CN115694311A - 一种振冲器自动限流降频装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振冲器自动限流降频装置和方法，该系统包括电源、采集装置、驱动电机和变频器，采集装置用于实时采集振冲器的工作电流I，电源用于向驱动电机供电，驱动电机用于驱动振冲器内部的偏心块旋转；变频器用于按照变频公式控制驱动电机的工作频率f，其中，变频公式为：

其中，f为驱动电机的工作频率；n为驱动电机的极对数；μ为驱动电机的载荷系数；I为振冲器的工作电流；R为驱动电机的定子侧的电阻；S为转差率，其中的n、μ、R和S均由驱动电机和振冲器的生产厂家提供；K为修正系数，由用户设定，且0＜K＜1；F为驱动电机的额定工作频率；I_额定为振冲器的额定工作电流。

Description

一种振冲器自动限流降频装置和方法

技术领域

本发明涉及振冲器技术领域，具体涉及一种振冲器自动限流降频装置和方法。

背景技术

振冲器是振冲法施工中的特制机具，工作原理是潜水电机通过联轴器带动振动体内的偏心块产生离心力，使整个振冲器产生水平振动。振冲器可应用于填料振冲桩和挤密振冲桩施工。适用于碎石土、砂土、粉土、黏性土、人工填土及湿陷性土等地基的加固及各类可液化土的加密和抗液化处理。振冲处理后的地层可以承受一定的动载荷，可提高地基承载能力、减少沉降量、增加地基稳定性、提高抗地震液化能力。振冲器可用于新建路基施工中，对涵基、地基松散沙土或软粘土进行加固处理，以防止砂基液化，提高地基承载力，减少工后沉降和不均匀沉降；也可用于加固天然边坡或土石坝坡，提高边坡稳定性。

现有技术中，当振冲器遇到负载过大时，电流会急剧上升，达到设置的上限值时就会跳闸停机。如果不通过跳闸停机使振冲器停止工作，会导致烧坏振冲器。但是如果频繁跳闸停机，又会影响工作效率。

为了避免振冲器频繁跳闸停机，中国专利申请文件CN103439909A公开了一种避免振冲器反复停机的监控方法，包括下述步骤：1)在每个工作的振冲器处设置一个电流和/或电压监测装置，测定振冲器的工作电流I₁和/或工作电压U₁；2)设置一个监控终端，同时在每个工作的振冲器处设置一个无线收发单元，每个工作的振冲器通过无线收发单元与监控终端进行无线通信；3)监控终端上设有一级处理单元和二级处理单元，每个工作的振冲器通过无线收发单元将信息传送到监控终端后依次与一级处理单元、二级处理单元接通；设定振冲器的额定电压U、额定电流I、最长极限工作时间t，如果步骤1)测定的I₁＞I或U₁＞U，一级处理单元开始计时t₁，如t₁≥t，一级处理单元将该信息传送给二级处理单元，二级处理单元控制该超过极限工作时间的振冲器停止工作，如t₁＜t，则一级处理单元不将信息传送给二级处理单元，振冲器继续工作。

上述方案虽然能够避免振冲器由于监控不正确造成的误停机和反复停机，但是仅通过额定电压U和额定电流I作为基准值进行比较，无法精确反映振冲器的实际工作状况，仍然需要使振冲器停止工作，影响工作效率。

发明内容

本发明旨在提供一种振冲器自动限流降频装置和方法，所要解决的技术问题包括如何避免振冲器因电流急剧上升超过上限值而导致跳闸停机。

本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种振冲器自动限流降频装置，包括电源、采集装置、驱动电机和变频器，所述的采集装置用于实时采集所述振冲器的工作电流I，所述的电源用于向所述的驱动电机供电，所述的驱动电机用于驱动所述振冲器内部的偏心块旋转；所述的变频器用于按照变频公式控制所述驱动电机的工作频率f，其中，所述的变频公式为：

其中，f为所述驱动电机的工作频率；n为所述驱动电机的极对数；μ为所述驱动电机的载荷系数；I为所述振冲器的工作电流；R为所述驱动电机的定子侧的电阻；S为转差率，其中的n、μ、R和S均由所述驱动电机和所述振冲器的生产厂家提供；K为修正系数，由用户设定，且0＜K＜1；F为所述驱动电机的额定工作频率；I_额定为所述振冲器的额定工作电流。

