一种多功能道路循环载荷检测机的制作方法

本发明涉及道路检测技术领域，具体地说是一种多功能道路循环载荷检测机。

背景技术：

广大学者对路面隐性病害的检测进行了大量的研究，同时提出了很多检测方法，早期的经验法通过人为主观现场观察判断，后来发展为以fwd为代表的力学响应检测法，运用较为先进的仪器设备和方法，如超声波检测仪器等，如专利号201720804169.1提到的一种探地雷达，其主要结构就是将发射天线和接收天线安装在小车上，通过发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的分界面时发生反射，根据接受天线接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化等特征推断地下的空间位置、结构、形态和埋藏深度。

同时，现有的道路循环载荷检测装置装置主要由三相异步电机、联轴器、连接圆盘、定向轮、箱体组成，通过液压装置施加载荷，三相异步电机通电旋转，通过联轴器，使3个定向轮旋转，从而测定对路基的不同位置施加交变载荷，找到不同载荷对路基的影响。该套装置存在很大的缺点，在三相异步电机的转动下，3个定向轮并不能沿着一个完整的圆做圆周运动，从而导致整个装置的不稳定性。由于装置在做一个圆周运动，所以不能准确的测出我们所需要的数据。

技术实现要素：

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种多功能道路循环载荷检测机。

本发明通过设计一种具有仿生足机构的多功能道路循环载荷检测机，仿生足通过线缸机构上肢机构和下肢机构的交替摆动，进而实现整套设备的快速行进，线缸的工作原理是通过钢丝绳将线缸安装在固定支架和执行机构中间，线缸的缸体内安装梭型的线辊子，线辊子上的两侧锥面上开有线槽并缠绕钢丝绳，钢丝绳一端分别连接水平安装和垂直安装的换向轮，在工作的过程中，安装在缸体内的电机带动线辊子转动，当电机正向旋转时，线辊子执行正向收线作业，线缸的整体长度变小，带动执行机构向上摆动，反之，当电机反向旋转时，线辊子执行反向收线作业，线缸的整体长度变长，执行机构在重力作用下向下摆动，上肢和下肢连续交替动作可实现整机的快速行进。

同时，本发明还在设备上集成了探地雷达，探地雷达检测技术是一种探测路基路面及层间状况的无损检测方法，雷达系统主要由主控和收发两部分组成，主控系统主要包括存储设备、信号处理器和显示设备；收发系统主要包括脉冲产生器、电磁波发射机、接收机、天线等。

