一种支持单轴测斜仪全圆测回的纯机械自动转向装置

1.本发明涉及工程测量领域，属于深部位移智能监测技术的配套装置，尤其涉及一种支持单轴测斜仪全圆测回的纯机械自动转向装置。


背景技术：

2.位移是评价边坡和基坑稳定性最为直接的参量，可以有效地确认土层的变形、滑移等动态变化的情况，为基坑、边坡等工程的设计提供更全面、更可靠的依据。
3.常用的深部位移监测方法主要基于便携式测斜仪定期获取测斜管的变形数据。便携式测斜仪是将电缆与探头相连，并通过绞线盘和测量仪表相接的测量仪器，其中探头通过倾角传感器等反应土层深部水平位移；电缆负责通信、连接并估读探头深度。其具体测斜过程需要两个人配合操作，一个人负责把测斜仪下放至管底，每隔500mm测量一次数据直到孔口，再将测斜仪转动180度下放至管底，重复测量一次，另一个人负责采集数据，将二次结果取平均即为较为精准的测量结果，但传统测斜方法存在周期长、人为误差大、且受天气变化影响大等问题。为解决以上问题，许多学者和厂家研发了不同的自动测斜装置。
4.自动测斜装置，主要通过驱动电机代替人工下放和提拉电缆，改善了一定的问题，但其在工程现场的应用中仍存在以下问题：1.自动测斜装置只能测量半个测回的数据，无法实现测斜仪自动转向，不满足监测规范；2.为满足监测要求，仍需人工/第二电机辅助监测，所消耗人力物力极大，并存在安全隐患；3.监测过程仅为半自动，过程繁琐性大。
5.因此，实现测斜仪的自动转向，完善自动测斜装置的现有缺陷是一个值得关注的方向。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供一种转头机构，其通过精妙的纯机械结构设计，在探头自动提升下放过程中，实现测斜仪的自动转向与复位，实现全测回自动测斜。
7.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种支持单轴测斜仪全圆测回的纯机械自动转向装置，包括外筒、内筒、旋转结构，内筒位于外筒内，旋转结构安装于外筒上端，所述外筒安装于测斜管内，外筒与测斜管相互固定，测斜仪位于内筒内，测斜仪于内筒内轴向移动，测斜仪和内筒同步转动，内筒上端定位于外筒上端，可相对外筒旋转；旋转结构包括导向槽筒、管旋导轴、核心体、换向结构；导向槽筒包括外层槽筒和内层槽筒，内层槽筒与外筒连接，外层槽筒为环形结构，外层槽筒和内层槽筒上均设有径向的锯齿线通道，外层槽筒和内层槽筒的锯齿线通道部分重叠；外层槽筒和内层槽筒通过换向结构连接；换向结构由换向拨片、换向拨环和换向连杆
组成，换向拨环套于内层槽筒，位于外层槽筒上部，换向拨片为框形结构，安装于换向拨环上，换向拨片上具有限位口一，限位口一位于换向拨片内，外层槽筒上开设有供限位口一嵌入的v形缺口，v形缺口底部为限位口二，外层槽筒下方的内层槽筒上安装有定位销，定位销位于换向拨片内，v形缺口处的内层槽筒具有换向连杆，换向连杆位于换向拨片内，换向连杆的两端分别限位于限位口一和限位口二中，中间部分具有连接于内层槽筒的转动销，转动销上方的换向连杆处通过弹簧连接定位销，换向连杆通过转动销进行旋转，带动换向拨环和外层槽筒相反方向转动，外层槽筒转动后，外层槽筒的锯齿线通道与内层槽筒的锯齿线通道交错，内层槽筒锯齿线通道露出另一侧的反向引导边缘，对侧的正向引导边缘被外层槽筒的锯齿线通道覆盖，管旋导轴穿过两个锯齿线通道进行正反向移动；核心体处于外壳内，安装在内层槽筒中，包括弹簧、轴承、螺母、结构筒、齿轮，两个螺母分别固定于结构筒两侧，内筒的上端具有用于安装结构筒的顶端，结构筒和螺母