一种用于模型试验竖井开挖的精准数控自动开挖装置

摘要

本发明公开了一种用于地下工程模型试验竖井开挖的精准数控自动开挖装置，其主要包括旋转切削系统、渣土吸送系统、导向推进系统及人机交互控制系统；所述的渣土吸送系统与所述的旋转切削系统嵌套成一个整体，在所述导向推进系统的驱动下能上下移动；所述的人机交互控制系统控制所述的旋转切削系统、渣土吸送系统和导向推进系统按照所设定的开挖速度、开挖进尺及各开挖步间隔时间自动完成开挖过程，并将开挖进程实时显示在人机交互控制界面。本发明具有：1)成洞规则，对围岩扰动小；2)可实时清除沉积在竖井底部的渣土；3)可精确控制开挖速度、开挖进尺及开挖走向；4)自动化程度高，操作简便等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模型试验装置，具体是一种用于地质力学模型试验竖井开挖的精准数控自动开挖装置。

背景技术

随着社会生产力水平的不断发展，在能源、交通、水利、矿山、国防等各个领域，地下工程建设的数量与规模不断增大，地下空间的开发利用越来越体现出巨大经济效益和社会效益。与此同时，为满足特定的功能需要，许多地下工程逐渐走向深部，洞室结构也逐渐向既分布有竖井，又分布有平洞的多洞室交叉方向发展。其中，竖井往往作为主要的人员及物资提升通道，其洞室直径较大，且安全性要求较高。研究深部竖井施工开挖及运营过程的稳定性，对实际工程设计与施工具有重要的指导作用和理论意义。然而，面对深部地下工程，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场原位试验条件受限且费用昂贵，相比之下，物理力学模型试验以其形象、直观、真实的特性成为研究深部地下工程的重要手段。

地质力学模型试验是根据相似原理采用缩尺地质模型研究洞室施工开挖过程与变形破坏规律的一种物理模拟方法。由于地下工程规模较大，地质力学模型试验采用的缩尺比往往较小，模型试验中较小的误差就会造成与实际工程有很大的偏差。因此，如何对试验洞室进行精准开挖就成为模型试验能否取得成功的关键。

另外，其与水平洞室开挖不同，竖井开挖过程中产生的渣土会在重力作用下沉积在洞室底部，达到一定的量后，将导致开挖无法正常进行。因此，如何在竖井开挖过程中将渣土及时排出，是模型试验竖井开挖的另一个关键问题。目前国内外有关模型洞室开挖现状如下：

中国专利公开号CN206075696U提供了一种模型试验开挖装置，采用人工摇动刀盘转动，并推动开挖装置前进的方式进行洞室开挖。该装置开挖过程人为扰动大，自动化程度低，对洞室开挖速度、进尺及走向无法精确控制，且不能及时有效的排出切削下的渣土，无法进行模型竖井开挖。

中国专利公开号CN105403685B提供了一种模型试验洞室开挖装置，该装置采用麻花钻头沿洞室轮廓进行往复运动，逐层对材料体进行切削，从而模拟洞室开挖过程。该装置无法精确控制开挖速度及开挖走向，无法进行长距离开挖，对洞室开挖切削下的渣土也无法及时排除，不能进行模型竖井开挖。

中国专利公开号CN103616287B提供了一种地下工程模型试验开挖装置，采用松香浇筑隧道模型并预埋在材料体中，再由电热丝加热松香使之融化来模拟隧道开挖。由于松香和围岩相似材料力学性质存在较大差异，该装置不能真实反映实际隧洞开挖卸荷过程，且松香融化速度及长度难以准确控制，无法应用于竖井开挖。

《岩石力学与工程学报》2012年S2期介绍了一种模型试验开挖装置,采用与洞室尺寸一致的空心套筒作为钻头，通过人工摇动钻头转动，并推动钻头前进的方式进行洞室开挖。该装置只能对低强度材料进行开挖，且自动化程度低，人为扰动大，无法精确控制开挖速度与开挖进尺，对于竖向洞室难以出渣，无法进行模型竖井开挖。