脉冲产生器主要产生正弦电磁脉冲，通过分离器后传输给发射天线。

采样接收机主要捕捉、放大电磁波反射信号传递给处理系统。

收发天线主要用于发射电磁波和接收反射信号。

分离器用来将发射脉冲信号与反射信号相分离以便识别，同时保护接收机的相关组件，防止受到发射机的高能输出而破坏。

信号处理系统主要处理接收到的反射信号，并将资料进行处理，存储。显示和分析。

一种多功能道路循环载荷检测机，包括多功能平台和仿生足两部分，仿生足由上肢摆杆、下肢摆杆和缓冲垫三部分组成，上肢摆杆通过转轴与多功能平台连接，上肢摆杆与多功能平台有第一线缸，上肢摆杆和下肢摆杆之间通过转轴连接，下肢摆杆与多功能平台之间安装第二线缸，第一线缸的两端有耳环，耳环安装在上端盖和下端盖上，上端盖上安装第一换向轮和第二换向轮,下端盖上安装第三换向轮和第四换向轮，第一换向轮通过第一经线与第一锥辊子的第一锥面和第二锥辊子的第三锥面连接，第四换向轮通过第二经线与第一锥辊子的第二锥面和第二锥辊子的第四锥面连接，第一换向轮和第二换向轮的轮轴轴线与第一锥辊子和第二锥辊子的轮轴轴线平行，第三换向轮通过第一纬线与第一锥辊子的第一锥面和第二锥面连接，第四换向轮通过第二纬线与第二锥辊子的第三锥面和第四锥面连接，第三换向轮和第四换向轮的轴线与第一锥辊子和第二锥辊子的轮轴轴线垂直，第一锥辊子和第二锥辊子上下排布在游动壳体上，第一锥辊子的一端安装大齿轮，大齿轮与小齿轮啮合，小齿轮安装在第一主电机的输出轴上，第一主电机安装在筒型壳体上内，第二锥辊子的传动机构与第一锥辊子的传动机构相同，第二锥辊子由第二主电机驱动；下端盖与上滑座之间通过第一滑杆、第二滑杆和第三滑杆连接，第一滑杆、第二滑杆和第三滑杆穿过上滑座上的开孔，上端盖与下滑座之间有第一导向杆、第二导向杆和第三导向杆，第一导向杆、第二导向杆和第三导向杆穿过下滑座，下滑座上有导向孔游动壳体的端面有线孔，第一经线、第二经线、第一纬线和第二纬线从游动壳体端面的线孔穿出。

优选的，选用线缸作为仿生足的驱动机构。

进一步，线缸的出线长度可根据实际需要进行调节，线缸内的第一主电机和第二主电机为伺服电机。

优选的，第一换向轮、第二换向轮、第三换向轮和第四换向轮的轮轴上安装轴承。

优选的，每一个线缸内安装两个锥辊子。

多功能平台上安装直线导轨，直线导轨上有滑块，滑块上安装转接板，转接板的底部安装第一水平模组和第二水平模组，转接板之间安装游动支架，游动支架两侧有第一加压模组和第二加压模组，游动支架的中间有加速模组。

第一水平模组、和第二水平模组和加速模组以有铁芯直线电机为基础，其结构包括矩形永磁体和有铁芯线圈，矩形永磁体粘贴在磁板上，有铁芯线圈安装在转接板上。

第一加压模组和第二加压模组以无铁芯直线电机为基础，其结构包括u型磁铁和无铁芯线圈，u型磁铁安装在u型底座内，u型底座固定在转接板上，无铁芯线圈的长度小于u型底座的长度，无铁芯线圈固定在游动支架上。

优选的，第一加压模组和第二加压模组上安装防尘罩。

加速模组的有铁芯线圈的转接板上安装连杆，连杆上有重锤，重锤的底部安装压轮。

重锤为龙门结构，龙门的底部安装顶起油缸，顶起油缸的输出轴上安装垫块，顶起油缸的底座安装在轴承上，轴承固定在重锤底部的轴承座内。

多功能平台的前端安装第一雷达，多功能平台的后端安装第二雷达，第一雷达包括接收天线和发射天线，接收天线和发射天线为圆盘形，圆盘与安装平台之间有幅面调整轴。

优选的，探地雷达的工作原理是将产生的脉冲电磁波以宽频带短的脉冲方式，由天线定向成一定角度向目标发射，遇到材料的介电性质不连续时，会发生透射和反射，反射强弱取决于界面两边介质的介电常数差值。天线接收到反馈回波信号，系统根据电磁波振幅、波形和频率等特征，采用正演或反演的方法进行数字模拟和物理模拟，技术人员直接从显示器上识别技术特征。

优选的，接收天线和发射天线的轮盘轴线与垂直于地面的法线夹角相等，均为45°。

多功能平台的电控部分包括主控系统和收发系统两部分，主控系统包括压力传感器nhdr2x6，实施信号采集处理器hx711-bf和大容量存储系统stm32f101c8t6,大容量存储系统stm32f101c8t6的po1和po2引脚上连接适振荡器作为晶振时钟，收发系统包括发射控制器和接收控制器两部分。

本发明的一种多功能道路循环载荷检测机与现有技术相比所产生的有益效果是：

(1)与传统的液压缸和机械传动机构相比，通过设计独特的线缸机构作为仿生足的动力来源，不需要设计复杂的传动机构，取消了油缸和油路，能够极大地减轻设备的负载，同时也降低了在高速震动等工况下传动机构发生故常的可能性。

