專利名稱：圍巖力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖土工程勘察技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種圍巖力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近幾十年來，靜力觸探技術(shù)成功地應(yīng)用于粘性土、粉土、砂土及軟土等 地層的測試中。但由于機械設(shè)備提供的動力有限，在較硬地層中難以應(yīng)用。 現(xiàn)有的觸探儀通過一個電機帶動探頭探測，探頭的探入方式是直接壓入式 的，這種方式對于較硬的巖土層不易進入，因此目前對于較硬地層力學(xué)性質(zhì) 指標(biāo)的獲得，仍采用室內(nèi)巖石力學(xué)試驗等常規(guī)的方法。 發(fā).明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種圍巖力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測試系統(tǒng)，用于較硬地層中 探頭探入的相關(guān)參數(shù)的測量，通過監(jiān)測、調(diào)整軸向負(fù)荷、扭矩、探入速度與 旋轉(zhuǎn)速度，克服了現(xiàn)有靜力觸探儀動力有限、不能用于探測原位較硬地層力 學(xué)參數(shù)的問題，實現(xiàn)快速、無擾動及可靠地獲取不同剛度、硬度、強度的圍 巖力學(xué)參數(shù)的現(xiàn)場測定。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是， 一種圍巖力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測試系統(tǒng)，包括由 上而下依次平行設(shè)置的橫梁、基座和底板，基座和橫梁之間豎直設(shè)置有兩個 立柱，橫梁、基座和兩個立柱構(gòu)成主框架，兩個立柱之間豎直設(shè)置有兩精密 滾珠絲桿，精密滾珠絲桿的上端固接于橫梁，其下端自基座的下表面伸出，并分別固接有一傳動輪，基座與底板之間豎直設(shè)置有至少兩根支柱，基座的 下表面固定有聯(lián)體皮帶輪，兩傳動輪和聯(lián)體皮帶輪通過上齒形帶相連接，底 板的上表面固定有移動伺服電機，移動伺服電機通過下齒形帶與聯(lián)體皮帶輪 相連接，兩精密滾珠絲桿上分別設(shè)置有絲母，兩絲母分別固接于水平設(shè)置的 移動橫梁的兩端，移動橫梁的上面由下而上依次設(shè)置有傳動裝置、減速器和 轉(zhuǎn)動伺服電機，傳動裝置與轉(zhuǎn)軸的上端固接，轉(zhuǎn)軸的下端自移動橫梁的下面 伸出，并與探桿的上端固接，探桿的下端與探頭的上端固定連接，探頭的下 端并自底板的下表面伸出，探頭的下端內(nèi)部安裝有無線扭矩傳感器和無線力 傳感器，探頭的端頭還有切刀，轉(zhuǎn)動伺服電機和移動伺服電機分別與功率放 大器相連接，功率放大器通過控制器與計算機相連接，控制器還與接收器相' 連接。
本發(fā)明的有益效果是改變傳統(tǒng)觸探直接壓入的受力方式，通過移動伺服 電機和轉(zhuǎn)動伺服電機帶動探頭旋轉(zhuǎn)探入較硬地層，并在探頭上安裝了無線扭 矩傳感器和無線力傳感器，測得探頭探入的相關(guān)參數(shù)，并通過測得探頭探入 的相關(guān)參數(shù)，求出圍巖力學(xué)相關(guān)參數(shù)，克服了現(xiàn)有靜力觸探儀動力有限、不 能用于探測原位較硬地層力學(xué)參數(shù)的問題，實現(xiàn)了圍巖力學(xué)相關(guān)參數(shù)的現(xiàn)場 測定。不僅節(jié)約了時間，減少了測試的環(huán)節(jié)，降低了成本，而且可以進一步' 為土木、水利、交通等等工程的設(shè)計施工提供基礎(chǔ)資料。