《岩土力学》2016年第S2期介绍了一种用于模拟土体中盾构隧道开挖的装置，通过电动机驱动刀盘转动并前进，以切削土体。该装置实现了机械化操作，减少了人工开挖带来的干扰影响，但只能对低强度材料进行开挖，且开挖产生的渣土堆积在洞室内，不能自动排渣，无法进行模型竖井开挖。

《岩石力学与工程学报》2016年第3期介绍了一种模拟隧道开挖卸荷的装置，根据隧道形状采用钢板制作拼装式隧道模具，并预埋在材料体中，实验过程中通过拆解拼装的隧道模具来模拟隧道开挖。该装置采用预埋模具抽拔成洞的方式，不能真实反映实际隧洞开挖卸荷过程，无法进行模型竖井开挖。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有模型试验开挖技术的不足，提供一种用于地下工程模型试验竖井开挖的精准数控自动开挖装置，该装置自动化程度高，可实现竖井自动开挖与出渣，且开挖速度、开挖进尺及开挖走向能精确控制，有利于提高模型试验开挖的精度，避免手动开挖所产生的误差及人为扰动，使模型试验中反应的规律与实际工程更加接近。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于地下工程模型试验竖井开挖的精准数控自动开挖装置，其主要包括旋转切削系统、渣土吸送系统、导向推进系统及人机交互控制系统；所述的渣土吸送系统与所述的旋转切削系统嵌套成一个整体，同时实现模型试验材料的切削和竖井开挖过程中的渣土清除；在所述导向推进系统的驱动下能上下移动；所述的人机交互控制系统控制所述的旋转切削系统、渣土吸送系统和导向推进系统按照所设定的开挖速度、开挖进尺及各开挖步间隔时间自动完成开挖过程，并将开挖进程实时显示在人机交互控制界面。

进一步的，所述旋转切削系统主要由切削刀头、中心传动轴和切削伺服电机组成；所述的切削刀头位于最前端，通过中心传动轴与后方切削伺服电机转子连接，由伺服电机驱动切削刀头高速旋转从而切削模型材料体。

进一步优选的，所述切削刀头由高强度淬火钢加工成型，其前部为锥形定位钻头，用于减小切削过程中刀头偏摆，后部为十字形刀具，用于切削模型材料体。

进一步的，所述渣土吸送系统主要由集尘罩、传动轴外套管、刚性吸渣管、柔性吸渣管、后面板、真空吸尘器组成；所述集尘罩外径略小于开挖竖井直径，内部空间为喇叭形，其底部开有多个孔，分别与多根刚性管道连通；其中中心为传动轴外套管，四周为刚性吸渣管，多根管道相互平行，通过集尘罩及后面板约束成为整体；所述四根刚性吸渣管末端由柔性吸渣管与所述的真空吸尘器连通。

进一步的，所述传动轴外套管内安装有轴承，旋转切削系统的中心传动轴可穿过并嵌套在其中，且切削刀头紧邻集尘罩前部，切削伺服电机则固定在渣土吸送系统的后面板上。

所述四根刚性吸渣管末端由柔性吸渣管与真空吸尘器连通，当真空吸尘器工作时，可在集尘罩内形成负压，从而及时、有效的将刀头旋转切削下的渣土依次通过刚性吸渣管、柔性吸渣管，最终吸送到真空吸尘器中。

进一步的，所述导向推进系统主要由直线导轨、滚珠丝杠副、滑动平台、推进伺服电机、定位导向板和尾部面板组成；所述直线导轨中间安装有滚珠丝杠副，且滑动平台固定在所述的滚珠丝杠副上沿着所述的直线导轨上下移动，滚珠丝杠副和直线导轨的前端固定于定位导向板上，直线导轨的末端固定在所述的尾部面板上，所述的滚珠丝杠副则由固定在尾部面板上的推进伺服电机驱动其旋转。