均分为上下部，螺母的上下部之间通过弹簧连接，结构筒的上下部之为相嵌的管道，两个管道内为弹簧，结构筒下部管道进行转动，结构筒下部管道通过轴承固定于内筒的顶端，结构筒下部管道上具有贯穿外层槽筒和内层槽筒的锯齿线通道的管旋导轴；结构筒下部管道上以及轴承上均设有齿轮，螺母的下部端设有上下两层齿轮，下部端的上层齿轮直径小于结构筒下部管道上齿轮且相互啮合，下部端的下层齿轮直径等于轴承上齿轮且相互啮合，管旋导轴于锯齿线通道中向上或向下移动一次，结构筒下部管道的齿轮带动螺母下部端的上下两层齿轮同步转动，驱动轴承上的齿轮以及内筒实现1/4圈转动，测斜仪上部具有贯穿轴承和结构筒的提拉端，该提拉端由旋转结构上部的提升部件牵引。结构筒齿轮与螺母上部齿轮，周长比为2：1。因此结构筒每旋转44.5
°
，会带动螺母齿轮转动90
°
。结构筒齿轮核心参数为半径30mm，中间有18mm的中空结构筒；螺母齿轮半径为14mm，其结构详图如图3d所示。螺母下端和内筒上端齿轮采用同种型号，以免二次传动出现旋转误差。
8.作为更进一步的优选方案，外筒和内筒之间具有滚珠套筒。
9.作为更进一步的优选方案，内筒内壁沿轴向布置一组相对的滑槽，测斜仪上设有与滑槽对应的滑轮，滑轮限位于滑槽内，测斜仪通过滑轮于内筒的滑槽中轴向移动，并带动内筒同步转动。
10.作为更进一步的优选方案，外层槽筒上具有两段锯齿线通道，两段锯齿线通道的交接处为v形缺口和换向拨片，结构筒下部管道上具有两根管旋导轴，一根管旋导轴对应一条外层槽筒的锯齿线通道。
11.作为更进一步的优选方案，换向拨环上开设有限位框，内层槽筒上设有处于限位框内的限位销，避免换向拨片受换向连杆的旋转带动而过度移动。
12.作为更进一步的优选方案，外层槽筒采用钣金设计，整体厚度为2mm，由长246.4mm，高40mm的板切割而成，切割部分仅为和其他零件相契合，其核心为锯齿线通道的设计。共设计两个锯齿线通道，以便圆形结构的稳定。锯齿线通道初末端采用两个半径为2mm，圆心距为4.5mm的圆切割而成，两圆并排，两圆沿同侧切线切割，然后再切割连接至锯齿线通道主体。锯齿线通道的初末端宽度为8.5mm，渐收至中间锯齿线通道的4mm宽，转角处由半径2mm的圆，锯齿线通道与水平线之间夹角为45.6
°
；其渐收段由两个半径为2mm的圆相距4.5mm切割完成，再逐渐收紧，渐收段长度为10mm。导槽采用3折式设计，导槽高度为16mm。
13.内层导槽采用钣金设计，由长232.4mm，高85mm的板子切割而成，其核心亦为锯齿
线通道。锯齿线通道亦设计了两个，以便圆形结构的稳定。锯齿线通道初末端采用半径为2mm，圆心距为2mm的圆切割而成，两圆并排，切割出外侧的圆，外侧的圆再切割连接至锯齿线通道主体。锯齿线通道全路径4mm宽，转角处为槽口，整体坡度为47.8
°
。锯齿线通道切割采用3折式设计，导槽高度为6mm。
14.外层槽筒和内层槽筒的相连由管旋导轴、换向结构和螺栓约束。当管旋导轴触发换向结构时，外层槽筒相对内层槽筒会产生转动，所以会有凹形螺孔进行连接，以便于连接的螺丝滑动。内层槽筒的槽口是为了控制管旋导轴的方向。当外层槽筒和内层槽筒相互重叠时，内层槽筒槽口左半部分被遮盖，导致两槽筒重叠的中空部分，会有偏右的凹槽。当管旋导轴经过凹槽处，会自然地落在右侧，从而实现对管旋导轴方向的控制。复位时亦然，仅将外层槽筒对内层槽筒槽口的遮盖变成左侧遮盖。
15.与现有技术比，转头机构是纯机械结构，不需要控制单元操控，仅通过触发机构开关即可完成整个测回的自动转向和复位。该转头机构为现有自动测斜装置提供了质变级完善，实现了全测回自动监测，大大减少了人力的需求，满足用户的需要。
