CN114562975A - 一种机械式土层沉降分层测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械式土层沉降分层测量仪，分层测量仪安装在路基地表面，包括，转向轮部件、钢丝、发条部件、传动机构和仪表盘；钢丝一端通过转向轮部件与发条部件张紧拉住，钢丝的伸缩余量缠绕在钢丝周长轮上，钢丝另一端与被测杆固定连接；钢丝和发条部件之间通过传动机构将钢丝的位移量记录并通过仪表盘显示。有益效果是，利用不锈钢钢丝的柔性，通过转向导轮将土层高度沉降用测杆传递到地面后的竖直方向的位移转换成测量仪水平方向的位移，多级传动放大后通过机械式刻度盘和指针直接、准确显示沉降量大小，精度大幅提升。该仪器无需专业人员长时间多次反复测量，降低人工成本；本发明适合铁路路基等领域高程沉降测量，尤其是分层沉降测量。

Description

一种机械式土层沉降分层测量仪

技术领域

本发明涉及一种沉降测量仪；特别是涉及一种机械式土层沉降分层测量仪。

背景技术

建筑施工离不开工程测量，工程测量中最重要的是沉降测量。沉降测量主要指被测量物体或者表面相对于参照物，例如大地的表面，测量出其所发生的升高或者是下降。沉降测量这里是指相对于大地表面的垂直方向所发生的高程位移。

而影响到建筑物最多的地表沉降因素很多，如铁路，其路基的表面沉降量决定和影响到铁路轨道的平顺性。路基在修建过程中，可能在地表上填土增高路基，也可能将小山头挖下去一个沟壑降低路基，不管是填方还是挖方后，都会在原地面上进行碾压，因此形成不同的土层分层。由于施工方法或施工材料不同，以及施工过程中质量控制的实际情况不同，往往每一层的沉降量并不是与每一层厚度成绝对的正比关系。每一层沉降后，均会形成整体路基表面的沉降，图1是分层沉降叠加示意图。

在建铁路由于施工过程中会有因填压原材料、堆载或自身的原因会产生沉降或者是隆起，为了更精准地调试轨道的轨面精度，必须控制住异常沉降量的发生。

现有沉降测量手段很多，主要采用的设备有GNSS、全站仪、水准仪、阵列位移计、静力水准仪、皮尺、标尺等，高精度的尺寸检测一般采用三坐标仪。

分层沉降测量主要采用分层测钎或者沉降板埋设或植入方法，人工测量通过全站仪、水准仪等手段去测量，费时费力。由于沉降并不是瞬时发生的，大多是渐进发生，中间间隔时间长。全站仪等测量方法的最大缺点是每次测量都要对相对的基准点进行复核测量，从而得到这次高程相对上次高程所发生的沉降量变化，工作量极大。而且若是对既有线路进行测量，由于铁路需要正常运营，往往要找到非运营的天窗点时间去测量，其时间短，测量人员进场后几个小时必须撤离，后勤成本高昂。

分层沉降选用磁环测量，利用电磁感应原理对预埋入磁环的高度位置进行感应测量而判断土层沉降量的测量方法。该方法需要人员不定期用感应磁力的探头去感应磁环的位置，从而判断出每层的沉降量。该方法的最大缺点是定位不准且测量精度不高。由于必须要足够的水分来熔断纸质绑带，而北方的土质和气候没有足够的地下水，因而这种方法只能适用于部分南方的施工测量，尤其是沿海海拔面不高的地下水丰富的地区。

分层沉降测量选用水位仪，利用连通器原理，在路基外的液位高度来判断预埋在路基里面的水位仪的液位高度。该方法最要缺点是液体容易挥发和渗漏，时效不长，且不具有实用性。

另外，土层的沉降是高度方向，人们查看的视觉最好是能够直视，但由于铁路运营特殊原因，不适于将测量仪放置在一米多高的直视范围内。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单，能够直观清晰显示沉降位置和层次的机械式分层测量仪。

本发明所采用的技术方案是，一种土层沉降的机械式分层测量仪，分层测量仪安装在路基地表面，包括，转向轮部件、钢丝、发条部件、传动机构和仪表盘；所述转向轮部件与壳体固定连接，所述钢丝一端通过转向轮部件与发条部件张紧拉住，钢丝的伸缩余量缠绕在钢丝周长轮上，钢丝的另一端与被测杆固定连接；所述钢丝和发条部件之间通过传动机构将钢丝的位移量记录并通过仪表盘显示。

