CN107202611B - 用于强夯作业过程监测的传感型定滑轮测试系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于强夯作业过程监测的传感型定滑轮测试系统及其方法，系统包括环码定滑轮和逻辑控制器，环码定滑轮的侧壁有一圈环形的条码，扫码器扫描条码，读取到环码定滑轮转过的圈数和任意两个条码位置之间的角度，精确到0.5°；环码定滑轮的轴为配套的轴销式测力传感器，通过螺栓固定在支撑臂上,实时测量环码定滑轮轮轴所受压力；逻辑控制器接收并处理来自轴销式测力传感器、和扫码器的实时数据，进而计算并输出给显示器落距、锤重、夯击能，不满足要求时报警器报警，以实时监测强夯施工质量。

Description

用于强夯作业过程监测的传感型定滑轮测试系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于强夯作业过程监测的传感型定滑轮测试系统及其方法，尤其是适用于强夯作业过程中夯锤自重、落距以及夯击次数的监测。

背景技术

强夯法是通过将直径为1-3米的重锤(8-40吨)起吊至一定高度(6-30米)后，使其自由下落，利用重锤下落的冲击能对土体进行动力夯实，以提高其压实度和强度、降低其压缩性的一种土体加固方法。强夯法因其使用设备简单、施工操作方便、适用土质范围广、施工速度快、施工费用低等优点被广泛应用于路基、地基的加固处理中。

土体强夯作用的加固效果主要由夯击能和夯击次数决定，止夯标准是最后两击的夯沉量平均值不超过5cm。夯击能是夯锤自重和其落距的乘积，一般情况下，夯锤越重、落距越大，土体的夯沉量也就越大，加固效果越好。但是在大范围的现场施工过程中，因其夯锤落距、夯点位置全凭施工人员肉眼控制，监管不严的情况下有可能出现因夯锤锤重过轻和落距不足导致夯击能达不到设计标准，甚至因夯击次数不够等施工质量问题，最终导致强夯施工质量达不到设计标准，从而产生工程质量缺陷。经调研，夯锤落距的测试多由红外/激光测距仪或记录滑轮转动圈数得到。徐军库等(申请号：201510593581.9)所述的一种激光测距仪安装于强夯机吊臂顶部，通过测试距离夯锤的距离获得落距，但现场实际测试时，激光测距仪会因强夯机械的振动而产生晃动，导致实测的落距不稳定并出现偏差。魏群等(申请号：201320628514.2)所述的将编码器固定在卷扬装置的转动部件上，根据所接收到的编码器脉冲次数计算转动圈数和落距；唐科等(申请号201620123554.5)所述的在滑轮边缘均布8个磁铁，通过传感器接收磁铁信号来计算滑轮圈数和落距。但是在实际实施时，由于强夯机械转动滑轮与外侧防护壳的间隙很小，很难将上述的编码器或磁铁安装在滑轮外侧；更重要的是，考虑到强夯的止夯标准仅为5cm，如果只依据记录滑轮转动圈数，会导致因滑轮转动不足一圈时不计入圈数而产生测试误差，例如以直径为10cm的小滑轮计算，转动一圈的落距为3.14×10cm＝31.4cm，但未转动不足一圈时引起的测量误差有可能达到30cm，引起止夯误判。因此，除了记录滑轮的转动圈数外，还需要准确获知不足一圈时滑轮转动的角度。对于夯锤自重的测试，魏群等人(申请号：201320628514.2)通过压力传感器测试马达上升腔体的压力，该方法仅是为了获得夯锤被起吊和落下的准确时间，并非是测试夯锤的真实重量。唐科等人(申请号201620123554.5)提出采用旁压传感器测试夯锤自重，但实际操作时安装较为困难。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于强夯作业过程监测的传感型定滑轮测试系统及其方法，能够实时监控并记录每次夯击的落距、实时监控并记录锤重、计算夯击能和实时监控并记录每一击的夯沉量及总夯沉量，解决强夯现场施工质量不易控制的问题，保证工程质量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于强夯作业过程监测的传感型定滑轮测试系统，包括环码定滑轮和逻辑控制器，所述环码定滑轮的侧壁有一圈环形的条码，所述环码定滑轮的中心轴为配套的轴销式测力传感器，通过螺栓固定在支撑臂上,实时测量环码定滑轮轮轴所受压力；

