一种动力头真实对地压力控制系统及方法与流程

本发明属于桩工机械控制，具体涉及一种动力头真实对地压力控制系统及方法。

背景技术：

1、旋挖钻机是用于桩基础工程中灌注桩施工的成孔机械，广泛应用于道路、桥梁、码头、高层建筑等工程桩基础的施工。

2、由于施工地层的复杂性以及钻具的多样性，使得旋挖钻机的成孔作业操作难度很大。对于不同的地层或钻具，如果机手操作时施加的动力头扭矩或加压力不合适，会严重影响施工的效率，甚至会波及成孔质量。现有技术中旋挖钻机的操作仍是非常依赖于机手的施工经验，在钻进过程中存在很大的不确定性，尚未有一种针对动力头真实对地压力的可靠钻进策略。

技术实现思路

1、为解决现有技术的不足，本发明提供一种动力头真实对地压力控制系统及方法，通过多传感器的信息融合获知真实的对地压力，大幅降低了钻机的操作难度，并摆脱了对机手经验的过分依赖，可以适用复杂变化的地层并提高施工效率。

2、为解决现有技术的不足，本发明提供的技术方案为：

3、一种动力头真实对地压力控制方法，包括，

4、s1：基于加压油缸的加压力计算动力头的真实对地压力，调整加压油缸的加压力使动力头的真实对地压力达到当前地层、当前钻具对应的真实对地压力预设值；

5、s2：加压油缸停止加压，开始钻进；

6、s3：钻进时实时调整动力头的真实对地压力，包括，

7、实时监测动力头的转速、动力头的扭矩、发动机的负载率，基于动力头的转速、动力头的扭矩和发动机的负载率，通过加压油缸调整动力头的真实对地压力。

8、优选的，所述基于动力头的转速、动力头的扭矩和发动机的负载率，通过加压油缸调整动力头的真实对地压力，包括，

9、当动力头的转速大于当前地层、当前钻具对应的转速预设上限值，动力头的扭矩小于当前地层、当前钻具对应的扭矩预设下限值，发动机的负载率小于当前地层、当前钻具对应的负载率预设下限值并持续第一预设时间后，判定当前动力头的真实对地压力小于当前地层、当前钻具对应的真实对地压力预设值，通过调整加压油缸的加压力使动力头的真实对地压力达到真实对地压力预设值；

10、当动力头的转速小于当前地层、当前钻具对应的转速预设下限值，动力头的扭矩大于当前地层、当前钻具对应的扭矩预设上限值，发动机的负载率大于当前地层、当前钻具对应的负载率预设上限值并持续第二预设时间后，判定当前动力头的真实对地压力大于当前地层、当前钻具对应的真实对地压力预设值，通过调整加压油缸的加压力使动力头的真实对地压力达到真实对地压力预设值；

11、当动力头的转速为0、动力头的扭矩大于当前地层、当前钻具对应的扭矩设计极限值时，判定憋钻，通过调小加压油缸的加压力使动力头的真实对地压力达到真实对地压力预设值。

12、优选的，所述钻进时实时调整动力头的真实对地压力，还包括，实时监测动力头的真实对地压力，当动力头的真实对地压力小于当前地层、当前钻具对应的真实对地压力调整下限值时，通过调整加压油缸的加压力使动力头的真实对地压力达到真实对地压力预设值。

13、优选的，所述动力头的真实对地压力的计算公式如下：

14、pdijt＝f1j+f2+pijt-fijt

15、其中，pdijt为地层为i时，钻具为j时，t时刻下的动力头的真实对地压力；i＝1,2,3,…,a，a为地层的种类总数；j＝1,2,3,…,b，b为钻具的种类总数；

