CN111911131A - 一种用于地基加固的钻机控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体是一种用于地基加固的钻机控制系统及其控制方法；其包括步履式钻机，其特征是：步履式钻机的桅杆倾角角度、实时钻进速度、实时钻进深度、卷扬机钢丝绳吊重的重量，泥浆流量、钻进浆量，提升浆量、总浆量、动力头的实时转速、动力头电机温度、电机的电流和电压、液压系统的压力均通过显示器集成显示在钻机的控制中心；控制中心包括工控计算机，工控计算机还与后台的泥浆泵相连，泥浆泵的喷浆流量传输至工控计算机并通过显示屏显示。从而采用本控制方法及钻机的SMW工法能够达到效率更高、更节能并且施工质量更好的效果。

Description

一种用于地基加固的钻机控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及地基施工领域，具体是一种用于地基加固的钻机控制系统及其控制方法。

背景技术

SMW工法是近年来新兴的地下作业方法，其适合在城市高层建筑、地铁车站和地下室的挡土、防渗连续墙施工以及在江河堤坝、水利工程施工中进行防渗及软土地基加固等场合。

而SMW工法在作业过程中，对喷浆量、桩体垂直度等都有要求，故对应用于SMW工法的钻机的监控即十分重要。当前，传统做法往往通过预先量的判断来进行质量控制，而如此操作并不能准确对钻机的作业过程进行实时监控和干预。因而存在着滞后性并可能对SMW工法的质量造成影响。

目前的地下搅拌施工设备存在钻孔垂直度低，水泥土搅拌不均匀，定量定速喷浆，每米水泥掺入量不均匀，

墙体/桩体强度不均匀，存在浪费和施工质量不达标的问题。为解决上述问题开发高速搅拌智能控制系统。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提出一种用于SMW工法钻机的实时控制系统，从而有助于加快SMW工法的作业效率并保证SMW工法的作业质量。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

一种用于地基加固的钻机控制系统；其包括步履式钻机，其特征是：所述步履式钻机的桅杆倾角角度、实时钻进速度、实时钻进深度、卷扬机钢丝绳吊重的重量，泥浆流量、钻进浆量，提升浆量、总浆量、动力头的实时转速、动力头电机温度、电机的电流和电压、液压系统的压力均通过各传感器进行采集并通过显示器而集成显示在钻机的控制中心；所述控制中心包括工控计算机和设置在步履是钻机的驾驶室内的操作台及显示器，所述工控计算机还与后台的泥浆泵相连，所述泥浆泵通过流量计将泥浆泵的喷浆流量传输至工控计算机并通过显示屏显示。

所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：上述各传感器包括拉力传感器、上限位传感器、温度传感器、液位传感器、倾角传感器、位置传感器、压力传感器、流量压力传感器；

拉力传感器设于拉绳上用于测量钢丝绳的拉力，为显示器显示整机吊重提供信号；

上限位传感器设于拉绳上并给卷扬机提供型号，当触碰到上限位传感器，卷扬机强制停机；

温度传感器设于动力头内检测动力电机定子的温度，为显示器提供电机温度信号；

液位传感器设于动力头内检测动力头减速器齿轮油液位，为显示器提供液位信号，用于判断减速器齿轮油液位是否正常，更好的保护动力头减速器；

倾角传感器设于桅杆上检测桅杆的垂直度，反映钻具的垂直状态，为显示器提供XY两个方向的倾角参数；

位置传感器检测卷扬机钢丝绳的运行长度，为显示器提供钻进速度、钻头位置、钻进深度的信号；

压力传感器设于底盘用于检测液压系统的系统压力，为显示器提供液压压力信号；

流量压力传感器设于底盘检测用于搅拌的水泥浆等液体介质的流量和压力，可同时检测三条管路的液体流量和压力，为显示器显示泥浆流量、泥浆压力、提升浆量、钻进浆量、总浆量提供信号。

