旋挖鉆機施工過程分析及其控制策略研究*

許 祥,唐琦軍*,任 凱,張大慶,周恩懷

(1.湖南農業大學 機電工程學院,湖南 長沙 410128;2.山河智能裝備股份有限公司 國家級企業技術中心, 湖南 長沙 410100;3.湖南大學 重慶研究院,重慶 401135)

0 引 言

隨著我國基礎建設和機械施工技術的發展,旋挖鉆機在土建工程中得到了廣泛應用,已經成為現代化土建施工的重要裝備。

相比于傳統的沖擊或回轉鉆進、泥漿循環護壁成孔裝備,旋挖鉆機具有許多優點,包括技術、設備和成孔工藝等方面。因此,旋挖鉆進技術被廣泛應用于中、大口徑灌注樁工程和工民建領域[1]。然而,現階段旋挖鉆機的操作往往依賴于人工經驗,存在操作復雜、效率低下、能源浪費以及因為操作不當造成的環境污染等問題。

當前,學者們對旋挖鉆機的節能研究較多,主要分布在對旋挖鉆機施工過程中的故障優化、地面和地層對施工能耗的影響,以及液壓系統功率匹配等幾個方面。在實際施工中,由于需要頻繁地切換工作姿態,鉆機的部件振動對機身以及動力頭造成了嚴重破壞,沖擊后還會引起變形和漏油等問題[2]。

LI D等人[3]通過使用有限元分析和模糊比例積分微分的方法來解決鉆桿卡滯問題,降低了鉆桿卡滯的風險,提高了鉆桿的使用壽命和工作效率。LU X等人[4]介紹了一種基于激光跟蹤儀的旋挖鉆機工作姿態測量和質量評價方法,在鉆機上安裝了激光跟蹤儀,可以實時測量鉆機姿態參數,并計算出回轉對孔和鉆孔的準確位置、方向和深度等信息。

雖然這些方法提高了工作效率,但學者們對施工機器自身的能耗并沒有直接研究。

判斷旋挖鉆機當前運行狀況的好壞,對于優化鉆孔質量、提高鉆機工作效率以及節約燃油消耗有非常重要的作用。在行業技術發展中,該方向一直都是一個迫切需要攻關的技術。

DING Y等人[5]提出了基于鉆井沖擊和振動參數的地層識別方法,其可以探究地層中固體的力學性質,并得出了一些關于施工環境地層性質的結論;但該方法對于復雜地形的應用方面不具備通用性。KRPA V等人[6]提出了基于力學模型的方法,其可以用于描述旋挖鉆機在巖石中的鉆進過程,該方法對監測工作過程的施工狀況有積極意義。

在旋挖鉆機的地層識別方面[7-10]我國也有許多學者做了大量研究。不過這些方法普遍用于地層判別的科學研究中,對于實際施工的直接影響不夠明顯。

由于旋挖鉆機工作區域普遍分散、負荷變化頻繁,對于旋挖鉆機工作過程的能耗優化方面,最常見的方法是優化發動機的控制邏輯以及液壓系統和發動機的功率匹配[11-14]。然而,在實際施工過程中,由于工作環境的不確定性,這些技術難以實現。液壓系統的節能控制主要仍停留在液壓和發動機的獨立控制階段,導致在工作中鉆機的發動機難以獲得良好的匹配效果[15-17]。

在旋挖鉆機的工作循環中,發動機是旋挖鉆機的核心部件之一,其運行狀態和效率直接影響旋挖鉆機的工作性能[18]。然而,學者們對發動機的研究普遍忽略了其工作過程中具體步驟對操作員和發動機的需求。在工作過程的控制方面,旋挖鉆機的工作控制通常采用分工況控制,將工作狀態分成普通模式、快速模式、入巖模式、高速甩土模式等4種,每種模式下,操作員根據經驗選擇多個油門位置。然而,其無法準確判斷當前工作對于發動機的需求。

