一种针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置

摘要

本发明公开了一种针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置，包括牵引主体和可控牵引装置。牵引主体包括橡胶防护套、换能器、支座和拼接式空心钢管，橡胶防护套包裹在换能器表面，并且换能器通过支座固定在拼接式空心钢管上。可控牵引装置包括定滑轮、钢立柱、伸缩套管、调节螺栓、管夹器、外壳、步进电机驱动器、步进电机、卷筒、联轴器、控制电路板、控制器和牵引绳。本装置利用橡胶防护套包裹换能器防止牵引移动过程中换能器与孔壁接触摩擦对换能器造成损伤，从而提高测试精度；利用可控牵引装置可完成两个换能器的同步牵引，并且能够控制牵引的速度与停止的位置，实现了换能器从人工牵拉移动到自动控制牵引的转变。

权利要求

1.一种针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置，其特征在于：包括牵引主体和可控牵引装置，所述牵引主体包括橡胶防护套、发射换能器、接收换能器、支座和拼接式空心钢管，所述橡胶防护套包裹在所述发射换能器和接收换能器表面，所述发射换能器和接收换能器固定连接在所述支座上，所述支座固定连接在所述拼接式空心钢管上，所述拼接式空心钢管侧部开有一条边缝，所述拼接式空心钢管底部设有类十字孔，所述类十字孔内另设一带孔钢板和连接所述拼接式空心钢管底部与带孔钢板的三棱卡柱，所述三棱卡柱与类十字孔角度相差45°，所述拼接式空心钢管顶部设有十字锁，并通过一空心连接柱贯穿连接，且所述空心连接柱同样设有边缝，所述十字锁与类十字孔角度相差45°，所述十字锁厚度与类十字孔内空间厚度一致；可控牵引装置包括定滑轮、钢立柱、伸缩套管、调节螺栓、管夹器、外壳、步进电机驱动器、步进电机、卷筒、联轴器、控制电路板、控制器和牵引绳，所述伸缩套管与管夹器连为一体，且通过所述管夹器连接于所述钢立柱上，所述调节螺栓安置在所述伸缩套管的圆形孔槽上，所述控制电路板的输出端通过所述步进电机驱动器与所述步进电机的输入端相连，所述步进电机的转子芯轴通过所述联轴器与所述卷筒相连，两根所述牵引绳的一端分别固定在各自所述卷筒的线槽上，且两根所述牵引绳分别缠绕于各自的线槽上，两根所述牵引绳另一端分别通过两个所述定滑轮与所述牵引主体连接，所述可控牵引装置的底座通过所述调节螺栓固定于地面或者具有一定高度的基础台架上，所述牵引绳穿过所述牵引主体的拼接式空心钢管固定连接在所述发射换能器和接收换能器的支座上，所述发射换能器和接收换能器的连接线穿过所述拼接式空心钢管连接所述发射换能器和接收换能器，耦合剂传输管穿过所述拼接式空心钢管用来传输耦合剂，所述拼接式空心钢管由多个空心钢管拼接而成。

2.根据权利要求1所述的针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置，其特征在于，所述可控牵引装置的伸缩套管通过调节所述管夹器的松紧可沿所述钢立柱实现高度的调整，且可以以所述钢立柱为轴旋转调整角度，并且所述伸缩套管由一根外管和两根内管组成，外管设置了一个圆形孔槽，内管设置了多个相互平行的圆形孔槽，所述伸缩套管材质为钢管。

3.根据权利要求1所述的针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置，其特征在于，所述步进电机驱动器设置在卷筒和步进电机上侧，所述步进电机驱动器与电源相连，并且所述步进电机驱动器与控制电路板均与所述控制器电性连接。

4.根据权利要求1所述的针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置，其特征在于，所述卷筒带有两个线槽，两根所述牵引绳分别用于所述发射换能器和接收换能器的牵引。

说明书

一种针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护

装置

技术领域

[0001] 本发明属于岩土工程勘察技术领域，具体涉及一种针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置。

背景技术

[0002] 在隧道开挖后，原岩应力平衡状态被破坏，围岩强度下降且围岩中出现应力集中的现象，当应力超过围岩强度时，隧道周边围岩首先遭到破坏，并向深部扩展，直至在一定深度保持三向应力平衡为止，此时围岩已过渡到破碎状态，将围岩中产生的这种松弛破碎带定义为围岩松动圈，围岩松动圈的判别是评价隧道整体稳定性和确定隧道工程支护参数的重要依据。

[0003] 现有几种围岩松动圈测试方法，其中多点位移计法测量数据量大，精度不高；地震波法和地质雷达法成本较高；钻孔摄像法操作复杂、成本高且不适用于破碎程度高的岩体；声波法技术相对成熟，在对隧道的围岩松动圈测试中得到了广泛的应用。

