与其滑动配合的落锤承重块，落锤承重块中心套装有与其一体的触探杆，触探杆上对应落锤承重块上方的部位自上而下依次套装有动力磁块和柱状的落锤，动力磁块和落锤固定连接为一体且均与定位套筒滑动导向配合；触探杆下端伸出定位套筒，触探杆底端为触探头，触探头上旋装有触探板；所述定位套筒内位于动力磁块上方的部位固定套装有可以产生电磁场的动力线圈。
一种电磁触探装置，其特征在于：所述定位套筒两侧分别设有可以测量落锤承重块下移尺寸的高度标尺。
所述的一种电磁触探装置，其特征在于：所述动力线圈通过线圈夹具安装在定位套筒上。
所述的一种电磁触探装置的动力线圈电流的控制方法，其特征在于：依次按照以下步骤进行：
步骤一：计算不同类型落锤下落至承重台时所具有的动能，用以确定所需磁场强度的大小；
计算不同类型落锤下落时损失势能,落锤下落所损失的势能与落锤所获得的动能相等。由公式1计算：
Wi＝migl (1)
Wi:i型落锤下落与承重台接触时所具有的动能
mi:i型落锤的质量
l：落锤下落前与承重台的距离
步骤二：计算动力磁块与落锤下落至承重台时所具有的动能，用以计算所需电磁力的大小；
动力磁块与落锤下落至承重台所损失的势能即动力磁块与落锤下落至承重台时所具有的动能大小，由公式2计算：
W电＝Fl0+m0gl0 (2)
W电：电磁落锤下落与承重台接触时所具有的动能
F：麦克斯韦电磁力
l0：电磁落锤下落前与承重台的距离
m0：电磁落锤的质量
步骤三：根据前两步所得到的结果，即公式1与公式2所计算的结果，推导出动力磁块与落锤下落时所需电磁力的大小。即公式3：
Figure BDA0001795792370000031
步骤四：以麦克斯韦方程组为理论基础，推导出麦克斯韦电磁吸力公式即公式4，将麦克斯韦电磁力公式4与以上步骤所得公式3联立，推导出动力磁块与落锤下落时所需控制电流的大小，即通过公式5与公式6的推导，得到公式7。
Figure BDA0001795792370000032
μ0：空气中的磁导率
S0：空气隙面积
n：线圈匝数
i：输入电流
δ0：空气隙厚度
Figure BDA0001795792370000041
μ0S0n2i2l0＝8δ0 2(migl-m0gl0) (6)
Figure BDA0001795792370000042
步骤五：将上述步骤得到的结果进行开平方处理，直观的得到所需电流的精确值，即公式8，调节电机的输入电流，保证仪器工作正常进行；
Figure BDA0001795792370000043
步骤六：由于电流公式8参数较多，且形式复杂，故引入流变系数，以简化计算公式，流变系数中各数均为常量，简化后得到电流公式9：
Figure BDA0001795792370000044
λ：流变系数
Figure BDA0001795792370000045
步骤七：将轻型，重型，超重型落锤的质量带入公式9，轻型，重型，超重型质量分别为10kg,63.5kg,120kg；计算每种落锤所需要相应的电流大小；即得到结果10,11,12。
Figure BDA0001795792370000046
Figure BDA0001795792370000047
Figure BDA0001795792370000048
步骤八：调节电机的输入电流，使动力磁块与落锤以相对应不同型号落锤的动能砸至落锤承重台上，模拟不同型号落锤的作用效果。
工作时，动力线圈通入电流，产生相反磁场，吸引动力磁块与落锤向上移动至参考位置，后产生相同磁场，使动力磁块与落锤砸到落锤承重块上。动力线圈通入不同强度的电流，会产生不同强度的磁场，当需要轻型动力触探仪的作用效果时，动力线圈通入较小的电流，使得动力磁块与落锤砸到落锤承重块时的动能与传统轻型动力触探仪落锤砸到落锤承重块上的动能相同，起到相同作用效果。当需要重型动力触探仪作用效果时，动力线圈通入较大的电流，使得动力磁块与落锤砸到落锤承重块时的动能与传统重型动力触探仪落锤砸到落锤承重块上的动能相同，起到相同作用效果。同时根据土质的不同，动力线圈通入不同的电流，产生不同的力，用以适应不同土体的要求，建立多重土基承载力评价指标。
