CN110646299B - 一种黄土孔洞原位探测剪切仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黄土孔洞原位探测剪切仪，包括运动载体、剪切部分和气囊载体；所述的运动载体带动剪切部分和气囊载体进行爬壁行走；所述的剪切部分承载黄土剪切刀具，用于在运动载体到达探测位置后带动剪切刀具旋转剪切；所述的气囊载体与剪切部分连接，包括主气囊载体和侧气囊载体，所述的主气囊载体承载主气囊，用于固结孔洞土壤，所述的侧气囊载体承载侧气囊，所述的运动载体和侧气囊共同用于剪切力测定。本发明的剪切仪，可以在黄土地下管道中进行土壤抗剪切强度的原位测定实验，能够精确测定出不同土层位置的土壤抗剪切强度。

Description

一种黄土孔洞原位探测剪切仪

技术领域

本发明属于土壤性能测试技术领域，具体涉及一种黄土孔洞原位探测剪 切仪。

背景技术

黄土高原是我国乃至世界黄土分布面积最大、黄土发育最完整、唯一正 在堆积的年轻高原。而且，黄土本身是一种特殊的易灾土体，具有显著的灾 变敏感性，主要表现为极强的水敏性、脆弱的结构性、独特的强度衰变性、 复杂的劣化过程、对动力扰动的敏感性等。西部黄土高原地区，尤其是陕北、 兰州、青海等地，出现了大量的重大工程项目，扰动破坏了黄土高原数万年 自然演化形成的山体结构，易于引发各种各样的地质灾害，如滑坡和地裂缝。

大量科学家经深入研究，普遍认为黄土高原独特的强度衰减和复杂的劣 化过程是黄土边坡滑移灾变风险加剧之源。因此，为了揭示扰动状态下黄土 工程灾变机理，提出抑制灾害发生的有效措施，需要对黄土力学性能进行深 入研究。其中，剪切性能是体现黄土力学性能的重要指标之一，而原位孔洞 探测法是准确获取黄土剪切性能的有效措施，但是目前的获取黄土剪切性能 得手段还不完善，获取的结构不精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于黄土原位探测的管道驱动机器人，主要 解决现有的黄土孔洞原位探测剪切仪不能准确有效地获取黄土结构面和结 构体的剪切性能的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种黄土孔洞原位探测剪切仪，包括运动载体、剪切部分和气囊载体；

所述的运动载体带动剪切部分和气囊载体进行爬壁行走；

所述的剪切部分承载黄土剪切刀具，用于在运动载体到达探测位置后带 动剪切刀具旋转剪切；

所述的气囊载体与剪切部分连接，包括主气囊载体和侧气囊载体，所述 的主气囊载体承载主气囊，用于固结孔洞土壤，所述的侧气囊载体承载侧气 囊，所述的运动载体和侧气囊共同用于剪切力测定。

进一步，所述的运动载体包括主体、轮子及轮子支架，所述的主体为柱 状，固定有气缸，轮子支架固定于主体的侧壁上，轮子支架上设置有一对轮 子，每对轮子支架之间通过弹性件连接，使得运动载体在运动时具备自适应 性。

进一步，所述的剪切部分包括进给轴承、旋转轴承、连杆和刀具；

所述的进给轴承包括第一内圈、第一外圈和第一滚柱；第一内圈位于第 一外圈内，第一滚柱位于第一内圈和第一外圈之间，第一内圈与气缸输出端 连接，随着气缸的伸缩进行进给运动；

所述的旋转轴承包括第二内圈、第二外圈和第二滚柱，第二内圈位于第 二外圈内，第二滚柱位于第二内圈和第二外圈之间，第二内圈内设置电机， 电机输出端与第二外圈固定；

所述的连杆的一端连接进给轴承的第一外圈，连杆的另一端连接刀具， 刀具在进给轴承的进给运动下，随着连杆伸开和收缩。

所述的切削部分与运动载体通过一对导管连接，所述的导管通过第一内 圈连接在第二内圈内，进给轴承可在导管上滑动。

进一步，所述的气囊载体包括主气囊载体、侧气囊载体和侧气囊载体端 盖，侧气囊载体承载的气囊在刀具的挤压下固结孔洞端面；

所述的气囊载体和剪切部分通过连接轴承连接，位于囊载体两端，所述 的连接轴承包括第三内圈、第三外壳和第三滚柱，第三内圈位于第三外圈内， 第三滚柱位于第三内圈和第三外圈之间；第三内圈与第二外圈固连，第三外 壳在气囊载体中通过弹性件连接；在所述的第三外壳上开有孔，孔上设置螺 钉卡在气囊载体内部。

