基于提鉆與成樁速度同步的長螺旋樁機成樁質(zhì)量控制方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于樁工機械領(lǐng)域，尤其涉及長螺旋樁機在提鉆過程中使提鉆速度保持與成樁速度同步的成樁質(zhì)量控制方法。該控制方法的所需硬件組成包括動力頭彎管處的混凝土壓力傳感器、變頻器、卷揚機驅(qū)動電機、編碼器、電源、主控制器、顯示器；混凝土壓力傳感器、編碼器采集到的壓力信號和轉(zhuǎn)速信號傳入主控制器內(nèi)，經(jīng)主控制器計算，得到電機的轉(zhuǎn)速控制信號，控制信號傳入矢量變頻器內(nèi)，變頻器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)；通過基于編碼器的位置、轉(zhuǎn)速反饋信號可控制電機轉(zhuǎn)速，從而控制提鉆速度和成樁高度的變化，使提鉆速度適應(yīng)鉆桿內(nèi)恒定壓力的要求，保持樁的連續(xù)穩(wěn)定灌注。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于樁工機械領(lǐng)域，尤其涉及長螺旋樁機在提鉆過程中使提鉆速度保持與成樁速度同步的成樁質(zhì)量控制方法。
技術(shù)介紹
伴隨著我國的城市建設(shè)和高鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，樁工地基施工的理論和技術(shù)得到發(fā)展，CFG樁（即水泥粉煤灰碎石樁）復(fù)合地基技術(shù)由于其沉降變形小、施工簡單、造價低、承載力大、適用范圍廣等優(yōu)點，近些年已廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、橋梁、高層建筑、堤壩等路基工程的地基處理和加固中。長螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓混合料灌注成樁是CFG樁最常用的成樁施工方法，該方法是在線成樁，不僅施工效率很高，并且具有低噪音、無泥漿污染、穿透能力強等優(yōu)點。長螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓混合料灌注成樁的施工工藝為：首先由長螺旋鉆機鉆孔，成孔后，一邊通過中空的長螺旋鉆桿直接向孔內(nèi)泵送混凝土，一邊緩慢向上提起鉆桿，從而使得鉆孔、灌漿、成樁一次完成。在上述施工過程中提鉆灌漿過程至關(guān)重要，提鉆、灌漿兩者必須相互協(xié)調(diào)。提鉆過快，混凝土泵送速度跟不上，鉆頭沒有埋在混凝土里，鉆頭處容易形成負壓，造成縮頸、斷樁等質(zhì)量問題；提鉆過慢，會使鉆桿芯管內(nèi)混凝土壓力過高，造成堵管，甚至導(dǎo)致管路崩開等狀況。目前國內(nèi)對長螺旋鉆機提鉆控制都是先根據(jù)混凝土泵的理論泵送流量和樁徑計算出理論最佳提鉆速度，然后對卷揚機的轉(zhuǎn)速進行單獨控制，提鉆過程中由技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗，敲打輸送管或傾聽灌注的聲音以判斷空心鉆桿內(nèi)混凝土是否充實，提鉆速度與混凝土泵送速度是否匹配。這種提鉆方式，自動化程度低，工人勞動強度大，判斷準確與否因人而異，不能保證鉆桿內(nèi)混凝土壓力和穩(wěn)定的成樁質(zhì)量，因而經(jīng)常產(chǎn)生縮頸、斷樁等缺陷。專利
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了克服上述缺陷，本專利技術(shù)目的在于提供一種基于提鉆與成樁速度同步的長螺旋樁機成樁質(zhì)量控制方法。而成樁速度由鉆桿輸出的混凝土流量決定。該方法解決了提鉆速度跟蹤混凝土樁成樁速度的協(xié)調(diào)控制問題，保持連續(xù)穩(wěn)定的成樁質(zhì)量，同時能顯著提高長螺旋樁機提鉆過程的自動化程度，改善了勞動條件。為了實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：一種基于提鉆與成樁速度同步的長螺旋樁機成樁質(zhì)量控制方法，該控制方法的所需硬件組成包括動力頭彎管處的混凝土壓力傳感器、變頻器、卷揚機驅(qū)動電機、編碼器、電源、主控制器、顯示器；混凝土壓力傳感器、編碼器采集到的壓力信號和轉(zhuǎn)速信號傳入主控制器內(nèi)，經(jīng)主控制器計算，得到電機的轉(zhuǎn)速控制信號，控制信號傳入矢量變頻器內(nèi)，變頻器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)；通過基于編碼器的位置、轉(zhuǎn)速反饋信號可控制電機轉(zhuǎn)速，從而控制提鉆速度和成樁高度的變化，使提鉆速度適應(yīng)鉆桿內(nèi)恒定壓力的要求，保持樁的連續(xù)穩(wěn)定灌注。