所述传动机构包括通过轴承固定转动的头轮部件、二轮部件、三轮部件、四轮部件和五轮轴；

所述头轮部件包括压合为一体的头轮轴和头轮片；

所述二轮部件包括压合为一体的二齿轴和二轮片；

所述三轮部件包括压合为一体的三齿轴和三轮片；

所述四轮部件包括压合为一体的四齿轴和四轮片；

所述头轮轴、三齿轴和五轮轴上均安装有指示指针；

所述头轮片与二齿轴啮合，传动比为1：5，二轮片与三齿轴啮合，传动比为1：4，三轮片与四齿轴啮合，传动比为1：33333，四轮片与五轮轴啮合，传动比为1：3；

所述各轮片厚度为10mm，各轮片之间最小间隙为2.5 mm -3.5mm。

还包括有正负拨块部件和定位装置；所述正负拨块部件包括拨块、限位轴、定位凸轮、拨块支座和镶嵌在拨块上的拨叉； 所述限位轴为上下两个，避免拨块滑动过程中发生偏转；所述定位装置安装在拨块支座上，定位装置包括定位轴、推力弹簧、定位轴后盖和定位轴前盖；定位轴后盖和定位轴前盖之间安装有定位轴，所述推力弹簧安装在定位轴的外周面，推力弹簧为定位轴提供推力；所述定位轴与定位凸轮接触，并在定位轴的推力下定位凸轮对拨块定位。

所述头轮片形成有凸起拨头，拨头拨动拨叉，拨叉带动拨块在限位轴范围内往返移动；所述拨叉的材料为弹簧钢丝。

所述钢丝周长轮形成有钢丝槽，钢丝槽的直径＋钢丝直径=钢丝的中心线的直径；钢丝能够在固定钢丝槽内转动，钢丝周长轮在钢丝槽内转动一圈，刻度盘转动一圈。

所述分层测量仪下部形成有预埋爪，所述预埋爪被混凝土固化在路基内。

还包括有数码轮，数码轮对应的盖板上开有相适配的窗口。

所述转向轮部件包括转向轮和转向轮支座；所述转向轮支座与壳体外侧固定连接，所述钢丝为不锈钢钢丝，钢丝通过转向轮将位移传递转向。

本发明的有益效果是，利用不锈钢钢丝的柔性，通过转向导轮将土层的高度沉降用测杆传递到地面后的竖直方向的位移转换成测量仪的水平方向的位移，再通过多级传动放大后通过机械式刻度盘和指针直接、准确显示沉降量的大小，直观、清晰，提高了精度。

该仪器通过机械手段测量的数值准确可靠，相对于静力水准仪的可信度更高。

该仪器无需投入大量的专业人员长时间多次反复测量，降低了人工成本；本发明适合铁路路基等领域的高程沉降测量，尤其是分层沉降测量。

附图说明

图1是分层沉降叠加示意图

图2是本发明位移沉降量传递示意图；

图3是本发明分层测量原理图；

图4是本发明分层测量仪立体结构示意图；

图5是本发明分层测量仪与测杆配合使用时的原理图；

图6是本发明分层测量仪表盘面显示示意图；

图7是本发明分层测量仪传动结构平面示意图；

图8是本发明分层测量仪传动结构轴向示意图；

图9是本发明正负拨块部件和定位装置剖视图；

图10是本发明转向轮部件组装示意图；

图11是本发明动力传递轴向图；

图12是本发明分层测量仪与测杆结合平面示意图。

图中：

10. 转向轮部件 20. 钢丝 30. 发条部件 40. 传动机构

50. 仪表盘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图4所示，本发明一种土层沉降的机械式分层测量仪，分层测量仪下部形成有预埋爪1，预埋爪1被混凝土或其它夯实固化在路基内安装在路基地表面，与预埋爪1连接有底座2，底座2上安装有壳体3，壳体上方有可以移开的表盘罩4。

如图6、图7和图8所示，分层测量仪包括，安装在壳体3空腔内的转向轮部件10、钢丝20、发条部件30、传动机构40、仪表盘50、正负拨块部件60和定位装置70；壳体3通过定位柱C与盖板5结合封闭壳体。所述转向轮部件10固定在壳体3外部，壳体3的壁上加工出一个钢丝20的过孔, 转向轮部件10处的钢丝20通过转向轮部件10后进入分层测量仪壳体内部；钢丝20一端通过转向轮部件10与发条部件30张紧拉住，钢丝20的伸缩余量缠绕在钢丝周长轮31上，钢丝20的另一端与被测杆6固定连接；所述钢丝20和发条部件30之间通过传动机构40将钢丝20的位移量记录并通过仪表盘50显示；所述正负拨块部件60和定位装置70安装在壳体内。