进一步优选的，所述的直线导轨为相互平行的两条，前后两端分别固定在定位导板及尾部面板上；所述滚珠丝杠副由丝杠轴及丝杠螺母组成，其中，丝杠轴安装于两条直线导轨中间，并与直线导轨平行，丝杠轴前端固定于定位导向板上，末端则由固定在尾部面板上的推进伺服电机驱动其旋转；所述丝杠螺母通过螺纹嵌套在丝杠轴上；所述滑动平台通过两侧的配套滑块嵌套在直线导轨上，底部则与所述丝杠螺母连接。

进一步的，所述旋转切削系统与渣土吸送系统嵌套成整体后，尾部固定在滑动平台上，所述的传动轴外套管、刚性吸渣管则嵌套在定位导向板的五个直线轴承中，各管道均与直线轨道保持平行。当推进伺服电机驱动丝杠轴转动时，丝杠螺母将丝杠轴的回转运动转化为直线运动，带动滑动平台在直线导轨上滑动，从而推动旋转切削系统及渣土吸送系统整体沿直线导轨方向进行掘进。通过控制推进伺服电机的转速，即可对掘进的速度、进尺进行精确控制。

进一步的，所述人机交互控制系统主要由人机交互界面、集成控制板组成，通过电缆与推进伺服电机相连；所述集成控制板内置自编程序，可自动对推进伺服电机的转速进行精确控制，从而可按用户所设定的开挖速度、开挖进尺及各开挖步间隔时间自动完成开挖过程，并将开挖进程实时显示在人机交互控制界面。

本发明具有如下技术优势：

1、成洞规则，对围岩扰动小。采用旋转切削方式进行开挖，开挖后洞室形状规则，且对洞周模型体材料及测试元件的冲击扰动小。

2、实时自动出渣。本发明将旋转切削系统与渣土吸送系统嵌套成一个整体，采用真空吸送方式进行出渣，可及时有效的将竖井开挖过程中沉积在底部的渣土排出，且不会对已开挖洞室部分的洞周产生扰动。

3、可精确控制开挖速度、开挖进尺及开挖走向。采用伺服电机与滚珠丝杠副配合，驱动切削面前进，可精确控制各开挖步的开挖进尺、开挖速度。通过直线导轨及定位导向板对掘进方向进行约束，可使掘进方向严格按指定直线进行。

4、自动化程度高，操作简便。配备人机交互控制系统，操作简单，自动化程度高，用户只需设定好各开挖步的开挖进尺、开挖速度及各开挖步间隔时间，装置即可自动执行开挖。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明整体示意图；

图2是旋转切削系统示意图；

图3是渣土吸送系统示意图；

图4是导向推进系统示意图；

图5、图6是利用本发明开挖所得模型试验竖井照片；

其中：1.切削刀头、2.集尘罩、3.传动轴外套管、4.刚性吸渣管、5.定位导向板、6.直线导轨、7.后面板、8.切削伺服电机、9.推进伺服电机、10、尾部面板、11.滚珠丝杠副、12.滑动平台、13.连接线、14.柔性吸渣管、15.真空吸尘器、16.人机交互控制系统、17.中心传动轴、18.丝杠轴、19.丝杠螺母、20.滑块、21.直线轴承。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于模型试验竖井开挖的精准数控自动开挖装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种用于地下工程模型试验竖井开挖的精准数控自动开挖装置，它主要包括：旋转切削系统，渣土吸送系统，导向推进系统及人机交互控制系统等几部分；所述旋转切削系统通过刀头高速旋转切削模型试验材料，所述渣土吸送系统紧邻切削刀头后部，可实时清除竖井开挖过程中沉积在底部的渣土，所述导向推进系统可约束开挖走向，并推动开挖面前进，所述人机交互控制系统与导向推进系统连接，可按用户设定对开挖速度及开挖进尺进行精确控制，并自动完成开挖过程。本发明具有：1)成洞规则，对围岩扰动小；2)可实时清除沉积在竖井底部的渣土；3)可精确控制开挖速度、开挖进尺及开挖走向；4)自动化程度高，操作简便等优点。

