可调速步进式液压驱动装置及方法
【专利摘要】一种可调速步进式液压驱动装置及方法，适用于隧道等地下工程的开挖模拟。它包括竖向油缸、经90°弯管与竖向油缸缸体相连通的水平油缸，竖向油缸的竖向活塞杆上连有磁性半球，磁性半球内设有金属球；竖向油缸的上部设有与水平油缸中部相连通的上行液管，上行液管上设有与水平油缸外端部相连通的下行液管，下行液管上设有阀门；将金属球从设定的高度自由下落冲击磁性半球，可对预埋地下空间模型的抽取速度和行程进行精确控制，同时带动竖向活塞杆、竖向活塞、竖向油缸和水平油缸以及上行液管内的液体、水平活塞、水平活塞杆和驱动对象一起运动；实现对开挖速度和进尺的准确模拟，其结构简单，使用方便，效果好。
【专利说明】可调速步进式液压驱动装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种模拟试验装置，尤其是一种适用于隧道等地下工程开挖模拟的可 调速步进式液压驱动装置。
【背景技术】
[0002] 模拟地下工程施工的试验方法主要有两种：预埋法和非预埋法。预埋法一般是在 铺设工程模型的过程中将独立预制的地下空间（如隧道）模型固定于设计的开挖位置，采 用取出地下空间模型的方法来模拟开挖过程。非预埋法则是整个工程模型全部用岩±相似 材料铺设，然后用人工或机械方法进行模拟开挖。
[0003] 由于预埋法相对于非预埋法具有操作方便，开挖成形规整和尺寸精确，W及便于 模拟不同开挖速度等显著优点，其应用越来越广泛。申请号为201310694586. 1公开了一种 模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置，解决了传统的预埋地下空间模型"与围岩之间的摩 擦力大造成对围岩的附加扰动较大"和"难W实现多步开挖与支护"等问题。但是，如何驱 动预埋地下空间模型的取出过程，W便准确控制每步开挖速度和进尺的问题，目前还没有 解决。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种可调速步进式液压驱动装 置，对预埋地下空间模型的抽取速度和行程进行精确控制，实现对开挖速度和进尺的准确 模拟。
[0005] 为实现上述目的，本发明的可调速步进式液压驱动装置，包括竖向油缸、经90 ° 弯管与竖向油缸缸体相连通的水平油缸，所述竖向油缸的竖向活塞杆上连有一磁性半球， 磁性半球内设有一金属球；所述竖向油缸的上部设有与水平油缸中部相连通的上行液管， 上行液管上设有与水平油缸外端部相连通的下行液管，下行液管上设有阀口；所述水平油 缸的水平活塞前端部封堵在上行液管的入口处，与水平活塞相连的水平活塞杆驱动对象相 连。
[0006] 所述水平油缸的内径与竖向油缸的内径相等，或大于竖向油缸的内径。
[0007] 所述水平油缸的水平活塞杆上标有刻度，用于指示水平油缸的水平活塞前部端面 至水平油缸与上行液管交汇口前部边界的距离。
[0008] 使用上述可调速步进式液压驱动装置的方法，包括如下步骤：
[0009] (1)打开阀口并根据驱动行程和水平活塞杆上面标记的刻度准确设置水平活塞的 位置，之后关闭阀口；
[0010] (2)将金属球从设定的高度自由下落冲击磁性半球，两者在磁吸力作用下结合在 一起并克服所受阻力往下运动，同时带动竖向活塞杆、竖向活塞、竖向油缸和水平油缸W及 上行液管内的液体、水平活塞、水平活塞杆和驱动对象一起运动；
[0011] (3)当水平活塞的前部端面运行至水平油缸与上行液管交汇口的前部边界时，水 平活塞前方和后方的液体均被堵死，由于液体几乎不可压缩，整个系统将在瞬间停止运动， 从而完成一个驱动过程；
