专利名称：高离心场机械手圆坑挖坑工具头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高离心场机械手挖坑工具头，尤其涉及一种高离心场机械手圆坑挖坑工具头。
背景技术：
在现代土工研究中，将缩小η倍的模型置于土工离心机中，使其离心场达到nG(G为离心场单位，一个G表示一个重力加速度)，模型的自重应力水平就可与原型一致，这样离心模型试验就能重现其原型性态。而提高实验离心场G值，可以有效缩小模型规模。土木工程中，需要挖坑的地方很多，如打井、埋桩基础等。挖坑前需要了解施工现场不同的施工参数与加固方式对软土基坑开挖周边土体沉降的影响，便于选用更安全合理 的施工方案。由于土体非弹线性的特性，这些信息无法通过理论计算获得。利用土工离心动态试验模拟基坑开挖，根据相似理论可以很好的解决此类工程问题。土工离心场下实现坑洞开挖比较困难，主要是缺少既能满足结构限制又能适应高离心场的合理开挖工作头。土工试验中坑洞开挖多采用将与土体密度相当的某种液体预先装入需要开坑的空间，试验过程中利用阀控进行液体排放而模拟实现坑洞开挖。这种方法只能是尽可能实现坑洞出现，与实际的开挖存在较大区别。挖坑工具头是安装在机械手上，用于完成土石方开挖(方坑开挖和圆坑开挖)动态离心模拟的专用工具。目前中国国内只有香港科技大学离心机机械手配有圆坑挖坑工具头，其开挖工具头是一个简单圆筒，利用土和圆筒之间的摩擦力克服离心力，完成土的开挖。其工作过程如下圆筒工作头直接安装在机械手上，当机械手定位后，电机带动圆筒工作头向下压，将圆筒工作头切入一定深度后，电机带动圆筒工作头上提，压入圆筒的泥土凭借摩擦力被提起。机械手定位到需要卸土的位置后，插入水中，土在水的作用下稀释流出，完成土的卸载。上述圆坑挖坑工具头的缺陷在于(I)只能实现20G到25G值下的圆坑开挖，对于高G值下的圆坑开挖和方坑开挖都存在空白；由于离心实验的缩比效应，低G值就必须将模型规模做得很大，所以低G值已经不能满足离心试验的要求了。(2)挖洞尺寸受到限制，无法进行大尺寸坑洞开挖，若圆筒直径过大，直接导致筒内土体受离心力大，而筒壁摩擦力由于筒体变大，筒内土体挤压膨胀力变小，摩擦力反而会略有变小，土体可能无法在摩擦力作用下被带出。(3)无法进行坑体扩张，因为首先，由于其利用摩擦力克服离心力的工作原理，导致在高G值下离心力过大，摩擦力不足以克服离心力而导致工具失效；另外，由于单纯依靠摩擦力，圆筒直径必须做得很小，如果直径做大，则土体更容易掉落；再有，若采用重复开挖进行坑体扩大，一则压入圆筒工作头的土体挤入胀紧力无法与第一次开挖相比，直接导致筒壁摩擦力下降，二则由于第一次卸土时对圆筒工作头进行过浸泡，湿的筒壁也会降低工作头内壁摩擦系数；综上，上述圆坑挖坑工具头无法进行重复挖坑使坑体扩大。除上述圆坑挖坑工具头而外的用于土工离心机的机械手圆坑挖坑工具头，则没有任何实际应用的实例以及文献报道，制约了土木工程圆坑开挖行业的发展。
实用新型内容本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高离心场机械手圆坑挖坑工具头。为了达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案本实用新型包括支架、马达、刀筒和螺旋刀，所述支架的上端与高离心场机械手油缸的活塞杆连接，所述马达安装在所述支架上，所述马达的转轴向下，所述马达的转轴与传动杆的上端连接，所述螺旋刀安装于所述传动杆的下端，所述刀筒安装于所述支架的下端， 所述刀筒为下端开口的空心圆柱体，所述传动杆的下段和所述螺旋刀置于所述刀筒内。使用时，螺旋刀在马达的带动下实现顺转和反转，从而完成将土卷入刀筒和甩出刀筒的过程，其装土过程不依赖于土体与刀筒内壁之间的摩擦力，其适应离心场的G值很高，更加接近于实际挖土工具头的工作环境。作为最佳选择，所述传动杆的轴心线、所述螺旋刀的轴心线和所述刀筒的轴心线重合。这样能够保证传动杆、螺旋刀和刀筒之间最紧密、最精密的配合。作为优选，所述螺旋刀的刀片外径略小于所述刀筒的内径。螺旋刀刀片与刀筒内壁之间的间隙根据实际需要而适当改变，比如土体粒径较大时增加间隙，土体粒径较小时减小间隙。进一步，所述传动杆上与所述刀筒的上段相对应的位置安装有挡板；所述挡板与所述传动杆之间固定连接或通过轴承连接。挡板用于将支架的下端与刀筒内的土隔离开，以免刀筒内的土顺着传动杆上升影响马达的正常工作。作为优选，所述马达为液压马达。本实用新型的有益效果在于本实用新型用于土工离心模型试验模拟圆坑开挖过程，利用螺旋刀的旋转以及与刀筒内壁的配合来完成土体装卸，G值最高可达150G，具有开挖尺寸大、便于调节的优点，增加了土工中的圆坑开挖过程的真实性，填补了中国国内土工离心机机械手挖坑功能的空白。