圖1是本發(fā)明圍巖力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明圍巖力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測試系統(tǒng)在探測過程中獲得探頭轉(zhuǎn)速和 扭矩的測控工藝流程圖3是本發(fā)明圍巖力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測試系統(tǒng)在探測過程中獲得探頭探入速度和軸向負(fù)荷的測控工藝流程圖中，l.橫梁，2.精密滾珠絲杠，3.立柱，4.絲母，5.基座，6.聯(lián)體皮 帶輪，7.移動伺服電機，8.底板，9.轉(zhuǎn)動伺服電機，IO.減速器，ll.傳動裝置, 12.接收器，13.移動橫梁，14.轉(zhuǎn)軸，15.探桿，16.控制器，17.功率放大器， 18.傳動輪，19.電子計算機，20.探頭，21.無線扭矩傳感器，22.無線力傳感器， 23.上齒形帶，24.下齒形帶，25.支柱，26.傳動系統(tǒng)，27.加載框架，28.切刀。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。 本發(fā)明圍巖力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。包括由上而下 依次平行設(shè)置的橫梁1、基座5和底板8，基座5和橫梁1之間豎直設(shè)置有 兩個立柱3，橫梁1、基座5和兩個立柱3構(gòu)成主框架。兩個立柱3之間豎 直設(shè)置有兩精密滾珠絲桿2，精密滾珠絲桿2的上端固接于橫梁1，其下端 自基座5的下表面伸出，并分別固接有一傳動輪18，基座5與底板8之間豎 直設(shè)置有至少兩根支柱25?；?的下表面固定有聯(lián)體皮帶輪6，兩傳動輪 18和聯(lián)體皮帶輪6通過上齒形帶23相連接，構(gòu)成從動皮帶傳動機構(gòu)，底板 8的上表面固定有移動伺服電機7，移動伺服電機7通過下齒形帶24與聯(lián)體 皮帶輪6相連接，構(gòu)成主動皮帶傳動機構(gòu)。兩精密滾珠絲桿2上分別設(shè)置有 絲母4，兩絲母4分別固接于水平設(shè)置的移動橫梁13的兩端，移動橫梁13 的上面由下而上依次設(shè)置有傳動裝置11、減速器10和轉(zhuǎn)動伺服電機9，傳 動裝置11與轉(zhuǎn)軸14的上端固接，轉(zhuǎn)軸14的下端自移動橫梁13的下面伸出， 并與探桿15的上端固接，探桿15的下端與探頭20的上端固定連接，探頭 20.的下端自底板8的下表面伸出，探頭20的下端內(nèi)部安裝有無線扭矩傳感 器21和無線力傳感器22，探頭20的端頭還有切刀28，轉(zhuǎn)動伺服電機9和移動伺服電機7分別與功率放大器17相連接，功率放大器17通過控制器16 與計算機19相連接，控制器16與接收器12相連接。
本發(fā)明圍巖力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測試系統(tǒng)的工作過程是
從電子計算機19上輸入軸向負(fù)荷P或探入速度v，扭矩M或旋轉(zhuǎn)速度co 控制參數(shù)值，并發(fā)出命令?？刂破?6接收到來自電子計算機19的命令并發(fā) 出操作指令，控制器16在接收到指令后通過功率放大器17將電訊號發(fā)送給 控制轉(zhuǎn)動伺服電機9和移動伺服電機7，分別控制轉(zhuǎn)動伺服電機9和移動伺 服電機7工作，實現(xiàn)對軸向負(fù)荷P或探入速度v，扭矩M或旋轉(zhuǎn)速度co的精 確閉環(huán)控制以及對整個探入過程進行上述四個量的監(jiān)控或測量，也可進行上 述幾種控制方式的平滑轉(zhuǎn)換。