針對上述研究中的不足,基于實際施工試驗,筆者將旋挖鉆機工作過程分為5個階段(下鉆鉆進、鉆桿上提、上車回轉、卸渣過程、回轉對孔),并對各階段液壓泵壓力和發動機轉速需求進行分析;由于各階段的轉速需求不同,根據鉆桿進尺速度,提出旋挖鉆機發動機分工況轉速控制方法,根據工作循環狀態的差異和鉆桿進尺速度調整發動機的工作段,避免發動機的頻繁調節。

1 旋挖鉆機

1.1 鉆機關鍵參數

筆者所用設備為山河智能裝備股份有限公司160系列旋挖鉆機。

旋挖鉆機整機主要部件參數如表1所示。

筆者采用康明斯公司QSB6.7電噴柴油發動機,主泵選擇恒力公司液壓泵。

1.2 鉆機主要動作

旋挖鉆機主要執行機構的動作包括:鉆桿提升下放、動力頭旋轉/加壓、上車回轉、卸渣。旋挖鉆機主要工作步驟如圖1所示。

圖1 旋挖鉆機主要工作步驟Fig.1 Rotary drilling rig main working steps

從鉆桿的下放直至開始接觸土壤為下放的過程,緊接著動力頭旋轉配合加壓油缸的下壓力,帶動鉆桿進行往下鉆進的動作。待鉆取完成,上車回轉直至卸渣完成。這些動作互相配合,從而完成整個工作循環。

1.3 鉆機液壓系統

為了對旋挖鉆機各動作進行更深入的研究,筆者將上述3個主要動作又進行了劃分:

下鉆鉆進。表示鉆桿下放時,主卷揚鋼絲繩下放,鉆桿由于自重整體下降;鉆孔時,主卷揚浮動,動力頭液壓馬達經由減速機減速以及大小齒輪減速后帶動鉆桿旋轉,同時加壓油缸經動力頭向鉆桿提供向下的加壓力。

鉆桿上提。表示鉆具中的鉆渣達到規定后,動力頭馬達做出提鉆準備,動力頭停轉并上升至目標鎖點,主卷揚回轉,將鉆桿提升至地面。

上車回轉。表示鉆進完成后上車的部分動作,回轉平臺轉至地面目標卸渣位置,進行卸渣。

卸渣過程。表示動力頭轉至卸渣點后,動力頭加壓油缸提供向下的加壓力,使動力頭下降以撞擊頂桿,打開底板卸渣,動力頭反復正反回轉,抖去殘余鉆渣。

回轉對孔。表示上車回轉平臺回位至鉆孔位置,開始下一循環工作。

旋挖鉆機一個完整工作循環中,主泵液壓壓力波形圖如圖2所示。

圖2 旋挖鉆機主泵液壓出口壓力Fig.2 Rotary drilling rig main pump hydraulic outlet pressure

圖2(b)中,1代表下鉆鉆進;2代表鉆桿上提;3代表上車回轉;4代表卸渣過程;5代表回轉對孔。

結合圖2,筆者分析了旋挖鉆機工作循環各階段液壓壓力特征:

在下鉆鉆進時,隨著鉆桿的逐步下放,主卷揚緩慢回轉,輔助鉆具下放。待鉆具觸及孔底,液壓壓力會出現短暫下降,等待操作者鉆進。鉆具在自重和加壓油缸的作用下一邊回轉切削土體,一邊將鉆渣旋入鉆具內。鉆桿、鉆具以及鉆渣在孔內回轉摩擦產生阻力矩,由于鉆桿和鉆具自重以及加壓油缸的動態加壓,鉆進會處于一個“動態+靜態”的耦合作用之下,負載會處于一個時變狀態,壓力會有小幅波動。

在提鉆時,由于需要考慮鉆渣以及鉆桿鎖點的要求,在提鉆之前操作者需要操作動力頭反轉。此時,雙泵進行高壓大排量工作,在突變的重載下,由于液壓系統的啟動特性和發動機響應特性,發動機鉆速、液壓系統壓力都需要有個相應的過程。動力頭需要上升至合理位置上鎖點,鉆桿緩慢上提,在啟動完成后,主卷揚回路平衡閥,完成對速度的控制工作,主卷揚馬達進出油口壓力逐漸平穩。