(2)相比传统的丝杠传动机构而言，采用直线运动模组作为水平运动和垂直运动的动力来源，重锤能够在相同的时间内进行更多次数的水平运动或者竖直运动，这样就提高了测试效率。

(3)仿生足的设计使得本设备能够适应各种角度的陡坡路面的循环载荷检测作业，同时通过控制四肢的弯曲程度，能够保证测试平台的绝对水平，为后续的载荷测试的精确性提供了保证。

(4)本机构不仅能够进行冲击负载检测，还能够进行连续负载检测，一机多用，不同模式可以根据需要随时切换，提高了检测效率。

附图说明

附图1是本发明结构主视图；

附图2是本发明结构左视剖面图；

附图3是本发明结构线缸原理图；

附图4是本发明结构线缸三维图；

附图5是本发明结构锥辊子在线缸内的排布图图；

附图6是本发明结构锥辊子传动原理图；

附图7是本发明结构锥辊子联动原理图；

附图8是本发明结构重锤结构三维图；

附图9是本发明结构主控系统电路图；

附图10是本发明结构主控系统原理图；

附图11是本发明结构菲涅尔带图。

其中，

1、多功能平台，2、仿生足，201、上肢摆杆，202、下肢摆杆，203、缓冲垫，3、第一雷达，301、接收天线，302、发射天线，303、幅面调整轴，4、第二雷达，5、转轴，6、第一线缸，7、第二线缸，8、直线导轨，9、滑块，10、转接板，11、缓冲液压缸，12、第一加压模组，121、u型磁铁，122、无铁芯线圈，13、第二加压模组，14、加速模组，141、矩形永磁体、142、有铁芯线圈，15、防撞块，16、第一水平模组，17、第二水平模组，18、游动支架，19、连杆，20、轴承，21、顶起油缸，22、垫块，23、压轮，24、重锤，25、第一主电机，26、第一换向轮，27、第一锥辊子，271、第一锥面，272、第二锥面，28、第二锥辊子，281、第三锥面，282、第四锥面，29、第三换向轮，30、第四换向轮，31、大齿轮，32、小齿轮，33、游动壳体，34、第二换向轮，35、上端盖，36、下端盖，37、第二主电机，38、上滑座，39、下滑座，40、第一滑杆，41、第二滑杆，42、第三滑杆，43、第一导向杆，44、第二导向杆，45、第三导向杆，46、耳环，47、第一经线，48、第二经线，49、第一纬线，50、第二纬线

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例的作以下详细说明。

一种多功能道路循环载荷检测机，包括多功能平台1和仿生足2两部分，仿生足2由上肢摆杆201、下肢摆杆202和缓冲垫203三部分组成，上肢摆杆201通过转轴5与多功能平台1连接，上肢摆杆201与多功能平台1有第一线缸6，上肢摆杆201和下肢摆杆202之间通过转轴5连接，下肢摆杆202与多功能平台1之间安装第二线缸7，第一线缸6的两端有耳环46，耳环46安装在上端盖35和下端盖36上，上端盖35上安装第一换向轮26和第二换向轮34,下端盖36上安装第三换向轮29和第四换向轮30，第一换向轮26通过第一经线47与第一锥辊子27的第一锥面271和第二锥辊子28的第三锥面281连接，第四换向轮30通过第二经线48与第一锥辊子27的第二锥面272和第二锥辊子28的第四锥面282连接，第一换向轮26和第二换向轮34的轮轴轴线与第一锥辊子27和第二锥辊子28的轮轴轴线平行，第三换向轮29通过第一纬线49与第一锥辊子27的第一锥面271和第二锥面282连接，第四换向轮30通过第二纬线50与第二锥辊子28的第三锥面281和第四锥面282连接，第三换向轮29和第四换向轮30的轴线与第一锥辊子27和第二锥辊子28的轮轴轴线垂直，第一锥辊子27和第二锥辊子28上下排布在游动壳体33上，第一锥辊子27的一端安装大齿轮31，大齿轮31与小齿轮32啮合，小齿轮32安装在第一主电机25的输出轴上，第一主电机25安装在筒型壳体33上内，第二锥辊子28的传动机构与第一锥辊子27的传动机构相同，第二锥辊子28由第二主电机37驱动,下端盖36与上滑座38之间通过第一滑杆40、第二滑杆41和第三滑杆42连接，第一滑杆40、第二滑杆41和第三滑杆42穿过上滑座38上的开孔，上端盖35与下滑座39之间有第一导向杆43、第二导向杆44和第三导向杆45，第一导向杆43、第二导向杆44和第三导向杆45穿过下滑座39上的导向孔；游动壳体33的端面有线孔，第一经线47、第二经线48、第一纬线49和第二纬线50从游动壳体33端面的线孔穿出。

