CN111077520B - 一种隧道衬砌物联网检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种隧道衬砌物联网检测装置，属于隧道检测设备领域。本发明所涉及的隧道衬砌物联网检测装置在工作时不仅能够进行有效的避障，还能通过对隧道衬砌表面及时清扫以提高装置的检测质量，另外能够使得检测信息的实时传输，大大提高检测工作效率。适用于隧道检测以及养护领域。
Description
技术领域
本发明属于隧道检测设备领域，具体涉及一种隧道衬砌物联网检测装置。本发明所涉及的隧道衬砌物联网检测装置在工作时不仅能够进行有效的避障，还能通过对隧道衬砌表面及时清扫以提高装置的检测质量。
背景技术
隧道是埋置于地层内的工程建筑物，而由于隧道大断面开挖施工时会造成周围地层的破坏，容易引起隧道的变形和塌方。因此在隧道完工后必须对隧道的衬砌进行有效的检测，确保衬砌的强度和质量从而有效预防隧道的安全事故。衬砌常常发生的问题是衬砌厚度不够和衬砌背后存在空洞。目前隧道衬砌常见的检测方法有两种，一种是人工锤击法，有经验的施工人员对检测位置使用敲击锤敲击，根据声音来判断衬砌背后是否存在空洞，此种方法耗费人力，效率低且检测结果具有人的主观判断；另一种方法是采用地质雷达检测，使用升降台将检测人员升到一定高度，检测人员托举地质雷达使其与拱顶接触，此种方法也需要耗费较多的人力和时间，检测人员的安全性极差且对隧道的运输活动干扰较大。目前也出现了代替人工托举的检测装置，但其缺乏柔性容易造成地质雷达天线与拱顶产生很大的压力从而导致雷达天线的破坏，另外由于隧道拱顶常常存在电线和照明装置，当装置检测时难免会碰到电线和照明装置从而造成经济损失，同时衬砌表面若存在附着杂物，导致雷达天线与拱顶不能直接接触，这对检测质量带来极大的不良影响，另外检测位置信息和检测质量信息常常是人工记录和核对，这样大大降低了检测工作的效率。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明的目的在于提供一种隧道衬砌物联网检测装置，该装置能够在工作时进行有效避障，对衬砌表面清扫保证检测质量，另外能够确保检测雷达天线与拱顶紧密接触且不被压坏，此外本装置具有检测信息快速实时传输功能，保证信息实时传达提高工作效率。
本发明采取以下技术方案实现：
本发明提供的一种隧道衬砌物联网检测装置，包括底板、动力装置、伸缩装置、避障装置、拱顶清扫装置、雷达天线夹持装置以及信息传输装置；所述底板上设有所述动力装置；
所述的动力装置包括第一电机，蜗轮，蜗杆，第一齿轮，第二齿轮，蜗轮轴，底板上安装有第一电机，第一电机通过蜗轮轴与蜗轮连接，第一电机转动带动蜗轮的转动，蜗轮与蜗杆啮合，蜗轮的转动从而带动蜗杆的转动，蜗杆与第一齿轮同轴配置，蜗杆的转动带动第一齿轮的转动，第一齿轮与第二齿轮相互啮合，第二齿轮与第一机械臂同轴配置，第二齿轮的转动带动同轴的第一机械臂进行转动；底板上设有扇形板，通过第一电机的转动实现第一机械臂绕扇形板的转动；
所述的伸缩装置通过第一液压缸、第二液压缸带动第二机械臂在第一机械臂内伸缩来实现，第一机械臂顶端设有空槽，第二机械臂嵌在空槽内并且可在空槽内移动；第一机械臂的两侧都具有侧座，侧座通过短轴与第一液压缸和第二液压缸的一端固定连接，第二机械臂两侧上都具有角座，角座通过短轴与第一液压缸和第二液压缸的另一端固定连接；