所述逻辑控制器接收来自轴销式测力传感器和扫码器的实时数据。

进一步的，所述环码定滑轮侧壁有一圈环形的条码，通过扫码器扫描读取到定滑轮转过的圈数和任意两个条码位置之间的角度。

进一步的，所述扫码器固定在环码定滑轮一侧的支撑轴上，扫描环码定滑轮上的环形条码，读取到定滑轮转过的圈数a和任意两个条码位置之间的角度θ，精确到0.5°。并实时传输扫描结果给逻辑控制器。

进一步的，所述轴销式测力传感器作为中心轴套在环码定滑轮内径中间，实时测量环码定滑轮轮轴所受压力T，当夯锤被吊起静止或者匀速运动时，逻辑控制器计算夯锤的重量为T_n。

进一步的，所述轴销式测力传感器两侧套有保护性垫片。

进一步的，轴销式测力传感器与逻辑控制器无线通信。

进一步的，所述逻辑控制器与轴销式测力传感器无线通信，轴销式测力传感器实时传送压力值给逻辑控制器，逻辑控制器对轴销式测力传感器调零，超量程断电保护控制。

进一步的，逻辑控制器和扫码器无线连接并接收来自扫码器的实时条码信息，并对条码信息做实时存储与处理控制。

进一步的，所述逻辑控制器还连接有显示器和报警器。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)输入施工设计标准参数，具体包括夯锤锤重T_额定、落距H_额定和最后两击的平均夯沉量S，输入与环码定滑轮所切两段直线钢丝绳之间的夹角α、环码定滑轮半径R；

(2)强夯机起吊夯锤前，对轴销式测力传感器调零；

(3)起吊夯锤时轴销式测力传感器同时检测环码定滑轮所受压力值，从吊钩勾上夯锤到吊起，检测压力值由峰值突变减小到在稳定压力值附近时，记录此压力值T；

(4)计算实测锤重T_n，并将其与标准锤重比较，若小于标准锤重，则进行报警；

(5)当检测到压力值由峰值突变减小并稳定在压力值T附近时，记录环码定滑轮上的条码位置信息，并以此位置作为环码定滑轮旋转的初始路程位置，不断扫描到初始路程位置处的条码信息，记录扫描到的次数，即为滑轮所转过的圈数a；

(6)夯锤上升到一定高度，脱钩，轴销式测力传感器监测的压力值接近0，逻辑控制器记录累计夯击次数加1并记录环码位置信息，并将此位置信息作为终止位置信息，从记录初始位置信息到终止位置信息，环码定滑轮转过a圈加最后不完整的一圈，最后不完整的一圈转过的角度即为初始条码位置与终止条码位置的圆心角θ，由此得到夯锤上升的高度，即夯锤落距H_n，计算夯击能W_n+1。当夯锤落距H_n小于标准落距H_额定，进行报警；

(7)计算夯沉量S_n+1及累计夯沉量L_n+1，并判断夯沉量S_n+1与最后两击的平均夯沉量S，若S_n+1>S，继续夯击提示，若S_n+1<S，夯击终止，并累计夯沉量。

进一步的，夯锤重、落距、夯击能、夯沉量、累计夯沉量的计算方式为：夯锤重

落距

夯击能W_n+1＝H_n·T_n、夯沉量S_n+1＝H_n-H_n+1、累计夯沉量L_n+1＝∑S_n+1(n＝0、1、2、3···)；

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明依据实时多源信息，对夯击过程监测并能及时判断加固效果，评价效果直观；

本发明能够减少人为因素对测量精度和结果可靠度的影响，具有精度高、可靠性高、操作方便等优点；

本发明可缩短工期，常规施工数据监测过程中，人工检测时间占整个施夯过程一半的时间，本发明可自动采集数据并实时存储并显示化可大大缩短工期；

本发明在夜间或恶劣天气下仍可正常作业，仪器抗干扰能力强，测量精度不随外界环境改变而降低，可实现全天候施工监测；

本发明不需大幅改装强夯机，只需在原有强夯机上做小幅改动，即可实现此强夯作业过程监测系统，且安装方便。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明用于强夯作业过程监测的传感型定滑轮测试系统结构框图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3(a)和图3(b)为本发明的详细结构示意图。

其中，1.逻辑控制器，2.轴销式测力传感器，3.环码定滑轮，4.扫码器，5.显示器，6.报警器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在强夯现场施工质量不易控制的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于强夯作业过程监测的传感型定滑轮测试系统。运用这种用于强夯作业过程监测的传感型定滑轮测试系统，(1)可以实时监控并记录每次夯击的落距；(2)可以实时监控并记录锤重、计算夯击能；(3)可以实时监控并记录每一击的夯沉量及总夯沉量。对施工过程进行全程监测，保证工程质量。