在提鉆完成后,回轉過程中壓力值較穩定,但由于上車轉動慣量大,在制動時會出現高壓。在卸渣時,由于部分鉆渣粘附在鉆具上,卸渣時操作者快速切換液壓先導手柄,控制動力頭正反轉動,利用鉆渣自身的慣性作用將其抖出鉆具。由于液壓系統的啟動特性和操作方法,在拋土階段下,系統壓力具有較大突變性。最后,在卸渣完成后,上車回轉至作業孔洞上方,因為需要緩慢對孔,壓力無明顯特征。

可見,工作循環的每一個階段主泵壓力的波形各不相同,筆者通過分析各階段波形,可以區分出工作循環的各個階段。

2 鉆機發動機

2.1 各動作耗時

根據研究,旋挖鉆機工作過程中,隨著發動機轉速的提高,油耗的增加會呈上升趨勢,但是效率增加量呈下降趨勢。當轉速超過了一定值時,效率將不再增加。轉速較小時,轉速的升高會使主泵輸出流量增加,鉆桿動力頭等執行機構提速,效率提高。但是當轉速太高時,扭矩會下降,油耗提高,反而會影響作業效率。

筆者根據工程實際數據,統計了各階段時間占比,如圖3所示。

圖3 工作循環各階段時間需求Fig.3 Time requirements for each phase of the workcycle

工作循環各階段時間分布如下:下鉆鉆進為34.1%,提鉆為24.7%,鉆臺回轉為4.8%,卸渣為32.2%,回轉對孔為4.9%。

隨著旋挖鉆機的工作深度不斷增加,整體需要花費的時間也呈梯度增加,具體如圖4所示。

圖4 時間消耗情況Fig.4 Time consumption

下鉆鉆孔階段需要考慮工作對象的不同,對功率的需求也不同。通過液壓泵的壓力以及發動機的轉矩可以反映工作對象的性質,即工作對象越松軟,鉆孔階段的主泵壓力和發動機轉矩也越大。

對于不同地層的土壤功率需求也不同,松軟的土壤如果采用較低轉速,工作效率會顯著降低;而對于下層的堅實土壤,由于主泵壓力高、排量小,采用過高的轉速,會使發動機長期工作在外特性曲線上,經濟性能會大幅降低。

因此,筆者需要針對不同工作對象,合理設定發動機的轉速。

2.2 燃油消耗情況

在該研究中,筆者對旋挖鉆機的實際工程作業過程進行了多組試驗,針對旋挖鉆機工作過程燃油消耗量的規律性和深度對燃油消耗的影響進行了研究。

研究結果顯示,鉆機的燃油消耗量在5個階段有明顯的差異,如圖5所示。

圖5 工作循環各階段燃油消耗情況Fig.5 Fuel consumption at each stage

每條線都代表一次完整的工作循環。在5個階段中,下鉆鉆進油耗占比最多,大約占整個工作過程油耗的38%～50%。

而第二階段(提鉆)的油耗同樣較高,僅次于第一階段鉆進,約占整個工作過程的23%～33%,因為該階段需要控制動力頭反轉解鎖,還需要控制動力頭和鉆桿上提。

第三階段油耗占比最少,因為第三階段僅需回轉到目標位置等待卸渣,約占整個工作過程的4%～7%。

第四階段是卸渣過程,占整個工作循環的11%～19%,該階段因為不需要像第二階段要控制鉆桿和動力頭大幅度上提,油耗需求少于上提階段。

最后一個階段是回轉對孔,燃油需求占整個循環的6%～9%,因為該階段需要在回轉對孔的前提下,保證鉆桿上提到安全高度以及給動力頭鉆桿上鎖,等待下一個循環的開始。

旋挖鉆機鉆進深度和油耗的關系如圖6所示。

圖6 旋挖鉆機鉆進深度與燃油消耗的關系Fig.6 The relationship between drilling depth and fuel consumption

工作過程燃油消耗量隨著鉆孔深度的增加而逐漸增加。因此,筆者需要針對不同階段的工作需求,研究有針對性的發動機控制策略,以優化鉆機的燃油消耗。

2.3 扭矩情況

鉆機的功率是由其轉速和扭矩的乘積決定的。鉆孔直徑和鉆孔工藝方法是決定鉆機轉速的重要因素。而鉆機的扭矩受到多種因素的影響,包括鉆頭直徑、鉆頭類型、地層情況、鉆孔深度、鉆進方法以及其他鉆進工藝參數等。而在上述因素中,鉆進方法是影響作業效果最直接的要素。