16、f1j为钻具为j时，钻杆钻具重量引起的动力头对地压力增加值；

17、f2为动力头重量引起的动力头对地压力增加值；

18、pijt为地层为i时，钻具为j时，t时刻下的加压油缸的加压力；

19、fijt为地层为i时，钻具为j时，t时刻下的主卷拉力。

20、优选的，所述f1j和f2的求取过程如下：

21、选定钻具为j，当钻具钻杆未接触动力头且处于待命状态时，将此时的主卷拉力记为f1j，将此时加压油缸的加压力记为f2。

22、优选的，所述真实对地压力预设值满足下式：

23、pdij0∈[pdijmin,pdijmax]

24、其中，pdij0为钻具为j、地层为i时的真实对地压力预设值；pdijmax为钻具为j、地层为i时的真实对地压力预设上限值；pdijmin为钻具为j、地层为i时的真实对地压力预设下限值；

25、pdijmax和pdijmin的求解过程如下：

26、选定钻具为j、地层为i，进行加压钻进，在钻进的同时记录不同动力头的真实对地压力对应的动力头的扭矩、动力头的转速和发动机的负载率；

27、当同一时刻下的动力头的扭矩满足mijmin≤mijt≤mijmax，动力头的转速满足nijmin≤nijt≤nijmax，以及发动机的负载率满足ηijmin≤ηijt≤ηijmax时，将此时的动力头的真实对地压力标记为待选真实对地压力；

28、其中，mijt为地层为i时，钻具为j时，t时刻下的动力头的扭矩；mijmax为地层为i时，钻具为j时的扭矩预设上限值；mijmin为地层为i时，钻具为j时的扭矩预设下限值；

29、其中，nijt为地层为i时，钻具为j时，t时刻下的动力头的转速；nijmax为地层为i时，钻具为j时的转速预设上限值；nijmin为地层为i时，钻具为j时的转速预设下限值；

30、其中，ηijt为地层为i时，钻具为j时，t时刻下的发动机的负载率；ηijmax为地层为i时，钻具为j时的负载率预设上限值；ηijmin为地层为i时，钻具为j时的负载率预设下限值；

31、汇总所有的待选真实对地压力得到钻具为j、地层为i时的待选真实对地压力范围，待选真实对地压力范围的上限标记为钻具为j、地层为i时的真实对地压力预设上限值pdijmax，下限标记为钻具为j、地层为i时的真实对地压力预设下限值pdijmin。

32、一种动力头真实对地压力控制系统，包括控制器、第一加压压力传感器、第二加压压力传感器、主卷销轴传感器、动力头压力传感器、转速传感器、动力头旋转阀和加压阀；

33、所述第一加压压力传感器与加压油缸的大腔、所述控制器相连；

34、所述第二加压压力传感器与加压油缸的小腔、加压油缸的小腔相连；

35、所述主卷销轴传感器用于测量主卷拉力，并将主卷拉力上传至控制器；

36、所述动力头压力传感器用于测量动力头的扭矩，并将动力头的扭矩上传至控制器；

37、所述转速传感器用于测量动力头的转速，并将动力头的转速上传至控制器；

38、控制器与发动机连接；

39、控制器，用于接收发送机上传的发动机的负载率；在钻进前向加压阀发送加压指令；基于第一加压压力传感器和第二加压压力传感器上传的压力值计算加压油缸的加压力；基于加压油缸的加压力计算动力头的真实对地压力；在动力头的真实对地压力达到当前地层、当前钻具对应的真实对地压力预设值时启动动力头旋转阀使动力头开始钻进；在钻进时基于动力头的转速、动力头的扭矩和发动机的负载率得出调大指令或调小指令并下发至加压阀；

40、所述加压阀与控制器、加压油缸连接，根据控制器下发的加压指令或调大指令加大加压油缸的加压力直至动力头的真实对地压力达到真实对地压力预设值，以及根据控制器下发的调小指令减小加压油缸的加压力直至动力头的真实对地压力达到真实对地压力预设值；

41、所述动力头旋转阀与控制器连接，用于控制动力头的旋转。

42、优选的，所述控制器具体用于，

43、当动力头的转速大于当前地层、当前钻具对应的转速预设上限值，动力头的扭矩小于当前地层、当前钻具对应的扭矩预设下限值，发动机的负载率小于当前地层、当前钻具对应的负载率预设下限值并持续第一预设时间后，向所述加压阀发出调大指令；