落锤承重块上标有参考刻度，在动力磁块与落锤下落前，落锤承重块上参考刻度线与高度标尺上的零刻度保持相平，工作时，动力磁块与落锤砸在落锤承重块上，触探装置下沉，下沉结束，触探装置静止时，观察落锤承重块上的参考刻度线与高度标尺位置，读出动力磁块与落锤每砸一次，触探装置进入土体的深度。
工作时，将触探杆上的触探板调节到试验所需高度，触探板一旦与土基接触，试验结束，记录所锤击次数。
基于以上技术方案，本发明提出了一种基于麦克斯韦电磁理论的触探装置系统，
可广泛的用于动力触探领域，被大小施工单位及检测单位所使用。
发明效益
1.与现有技术相比，本发明以电磁力为动力，克服了原重力触探装置系统笨重，不易安装携带的缺点。
2.本发明装置可通过调节电流的大小，控制落锤下落时动能的的大小，可用于模拟不同型号的落锤所产生的作用效果。同时，适用于多种不同类型的土体，适用范围广。
3.本发明装置克服了原有装置系统测量时的经验误差，本发明装置在使用过程中使用电流控制方法，能精确的控制落锤下落的力的大小及高度，保证了测量结果的可靠性。
4.原有的动力触探装置，在使用过程中，需人力操作，浪费大量的人力物力。本发明装置采用电磁感应技术，解放了劳动力，使得测量过程更加的智能化。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的主视图。
图3为本发明线圈夹具部位的结构示意图。
具体实施方式：
参见附图。
一种电磁触探装置，包括有定位套筒9，所述定位套筒9中套装有与其滑动配合的落锤承重块5，落锤承重块5中心套装有与其一体的触探杆6，触探杆6上对应落锤承重块5上方的部位自上而下依次套装有动力磁块8和落锤7，动力磁块8和落锤7固定连接为一体且均与定位套筒9滑动导向配合；触探杆6下端伸出定位套筒9，触探杆6底端为预置触探杆3，预置触探杆3底端为触探头2，触探头2上旋装有触探板1；所述定位套筒9内位于动力磁块8上方的部位固定套装有可以产生电磁场的动力线圈11。
定位套筒9两侧分别设有可以测量落锤承重块5下移尺寸的高度标尺4。
所述动力线圈11通过线圈夹具10安装在定位套筒9上。动力线圈11通过电机12供电。
一种电磁触探装置的动力线圈电流的控制方法：
步骤一：计算不同类型落锤下落至承重台时所具有的动能，用以确定所需磁场强度的大小。
计算不同类型落锤下落时损失势能,落锤下落所损失的势能与落锤所获得的动能相等。由公式1计算
Wi＝migl (1)
Wi:i型落锤下落与承重台接触时所具有的动能
mi:i型落锤的质量
l：落锤下落前与承重台的距离
步骤二：计算动力磁块8与落锤7下落至承重台时所具有的动能，用以计算所需电磁力的大小。
动力磁块8与落锤7下落至承重台所损失的势能即动力磁块8与落锤7下落至承重台时所具有的动能大小，由公式2计算
W电＝Fl0+m0gl0 (2)
W电：电磁落锤下落与承重台接触时所具有的动能
F：麦克斯韦电磁力
l0：电磁落锤下落前与承重台的距离
m0：电磁落锤的质量
步骤三：根据前两步所得到的结果，即公式1与公式2所计算的结果，推导出动力磁块8与落锤7下落时所需电磁力的大小。即公式3
Figure BDA0001795792370000071
步骤四：以麦克斯韦方程组为理论基础，推导出麦克斯韦电磁吸力公式即公式4，将麦克斯韦电磁力公式4与以上步骤所得公式3联立，推导出动力磁块8与落锤7下落时所需控制电流的大小，即通过公式5与公式6的推导，得到公式7。
Figure BDA0001795792370000081
μ0：空气中的磁导率
S0：空气隙面积
n：线圈匝数
i：输入电流
δ0：空气隙厚度
Figure BDA0001795792370000082
μ0S0n2i2l0＝8δ0 2(migl-m0gl0) (6)
Figure BDA0001795792370000083
步骤五：将上述步骤得到的结果进行开平方处理，直观的得到所需电流的精确值，即公式8，调节电机12的输入电流，保证仪器工作正常进行。
Figure BDA0001795792370000084
步骤六：由于电流公式8参数较多，且形式复杂，故引入流变系数，以简化计算公式，流变系数中各数均为常量。简化后得到电流公式9。
Figure BDA0001795792370000085
λ：流变系数
Figure BDA0001795792370000091