附图说明
16.图1为本发明整体机构示意图；图2为本发明结构1示意图；图3为本发明结构2示意图。
具体实施方式
17.使本发明的目的、技术优点更清晰，下面将对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限制本发明的范围。
18.如图1所示，图1左侧为结构正视示意图，右侧为结构剖面示意图，框选部分为剖面局部详图。本发明包含外筒1、内筒2、旋转结构3及若干连接零件，外筒1和内筒2不直接接触，仅在部分由滚珠导套4过渡，外筒1的功能为将整个机构与测斜管18固定，构成机构的旋转不动面；外筒1部分内插进测斜管，并将所有零件分为结构1~结构2，结构1主要为外筒1和内筒2的结构，结构2为旋转结构3的内部结构图。
19.如图2所示，左侧为正视示意图，右侧为剖面示意图，框选部分为剖面局部详图和过渡段的设计。外筒1有外悬结构a，中空金属筒b，凹槽c。内筒2有带十字导轨d的中空金属筒e。且外筒1与内筒2之间存在两段滚珠导套4。
20.外筒的构件为紧贴测斜管内壁的中空金属长筒c，长筒上端为外悬结构a，保证仅将旋转结构3裸露在测斜管18外，其他可插入测斜管18内；筒壁上下部各有一段与测斜管十字导轨（凹槽）贴合的凸槽b，保证外筒与测斜管无相对旋转。外筒通过外悬结构a、凸槽b和中空金属长筒c与测斜管18相接；通过外悬结构a上的螺栓与旋转结构3的相接。
21.内筒2的功能为提供测斜仪19的暂存空间并承担传力结构。内筒2将测斜仪19上下运动产生的力传递给旋转结构3，并将旋转结构3产生的旋转传递给测斜仪19，实现测斜仪19的旋转或复位。内筒2的构件为带十字导轨d（同测斜管）的中空金属长筒e，以免出现内筒2与测斜仪19的相对转动。内筒2基于导轨d和测斜仪19的滑轮组与测斜仪19接；通过螺栓与旋转结构3相接；内筒2与外筒1无接触，仅存在局部间隔放有滚珠导套4，以保证内筒2旋转
的稳定性。
22.如图3a所示，左侧为结构2示意图，中间为结构2示意图（去外壳），右侧为结构2剖面图。旋转结构3的构件为导向槽筒5、管旋导轴6、核心体7、外壳8、换向结构9及各连接件。
23.旋转结构3的功能为通过测斜仪19上下运行提供的动力带动旋转结构3内部的核心体7的旋转。核心体7为中空结构，由弹簧13、轴承14、螺母15、结构筒16、齿轮组17等组成，核心体上部f与导向槽筒5相连，核心体下部g为可旋转结构，与管旋导轴6相连。核心体7的中空部分便于穿过测斜仪19的电缆，且核心体7受两根螺母15的限制无法水平移动，保证了核心体7旋转的稳定性。管旋导轴6一端连接核心体7另一端卡在导向槽筒5内，管旋导轴6跟随核心体7的运动而运动。导向槽筒5为双层结构，外层槽筒20和内层槽筒21交错，通过换向结构9连接，交错的导向槽会产生引导过渡段，便于控制管旋导轴6的运动。导向槽筒5的功能是限制管旋导轴6的运动，以引起核心体下部g的旋转；弹簧13和测斜仪19的上下运动为整个机构提供动力；换向结构9由换向拨片10、换向拨环11和换向连杆12组成，其功能控制导向槽筒5双层槽的反向错位，实现来回换向；连接件提供必要的连接；外壳8罩在整个旋转结构3的外面，提供一定的保护作用。旋转结构3通过螺栓连接导向槽筒5与外筒1；旋转结构3通过螺栓连接核心体下部g连接件与内筒2。
24.如图3c右所示，换向结构包含换向拨片10、换向拨环11和换向连杆12。