一种用于强夯作业过程监测的传感型定滑轮测试系统及其方法，该系统以强夯机为基础，包括逻辑控制器1，轴销式测力传感器2，环码定滑轮3，扫码器4，显示器5，报警器6；

逻辑控制器1与轴销式测力传感器2无线通信；逻辑控制器1与报警器6，显示器5相连并集成为施工监测人员便携的仪器；逻辑控制器1与扫码器4无线相连，扫码器4扫描环码定滑轮3上条码信息。

逻辑控制器1接收来自轴销式测力传感器2的实时压力值信息；扫码器4实时扫描条码信息；逻辑控制器1根据不同的信息做出不同的计算、存储、输出。逻辑控制器1还可对轴销式测力传感器调零，超量程断电保护控制。

轴销式测力传感器2作为轮轴安装在环码定滑轮4内径之间，滑轮两侧有保护性垫片，以保护轴销式测力传感器2不被偶然冲击荷载破坏。可以实时测量环码定滑轮3轮轴所受压力T，当夯锤被吊起静止或者匀速运动时，夯锤的重量为T_n。

环码定滑轮3的滑轮侧壁有一圈环形的条码，此条码可以通过扫码器4扫描读取到定滑轮转过路程信息，此路程信息即为夯锤所经过的位移H_n。

扫码器4通过固定螺栓固定在环码定滑轮3一侧的轮轴上，扫描环码定滑轮3上的环形条码，并实时传输扫描结果给逻辑控制器1。

显示器5与逻辑控制器1、报警器6相连并集成为施工监测人员便携的监测仪器，显示器可实时显示夯锤锤重T_n、夯锤落距H_n、夯击能W_n+1，夯沉量S_n+1及总夯沉量L_n+1。

报警器6接收来自逻辑控制器1的报警信息不满足要求时报警。

一种用于强夯作业过程监测的传感型定滑轮测试系统的工作方法，包括以下步骤：

第一步：对逻辑控制器1输入施工设计标准参数：夯锤锤重T_额定、落距H_额定、最后两击的平均夯沉量S；对逻辑控制器1输入与环码定滑轮3所切两段直线钢丝绳之间的夹角α；环码定滑轮半径R。

第二步：强夯机起吊夯锤前，逻辑控制器1对轴销式测力传感器2调零。

第三步：起吊夯锤时轴销式测力传感器2同时检测环码定滑轮3实时所受压力值T，并将实时压力值数据传输给逻辑控制器1。从吊钩勾上夯锤到吊起，由于突然吊起时为动载荷，轴销式测力传感器2测量的压力值将会经历从0到一个峰值的过程，下一个瞬间会突变减小，之后当夯锤静止空中或上升时，压力值会在T附近做微小波动。当逻辑控制器1检测到力值由峰值突变减小到在T附近做微小波动时，记录此瞬间的压力值T。此后第四步，第五步同时进行，以下分别阐述。

第四步：逻辑控制器1计算实测锤重：

并将此锤重数据传输给显示器5，同时逻辑控制器1做出判断，当实测锤重小于标准锤重T_额定，逻辑控制器1将报警信号传输给报警器6，报警器6发出报警声，当实测锤重T_n大于等于标准锤重T_额定，逻辑控制器1对报警器6不发报警信号。

第五步：当逻辑控制器1检测到力值由峰值突变减小的瞬间，逻辑控制器1记录扫码器4传来的环码定滑轮3上的条码位置信息，并以此位置作为环码定滑轮3旋转的初始路程位置。在此后随着环码定滑轮3的不断旋转，扫码器4不断扫描到初始路程位置处的条码信息，逻辑控制器1记录扫描到的次数，即为滑轮所转过的圈数a，此时夯锤处于上升状态，上升到一定高度后，夯锤脱钩，随即轴销式测力传感器2传输给逻辑控制器1的力值接近0，逻辑传感器1累计夯击次数加1。

第六步，当轴销式测力传感器2传输给逻辑控制器1的力值接近0的瞬间，逻辑控制器1记录扫码器4传来的条码位置信息，并将此位置信息作为终止位置信息。逻辑控制器1从记录初始位置信息到终止位置信息，环码定滑轮3转过a圈加最后不完整的一圈，最后不完整的一圈转过的角度即为初始条码位置与终止条码位置的圆心角θ，由此可得到夯锤上升的高度，即夯锤落距为：

逻辑控制器1计算夯击能：W_n+1＝H_n×T_n(n＝0、1、2、3···)，记录并传输此夯锤落距H_n和夯击能W_n+1给显示器5。同时逻辑控制器1做出判断，当夯锤落距H_n小于标准落距H_额定，逻辑控制器1对报警器6发出报警信号，报警器6发出报警声，当夯锤落距H_n大于等于标准落距H_额定，逻辑控制器1对报警器6不发报警信号。