步骤七：将轻型，重型，超重型落锤的质量带入公式9，轻型，重型，超重型质量分别为10kg,63.5kg,120kg。计算每种落锤所需要相应的电流大小。即得到结果10,11,12。
Figure BDA0001795792370000092
Figure BDA0001795792370000093
Figure BDA0001795792370000094
步骤八：调节电机12的输入电流，使动力磁块8与落锤7以相对应不同型号落锤的动能砸至落锤承重台上，模拟不同型号落锤的作用效果。

Claims (3)

1.一种电磁触探装置的动力线圈电流的控制方法，其特征在于：所述的电磁触探装置包括有定位套筒，所述定位套筒中套装有与其滑动配合的落锤承重块，落锤承重块中心套装有与其一体的触探杆，触探杆上对应落锤承重块上方的部位自上而下依次套装有动力磁块和柱状的落锤，动力磁块和落锤固定连接为一体且均与定位套筒滑动导向配合；触探杆下端伸出定位套筒，触探杆底端为触探头，触探头上旋装有触探板；所述定位套筒内位于动力磁块上方的部位固定套装有可以产生电磁场的动力线圈；
所述的一种电磁触探装置的动力线圈电流的控制方法，依次按照以下步骤进行：
步骤一：计算不同类型落锤下落至承重台时所具有的动能，用以确定所需磁场强度的大小；
计算不同类型落锤下落时损失势能,落锤下落所损失的势能与落锤所获得的动能相等；由公式1计算：
Wi＝migl (1)
Wi:i型落锤下落与承重台接触时所具有的动能
mi:i型落锤的质量
l：落锤下落前与承重台的距离
步骤二：计算动力磁块与落锤下落至承重台时所具有的动能，用以计算所需电磁力的大小；
动力磁块与落锤下落至承重台所损失的势能即动力磁块与落锤下落至承重台时所具有的动能大小，由公式2计算：
W电＝Fl0+m0gl0 (2)
W电：电磁落锤下落与承重台接触时所具有的动能
F：麦克斯韦电磁力
l0：电磁落锤下落前与承重台的距离
m0：电磁落锤的质量
步骤三：根据前两步所得到的结果，即公式1与公式2所计算的结果，推导出动力磁块与落锤下落时所需电磁力的大小；即公式3：
Figure FDA0002650821470000021
步骤四：以麦克斯韦方程组为理论基础，推导出麦克斯韦电磁吸力公式即公式4，将麦克斯韦电磁力公式4与以上步骤所得公式3联立，推导出动力磁块与落锤下落时所需控制电流的大小，即通过公式5与公式6的推导，得到公式7；
Figure FDA0002650821470000022
μ0：空气中的磁导率
S0：空气隙面积
n：线圈匝数
i：输入电流
δ0：空气隙厚度
Figure FDA0002650821470000023
μ0S0n2i2l0＝8δ0 2(migl-m0gl0) (6)
Figure FDA0002650821470000024
步骤五：将上述步骤得到的结果进行开平方处理，直观的得到所需电流的精确值，即公式8，调节电机的输入电流，保证仪器工作正常进行；
Figure FDA0002650821470000031
步骤六：由于电流公式8参数较多，且形式复杂，故引入流变系数，以简化计算公式，流变系数中各数均为常量，简化后得到电流公式9：
Figure FDA0002650821470000032
λ：流变系数
Figure FDA0002650821470000033
步骤七：将轻型，重型，超重型落锤的质量带入公式9，轻型，重型，超重型质量分别为10kg,63.5kg,120kg；计算每种落锤所需要相应的电流大小；即得到结果10,11,12；
Figure FDA0002650821470000034
Figure FDA0002650821470000035
Figure FDA0002650821470000036
步骤八：调节电机的输入电流，使动力磁块与落锤以相对应不同型号落锤的动能砸至落锤承重台上，模拟不同型号落锤的作用效果。
2.根据权利要求1所述的一种电磁触探装置的动力线圈电流的控制方法，其特征在于：所述定位套筒两侧分别设有可以测量落锤承重块下移尺寸的高度标尺。
3.根据权利要求1所述的一种电磁触探装置的动力线圈电流的控制方法，其特征在于：所述动力线圈通过线圈夹具安装在定位套筒上。
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