[0012] (4)重复上述步骤，完成下一个驱动过程。
[0013] 有益效果；由于采用了上述技术方案，本发明可对预埋地下空间模型的抽取速度 和行程进行精确控制，实现对开挖速度和进尺的准确模拟，其结构简单，使用方便，效果好， 具有如下优点：
[0014] (1)可W准确设定驱动速度。根据能量守恒定律，在驱动装置和驱动阻力一定的情 况下，驱动速度仅由球体的下落高度确定。只需调整球体的下落高度即可准确获得所需的 驱动速度；
[0015] (2)可W准确设定驱动行程。根据水平活塞杆上标示的刻度，可W准确设定装置动 作前水平活塞前部端面（驱动行进方向为前方）至水平油缸与上行液管交汇口前部边界的 距离，该距离即为驱动行程；
[0016] (3)驱动过程中的速度恒定。根据能量守恒定律，只要合理确定球体的质量，使金 属球、磁性半球、竖向活塞杆与竖向活塞在驱动过程中减少的势能等于装置的对外做功，就 能确保驱动速度的恒定；
[0017] (4)驱动过程的启动和停止都在瞬间完成，而且几乎无震荡。驱动过程在金属球体 冲击磁性半球的瞬间启动，而且由于磁吸力的作用使球体一旦接触磁性半球二者随即结合 为一体，避免了球体的反弹对驱动过程造成震荡；由于在驱动过程中阀口关闭而且液体几 乎不可压缩，当水平活塞的前部端面运行至水平油缸与上行液管交汇口的前部边界时，水 平活塞前后的液体将在瞬间停止流动，从而使驱动过程即刻停止并且不会出现震荡现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明无荷载放大功能的可调速步进式液压驱动装置外形结构图；
[0019] 图2是本发明无荷载放大功能的可调速步进式液压驱动装置剖视结构图；
[0020] 图3是本发明有荷载放大功能的可调速步进式液压驱动装置剖视结构图。
[0021] 图中；1 -金属球；2.-磁性半球；3 -竖向油缸；4 -竖向活塞杆；5 -竖向活塞； 6 -水平油缸；7.-水平活塞；8 -水平活塞杆；9 -上行液管；10 -下行液管；11 -阀口。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
[0023] 本发明的可调速步进式液压驱动装置，主要由金属球1、磁性半球2、竖向油缸3、 竖向活塞杆4、竖向活塞5、水平油缸6、水平活塞7、水平活塞杆8、上行液管9、下行液管10 和阀口 11构成。竖向油缸3、经90°弯管与竖向油缸3缸体相连通的水平油缸6,所述竖向 油缸3的竖向活塞杆4上连有磁性半球2,磁性半球2内设有金属球1 ;所述竖向油缸3的 上部设有与水平油缸6中部相连通的上行液管9,上行液管9上设有与水平油缸6外端部 相连通的下行液管10,下行液管10上设有阀口 11 ;所述水平油缸6的水平活塞7前端部封 堵在上行液管9的入口处，与水平活塞7相连的水平活塞杆8驱动对象相连。所述水平油 缸6的内径与竖向油缸3的内径相等，或大于竖向油缸3的内径。所述水平油缸6的水平 活塞杆8上标有刻度，用于指示水平油缸6的水平活塞7前部端面至水平油缸6与上行液 管9交汇口前部边界的距离。
[0024] 本发明的可调速步进式液压驱动方法，过程如下：
[00巧](1)打开阀口 11并根据驱动行程和水平活塞杆8上面标记的刻度准确设置水平活 塞7的位置，之后关闭阀口 11 ;根据能量守恒定律和匀速驱动的要求，计算金属球1的质量 和下落高度；