所述的避障装置包括避障液压缸，摄像头，旋转平板，避障电机，旋转轴，第二机械臂的前后两面都设有板形槽，板形槽上端设有旋转轴，旋转平板一端与旋转轴转动连接，旋转平板底端与避障液压缸的伸缩端连接，避障液压缸的固定端与第二机械臂转动连接；避障液压缸的伸缩配合旋转轴的转动使得旋转平板展开或收纳；旋转平板上固定有避障电机，避障电机通过传动结构与摄像头转动连接，通过避障电机的转动带动摄像头的旋转从而获得广阔的视野，及时观察到装置施工时遇到的障碍物进行及时的避障；
所述的拱顶清扫装置包括清扫盘，纵向伸缩液压缸，横向伸缩液压缸，旋转电机，第二机械臂左右两侧分别通过短轴与纵向伸缩液压缸连接，纵向伸缩液压缸中段与横向伸缩液压缸的一端固定连接，横向伸缩液压缸另一端与第二机械臂固定连接，在横向伸缩液压缸的推力作用下，所述纵向伸缩液压缸可绕短轴进行转动；纵向伸缩液压缸伸缩端与旋转电机固定连接，旋转电机输出端与清扫盘固定连接；通过纵向伸缩液压缸和横向伸缩液压缸的同时运动以及旋转电机的转动可以实现清扫盘在不同的角度下对衬砌的附着物进行清扫，进而提高检测的质量；
所述的雷达天线夹持装置包括雷达液压缸，摆动平板，天线托板，竖直挡板，竖直弹簧，横向弹簧，压力传感器，转动结构，压板，摆动平板通过转动结构与第二机械臂上端连接，摆动平板的下侧与雷达液压缸一端连接，雷达液压缸的另一端与第二机械臂的上端连接，摆动平板上方固定有两个竖直挡板，两个竖直挡板之间设有两个天线托板，天线托板截面为L形，两个天线托板与两个竖直挡板对应通过横向弹簧连接，两块天线托板之间放置雷达天线，两块竖直挡板上端与两块压板分别通过竖直弹簧连接，在竖直挡板与压板之间设置有压力传感器，压力传感器上端与压板固定，下端与竖直挡板固定；压板上表面与雷达天线上表面设置在同一高度，从而通过压力传感器测得的压力数值判定雷达天线与拱顶间是否接触同时对雷达天线受到的压力进行预警；
所述转动结构包括铰轴，所述铰轴连接所述摆动平板与所述第二机械臂，铰轴上下两端分别与所述摆动平板、所述第二机械臂转动连接，两个铰轴分别位于所述第二机械臂前后侧，所述第二机械臂左右侧上部连接有套轴，所述雷达液压缸通过套筒连接在所述套轴上，所述雷达液压缸可围绕所述套轴进行转动；
所述的信息传输装置包括无线通信装置、角度传感器，底板上固定有底座，无线通信装置固定在底座上，无线通信装置包括zigbee电子定位标签，zigbee信号发射器，角度传感器安装在驱动第一机械臂转动的驱动轴上，角度传感器测量当前第一机械臂转动的角度，无线通信装置将角度传感器测量的数据、雷达天线检测图像以及物联网检测装置的位置信息通过zigbee信号发射器无线传输到基站中，基站将最终数据传输到衬砌质量批判系统中，通过物联网检测装置的位置信息和角度传感器提供的角度信息确定当前物联网检测装置所检测的检测点。
进一步的，所述动力装置设有自锁结构。
进一步的，所述底板设置在车底架上。
进一步的，所述车底架下方设有车轮，所述车底架与控制室共同构成运输主体。
进一步的，所述控制室内设有控制系统。
进一步的，所述扇形板有两个，所述第一机械臂位于两个扇形板之间。
进一步的，所述清扫盘有两个，相对于所述第二机械臂对称设置。
进一步的，所述雷达液压缸有两个，相对于所述雷达天线对称设置。
进一步的，所述旋转平板有两个，相对于所述第二机械臂对称设置。
进一步的，所述底板通过旋转底座连接在所述车底架上。
本发明有如下技术特点：
（1）通过在装置的两侧布置可以转动摄像头，实现对装置工作的监视，可进行及时的避障，保证装置工作室的安全性。
（2）设置清扫装置对衬砌的检测区域进行清扫，消除衬砌上的附着物对检测质量的影响，保证衬砌表面与雷达天线直接接触，提高检测质量。
（3）在天线夹持装置中设有压力传感器，可以及时判定地质雷达与拱顶间是否接触，同时对地质雷达天线受到的压力过大进行预警。
