SH42旋挖鉆機機鎖鉆桿加壓鎖點可視化系統研制

胡成云,王業俊,吳來杰,文國軍,李龍杰,韓菲

(1.上海金泰工程機械有限公司,上海 201805;2.中國地質大學(武漢)機電學院,武漢 430074;3.中國地質裝備集團有限公司,北京 100015)

0 引言

旋挖鉆機的操作主要依賴于操作人員的工作經驗,尤其是對機鎖鉆桿進鎖和解鎖操作需要操作人員正確判斷鎖點的位置,從而保證設備相應動作的正確性[1-2]。如果操作不當極易發生不能正確進鎖和解鎖的現象,從而造成帶桿、砸桿等嚴重事故[3-4]。如何實時顯示鎖點位置,實現鉆桿進鎖和解鎖的簡單可靠操作[5],一直是業界關注的難點問題,其對保證樁基施工作業過程的安全高效具有十分重要的意義。為此,研制開發一套機鎖鉆桿加壓鎖點可視化系統,實現鉆桿鎖點位置的實時動態檢測和顯示,便于司鉆人員操作設備,提高作業的效率和安全性[6-7]。該可視化系統的總體功能如圖1所示。

圖1 加壓鎖點可視化系統總體設計圖Fig.1 The overall design drawing of visualization system for pressure locking point

1 SH42鉆桿加壓鎖點可視化系統方案

1.1 系統的功能要求

鉆桿加壓鎖點可視化系統需要實現的功能主要有以下四個方面:能夠實時顯示鉆孔深度、鉆具(鉆頭和鉆桿)質量數值;實時判斷孔深與鉆具重量的對應關系,具有帶桿報警功能;鉆桿進鎖位置顯示(以綠色圖標表示當前深度可以進鎖,以灰色圖標表示當前深度不允許進鎖),實現操作的可視化和安全可靠;具有鉆桿進鎖參數設置保存、系統工作參數設置等功能。

1.2 關鍵參數

如圖2所示,主機回轉中心距為5000 mm,標配68 m機鎖桿,鉆頭高度為1500 mm。鉆桿質量19 t(一桿4.6 t、二桿4.8 t、三桿3.8 t、四桿5.8 t);鉆頭質量3.5 t,總質量22.5 t。

圖2 旋挖鉆機機鎖桿示意圖Fig.2 Rotary drilling machine with interlocking kelly bar

正常情況下鉆深16 050 mm(一桿擱在動力頭上,二桿開始伸出),顯示質量17.9 t;鉆深33.325 m(二桿完全伸出,三桿開始伸出),顯示質量13.1 t;鉆深50.6 m(三桿完全伸出,四桿開始伸出),顯示質量9.3 t。進鎖位點和顯示重量變化不在偏差范圍內,隨即產生帶桿報警。根據各鉆桿的換層深度與對應顯示重量的關系,可以得到鉆孔深度與報警重量之間的關系,如圖3所示。

圖3 帶桿報警參數值Fig.3 Alarm parameter value with rod

SH42鉆機配有68 m機鎖鉆桿(共4桿),各桿上均設置有4個加壓鎖點。各桿進鎖參數如表1所示,數值表示進鎖位點及其偏差值。

表1 各桿進鎖參數

2 系統開發

依據鉆桿加壓鎖點可視化系統的功能要求,設計開發一套可視化的測試系統,實現各工作參數采集、實時處理和顯示功能,系統由傳感器、數據采集及處理單元、顯示單元等組成[8-9]。

2.1 系統硬件平臺搭建

系統硬件由西門子S7-200、昆侖通態觸摸屏TPC7032、動力頭位置傳感器、主卷揚角位移傳感器、鋼繩拉力傳感器等組成[10-12],各模塊和傳感器的工作電壓均為24 V,由開關電源供電,便于簡化系統的設計,硬件電路原理圖如圖4所示。