筆者對旋挖鉆機工作過程其功率特性進行了分析,如圖7所示。

圖7 工作過程發動機動力性情況Fig.7 Engine dynamics during operation

筆者觀察旋挖鉆機的工作過程中每個階段發動機的轉速及扭矩變化特點,以深入探究旋挖鉆機的工作機理,為鉆進過程的控制和優化提供理論依據和實驗支持。

筆者研究了實際挖掘過程中發動機轉矩的基本分布情況,對工作循環不同階段發動機轉矩進行了統計分析,其轉矩特征如表2所示。

表2 工作循環各階段轉矩特征統計

(N/m)

Table2 Statistics of torque characteristics at each stage of the operating cycle

表2中,轉矩的范圍指正態分布概率密度值大于0.5,且分布最集中的轉矩區間。

綜合圖7可以看出:各階段對轉矩的需求各不相同,其中下鉆鉆進階段最大,回轉對孔階段最小,因回轉階段鉆斗內裝有鉆渣,故與回轉對孔的轉矩需求存在一定差異。

3 控制策略

3.1 轉速控制策略

旋挖鉆機工作時,不同的地層由于其巖土結構、礦物成分、力學參數等條件不同,鉆進速度及其阻力存在差異。因此,在施工過程中,工作各階段對于發動機的功率需求同樣存在著差異。旋挖鉆機工作過程各階段有各種鉆進參數,如鉆進壓力、回轉扭矩、回轉速度、進尺速度和進尺深度等。筆者對不同埋深巖土體與鉆進參數進行了分析,提出了一種基于鉆桿進尺速度的發動機油門調節策略。

隨著鉆進深度的增加,進尺速度的增加呈階梯形遞減趨勢,如圖8所示。

圖8 進尺速度與深度關系Fig.8 Relationship between feed rate and depth

由圖8可知:曲線變化過程表明在鉆進深度增加的同時,鉆頭進給效率也會降低,鉆進難度會增加,其可以在一定程度上反映工作介質的強度增加趨勢。

筆者采取比功法作為部分判斷依據,給出鉆進參數動力學模型:

(1)

式中:e為比功;F為動力頭進給力;A為鉆孔的截面積;ω為轉矩;γP為鉆進率。

由于鉆進效率不但和工作介質的強度有關,還和轉速等因素有關。因此,筆者根據鉆桿進尺速度識別鉆進內容物的堅實度,從而判斷當前功率需求,調節發動機的轉速,實現動態控制目的。

此外,僅以鉆桿進尺速度作為發動機轉速調節的依據,還是存在局限性和片面性,究其原因在于每個參數之間相互依存和制約。

因此,筆者考慮多因素的持力層識別,基于理論分析和工程試驗,綜合多因素推導出荷載強度模型:

(2)

式中:d為樁孔的直徑;n為鉆桿的轉速;F為動力頭的壓力;vp為鉆進效率;A為孔的面積。

如上所述,筆者綜合考慮進給率、鉆桿轉速、發動機轉速、鉆桿進尺速度、巖體荷載等因素,提出了多因素協同控制可判斷發動機轉速的策略,對不同工作過程的發動機轉速進行控制,實現操作-工作-識別-匹配-操作的合理閉環控制目的。

具體控制邏輯圖如圖9所示。

圖9 過程控制邏輯圖Fig.9 Process control logic diagram

3.2 調節穩定策略

當工作循環進入到下一階段后,一方面需要動態改變發動機轉速扭矩,使其能夠切換至該階段;另一方面需要控制泵的吸收扭矩,保證發動機的穩定性。

隨著非道路柴油機標準執行的實施,旋挖鉆機大規模裝備了電噴發動機,由控制器直接發送轉速指令給發動機電子控制單元(electronic control unit,ECU)調速。

液壓泵的吸收扭矩:

(3)

