專利名稱：高離心場機(jī)械手圓坑挖坑工具頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種高離心場機(jī)械手挖坑工具頭，尤其涉及一種高離心場機(jī)械手圓坑挖坑工具頭。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代土工研究中，將縮小η倍的模型置于土工離心機(jī)中，使其離心場達(dá)到nG(G為離心場單位，一個(gè)G表示一個(gè)重力加速度)，模型的自重應(yīng)力水平就可與原型一致，這樣離心模型試驗(yàn)就能重現(xiàn)其原型性態(tài)。而提高實(shí)驗(yàn)離心場G值，可以有效縮小模型規(guī)模。土木工程中，需要挖坑的地方很多，如打井、埋樁基礎(chǔ)等。挖坑前需要了解施工現(xiàn)場不同的施工參數(shù)與加固方式對軟土基坑開挖周邊土體沉降的影響，便于選用更安全合理 的施工方案。由于土體非彈線性的特性，這些信息無法通過理論計(jì)算獲得。利用土工離心動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)M基坑開挖，根據(jù)相似理論可以很好的解決此類工程問題。土工離心場下實(shí)現(xiàn)坑洞開挖比較困難，主要是缺少既能滿足結(jié)構(gòu)限制又能適應(yīng)高離心場的合理開挖工作頭。土工試驗(yàn)中坑洞開挖多采用將與土體密度相當(dāng)?shù)哪撤N液體預(yù)先裝入需要開坑的空間，試驗(yàn)過程中利用閥控進(jìn)行液體排放而模擬實(shí)現(xiàn)坑洞開挖。這種方法只能是盡可能實(shí)現(xiàn)坑洞出現(xiàn)，與實(shí)際的開挖存在較大區(qū)別。挖坑工具頭是安裝在機(jī)械手上，用于完成土石方開挖(方坑開挖和圓坑開挖)動(dòng)態(tài)離心模擬的專用工具。目前中國國內(nèi)只有香港科技大學(xué)離心機(jī)機(jī)械手配有圓坑挖坑工具頭，其開挖工具頭是一個(gè)簡單圓筒，利用土和圓筒之間的摩擦力克服離心力，完成土的開挖。其工作過程如下圓筒工作頭直接安裝在機(jī)械手上，當(dāng)機(jī)械手定位后，電機(jī)帶動(dòng)圓筒工作頭向下壓，將圓筒工作頭切入一定深度后，電機(jī)帶動(dòng)圓筒工作頭上提，壓入圓筒的泥土憑借摩擦力被提起。機(jī)械手定位到需要卸土的位置后，插入水中，土在水的作用下稀釋流出，完成土的卸載。上述圓坑挖坑工具頭的缺陷在于(I)只能實(shí)現(xiàn)20G到25G值下的圓坑開挖，對于高G值下的圓坑開挖和方坑開挖都存在空白；由于離心實(shí)驗(yàn)的縮比效應(yīng)，低G值就必須將模型規(guī)模做得很大，所以低G值已經(jīng)不能滿足離心試驗(yàn)的要求了。(2)挖洞尺寸受到限制，無法進(jìn)行大尺寸坑洞開挖，若圓筒直徑過大，直接導(dǎo)致筒內(nèi)土體受離心力大，而筒壁摩擦力由于筒體變大，筒內(nèi)土體擠壓膨脹力變小，摩擦力反而會(huì)略有變小，土體可能無法在摩擦力作用下被帶出。(3)無法進(jìn)行坑體擴(kuò)張，因?yàn)槭紫龋捎谄淅媚Σ亮朔x心力的工作原理，導(dǎo)致在高G值下離心力過大，摩擦力不足以克服離心力而導(dǎo)致工具失效；另外，由于單純依靠摩擦力，圓筒直徑必須做得很小，如果直徑做大，則土體更容易掉落；再有，若采用重復(fù)開挖進(jìn)行坑體擴(kuò)大，一則壓入圓筒工作頭的土體擠入脹緊力無法與第一次開挖相比，直接導(dǎo)致筒壁摩擦力下降，二則由于第一次卸土?xí)r對圓筒工作頭進(jìn)行過浸泡，濕的筒壁也會(huì)降低工作頭內(nèi)壁摩擦系數(shù)；綜上，上述圓坑挖坑工具頭無法進(jìn)行重復(fù)挖坑使坑體擴(kuò)大。除上述圓坑挖坑工具頭而外的用于土工離心機(jī)的機(jī)械手圓坑挖坑工具頭，則沒有任何實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例以及文獻(xiàn)報(bào)道，制約了土木工程圓坑開挖行業(yè)的發(fā)展。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供一種高離心場機(jī)械手圓坑挖坑工具頭。