[0004] 钻孔声波测试是以弹性理论为依据，通过对岩体中弹性波速度、振幅、频率等的测量，提出岩体的动力学参数来获得岩体的工程特性。钻孔声波测试技术在岩土工程领域有着广泛的应用，采用声波法可直接测定岩体松动圈范围。目前，该技术常用的方法有单孔法和跨孔法，由于单孔法存在测试深度较小，不能准确反映岩体的平均波速的缺陷，而跨孔法可测深度较大，精度较高，因此适用范围较广，跨孔测试技术越来越多地被应用到岩土工程勘察当中。

[0005] 跨孔声波测试利用两个钻孔，一个作为发射孔，另一个作为接收孔。试验时，将发射换能器和接收换能器分别置于发射孔与接收孔内同一深度处，注水细管跟随换能器一同进入孔内，通过输出水来作为换能器与岩体间的耦合剂。某一深度的测试完成后接着将换能器从内向外同步移动继续进行测试，移动间距一般为1m左右。现有方法进行水平孔的跨孔声波测试存在以下弊端：1）需在钻孔口各安置一人将牵引主体通过人力牵拉同时进行移动；2）在牵拉移动过程中需用肉眼观察牵引主体上的刻度尺来移动到指定间距，较大的耗费了人力且精度不高；3）在移动过程中换能器可能与孔壁接触摩擦使换能器受损从而影响测试的精度。因此，为节省人力，提高测试精度，使测试过程更加自动化，对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置的研究尤为必要。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0008] 一种针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置，其包括牵引主体和可控牵引装置，所述牵引主体包括橡胶防护套、发射换能器、接收换能器、支座和拼接式空心钢管，所述橡胶防护套包裹在所述发射换能器和接收换能器表面，所述发射换能器和接收换能器通过所述支座固定连接在所述拼接式空心钢管上；可控牵引装置包括定滑轮、钢立柱、伸缩套管、调节螺栓、管夹器、外壳、步进电机驱动器、步进电机、卷筒、联轴器、控制电路板、控制器和牵引绳，所述伸缩套管与管夹器连为一体，且通过所述管夹器连接于所述钢立柱上，所述调节螺栓安置在所述伸缩套管的圆形孔槽上，所述控制电路板的输出端通过所述步进电机驱动器与所述步进电机的输入端相连，所述步进电机的转子芯轴通过所述联轴器与所述卷筒相连，两根所述牵引绳的一端分别固定在各自所述卷筒的线槽上，且两根所述牵引绳分别缠绕于各自的线槽上，两根所述牵引绳另一端分别通过两个所述定滑轮与所述牵引主体连接，所述可控牵引装置底座通过所述调节螺栓固定于地面或者具有一定高度的基础台架上。

[0009] 在本发明的针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中，所述牵引绳穿过所述牵引主体的拼接式空心钢管固定连接在所述发射换能器/接收换能器的支座上，且发射换能器/接收换能器连接线与耦合剂传输管穿过所述拼接式空心钢管分别用来连接所述发射换能器/接收换能器以及传输耦合剂，所述拼接式空心钢管侧部开有一条边缝，所述拼接式空心钢管底部设有类十字孔，所述类十字孔内另设一带孔钢板和连接所述拼接式空心钢管底部与带孔钢板的三棱卡柱，所述三棱卡柱与类十字孔角度相差45°，所述拼接式空心钢管顶部设有十字锁，并通过一空心连接柱贯穿连接，且所述空心连接柱同样设有边缝，所述十字锁与类十字孔角度相差45°，所述十字锁厚度与类十字孔内空间厚度一致，所述拼接式空心钢管由多个空心钢管拼接而成。

[0010] 在本发明的针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中，所述可控牵引装置的伸缩套管通过调节所述管夹器的松紧可沿所述钢立柱实现高度的调整，且可以以所述钢立柱为轴旋转调整角度，并且所述伸缩套管由一根外管和两根内管组成，外管设置了一个圆形孔槽，内管设置了多个相互平行的圆形孔槽，所述伸缩套管材质为钢管。

[0011] 在本发明的针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中，所述步进电机驱动器设置在卷筒和步进电机上侧，所述步进电机驱动器与电源相连，并且所述步进电机驱动器与控制电路板均与所述控制器电性连接。

[0012] 在本发明的针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中，所述卷筒带有两个线槽，两根所述牵引线分别用于所述发射换能器和接收换能器的牵引。

[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本装置设计合理，利用可控牵引装置可完成两个换能器的同步牵引，并且能够控制牵引的速度与停止的位置，实现了换能器从人工牵拉移动到自动控制牵引的转变；利用橡胶防护套包裹换能器防止牵引移动过程中换能器与孔壁接触摩擦对换能器造成损伤从而影响测试精度；本装置为全自动操作，一人即可完成换能器的牵引工作，测试过程更加自动化，较大地节约了人力，提高了工作效率和测试精度。

