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冲孔打桩钻机机的自动控制系统设计

  作为执行机构,设计了一种系统。在整个系统的实现上,从机械改装设计、硬件原理以及软件实现等方面对系统进行设计,最终实现冲孔桩机自动打桩的功能。

  冲孔打桩机主要由桩锤、支架、卷扬机以及其他辅助设备组成,其工作原理是利用冲孔打桩机的卷扬机构,将电动机输出动力的回转运动转变为往复运动,通过钢丝绳来带动桩锤的提升,并在一定高度时使桩锤自由下落,利用桩锤的冲击作用冲挤土层或破碎岩石,同时钻渣随泥浆(或用取渣桶)排出,最后在地基土中形成桩孔。施工人员在桩孔内放置钢筋笼,灌注混凝土而制成桩。

  目前,冲孔打桩机的打桩作业均由人工手动机械式操纵来完成。操作人员在工作过程中需要频繁对离合装置、刹车装置等控制部件进行操纵,劳动强度很大。随着微电子技术和自动控制理论的发展,将自动控制技术应用于冲孔打桩机,实现打桩的全自动化或半自动化,使操作人员从繁琐重复的体力劳动中解放出来成为可能。

  本文通过对冲孔打桩机原有手动控制系统的机械改装,并利用微控制器以及其他辅助元器件设计了一种冲孔打桩机自动控制系统。

  冲孔打桩机原有手动控制系统的执行机构主要包括离合操纵杆和刹车操纵杆。离合操纵杆闭合(简称“紧离合”),桩锤将会被提升;刹车操纵杆闭合(简称“紧刹车”),桩锤将会停止运动。在打桩机工作过程中,要避免离合操纵杆和刹车操纵杆同时闭合。该系统的执行装置可采用气动方式、液压方式和电机控制三种方式,为了方便起见,选择采用电机控制方式。

  电机选用直流电机,直流电机响应速度快,力矩大,并且体积小。改装时,将固定块和电机导轨固定在打桩机的底座上,电机旋转带动丝杠沿导轨运行。在原有人工作业方式下运行时,即手动模式下,控制杆收到远离刹车杆的位置,不影响人员操作。采用直流电机作为执行机构对刹车离合控制杆进行控制,微处理器根据位置传感器传回来的位置信息,对直流电机进行旋转控制,电机转动丝杠,带动控制杆运动,从而实现刹车与离合的自动控制。

  冲孔打桩机原有桩锤提升的高度需要操作人员目测,在自动打桩控制系统中,使用2个霍尔器件为高度传感器,一个检测钢丝绳长度,另一个检测系统是否出现因卡锤故障引起的桩架提升。在卷扬机卷轴上按照一定的间隔,安装该设计系统用到的若干个磁铁,在桩架上靠近卷轴的位置处,安装检测钢丝绳长度的霍尔传感器;在桩架上安装检测卡锤故障的霍尔传感器。

  设计系统的卷扬机采用45 kW的三相异步电机,在电机的三相电中,使用其中两相对电机进行过流保护和继电保护,一相安装电流互感器,对电机的电流进行检测;另一相安装控制电机开关的继电器对电机的通断进行控制。

  冲孔打桩机自动控制系统工作时,施工人员首先对系统进行参数设定,微控制器根据设定的信息控制直流电机的运动,从而带动离合和刹车控制杆达到控制离合和刹车的目的。为了保证刹车和离合控制杆的精确运动,使用位置传感器对控制杆运动的位置进行反馈监控。同时,为了方便操作人员的监控,微控制器将打桩作业的相关参数通过液晶屏显示出来。

  高坎大桥工程要求桩孔直径达到2.5米,深度达到33米,经过前期勘探,该地地质结构上层为卵石层,厚度达到17米,在卵石层打孔极易造成坍塌,因此对泥浆的配置相当高,卵石层以下为坚硬的花岗岩层,岩石质地较为细密,石英含量大,部分岩块敲击可出现裂缝,该地层的钻进成为了最大的困难。易塌的卵石层、坚硬的花岗岩层、再加上大直径的桩孔,如此高难度的工程在国内非常少见。

  旋挖钻机加压方式分为液压缸加压式和卷扬加压式,在钻进时,加压装置能够给动力头提供的向下最大的力即为最大加压力,该力可通过钻杆及钻具传递到孔底,是钻机入岩能力的一项重要指标。

  TR360D配置CATC-13型电喷涡轮增压发动机,动力强劲、环保高效。液压主泵为负流量恒功率变量自动控制,可实现负载与发动机输出功率的最佳匹配。当负载较小或无负载时发动机控制系统自动降低发动机转速,保证发动机燃油经济性,降低设备使用成本。变幅采用大三角支撑结构,减少了工作装置铰接点,提高了成孔精度,同时减小了回转半径,增强钻机施工稳定性。

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  随着沈阳四环高速公路新建工程高坎浑河大桥工程的开工,两台由北京桩机生产的SR360Ⅱ旋挖钻机开进东北黑土地,担负起主桥7#墩,共计12个桩位的修建任务。这是三一大型旋挖钻机首次进入东北市场,北京桩机工法研究院派出三名工程师到施工现场进行工法指导,以确保工程顺利完工。

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  然而,在厦门地铁某站桩基础项目中,施工方要求桩径直径1.2米,桩深达到31至32米,这意味着必须嵌入硬质花岗岩20到26米,其难度冠绝1号线。

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