（4）通过测量机械臂的转动角度信息和确定位置信息可实现对当前检测位置的确定，并通过zigbee无线信息传输技术可快速将信息传实时送到衬砌质量评判系统中，提高检测工作效率。
附图说明
图1为本发明整体工作状态下的结构示意图；
图2为本发明主体结构三维图；
图3为本发明主体结构主视图；
图4为本发明主体结构侧视图；
图5为本发明所提供的地质雷达天线夹持装置主视图；
图6为本发明所提供的地质雷达天线夹持装置侧视图；
图7为本发明运输状态下的示意图；
图8为本发明检测信息传输方法流程图。
附图标记如下：1、控制室 2、车轮 3、车底架 4、底板 5、旋转底座 6、底座 7、第一支座 8、第一齿轮 9、蜗轮 10、蜗轮轴 11、第一电机 12、电机支架 13、第一轴 14、第二支座 15、蜗杆 16、第二齿轮 17、传动轴 18、第一凹槽 19、第二凹槽 20、角度传感器 21、扇形板 22、第一机械臂 23、第一液压缸 24、第二机械臂 25、第一旋转平板 26、第二电机27、第二电机轴 28、第一安装座 29、第一摄像头 30、第二摄像头 31、第三电机轴 32、第三电机 33、第二安装座 34、第二旋转平板 35、第一液压伸缩杆 36、第一短轴37、侧座 38、第二液压缸 39、第二短轴 40、角座 41、第一纵向伸缩液压缸42、第一清扫盘 43、第一旋转电机 44、第二清扫盘 45、第二旋转电机 46、第二纵向伸缩液压缸47、旋转轴 48、旋转连接件49、第一横向伸缩液压缸 50、第二液压伸缩杆 51、第二横向伸缩液压缸 52、第一雷达液压缸 53、第一竖直挡板 54/66、竖直弹簧 55、第一压板 56、横向弹簧 57、第一天线托板 58、雷达天线 59、第二天线托板 60、第二压板 61、第二竖直挡板 62、摆动平板 63、第二雷达液压缸 64、套轴 65、第一铰轴 67、压力传感器 68、连接部 69、第二铰轴。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明具体实施例的结构和工作原理作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明所提供的一种隧道衬砌物联网检测装置在工作时通过底板4与检测车底架3的旋转底座5连接，检测车包括控制室1，车轮2，检测车底架3以及旋转底座5；通过检测车在隧道中向前行走带动检测装置前行从而实现隧道的全方位的检测。
如图2-6所示，本发明包括底板4，其中底板4两侧具有凹槽19和凹槽18，便于在运输状态下放置第一机械臂22，底板4可与检测车的旋转底座5连接，在底板4上固定有电机支架12，电机支架12上螺钉连接有第一电机11，第一电机11输出端与蜗轮轴10的一端固定连接，蜗轮轴另一端固定连接有蜗轮9，蜗轮9与蜗杆15相互啮合，蜗杆15与第一齿轮8通过第一轴13连接，蜗杆15与第一齿轮8同轴心配置，第一轴13由底座4上的第二支座14和第一支座7进行支撑，第一齿轮8与第二齿轮16相互啮合，第二齿轮16和第一机械臂22都固定在第二轴17上，第二轴17的一端装有角度传感器20，角度传感器20用于测量第一机械臂22当前转过的角度，第二轴17由底板上的扇形板21进行支撑，通过第一电机11的转动从而最终带动第一机械臂22绕第二轴17转动；第一电机11，蜗轮轴10，蜗轮9，第一轴13，蜗杆15，第一齿轮8，第二轴17以及第二齿轮16共同组成本发明的驱动装置；底座6上装有无线通信装置，其包括 zigbee电子定位标签，zigbee信号发射器，zigbee电子定位标签用于装置的定位，zigbee信号发射器用于信息的传输。