附图说明

[0014] 图1为针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置的整体结构示意图；

[0015] 图2为针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中可控牵引装置的俯视图；

[0016] 图3为针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中可控牵引装置的正视图；

[0017] 图4为针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中可控牵引装置的侧视图；

[0018] 图5为针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中拼接式空心钢管的结构示意图；

[0019] 图6为针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中拼接式空心钢管的衔接示意图；

[0020] 图7为针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中拼接式空心钢管的底部结构示意图；

[0021] 图8为针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中拼接式空心钢管的顶部结构示意图；

[0022] 图9为针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中带孔钢板的结构示意图；

[0023] 图10为针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中橡胶防护套的俯视图；

[0024] 图11为针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中橡胶防护套的正视图；

[0025] 图12为针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置中橡胶防护套Ⅰ-Ⅰ剖面图。

[0026] 其中：1-橡胶保护套，2-发射换能器，3-接收换能器，4-支座，5-拼接式空心钢管，6-牵引绳，7-定滑轮，8-伸缩套管，9-调节螺栓，10-钢立柱，11-管夹器，12-固定螺栓，13-底座，14-外壳，15-控制器，16-步进电机驱动器，17-步进电机，18-卷筒，19-联轴器，20-控制电路板，21-钻孔，22-圆形孔槽，23-类十字孔，24-十字锁，25-通线孔，26-带孔钢板，27-边缝，28-三棱卡柱，29-空心连接柱。

具体实施方式

[0027] 下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

[0028] 请参阅图1-12，一种针对水平孔的跨孔声波测试换能器的辅助牵引及保护装置，包括牵引主体和可控牵引装置，牵引主体包括橡胶防护套1、发射换能器2、接收换能器3、支座4和拼接式空心钢管5。橡胶防护套1包裹在发射换能器2和接收换能器3表面上，可以防止发射换能器2和接收换能器3在移动过程中与孔壁接触摩擦受损。发射换能器2和接收换能器3通过支座4固定在拼接式空心钢管5上，牵引绳6穿过拼接式空心钢管5连接固定在发射换能器2和接收换能器3底部的支座4上。当需要更深处进行测试时，可通过增加拼接式空心钢管5的长度，将十字锁24插入类十字孔23后顺时针旋转45°再通过三棱卡柱28固定，牵引绳6、换能器数据线、耦合剂传输管等管线通过边缝27进入钢管中，两根拼接式空心钢管5之间通过空心连接柱29连通。

[0029] 可控牵引装置包括定滑轮7、钢立柱10、伸缩套管8、调节螺栓9、管夹器11、外壳14、步进电机驱动器16、步进电机17、卷筒18、联轴器19、控制电路板20、控制器15和牵引绳6。伸缩套管8与管夹器11连为一体，且通过管夹器11固定于钢立柱10上，通过调节管夹器11的松紧，伸缩套管8可沿钢立柱10实现高度的调整，且可以以钢立柱10为轴旋转调整角度，调节螺栓9安置在伸缩套管8的圆形孔槽22上，调节螺栓9选择不同的圆形孔槽22可实现伸缩套管8长度的调整，控制电路板20的输出端通过步进电机驱动器16与步进电机17的输入端相连，步进电机驱动器16与电源连接，步进电机17由步进电机驱动器16进行驱动，步进电机17的转子芯轴通过联轴器19与卷筒18相连，步进电机17的轴承转动时，其转子芯轴通过联轴器19带动卷筒18同步转动，步进电机驱动器16和控制电路板20均与控制器15电性连接，控制器15能够控制步进电机17的正反转、转动速度和停止位置等，两根牵引绳6的一端分别固定在各自卷筒18线槽上，且牵引绳6分别缠绕于各自的线槽上，牵引绳6另一端分别通过定滑轮7与牵引主体连接，通过卷筒18转动实现对发射换能器2和接收换能器3的牵引。

[0030] 本发明的工作原理是：本装置中的步进电机17是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件，步进电机17接收到的脉冲信号频率和脉冲数决定了步进电机17转速和停止位置，当步进电机驱动器16接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机17按设定的方向转动一个固定角度，通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到精准定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制步进电机17转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。在试验过程中，通过控制器15设定所需位移量和转速并且产生脉冲，步进电机驱动器16接收脉冲信号后驱动步进电机17转动同时带动卷筒18转动，使卷筒18按设定转速转动到设定位移量自动停止，达到控制牵引速度和停止位置的目的；卷筒18上的牵引绳6通过可控牵引装置中的定滑轮7改变牵引绳6方向连接到牵引主体，发射换能器2和接收换能器3在同一深度处进行波速测试，测试完成后再使卷筒18转动带动牵引绳6牵拉固定间距后又一次进行波速测试，如此循环；在牵拉过程中，橡胶防护套1将发射换能器2和接收换能器3包裹在内，防止发射换能器2和接收换能器3与孔壁或碎岩接触摩擦受损。至此，本发明目的得以完成。

[0031] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0032] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。