移動伺服電機7通過下齒型帶24帶動聯(lián)體皮 帶輪6轉(zhuǎn)動，從而通過上齒型帶23帶動兩個傳動輪18及與兩個傳動輪18 相連的兩根精密滾珠絲杠2轉(zhuǎn)動，進而帶動與絲母4相聯(lián)的移動橫梁13上 下移動，實現(xiàn)探桿15及探頭20豎直方向的移動。改變移動伺服電機7的轉(zhuǎn) 速可賦予探頭20不同的壓入速度，同時控制器16可根據(jù)設(shè)定值與實測值的 比較來改變移動伺服電機7的轉(zhuǎn)速以保持恒定的軸向負(fù)荷戶或探入速度v。 轉(zhuǎn)動伺服電機9轉(zhuǎn)動，通過傳動裝置11帶動轉(zhuǎn)軸14、探桿15及探頭20旋 轉(zhuǎn)。變換轉(zhuǎn)動伺服電機9的轉(zhuǎn)速就可以賦予探頭20不同的旋轉(zhuǎn)速度，控制 器16可根據(jù)設(shè)定值與實測值的比較來改變移動伺服電機9的轉(zhuǎn)速以保持恒 定的扭矩M或旋轉(zhuǎn)速度co。通過移動橫梁13的上下移動和轉(zhuǎn)軸14的旋轉(zhuǎn)實 現(xiàn)探頭20的旋轉(zhuǎn)壓入。
本發(fā)明圍巖力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測試系統(tǒng)測量探頭20探入的相關(guān)參數(shù)為旋 轉(zhuǎn)速度co、扭矩M、探入速度v及軸向負(fù)荷P。對軸向負(fù)荷P或探入速度v的 控制以及旋轉(zhuǎn)速度co或扭矩M的控制是實時伺步進行的。在其中一個由電子計算機19、控制器16、功率放大器17、轉(zhuǎn)動伺服電機9、減速器IO、傳動 裝置11、轉(zhuǎn)軸14、探桿15、探頭20、無線扭矩傳感器21與無線力傳感器 22-構(gòu)成的控制環(huán)路中，旋轉(zhuǎn)速度co及扭矩M是通過轉(zhuǎn)動伺服電機9控制的， 在電子計算機19中設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度co然后把扭矩值M作為測量量，或者在電 子計算機19中設(shè)定扭矩值M然后把旋轉(zhuǎn)速度co作為測量量，并向控制器16 發(fā)出指令，控制器16在接收到指令后通過功率放大器17將電訊號發(fā)送給轉(zhuǎn) 動伺服電機9，由減速器10通過傳動裝置11將既定的旋轉(zhuǎn)速度co或扭矩值 M賦予轉(zhuǎn)軸14。探頭20的旋轉(zhuǎn)速度co或扭矩M值由控制器16進行調(diào)節(jié)， 使旋轉(zhuǎn)速度O)或扭矩M值保持恒定。旋轉(zhuǎn)速度和扭矩控制流程圖見圖2。在 另一個由電子計算機19、控制器16、功率放大器17、移動伺服電機7、下 齒形帶24、聯(lián)體皮帶輪6、上齒形帶23、傳動輪18、精密滾珠絲杠2、絲母 4、移動橫梁13、探桿15、探頭20、無線扭矩傳感器21與無線力傳感器22 構(gòu)成的控制環(huán)路中，探入速度v或軸向負(fù)荷戶的控制過程的與旋轉(zhuǎn)速度co或 扭矩M的控制過程相似，其控制流程圖見圖3。其中圖3中的傳動系統(tǒng)26 包括下齒形帶24、聯(lián)體皮帶輪6以及傳動輪18構(gòu)成；加載框架27為主框架 中的絲母4及移動橫梁13。整個閉環(huán)控制中，兩個控制環(huán)路中任何一個控制 環(huán)路只能有一個控制參量處于閉環(huán)反饋通路中，另一參數(shù)作為測量量。所以 在測試過程中只能以兩個參數(shù)作為控制指標(biāo)，另兩個參數(shù)則為儀器測量的指 標(biāo)。
在整個探入過程中，由裝在探頭20中的無線力傳感器22和無線扭矩傳 感器21來測量探頭20所受的軸向負(fù)荷P和扭矩值M 、或者探入速度v和旋 轉(zhuǎn)速度(o，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收器12接收，由電子計算機19進行存盤及后 續(xù)處理。并且可以調(diào)整探頭20的軸向負(fù)荷、扭矩、旋轉(zhuǎn)速度與探入速度的量值，使得探頭20能夠在不同深度不同硬度巖體順利探入。