作为本发明的第一实施例，多功能检测平台具有冲击负载检测和连续负载检测两种功能，冲击负载检测实验由重锤作为执行机构，通电后通过加速负载模组将重锤带至高处，然后高速下行，使得压轮撞击地面，通过安装在平台前部的雷达检测记录冲击前的地基裂缝数据，通过安装在平台后部的雷达检测冲击后的地基裂缝数据，二者对比即可得出在一定当量的冲击载荷下底面的变化。

进一步，在实验的过程中，为了降低重锤高速敲击地面产生的反冲力对车体造成的震动，在加速模组的两侧安装了第一加压模组和第二加压模组，加压模组的主要结构是无铁芯类型的直线电机，在模组中，线圈动子的长度小于磁石的长度，当重锤加速下行时，第一加压模组和第二加压模组断电，重锤冲击地面带来的反冲力作用在模组动子上使得动子上行，线圈在在磁场中做左切割磁力线运动产生感应电动势，此种类型的感应电动势作为一种反电势会对动子的运动产生阻尼力，再加磁板上永磁铁对线圈的定位力，就可以在很大程度上减轻反冲力对车体造成的冲击。

作为本发明的第一实施例，连续负载检测实验依然由重锤作为执行机构作为执行机构，不同的是，在此种类型的试验中，重锤机构在第一水平模组和第二水平模组的带动下做水平运动，通过改变液压缸的伸出长度改变重锤对地面的持续压力，同时通过安装在平台两端的雷达实时监测路基的裂缝情况。

多功能平台1上安装直线导轨8，直线导轨8上有滑块9，滑块9上转接板10，转接板10的底部安装第一水平模组16和第二水平模组17，转接板10之间安装游动支架18，游动支架18两侧有第一加压模组12和第二加压模组13，游动支架18的中间有加速模组14。

作为本发明的第一实施例，第一水平模组16和第二水平模组17各安装一台电机，多功能平台的运动采用龙门双驱的方式。

作为本发明的第二实施例，第一水平模组16安装电机，第二水平模组17上只安装导轨滑块，多功能平台的运动采用龙门单驱的方式。

作为本发明的第一实施例，上端盖35与下滑座39之间通过第一滑杆40、第二滑杆41和第三滑杆42连接，以上零件组成的部件在工作的过程中沿着导向杆做往复运动。

作为本发明的第一实施例，下端盖36与上滑座38之间有第一导向杆51、第二导向杆52和第三导向杆53，以上零件组成的部件在工作的过程中围绕下端盖36的转轴做摆动。

第一水平模组16、和第二水平模组17和加速模组14以有铁芯直线电机为基础，其结构包括矩形永磁体141和有铁芯线圈142，矩形永磁体141粘贴在磁板上，有铁芯线圈142安装在转接板10上。