所述仪表盘50与盖板5为一体，是在盖板5上加工而成，在表盘罩4范围内刻有三个刻度盘及两个显示窗口，同时还有注油口和发条轴孔；所述仪表盘50的刻度盘51有三个，分别刻有X1 mm、X0.1mm、X0.01mm的显示圆盘，并有正负显示窗52及编号显示窗53。

如图7和图8所示，传动机构40包括通过轴承46固定转动的头轮部件41、二轮部件42、三轮部件43、四轮部件44和五轮轴45；

所述头轮部件41包括压合为一体的头轮轴411和头轮片412，所述头轮片412形成有凸起拨头；

所述二轮部件42包括压合为一体的二齿轴421和二轮片422；

所述三轮部件43包括压合为一体的三齿轴431和三轮片432；

所述四轮部件44包括压合为一体的四齿轴441和四轮片442；

如图8所示，所述头轮轴411、三齿轴431和五轮轴45上均安装有指示指针；刻度盘上分别显示mm、0.1mm及0.01mm；主刻度为毫米（mm）为单位，通过两级放大10倍将小刻度显示为0.1毫米，再通过两级放大10倍将小刻度显示为0.01毫米。0.01毫米的精度是机械精度，无需人工测量符合。从头轮到五轮，共放大了20*10倍。

所述头轮片412与二齿轴421啮合，传动比为1：5，二轮片422与三齿轴431啮合，传动比为1：4，三轮片432与四齿轴441啮合，传动比为1：33333，四轮片442与五轮轴45啮合，传动比为1：3；

所述各轮片厚度为10mm，各轮片之间最小间隙为3±0.5 mm。

沉降量在实际现场，沉降的情况占多数情况，行业内将下沉用正值来表示。同时在实际现场，也有所谓上拱的情况发生，会有因施工材料配方使用不当而出现上升，上升量用负值表示。仅仅从刻度盘的指针看不出是正还是负，除非随时都在观察记录。为了克服一段时间去现场查看分层测量仪时，表盘指针无法识别是沉降还是上升，本发明分层测量仪设置有正负拨块部件60和定位装置70。

如图9所示，正负拨块部件60包括拨块61、限位轴62、定位凸轮63、拨块支座64和镶嵌在拨块61上的拨叉65；拨叉64的材料为弹簧钢丝，弹簧钢丝既有刚性强度，又有扰度弹性，在拨动正负拨块61时不被卡死以及运动干涉；头轮片412的凸起拨头拨头拨动拨叉65；所述限位轴62为上下两个，避免拨块61滑动过程中发生偏转，拨叉65带动拨块61在限位轴62范围内往返移动，拨块61的表盘面印刷有“+”和“-”，从而在表盘上的显示窗口显示出正和负；所述定位装置70安装在拨块支座64上，定位装置70包括定位轴71、推力弹簧72、定位轴后盖73和定位轴前盖74；定位轴后盖73和定位轴前盖74之间安装有定位轴71，定位轴后盖73和定位轴前盖74同时对定位轴71进行限位，所述推力弹簧72安装在定位轴71的外周面，推力弹簧72为定位轴71提供推力；所述定位轴71与定位凸轮63接触，并在定位轴71的推力下定位凸轮63对拨块61定位。

所述钢丝周长轮31形成有钢丝槽，钢丝槽的直径＋钢丝直径=钢丝的中心线的直径；钢丝20能够在固定钢丝槽内转动，钢丝周长轮31在钢丝槽内转动一圈，刻度盘转动一圈，即刻度盘一圈所显示的数值；

钢丝的中心线的直径 *π =钢丝一圈的长度 =主刻度盘一圈的指示值

63.661977*3.14159=200.00mm

本发明分层测量仪的最大量程为±200m。

如果超过分层测量仪的量程，其显示值将回归至零，然后又重新记值，如需要可将新的指示值再加上或减去200m，若是又有超量程的情况，则以此类推；驱动力发条的长度足够，本发明分层测量仪的重复圈数能够保证运行10圈以上，足以测量显示沉降量。在实际使用过程中，会有运营人员不定期现场查看数据，沉降往往不是短期的急速出现，使用中不出错过最大量程。