將探頭20測量得到的參數(shù)經(jīng)測試系統(tǒng)中電子計算機19處理等得到巖體
力學(xué)參數(shù)值，并可以通過大量的系統(tǒng)平行室內(nèi)測試的對比研究，建立起可靠 的巖石的力學(xué)參數(shù)與軸向負(fù)荷、扭矩、探入速度與旋轉(zhuǎn)速度間內(nèi)大的關(guān)系， 從而實現(xiàn)了快速、無擾動及可靠地獲取不同剛度、硬度、強度的圍巖力學(xué)參 數(shù)的現(xiàn)場測定，為土木、水利、交通等等工程的設(shè)計施工提供基礎(chǔ)資料。
權(quán)利要求
1. 一種圍巖力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測試系統(tǒng)，其特征在于，包括由上而下依次平行設(shè)置的橫梁(1)、基座(5)和底板(8)，基座(5)和橫梁(1)之間豎直設(shè)置有兩個立柱(3)，橫梁(1)、基座(5)和兩個立柱(3)構(gòu)成主框架，兩個立柱(3)之間豎直設(shè)置有兩精密滾珠絲桿(2)，精密滾珠絲桿(2)的上端固接于橫梁(1)，其下端自基座(5)的下表面伸出，并分別固接有一傳動輪(18)，基座(5)與底板(8)之間豎直設(shè)置有至少兩根支柱(25)，基座(5)的下表面固定有聯(lián)體皮帶輪(6)，兩傳動輪(18)和聯(lián)體皮帶輪(6)通過上齒形帶(23)相連接，底板(8)的上表面固定有移動伺服電機(7)，移動伺服電機(7)通過下齒形帶(24)與聯(lián)體皮帶輪(6)相連接，兩精密滾珠絲桿(2)上分別設(shè)置有絲母(4)，兩絲母(4)分別固接于水平設(shè)置的移動橫梁(13)的兩端，移動橫梁(13)的上面由下而上依次設(shè)置有傳動裝置(11)、減速器(10)和轉(zhuǎn)動伺服電機(9)，傳動裝置(11)與轉(zhuǎn)軸(14)的上端固接，轉(zhuǎn)軸(14)的下端自移動橫梁(13)的下面伸出，并與探桿(15)的上端固接，探桿(15)的下端與探頭(20)的上端固定連接，探頭(20)的下端并自底板(8)的下表面伸出，探頭(20)的下端內(nèi)部安裝有無線扭矩傳感器(21)和無線力傳感器(22)，探頭(20)的端頭還有切刀(28)，轉(zhuǎn)動伺服電機(9)和移動伺服電機(7)分別與功率放大器(17)相連接，功率放大器(17)通過控制器(16)與計算機(19)相連接，控制器(16)還與接收器(12)相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圍巖力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測試系統(tǒng)，包括由上而下依次平行設(shè)置的橫梁、基座，基座的下表面設(shè)置有皮帶傳動裝置，由移動伺服電機控制，使得移動伺服電機通過皮帶傳動裝置帶動且控制橫梁上下移動，橫梁上設(shè)置有轉(zhuǎn)動伺服電機，控制移動衡量下的探桿轉(zhuǎn)動，探桿的下端與探頭的上端固定連接，探頭的下端內(nèi)部安裝有無線扭矩傳感器和無線力傳感器，來測量探頭所受的探入速度或軸向負(fù)荷，旋轉(zhuǎn)速度或扭矩，通過電子計算機處理等得到巖體力學(xué)參數(shù)值。本發(fā)明克服了現(xiàn)有靜力觸探儀動力有限、不能用于探測原位較硬地層力學(xué)參數(shù)的問題，實現(xiàn)了在現(xiàn)場快速、無擾動及可靠地測定圍巖力學(xué)參數(shù)值，為土木、水利、交通等等工程的設(shè)計施工提供基礎(chǔ)資料。
文檔編號G01N3/00GK101446529SQ20081023656
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者劉奉銀, 玲 宋, 寧 李 申請人:西安理工大學(xué)