第一机械臂22与上端具有空槽，空槽内装有第二机械臂24，第一机械臂22与第二机械臂24通过连接结构与两组液压缸相连，第一机械臂22的两侧上都具有侧座37，侧座37通过短轴与第一液压缸23和第二液压缸38的一端固定连接，第二机械臂24两侧上都具有角座40，角座40通过短轴与第一液压缸23和第二液压缸38的另一端固定连接，通过液压缸23和液压缸38的伸缩实现第二机械臂24在第一机械臂22的空槽内移动实现在高度上的伸缩。
第二机械臂24的前后两侧设有板形槽，前后两侧板形槽上部都固定有旋转轴47，两侧的旋转轴47分别与第一旋转平板25，第二旋转平板34一端转动连接，两侧板形槽的下部都固定有短轴，两侧的短轴分别与第二液压伸缩杆50，第一液压伸缩杆35一端固定连接，第二液压伸缩杆50和第一液压伸缩杆35的另一端分别与第一旋转平板25、第二旋转平板34的另一端通过旋转连接件48连接，通过液压伸缩杆50和液压伸缩杆35的伸缩运动可实现第一旋转平板25，第二旋转平板34从空腔中张开和收合；第一旋转平板25，第二旋转平板34上分别固定有第二电机26与第三电机32，第二电机26和第三电机32的输出端都分别连有第二电机轴27与第三电机轴31，第二电机轴27与第三电机轴31分别装有第一摄像头29和第二摄像头30，第二电机轴27与第三电机轴31分别由固定在旋转平板上的第一安装座28和第二安装座33支撑，通过第二电机26和第三电机32的转动带动第一摄像头29和第二摄像头30的转动从而及时观察到装置施工时可能遇到的障碍物进行及时的避障。
第二机械臂24的左右两侧都采用连接结构分别于第一纵向伸缩液压缸41，第二纵向伸缩液压缸46连接，此外第二机械臂24左右两侧设有第一横向液压伸缩缸49与第二横向伸缩液压缸51，第一横向伸缩液压缸49与第二横向伸缩液压缸51分别与第一纵向伸缩液压缸41，第二纵向伸缩液压缸46的固定端固定连接，第一纵向伸缩液压缸41，第二纵向伸缩液压缸46的伸缩端分别固定连接有第一旋转电机43与第二旋转电机45，第一旋转电机43与第二旋转电机45一端装有第一清扫盘42与第二清扫盘44；通过第一纵向伸缩液压缸41、第二纵向伸缩液压缸46、横向伸缩液压缸49和横向伸缩液压缸51的同时运动以及第一旋转电机43与第二旋转电机45的转动可以实现清扫盘在不同的角度下对衬砌的附着物进行清扫，进而提高检测的质量。
第二机械臂24上端通过第一铰轴65，第二铰轴69与摆动平板62连接，摆动平板62的两侧分别与第一雷达液压缸52，第二雷达液压缸63的一端通过连接部68连接，第一雷达液压缸52，第二雷达液压缸63的另一端通过两组套轴64与第二机械臂24上端连接，从而在不同的检测位置上都能保证雷达天线58与衬砌紧密接触，摆动平板62上固定有第一竖直挡板53，第二竖直挡板61，第一天线托板57，第二天线托板59与第一竖直挡板53，第二竖直挡板61分别通过两组弹簧56连接，第一天线托板57与第二天线托板59之间放置雷达天线58，第一竖直挡板53，第二竖直挡板61上端与第一压板55，第二压板60通过竖直弹簧54、66连接，在两组竖直挡板与压板之间设置有两个压力传感器67，两个压力传感器67上端分别与第一压板55，第二压板60固定，下端与第一竖直挡板53，第二竖直挡板61固定，第一压板55，第二压板60与雷达天线58设置在同一高度下，从而通过两个压力传感器67测得的压力数值判定地质雷达天线58与拱顶间是否接触同时对地质雷达天线58受到的压力过大进行预警，防止地质雷达天线损坏。