25.如图3b所示，左上为核心体正视图（带管旋导轴6），右上为核心体正视图，左下为核心体右视图，右下为核心体剖面图。核心体7包含弹簧13、轴承14、螺母15、结构筒16、齿轮组17。核心体7分为与导向槽筒5连接的上部f和与管旋导轴6连接的下部g如图3c左所示，导向槽筒5分为两层，为外导向槽筒20和内导向槽筒21。其详细结构图，如图3e、图3f所示。
26.如图3d所示，结构筒齿轮（左）与螺母齿轮（右）。通过齿轮啮合，传动旋转，实现管旋导轴每旋转44.5
°
就能带动一次90
°
的旋转。
27.需要特别强调的是，该转头结构中间还存在各种连接件将机构各构件连接起来，并且不影响机构的功能实现。
28.本发明一共拆分为2个拼装结构。结构1包含内筒2与外筒1，结构2包含旋转结构3。结构1根据常规的测斜管直径设计了70mm款、100mm款和定制款。结构2用于满足单轴测斜仪的监测标准，其触发机制为90
°→
180
°→
270
°
后反向复位，可测量横纵两个方向的测斜管变形。
29.整个机构的拼装简单。首先，根据待测的测斜管选择相应的结构1和结构2接着，将测斜仪电缆穿过结构2的中空部分，并接好测斜仪的电缆；最后通过螺栓等连接件连接结构1、2。
30.一次旋转的实现：测斜仪上拉，旋转结构核心体的弹簧压缩，核心体下部向上运动，带动管旋导管运动。由于管旋导轴的另一端受导向外槽筒的导向槽限制，被迫沿着坡形导向槽斜向上运动，因此带动核心体旋转。又由于核心体下部连接内筒，内筒连接测斜仪，所以测斜仪实现转动。后测斜仪下放，弹簧恢复，核心体下部向下运动，管旋导管被迫沿着坡形导向槽斜向下运动，带动核心体旋转，多次传递后测斜仪再次转动，最终一上一下实现测斜仪自动转向90
°
。
31.复位功能的实现：管旋导管经过所有正向旋转后，触发换向结构，换向结构控制导
向槽筒的两层导向槽发生错动，从而改变引导段的形状，以控制管旋导轴在下次测斜仪上拉后进行反向运动，从而带动测斜仪反向复位。反向复位的其他步骤同正向旋转。
32.为保证机构的正常运行，所有旋转部分皆采用减小摩擦力的方式和结实不易磨损的材料，以避免长时间使用后，机构出现卡顿现象。
33.为实现正向旋转和反向复位，设计了导向槽筒和换向结构。导向槽筒为双层导向槽结构，两层槽的交错部分产生的引导段能很好地控制管旋导轴运动，便于实现正向旋转与反向复位。正向旋转过程中，双层导向槽相错导致正向上升段多出一节，保证在弹簧回弹时管旋导轴能准确落在正向下降段上。正向旋转完成后，管旋道导轴触发换向结构，内层导向槽后退，双层重新相错导致反向上升段多出一节，确保在反向复位弹簧回弹时管旋导轴能正确落下反向下降段上。
34.为保证测斜仪在转头机构和测斜管中过渡平稳，设计了斜坡和喇叭形过渡段。
35.本次实施例采用的测斜管直径为70mm。其操作流程如下：一、根据测斜管直径选择对应70mm的结构1、2，将其拼接组装；二、启动自动测斜装置，下放测斜仪，此时不触发转头机构的功能，完成一次0
°
（横向）的正测；三、提升装置上拉测斜仪进入转头机构，压缩弹簧，机构开始带动测斜仪旋转，后缓慢下放，弹簧回弹，机构二次带动旋转，最终使测斜仪旋转90
°
。
36.旋转功能的实现原理为：测斜仪上拉，旋转结构核心体的弹簧压缩，核心体下部向上运动，带动管旋导管运动。由于管旋导轴的另一端受导向外槽筒的导向槽限制，被迫沿着坡形导向槽斜向上运动，因此带动核心体旋转。又由于核心体下部连接内筒，内筒连接测斜仪，所以测斜仪实现转动。后测斜仪下放，弹簧恢复，核心体下部向下运动，管旋导管被迫沿着坡形导向槽斜向下运动，带动核心体旋转，多次传递后测斜仪再次转动，最终一上一下实现测斜仪自动转向90
°