所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：所述控制中心还包括第一无线模块、第二无线模块，第一无线模块安装于驾驶室，用于接收来自后台的无线信号，发送来自钻机设备的无线信号；第二无线模块安装于后台控制箱，用于发送来自后台的无线信号，接收来自钻机设备的无线信号。

所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：还包括后台变频控制箱，包括三台变频器，可同时控制三台变频泥浆泵，为显示器提供泥浆泵电机的频率、电流信号，并根据钻机的无线信号自动控制泥浆泵的喷射流量。

所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：所述控制中心还包括动力头变频控制箱，动力头驱动采用变频控制原理，实现高速搅拌功能，为显示器显示动力转速、电机频率、电机电压、电机电流提供信号。

所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：所述控制中心还包括电控手柄，控制卷扬机的提升和下放，为显示器显示钻进或提升提供信号；为工业控制器判断钻机是钻进状态或提升状态提供信号。

所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：所述液晶显示器包括四个区域：动力头监测区域，其显示动力头转速，动力头电机电压、电流、频率和定子温度，动力头减速器的齿轮油液位；浆量监测区域，其显示喷浆档位，钻进浆量，提升浆量，总浆量，最多显示三台泥浆泵的流量和压力；主机监测区域，其显示钻进/提升状态、钻进/提升速度、钻头位置、成槽深度、桅杆XY两个方向的倾斜角度、负载重量、最低带载重量；后台检测区域，其最多显示三台泥浆泵的电机频率和电流，可通过显示器按照钻进速度设定喷浆量，施工中后台电控箱根据钻进/提升速度，自动控制泥浆泵调整喷浆量。

所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：所述步履式钻机的动力头采用两台132kW电机驱动；所述步履式钻机的钻杆采用高精度钢材制成并采用多个钻杆保持架与桅杆连接；所述步履式钻机的水泥浆通道为两寸通径并且全路径等径结构。

钻机控制系统的控制方法，其特征是：包括

步骤1、工地试桩确定各地层段最大转速和最大钻进/提升速度；

步骤2、根据步骤1的结果选择钻机的转速、钻进/提升速度匹配方案；

步骤3、主卷扬吊动动力头并且动力头驱动钻头开始工作；

步骤4、系统对每组注浆泵设置了十档喷浆与钻进、提升速度的匹配档位，步骤5、施工现场根据设计及试桩情况设定参数；根据工地的施工要求，在确定水灰比和水泥掺量的情况下，计算出每米的水泥浆掺入量，确定钻进和提升对水泥掺入量的分配后，即可计算出在不同钻进/提升速度时水泥浆的喷浆量。并在显示器泥浆泵档位设置界面内设置不同钻进/提升速度时，泥浆泵电机的运行频率（即泥浆泵的喷浆流量）。在施工过程中通过无线控制，后台泥浆泵会根据当前的钻进/提升速度自动选择喷浆档位，实现快进快喷，慢进慢喷，进而保证每米水泥浆的均匀掺入，保证每米的水泥掺量；

步骤6、在上述步骤3、步骤4、步骤5的基础上，钻杆搅拌并且钻头喷浆，进行SMW施工。

本发明采用上述设计，其通过加大的电机和输浆管道为高速施工提供保障，同时，通过自动化、实时的反馈控制系统实现自动化、可视化的实时控制系统，从而采用本控制方法及钻机的SMW工法能够达到效率更高、更节能并且施工质量更好的效果。

附图说明

图1为钻机结构示意图。

图2为本发明提出的控制方法的步骤示意图。

图3为各传感器在钻机上的结构示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，一种用于地基加固的钻机控制系统；其包括步履式钻机，其特征是：所述步履式钻机的桅杆倾角角度、实时钻进速度、实时钻进深度、卷扬机钢丝绳吊重的重量，泥浆流量、钻进浆量，提升浆量、总浆量、动力头的实时转速、动力头电机温度、电机的电流和电压、液压系统的压力均通过各传感器进行采集并通过显示器而集成显示在钻机的控制中心；所述控制中心包括工控计算机和设置在步履是钻机的驾驶室内的操作台及显示器，所述工控计算机还与后台的泥浆泵相连，所述泥浆泵通过流量计将泥浆泵的喷浆流量传输至工控计算机并通过显示屏显示。