图7为本发明运输状态下的示意图，当检测工作完成后，通过液压缸将旋转平板收合于第二机械臂24的空腔中；第一纵向伸缩液压缸、第二纵向伸缩液压缸、第一横向伸缩液压缸49和第二横向伸缩液压缸51的同时收缩将第一清扫盘42与第二清扫盘44收起，第一液压缸23和第二液压缸38的收缩实现第二机械臂24收在第一机械臂22空槽内，最后通过第一电机11的转动从而最终带动第一机械臂22绕第二轴17转动至底板4的凹槽18中，再通过检测车的旋转底盘5的旋转使得检测装置收于车尾，减少了占用空间便于装置的运输。
图8为本发明监测信息传输方法流程图，首先在隧道中布置Zigbee无线网络基站，通过安装在第一机械臂上的角度传感器测得当前装置转动的角度信息，通过无线通信装置上的Zigbee电子标签获得当前装置的位置信息，由角度信息和位置信息就可以确定当前装置检测区域的具体位置，地质雷达天线获得当前检测区域的衬砌质量信息，通过Zigbee信号发射器将信息传输到信号基站，再通过基站传输到工控机中，最后传输到衬砌质量评判系统中判断当前检测区域是否有质量问题，存在质量问题则及时通知维修养护部门，没有质量问题则继续检测。通过Zigbee无线信息传输技术能够实时的将信息传输到衬砌质量评判系统中，实现信息传输零延迟，大大提高了检测工作的效率。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以，凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种隧道衬砌物联网检测装置，其特征在于：包括底板、动力装置、伸缩装置、避障装置、拱顶清扫装置、雷达天线夹持装置以及信息传输装置；所述底板上设有所述动力装置；
所述的动力装置包括第一电机，蜗轮，蜗杆，第一齿轮，第二齿轮，蜗轮轴，底板上安装有第一电机，第一电机通过蜗轮轴与蜗轮连接，第一电机转动带动蜗轮的转动，蜗轮与蜗杆啮合，蜗轮的转动从而带动蜗杆的转动，蜗杆与第一齿轮同轴配置，蜗杆的转动带动第一齿轮的转动，第一齿轮与第二齿轮相互啮合，第二齿轮与第一机械臂同轴配置，第二齿轮的转动带动同轴的第一机械臂进行转动；底板上设有扇形板，通过第一电机的转动实现第一机械臂绕扇形板的转动；
所述的伸缩装置通过第一液压缸、第二液压缸带动第二机械臂在第一机械臂内伸缩来实现，第一机械臂顶端设有空槽，第二机械臂嵌在空槽内并且可在空槽内移动；第一机械臂的两侧都具有侧座，侧座通过短轴与第一液压缸和第二液压缸的一端固定连接，第二机械臂两侧上都具有角座，角座通过短轴与第一液压缸和第二液压缸的另一端固定连接；
所述的避障装置包括避障液压缸，摄像头，旋转平板，避障电机，旋转轴，第二机械臂的前后两面都设有板形槽，板形槽上端设有旋转轴，旋转平板一端与旋转轴转动连接，旋转平板底端与避障液压缸的伸缩端连接，避障液压缸的固定端与第二机械臂转动连接；避障液压缸的伸缩配合旋转轴的转动使得旋转平板展开或收纳；旋转平板上固定有避障电机，避障电机通过传动结构与摄像头转动连接，通过避障电机的转动带动摄像头的旋转从而获得广阔的视野，及时观察到装置施工时遇到的障碍物进行及时的避障；
所述的拱顶清扫装置包括清扫盘，纵向伸缩液压缸，横向伸缩液压缸，旋转电机，第二机械臂左右两侧分别通过短轴与纵向伸缩液压缸连接，纵向伸缩液压缸中段与横向伸缩液压缸的一端固定连接，横向伸缩液压缸另一端与第二机械臂固定连接，在横向伸缩液压缸的推力作用下，所述纵向伸缩液压缸可绕短轴进行转动；纵向伸缩液压缸伸缩端与旋转电机固定连接，旋转电机输出端与清扫盘固定连接；通过纵向伸缩液压缸和横向伸缩液压缸的同时运动以及旋转电机的转动可以实现清扫盘在不同的角度下对衬砌的附着物进行清扫，进而提高检测的质量；
