重力活塞取樣樁效應分析實驗平臺設計及應用

徐 凱，王坤勝，于彥江，張鴻飛，李 波

(1.國土資源部海底礦產資源重點實驗室，廣東 廣州 510075；2.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074；3.廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510075)

0 引言

海底沉積物研究離不開樣品獲取，重力活塞取樣器是一種作業成本低、擾動小、能穿透一定深度的海洋沉積物取樣設備[1]。由于沉積物和取樣器之間的相互作用，產生樣品“樁效應”現象，造成沉積物樣品原始層序混亂、彎曲變形和長度縮短等后果，破壞樣品信息記錄的完整性[2]。重力活塞取樣器取樣分析主要基于相似理論的物理模型實驗和計算機仿真分析展開，Skinner等[3]基于土力學對取樣器取樣動態特性進行了分析和建模;李民剛等[4]通過能量法分析了取樣器貫入深度影響因素;杜星等[5]通過模型實驗分析取樣器貫入深度影響因素;孔丹雅、劉湛、文澤軍和徐建等[6-9]分別采用Abaqus等軟件對取樣器取樣過程進行了仿真分析。上述研究的適應性還存在一定限制，故本文綜合原型測試、模型實驗和仿真分析3種分析方法優勢，設計了一種重力活塞取樣器樁效應分析實驗平臺。

1 總體方案設計

所設計的平臺可搭載等比例取樣器，并在真實沉積物中進行小速度范圍內的取樣實驗，通過該范圍內準確實驗數據修正仿真分析模型參數，進而通過仿真分析得到全速度范圍取樣器準確的取樣動態特性及樁效應擾動情況。平臺參數參考廣州海洋地質調查局常用的D117、D127和D137等3種重力活塞取樣器規格(最大觸底速度18 m/s，取樣深度9～24 m)，最大可搭載L800D137型取樣器進行0～5 m/s速度范圍內的取樣過程等比例模型實驗，最大牽引質量50 kg，最大牽引速度5 m/s，最大取樣深度1 m。

1.1 總體框架

實驗平臺如圖1所示，平臺由主機架、牽引導軌、牽引絞車、取樣器總成和沉積物樣品倉組成。主機架由4040鋁型材、連接角件和連接螺栓組成，作為實驗平臺的主體框架，主機架包括上下2層，上層部分用于牽引導軌和牽引絞車的安裝，下層部分用于樣品倉的布置，同時留出足夠空間給取樣器加速，以免提前貫入沉積物樣品；牽引導軌和牽引絞車共同組成牽引機構，其功能是實現取樣器總成的加速、脫離和起拔;取樣器總成包括取樣器及其檢測裝置，取樣器用于取樣實驗，檢測裝置為無線九軸傳感器，主要采集取樣管取樣過程的三軸加速度和三軸傾角數據；沉積物樣品倉用于放置配置好的沉積物樣品，用于取樣管取樣。

圖1 實驗平臺系統結構

1.2 牽引機構選型計算

牽引機構由牽引導軌和牽引絞車組成，如圖2所示。牽引機構總成和升降機構總成通過鋼絲繩與定滑輪連接成一個閉合環路，通過驅動電機正轉帶動滑塊與取樣管向下運動并達到大于重力加速度g的加速度，通過驅動電機反轉帶動滑塊與取樣管向上運動上升到初始位置。連接裝置采用2個電磁吸盤通電和斷電的方式實現與取樣管的連接與斷開，通過行程開關來控制電磁閥通斷電的精確時間點，保證取樣器可靠地脫離牽引機構。

圖2 牽引機構結構

絞車結構由電機、減速器、卷筒、軸承和鋼纜組成。電機通過減速器后直連絞車卷筒，卷筒上雙向纏繞2組鋼纜，分別通過滑輪與牽引導軌連接板上下端固連，通過電機正反轉拖動連接板上下移動。