如图3所示，上述各传感器包括拉力传感器1、上限位传感器2、温度传感器3、液位传感器4、倾角传感器5、位置传感器6、压力传感器7、流量压力传感器12；

拉力传感器设于拉绳上用于测量钢丝绳的拉力，为显示器显示整机吊重提供信号；

上限位传感器设于拉绳上并给卷扬机提供型号，当触碰到上限位传感器，卷扬机强制停机；

温度传感器设于动力头21内检测动力电机定子的温度，为显示器提供电机温度信号；

液位传感器设于动力头21内检测动力头减速器齿轮油液位，为显示器提供液位信号，用于判断减速器齿轮油液位是否正常，更好的保护动力头减速器；

倾角传感器设于桅杆22上检测桅杆的垂直度，反映钻具的垂直状态，为显示器提供XY两个方向的倾角参数；

位置传感器检测卷扬机钢丝绳的运行长度，为显示器提供钻进速度、钻头位置、钻进深度的信号；

压力传感器设于底盘23用于检测液压系统的系统压力，为显示器提供液压压力信号；

流量压力传感器设于底盘检测用于搅拌的水泥浆等液体介质的流量和压力，可同时检测三条管路的液体流量和压力，为显示器显示泥浆流量、泥浆压力、提升浆量、钻进浆量、总浆量提供信号。

进一步的，所述控制中心还包括第一无线模块9、第二无线模块10，第一无线模块安装于驾驶室24，用于接收来自后台的无线信号，发送来自钻机设备的无线信号；第二无线模块安装于后台控制箱，用于发送来自后台的无线信号，接收来自钻机设备的无线信号。

进一步的，还包括后台变频控制箱11，包括三台变频器，可同时控制三台变频泥浆泵，为显示器提供泥浆泵电机的频率、电流信号，并根据钻机的无线信号自动控制泥浆泵的喷射流量。

进一步的，所述控制中心还包括动力头变频控制箱13，动力头驱动采用变频控制原理，实现高速搅拌功能，为显示器显示动力转速、电机频率、电机电压、电机电流提供信号。

进一步的，所述控制中心还包括电控手柄14，控制卷扬机的提升和下放，为显示器显示钻进或提升提供信号；为工业控制器8判断钻机是钻进状态或提升状态提供信号。

进一步的，所述液晶显示器15包括四个区域：动力头监测区域，其显示动力头转速，动力头电机电压、电流、频率和定子温度，动力头减速器的齿轮油液位；浆量监测区域，其显示喷浆档位，钻进浆量，提升浆量，总浆量，最多显示三台泥浆泵的流量和压力；主机监测区域，其显示钻进/提升状态、钻进/提升速度、钻头位置、成槽深度、桅杆XY两个方向的倾斜角度、负载重量、最低带载重量；后台检测区域，其最多显示三台泥浆泵的电机频率和电流，可通过显示器按照钻进速度设定喷浆量，施工中后台电控箱根据钻进/提升速度，自动控制泥浆泵调整喷浆量。

进一步的，所述步履式钻机的动力头采用两台132kW电机驱动；所述步履式钻机的钻杆采用高精度钢材制成并采用多个钻杆保持架与桅杆连接；所述步履式钻机的水泥浆通道为两寸通径并且全路径等径结构。