优选地，0.91＜K＜0.98。

优选地，所述驱动电机的工作频率f与振冲器内部的偏心块的旋转速度v之间的关系根据工程经验曲线确定。

优选地，振冲器内部的偏心块的旋转速度v与振冲器的激振力P之间的关系根据激振力P的经验计算公式：

计算；

其中，W为振冲器内部的偏心块的质量；e为振冲器内部的偏心块的偏心距，g为重力加速度。

优选地，振冲器的激振力P通过将直接监测法和间接监测法结合起来的监测方法进行监测，所述的将直接监测法和间接监测法结合起来的监测方法是在振冲器的外周壁上沿着振冲器的轴向间隔设置3个测力环，通过所述的测力环在振冲器的外周壁上设置12个开合式力传感器，所述的12个开合式力传感器分为3组，每组包括4个开合式力传感器，每组的4个开合式力传感器沿振冲器的轴向对称布置成一圈；12个开合式力传感器构成直接法监测激振力装置；通过所述的测力环设置在振冲器的外周壁上的12个加速度计构成间接法监测激振力装置；12个加速度计分为3组，每组包括4个加速度计，每组的4个加速度计在同一个测力环上对称布置；所述的加速度计与所述的开合式力传感器的位置不重叠。

优选地，所述的加速度计和所述的开合式力传感器均使用光纤传感器。

优选地，相邻的每圈所述的开合式力传感器在振冲器的轴向上均匀布置。

优选地，相邻的所述测力环之间间隔50cm。

优选地，采用采集器采集直接法监测激振力装置输出的直接谐波激振力FZ和间接法监测激振力装置输出的间接谐波激振力FJ，其中，

其中，T为所述开合式力传感器和加速度计的平均检测时间间隔，单位为秒；x(t)为t时刻所述开合式力传感器的检测输出值形成的曲线拟合函数；g(t)为t时刻所述加速度计的检测输出值形成的曲线拟合函数；M为所述振冲器的总质量，单位为Kg；

采用修正系数矩阵对直接法监测激振力装置输出的直接谐波激振力FZ和间接法监测激振力装置输出的间接谐波激振力FJ进行拟合和修正，具体修正公式为：

其中，P为修正后的振冲器激振力；K₁为振冲器的主刚度系数；J为振冲器的交叉耦合刚度系数；C为振冲器的主阻尼系数，A为振冲器的交叉阻尼系数；K₁、J、C、A均由振冲器的生产厂家提供。

本发明还提供一种振冲器自动限流降频装置的限流降频方法，包括以下步骤：

第一步、实时采集所述振冲器的工作电流I；

第二步、按照变频公式控制所述驱动电机的工作频率f，其中，所述的变频公式为：

其中，f为所述驱动电机的工作频率；n为所述驱动电机的极对数；μ为所述驱动电机的载荷系数；I为所述振冲器的工作电流；R为所述驱动电机的定子侧的电阻；S为转差率，其中的n、μ、R和S均由所述驱动电机和所述振冲器的生产厂家提供；K为修正系数，由用户设定，且0＜K＜1；F为所述驱动电机的额定工作频率；I_额定为所述振冲器的额定工作电流。

有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述的振冲器自动限流降频装置通过变频公式控制所述驱动电机的工作频率f，彻底避免了振冲器因电流急剧上升超过上限值而导致跳闸停机的问题。

所述的变频公式是利用SageMath开源数学软件系统对样本空间中的驱动电机的工作频率f和对应的振冲器的工作电流I进行函数拟合得到的，用测试空间中的驱动电机的工作频率f和对应的振冲器的工作电流I对拟合得到的函数关系式进行测试，然后在函数拟合过程中引入驱动电机和振冲器的不同性能参数作为系数，直到测试的结果达到期望的吻合程度。最终发现，采用驱动电机的极对数n、驱动电机的载荷系数μ、驱动电机的定子侧的电阻R和转差率S作为系数的变频公式能够得到最优的吻合结果。

