CN110344591A - 一种实现单液自动注浆喷浆装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现单液自动注浆喷浆装置及方法，包括动力输出装置、无级变速器、步进电机、轴速检测仪、泵体、浆液桶、注浆管和控制系统；动力输出装置的输出轴通过联轴器与无级变速器的输入轴相连，无级变速器的输出轴上安装有一个轴速检测仪，组成差速输出系统，无级减速器控制传动比的手轮连接步进电机，步进电机转动指定角度实现控制无级减速器的传动比，从而实现了自动化控制泵的转速；无级变速器的输出轴连接到泵体，组成泵送系统；泵体的吸入管道连接浆液桶，泵体的输出管道分别通过流量计连接到注浆管，同时注浆管上还设有压力传感器，组成调浆注浆系统；步进电机、轴速检测仪、流量计和压力传感器均与控制系统相连。

Description

一种实现单液自动注浆喷浆装置及方法

技术领域

本发明适用于土木工程领域，主要涉及一种实现单液自动注浆喷浆装置及方法。

背景技术

在土木工程中，喷浆工作以及地下注浆工作往往需要对水泥的压力、流动特性进行有效的控制，以实现不同的施工效果，但在实际工程中，发明人发现对水泥浆液动态调节往往很难实现，其主要原因在于现有的减速机大部分都是定传动比，而无级变速器往往需要人工控制，无法实现泵转速调整与流量压力调整之间的精确反馈，无法精确、动态调整流量压力，响应速度慢，无法对注浆、喷浆效果进行有效控制，尤其在注浆工作中，面对大流量涌水、以及超远距离水泥泵送，往往由于压力流量无法控制，导致水泥过早硬化，冲击破坏，强度达不到要求；在喷浆工作中，由于压力始终恒定，导致水泥浆远处喷涂效果不佳，近处迸溅严重，浪费水泥浆液，污染环境。

发明内容

为克服现有技术的不足和所面临的问题，本发明提供一种实现任意比例调浆的单液自动注浆喷浆装置及方法，该装置及方法控制简单，低成本，易于采购组装，安装维修方便，控制精确。主要通过PLC控制器控制步进电机，进而定向定量改变无极减速器传动比，实现泵的流量压力等参数的连续操作变化。

本发明采用的具体方案如下：

一种实现单液自动注浆喷浆装置，包括动力输出装置、无级变速器、步进电机、轴速检测仪、泵体、浆液桶、注浆管和控制系统；

在注浆工作中，所述动力输出装置的输出轴通过联轴器与无级变速器的输入轴相连，无级变速器的输出轴上安装有一个轴速检测仪，组成差速输出系统，无级减速器控制传动比的手轮连接步进电机，步进电机转动指定角度实现控制无级减速器的传动比，从而实现了自动化控制泵的转速；所述的无级变速器的输出轴连接到泵体，组成泵送系统；所述泵体的吸入管道连接浆液桶，所述泵体的输出管道分别通过流量计连接到注浆管，同时注浆管上设有压力传感器，组成调浆注浆系统；所述的步进电机、轴速检测仪、流量计和压力传感器均与控制系统相连。经过密封测试以及设备调试后，在浆液桶中进行水泥浆的调制，打开电源运行设备，泵对浆液进行泵送后，通过注浆管或喷射管进行注浆或喷浆。

进一步的，所述的调浆桶，其内部有叶片或者螺旋状的混合叶片，底部有阀门，可实现排放桶内液体；同时注浆桶上有称料装置和自动加水装置，称料装置根据指令自动称料加料；自动加水装置用于清洗调浆桶。

进一步的，所述的轴速检测仪采用扭矩传感器。

本发明还提供了一种利用上述自动注浆喷浆装置进行浆液控制的方法，如下：

第一步将调浆桶中加入水，打开步进电机，使用泵体进行抽水；

第二步控制系统根据流量传感器、压力传感器的信号，自动控制步进电机，调节无级变速器的手轮轴，通过转动调节无级变速器的传动比，改变泵体的转速，进而实现控制泵送液体的压力、流量以及泵体的转速；完成一系列变压、变流、变速操作后，证明设备正常运行，密封性完好，关闭电机；

第三步调浆桶的水通过底部阀门排出，在浆液桶中加入预设的溶剂，系统根据设定的水灰比进行配料搅拌，重新启动电机，泵送相关浆液。

进一步的，控制系统的控制方式分为自动、半自动、手动操作三种方式，系统的自动控制为通过探测的地层数据，生成工程文件以及相关参数，加载在系统当中后系统自动判断状态，实施注浆喷浆作业；半自动操作为通过设定系统中的压力、流量、两种浆液的配比参数，在工作中系统实时比较数据值的大小，通过操作公式计算出操作量，定向稳定控制；手动操作直接控制步进电机的转向，直接读取系统内各数据，实现控制。运行结束后，浆液桶排液，注入清水清洗浆液桶，同时泵送清水冲洗管道。

