一種根據(jù)地層自動(dòng)控制鉆進(jìn)的旋挖鉆機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)，尤其是涉及一種根據(jù)地層自動(dòng)控制鉆進(jìn)的旋挖鉆機(jī)控制系統(tǒng)，屬于工程機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]旋挖鉆機(jī)是一種多用途的建筑基礎(chǔ)粧施工設(shè)備，可以在各種地層下進(jìn)行施工，不同的地層對(duì)旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)工法的要求不同。我國幅員遼闊，地層各異，且在同一位置不同深度的地層也不同。旋挖鉆機(jī)施工主要以人工建立為主。因地下施工，在鉆進(jìn)時(shí)需要依靠建立機(jī)手實(shí)時(shí)的觀察鉆進(jìn)速度、感知先導(dǎo)手柄壓力的變化來調(diào)整加壓壓力、動(dòng)力頭扭矩來改變鉆進(jìn)方法，建立機(jī)手的經(jīng)驗(yàn)積累成為一個(gè)安全高效施工十分重要的因素，近幾年來隨著施工經(jīng)驗(yàn)的不斷積累和總結(jié)，有關(guān)部門和企業(yè)在此基礎(chǔ)上形成了系統(tǒng)的施工工法文件，用以指導(dǎo)現(xiàn)場施工，施工工法的規(guī)范和應(yīng)用很大程度上為旋挖鉆機(jī)的應(yīng)用起到了推廣作用，但施工工法是需要學(xué)習(xí)、掌握并熟練應(yīng)用才能有效果的，國外市場也有相關(guān)的旋挖鉆機(jī)，但是這些結(jié)構(gòu)大都比較復(fù)雜，成本較高，一旦出現(xiàn)問題，維修成本較高，因此迫切的需要一種新的方案解決上述技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明正是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)中存在的問題，提供了一種根據(jù)地層自動(dòng)控制鉆進(jìn)的旋挖鉆機(jī)控制系統(tǒng)，該技術(shù)方案把旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)建立的部份施工方法通過軟硬件的方式固化到設(shè)備的電液控制系統(tǒng)中，讓一個(gè)新的旋挖鉆機(jī)建立機(jī)手能通過簡單的建立就能很好的應(yīng)用成熟的施工工法鉆進(jìn)施工，降低了工作難度，提高了工作效率。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下，一種根據(jù)地層自動(dòng)控制鉆進(jìn)的旋挖鉆機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述旋挖鉆機(jī)控制系統(tǒng)包括鉆具，帶動(dòng)所述鉆具鉆進(jìn)的鉆桿，拉動(dòng)所述鉆桿上下動(dòng)作的主卷揚(yáng)鋼絲繩，與所述主卷揚(yáng)鋼絲繩連接的主卷揚(yáng)，與所述主卷揚(yáng)連接的主卷揚(yáng)馬達(dá)，與所述主卷揚(yáng)馬達(dá)連接的主卷揚(yáng)比例電磁閥，驅(qū)動(dòng)所述鉆桿旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的動(dòng)力頭，與所述動(dòng)力頭連接的動(dòng)力頭液壓馬達(dá)，與所述液壓馬達(dá)連接的動(dòng)力頭電液比例閥，與所述動(dòng)力頭連接的加壓油缸，與所述加壓油缸連接的加壓電液比例閥；與所述主卷揚(yáng)鋼絲繩連接的主卷揚(yáng)拉力傳感器，用于獲取所述鋼絲繩所受的拉力；與所述主卷揚(yáng)鋼絲繩連接的測深傳感器，用于測量所述鋼絲繩下放的長度與速度，獲取鉆孔的速度、深度與鉆具的位置;與所述動(dòng)力頭連接的動(dòng)力頭扭矩傳感器，用于測量所述動(dòng)力頭馬達(dá)的動(dòng)作壓力，通過計(jì)算獲取所述動(dòng)力頭的扭矩變化數(shù)據(jù);與所述加壓油缸連接的加壓壓力傳感器，用于測量所述加壓油缸的壓力變化，獲取所述加壓油缸對(duì)所述動(dòng)力頭的加壓力變化數(shù)據(jù)，與所述主卷揚(yáng)拉力傳感器、測深傳感器、動(dòng)力頭扭矩傳感器、加壓壓力傳感器連接的控制器(CPU)通過收集和分析所述拉力傳感器、測深傳感器、動(dòng)力頭扭矩傳感器、加壓壓力傳感器的數(shù)據(jù)并結(jié)合數(shù)據(jù)庫分析再驅(qū)動(dòng)所述主卷揚(yáng)比例電磁閥、動(dòng)力頭比例電磁閥和加壓比例電磁閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)旋挖鉆機(jī)根據(jù)地層自動(dòng)控制鉆進(jìn)功能。所述主卷揚(yáng)驅(qū)動(dòng)所述主卷揚(yáng)鋼絲繩下放所述鉆桿和鉆具到孔底部，啟動(dòng)自動(dòng)鉆進(jìn)，主卷揚(yáng)浮動(dòng)，在標(biāo)準(zhǔn)加壓力和標(biāo)準(zhǔn)扭矩下旋挖鉆機(jī)開始鉆進(jìn)工作。