圖4 系統電路原理圖Fig.4 System circuit schematic diagram

可視化系統安裝于防護式機箱中,并配置在司鉆操作臺上,能夠滿足工地多粉塵、高濕度和大振動的工作環境。系統采用220 V單相交流電源供電,便于與現有設備電控系統進行對接?？梢暬到y控制臺如圖5所示。

圖5 可視化系統控制臺Fig.5 Visualization system console

2.2 系統軟件設計

可視化系統的軟件包括數據實時顯示模塊、鉆桿參數配置模塊和系統參數設置模塊。系統按照1 Hz 的頻率實時采集各傳感器的數據,通過處理轉換為實際物理量并顯示,同時對加壓鎖點的位置進行動畫顯示。

圖6是實時顯示模塊,系統主界面上實時采集并顯示鉆頭位置(鉆孔深度)、鋼繩拉力、動力頭位置和最近加壓鎖點的位置等數值,以及提下放鉆桿的方向和速度值。同時,以動畫形式直觀展示最近鎖點的狀態,以灰色表示不可進鎖狀態,以黃色表示可以進鎖狀態。如果發生帶桿情況,將會在屏幕上進行報警提示。

圖6 可視化系統的主界面Fig.6 The main interface of visualization system

圖7是鉆桿參數配置模塊,鉆桿參數配置頁面用于操作人員設置鉆桿加壓進鎖位點、偏差以及鉆桿換層位置和重量等相關參數。參數配置完成之后點擊保存修改的按鈕,鉆桿的配置參數會保存到數據庫中,作為此后的鉆桿參數。

圖7 鉆桿參數配置Fig.7 The parameter setting for drilling pipe

圖8是系統參數設置模塊,系統參數設置頁面用于配置各傳感器的相關參數,包括傳感器的儀表系數和安裝位置偏差校正等(原位點校正、動力頭位置傳感器零點校正等),這些系統參數對鉆桿加壓鎖點的準確計算和系統的正常運行至關重要。

圖8 系統參數設置Fig.8 System parameter setting

3 系統測試驗證

3.1 進鎖位點準確性測試

動力頭的位移數據通過磁柵位移傳感器獲取,系統中此磁柵尺的位移測量儀表系數設定為10 mm/P;其他各傳感器的儀表系數如系統參數設置畫面所示。鋼絲繩的重量數據是根據鋼絲繩位移和動力頭位移數據進行計算,保證在測試過程中不出現帶桿報警問題。測試過程中的進鎖位點數據記錄如表2所示,由鉆桿進鎖參數表可以看出進鎖動畫的顏色變化與傳感器帶桿報警參數正確對應,證明了鉆桿鎖點位置動畫的準確性。

表2 進鎖位點準確性測試記錄

3.2 帶桿報警測試

在帶桿報警功能測試中,輸入參數應該確保在大部分的測試位置時鋼絲繩張力正常,而在預先設定的某一位置時鋼繩張力值應當大于或小于正常值。本次測試驗證預設的帶桿報警位點第二鉆桿的第三個鎖點,加壓可視化系統默認的重量監測誤差設定為30 kN,為了使系統出現帶桿報警的狀態,輸入參數與正常的重量相比增加40 kN。動力頭位移參測試過程中不發生變動,保持為0.98 m。傳感器的數據變化情況記錄,如表3所示。

表3 帶桿報警測試記錄

4 結語

在帶桿報警測試過程中,由鉆桿進鎖參數表可以看出進鎖動畫的顏色變化與傳感器帶桿報警參數正確對應,驗證了鉆桿鎖點位置的準確性。系統可以實時檢測鉆桿位置與重量的對應關系,一旦發生錯誤及時進行帶桿報警,避免造成嚴重的設備事故。通過測試表明,SH42機鎖鉆桿加壓鎖點可視化系統數據準確,操作簡單直觀,功能合理,穩定可靠,達到了預期的設計目標,具有良好的推廣應用價值。