同时为了避免由于振冲器的工作电流I过于靠近所述振冲器的额定工作电流I_额定导致振冲器的烧毁或停机，又引入了修正系数K，使振冲器的运行更加安全。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的具体实施方式一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1是本发明所述的振冲器自动限流降频装置的结构逻辑示意图。

图2是本发明所述的驱动电机的工作频率f与振冲器内部的偏心块的旋转速度v之间的关系示意图。

具体实施方式

在下文中更详细地描述了本发明以有助于对本发明的理解。

如图1所示，本发明所述的振冲器自动限流降频装置包括电源、采集装置、驱动电机和变频器，所述的采集装置用于实时采集所述振冲器的工作电流I，所述的电源用于向所述的驱动电机供电，所述的驱动电机用于驱动所述振冲器内部的偏心块旋转；所述的变频器用于按照变频公式控制所述驱动电机的工作频率f，其中，所述的变频公式为：

其中，f为所述驱动电机的工作频率；n为所述驱动电机的极对数；μ为所述驱动电机的载荷系数；I为所述振冲器的工作电流；R为所述驱动电机的定子侧的电阻；S为转差率，其中的n、μ、R和S均由所述驱动电机和所述振冲器的生产厂家提供；K为修正系数，由用户设定，且0＜K＜1；F为所述驱动电机的额定工作频率；I_额定为所述振冲器的额定工作电流。

优选地，0.91＜K＜0.98。

驱动电机的工作频率f会直接影响振冲器内部的偏心块的旋转速度v，而偏心块的旋转速度又会直接影响振冲器的激振力P。根据激振力P的经验计算公式：

其中，W为振冲器内部的偏心块的质量；e为振冲器内部的偏心块的偏心距，g为重力加速度。

驱动电机的工作频率f与振冲器内部的偏心块的旋转速度v之间的关系可以根据工程经验曲线(如图1所示)确定。

振冲器的激振力P可以通过直接监测法和/或间接监测法监测。直接监测法是在振冲器的前端做支撑结构，支撑结构内嵌入力传感器直接测量激振力。间接监测法是通过测量振动响应和系统动态特性来计算得到激振力。

申请人还提出过一种将直接监测法和间接监测法结合起来的监测方法。这种监测方法是在振冲器的外周壁上沿着振冲器的轴向间隔设置3个测力环，通过所述的测力环在振冲器的外周壁上设置12个开合式力传感器，所述的12个开合式力传感器分为3组，每组包括4个开合式力传感器，每组的4个开合式力传感器沿振冲器的轴向对称布置成一圈；12个开合式力传感器构成直接法监测激振力装置。通过所述的测力环设置在振冲器的外周壁上的12个加速度计构成间接法监测激振力装置。12个加速度计分为3组，每组包括4个加速度计，每组的4个加速度计在同一个测力环上对称布置；所述的加速度计与所述的开合式力传感器的位置不重叠。所述的加速度计和所述的开合式力传感器均使用光纤传感器。相邻的每圈所述的开合式力传感器在振冲器的轴向上均匀布置(例如间隔50cm)。相邻的所述测力环之间间隔50cm。

直接监测法和间接监测法中，传感器均使用光纤传感器，为了提供线路的稳定性和可维护性，同时为了降低生产、维护成本，本发明采用串并结合方案。

具体来说，同一测力环上的开合式力传感器串联，同一测力环上的加速度计串联，不同测力环上的开合式力传感器并联，不同测力环上的加速度并联。

所述的加速度计检测用的电流为4mA至20mA的信号，或者检测用的电压信号为0V至10V。采集的信号通过现有技术中已知的采集器进行运算和转化，力的计算通过牛顿第二定律实现。

采用现有技术中已知的采集器采集直接法监测激振力装置输出的直接谐波激振力FZ和间接法监测激振力装置输出的间接谐波激振力FJ，其中，

其中，T为所述开合式力传感器和加速度计的平均检测时间间隔，单位为秒；x(t)为t时刻所述开合式力传感器的检测输出值形成的曲线拟合函数；g(t)为t时刻所述加速度计的检测输出值形成的曲线拟合函数；M为所述振冲器的总质量，单位为Kg。