所述混凝土壓力傳感器以保持鉆桿內(nèi)的混凝土壓力作為控制目標，應(yīng)用模糊控制理論，在主控制器內(nèi)設(shè)計電機轉(zhuǎn)速補償環(huán)節(jié)；主控制器綜合考慮電機轉(zhuǎn)速給定值、反饋值、補償值，最終控制電機的轉(zhuǎn)速，控制提鉆速度，使其跟蹤補償鉆桿內(nèi)澆注壓力的變化。?該控制方法的控制過程如下：壓力傳感器采集動力頭彎管處的混凝土壓力，足夠的壓力并保持壓力穩(wěn)定是保證成樁質(zhì)量的基礎(chǔ)。編碼器安裝在卷揚機驅(qū)動電機的尾部，采集卷揚機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，卷揚機通過減速器、滑輪、鋼絲繩，帶動鉆桿上下運動，其確定的機械傳動關(guān)系表明編碼器間接測得了提鉆速度。將動力頭彎管處的混凝土壓力信號和電機轉(zhuǎn)速送入主控制器內(nèi)，通過人機交互界面可向主控制器內(nèi)輸入混凝土壓力給定值、理論提鉆速度。主控制器計算混凝土壓力偏差，并以混凝土壓力偏差及偏差變化率為參數(shù)，設(shè)計電機轉(zhuǎn)速補償器。由于混凝土壓力值與電機轉(zhuǎn)速之間的準確數(shù)學(xué)模型難以建立，補償器可根據(jù)工程經(jīng)驗，采用模糊或自適應(yīng)控制算法，得到轉(zhuǎn)速補償器輸出，使提鉆速度自動補償跟隨鉆桿內(nèi)壓力的變化，保持灌漿的連續(xù)性和穩(wěn)定性，從而保持穩(wěn)定的成樁質(zhì)量。主控制器綜合考慮給定理論提鉆速度、電機轉(zhuǎn)速補償器輸出的轉(zhuǎn)速增量、編碼器傳入的電機實際轉(zhuǎn)速，得到卷揚機驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速偏差，轉(zhuǎn)速偏差通過控制器，得到電機的轉(zhuǎn)速控制信號，控制信號傳入矢量變頻器，變頻器內(nèi)經(jīng)過一系列的坐標變換、整流、逆變，最后輸出三相交流電，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。該方法在對卷揚機驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制時，引入了動力頭彎管處的混凝土壓力作為目標調(diào)節(jié)參數(shù)，該壓力值能反應(yīng)鉆桿內(nèi)混凝土的充實程度，這樣使得提鉆速度能自動跟隨混凝土的泵送及成樁速度。??本專利技術(shù)的有益效果是：本專利技術(shù)以保持鉆桿內(nèi)混凝土壓力作為提鉆速度控制的目標參數(shù)，使提鉆速度自動跟隨輸送到樁上的混凝土的泵送速度，解決了提鉆速度與成樁速度同步的協(xié)調(diào)控制問題，保證了鉆桿內(nèi)一定的灌注壓力和成樁的連續(xù)性、樁徑一致性，能一定程度上避免縮頸、斷樁、堵管等缺陷的產(chǎn)生，從而提高成樁質(zhì)量。本專利技術(shù)的提鉆控制方法通過壓力檢測和速度、位置反饋，實現(xiàn)了自動化提鉆，無需依靠技術(shù)人員憑自身經(jīng)驗去判斷鉆桿內(nèi)混凝土是否充實，無需依靠人工去協(xié)調(diào)提鉆速度和混凝土泵送速度，從而解放了勞動力，提高了成樁質(zhì)量和效率。附圖說明?圖1為本專利技術(shù)中的系統(tǒng)組成及各硬件安裝位置示意圖；圖中1為混凝土壓力傳感器；2為矢量變頻器；3為編碼器；4為卷揚機驅(qū)動電機；5為操作室，主控制器和顯示器均安裝在操作室內(nèi)。圖2為本專利技術(shù)中的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本專利技術(shù)中的提鉆速度的控制原理圖。具體實施方案????下面結(jié)合附圖對本專利技術(shù)進行詳細描述：本專利技術(shù)為解決長螺旋樁機在提鉆過程中提鉆、灌漿、成樁的相互協(xié)調(diào)與速度匹配問題，克服目前提鉆過程中自動化程度低，工人勞動強度大等不足，同時防止造成縮頸、斷樁等質(zhì)量問題，本專利技術(shù)提出了一種基于混凝土壓力反饋的提鉆速度與成樁速度同步的協(xié)調(diào)控制方案，以提高成樁質(zhì)量。