式中:p為液壓泵的壓力;DP為泵的排量;ηpt為泵效率。

發動機加速度:

(4)

式中:Je為等效轉動慣量。

電噴發動機主要根據實際轉速與目標轉速插值控制噴油量。如果轉速長時間無法提高至目標值,發動機噴油量會一直很高,從而導致油耗增加。因此,在切換工作點時,要求轉速快速達到目標值,提高操作性,降低油耗。

筆者提出了基于鉆桿位移速度的泵控電流切換策略:在發動機從低工作點切換至高工作點時,減小泵的控制電流,從而減少泵的吸收扭矩Tp,增大其加速度αε,使轉速快速提升;發動機在從高工作點切換至低工作點時,增加泵的控制電流,從而增加泵的吸收扭矩Tp,使反向加速度變大,迅速降低轉速;在切換過程中,目標轉速變化越大,則相應的泵的控制電流變化量也要變大。并且,為了防止熄火,當發動機從高工作點切換至低工作點時,若負荷超過一定值,則泵的電流不改變。

發動機轉速在接近目標值時,工作點切換結束,工作點穩定控制策略開始控制泵的電流。

4 旋挖鉆機試驗

根據前期的分析研究,筆者使用160系列旋挖鉆機實地進行鉆孔試驗。

為比較不同邏輯下的作業效率及油耗,筆者分別采取傳統定轉速控制方法和基于過程控制的發動機分階段控制方法,進行標準鉆孔試驗。

為提高試驗的準確度,筆者使用兩種方法分別鉆取6個孔洞(每個孔洞鉆取60斗,總計40 m深),記錄工作循環次數,并采用CAN總線讀取機器運行參數,得到發動機轉速、扭矩曲線以及液壓主泵壓力情況。

以第5號和第6號孔洞為例,鉆進控制主要參數如圖10所示。

圖10 不同邏輯下發動機轉速Fig.10 Engine speed under different logic

由圖10可以看出:采取發動機分階段控制策略,在大負荷(鉆進工況)運行時,發動機的轉速能夠及時調整適合當前需求的轉速;而在鉆桿上提、回轉和對孔階段,旋挖鉆機對功率的需求不高,發動機轉速能及時降低,以節省能耗。

不同方案下,旋挖鉆機作業期間燃油消耗情況,如圖11所示。

對比傳統定轉速控制和分工作階段控制可知:采用分工作階段控制時,旋挖鉆機的發動機轉速隨作業對象及工作階段的不同而變化,工作點設定更加合理。

對比傳統的依靠操作手經驗判斷的擋位切換方式,其鉆取一個洞的工作時間平均減少了15%,油耗也降低了5.74%;在提升階段,提高了發動機的作業點,工作時間減少,油耗也有所降低;在卸載及空斗返回階段,工作時間減少,油耗略有降低;在其余功率需求較低的時間段,發動機轉速及時調整降低,對時間影響不大,而發動機功率降低,油耗相應減少較多。

綜上所述,筆者利用發動機分工作階段控制策略合理地設定了轉速,發動機切換過程穩定,在提高作業效率的同時,降低了燃油消耗。

5 結束語

筆者開展了旋挖鉆機施工試驗與數據分析,將施工過程分成了下鉆鉆進、鉆桿上提、上車回轉、卸渣過程、回轉對孔等5個階段;對主泵出口壓力、發動機性能參數和整機油耗進行了分析,并提出了旋挖鉆機施工過程的發動機轉速控制策略。

研究結果表明:

1)由于旋挖鉆機主要工作是下鉆鉆進,鉆孔過程時間和油耗占比最大,分別占34%和45%,回轉階段油耗和時間占比最低,且受鉆斗內鉆渣重量的影響,油耗會有相應的變化;

2)將旋挖鉆機的作業階段劃分為5段后,可精細化研究其作業功率的具體需求;

3)與傳統定轉速控制相比,分工作階段轉速控制方法的工作效率提高了15%,同時整機油耗降低了5.74%。

在后續的研究中,筆者會將工作階段的智能識別與發動機的轉速控制相結合,并且對旋挖鉆機工作階段液壓系統的影響進行更深入研究,這些也是其經濟性能優化的最終目的。