第七步，逻辑控制器1计算夯沉量S_n+1＝H_n-H_n+1(n＝0、1、2、3···)，并判断S_n+1与S大小，若S_n+1>S，逻辑控制器1输出给显示器5继续夯击提示，若S_n+1<S，逻辑控制器1输出给显示器5此次夯击终止提示。同时逻辑控制器1计算累计夯沉量，累计夯沉量计算公式为：L_n+1＝∑S_n+1(n＝0、1、2、3···)。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种用于强夯作业过程监测的传感型定滑轮测试系统的工作方法，所述系统包括环码定滑轮和逻辑控制器，所述环码定滑轮的侧壁有一圈环形的条码，扫码器读取到环码定滑轮转过的圈数和任意两个条码位置之间的角度，所述环码定滑轮的轴为配套的轴销式测力传感器，通过螺栓固定在支撑臂上,实时测量环码定滑轮轮轴所受压力；

所述逻辑控制器接收来自轴销式测力传感器、扫码器的实时数据，以实时监测强夯施工质量；

其特征是，包括以下步骤：

(1)输入施工设计标准参数，具体包括夯锤锤重T_额定、落距H_额定和最后两击的平均夯沉量S；对逻辑控制器输入与环码定滑轮所切两段直线钢丝绳之间的夹角α；环码定滑轮半径R；

(2)强夯机起吊夯锤前，对轴销式测力传感器调零；

(3)起吊夯锤时轴销式测力传感器同时检测环码定滑轮实时所受压力值，从吊钩勾上夯锤到吊起，检测压力值由峰值突变减小到在稳定压力值附近时记录此压力值T；

(4)计算实测锤重T_n，并将其与标准锤重比较，若小于标准锤重T_额定，则进行报警；

(5)当检测到压力值由峰值突变减小并稳定在压力值T附近时，记录环码定滑轮上的条码位置信息，并以此位置作为环码定滑轮旋转的初始路程位置，不断扫描到初始路程位置处的条码信息，记录扫描到的次数，即为滑轮所转过的圈数a；当监测的力值接近0的瞬间，夯击次数加1，记录环码位置信息，并将此位置信息作为终止位置信息，从记录初始位置信息到终止位置信息，环码定滑轮转过a圈加最后不完整的一圈，最后不完整的一圈转过的角度即为初始条码位置与终止条码位置的圆心角θ，计算夯锤上升的高度，即落距H_n，计算夯击能W_n+1，当夯锤落距H_n小于标准落距H_额定，进行报警；

(6)计算夯沉量S_n+1，并判断夯沉量S_n+1与最后两击的平均夯沉量S，若S_n+1>S，继续夯击提示，若S_n+1<S，夯击终止，并计算累计夯沉量L_n+1。

2.如权利要求1所述的工作方法，其特征是：所述扫码器固定在环码定滑轮一侧的轮轴上，扫描环码定滑轮上的环形条码，读取到定滑轮转过的圈数a和任意两个条码位置之间的角度θ，并实时传输扫描结果给逻辑控制器。

3.如权利要求1所述的工作方法，其特征是：所述轴销式测力传感器作为轮轴套在环码定滑轮内径之间，两端通过螺栓和支撑臂连接，实时测量环码定滑轮轮轴所受压力。

4.如权利要求1所述的工作方法，其特征是：所述轴销式测力传感器两侧套有保护性垫片；或，轴销式测力传感器与逻辑控制器无线通信。

5.如权利要求1所述的工作方法，其特征是：所述逻辑控制器与轴销式测力传感器无线通信，轴销式测力传感器实时传送力值给逻辑控制器，逻辑控制器对轴销式测力传感器调零，超量程断电保护控制。

6.如权利要求1所述的工作方法，其特征是：所述逻辑控制器与扫码器无线连接；逻辑控制器接收来自扫码器的实时条码信息，并对条码信息做实时存储与处理控制。

7.如权利要求1所述的工作方法，其特征是：所述逻辑控制器连接有显示器和报警器，集成为便携式设备。

8.如权利要求1所述的工作方法，其特征是：夯锤重、落距、夯击能、夯沉量、累计夯沉量的计算方式为：夯锤重

落距

夯击能W_n+1＝H_n*T_n、夯沉量S_n+1＝H_n-H_n+1、累计夯沉量L_n+1＝∑S_n+1，其中，n取大于等于零的整数。

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