胡成云,王業(yè)俊,吳來(lái)杰,文國(guó)軍,李龍杰,韓菲

(1.上海金泰工程機(jī)械有限公司,上海 201805;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)電學(xué)院,武漢 430074;3.中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司,北京 100015)

0 引言

旋挖鉆機(jī)的操作主要依賴(lài)于操作人員的工作經(jīng)驗(yàn),尤其是對(duì)機(jī)鎖鉆桿進(jìn)鎖和解鎖操作需要操作人員正確判斷鎖點(diǎn)的位置,從而保證設(shè)備相應(yīng)動(dòng)作的正確性[1-2]。如果操作不當(dāng)極易發(fā)生不能正確進(jìn)鎖和解鎖的現(xiàn)象,從而造成帶桿、砸桿等嚴(yán)重事故[3-4]。如何實(shí)時(shí)顯示鎖點(diǎn)位置,實(shí)現(xiàn)鉆桿進(jìn)鎖和解鎖的簡(jiǎn)單可靠操作[5],一直是業(yè)界關(guān)注的難點(diǎn)問(wèn)題,其對(duì)保證樁基施工作業(yè)過(guò)程的安全高效具有十分重要的意義。為此,研制開(kāi)發(fā)一套機(jī)鎖鉆桿加壓鎖點(diǎn)可視化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)鉆桿鎖點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)和顯示,便于司鉆人員操作設(shè)備,提高作業(yè)的效率和安全性[6-7]。該可視化系統(tǒng)的總體功能如圖1所示。

圖1 加壓鎖點(diǎn)可視化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 The overall design drawing of visualization system for pressure locking point

1 SH42鉆桿加壓鎖點(diǎn)可視化系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)的功能要求

鉆桿加壓鎖點(diǎn)可視化系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有以下四個(gè)方面:能夠?qū)崟r(shí)顯示鉆孔深度、鉆具(鉆頭和鉆桿)質(zhì)量數(shù)值;實(shí)時(shí)判斷孔深與鉆具重量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,具有帶桿報(bào)警功能;鉆桿進(jìn)鎖位置顯示(以綠色圖標(biāo)表示當(dāng)前深度可以進(jìn)鎖,以灰色圖標(biāo)表示當(dāng)前深度不允許進(jìn)鎖),實(shí)現(xiàn)操作的可視化和安全可靠;具有鉆桿進(jìn)鎖參數(shù)設(shè)置保存、系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)置等功能。

1.2 關(guān)鍵參數(shù)

如圖2所示,主機(jī)回轉(zhuǎn)中心距為5000 mm,標(biāo)配68 m機(jī)鎖桿,鉆頭高度為1500 mm。鉆桿質(zhì)量19 t(一桿4.6 t、二桿4.8 t、三桿3.8 t、四桿5.8 t);鉆頭質(zhì)量3.5 t,總質(zhì)量22.5 t。

圖2 旋挖鉆機(jī)機(jī)鎖桿示意圖Fig.2 Rotary drilling machine with interlocking kelly bar

正常情況下鉆深16 050 mm(一桿擱在動(dòng)力頭上,二桿開(kāi)始伸出),顯示質(zhì)量17.9 t;鉆深33.325 m(二桿完全伸出,三桿開(kāi)始伸出),顯示質(zhì)量13.1 t;鉆深50.6 m(三桿完全伸出,四桿開(kāi)始伸出),顯示質(zhì)量9.3 t。進(jìn)鎖位點(diǎn)和顯示重量變化不在偏差范圍內(nèi),隨即產(chǎn)生帶桿報(bào)警。根據(jù)各鉆桿的換層深度與對(duì)應(yīng)顯示重量的關(guān)系,可以得到鉆孔深度與報(bào)警重量之間的關(guān)系,如圖3所示。

圖3 帶桿報(bào)警參數(shù)值Fig.3 Alarm parameter value with rod

SH42鉆機(jī)配有68 m機(jī)鎖鉆桿(共4桿),各桿上均設(shè)置有4個(gè)加壓鎖點(diǎn)。各桿進(jìn)鎖參數(shù)如表1所示,數(shù)值表示進(jìn)鎖位點(diǎn)及其偏差值。

表1 各桿進(jìn)鎖參數(shù)

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

依據(jù)鉆桿加壓鎖點(diǎn)可視化系統(tǒng)的功能要求,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套可視化的測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)各工作參數(shù)采集、實(shí)時(shí)處理和顯示功能,系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集及處理單元、顯示單元等組成[8-9]。

2.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建

系統(tǒng)硬件由西門(mén)子S7-200、昆侖通態(tài)觸摸屏TPC7032、動(dòng)力頭位置傳感器、主卷?yè)P(yáng)角位移傳感器、鋼繩拉力傳感器等組成[10-12],各模塊和傳感器的工作電壓均為24 V,由開(kāi)關(guān)電源供電,便于簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì),硬件電路原理圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電路原理圖Fig.4 System circuit schematic diagram

可視化系統(tǒng)安裝于防護(hù)式機(jī)箱中,并配置在司鉆操作臺(tái)上,能夠滿(mǎn)足工地多粉塵、高濕度和大振動(dòng)的工作環(huán)境。系統(tǒng)采用220 V單相交流電源供電,便于與現(xiàn)有設(shè)備電控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接?？梢暬到y(tǒng)控制臺(tái)如圖5所示。

