CN108316911A - 一种用于随钻跟管桩机的自动控制系统 - Google Patents

一种用于随钻跟管桩机的自动控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于随钻跟管桩机的自动控制系统，包括检测单元、中央处理单元、控制装置及钻机动力单元；所述检测单元设置在所述中央处理单元与所述钻机动力单元之间，所述中央处理单元与所述钻机动力单元之间还设置有所述控制装置，所述中央处理单元接收检测单元发出的检测数据并向所述控制装置输出运作指令，通过调节所述控制装置的运作对所述钻机动力单元进行控制。本发明提供的控制系统能自动、实时地对钻杆和管桩的相对位置进行监测，确保管桩和钻头不产生碰撞破坏；对钻杆扭矩进行监测，客观反映出钻进和沉桩的难易程度，同时利用预先设置的临界条件判断和执行应采取的技术措施，保证管桩在钻进的过程中同步沉入孔内。

Description

一种用于随钻跟管桩机的自动控制系统
技术领域
本发明属于地基与基础工程技术领域，具体涉及一种用于随钻跟管桩机的自动控制系统。
背景技术
预应力高强混凝土管桩因在质量稳定性、单位承载力造价等方面的优势以及更加符合建筑工业化发展趋势，已广泛应用到桥梁、港口、工业与民用建筑等工程中。传统的锤击法施工，在重锤与桩头接触过程中产生的复杂弹性波响应会对桩身的混凝土造成损伤，其噪声污染也是在城市区域的进一步推广的另一障碍。而静压法在施工过程中不会产生噪声和振动污染，且能够通过液压系统中的压力来预估桩基础的承载力，但仅适用于桩径较小的桩型，这样桩周的地基或结构才能够提供足够的反力，而保证桩身不会因为抱紧力过大而破坏。
钻(冲)孔的方法在现浇的桩型中得到了广泛的应用，但在预制管桩基础中，仅在日本研发的中掘工法中得以应用。该工法实现预应力高强混凝土管桩随钻孔的同时入土，没有过度的噪声、振动，也不会对管桩的混凝土产生损伤。但是，由于预应力高强混凝土管桩的重力是唯一驱动其入土的唯一动力，因此仅仅适用于如韩国、日本这样的沿海软土地区。为拓展大直径管桩的应用范围，使其能够应用到土层条件复杂的内陆地区，并提高钻(冲)孔类预制管桩基础的承载力，我国成功研制了一种随钻跟管桩机及随钻跟管桩施工方法 (CN102561946A)，钻进、沉桩和取土的同步进行，沉桩终了在管壁和孔壁间通过水泥浆粘结，施工文明无污染，是一种绿色环保的桩型。
但是，现有随钻跟管桩机的操作基本依赖于工程师的经验，根据出土的颜色、质量等肉眼区分的表观性质手动操作钻机以适应地质条件的变化。一方面人工操作具有时滞性，容易导致在此期间内管桩和桩机设备的损坏；同时也不符合建筑工业化的发展趋势，施工完成后的管桩基础个体间的承载性能差异较大，对建筑物整体的承载力产生影响，也不利于管桩基础后期的检测和维护。
发明内容
为了解决上述问题，本发明旨在提供一种用于随钻跟管桩机的自动控制系统，以解决随钻跟管桩机人工操作依赖于工程师经验、时滞性易对管桩和桩机设备带来损伤以及不符合建筑工业化的发展趋势、施工完成后的管桩基础个体间的承载性能差异较大的技术问题。
为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现：
一种用于随钻跟管桩机的自动控制系统，包括检测单元、中央处理单元、控制装置及钻机动力单元；
所述检测单元设置在所述中央处理单元与所述钻机动力单元之间，用于检测所述钻机动力单元的运作参数并将运作参数发送到所述中央处理单元；
所述中央处理单元与所述钻机动力单元之间还设置有所述控制装置，所述中央处理单元根据接收到的运作参数进行分析处理并向所述控制装置输出运作指令，通过调节所述控制装置的运作对所述钻机动力单元进行控制。
作为优选，所述钻机动力单元包括钻杆、对应所述钻杆设置的钻杆动力箱、待施工管桩及对应所述待施工管桩设置的激振器；