取樣器要求在1 m加速行程內由靜止達到5 m/s。伺服電機采用恒力矩模式，加速過程為勻加速，牽引機構運動方程為：

(1)

v=at

(2)

s為導軌有效長度，數值為1 000 mm；a為平臺最大加速度；t為加速時間；v為最大牽引速度5 m/s。

牽引機構為雙直線滑塊兩側對稱布置，其型號為上銀HGH30CA線性滑軌，預壓為Z0。根據產品手冊，摩擦力計算公式為Ff=μP+S1，機構受力如圖3所示，公式為：

圖3 加速受力分析

F+mg-Ff1-Ff2=ma

(3)

FL2+P1L3=m(a-g)L1+2Ff1L1

(4)

F(2L1-L2)=P2L3+m(a-g)L1+2Ff2L1

(5)

Ff為摩擦力；S1為刮油片阻力，數值為1.96 N；μ為摩擦力系數，數值為0.004；P1和P2為滑塊運動垂直方向負荷；m為連接板及取樣器最大質量，數值為50 kg；g為重力加速度；Ff1和Ff2為滑塊摩擦阻力；L1～L3數值分別為250 mm，100 mm和60 mm。

綜合式(1)～式(5)，可以得到平臺的加速度為12.5 m/s2，加速時間為0.4 s，鋼纜所需牽引力F為141.82 N。為滿足加速條件，絞車動力系統需要在伸出扭矩、最大速度及慣量匹配上滿足以下條件：

(6)

i為減速器速度；T為伺服電機最大恒扭矩；D為絞車卷筒直徑；ω為恒扭矩最高轉速；J為電機慣量；J1為負載慣量；n為安全系數，取1.2。

式(6)中前2項為輸出扭矩及轉速的要求，需要綜合考慮不同減速比及卷筒直徑組合下對電機選型的要求，10J>J1可保證系統的動態特性。根據功率對電機進行初選，電機拖動50 kg負載在0.4 s加速到5 m/s，需要電機輸出功率超過1.56 kW，利用電機的短時過載能力，選擇松下MDME152GCHM型中慣量1.5 kW伺服電機，減速器選用速比為3的行星齒輪減速器，卷筒直徑150 mm。表1為電機參數及系統負載匹配情況，可見，電機、減速器及卷筒直徑滿足負載匹配要求。

表1 電機參數及負載匹配

1.3 取樣器總成設計

取樣器總成參考常規取樣器結構，主要由端蓋、配重塊、取樣管、刀頭和九軸傳感器等組成。其中，取樣管和刀頭根據實驗需求的不同，分別有D137、D127和D117等3種不同規格型號以模擬不同取樣器，PVC內襯管采用從中間切開的透明管替代傳統結構的取芯管，方便在實驗后觀察沉積物的擾動變形。圖4中，端蓋、 配重塊、電池盒、單向閥、無線九軸傳感器和取樣管上蓋為通用部分，主要作用是用于與牽引機構的連接脫離，以及取樣過程取樣器速度、加速度和傾角等參數的采集。

圖4 取樣器結構

2 測控系統設計

監測系統采用上下位機結構。上位機采用基于C#語言，并基于WinForm和Unity3D平臺的，包括平臺控制、數據采集、數據顯示、數據處理和三維顯示等功能的集成軟件。下位機采用Beckhoff PLC，包括CPU模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊和電機控制模塊。取樣器運動數據采集采用無線九軸傳感器通過藍牙直連上位機，系統結構如圖5所示。

圖5 實驗平臺測控系統框架

2.1 牽引電機控制

牽引電機的控制是基于TwinCAT NC PTP軟件實現的，如圖6所示。TwinCAT NC PTP把1個電機的控制分為3層，即PLC軸、NC軸和物理軸。PLC程序對電機的控制，必須經過2個環節：PLC軸到NC軸；NC軸到物理軸。PLC軸的控制，是指在PLC程序中編程，調用運動控制庫的功能塊，NC軸與傳統的運動控制卡類似。由于TwinCAT NC與TwinCAT PLC運行在同一個CPU上，所以運動控制和邏輯控制之間的數據交換更直接、快速，因此，TwinCAT NC比傳統的運動控制器更加強大、靈活。