与现有技术相比，本发明的效果在于：

本发明的剪切仪，可以在黄土地下管道中进行土壤抗剪切强度的原位测 定实验，能够精确测定出不同土层位置的土壤抗剪切强度。

附图说明

图1为黄土管道中土壤抗剪切强度的测定方法示意图。

图2为土壤抗剪切强度测定仪器整体结构图

图3为运动载体示意图。

图4为剪切部分示意图。

图5为进给轴承示意图。

图6为旋转轴承示意图。

图7为气囊载体示意图。

图8为连接轴承示意图。

其中：1-切削侧面，2-切削端面，3-测定对象，4-运动载体，5-剪切部 分，6-气囊载体，7-主体，8-轮子，9-轮子支架，10-气缸，11-进给轴承， 12-旋转轴承，13-连杆，14-刀具，15-第一外圈，16-第一滚柱，17-第一内 圈，18-进给轴承端盖，19-第二外圈，20-第二内圈，21-第二滚柱，22-电 机，23-侧气囊载体，24-主气囊载体，25-侧气囊载体端盖，26-第三内圈， 27-第三滚柱，28第三外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1：

参见图1-8，本实施例提供了一种一种黄土孔洞原位探测剪切仪，如图 2所示，是土壤抗剪切强度测定仪器的整体结构图。黄土管道中土壤抗剪切 强度测定仪器的结构呈对称分布，主要由运动载体、剪切部分和气囊载体三 部分构成。

进一步，运动载体4如图3所示，主要由固定气缸的主体7、轮子8及 轮子支架9组成，每对轮子支架9之间通过弹簧连接，这样运动载体4在运 动时就具备一定的自适应性。

进一步，剪切部分5如图4所示，主要由进给轴承11、旋转轴承12、 连杆13和刀具14组成。

进一步，进给轴承12如图5所示，由内圈、外圈和滚柱组成，内圈与 气缸输出端固定连接，随着气缸的伸缩进行进给运动，连杆13的一端连接 进给轴承11外圈，另一端连接刀具14，刀具14在进给轴承11的进给运动 下，随着连杆13伸开和收缩。

进一步，旋转轴承12如图6所示，由内圈、外圈和滚柱组成，内圈内 放置电机22，电机输出端与外圈固定在一起。

进一步，气囊载体6如图7所示，由主气囊载体24、侧气囊载体23、 侧气囊载体端盖25组成，主气囊载体24承载的主气囊用于固结测定对象的 侧面，而侧气囊载体23承载的气囊在刀具14的挤压下固结测定对象的端面。 在气囊载体6和剪切部分5之间通过连接轴承连接，如图8所示，是连接轴 承的结构图，主要由内圈、外壳和滚柱组成。连接轴承的内圈与旋转轴承12 的外圈固连在一起，气囊载体6两端的连接轴承的外壳的在气囊载体6中通 过弹簧连接，为防止连接轴承从气囊载体6中脱落出来，在连接轴承外壳的 孔上增加一个螺钉，卡在气囊载体内部。而切削部分、运动载体则通过一对 导管连接。导管通过进给轴承11的内圈连接在旋转轴承12的内圈内部，导 管在旋转轴承12内部的连接和连接轴承在气囊载体6内部一样，通过螺钉 卡在旋转轴承12的内部防止脱落，而进给轴承11则可以在导管上滑动。

本发明的剪切仪原理如下：首先在黄土地区通过钻孔，钻出一个内径 150mm左右的地下孔洞。通过管道机器人在管道中运动将土壤抗剪切强度测 定仪器运送到任意位置进行土壤抗剪切强度的原位测定。在黄土管道中进行 土壤抗剪切强度的原位测定是需要一定方法的。如图1所示，是黄土管道中 土壤抗剪切强度的测定方法示意图。其中经过仪器切削之后，形成了环状测 定对象3、上下切削端面2、上下切削侧面1。环状测定对象形成之后需要对 其端面和自身侧面进行固结，防止仪器在测定过程中破坏实验对象。经仪器 固结后的测定对象，在驱动机器人的牵引力作用下，随着牵引力的增大，当 牵引力达到某个数值时，测定对象与管道发生断裂。而在这个过程中，通过 拉力传感器反馈过来的牵引力变化，可以看出当牵引力达到最大值且发生突 变的那一刻就是测定对象被剪切破坏时受到的最大剪切力，通过后期的计算 可以得到该部分的土壤抗剪切强度。