所述钻杆动力箱通过连接伸缩弹簧连接有出土箱，所述出土箱通过连接可调节油缸连接所述激振器。
作为优选，所述中央处理单元包括信号输入模块、计算分析模块及信号输出模块；
所述信号输入模块接收外界发送的检测数据，并将检测数据发送至所述计算分析模块；
所述计算分析模块对接收到的数据进行分析处理，并向所述信号输出模块输出分析处理结果；
所述信号输出模块根据接收到的分析处理结果向所述控制装置输出执行指令。
作为优选，所述检测单元包括长度测量模块及扭矩测量模块；
所述长度测量模块对所述伸缩弹簧的长度进行检测，并将长度检测数据发送到所述信号输入模块；
所述扭矩测量模块对所述钻杆的扭矩进行检测，并将扭矩检测数据发送到所述信号输入模块。
作为优选，所述控制装置包括减速装置及激振驱动单元，所述激振驱动单元设置在所述信号输出模块与所述激振器之间。
作为优选，所述减速装置包括第一制动器、对应所述第一制动器设置的第一压力传感器、第二制动器及对应所述第二制动器设置的第二压力传感器；
所述第一压力传感器及所述第二压力传感器均电连接所述信号输入模块；
所述第一制动器设置在所述激振器上并电连接所述信号输出模块，所述第二制动器设置在控桩器上并电连接所述信号输出模块。
作为优选，所述中央处理单元还设置有参数设置模块及显示模块，所述参数设置模块与所述显示模块均电连接所述计算分析模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的控制系统在随钻跟管桩机施工过程中，能自动、实时地对钻杆和待施工管桩的相对位置进行监测，确保管桩和钻头不产生碰撞破坏；对钻杆的输出扭矩进行监测，不依赖于工程师经验，客观反映出钻进和沉桩的难易程度，同时利用预先设置的临界条件判断和执行应采取的技术措施，保证管桩在钻进的过程中同步沉入孔内。
2、当钻进到坚硬的土层时，钻杆的输出扭矩将持续增长，管桩相对于钻杆的距离将不断减小，可以通过连续调节驱动马达的工作频率辅助管桩随下沉；相反地，当钻进到软弱的土层时，钻杆的输出扭矩将减小，管桩相对于钻杆的距离将不断增大，通过减速装置夹紧管桩，增大管桩的下沉阻力，降低管桩相对于钻杆的下沉速度，同时也增设压力传感器以避免减速装置过大的夹紧力对管桩的损伤。
3、本发明涉及的自动控制系统和方法克服了人工操作的时滞性和对工程师技术水平的依赖，符合建筑工业化的发展趋势，施工完成后的管桩基础个体间的承载性能差异较小，有利于建筑物基础和结构的精确设计，也有利于后期的检测和维护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明自动控制系统的结构示意图；
图2为本发明自动控制系统的工作原理图；
图3为本发明自动控制系统的系统流程示意图。
其中：
1-长度测量模块，2-扭矩测量模块，3-中央处理单元，31-信号输入模块，32-参数设置模块，33-计算分析模块，34-显示模块，35-信号输出模块，4-减速装置，41-第一制动器， 42-第一压力传感器，43-第二制动器，44-第二压力传感器，5-激振驱动单元，6-钻机动力单元，7-控桩器，8-钻杆动力箱，81-输出轴，9-伸缩弹簧，10-出土箱，11-激振器，12-可调节油缸，13-待施工管桩，14-钻杆，45-控制装置，50-检测单元。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
本实施例中提供一种用于随钻跟管桩机的自动控制系统，如图1所示，包括检测单元50、中央处理单元3、控制装置45及钻机动力单元6。
所述钻机动力单元6包括钻杆14、对应所述钻杆14设置的钻杆动力箱8、待施工管桩 13及对应所述待施工管桩13设置的激振器11；所述钻杆动力箱8通过连接伸缩弹簧9连接有出土箱10，所述出土箱10通过连接可调节油缸12连接所述激振器11。