附图是本实用新型高离心场机械手圆坑挖坑工具头的剖视结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步具体描述如附图所示，本实用新型包括支架2、液压马达3、刀筒6和螺旋刀7，支架2的上端与高离心场机械手油缸的活塞杆I连接，液压马达3安装在支架2上，液压马达3的转轴向下，液压马达3的转轴与传动杆4的上端连接，螺旋刀7安装于传动杆4的下端，刀筒6安装于支架2的下端，刀筒6为下端开口的空心圆柱体，传动杆4的下段和螺旋刀7置于刀筒6内，传动杆4的轴心线、螺旋刀7的轴心线和刀筒6的轴心线重合，这样能够保证传动杆4、螺旋刀7和刀筒6之间最紧密、最精密的配合；螺旋刀7的刀片外径略小于刀筒6的内径，螺旋刀7的刀片与刀筒6的内壁之间的间隙根据实际需要而适当改变，比如土体粒径较大时增加间隙，土体粒径较小时减小间隙。传动杆4上与刀筒6的上段相对应的位置安装有挡板5，挡板5与传动杆4之间通过轴承连接。挡板5用于将支架2的下端与刀筒6内的土隔离开，以免刀筒6内的土顺着传动杆4上升影响液压马达3的正常工作。如附图所示，应用时，本实用新型通过支架2与高离心场机械手油缸的活塞杆I连接，高离心场机械手油缸的活塞杆I通过工作人员进行手动控制或自动控制，其运动轨迹为垂直方向的上下运动。利用本实用新型进行圆坑开挖的过程如下(I)工作头刀筒6定位，确定工作头刀筒6与挖坑位置相对应。(2)操作高离心场机械手油缸使活塞杆I下行，活塞杆I通过支架2带动刀筒6慢慢切入土体中；同时，启动液压马达3顺转，通过传动杆4传动后使螺旋刀7顺转，螺旋刀7 的刀片顺转，将土卷入刀筒6内并上升至挡板5的下面，完成装土过程，此时停止液压马达3。(3)操作高离心场机械手油缸使活塞杆I上行，活塞杆I通过支架2带动刀筒6将土取出模型面即土体的表面。(4)操作高离心场机械手将工作头刀筒6移开，然后反向启动液压马达3使其反转，通过传动杆4传动后使螺旋刀7反转，螺旋刀7的刀片反转，将刀筒6内的土甩出刀筒6，完成卸土过程。上述过程为一次装、卸土的过程，重复上述过程，即可完成圆坑开挖工作。
权利要求1.一种高离心场机械手圆坑挖坑工具头，其特征在于包括支架、马达、刀筒和螺旋刀，所述支架的上端与高离心场机械手油缸的活塞杆连接，所述马达安装在所述支架上，所述马达的转轴向下，所述马达的转轴与传动杆的上端连接，所述螺旋刀安装于所述传动杆的下端，所述刀筒安装于所述支架的下端，所述刀筒为下端开口的空心圆柱体，所述传动杆的下段和所述螺旋刀置于所述刀筒内。
2.根据权利要求I所述的高离心场机械手圆坑挖坑工具头，其特征在于所述传动杆的轴心线、所述螺旋刀的轴心线和所述刀筒的轴心线重合。
3.根据权利要求I或2所述的高离心场机械手圆坑挖坑工具头，其特征在于所述螺旋刀的刀片外径略小于所述刀筒的内径。
4.根据权利要求I或2所述的高离心场机械手圆坑挖坑工具头，其特征在于所述传动杆上与所述刀筒的上段相对应的位置安装有挡板。
5.根据权利要求4所述的高离心场机械手圆坑挖坑工具头，其特征在于所述挡板与所述传动杆之间固定连接或通过轴承连接。
6.根据权利要求I所述的高离心场机械手圆坑挖坑工具头，其特征在于所述马达为液压马达。
专利摘要本实用新型公开了一种高离心场机械手圆坑挖坑工具头，包括支架、马达、刀筒和螺旋刀，所述支架的上端与高离心场机械手油缸的活塞杆连接，所述马达安装在所述支架上，所述马达的转轴向下，所述马达的转轴与传动杆的上端连接，所述螺旋刀安装于所述传动杆的下端，所述刀筒安装于所述支架的下端，所述刀筒为下端开口的空心圆柱体，所述传动杆的下段和所述螺旋刀置于所述刀筒内。螺旋刀在马达的带动下实现顺转和反转，从而完成将土卷入刀筒和甩出刀筒的过程；本实用新型可用于土工离心模型试验模拟圆坑开挖过程，G值最高可达150G，具有开挖尺寸大、便于调节的优点，模拟挖坑的真实性强，填补了中国国内土工离心机机械手挖坑功能的空白。
文档编号E02F3/06GK202577383SQ20122016281
公开日2012年12月5日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者杨永生, 陈磊, 冯英伟, 罗昭宇, 宋琼, 黎启胜, 林明, 张宁萍, 齐勇 申请人:中国工程物理研究院总体工程研究所