旋转切削系统主要由切削刀头1、中心传动轴17、切削伺服电机8等组成。切削刀头1位于最前端，通过中心传动轴17与后方切削伺服电机8转子连接，由切削伺服电机8驱动切削刀头1高速旋转从而切削模型材料体；所述切削刀头1由高强度淬火钢加工成型，其前部为锥形定位钻头，用于减小切削过程中刀头偏摆，后部为十字形刀具，用于切削模型材料体。

渣土吸送系统主要由集尘罩2、传动轴外套管3、刚性吸渣管4、柔性吸渣管14、后面板7、真空吸尘器15等组成。所述集尘罩2外径略小于开挖竖井直径，内部空间为喇叭形，其底部开有五个孔，分别与五根刚性管道连通，其中中心为传动轴外套管3，四周为四根刚性吸渣管4，五根管道相互平行，前后分别由集尘罩2及后面板7约束后成为整体。

传动轴外套管3内安装有轴承，旋转切削系统的中心传动轴17可穿过并嵌套在其中，且切削刀头1紧邻集尘罩2前部，切削伺服电机8则固定在渣土吸送系统的后面板7上。所述四根刚性吸渣管4末端由柔性吸渣管14与真空吸尘器15连通，当真空吸尘器15工作时，可在集尘罩2内形成负压，从而及时、有效的将切削刀头1旋转切削下的渣土依次通过刚性吸渣管4、柔性吸渣管14，最终吸送到真空吸尘器15中。

导向推进系统主要由直线导轨6、滚珠丝杠副11、滑动平台12、推进伺服电机9、定位导向板5、尾部面板10等组成。所述直线导轨6为相互平行的两条，前后两端分别固定在定位导板5及尾部面板10上。所述滚珠丝杠副11由丝杠轴18及丝杠螺母19组成，其中，丝杠轴18安装于两条直线导轨6中间，并与直线导轨6平行，丝杠轴18前端通过轴承固定于定位导向板5上，末端则与固定在尾部面板10上的推进伺服电机9的转子连接；所述丝杠螺母19通过螺纹嵌套在丝杠轴18上。所述滑动平台12通过两侧的配套滑块20嵌套在直线导轨6上，底部中间则与丝杠螺母19连接。

旋转切削系统与渣土吸送系统嵌套成整体后，尾部固定在滑动平台12上，前部的五根刚性管道则嵌套在定位导向板5的五个直线轴承21中，各管道均与直线轨道6保持平行。当推进伺服电机9驱动丝杠轴18转动时，丝杠螺母19将丝杠轴的回转运动转化为直线运动，带动滑动平台12在直线导轨6上滑动，从而推动旋转切削系统及渣土吸送系统整体沿直线导轨方向进行掘进。通过控制推进伺服电机9的转速，即可对掘进的速度、进尺进行精确控制。

本发明将旋转切削系统与渣土吸送系统嵌套成一个整体，在完成切削的同时还实现了出渣，因此集成度比较好，且本发明的除渣采用真空吸送方式进行出渣，可及时有效的将竖井开挖过程中沉积在底部的渣土排出，且不会对已开挖洞室部分的洞周产生扰动；

采用伺服电机与滚珠丝杠副配合，驱动切削面前进，可精确控制各开挖步的开挖进尺、开挖速度。通过直线导轨及定位导向板对掘进方向进行约束，可使掘进方向严格按指定直线进行。

人机交互控制系统16主要由人机交互界面、集成控制板组成，通过电缆13与推进伺服电机9相连。所述集成控制板内置自编程序，可自动对推进伺服电机9的转速进行精确控制，从而可按用户所设定的开挖速度、开挖进尺及各开挖步间隔时间自动完成开挖过程，并将开挖进程实时显示在人机交互控制界面。

本发明自动化程度高，操作简便；配备人机交互控制系统，操作简单，自动化程度高，用户只需设定好各开挖步的开挖进尺、开挖速度及各开挖步间隔时间，装置即可自动执行开挖。

本发明中开挖所得竖井形状规则，洞壁光滑完整，洞内无渣土沉积，充分表明本发明装置对于模型试验竖井开挖具有良好的效果。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。