圖6 TwinCAT NC PTP電機控制

上位機向TwinCAT PLC發送控制命令，在接收到PLC指令之后以某個速度運動到某個位置，TwinCAT NC計算出每個NC周期伺服軸應該到達的位置，將NC運算得出的目標位置，換算成驅動器可接受的輸出變量值，驅動牽引電機在限定時間內到達目標速度。

2.2 數據采集模塊

數據采集模塊的功能是通過藍牙串口的方式獲取數據。藍牙串口通信是基于SPP協議實現的，在PC端和九軸傳感器端分別安裝有藍牙適配器和藍牙模塊，通過SPP藍牙串行端口服務來建立藍牙串口數據傳輸。上位機通過藍牙讀取到九軸傳感器的加速度數據，并通過積分得到速度數據，二者實時顯示到上位機的波形圖中，實現對速度、加速度參量的實時監測，按照設定的周期將讀取的數據保存到TXT文本中，供后續分析使用。

2.3 上位機設計

上位機軟件界面分為菜單欄、控制區、波形圖顯示區、三維模擬顯示區和狀態欄。啟動軟件，在菜單欄對系統參數進行設置，并連接下位機硬件；控制區是對測試系統的控制按鈕，包括啟動、起拔、繼電器開合、急停按鈕，以及設置目標速度的擋位；波形圖實時顯示通過數據采集模塊采集的速度和加速度數據；三維模擬顯示是基于Unity3D建立的實驗平臺三維狀態顯示系統，通過數據采集模塊，將采集到的重力活塞取樣器位置信息實時反饋到軟件界面上；狀態欄顯示IP地址、PLC連接狀態、電機運動狀態和當前時間等狀態信息。

3 平臺測試

根據設計方案搭建的實驗平臺樣機如圖7所示。為了測試樣機的系統性能，進行了相同取樣器3種不同沉積物密度的取樣實驗。取芯初速度設定為5 m/s，3組取樣數據如表2所示。取樣管在牽引電機的驅動下逐漸加速到設定速度，脫離時速度誤差小于3%。數據采集系統完整地記錄了取樣管在加速及取芯過程中的速度、加速度和三軸傾角等數據。

圖7 實驗平臺樣機

表2 取樣數據

取出取樣管后，打開PVC內襯后沉積物取芯如圖8，不同顏色石英砂準確反映了沉積物擾動形變的真實情況。

圖8 取芯效果

4 結束語

針對海底沉積物壓樁效應研究需求，本文設計研制了重力活塞取樣器樁效應分析模型實驗平臺，實現了以下功能：

a.實驗平臺基于相似原理設計，綜合原型實驗、模型實驗和仿真分析3種方法，可等比例調節貫入速度、配重及沉積物屬性等參數，模擬不同施工條件。

b.實驗平臺采用伺服電機驅動的閉環牽引系統，滿足不同規格取樣器在不同貫入速度下的取樣模擬實驗，取樣管與牽引系統連接采用電磁吸盤實現自動分離。

c.實驗平臺測控系統采用C#和Beckhoff上下位機組合，實驗過程自動控制，貫入過程取樣管狀態數據獲取完整可靠，為壓樁機理研究提供支撐。

d.沉積物樣品使用多層不同顏色的薄石英砂隔開，可增強沉積物在取樣過程中擾動變形區分度。

樣機測試表明，實驗平臺可搭載L800D137型取樣器進行0～5 m/s速度范圍內的取樣測試，測控系統能準確可靠完成取樣管加速、分離和數據采集等功能。應用本實驗平臺可有效開展樁效應研究，為海底沉積物重力活塞取樣器優化設計及取樣施工工藝優化提供基礎依據。