專利名稱：一種適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種在煤與瓦斯突出模型試驗當(dāng)中應(yīng)用的開挖掘進實時監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是一種適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)80年代初，煤炭科學(xué)研究院撫順分院王佑安通過現(xiàn)場采集煤樣，實驗室成型，模擬IV、V類突出危險煤，開展了煤與瓦斯突出一維模擬試驗研究，得出了一維條件下突出強度同垂直應(yīng)力、瓦斯壓力之間的定量關(guān)系。1996年，中科院力學(xué)所孟翔躍等人開發(fā)了既能改變地應(yīng)力又能改變瓦斯壓力的二維煤與瓦斯突出試驗裝置。2000年中國礦業(yè)大學(xué)郭立穩(wěn)、俞啟香、蔣承林通過開發(fā)的煤與瓦斯突出裝置研究了突出過程中的溫度變化，認(rèn)為在煤與瓦斯突出過程中，煤體溫度的升高是由地應(yīng)力破碎煤體使彈性能釋放造成的，而溫度降低則是由于瓦斯氣體解吸和膨脹造成的，其變化是先升高后降低并連續(xù)變化的。2002年焦作工學(xué)院牛國慶、顏愛華、劉明舉等也設(shè)計了煤與瓦斯突出裝置，用來考察煤與瓦斯突出過程中的溫度變化，研究結(jié)果認(rèn)為在煤與瓦斯突出過程中，瓦斯的膨脹做功過程并非絕熱過程，而是一個接近于等溫過程的多變過程。2003年，清華大學(xué)發(fā)明了一種實體模型試驗中隱蔽洞室開挖的方法及專用設(shè)備(CN02129366.X)，該開挖設(shè)備采用預(yù)埋導(dǎo)絲定位引導(dǎo)彎曲微型挖掘裝置進行開挖，但開挖時需要模型預(yù)埋定位，但沒有實現(xiàn)可視化開挖。隨后在2004年，焦作工學(xué)院蔡成功等又按照相似理論設(shè)計了三維煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，實驗?zāi)M了不同煤型強度、三向應(yīng)力、瓦斯壓力條件下的煤與瓦斯突出過程。2007年，重慶大學(xué)尹光志、許江、鮮學(xué)福等人研發(fā)了大型煤與瓦斯突出模擬試驗臺，該裝置中試驗時突出煤樣的尺寸較大，實現(xiàn)了瓦斯氣源的面充氣功能，用于探索綜合作用假說的作用機制，可進行不同瓦斯壓力、不同地應(yīng)力下的煤與瓦斯突出模擬試驗，借助于高速攝像機實現(xiàn)了煤與瓦斯突出過程全程回放功能，在瓦斯災(zāi)害防治領(lǐng)域取得了一定科研成果，但沒有實現(xiàn)巷道開挖模擬。以上試驗裝置雖在一定程度上加深了煤與瓦斯突出機理的研究進展，但或多或少的存在以下缺點:1、煤與瓦斯突出模型巷道不是現(xiàn)場開挖，不能比較真實的反應(yīng)煤礦井下突出過程;2、記錄煤與瓦斯突出的高速攝像系統(tǒng)不能隨著開挖向前推進,無法記錄隨著開挖的進行巷道的變化規(guī)律；3、煤與瓦斯突出裝置均沒有自動機械開挖系統(tǒng)。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種機械化自動開挖系統(tǒng)，尤其是一種適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，模擬并記錄石門掘進過程及煤與瓦斯突出整個過程。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下的技術(shù)方案。[0009]一種適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，包括刀盤、光源、高速攝像頭、動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)、推進軸和支架；所述推進軸安裝在支架上，推進軸上依次設(shè)置有刀盤、高速攝像頭和動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)；所述光源安裝在高速攝像頭上方，在巷道掘進過程中為高速攝像頭提供視線支持。所述的推進軸為中空圓筒軸，底部和上部為平面，前端具有吸屑孔。所述適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)還可以包括攝像頭固定軸，攝像頭固定軸為細長圓軸，通過豎直的鋼肋安裝在推進軸上部的平面上，跟隨推進軸前進或后退；所述的高速攝像頭安裝在攝像頭固定軸前方，并位于刀盤后方，通過每秒上千幀的高速攝影捕捉煤與瓦斯突出的整個過程，然后再通過慢放分析煤與瓦斯突出的發(fā)生、發(fā)展及突出過程。所述適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)還包括回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸為實心軸，安裝在推進軸內(nèi)部，能夠帶動刀盤轉(zhuǎn)動。所述適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)還包括軸承，所述的軸承位于回轉(zhuǎn)軸和推進軸中間，并且同軸心，軸承對回轉(zhuǎn)軸起到支撐和減小摩擦的作用。所述適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)還包括推進電機和旋轉(zhuǎn)電機，所述推進電機安裝在支架上，為掘進系統(tǒng)提供動力；旋轉(zhuǎn)電機固定在推進軸上遠離刀盤的一端，旋轉(zhuǎn)電機通過旋轉(zhuǎn)軸與回轉(zhuǎn)軸相連，并固定在推進軸上，推進電機和旋轉(zhuǎn)電機分別和自動控制系統(tǒng)相連接。所述適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)還包括齒條和齒輪；所述的齒條為具有一系列等距離分布齒的平板，安裝在推進軸上；所述的齒輪安裝在推進電機上，由推進電機帶動旋轉(zhuǎn)，并且和齒條配合，通過齒條將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為前進動力。