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案本實(shí)用新型包括支架、馬達(dá)、刀筒和螺旋刀，所述支架的上端與高離心場機(jī)械手油缸的活塞桿連接，所述馬達(dá)安裝在所述支架上，所述馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸向下，所述馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸與傳動(dòng)桿的上端連接，所述螺旋刀安裝于所述傳動(dòng)桿的下端，所述刀筒安裝于所述支架的下端， 所述刀筒為下端開口的空心圓柱體，所述傳動(dòng)桿的下段和所述螺旋刀置于所述刀筒內(nèi)。使用時(shí)，螺旋刀在馬達(dá)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)順轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而完成將土卷入刀筒和甩出刀筒的過程，其裝土過程不依賴于土體與刀筒內(nèi)壁之間的摩擦力，其適應(yīng)離心場的G值很高，更加接近于實(shí)際挖土工具頭的工作環(huán)境。作為最佳選擇，所述傳動(dòng)桿的軸心線、所述螺旋刀的軸心線和所述刀筒的軸心線重合。這樣能夠保證傳動(dòng)桿、螺旋刀和刀筒之間最緊密、最精密的配合。作為優(yōu)選，所述螺旋刀的刀片外徑略小于所述刀筒的內(nèi)徑。螺旋刀刀片與刀筒內(nèi)壁之間的間隙根據(jù)實(shí)際需要而適當(dāng)改變，比如土體粒徑較大時(shí)增加間隙，土體粒徑較小時(shí)減小間隙。進(jìn)一步，所述傳動(dòng)桿上與所述刀筒的上段相對應(yīng)的位置安裝有擋板；所述擋板與所述傳動(dòng)桿之間固定連接或通過軸承連接。擋板用于將支架的下端與刀筒內(nèi)的土隔離開，以免刀筒內(nèi)的土順著傳動(dòng)桿上升影響馬達(dá)的正常工作。作為優(yōu)選，所述馬達(dá)為液壓馬達(dá)。本實(shí)用新型的有益效果在于本實(shí)用新型用于土工離心模型試驗(yàn)?zāi)M圓坑開挖過程，利用螺旋刀的旋轉(zhuǎn)以及與刀筒內(nèi)壁的配合來完成土體裝卸，G值最高可達(dá)150G，具有開挖尺寸大、便于調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，增加了土工中的圓坑開挖過程的真實(shí)性，填補(bǔ)了中國國內(nèi)土工離心機(jī)機(jī)械手挖坑功能的空白。

附圖是本實(shí)用新型高離心場機(jī)械手圓坑挖坑工具頭的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步具體描述如附圖所示，本實(shí)用新型包括支架2、液壓馬達(dá)3、刀筒6和螺旋刀7，支架2的上端與高離心場機(jī)械手油缸的活塞桿I連接，液壓馬達(dá)3安裝在支架2上，液壓馬達(dá)3的轉(zhuǎn)軸向下，液壓馬達(dá)3的轉(zhuǎn)軸與傳動(dòng)桿4的上端連接，螺旋刀7安裝于傳動(dòng)桿4的下端，刀筒6安裝于支架2的下端，刀筒6為下端開口的空心圓柱體，傳動(dòng)桿4的下段和螺旋刀7置于刀筒6內(nèi)，傳動(dòng)桿4的軸心線、螺旋刀7的軸心線和刀筒6的軸心線重合，這樣能夠保證傳動(dòng)桿4、螺旋刀7和刀筒6之間最緊密、最精密的配合；螺旋刀7的刀片外徑略小于刀筒6的內(nèi)徑，螺旋刀7的刀片與刀筒6的內(nèi)壁之間的間隙根據(jù)實(shí)際需要而適當(dāng)改變，比如土體粒徑較大時(shí)增加間隙，土體粒徑較小時(shí)減小間隙。傳動(dòng)桿4上與刀筒6的上段相對應(yīng)的位置安裝有擋板5，擋板5與傳動(dòng)桿4之間通過軸承連接。擋板5用于將支架2的下端與刀筒6內(nèi)的土隔離開，以免刀筒6內(nèi)的土順著傳動(dòng)桿4上升影響液壓馬達(dá)3的正常工作。如附圖所示，應(yīng)用時(shí)，本實(shí)用新型通過支架2與高離心場機(jī)械手油缸的活塞桿I連接，高離心場機(jī)械手油缸的活塞桿I通過工作人員進(jìn)行手動(dòng)控制或自動(dòng)控制，其運(yùn)動(dòng)軌跡為垂直方向的上下運(yùn)動(dòng)。利用本實(shí)用新型進(jìn)行圓坑開挖的過程如下(I)工作頭刀筒6定位，確定工作頭刀筒6與挖坑位置相對應(yīng)。(2)操作高離心場機(jī)械手油缸使活塞桿I下行，活塞桿I通過支架2帶動(dòng)刀筒6慢慢切入土體中；同時(shí)，啟動(dòng)液壓馬達(dá)3順轉(zhuǎn)，通過傳動(dòng)桿4傳動(dòng)后使螺旋刀7順轉(zhuǎn)，螺旋刀7 的刀片順轉(zhuǎn)，將土卷入刀筒6內(nèi)并上升至擋板5的下面，完成裝土過程，此時(shí)停止液壓馬達(dá)3。