模拟离心场边坡开挖工况的设备制造技术

本发明专利技术属于施工现场模拟设备，特别涉及一种模拟离心场边坡开挖工况的设备。牵引电机通电后，电机齿轮正反向转动带动齿条右端的上层平台板在直线导轨上左右滑动，带动刀片左右运动，即有效模拟了“推拉”过程，直线电机的电机轴带动下部刀片沿竖直方向上下运动，这样即可根据需要将刀片垂直的切入和离开边坡坡脚，即实现了“下切－上提”过程。本发明专利技术可靠性强，成本低，适用性广，设备构造简单，易于改造；设备和模型箱互相独立，避开了试验模型箱在制样后内部空闲尺寸狭窄的限制；控制方便，通过滑环连接控制室，结合图像采集和位移测量系统，能够较好的进行边坡的实时开挖和多次开挖。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于施工现场模拟设备，特别涉及一种应用于边坡土工离心模型试验的模 拟离心场边坡开挖工况的设备。
技术介绍
边坡开挖是工程中经常遇到的问题。不合理的开挖设计和施工对工程的安全会产 生重要影响。离心模型试验由于具有保持模型与原型应力相同的优点，在边坡的稳定性和 破坏机理等方面已经得到了广泛应用[1]。目前在离心模型试验中模拟开挖主要有以下两类 方法一是在制样时将欲开挖土体事先挖掉，然后增大离心加速度研究应力提高情况下土 体或挡土结构的反应[2] ；二是在离心模型试验中通过排放液体或用高精密机械设备模拟开 挖[3_4]。第一类方法人为忽略了离心机应力路径的影响，不能真实模拟实际边坡的应力场以 及开挖导致的变化；采用排放与土相近密度液体的方法则耗时耗工，同时对试验模型的制 样提出了很多要求；而精密开挖机械往往需要与精密完善的离心机平台系统相结合，受到 不同程度的限制，多为国外发展较为完善的离心机系统上使用，国内尚无有效的边坡开挖 设备。[1]濮家骝.土工离心模型试验及其应用的发展趋势[J]，岩土工程学报， 1996,18(5) 96-98 (PU Jia-liu.Geotechnical centrifuge model text and its applicationdevelopment[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 1996, 18(5) :92-94.)[2] Powrieff, Kantartiz C. Ground response during diaphragm wall installation inclay[J] · Centrifuge model tests geo technique,1996,46 (4) 7252739.[3]Kimura T, Takemura J, Hiro-oka A, et al. Stability of unsupported andsupported vertical cuts in soft clay[A]. P roc Ilth Southeast Asian Geo Conf[C]，Singapore :1993. 61270. 8[4]李景林，王剑平，徐光明.离心模型试验模拟基坑开挖的一种新方法[J]，水 利水运科学研究，2002，4 :69-71. (Li Jing-lin, WANG Jian-ping, XU Guang-ming. Anew method for simulation of excavation in centrifugal model test[J],JOURNAL OFNAN JING HYDRAULIC RESEARCH INSTITUTE,2002,4 :69-71.)
技术实现思路
本专利技术提供了一种模拟离心场边坡开挖工况的设备，可以实现边坡离心模型试验 过程中的实时开挖和多次开挖。本专利技术采用的技术方案为该设备主要包括平台部分、下切系统和推拉系统。平台部分结构为水平放置的底层平台板，在所述底层平台板上设置两条平行的 直线导轨以及滑块，并在滑块上安装与底层平台板平行的上层平台板。下切系统结构为直线电机安装在上层平台板的中部，电机轴的末端连接横截面 为U形的刀片，直线电机带动刀片做上下运动。推拉系统的结构为牵引电机位于底层平台板的一端，牵引电机的输出端通过齿 轮和齿条带动上层平台板水平运动。所述直线电机装有刹车装置以在不通电时稳定运行位置。所述刀片竖直安装于电机轴底端，采用钢材料制作。所述牵引电机为140W的交流电机，装有刹车装置以保证在不通电时稳定运行位置。所述底层平台板上与齿轮相对应的位置设置卡槽，并通过改变卡槽与齿轮之间的 相对高度，来使齿条与直线导轨平行，以保证齿条滑动时不会发生扭曲。