所述的雷达天线夹持装置包括雷达液压缸，摆动平板，天线托板，竖直挡板，竖直弹簧，横向弹簧，压力传感器，转动结构，压板，摆动平板通过转动结构与第二机械臂上端连接，摆动平板的下侧与雷达液压缸一端连接，雷达液压缸的另一端与第二机械臂的上端连接，摆动平板上方固定有两个竖直挡板，两个竖直挡板之间设有两个天线托板，天线托板截面为L形，两个天线托板与两个竖直挡板对应通过横向弹簧连接，两块天线托板之间放置雷达天线，两块竖直挡板上端与两块压板分别通过竖直弹簧连接，在竖直挡板与压板之间设置有压力传感器，压力传感器上端与压板固定，下端与竖直挡板固定；压板上表面与雷达天线上表面设置在同一高度，从而通过压力传感器测得的压力数值判定雷达天线与拱顶间是否接触同时对雷达天线受到的压力进行预警；
所述转动结构包括铰轴，所述铰轴连接所述摆动平板与所述第二机械臂，铰轴上下两端分别与所述摆动平板、所述第二机械臂转动连接，两个铰轴分别位于所述第二机械臂前后侧，所述第二机械臂左右侧上部连接有套轴，所述雷达液压缸通过套筒连接在所述套轴上，所述雷达液压缸可围绕所述套轴进行转动；
所述的信息传输装置包括无线通信装置、角度传感器，底板上固定有底座，无线通信装置固定在底座上，无线通信装置包括zigbee电子定位标签，zigbee信号发射器，角度传感器安装在驱动第一机械臂转动的驱动轴上，角度传感器测量当前第一机械臂转动的角度，无线通信装置将角度传感器测量的数据、雷达天线检测图像以及物联网检测装置的位置信息通过zigbee信号发射器无线传输到基站中，基站将最终数据传输到衬砌质量批判系统中，通过物联网检测装置的位置信息和角度传感器提供的角度信息确定当前物联网检测装置所检测的检测点。
2.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌物联网检测装置，其特征在于：所述动力装置设有自锁结构。
3.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌物联网检测装置，其特征在于：所述底板设置在车底架上。
4.根据权利要求3所述的一种隧道衬砌物联网检测装置，其特征在于：所述车底架下方设有车轮，所述车底架与控制室共同构成运输主体。
5.根据权利要求4所述的一种隧道衬砌物联网检测装置，其特征在于：所述控制室内设有控制系统。
6.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌物联网检测装置，其特征在于：所述扇形板有两个，所述第一机械臂位于两个扇形板之间。
7.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌物联网检测装置，其特征在于：所述清扫盘有两个，相对于所述第二机械臂对称设置。
8.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌物联网检测装置，其特征在于：所述雷达液压缸有两个，相对于所述雷达天线对称设置。
9.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌物联网检测装置，其特征在于：所述旋转平板有两个，相对于所述第二机械臂对称设置。
10.根据权利要求3所述的一种隧道衬砌物联网检测装置，其特征在于：所述底板通过旋转底座连接在所述车底架上。
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| 地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用;齐志敏;《工程建设》;20170515(第05期);全文 * |
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