。
37.四、测斜仪自动转向成功后，自动测斜装置下放测斜仪，完成一次90
°
（纵向）的正测；五、重复步骤三和步骤四，分别完成一次180
°
（横向）的反测，和270
°
（纵向）的反测，此时最后一次上拉，测斜仪已经旋转了270
°
。
38.六、提升装置上拉测斜仪进入转头机构，压缩弹簧，管旋导轴触发换向结构，测斜仪开始复位操作，每次复位90
°
经过3次复位后，最终使测斜仪复位至0
°
。
39.复位功能的实现原理为：管旋导管经过所有正向旋转后，触发换向结构，换向结构控制导向槽筒的两层导向槽发生错动，从而改变引导段的形状，以控制管旋导轴在下次测斜仪上拉后进行反向运动，从而带动测斜仪反向复位。反向复位的其他步骤同正向旋转。
40.自动测斜装置配合该纯机械转头机构，能满足全测回的自动测量，且避免了电机的使用，大大减少了自动监测的出错率。
41.其中，由于机构为零件式组装结构，可以通过更换结构2（旋转结构）实现不同程度的旋转复位控制。本发明仅介绍单轴测斜仪的自动测回监测类型。其导轨如图3b右所示，既旋转三次90
°
（0
°→
90
°→
180
°→
270
°
）后触发复位结构再旋转三次90
°
（270
°→
180
°→
90
°→0°
）；但由于工程的复杂性，可根据工程监测的精度等要求，选择或设计不同的旋转结构进行装配。且本机构的结构1（内外筒）也可以根据测斜管直径的不同设计不同的外筒、内筒以
及滚珠导套。故相同设计思路下的结构2、结构1均应受到本发明的保护。
42.外层槽筒采用钣金设计，整体厚度为2mm，由长246.4mm，高40mm的板切割而成，切割部分仅为和其他零件相契合，其核心为锯齿线通道的设计。共设计两个锯齿线通道，以便圆形结构的稳定。锯齿线通道初末端采用两个半径为2mm，圆心距为4.5mm的圆切割而成，两圆并排，两圆沿同侧切线切割，然后再切割连接至锯齿线通道主体。锯齿线通道的初末端宽度为8.5mm，渐收至中间锯齿线通道的4mm宽，转角处由半径2mm的圆，锯齿线通道与水平线之间夹角为45.6
°
；其渐收段由两个半径为2mm的圆相距4.5mm切割完成，再逐渐收紧，渐收段长度为10mm。导槽采用3折式设计，导槽高度为16mm。外层槽筒如图3e所示。
43.内层导槽采用钣金设计，由长232.4mm，高85mm的板子切割而成，其核心亦为锯齿线通道。锯齿线通道亦设计了两个，以便圆形结构的稳定。锯齿线通道初末端采用半径为2mm，圆心距为2mm的圆切割而成，两圆并排，切割出外侧的圆，外侧的圆再切割连接至锯齿线通道主体。锯齿线通道全路径4mm宽，转角处为槽口，整体坡度为47.8
°
。锯齿线通道切割采用3折式设计，导槽高度为6mm。内层槽筒如图3f所示。
44.外层槽筒和内层槽筒的相连由管旋导轴、换向结构和螺栓约束。当管旋导轴触发换向结构时，外层槽筒相对内层槽筒会产生转动，所以会有凹形螺孔进行连接，以便于连接的螺丝滑动。内层槽筒的槽口是为了控制管旋导轴的方向。由图3g所示，当外层槽筒和内层槽筒相互重叠时，内层槽筒槽口左半部分被遮盖，导致两槽筒重叠的中空部分，会有偏右的凹槽。当管旋导轴经过凹槽处，会自然地落在右侧，从而实现对管旋导轴方向的控制。复位时亦然，仅将外层槽筒对内层槽筒槽口的遮盖变成左侧遮盖综上所述，本发明实施例提供的一种支持单轴测斜仪全圆方向测回的纯机械自动转向装置，能够搭配自动测斜装置实现全自动全测回的测斜管变形监测，确保基坑工程的安全。
45.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。