圖5 可視化系統(tǒng)控制臺(tái)Fig.5 Visualization system console

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

可視化系統(tǒng)的軟件包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊、鉆桿參數(shù)配置模塊和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊。系統(tǒng)按照1 Hz 的頻率實(shí)時(shí)采集各傳感器的數(shù)據(jù),通過(guò)處理轉(zhuǎn)換為實(shí)際物理量并顯示,同時(shí)對(duì)加壓鎖點(diǎn)的位置進(jìn)行動(dòng)畫(huà)顯示。

圖6是實(shí)時(shí)顯示模塊,系統(tǒng)主界面上實(shí)時(shí)采集并顯示鉆頭位置(鉆孔深度)、鋼繩拉力、動(dòng)力頭位置和最近加壓鎖點(diǎn)的位置等數(shù)值,以及提下放鉆桿的方向和速度值。同時(shí),以動(dòng)畫(huà)形式直觀(guān)展示最近鎖點(diǎn)的狀態(tài),以灰色表示不可進(jìn)鎖狀態(tài),以黃色表示可以進(jìn)鎖狀態(tài)。如果發(fā)生帶桿情況,將會(huì)在屏幕上進(jìn)行報(bào)警提示。

圖6 可視化系統(tǒng)的主界面Fig.6 The main interface of visualization system

圖7是鉆桿參數(shù)配置模塊,鉆桿參數(shù)配置頁(yè)面用于操作人員設(shè)置鉆桿加壓進(jìn)鎖位點(diǎn)、偏差以及鉆桿換層位置和重量等相關(guān)參數(shù)。參數(shù)配置完成之后點(diǎn)擊保存修改的按鈕,鉆桿的配置參數(shù)會(huì)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,作為此后的鉆桿參數(shù)。

圖7 鉆桿參數(shù)配置Fig.7 The parameter setting for drilling pipe

圖8是系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊,系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置頁(yè)面用于配置各傳感器的相關(guān)參數(shù),包括傳感器的儀表系數(shù)和安裝位置偏差校正等(原位點(diǎn)校正、動(dòng)力頭位置傳感器零點(diǎn)校正等),這些系統(tǒng)參數(shù)對(duì)鉆桿加壓鎖點(diǎn)的準(zhǔn)確計(jì)算和系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。

圖8 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置Fig.8 System parameter setting

3 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

3.1 進(jìn)鎖位點(diǎn)準(zhǔn)確性測(cè)試

動(dòng)力頭的位移數(shù)據(jù)通過(guò)磁柵位移傳感器獲取,系統(tǒng)中此磁柵尺的位移測(cè)量?jī)x表系數(shù)設(shè)定為10 mm/P;其他各傳感器的儀表系數(shù)如系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置畫(huà)面所示。鋼絲繩的重量數(shù)據(jù)是根據(jù)鋼絲繩位移和動(dòng)力頭位移數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,保證在測(cè)試過(guò)程中不出現(xiàn)帶桿報(bào)警問(wèn)題。測(cè)試過(guò)程中的進(jìn)鎖位點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄如表2所示,由鉆桿進(jìn)鎖參數(shù)表可以看出進(jìn)鎖動(dòng)畫(huà)的顏色變化與傳感器帶桿報(bào)警參數(shù)正確對(duì)應(yīng),證明了鉆桿鎖點(diǎn)位置動(dòng)畫(huà)的準(zhǔn)確性。

表2 進(jìn)鎖位點(diǎn)準(zhǔn)確性測(cè)試記錄

3.2 帶桿報(bào)警測(cè)試

在帶桿報(bào)警功能測(cè)試中,輸入?yún)?shù)應(yīng)該確保在大部分的測(cè)試位置時(shí)鋼絲繩張力正常,而在預(yù)先設(shè)定的某一位置時(shí)鋼繩張力值應(yīng)當(dāng)大于或小于正常值。本次測(cè)試驗(yàn)證預(yù)設(shè)的帶桿報(bào)警位點(diǎn)第二鉆桿的第三個(gè)鎖點(diǎn),加壓可視化系統(tǒng)默認(rèn)的重量監(jiān)測(cè)誤差設(shè)定為30 kN,為了使系統(tǒng)出現(xiàn)帶桿報(bào)警的狀態(tài),輸入?yún)?shù)與正常的重量相比增加40 kN。動(dòng)力頭位移參測(cè)試過(guò)程中不發(fā)生變動(dòng),保持為0.98 m。傳感器的數(shù)據(jù)變化情況記錄,如表3所示。

表3 帶桿報(bào)警測(cè)試記錄

4 結(jié)語(yǔ)

在帶桿報(bào)警測(cè)試過(guò)程中,由鉆桿進(jìn)鎖參數(shù)表可以看出進(jìn)鎖動(dòng)畫(huà)的顏色變化與傳感器帶桿報(bào)警參數(shù)正確對(duì)應(yīng),驗(yàn)證了鉆桿鎖點(diǎn)位置的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)鉆桿位置與重量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,一旦發(fā)生錯(cuò)誤及時(shí)進(jìn)行帶桿報(bào)警,避免造成嚴(yán)重的設(shè)備事故。通過(guò)測(cè)試表明,SH42機(jī)鎖鉆桿加壓鎖點(diǎn)可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,操作簡(jiǎn)單直觀(guān),功能合理,穩(wěn)定可靠,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo),具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。