本发明的土壤抗剪切强度测定仪器的运动过程如下所述。首先仪器的初 始状态是刀具收缩、气囊未充气。当仪器随着管道机器人运送测定位置时， 主气囊充气固结周围管道土壤。充气结束后，气缸工作使进给轴承进给打开 刀具，同时旋转轴承中电机通电使刀具旋转。随着刀具的伸开接触到土壤时， 对土壤进行旋转切削，刀具完全打开后，进给轴承继续进给，这时气囊两端 的连接轴承压缩弹簧，刀具不断进给，直到两端连接轴承无法压缩弹簧时旋 转进给结束，这时刀具刚好切削到主气囊的两端。然后气缸反向工作收回刀具，旋转轴承的电机不工作。收回刀具后，侧气囊充气至接触到切削管道的 内壁。充气结束后，进给轴承进给运动打开刀具挤压侧气囊，这段时间旋转 轴承的电机都不工作。挤压气囊到一定程度时，仪器开始在管道机器人的牵 引作用下，对测定对象进行剪切力测定，根据拉力传感器反馈回来的牵引力 数据，分析出测定对象被剪切破坏时的最大剪切力，进而计算出该处的土壤 抗剪切强度。测量结束后，刀具、气囊收回。

上文具体实施方式和实例仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离权 利要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和 替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和 工作要求在不背离发明准则的前提下，在形式、结构、布局、比例、材料、 元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非 限制，本发明之范围由权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。

Claims (4)

1.一种黄土孔洞原位探测剪切仪，其特征在于，包括运动载体(4)、剪切部分(5)和气囊载体(6)；

所述的运动载体(4)带动剪切部分(5)和气囊载体(6)进行爬壁行走；

所述的剪切部分(5)承载黄土剪切刀具，用于在运动载体(4)到达探测位置后带动剪切刀具旋转剪切；

所述的气囊载体(6)与剪切部分(5)连接，包括主气囊载体(24)和侧气囊载体(23)，所述的主气囊载体(24)承载主气囊，用于固结孔洞土壤，所述的侧气囊载体(23)承载侧气囊，所述的运动载体(4)和侧气囊共同用于剪切力测定；

所述的运动载体(4)包括主体(7)、轮子(8)及轮子支架(9)，所述的主体(7)为柱状，固定有气缸，轮子支架(9)固定于主体(7)的侧壁上，轮子支架(9)上设置有一对轮子(8)，每对轮子支架(9)之间通过弹性件连接，使得运动载体(4)在运动时具备自适应性；

所述的剪切部分(5)包括进给轴承(11)、旋转轴承(12)、连杆(13)和刀具(14)；

所述的进给轴承(11)包括第一内圈(17)、第一外圈(15)和第一滚柱(16)；第一内圈(17)位于第一外圈(15)内，第一滚柱(16)位于第一内圈(17)和第一外圈(15)之间，第一内圈(17)与气缸输出端连接，随着气缸的伸缩进行进给运动；

所述的旋转轴承(12)包括第二内圈(20)、第二外圈(19)和第二滚柱(21)，第二内圈(20)位于第二外圈(19)内，第二滚柱(21)位于第二内圈(20)和第二外圈(19)之间，第二内圈(20)内设置电机(22)，电机(22)输出端与第二外圈(19)固定；

所述的连杆(13)的一端连接第一外圈(15)，连杆(13)的另一端连接刀具(14)，刀具(14)在进给轴承(11)的进给运动下，随着连杆(13)伸开和收缩。

2.如权利要求1所述的黄土孔洞原位探测剪切仪，其特征在于，所述的剪切部分(5)与运动载体(4)通过一对导管连接，所述的导管通过第一内圈(17)连接在第二内圈(20)内，进给轴承(11)可在导管上滑动。

3.如权利要求2所述的黄土孔洞原位探测剪切仪，其特征在于，所述的气囊载体(6)包括主气囊载体(24)、侧气囊载体(23)和侧气囊载体端盖(25)，侧气囊载体(23)承载的气囊在刀具(14)的挤压下固结孔洞端面；

所述的气囊载体(6)和剪切部分(5)通过连接轴承连接，位于主囊载体(24)两端，所述的连接轴承包括第三内圈(26)、第三外壳(28)和第三滚柱(27)，第三内圈(26)位于第三外壳(28)内，第三滚柱(27)位于第三内圈(26)和第三外壳(28)之间；第三内圈(26)与第二外圈(19)固连，第三外壳(28)在气囊载体(6)中通过弹性件连接；

在所述的第三外壳(28)上开有孔，孔上设置螺钉卡在气囊载体(6)内部。

4.如权利要求1-3任一项权利要求所述的黄土孔洞原位探测剪切仪，其特征在于，所述的运动载体(4)、剪切部分(5)和气囊载体(6)位于同一水平轴线上，所述的黄土孔洞原位探测剪切仪包括两组运动载体(4)、剪切部分(5)和气囊载体(6)，呈对称分布。

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