进一步的，所述的自动控制方法如下：

流量传感器、压力传感器实时检测流量、压力；轴速检测仪检测泵送系统的扭矩、转速，不断记录其当前数值及变化，并与程序计算值及设定值进行比较，根据误差范围大小，采用不同的PID数值对步进电机的转向和角度进行定量调节，使得步进电机带动减速器的手轮轴转动一定角度，进而调节减速器的传动比，实现改变泵的转速，进而控制泵的流量、输出压力的变化，实现稳压、变压、调整流量实现连续调节两种浆液比例等功能。

进一步的，所述无级变速器控制传动比的手轮连接步进电机或者同步电机，使用电机转动指定角度实现控制无级变速器的传动比，从而实现了自动化控制泵的转速，进而通过监控自动控制液体的压力和流量。

对于喷浆工作，仅需将注浆管更换为喷浆加压管，即可实现喷浆工作。

本发明有益效果在于：

1.设备整体成本低，易于采购组装，安装维修方便。

2.在注浆工作中，对注浆设备终端，如注浆管等设备的要求不高。

3.可实现对管内液体流量、压力的稳定以及定向连续控制。

4.对于超远程水泥填充可有效减少水泥冲刷，保证水泥凝结效果，对于喷浆加固工作可有效减少水泥浆液浪费，保障工作环境。

5.PLC控制步进电机技术成熟度高，灵活性强，程序编写自由度高，可不断优化升级。

6.采用电机闭环控制，可大大提高水泥浆液的压力流量控制精度。

7.控制系统响应速度快，压力、流量调节过程迅速，操作简便。

8.设备自动化程度高，过程可视，对于注浆工作中，注浆的各阶段、注浆工艺都可自动生成、执行

9.可以实现注浆过程远程控制。

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为本发明的结构示意图。

图中：1动力输出装置，2 PLC控制器，3无级变速器，4步进电机，5轴速检测仪，6泵体，7浆液桶，8压力传感器，9流量计，10注浆管。

具体实施方式

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；

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，在土木工程中，喷浆工作以及地下注浆工作往往需要对水泥的凝结时间、流动特性进行有效的控制，以实现不同的施工效果，但在实际工程中，对对浆液动态调节往往很难实现，其主要原因在于现有的减速机大部分都是定传动比，而无级变速器往往需要人工控制，无法精确、动态调整流量压力，响应速度慢，这也往往造成所配浆液凝结时间达不到要求，无法对注浆、喷浆效果进行有效控制，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种实现单液自动注浆喷浆装置及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，包括动力输出装置1、无级变速器3、步进电机4、轴速检测仪5、泵体6、浆液桶7、注浆管10和PLC控制器2；

动力输出装置1的输出轴通过联轴器与无级变速器3的输入轴相连，无级变速器3的输出轴上安装有一个轴速检测仪5，组成差速输出系统；所述的无级变速器3的输出轴连接到泵体，组成泵送系统；所述泵体6的吸入管道连接浆液桶7，所述泵体6的输出管道分别通过流量计9连接到注浆管，同时注浆管上还设有压力传感器8，组成调浆注浆系统；步进电机4的转轴与无级减速器的手轮调节轴连接，步进电机的转动可以控制无级减速器的手轮轴，通过步进电机的定向定角度运动，进而对其传动比进行定量连续调节。此为实现控制过程的核心。

步进电机、轴速检测仪、流量计和压力传感器均与PLC控制器2相连。经过密封测试以及设备调试后，在浆液桶中进行水泥浆的调制，打开电源运行设备，泵对浆液进行泵送后，通过注浆管或喷射管进行注浆或喷浆。

进一步的，上述输出装置1可选用电机。

控制模式如下：检测系统试试检测流量、压力以及泵送系统的扭矩、转速，不断记录其当前数值及变化，并与程序计算值及设定值进行比较，根据误差范围大小，采用不同的PID数值对步进电机的转向和角度进行定量调节，使得步进电机带动减速器的手轮轴转动一定角度，进而调节减速器的传动比，实现改变泵的转速，进而控制泵的流量、输出压力的变化，实现稳压、变压、调整流量、自我保护等功能。在人为设定及控制下，通过这一基础过程实现自动调节以及手动控制。

具体的控制方法如下：

在注浆前，第一步将调浆桶中加入水，打开动力装置1，使用泵体6进行抽水，第二步PLC根据流量计9的信号，自动控制步进电机4调节无级变速器3的手轮轴，调节无级变速器3的传动比，改变泵体6的转速，进而实现控制泵送液体的压力、流量以及泵体的转速。完成一系列变压、变流、变速操作后，证明密封性完好，关闭动力装置1，第三步调浆桶7的水通过底部阀门排出，在浆液桶中加入预设的溶剂，系统根据设定的水灰比进行配料搅拌，重新启动电机1，泵送相关浆液。在实际运行中分为自动、半自动、手动操作三种方式，三种方式基本控制方式都如2中所述。

