CN104404952B - 基于提钻与成桩速度同步的长螺旋桩机成桩质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于桩工机械领域，尤其涉及长螺旋桩机在提钻过程中使提钻速度保持与成桩速度同步的成桩质量控制方法。该控制方法的所需硬件组成包括动力头弯管处的混凝土压力传感器、变频器、卷扬机驱动电机、编码器、电源、主控制器、显示器；混凝土压力传感器、编码器采集到的压力信号和转速信号传入主控制器内，经主控制器计算，得到电机的转速控制信号，控制信号传入矢量变频器内，变频器驱动电机旋转；通过基于编码器的位置、转速反馈信号可控制电机转速，从而控制提钻速度和成桩高度的变化，使提钻速度适应钻杆内恒定压力的要求，保持桩的连续稳定灌注。

Description

基于提钻与成桩速度同步的长螺旋桩机成桩质量控制方法

技术领域

本发明属于桩工机械领域，尤其涉及长螺旋桩机在提钻过程中使提钻速度保持与成桩速度同步的成桩质量控制方法。

背景技术

伴随着我国的城市建设和高铁建设的不断发展，桩工地基施工的理论和技术得到发展，CFG桩（即水泥粉煤灰碎石桩）复合地基技术由于其沉降变形小、施工简单、造价低、承载力大、适用范围广等优点，近些年已广泛应用于铁路、公路、桥梁、高层建筑、堤坝等路基工程的地基处理和加固中。长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩是CFG桩最常用的成桩施工方法，该方法是在线成桩，不仅施工效率很高，并且具有低噪音、无泥浆污染、穿透能力强等优点。

长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩的施工工艺为：首先由长螺旋钻机钻孔，成孔后，一边通过中空的长螺旋钻杆直接向孔内泵送混凝土，一边缓慢向上提起钻杆，从而使得钻孔、灌浆、成桩一次完成。在上述施工过程中提钻灌浆过程至关重要，提钻、灌浆两者必须相互协调。提钻过快，混凝土泵送速度跟不上，钻头没有埋在混凝土里，钻头处容易形成负压，造成缩颈、断桩等质量问题；提钻过慢，会使钻杆芯管内混凝土压力过高，造成堵管，甚至导致管路崩开等状况。

目前国内对长螺旋钻机提钻控制都是先根据混凝土泵的理论泵送流量和桩径计算出理论最佳提钻速度，然后对卷扬机的转速进行单独控制，提钻过程中由技术人员根据经验，敲打输送管或倾听灌注的声音以判断空心钻杆内混凝土是否充实，提钻速度与混凝土泵送速度是否匹配。这种提钻方式，自动化程度低，工人劳动强度大，判断准确与否因人而异，不能保证钻杆内混凝土压力和稳定的成桩质量，因而经常产生缩颈、断桩等缺陷。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明目的在于提供一种基于提钻与成桩速度同步的长螺旋桩机成桩质量控制方法。

而成桩速度由钻杆输出的混凝土流量决定。该方法解决了提钻速度跟踪混凝土桩成桩速度的协调控制问题，保持连续稳定的成桩质量，同时能显著提高长螺旋桩机提钻过程的自动化程度，改善了劳动条件。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于提钻与成桩速度同步的长螺旋桩机成桩质量控制方法，该控制方法的所需硬件组成包括动力头弯管处的混凝土压力传感器、变频器、卷扬机驱动电机、编码器、电源、主控制器、显示器；

混凝土压力传感器、编码器采集到的压力信号和转速信号传入主控制器内，经主控制器计算，得到电机的转速控制信号，控制信号传入矢量变频器内，变频器驱动电机旋转；

通过基于编码器的位置、转速反馈信号可控制电机转速，从而控制提钻速度和成桩高度的变化，使提钻速度适应钻杆内恒定压力的要求，保持桩的连续稳定灌注。

所述混凝土压力传感器以保持钻杆内的混凝土压力作为控制目标，应用模糊控制理论，在主控制器内设计电机转速补偿环节；主控制器综合考虑电机转速给定值、反馈值、补偿值，最终控制电机的转速，控制提钻速度，使其跟踪补偿钻杆内浇注压力的变化。

该控制方法的控制过程如下：压力传感器采集动力头弯管处的混凝土压力，足够的压力并保持压力稳定是保证成桩质量的基础。编码器安装在卷扬机驱动电机的尾部，采集卷扬机驱动电机转速，卷扬机通过减速器、滑轮、钢丝绳，带动钻杆上下运动，其确定的机械传动关系表明编码器间接测得了提钻速度。将动力头弯管处的混凝土压力信号和电机转速送入主控制器内，通过人机交互界面可向主控制器内输入混凝土压力给定值、理论提钻速度。主控制器计算混凝土压力偏差，并以混凝土压力偏差及偏差变化率为参数，设计电机转速补偿器。由于混凝土压力值与电机转速之间的准确数学模型难以建立，补偿器可根据工程经验，采用模糊或自适应控制算法，得到转速补偿器输出，使提钻速度自动补偿跟随钻杆内压力的变化，保持灌浆的连续性和稳定性，从而保持稳定的成桩质量。主控制器综合考虑给定理论提钻速度、电机转速补偿器输出的转速增量、编码器传入的电机实际转速，得到卷扬机驱动电机的转速偏差，转速偏差通过控制器，得到电机的转速控制信号，控制信号传入矢量变频器，变频器内经过一系列的坐标变换、整流、逆变，最后输出三相交流电，驱动电机转动。

该方法在对卷扬机驱动电机的转速进行闭环控制时，引入了动力头弯管处的混凝土压力作为目标调节参数，该压力值能反应钻杆内混凝土的充实程度，这样使得提钻速度能自动跟随混凝土的泵送及成桩速度。