[0005]所述動(dòng)力頭扭矩傳感器監(jiān)測動(dòng)力頭馬達(dá)進(jìn)口壓力的變化，并將所述壓力變化傳遞強(qiáng)所述控制器(CPU)，以使所述控制器(CPU)根據(jù)所述動(dòng)力頭馬達(dá)進(jìn)口壓力變化計(jì)算出動(dòng)力頭扭矩變化，根據(jù)所述扭矩變化做為判斷所述鉆具鉆進(jìn)的地層的依據(jù)之一。
[0006]所述測深傳感器監(jiān)測所述主卷揚(yáng)鋼絲繩的下放速度，即所述鉆具的鉆進(jìn)速度。并將所述鉆進(jìn)速度傳遞到所述控制器(CPU)，以使所述控制器(CPU)根據(jù)所述鉆進(jìn)速度做為鉆具鉆進(jìn)的地層的判斷依據(jù)之一。
[0007]所述加壓壓力傳感器監(jiān)測所述加壓油缸加壓力的變化，并將所述加壓力的變化傳遞到所述控制器(CPU)，以使所述控制器(CPU)根據(jù)所述加壓壓力變化做為鉆具鉆進(jìn)的地層的判讀依據(jù)之一。
[0008]所述鉆具鉆進(jìn)時(shí)，根據(jù)所述動(dòng)力頭扭矩變化、鉆具鉆進(jìn)速度、加壓壓力變化及系統(tǒng)內(nèi)部集成的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，即可判斷出所述鉆具現(xiàn)時(shí)鉆進(jìn)的地層信息。
[0009]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述控制器(CPU)包括CPU信號(hào)采集單元、CPU邏輯控制單元、CPU通訊控制單元以及CPU比例閥驅(qū)動(dòng)單元;所述CPU信號(hào)采集單元收集加壓壓力傳感器、主卷揚(yáng)拉力傳感器、動(dòng)力頭扭矩傳感器以及測深傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)，CPU邏輯控制單元計(jì)算出實(shí)際鉆進(jìn)的地層，CPU通訊控制單元將信息反饋執(zhí)顯示界面，CPU邏輯控制單元檢索施工數(shù)據(jù)庫，找調(diào)用施工方案，通過CPU比例閥驅(qū)動(dòng)單元控制加壓油缸、動(dòng)力頭馬達(dá)以及主卷揚(yáng)馬達(dá)動(dòng)作。
[0010]根據(jù)地層自動(dòng)控制鉆進(jìn)的旋挖鉆機(jī)控制系統(tǒng)的建立方法，所述方法包括以下步驟:
1)建立施工數(shù)據(jù)庫。針對(duì)淤泥地層、人工填土層、黏土地層、砂土層、碎、卵石地層、泥巖地層、礫巖、砂巖地層、石灰?guī)r地層、硬質(zhì)巖地層等，旋挖鉆機(jī)最有效的施工方法，分別整理并建立數(shù)據(jù)庫，主要有兩個(gè)方面的內(nèi)容，第一是監(jiān)測數(shù)據(jù)庫(建立過程如圖2所示)，鉆機(jī)如何自動(dòng)測量是在那種地層施工，第二是施工數(shù)據(jù)庫(建立過程如圖3所示)，針對(duì)各種地層的施工方案(施工方案來源于大量的實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié))；
2)植入數(shù)據(jù)庫到旋挖鉆機(jī)的控制系統(tǒng)中；
3)施工過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測的動(dòng)力頭扭矩、加壓壓力的變化數(shù)據(jù)輸入監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合地質(zhì)報(bào)告自動(dòng)判斷正在鉆進(jìn)的是何種地層；
4)實(shí)時(shí)監(jiān)測出的地層信息輸入施工數(shù)據(jù)庫；
5)施工數(shù)據(jù)庫調(diào)用相應(yīng)的施工方案驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭，加壓油缸及主卷動(dòng)作達(dá)到最佳鉆進(jìn)效果;
6)整機(jī)各項(xiàng)施工數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到中央控制部分，以備數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)改進(jìn)。
[0011]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟I)中的具體步驟如下，11)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫的建立過程，