所述的動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)(例如產(chǎn)品型號可以VW-6000或9000)通過導(dǎo)線與高速攝像頭相連，安裝在支架上，并且安裝位置可根據(jù)現(xiàn)場需要調(diào)節(jié)，以方便外部觀測，記錄圍巖掘進及破壞情況。所述刀盤為一字型刀盤，前面設(shè)有滾刀。所述支架的高度可調(diào)，包括框架基體、限位滑輪、齒條槽、底部升降油缸和平移滾輪；所述框架基體的底部帶有平移滾輪，底部升降油缸由前法蘭固定在框架基體上，并與自動控制系統(tǒng)相連，實現(xiàn)升降自動化控制；框架基體的底部能夠安放動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)，并穩(wěn)定支架，框架基體頂部具有限位滑輪和齒條槽，用來防止推進軸在前進過程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)，支架和自動控制系統(tǒng)相連接。刀頭轉(zhuǎn)動的速度能夠方便的調(diào)整；刀頭的前進或后退能夠任意控制；刀頭的更換方便；打孔時的碎料清理方便，可通過吸屑孔吸出；能實時監(jiān)測開挖過程，并高速記錄下突出過程。當(dāng)模型需要開挖時，將該裝置移動至靠近模型的合適位置，啟動自動控制系統(tǒng)，控制支架升起至合理位置并鎖定，控制旋轉(zhuǎn)電機工作，通過回轉(zhuǎn)軸帶動刀盤旋轉(zhuǎn)，由推進電機控制刀盤水平移動，實現(xiàn)模型的自動化開挖。本實用新型的有益效果是:自動化程度高、易操作、開挖方便，能實時監(jiān)測開挖過程，可應(yīng)用于巖土工程模型試驗隧洞的自動化、可視化開挖，并高速攝像記錄圍巖掘進及破壞情況。
圖1是本實用新型試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型聞速攝像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不意圖；圖3是本實用新型高度可調(diào)支架結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實用新型旋轉(zhuǎn)掘進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖其中1.刀盤,2.回轉(zhuǎn)軸,3.光源,4.高速攝像頭,5.攝像頭固定軸,6.齒條,7.齒輪，8.推進電機，9.動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)，10.推進軸，11.支架，12.旋轉(zhuǎn)電機，13.軸承，11-1.限位滑輪，11-2.齒條槽，11-3.升降油缸，11-4.框架基體，11-5.平移滾輪。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。如圖1所示，本實施例的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，包括刀盤1、光源3、高速攝像頭4、動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)9、推進軸10和支架11 ;所述推進軸10安裝在支架11上，推進軸10上依次設(shè)置有刀盤1、高速攝像頭4和動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)9 ;所述光源3安裝在高速攝像頭4上方，在巷道掘進過程中為高速攝像頭4提供視線支持；所述的推進軸10為中空圓筒軸，底部和上部為平面，前端具有吸屑孔，在掘進巷道過程中可以通過吸屑孔將碎屑吸出；本實施例的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)還包括攝像頭固定軸5，攝像頭固定軸5為細長圓軸，通過豎直的鋼肋安裝在推進軸10上部的平面上，跟隨推進軸10前進或后退；所述的高速攝像頭4安裝在攝像頭固定軸5前方，并位于刀盤I后方，通過每秒上千幀的高速攝影捕捉煤與瓦斯突出的整個過程，然后再通過慢放分析煤與瓦斯突出的發(fā)生、發(fā)展及突出過程；本實施例的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)還包括回轉(zhuǎn)軸2，回轉(zhuǎn)軸2為實心軸，安裝在推進軸10內(nèi)部，能夠帶動刀盤I轉(zhuǎn)動；本實施例的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)還包括軸承13，所述的軸承13位于回轉(zhuǎn)軸2和推進軸10中間，并且同軸心，軸承13對回轉(zhuǎn)軸2起到支撐和減小摩擦的作用；本實施例的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)還包括推進電機8和旋轉(zhuǎn)電機12，所述推進電機8安裝在支架11上，為掘進系統(tǒng)提供動力；旋轉(zhuǎn)電機12固定在推進軸10上遠離刀盤I的一端，所述的旋轉(zhuǎn)電機12通過旋轉(zhuǎn)軸與回轉(zhuǎn)軸2相連，旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有方形孔，回轉(zhuǎn)軸2末端加工為方形桿，旋轉(zhuǎn)軸與回轉(zhuǎn)軸2相連時將方形桿插入方形孔內(nèi)并固定，旋轉(zhuǎn)電機12通過前法蘭固定在推進軸10上；推進電機8和旋轉(zhuǎn)電機12分別和自動控制系統(tǒng)相連接；本實施例的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)還包括齒條6和齒輪7 ;所述的齒條6為具有一系列等距離分布齒的平板，安裝在推進軸10上；所述的齒輪7安裝在推進電機8上，由推進電機8帶動旋轉(zhuǎn)，并且和齒條6配合，通過齒條6將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為前進動力；所述的動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)9的產(chǎn)品型號為VW-6000或9000，通過導(dǎo)線與高速攝像頭4相連，安裝在支架11上，并且安裝位置可根據(jù)現(xiàn)場需要調(diào)節(jié)，以方便外部觀測，記錄圍巖掘進及破壞情況；所述刀盤I為一字型刀盤，前面設(shè)有滾刀；所述支架11的高度可調(diào)，包括框架基體11-4、限位滑輪11-1、齒條槽11-2、底部升降油缸11-3和平移滾輪11-5 ;所述框架基體11-4的底部帶有平移滾輪11-5，底部升降油11-3由前法蘭固定在框架基體11-4上，并與自動控制系統(tǒng)相連，實現(xiàn)升降自動化控制；框架基體11-4的底部中間具有橫向排列的一系列鋼肋，能夠安放動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)9，并穩(wěn)定支架11，框架基體11-4頂部具有限位滑輪11-1和齒條槽11-2，用來防止推進軸10在前進過程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)，支架和自動控制系統(tǒng)相連接。上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式
進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，其特征是，包括刀盤、光源、高速攝像頭、動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)、推進軸和支架；所述推進軸安裝在支架上，推進軸上依次設(shè)置有刀盤、高速攝像頭和動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)；所述光源安裝在高速攝像頭上方。
2.如權(quán)利要求1所述的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，其特征是，所述的推進軸為中空圓筒軸，底部和上部為平面，前端具有吸屑孔。
3.如權(quán)利要求2所述的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，其特征是，還包括攝像頭固定軸，攝像頭固定軸為細長圓軸，通過豎直的鋼肋安裝在推進軸上部的平面上；所述的高速攝像頭安裝在攝像頭固定軸前方，并位于刀盤后方。
4.如權(quán)利要求1所述的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，其特征是，還包括回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸為實心軸，安裝在推進軸內(nèi)部。
5.如權(quán)利要求4所述的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，其特征是，還包括軸承，所述的軸承位于回轉(zhuǎn)軸和推進軸中間，并且同軸心。
6.如權(quán)利要求4所述的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，其特征是，還包括推進電機和旋轉(zhuǎn)電機，所述推進電機安裝在支架上；旋轉(zhuǎn)電機固定在推進軸上遠離刀盤的一端，旋轉(zhuǎn)電機通過旋轉(zhuǎn)軸與回轉(zhuǎn)軸相連，并固定在推進軸上，推進電機和旋轉(zhuǎn)電機分別和自動控制系統(tǒng)相連接。
7.如權(quán)利要求6所述的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，其特征是，還包括齒條和齒輪；所述齒條安裝在推進軸上；所述的齒輪安裝在推進電機上，并且和齒條配合。
8.如權(quán)利要求1所述的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，其特征是，所述的動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)通過導(dǎo)線與高速攝像頭相連，安裝在支架上。
9.如權(quán)利要求1所述的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，其特征是，所述刀盤為一字型刀盤，前面設(shè)有滾刀。
10.如權(quán)利要求1所述的適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，其特征是，所述支架為高度可調(diào)的支架，包括框架基體、限位滑輪、齒條槽、底部升降油缸和平移滾輪；所述框架基體的底部帶有平移滾輪，底部升降油缸由前法蘭固定在框架基體上，并與自動控制系統(tǒng)相連；框架基體的底部能夠安放動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)，并穩(wěn)定支架，框架基體頂部具有限位滑輪和齒條槽。
專利摘要本實用新型公開了一種適用模型試驗的可視化微型隧洞掘進系統(tǒng)，包括刀盤、光源、高速攝像頭、動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)、推進軸和支架；所述推進軸安裝在支架上，推進軸上依次設(shè)置有刀盤、高速攝像頭和動態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)；所述光源安裝在高速攝像頭上方，在巷道掘進過程中為高速攝像頭提供視線支持。本實用新型自動化程度高、易操作、開挖方便，能實時監(jiān)測開挖過程，可應(yīng)用于巖土工程模型試驗隧洞的自動化、可視化開挖，并高速攝像記錄圍巖掘進及破壞情況。
文檔編號E21D9/10GK202970726SQ201220711770
公開日2013年6月5日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者王漢鵬, 李術(shù)才, 李建明, 薛俊華, 張慶賀, 林春金 申請人:山東大學(xué)