作为本发明的第一实施例，加速模组14的两侧安装液压缸。

作为本发明的第一实施例，加速模组14的动子底部安装弹簧，当加速模组14断电时，依靠弹簧的弹力保证重锤不会掉落。

第一加压模组12和第二加压模组13以无铁芯直线电机为基础，其结构包括u型磁铁121和无铁芯线圈122，u型磁铁121安装在u型底座内，u型底座固定在转接板10上，无铁芯线圈122的长度小于u型底座的长度，无铁芯线圈122固定在游动支架18上。

加速模组14的有铁芯线圈142的转接板上安装连杆19，连杆19上有重锤24，重锤24的底部安装压轮23。

重锤24为龙门结构，龙门的底部安装顶起油缸21，顶起油缸21的输出轴上安装垫块22，顶起油缸21的底座安装在轴承上，轴承固定在重锤24底部的轴承座内。

作为本发明的第一实施例，多功能平台1在工作的过程中只能向前行进，当需要反向运动时，驱动顶起油缸21使其输出轴伸长，当垫块22接触地面后，平台整体脱离地面，此时人工转动平台，使得顶起油缸21围绕安装在油缸底部的轴承转动，当转动到合适的位置时，控制顶起油缸21的输出轴收缩，多功能平台1的四肢接触地面。

多功能平台1的前端安装第一雷达3，多功能平台1的后端安装第二雷达4，第一雷达3包括接收天线301和发射天线302，接收天线301和发射天线302为圆盘形，圆盘与安装平台之间有幅面调整轴303。

作为本发明的第一实施例，处于运营期的公路路面基层受到面层传递的行车荷载，还受地下水的作用，复杂环境下容易造成基层局部不密实或者强度不均匀，具体表现为路基脱空甚至产生沉降，然而这种病害主要发生在行车道的轮迹带上，因此雷达测线的位置应沿着每条行车道的轮迹带布置，当发现异常时再进行加密检测，且在疑似病害区布置横向检测剖面，加密的测线长度和横向剖面测线长度以异常观测完整为准，直至定位出病害所在的垂直位置。

作为本发明的第一实施例，雷达中心频率的选择反应了最大检测深度和最小分辨率的矛盾，因此雷达中心频率的选择需要同时兼顾探测深、分辨率以及天线尺寸是否符合场地需要。实际运用当中在满足分辨率要求的前提下应尽量采用低频雷达，以便增大其探测纵向范围。

作为本发明的第一实施例，检测时窗是指用时间纳秒表示探测深度的范围，时窗长度是根据实际要求的检测深度h和电磁波在待测介质中传递速度来确定的，也可根据以下公式进行计算：

式中：hmax-预估最大检测深度；

v-雷达波在路面各结构层中传播的平均速度；

w-采样时窗

多功能平台的电控部分包括主控系统和收发系统两部分，主控系统包括压力传感器nhdr2x6，实施信号采集处理器hx711-bf和大容量存储系统stm32f101c8t6,大容量存储系统stm32f101c8t6的po1和po2引脚上连接适振荡器作为晶振时钟，收发系统包括发射控制器和接收控制器两部分。

作为本发明的第一实施例，参照附图11，探地雷达的横向分辨率主要通过菲涅尔带加以说明。波动理论认为，入射波前到达反射界面时形成反射波，这种反射波是以相互干涉的形式发生在一个面上的能量的叠加或者相减的带状分布。

设反射界面的埋深为z,发射天线、接收天线的距离远小于z时，横向最小分辨率可以计算为：

式中：rf-横向最小分辨率

λ-雷达子波的波长

z-异常体的埋深长度

作为本发明的第一实施例，雷达的纵向分辨率主要用来识别路面薄层结构的存在，分辨率越高，它能够反应的最小层位越薄。脉冲信号在时域上越窄，频带范围越宽，其纵向分辨率就越高，由脉冲宽度计算公式：h＝1/λ可以看出，雷达的主频与脉冲宽度成倒数关系，即雷达的中心频率越高，纵向分辨率越高。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域技术人员可以在本发明的指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。