所述检测单元50设置在所述中央处理单元3与所述钻机动力单元6之间，用于检测所述钻机动力单元6的运作参数并将运作参数发送到所述中央处理单元3；所述检测单元包括长度测量模块1及扭矩测量模块2；所述长度测量模块1对所述伸缩弹簧9的长度进行检测，所述扭矩测量模块2对所述钻杆14的扭矩进行检测。
所述中央处理单元3包括信号输入模块31、计算分析模块33及信号输出模块35；所述信号输入模块31接收外界发送的检测数据，并将检测数据发送至所述计算分析模块33；所述计算分析模块33对接收到的数据进行分析处理，并向所述信号输出模块35输出分析处理结果；所述信号输出模块35根据接收到的分析处理结果向所述控制装置输出执行指令。所述中央处理单元3还设置有参数设置模块32及显示模块34，所述参数设置模块32与所述显示模块34均电连接所述计算分析模块33。
所述控制装置45设置在所述中央处理单元3与所述钻机动力单元6之间，所述中央处理单元3根据接收到的运作参数进行分析处理并向所述控制装置45输出运作指令，通过调节所述控制装置45的运作对所述钻机动力单元6进行控制。所述控制装置45包括减速装置4及激振驱动单元5，所述激振驱动单元5设置在所述信号输出模块35与所述激振器11之间。所述减速装置4包括第一制动器41、对应所述第一制动器41设置的第一压力传感器42、第二制动器43及对应所述第二制动器43设置的第二压力传感器44；所述第一压力传感器42及所述第二压力传感器44均电连接所述信号输入模块31；所述第一制动器41设置在所述激振器11上并电连接所述信号输出模块35，所述第二制动器43设置在控桩器7上并电连接所述信号输出模块35。
所述长度测量模块1对所述伸缩弹簧9的长度进行检测，并将长度检测数据发送到所述信号输入模块31；所述扭矩测量模块2对所述钻杆14的扭矩进行检测，并将扭矩检测数据发送到所述信号输入模块31。
所述钻杆动力箱8中设置有驱动所述钻杆14的输出轴81。所述钻杆14穿过所述待施工管桩13的中心孔，上端安装在所述钻杆动力箱8中的输出轴81上。所述待施工管桩13上端夹持在所述激振器11上，下端夹持在所述控桩器7上。
作为优选，所述长度测量模块1为设置在伸缩弹簧9上的应变或距离传感器。所述扭矩测量模块2为设置在输出轴81上的扭矩传感器。所述激振驱动单元5为驱动激振器11产生振动荷载的驱动马达。
更具体地，所述信号输入模块31用于通过有线或无线网络接收所述长度测量模块1、扭矩测量模块2、第一压力传感器42和第二压力传感器44所测量到的数据信号，并进行存储。所述参数设置模块32为键盘，用于输入控制输出轴81、减速装置4和激振驱动单元5启动和停止的条件。
所述计算分析模块33用于将所述输入模块31接收的信号与所述参数设置模块32中输入的启动和停止条件进行对比，以生成相应的指令。所示显示模块34为数字液晶显示器，用于显示所述信号输入模块31接收到的传感器信号。所述信号输出模块35用于通过有线或无线网络向输出轴81、控制减速装置4和激振驱动单元5发送启动或停止的命令。
作为优选，所述第一制动器41和第二制动器43的内表面上设置有橡胶层，以增大与待施工管桩13之间的摩擦力，同时也保护待施工管桩13不被破坏。
实施例2
为了便于理解上述自动控制系统的工作原理，本实施例中，提供一种如图2-图3所示的用于随钻跟管桩机的控制方法，包括以下步骤：
S1、在施工前完成以上所述自动控制系统的安装及调试。
S2、向中央处理单元3输入用于控制钻杆动力箱8的输出轴81、减速装置4及激振驱动单元5启动和停止的条件阈值，包括压力临界值、扭矩预警值、长度上阈值、长度下阈值、长度上报警值、长度下报警值及缓冲时间；其中，长度上报警值＞长度上阈值＞长度下阈值＞长度下报警值。