(3)操作高離心場機(jī)械手油缸使活塞桿I上行，活塞桿I通過支架2帶動(dòng)刀筒6將土取出模型面即土體的表面。(4)操作高離心場機(jī)械手將工作頭刀筒6移開，然后反向啟動(dòng)液壓馬達(dá)3使其反轉(zhuǎn)，通過傳動(dòng)桿4傳動(dòng)后使螺旋刀7反轉(zhuǎn)，螺旋刀7的刀片反轉(zhuǎn)，將刀筒6內(nèi)的土甩出刀筒6，完成卸土過程。上述過程為一次裝、卸土的過程，重復(fù)上述過程，即可完成圓坑開挖工作。
權(quán)利要求1.一種高離心場機(jī)械手圓坑挖坑工具頭，其特征在于包括支架、馬達(dá)、刀筒和螺旋刀，所述支架的上端與高離心場機(jī)械手油缸的活塞桿連接，所述馬達(dá)安裝在所述支架上，所述馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸向下，所述馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸與傳動(dòng)桿的上端連接，所述螺旋刀安裝于所述傳動(dòng)桿的下端，所述刀筒安裝于所述支架的下端，所述刀筒為下端開口的空心圓柱體，所述傳動(dòng)桿的下段和所述螺旋刀置于所述刀筒內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高離心場機(jī)械手圓坑挖坑工具頭，其特征在于所述傳動(dòng)桿的軸心線、所述螺旋刀的軸心線和所述刀筒的軸心線重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的高離心場機(jī)械手圓坑挖坑工具頭，其特征在于所述螺旋刀的刀片外徑略小于所述刀筒的內(nèi)徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的高離心場機(jī)械手圓坑挖坑工具頭，其特征在于所述傳動(dòng)桿上與所述刀筒的上段相對應(yīng)的位置安裝有擋板。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高離心場機(jī)械手圓坑挖坑工具頭，其特征在于所述擋板與所述傳動(dòng)桿之間固定連接或通過軸承連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高離心場機(jī)械手圓坑挖坑工具頭，其特征在于所述馬達(dá)為液壓馬達(dá)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種高離心場機(jī)械手圓坑挖坑工具頭，包括支架、馬達(dá)、刀筒和螺旋刀，所述支架的上端與高離心場機(jī)械手油缸的活塞桿連接，所述馬達(dá)安裝在所述支架上，所述馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸向下，所述馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸與傳動(dòng)桿的上端連接，所述螺旋刀安裝于所述傳動(dòng)桿的下端，所述刀筒安裝于所述支架的下端，所述刀筒為下端開口的空心圓柱體，所述傳動(dòng)桿的下段和所述螺旋刀置于所述刀筒內(nèi)。螺旋刀在馬達(dá)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)順轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而完成將土卷入刀筒和甩出刀筒的過程；本實(shí)用新型可用于土工離心模型試驗(yàn)?zāi)M圓坑開挖過程，G值最高可達(dá)150G，具有開挖尺寸大、便于調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，模擬挖坑的真實(shí)性強(qiáng)，填補(bǔ)了中國國內(nèi)土工離心機(jī)機(jī)械手挖坑功能的空白。
文檔編號E02F3/06GK202577383SQ20122016281
公開日2012年12月5日 申請日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者楊永生, 陳磊, 馮英偉, 羅昭宇, 宋瓊, 黎啟勝, 林明, 張寧萍, 齊勇 申請人:中國工程物理研究院總體工程研究所