由于動力頭彎管處的混凝土壓力能反應(yīng)空心鉆桿內(nèi)的混凝土是否充實，這也間接反映了提鉆速度是否與混凝土的泵送速度協(xié)調(diào)一致的程度。因此，本提鉆控制方案以動力頭彎管處的混凝土壓力作為卷揚機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制的目標調(diào)節(jié)參數(shù)，對卷揚機電機進行速度閉環(huán)矢量控制，如此可以使提鉆速度自動跟隨混凝土樁的成樁速度，以保證成樁的質(zhì)量，同時提高了提鉆過程的自動化程度。該控制方法的硬件由動力頭彎管處的混凝土壓力傳感器1、矢量變頻器2、卷揚機驅(qū)動電機4、編碼器3、主控制器、顯示器、電源組成，各硬件的安裝位置如圖1所示，其中主控制器和顯示器安裝在操作室5內(nèi)。可采用車載PLC作為主控制器，顯示器起到人機交換和狀態(tài)監(jiān)測的作用，電源為各個模塊供電。提鉆時先根據(jù)樁徑、樁深、混凝土的理論泵送速度計算出理論提鉆速度，并通過人機界面將理論提鉆速度輸入主控制器中，經(jīng)過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，得到卷揚機驅(qū)動電機給定轉(zhuǎn)速；編碼器3采集卷揚機驅(qū)動電機的實際轉(zhuǎn)速，并傳入主控制器內(nèi)，通過計算得到電機的轉(zhuǎn)速偏差，轉(zhuǎn)速偏差在主控制器內(nèi)通過計算處理后，向變頻器輸入電機轉(zhuǎn)速控制信號，在變頻器內(nèi)完成卷揚機驅(qū)動電機的矢量控制，如此完成對卷揚機驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。然而由于存在地下環(huán)境復(fù)雜，樁孔存在一定的形狀誤差，混凝土泵的泵送流量隨著壓力的變化有所波動等客觀因素，卷揚機電機的轉(zhuǎn)速和混凝土拖泵的送料速度并不是一個穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系。因此本控制方法通過混凝土壓力傳感器1采集動力頭彎管處的混凝土壓力值，本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種基于提鉆與成樁速度同步的長螺旋樁機成樁質(zhì)量控制方法，該控制方法的所需硬件組成包括動力頭彎管處的混凝土壓力傳感器（1）、變頻器（2）、卷揚機驅(qū)動電機（4）、編碼器（3）、電源、主控制器、顯示器；其特征在于：混凝土壓力傳感器（1）、編碼器（3）采集到的壓力信號和轉(zhuǎn)速信號傳入主控制器內(nèi)，經(jīng)主控制器計算，得到電機的轉(zhuǎn)速控制信號，控制信號傳入矢量變頻器內(nèi)，變頻器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)；通過基于編碼器的位置、轉(zhuǎn)速反饋信號可控制電機轉(zhuǎn)速，從而控制提鉆速度和成樁高度的變化，使提鉆速度適應(yīng)鉆桿內(nèi)恒定壓力的要求，保持樁的連續(xù)穩(wěn)定灌注。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于提鉆與成樁速度同步的長螺旋樁機成樁質(zhì)量控制方法，該控制方法的所需硬件組成包括動力頭彎管處的混凝土壓力傳感器（1）、變頻器（2）、卷揚機驅(qū)動電機（4）、編碼器（3）、電源、主控制器、顯示器；
其特征在于：混凝土壓力傳感器（1）、編碼器（3）采集到的壓力信號和轉(zhuǎn)速信號傳入主控制器內(nèi)，經(jīng)主控制器計算，得到電機的轉(zhuǎn)速控制信號，控制信號傳入矢量變頻器內(nèi)，變頻器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)；
通過基于編碼器的位置、轉(zhuǎn)速反饋信號可控制電機轉(zhuǎn)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：伍軍，余志武，李群明，朱德兵，程維國，何賢軍，劉道學(xué)，陳秀花，王懷海，楊慧豐，孟志華，
申請(專利權(quán))人：中鐵四局集團有限公司，中鐵四局集團機電設(shè)備安裝有限公司，中南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：安徽;34