本专利技术的优点在于(1)可靠性强，成本低；(2)设备和模型箱互相独立，避开了试验模型箱在制样后内部空闲尺寸狭窄的限 制，且适宜于各种模型制样方式；(3)设备构造简单，将边坡坡脚开挖过程简化为下切_上提和推_拉两个过程，并 通过两个电机分别进行模拟；(4)控制方便，通过滑环连接控制室，结合图像采集和位移测量系统，能够较好的 进行边坡的实时开挖和多次开挖；(5)易于改造，可根据各种精度需求采用不同的行程开关和传感器；(6)适用性广，可适用于粘土、粉土等多种土质边坡。附图说明图1为所述设备的剖面示意图；图2该所述设备的俯视图；图3为刀片的结构示意图。图中标号1-底层平台板；2-上层平台板；3-直线导轨；4-滑块；5-直线电机；6_电机轴； 7-刀片；8-牵引电机；9-齿轮；10-齿条；11-卡槽。具体实施例方式本专利技术提供了一种模拟离心场边坡开挖工况的设备，下面结合附图和具体实施方 式对本专利技术做进一步说明。开挖设备的工作原理是采用刀片将坡脚欲开挖土体从边坡上切下并推离，其可以 简化为两个过程刀片自上而下切入坡脚土体的过程(下切)和向右运动将切下来的土体 推离边坡的过程(推拉)。另外通过行程开关、滑环、控制器组成控制系统，对开挖设备进行 实时控制。如图1和图2所示，该设备主要包括平台部分、下切系统和推拉系统。平台部分结构为水平放置的底层平台板1，在所述底层平台板1上设置两条平行 的直线导轨3以及四个法兰型滑块4，并在滑块4上安装与底层平台板1平行的上层平台板2。直线导轨3为“普通精密型”直线导轨，具有无噪音，摩擦系数小，行走平整度高等优点。 导轨单条长60cm，宽15mm，单个滑块的容许静力矩为0. 15KN · m，经复核抗拉压强度和横向 抗弯刚度均满足要求。下切系统结构为120W的直线电机5安装在上层平台板2的中部，电机轴6的材 料为钢，其直径为15mm，长度为60cm，可沿竖直方向上下直线运动。电机轴6的末端连接横 截面为U形的刀片7，直线电机5带动刀片7做上下运动。刀片7采用钢材料，宽19. 5cm, 高15cm，厚5mm，重量为50g，同一高度横截面为U形，可以增大抗弯刚度并防止开挖的土体 从刀片两侧泄露，同时底部和两侧均为单侧楔形以减小入土阻力和对剩余坡体的扰动。刀 片7的下切力由刀片自身重量和电机输出力两部分组成，最大下切力约为1·25Χ104Ν。该 直线电机5装有刹车装置以在不通电时稳定运行位置。推拉系统的结构为140W的交流牵弓I电机8位于底层平台板1的一端，牵弓I电机8 的输出端通过齿轮9和齿条10带动上层平台板2水平运动。通过对50g下10 X 20cm尺寸的 坡体一次开挖所需力矩进行估算，经过两级减速后牵引电机8最大水平推力约为2X 104N。 牵引电机8同样装有刹车装置以保证在不通电时稳定运行位置。所述底层平台板1上与齿 轮9相对应的位置设置卡槽11，并通过改变卡槽11与齿轮9之间的相对高度，来使齿条10 与直线导轨3平行，以保证齿条10滑动时不会发生扭曲。牵引电机8通电后，电机齿轮正反向转动带动齿条右端的上层平台板在直线导轨 上左右滑动，同样，开挖刀片也可左右运动。这样即有效模拟了“推拉”过程。直线电机5的 电机轴带动下部开挖刀片沿竖直方向上下运动，这样即可根据需要将刀片垂直的切入和离 开边坡坡脚，即实现了 “下切_上提”过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
模拟离心场边坡开挖工况的设备，主要包括平台部分、下切系统和推拉系统，其特征在于，　　平台部分结构为：水平放置的底层平台板（１），在所述底层平台板（１）上设置两条平行的直线导轨（３）以及滑块（４），并在滑块（４）上安装与底层平台板（１）平行的上层平台板（２）；　　下切系统结构为：直线电机（５）安装在上层平台板（２）的中部，电机轴（６）的末端连接横截面为Ｕ形的刀片（７），直线电机（５）带动刀片（７）做上下运动；　　推拉系统的结构为：牵引电机（８）位于底层平台板（１）的一端，牵引电机（８）的输出端通过齿轮（９）和齿条（１０）带动上层平台板（２）水平运动。

【技术特征摘要】
模拟离心场边坡开挖工况的设备，主要包括平台部分、下切系统和推拉系统，其特征在于，平台部分结构为水平放置的底层平台板(1)，在所述底层平台板(1)上设置两条平行的直线导轨(3)以及滑块(4)，并在滑块(4)上安装与底层平台板(1)平行的上层平台板(2)；下切系统结构为直线电机(5)安装在上层平台板(2)的中部，电机轴(6)的末端连接横截面为U形的刀片(7)，直线电机(5)带动刀片(7)做上下运动；推拉系统的结构为牵引电机(8)位于底层平台板(1)的一端，牵引电机(8)的输出端通过齿轮(9)和齿条(10)带动上层平台板(2)水平运动。2.根据权利要求1所述的模拟离心场边坡开挖工况的设备，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嘎，李明，张建民，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]