现场测量时会有很多个测量点，时间长了容易将点位混淆，为了解决这个问题，本发明设置了数码轮，在表盘面开设显示窗口，可以方便地显示编号，将安装现场的每个点按照用途或者里程等因素编设点号，用机械的号码轮显示而不会发生错乱或者变化，也可以出厂时激光打印或雕刻方式预先编号；解决点号和里程等标识问题，无需担心点号搞错，可以拍照完成后分析整理或存档资料保存。

所述转向轮部件10包括转向轮11和转向轮支座12；所述转向轮支座12与壳体固定连接，所述钢丝20为不锈钢钢丝，钢丝通过转向轮11将位移传递转向。钢丝20的过孔，壳体内部的机油通往转向轮部件10的通道，其油盒形式不限。

实施例：

土层的沉降是高度方向，而人们查看的视觉最好是能够直视。介于铁路运营安全，不便于将测量仪放置在一米多高的直视范围内。加上测量仪本身的与地面的固定原因，将沉降读数仪放置在路基地面的表面成为首选。要直视地面的读数仪，必须将机械的仪器仪表的传递轮系的齿轮设置平行于土层表面。需要将垂直方向的位移变化量转换成水平位移变化量，本发明采用简单实用的钢丝绳结构，而未先用蜗轮蜗杆或者伞齿轮等复杂结构。

分层测量是指对多层进行测量，也可以是指单层（一层）进行测量

如图3、图5和图12所示，将测杆6夯入或者植入到要测量的土层深度，测杆6的底部根据需要可以设置沉降板7；并视情况根据需要而增加测杆6和对测杆起保护作用的PVC管；测杆6的末端部位套上一个测杆抱箍8，测杆抱箍8用测杆抱箍横杆9将被测量层的位置关系引出，测杆抱箍横杆9上加工安装了调节机构，调节机构80包含钢丝高度固定螺栓81、钢丝高度微调旋钮82及钢丝锁紧钮83，将钢丝20拉倒合适位置后用钢丝锁紧钮将钢丝锁紧，财调节钢丝高度微调旋钮82调节钢丝20的高度位置，为了防止转动则将钢丝高度固定螺栓81铣扁而防止转动。

沉降测量时地面温度变化一致，同一个地区同一片区域不会又太大的温差存在，因此地表的温差可以忽略，即不会影响测杆的测量精度。

同时，北方的冻土层深度拿内蒙古来说极端深度的也就是1.8米左右，孔内的测杆温度应该在一个相对稳定状态，在测杆的外面有PVC管，可以在测杆和PVC管之间填充发泡胶等隔热材料避免误差，也可以通过安设棱镜A或者GNSS B来测量消除测杆的热胀冷缩误差。如测杆深度10M，金属的线胀系数：10×1000x1.2×10^-5×10=1.2mm张胀量。

钢丝采用柔性不锈钢钢丝，其不锈钢钢丝需要测杆抱箍横杆、钢丝高度固定螺栓、钢丝高度微调旋钮及钢丝锁紧钮的共同作用来进行高度预装时（初装时）的调整，以达到分层测量仪的原始指针归零。

如图10所示，转向轮部件10将钢丝从壳体的腔内引出后将位移传递转向的装置，钢丝出厂时压紧块13及拧紧钢丝出厂时压紧块的螺栓组成，现场安装调试完成后取掉钢丝出厂时压紧块；

如图11所示，发条部件30为测量仪提供动力，发条带动头轮轴，各轮的传动关系依次为：头轮片→二齿轴、二轮片→三齿轴、三轮片→四齿轴、四轮片→五轮轴；

其传动比分别为：

如图2所示，本发明机械式土层沉降分层测量仪的工作原理是，将底部的沉降量通过测杆转移传递到表面上，测杆的位移变化为垂直方向，通过钢丝将测杆与测量仪连接将垂直方向的沉降值转换为水平，经多级传动放大后通过刻度盘进行显示，该仪器的动力从发条部件传出，带动各轮部件转动。

本发明利用不锈钢钢丝的柔性，通过转向导轮将土层的高度沉降用测杆传递到地面后的竖直方向的位移转换成测量仪的水平方向的位移，再通过多级传动放大后通过机械式刻度盘和指针直接、准确显示沉降量的大小，直观、清晰，提高了精度。另外，在读数仪的上面增设了一组可以转动调试的数字号码字轮，解决点号和里程等标识问题。