(111)收集地層特征，形成各地層特征子集，
(112)修建實(shí)驗(yàn)場，直徑5M，從地表向下5至1M的圓柱形，每種地層一個(gè)，建成單一地層實(shí)驗(yàn)場地，如淤泥地層實(shí)驗(yàn)場、人工填土層實(shí)驗(yàn)場、黏土地層實(shí)驗(yàn)場、砂土層實(shí)驗(yàn)場、碎、卵石地層實(shí)驗(yàn)場、泥巖地層實(shí)驗(yàn)場、礫巖實(shí)驗(yàn)場、砂巖地層實(shí)驗(yàn)場、石灰?guī)r地層實(shí)驗(yàn)場、硬質(zhì)巖地層實(shí)驗(yàn)場等；
(1113)收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，旋挖鉆分別在單一地層實(shí)驗(yàn)場地施工，在10KN的標(biāo)準(zhǔn)加壓力和220KN.m的標(biāo)準(zhǔn)扭矩下:通過所述測深傳感器，獲取鉆孔的速度數(shù)據(jù)△ V;通過所述動(dòng)力頭扭矩傳感器，獲得所述動(dòng)力頭的扭矩變化數(shù)據(jù)A P;通過所述加壓壓力傳感器，獲取所述加壓油缸對(duì)所述動(dòng)力頭的加壓力變化數(shù)據(jù)A N，通過數(shù)據(jù)采集模塊，進(jìn)入所述控制器的信號(hào)采集單元，形成變化曲線存儲(chǔ)到相對(duì)應(yīng)地層的子數(shù)據(jù)庫；
(1114)各地層特征子集與各種地層的子數(shù)據(jù)庫組合成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫；
12 )施工數(shù)據(jù)庫的建立過程，
(121)修建實(shí)驗(yàn)場，直徑5M，從地表向下5至1M的圓柱形，每種地層一個(gè)，建成單一地層實(shí)驗(yàn)場地，如淤泥地層實(shí)驗(yàn)場、人工填土層實(shí)驗(yàn)場、黏土地層實(shí)驗(yàn)場、砂土層實(shí)驗(yàn)場、碎、卵石地層實(shí)驗(yàn)場、泥巖地層實(shí)驗(yàn)場、礫巖實(shí)驗(yàn)場、砂巖地層實(shí)驗(yàn)場、石灰?guī)r地層實(shí)驗(yàn)場、硬質(zhì)巖地層實(shí)驗(yàn)場等；
(122)旋挖鉆分別在單一地層實(shí)驗(yàn)場地施工，結(jié)合施工工法，通過控制器手動(dòng)調(diào)節(jié)三個(gè)比例電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流數(shù)據(jù)即與所述主卷揚(yáng)馬達(dá)連接的主卷揚(yáng)比例電磁閥，與所述液壓馬達(dá)連接的動(dòng)力頭電液比例閥，與所述加壓油缸連接的加壓電液比例閥；使鉆進(jìn)速度和鉆孔質(zhì)量最佳，收集此時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集模塊，進(jìn)入所述控制器的邏輯控制單元B，形成對(duì)應(yīng)地層的驅(qū)動(dòng)方案，存儲(chǔ)到相對(duì)應(yīng)地層的鉆進(jìn)模式子數(shù)據(jù)庫，
(123)各種地層的鉆進(jìn)模式子數(shù)據(jù)庫組成施工數(shù)據(jù)庫。
[0012]根據(jù)地層自動(dòng)控制鉆進(jìn)的旋挖鉆機(jī)控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述控制方法如下，
1)旋挖鉆機(jī)做好施工準(zhǔn)備；
2)主卷揚(yáng)上升和下降的電液比例閥驅(qū)動(dòng)主卷揚(yáng)下放鉆桿鉆頭，當(dāng)主卷揚(yáng)鋼絲繩吊重的拉力傳感器測量的拉力小于2噸時(shí)停止下放，鉆頭觸底；
3)顯示界面上啟動(dòng)自動(dòng)鉆進(jìn)功能；
4)系統(tǒng)自動(dòng)輸入:100KN的標(biāo)準(zhǔn)加壓力和220KN.ni的標(biāo)準(zhǔn)扭矩，并驅(qū)動(dòng)加壓比例電磁閥和動(dòng)力頭比例電磁閥開始鉆進(jìn)；
鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測加壓壓力和動(dòng)力頭扭矩，并結(jié)合臨監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)傳輸給CPU邏輯控制單元計(jì)算出當(dāng)前施工的鉆具現(xiàn)時(shí)實(shí)際鉆進(jìn)地層；
5)CPU邏輯控制單元檢索施工數(shù)據(jù)庫中的施工方案，如圖3所示，根所當(dāng)前施工的鉆具現(xiàn)時(shí)實(shí)際鉆進(jìn)地層，選擇鉆進(jìn)模式，并調(diào)用相對(duì)應(yīng)的施工方案;在CPU邏輯控制單元分析計(jì)算過程中，實(shí)時(shí)的把