本发明的有益效果是：

本发明以保持钻杆内混凝土压力作为提钻速度控制的目标参数，使提钻速度自动跟随输送到桩上的混凝土的泵送速度，解决了提钻速度与成桩速度同步的协调控制问题，保证了钻杆内一定的灌注压力和成桩的连续性、桩径一致性，能一定程度上避免缩颈、断桩、堵管等缺陷的产生，从而提高成桩质量。

本发明的提钻控制方法通过压力检测和速度、位置反馈，实现了自动化提钻，无需依靠技术人员凭自身经验去判断钻杆内混凝土是否充实，无需依靠人工去协调提钻速度和混凝土泵送速度，从而解放了劳动力，提高了成桩质量和效率。

附图说明

图1为本发明中的系统组成及各硬件安装位置示意图；

图中1为混凝土压力传感器；2为矢量变频器；3为编码器；4为卷扬机驱动电机；5为操作室，主控制器和显示器均安装在操作室内。

图2为本发明中的总体结构示意图；

图3为本发明中的提钻速度的控制原理图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明进行详细描述：

本发明为解决长螺旋桩机在提钻过程中提钻、灌浆、成桩的相互协调与速度匹配问题，克服目前提钻过程中自动化程度低，工人劳动强度大等不足，同时防止造成缩颈、断桩等质量问题，本发明提出了一种基于混凝土压力反馈的提钻速度与成桩速度同步的协调控制方案，以提高成桩质量。

由于动力头弯管处的混凝土压力能反应空心钻杆内的混凝土是否充实，这也间接反映了提钻速度是否与混凝土的泵送速度协调一致的程度。因此，本提钻控制方案以动力头弯管处的混凝土压力作为卷扬机驱动电机转速控制的目标调节参数，对卷扬机电机进行速度闭环矢量控制，如此可以使提钻速度自动跟随混凝土桩的成桩速度，以保证成桩的质量，同时提高了提钻过程的自动化程度。

该控制方法的硬件由动力头弯管处的混凝土压力传感器1、矢量变频器2、卷扬机驱动电机4、编码器3、主控制器、显示器、电源组成，各硬件的安装位置如图1所示，其中主控制器和显示器安装在操作室5内。可采用车载PLC作为主控制器，显示器起到人机交换和状态监测的作用，电源为各个模块供电。

提钻时先根据桩径、桩深、混凝土的理论泵送速度计算出理论提钻速度，并通过人机界面将理论提钻速度输入主控制器中，经过数学转换，得到卷扬机驱动电机给定转速；编码器3采集卷扬机驱动电机的实际转速，并传入主控制器内，通过计算得到电机的转速偏差，转速偏差在主控制器内通过计算处理后，向变频器输入电机转速控制信号，在变频器内完成卷扬机驱动电机的矢量控制，如此完成对卷扬机驱动电机的转速闭环控制。

然而由于存在地下环境复杂，桩孔存在一定的形状误差，混凝土泵的泵送流量随着压力的变化有所波动等客观因素，卷扬机电机的转速和混凝土拖泵的送料速度并不是一个稳定的对应关系。因此本控制方法通过混凝土压力传感器1采集动力头弯管处的混凝土压力值，并输入主控制器内，根据给定压力值和实际压力值得到压力偏差，以压力偏差和偏差变化率为参数，在主控制器内设计电机转速补偿环节。由于受混凝土泵送流量波动、地下环境多样性等因素的影响，钻杆内混凝土的压力值与提钻速度之间虽然有确定的数学关系，但其精确数学模型的建立比较困难，因此该速度补偿环节可根据工程经验，采用模糊算法、或自适应等智能控制算法实现。通过转速补偿环节可得到电机的转速增量，并将该转速增量添加到电机的转速闭环控制中，如图3所示。

该控制方案能达到的控制效果：当动力头弯管处的混凝土压偏小时，表明钻杆内混凝土的充实度不够，此时通过转速补偿器，计算得到负的转速增量，并将该负增量加入电机的转速闭环控制中，控制电机减慢输出转速，从而降低提钻速度，让钻杆内混凝土更充实，使得提钻速度自动跟随混凝土桩的泵送流量，保证桩径质量。反之亦然。

Claims (2)

1.一种基于提钻与成桩速度同步的长螺旋桩机成桩质量控制方法，该控制方法的所需硬件组成包括动力头弯管处的混凝土压力传感器（1）、矢量变频器（2）、卷扬机驱动电机（4）、编码器（3）、电源、主控制器、显示器；

其特征在于：混凝土压力传感器（1）采集到的压力信号、编码器（3）采集到的转速信号传入主控制器内，经主控制器计算，得到电机的转速控制信号，控制信号传入矢量变频器内，矢量变频器驱动电机旋转；

通过基于编码器的位置、转速反馈信号控制电机转速，从而控制提钻速度和成桩高度的变化，使提钻速度适应钻杆内恒定压力的要求，保持桩的连续稳定灌注；

本控制方法以动力头弯管处的混凝土压力作为卷扬机驱动电机转速控制的目标调节参数，对卷扬机驱动电机进行速度闭环矢量控制，使提钻速度自动跟随混凝土桩的成桩速度，以保证成桩的质量，同时提高了提钻过程的自动化程度。

2.根据权利要求1所述的基于提钻与成桩速度同步的长螺旋桩机成桩质量控制方法，其特征在于：

所述混凝土压力传感器（1）采集动力头弯管处的混凝土压力，以保持钻杆内的混凝土压力作为控制目标，应用模糊控制理论，在主控制器内设计电机转速补偿环节；主控制器综合考虑电机转速给定值、反馈值和补偿值，最终控制电机的转速，控制提钻速度，使其跟踪补偿钻杆内浇注压力的变化。