系统的自动控制为通过探测的地层数据，生成工程文件以及相关参数，加载在系统当中后系统自动判断状态，实施注浆喷浆作业；半自动操作为通过设定系统中的压力、流量等参数，在工作中系统实时比较数据值的大小，通过操作公式计算出操作量，定向稳定控制；手动操作直接控制步进电机的转向，直接读取系统内各数据，实现控制。运行结束后，浆液桶排液，注入清水清洗浆液桶，同时泵送清水冲洗管道。

各轴速检测仪与流量计的信号端与PLC逻辑控制器相连接，通过人机交互界面实时检测其数据，PLC可以实现工业自动控制。

浆液桶7，其内部有叶片或者螺旋状的混合叶片，底部有阀门，可实现排放桶内液体。同时注浆桶上有称料装置，可以根据指令自动称料加料。其在试验后会收到指令，自动加水进行清洗

浆液调控过程，有软件系统自动控制，其中包括基本控制系统，其特征在于：利用PLC程序实现自动控制，通过将相关公式和关系写入程序，根据监测模块传来的实时数据，不断比较与设计值之间的偏差，分清控制状态，自动给同步电机发出正反转以及加减速指令，进而调节无级变速器的传动比，改变泵的转速，调节流量和压力。

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。

Claims (7)

1.一种实现单液自动注浆喷浆装置，其特征在于，包括动力输出装置、无级变速器、步进电机、轴速检测仪、泵体、浆液桶、注浆管和控制系统；

所述动力输出装置的输出轴通过联轴器与无级变速器的输入轴相连，无级变速器的输出轴上安装有一个轴速检测仪，组成差速输出系统，无级减速器控制传动比的手轮连接步进电机，步进电机转动指定角度实现控制无级减速器的传动比，从而实现了自动化控制泵的转速；所述的无级变速器的输出轴连接到泵体，组成泵送系统；所述泵体的吸入管道连接浆液桶，所述泵体的输出管道分别通过流量计连接到注浆管，同时注浆管上还设有压力传感器，组成调浆注浆系统；所述的步进电机、轴速检测仪、流量计和压力传感器均与控制系统相连。

2.如权利要求1所述的实现单液自动注浆喷浆装置，其特征在于，所述的调浆桶，其内部有叶片或者螺旋状的混合叶片，底部有阀门，可实现排放桶内液体；同时注浆桶上有称料装置和自动加水装置，称料装置根据指令自动称料加料；自动加水装置用于清洗调浆桶。

3.如权利要求1所述的实现单液自动注浆喷浆装置，其特征在于，所述的轴速检测仪采用扭矩传感器。

4.如权利要求1所述的实现单液自动注浆喷浆装置，其特征在于，所述的控制系统连接有人机交互界面。

5.如权利要求1-4任一所述的实现单液自动注浆喷浆装置进行浆液控制的方法，其特征在于，如下：

第一步 将调浆桶中加入水，打开电机，使用泵进行抽水；

第二步 控制系统根据流量传感器、压力传感器的信号，自动控制步进电机，调节无级变速器的手轮轴，通过转动调节无级变速器的传动比，改变泵体的转速，进而实现控制泵送液体的压力、流量以及泵体的转速；完成一系列变压、变流、变速操作后，证明设备正常运行，密封性完好，关闭电机；

第三步 调浆桶的水通过底部阀门排出，在浆液桶中加入预设的溶剂，系统根据设定的水灰比进行配料搅拌，重新启动电机，泵送相关浆液。

6.如权利要求5所述的实现单液自动注浆喷浆装置进行浆液控制的方法，其特征在于，控制系统的控制方式分为自动、半自动、手动操作三种方式，系统的自动控制为通过探测的地层数据，生成工程文件以及相关参数，加载在系统当中后系统自动判断状态，实施注浆喷浆作业；半自动操作为通过设定系统中的压力、流量、两种浆液的配比等参数，在工作中系统实时比较数据值的大小，通过操作公式计算出操作量，定向稳定控制；手动操作直接控制步进电机的转向，直接读取系统内各数据，实现控制。运行结束后，浆液桶排液，注入清水清洗浆液桶，同时泵送清水冲洗管道。

7.如权利要求5所述的实现单液自动注浆喷浆装置进行浆液控制的方法，其特征在于，所述的自动控制方法如下：

流量传感器、压力传感器实时检测流量、压力；轴速检测仪检测泵送系统的扭矩、转速，不断记录其当前数值及变化，并与程序计算值及设定值进行比较，根据误差范围大小，采用不同的PID数值对步进电机的转向和角度进行定量调节，使得步进电机带动减速器的手轮轴转动一定角度，进而调节减速器的传动比，实现改变泵的转速，进而控制泵的流量、输出压力的变化，实现稳压、变压、调整流量实现连续调节两种浆液比例等功能。