如图2所示，钻机控制系统的控制方法，包括

步骤1、工地试桩确定各地层段最大转速和最大钻进/提升速度；

步骤2、根据步骤1的结果选择钻机的转速、钻进/提升速度匹配方案；

步骤3、主卷扬吊动动力头并且动力头驱动钻头开始工作；

步骤4、系统对每组注浆泵设置了十档喷浆与钻进、提升速度的匹配档位，步骤5、施工现场根据设计及试桩情况设定参数；根据工地的施工要求，在确定水灰比和水泥掺量的情况下，计算出每米的水泥浆掺入量，确定钻进和提升对水泥掺入量的分配后，即可计算出在不同钻进/提升速度时水泥浆的喷浆量。并在显示器泥浆泵档位设置界面内设置不同钻进/提升速度时，泥浆泵电机的运行频率（即泥浆泵的喷浆流量）。在施工过程中通过无线控制，后台泥浆泵会根据当前的钻进/提升速度自动选择喷浆档位，实现快进快喷，慢进慢喷，进而保证每米水泥浆的均匀掺入，保证每米的水泥掺量；

步骤6、在上述步骤3、步骤4、步骤5的基础上，钻杆搅拌并且钻头喷浆，进行SMW施工。

本发明采用上述设计，其通过加大的电机和输浆管道为高速施工提供保障，同时，通过自动化、实时的反馈控制系统实现自动化、可视化的实时控制系统，从而采用本控制方法及钻机的SMW工法能够达到效率更高、更节能并且施工质量更好的效果。

工业控制器8，是整个控制系统的控制中心。一方面收集传感器信号，经过运算发送总线信号给显示器，显示所有检测内容，并与显示器进行信息沟通；另一方面根据传感器的反馈信号，按照设定的程序，进行自动控制；再次通过无线模块与后台控制箱进行无线通讯，实现根据钻进速度的变化自动调整喷浆量的功能；

控制系统原理说明：

系统对每组注浆泵设置了10档喷浆与钻进、提升速度的匹配档位，施工现场可根据设计及试桩情况设定参数。

可根据工地的施工要求，在确定水灰比和水泥掺量的情况下，计算出每米的水泥浆掺入量，确定钻进和提升对水泥掺入量的分配后，即可计算出在不同钻进/提升速度时水泥浆的喷浆量。并在显示器泥浆泵档位设置界面内设置不同钻进/提升速度时，泥浆泵电机的运行频率（即泥浆泵的喷浆流量）。在施工过程中通过无线控制，后台泥浆泵会根据当前的钻进/提升速度自动选择喷浆档位，实现快进快喷，慢进慢喷，进而保证每米水泥浆的均匀掺入，保证每米的水泥掺量。

过程监控：可同时控制3台泥浆泵，在主界面上动态显示后台每个泥浆泵的瞬时流量，每个泥浆泵的泥浆压力，钻进所用浆量，提升所用浆量，总浆量，当前的喷浆档位，每个泥浆泵电机当前的频率和每个泥浆泵电机当前的电流。实现对喷浆过程和后台运行的实时监控和记录。

Claims (9)

1.一种用于地基加固的钻机控制系统；其包括步履式钻机，其特征是：所述步履式钻机的桅杆倾角角度、实时钻进速度、实时钻进深度、卷扬机钢丝绳吊重的重量，泥浆流量、钻进浆量，提升浆量、总浆量、动力头的实时转速、动力头电机温度、电机的电流和电压、液压系统的压力均通过各传感器进行采集并通过显示器而集成显示在钻机的控制中心；所述控制中心包括工控计算机和设置在步履是钻机的驾驶室内的操作台及显示器，所述工控计算机还与后台的泥浆泵相连，所述泥浆泵通过流量计将泥浆泵的喷浆流量传输至工控计算机并通过显示屏显示。

2.根据权利要求1所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：上述各传感器包括拉力传感器、上限位传感器、温度传感器、液位传感器、倾角传感器、位置传感器、压力传感器、流量压力传感器；