对于铁路路基，可以在晚上的天窗点时铁路线路巡查人员随时查看，可拍照，可记录；无需投入大量的专业人员长时间多次的反复测量，降到了人工成本。本发明适合铁路路基等领域的高程沉降测量，尤其是分层沉降测量。

本发明的轮系采用不锈钢材料，其它材料采用热镀锌的防腐处理，使用寿命长。

值得指出的是，本发明的保护范围并不局限于上述具体实例方式，根据本发明的基本技术构思，也可用基本相同的结构，可以实现本发明的目的，只要本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种机械式土层沉降分层测量仪，其特征在于，分层测量仪安装在路基地表面，包括，转向轮部件（10）、钢丝（20）、发条部件（30）、传动机构（40）和仪表盘（50）；所述转向轮部件（10）与壳体固定连接，所述钢丝（20）一端通过转向轮部件（10）与发条部件（30）张紧拉住，钢丝（20）的伸缩余量缠绕在钢丝周长轮上，钢丝（20）的另一端与被测杆固定连接；所述钢丝（20）和发条部件（30）之间通过传动机构（40）将钢丝（20）的位移量记录并通过仪表盘（50）显示。

2.根据权利要求1所述的机械式土层沉降分层测量仪，其特征在于，所述传动机构（40）包括通过轴承（46）固定转动的头轮部件（41）、二轮部件（42）、三轮部件（43）、四轮部件（44）和五轮轴（45）；

所述头轮部件（41）包括压合为一体的头轮轴（411）和头轮片（412）；

所述二轮部件（42）包括压合为一体的二齿轴（421）和二轮片（422）；

所述三轮部件（43）包括压合为一体的三齿轴（431）和三轮片（432）；

所述四轮部件（44）包括压合为一体的四齿轴（441）和四轮片（442）；

所述头轮轴（411）、三齿轴（431）和五轮轴（45）上均安装有指示指针；

所述头轮片（412）与二齿轴（421）啮合，传动比为1：5，二轮片(422)与三齿轴（431）啮合，传动比为1：4，三轮片（432）与四齿轴（441）啮合，传动比为1：33333，四轮片（442）与五轮轴（45）啮合，传动比为1：3；

所述各轮片厚度为10mm，各轮片之间最小间隙为2.5 mm -3.5mm。

3.根据权利要求1所述的机械式土层沉降分层测量仪，其特征在于，还包括有正负拨块部件（60）和定位装置（70）；所述正负拨块部件（60）包括拨块（61）、限位轴（62）、定位凸轮（63）、拨块支座（64）和镶嵌在拨块（61）上的拨叉（65）； 所述限位轴（62）为上下两个，避免拨块（61）滑动过程中发生偏转；所述定位装置（70）安装在拨块支座（64）上，定位装置（70）包括定位轴（71）、推力弹簧（72）、定位轴后盖（73）和定位轴前盖（74）；定位轴后盖（73）和定位轴前盖（74）之间安装有定位轴（71），所述推力弹簧（72）安装在定位轴（71）的外周面，推力弹簧（72）为定位轴（71）提供推力；所述定位轴（71）与定位凸轮（63）接触，并在定位轴（71）的推力下定位凸轮（63）对拨块（61）定位。

4.根据权利要求1所述的机械式土层沉降分层测量仪，其特征在于，所述头轮片（412）形成有凸起拨头，拨头拨动拨叉（64），拨叉（64）带动拨块（61）在限位轴（62）范围内往返移动；所述拨叉（64）的材料为弹簧钢丝。

5.根据权利要求1所述的机械式土层沉降分层测量仪，其特征在于，所述钢丝周长轮（31）形成有钢丝槽，钢丝槽的直径＋钢丝直径=钢丝的中心线的直径；钢丝（20）能够在固定钢丝槽内转动，钢丝周长轮在钢丝槽内转动一圈，刻度盘转动一圈。

6.根据权利要求1所述的机械式土层沉降分层测量仪，其特征在于，所述分层测量仪（1）下部形成有预埋爪（2），所述预埋爪（2）被混凝土固化在路基内。

7.根据权利要求1所述的机械式土层沉降分层测量仪，其特征在于，还包括有数码轮，数码轮对应的盖板上开有相适配的窗口。

8.根据权利要求1所述的机械式土层沉降分层测量仪，其特征在于，所述转向轮部件（10）包括转向轮（11）和转向轮支座（12）；所述转向轮支座（12）与壳体外侧固定连接，所述钢丝（20）为不锈钢钢丝，钢丝（20）通过转向轮（11）将位移传递转向。

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