所述加速度计的连接导线和所述开合式力传感器的连接导线与采集器电连接，即可实现采集器采集直接法监测激振力装置输出的直接谐波激振力FZ和间接法监测激振力装置输出的间接谐波激振力FJ。采集器中内置控制器，该控制器可以由用户设定所述开合式力传感器和加速度计的平均检测时间间隔T，以及所述振冲器的总质量M，并能够自动将平均检测时间间隔T等分成预定的时间段，根据每个时间段的中间时刻的检测值拟合生成所述开合式力传感器的检测输出值形成的曲线拟合函数和所述加速度计的检测输出值形成的曲线拟合函数。

采用修正系数矩阵对直接法监测激振力装置输出的直接谐波激振力FZ和间接法监测激振力装置输出的间接谐波激振力FJ进行拟合和修正，具体修正公式为：

其中，P为修正后的振冲器激振力；K₁为振冲器的主刚度系数；J为振冲器的交叉耦合刚度系数；C为振冲器的主阻尼系数，A为振冲器的交叉阻尼系数；K₁、J、C、A均由振冲器的生产厂家提供。

采用振冲器的主刚度系数K₁、振冲器的交叉耦合刚度系数J组成第一修正矩阵，振冲器的主阻尼系数C、振冲器的交叉阻尼系数A组成第二修正矩阵，同时采用第一修正矩阵和第二修正矩阵构成修正公式，由该修正公式得出的修正后的振冲器激振力与对应的实验室条件下得到的基准值相比，差别最大值仅为1.4％，最小值只有0.2％；因此申请人认为采用该修正公式得到的监测结果与实验室条件下得到的基准值基本吻合，与单纯采用直接法监测激振力装置或者单纯采用间接法监测激振力装置的监测结果相比，能够极大地提高监测数据的准确性。

为了确定该如何控制所述驱动电机的工作频率f，申请人做了大量的实验。实验过程中，按照前文所述的方法检测振冲器的激振力P和振冲器的工作电流I，并找到同一个振冲器的工作电流I对应的振冲器的激振力P的最大值，计算出振冲器的激振力P的最大值对应的振冲器内部的偏心块的旋转速度v，然后根据工程经验曲线(如图1所示)确定与振冲器内部的偏心块的旋转速度v对应的驱动电机的工作频率f。变化不同的工作电流I可以得到一组不同驱动电机的工作频率f。更换不同的振冲器能够得到不同组的驱动电机的工作频率f。将得到的驱动电机的工作频率f数据分成样本空间和测试空间。

利用样本空间中的驱动电机的工作频率f和对应的振冲器的工作电流I进行函数拟合(利用SageMath开源数学软件系统)，得到不同的函数曲线和函数关系式，然后用测试空间中的驱动电机的工作频率f和对应的振冲器的工作电流I对拟合得到的函数关系式进行测试，在函数拟合过程中引入驱动电机和振冲器的不同性能参数作为系数，直到测试的结果达到期望的吻合程度。最终发现，采用驱动电机的极对数n、驱动电机的载荷系数μ、驱动电机的定子侧的电阻R和转差率S作为系数的变频公式能够得到最优的吻合结果。

同时为了避免由于振冲器的工作电流I过于靠近所述振冲器的额定工作电流I_额定导致振冲器的烧毁或停机，又引入了修正系数K，使振冲器的运行更加安全。

以上描述了本发明优选实施方式，然其并非用以限定本发明。本领域技术人员对在此公开的实施方案可进行并不偏离本发明范畴和精神的改进和变化。

Claims (10)

1.一种振冲器自动限流降频装置，其特征在于，所述的振冲器自动限流降频装置包括电源、采集装置、驱动电机和变频器，所述的采集装置用于实时采集所述振冲器的工作电流I，所述的电源用于向所述的驱动电机供电，所述的驱动电机用于驱动所述振冲器内部的偏心块旋转；所述的变频器用于按照变频公式控制所述驱动电机的工作频率f，其中，所述的变频公式为：