44、当动力头的转速小于当前地层、当前钻具对应的转速预设下限值，动力头的扭矩大于当前地层、当前钻具对应的扭矩预设上限值，发动机的负载率大于当前地层、当前钻具对应的负载率预设上限值并持续第二预设时间后，向加压阀发出调小指令；

45、当动力头的转速为0、动力头的扭矩大于当前地层、当前钻具对应的扭矩设计极限值时，向加压阀发出调小指令。

46、优选的，所述控制器还用于，当动力头的真实对地压力小于当前地层、当前钻具对应的真实对地压力调整下限值时，向所述加压阀发出调大指令。

47、优选的，所述控制器具体用于，基于下式计算动力头的真实对地压力：

48、pdijt＝f1j+f2+pijt-fijt

49、其中，pdijt为地层为i时，钻具为j时，t时刻下的动力头的真实对地压力；i＝1,2,3,…,a，a为地层的种类总数；j＝1,2,3,…,b，b为钻具的种类总数；

50、f1j为钻具为j时，钻杆钻具重量引起的动力头对地压力增加值；

51、f2为动力头重量引起的动力头对地压力增加值；

52、pijt为地层为i时，钻具为j时，t时刻下的加压油缸的加压力；

53、fijt为地层为i时，钻具为j时，t时刻下的主卷拉力。

54、优选的，所述控制器还用于求取所述f1j和f2，过程如下：

55、选定钻具为j，当钻具钻杆未接触动力头且处于待命状态时，将此时的主卷拉力记为f1j，将此时加压油缸的加压力记为f2。

56、优选的，所述控制器还用于求取所述真实对地压力预设值，包括，

57、pdij0∈[pdijmin,pdijmax]

58、其中，pdij0为钻具为j、地层为i时的真实对地压力预设值；pdijmax为钻具为j、地层为i时的真实对地压力预设上限值；pdijmin为钻具为j、地层为i时的真实对地压力预设下限值；

59、pdijmax和pdijmin的求解过程如下：

60、选定钻具为j、地层为i，进行加压钻进，在钻进的同时记录不同动力头的真实对地压力对应的动力头的扭矩、动力头的转速和发动机的负载率；

61、当同一时刻下的动力头的扭矩满足mijmin≤mijt≤mijmax，动力头的转速满足nijmin≤nijt≤nijmax，以及发动机的负载率满足ηijmin≤ηijt≤ηijmax时，将此时的动力头的真实对地压力标记为待选真实对地压力；

62、其中，mijt为地层为i时，钻具为j时，t时刻下的动力头的扭矩；mijmax为地层为i时，钻具为j时的扭矩预设上限值；mijmin为地层为i时，钻具为j时的扭矩预设下限值；

63、其中，nijt为地层为i时，钻具为j时，t时刻下的动力头的转速；nijmax为地层为i时，钻具为j时的转速预设上限值；nijmin为地层为i时，钻具为j时的转速预设下限值；

64、其中，ηijt为地层为i时，钻具为j时，t时刻下的发动机的负载率；ηijmax为地层为i时，钻具为j时的负载率预设上限值；ηijmin为地层为i时，钻具为j时的负载率预设下限值；

65、汇总所有的待选真实对地压力得到钻具为j、地层为i时的待选真实对地压力范围，待选真实对地压力范围的上限标记为钻具为j、地层为i时的真实对地压力预设上限值pdijmax，下限标记为钻具为j、地层为i时的真实对地压力预设下限值pdijmin。本发明的有益效果：

66、本发明提供的动力头真实对地压力控制方法及系统，通过多传感器的信息融合获知真实的对地压力，大幅降低了钻机的操作难度，并摆脱了对机手经验的过分依赖，可以适用复杂变化的地层并提高施工效率，为后续旋挖钻机的自动钻进提供了坚实的技术基础。