拉力传感器设于拉绳上用于测量钢丝绳的拉力，为显示器显示整机吊重提供信号；

上限位传感器设于拉绳上并给卷扬机提供型号，当触碰到上限位传感器，卷扬机强制停机；

温度传感器设于动力头内检测动力电机定子的温度，为显示器提供电机温度信号；

液位传感器设于动力头内检测动力头减速器齿轮油液位，为工控计算机提供液位信号，用于判断减速器齿轮油液位是否正常，更好的保护动力头减速器；

倾角传感器设于桅杆上检测桅杆的垂直度，反映钻具的垂直状态，为工控计算机提供XY两个方向的倾角参数；

位置传感器检测卷扬机钢丝绳的运行长度，为工控计算机提供钻进速度、钻头位置、钻进深度的信号；

压力传感器设于底盘用于检测液压系统的系统压力，为工控计算机提供液压压力信号；

流量压力传感器设于底盘检测用于搅拌的水泥浆等液体介质的流量和压力，可同时检测三条管路的液体流量和压力，为显示器显示泥浆流量、泥浆压力、提升浆量、钻进浆量、总浆量提供信号。

3.根据权利要求1所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：所述控制中心还包括第一无线模块、第二无线模块，第一无线模块安装于驾驶室，用于接收来自后台的无线信号，发送来自钻机设备的无线信号；第二无线模块安装于后台控制箱，用于发送来自后台的无线信号，接收来自钻机设备的无线信号。

4.根据权利要求1所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：还包括后台变频控制箱，包括三台变频器，可同时控制三台变频泥浆泵，为工控计算机提供泥浆泵电机的频率、电流信号，并根据钻机的无线信号自动控制泥浆泵的喷射流量。

5.根据权利要求1所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：所述控制中心还包括动力头变频控制箱，动力头驱动采用变频控制原理，实现高速搅拌功能，并为工控计算机显示动力转速、电机频率、电机电压、电机电流提供信号。

6.根据权利要求1所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：所述控制中心还包括电控手柄，控制卷扬机的提升和下放，为工控计算机显示钻进或提升提供信号；为工业控制器判断钻机是钻进状态或提升状态提供信号。

7.根据权利要求1所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：所述液晶显示器包括四个区域：动力头监测区域，其显示动力头转速，动力头电机电压、电流、频率和定子温度，动力头减速器的齿轮油液位；浆量监测区域，其显示喷浆档位，钻进浆量，提升浆量，总浆量，最多显示三台泥浆泵的流量和压力；主机监测区域，其显示钻进/提升状态、钻进/提升速度、钻头位置、成槽深度、桅杆XY两个方向的倾斜角度、负载重量、最低带载重量；后台检测区域，其最多显示三台泥浆泵的电机频率和电流，可通过显示器按照钻进速度设定喷浆量，施工中后台电控箱根据钻进/提升速度，自动控制泥浆泵调整喷浆量。

8.根据权利要求1所述的用于地基加固的钻机控制系统，其特征是：所述步履式钻机的动力头采用两台132kW电机驱动；所述步履式钻机的钻杆采用高精度钢材制成并采用多个钻杆保持架与桅杆连接；所述步履式钻机的水泥浆通道为两寸通径并且全路径等径结构。

9.权利要求1~2任一钻机控制系统的控制方法，其特征是：包括

步骤1、工地试桩确定各地层段最大转速和最大钻进/提升速度；

步骤2、根据步骤1的结果选择钻机的转速、钻进/提升速度匹配方案；

步骤3、主卷扬吊动动力头并且动力头驱动钻头开始工作；

步骤4、系统对每组注浆泵设置了十档喷浆与钻进、提升速度的匹配档位，步骤5、施工现场根据设计及试桩情况设定参数；根据工地的施工要求，在确定水灰比和水泥掺量的情况下，计算出每米的水泥浆掺入量，确定钻进和提升对水泥掺入量的分配后，即可计算出在不同钻进/提升速度时水泥浆的喷浆量。并在显示器泥浆泵档位设置界面内设置不同钻进/提升速度时，泥浆泵电机的运行频率（即泥浆泵的喷浆流量）。在施工过程中通过无线控制，后台泥浆泵会根据当前的钻进/提升速度自动选择喷浆档位，实现快进快喷，慢进慢喷，进而保证每米水泥浆的均匀掺入，保证每米的水泥掺量；

步骤6、在上述步骤3、步骤4、步骤5的基础上，钻杆搅拌并且钻头喷浆，进行SMW施工。

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