其中，f为所述驱动电机的工作频率；n为所述驱动电机的极对数；μ为所述驱动电机的载荷系数；I为所述振冲器的工作电流；R为所述驱动电机的定子侧的电阻；S为转差率，其中的n、μ、R和S均由所述驱动电机和所述振冲器的生产厂家提供；K为修正系数，由用户设定，且0＜K＜1；F为所述驱动电机的额定工作频率；I_额定为所述振冲器的额定工作电流。

2.根据权利要求1所述的振冲器自动限流降频装置，其特征在于，0.91＜K＜0.98。

3.根据权利要求1所述的振冲器自动限流降频装置，其特征在于，所述驱动电机的工作频率f与振冲器内部的偏心块的旋转速度v之间的关系根据工程经验曲线确定。

4.根据权利要求1所述的振冲器自动限流降频装置，其特征在于，振冲器内部的偏心块的旋转速度v与振冲器的激振力P之间的关系根据激振力P的经验计算公式：

计算；

其中，W为振冲器内部的偏心块的质量；e为振冲器内部的偏心块的偏心距，g为重力加速度。

5.根据权利要求1所述的振冲器自动限流降频装置，其特征在于，振冲器的激振力P通过将直接监测法和间接监测法结合起来的监测方法进行监测，所述的将直接监测法和间接监测法结合起来的监测方法是在振冲器的外周壁上沿着振冲器的轴向间隔设置3个测力环，通过所述的测力环在振冲器的外周壁上设置12个开合式力传感器，所述的12个开合式力传感器分为3组，每组包括4个开合式力传感器，每组的4个开合式力传感器沿振冲器的轴向对称布置成一圈；12个开合式力传感器构成直接法监测激振力装置；通过所述的测力环设置在振冲器的外周壁上的12个加速度计构成间接法监测激振力装置；12个加速度计分为3组，每组包括4个加速度计，每组的4个加速度计在同一个测力环上对称布置；所述的加速度计与所述的开合式力传感器的位置不重叠。

6.根据权利要求5所述的振冲器自动限流降频装置，其特征在于，所述的加速度计和所述的开合式力传感器均使用光纤传感器。

7.根据权利要求5所述的振冲器自动限流降频装置，其特征在于，相邻的每圈所述的开合式力传感器在振冲器的轴向上均匀布置。

8.根据权利要求5所述的振冲器自动限流降频装置，其特征在于，相邻的所述测力环之间间隔50cm。

9.根据权利要求5所述的振冲器自动限流降频装置，其特征在于，采用采集器采集直接法监测激振力装置输出的直接谐波激振力FZ和间接法监测激振力装置输出的间接谐波激振力FJ，其中，

其中，T为所述开合式力传感器和加速度计的平均检测时间间隔，单位为秒；x(t)为t时刻所述开合式力传感器的检测输出值形成的曲线拟合函数；g(t)为t时刻所述加速度计的检测输出值形成的曲线拟合函数；M为所述振冲器的总质量，单位为Kg；

采用修正系数矩阵对直接法监测激振力装置输出的直接谐波激振力FZ和间接法监测激振力装置输出的间接谐波激振力FJ进行拟合和修正，具体修正公式为：

其中，P为修正后的振冲器激振力；K₁为振冲器的主刚度系数；J为振冲器的交叉耦合刚度系数；C为振冲器的主阻尼系数，A为振冲器的交叉阻尼系数；K₁、J、C、A均由振冲器的生产厂家提供。

10.一种根据权利要求1至9所述的振冲器自动限流降频装置的限流降频方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、实时采集所述振冲器的工作电流I；

第二步、按照变频公式控制所述驱动电机的工作频率f，其中，所述的变频公式为：

其中，f为所述驱动电机的工作频率；n为所述驱动电机的极对数；μ为所述驱动电机的载荷系数；I为所述振冲器的工作电流；R为所述驱动电机的定子侧的电阻；S为转差率，其中的n、μ、R和S均由所述驱动电机和所述振冲器的生产厂家提供；K为修正系数，由用户设定，且0＜K＜1；F为所述驱动电机的额定工作频率；I_额定为所述振冲器的额定工作电流。

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