S3、调节可调节油缸12使得伸缩弹簧9的长度位于长度上阈值和长度下阈值范围内，启动钻杆14进行施工。
S4、在施工过程中对伸缩弹簧9的长度进行实时监测，将伸缩弹簧9的实测长度与预设阈值进行对比，包括实测长度与长度预设阈值的对比、实测长度与长度预设阈值及长度报警阈值的对比。
S5、当对比值出现异常时及时采取处理措施，确保施工的正常进行。
进一步地，步骤S4中，根据对比值还进行以下步骤：
S6、若实测长度大于长度上报警值，则停止施工，重复步骤S3；
S7、若实测长度小于长度下报警值，则停止所述钻杆动力箱8的钻进运动，启动激振驱动单元5，并再次对比实测长度和长度下报警值，若实测长度在缓冲时间后仍小于长度下报警值，则停机后反向提升所述钻机动力箱8，重复步骤S3；
S8、若实测长度大于长度上阈值且小于长度上报警值，对比压力传感器测量值和压力临界值，若压力未超过压力临界值，则启动制动器或增大制动压力，重复步骤S4，若压力已达到压力临界值则停机，重复步骤S3；
S9、若实测长度小于长度下阈值且大于长度下报警值，松开或关闭制动器，对比扭矩测量模块的测量值和扭矩预警值，若扭矩达到或超过扭矩预警值，则启动所述激振驱动单元5，重复步骤S4，若扭矩未达到压力临界值则重复步骤S4。
本实施例所述随钻跟管桩机的其它结构参见现有技术。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种用于随钻跟管桩机的自动控制系统，其特征在于，包括检测单元、中央处理单元、控制装置及钻机动力单元；
所述检测单元设置在所述中央处理单元与所述钻机动力单元之间，用于检测所述钻机动力单元的运作参数并将运作参数发送到所述中央处理单元；
所述中央处理单元与所述钻机动力单元之间还设置有所述控制装置，所述中央处理单元根据接收到的运作参数进行分析处理并向所述控制装置输出运作指令，通过调节所述控制装置的运作对所述钻机动力单元进行控制。
2.根据权利要求1所述的自动控制系统，其特征在于，所述钻机动力单元包括钻杆、对应所述钻杆设置的钻杆动力箱、待施工管桩及对应所述待施工管桩设置的激振器；
所述钻杆动力箱通过连接伸缩弹簧连接有出土箱，所述出土箱通过连接可调节油缸连接所述激振器。
3.根据权利要求2所述的自动控制系统，其特征在于，所述中央处理单元包括信号输入模块、计算分析模块及信号输出模块；
所述信号输入模块接收外界发送的检测数据，并将检测数据发送至所述计算分析模块；
所述计算分析模块对接收到的数据进行分析处理，并向所述信号输出模块输出分析处理结果；
所述信号输出模块根据接收到的分析处理结果向所述控制装置输出执行指令。
4.根据权利要求3所述的自动控制系统，其特征在于，所述检测单元包括长度测量模块及扭矩测量模块；
所述长度测量模块对所述伸缩弹簧的长度进行检测，并将长度检测数据发送到所述信号输入模块；
所述扭矩测量模块对所述钻杆的扭矩进行检测，并将扭矩检测数据发送到所述信号输入模块。
5.根据权利要求3或4所述的自动控制系统，其特征在于，所述控制装置包括减速装置及激振驱动单元，所述激振驱动单元设置在所述信号输出模块与所述激振器之间。
6.根据权利要求5所述的自动控制系统，其特征在于，所述减速装置包括第一制动器、对应所述第一制动器设置的第一压力传感器、第二制动器及对应所述第二制动器设置的第二压力传感器；
所述第一压力传感器及所述第二压力传感器均电连接所述信号输入模块；
所述第一制动器设置在所述激振器上并电连接所述信号输出模块，所述第二制动器设置在控桩器上并电连接所述信号输出模块。
7.根据权利要求3所述的自动控制系统，其特征在于，所述中央处理单元还设置有参数设置模块及显示模块，所述参数设置模块与所述显示模块均电连接所述计算分析模块。
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