[0026] (2)将金属球1从设定的高度自由下落冲击磁性半球2,两者在磁吸力作用下结合 在一起并克服系统所受阻力（主要包括活塞与油缸内壁之间的摩擦力、活塞杆与油缸端面 结合部的摩擦力、驱动对象所受阻力）往下运动，同时带动竖向活塞杆4、竖向活塞5、竖向 油缸3和水平油缸6 W及上行液管9内的液体、水平活塞7、水平活塞杆8和驱动对象一起 运动；
[0027] (3)当水平活塞7的前部端面运行至水平油缸6与上行液管9交汇口的前部边界 时，水平活塞7前方和后方的液体均被堵死，由于液体几乎不可压缩，整个系统将在瞬间停 止运动，从而完成一个驱动过程；
[0028] (4)重复上述步骤，完成下一个驱动过程。
[002引工作原理；如图1所示，根据能量守恒定律，只要给定所需的驱动速度和驱动力 (等于系统所受阻力），就能确定对应的金属球质量及其下落高度；
[0030] 如设所需驱动速度为V ;系统所受阻力为F ;系统中金属球1，磁性半球2,竖向活 塞杆4,竖向活塞5,水平活塞7,水平活塞杆8,驱动对象，驱动过程中流动液体的质量分别 为叫，nv m" nv nv mg, m。，化；金属球1的下落高度为h ;驱动行程为L ;一个驱动行程中竖 向活塞5的下降高度为h';重力加速度为g;
[0031] 根据能量守恒定律，在忽略其他能量损失的条件下，金属球1从开始下落到冲击 磁性半球2的过程中，球体减少的势能全部转化为系统的动能，即
[0032]
【权利要求】
1. 一种可调速步进式液压驱动装置，其特征在于：它包括坚向油缸（3)、经90°弯管与 坚向油缸（3)缸体相连通的水平油缸（6)，所述坚向油缸（3)的坚向活塞杆（4)上连有一磁 性半球（2)，磁性半球（2)内设有一金属球（1);所述坚向油缸（3)的上部设有与水平油缸 (6)中部相连通的上行液管（9)，上行液管（9)上设有与水平油缸（6)外端部相连通的下行 液管（10)，下行液管（10)上设有阀门（11);所述水平油缸（6)的水平活塞（7)前端部封堵 在上行液管（9)的入口处，与水平活塞（7)相连的水平活塞杆（8)驱动对象相连。
2. 根据权利要求1所述的一种可调速步进式液压驱动装置，其特征在于：所述水平油 缸（6)的内径与坚向油缸（3)的内径相等，或大于坚向油缸（3)的内径。
3. 根据权利要求1所述的一种可调速步进式液压驱动装置，其特征在于：所述水平油 缸（6)的水平活塞杆（8)上标有刻度，用于指示水平油缸（6)的水平活塞（7)前部端面至水 平油缸（6)与上行液管（9)交汇口前部边界的距离。
4. 一种使用权利要求1、2或3所述装置的可调速步进式液压驱动方法，其特征在于包 括如下步骤： (1) 打开阀门（11)并根据驱动行程和水平活塞杆（8 )上面标记的刻度准确设置水平活 塞（7)的位置，之后关闭阀门（11); (2) 将金属球（1)从设定的高度自由下落冲击磁性半球（2)，两者在磁吸力作用下结合 在一起并克服所受阻力往下运动，同时带动坚向活塞杆（4)、坚向活塞（5)、坚向油缸（3)和 水平油缸（6)以及上行液管（9)内的液体、水平活塞（7)、水平活塞杆（8)和驱动对象一起运 动； (3) 当水平活塞（7)的前部端面运行至水平油缸（6)与上行液管（9)交汇口的前部边 界时，水平活塞（7)前方和后方的液体均被堵死，由于液体几乎不可压缩，整个系统将在瞬 间停止运动，从而完成一个驱动过程； (4) 重复上述步骤，完成下一个驱动过程。
【文档编号】G09B25/00GK104389853SQ201410612037
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】许国安, 靖洪文, 陈坤福, 张江雄 申请人:中国矿业大学