毕业设计（论文）-旋挖钻机钻进深度实时监测系统设计.doc

徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书1概述1.1旋挖钻机的主要构成部分1.1.1底盘结构底盘组件由加强上车体和可扩展行走部组成。上车体是钻机的机架，为整机的安装基础。上车体的中心装有液压系统的“中心回转接头”，将装于上车的液压系统工作油液传递到履带行走机构和履带伸缩机构。底盘主要包括车架及行走装置。行走装置则主要包括履带张紧装置、履带总成、驱动轮、承重轮、拖链轮及行走减速机等组成部分。早期的旋挖钻机由于是起重机外挂装置，因此采用的是起重机底盘或挖掘机底盘，现在也有一些厂家采用挖掘机底盘进行改装。其他一些厂家的旋挖钻机底盘一般为液压驱动、轨距可调、刚性焊接式车架、履带自行式的结构。目前国内旋挖钻机的底盘结构大小不一样，履带板宽度范围一般在8001200mm之间，有些采用挖掘机底盘进行改装，有些采用国外厂家生产的专用旋挖钻机底盘。在底盘结构形式上也多种多样，有摆动伸缩式，有直接伸缩式，也有一些小型钻机采用非伸缩式底盘。国内的三一syr220型旋挖钻机选用德国卡特彼勒330c底盘、内藏式液压可伸缩履带结构，该款履带提供较低的接地比压，提高施工时整机的稳定性和舒适性，且便于施工和运输。图1.11.底座 2.转台总成 3.回转支承 4.行走机构5.副卷扬总成 6.回转钻头 7.动力头 8.桅杆总成9.钻杆 10.提引起 11.滑轮杆1.1.2发动机系统旋挖钻机的发动机系统一般包括发动机、散热器、空滤器、消音器、燃油箱等。国外的旋挖钻机一般采用梅赛德斯或卡特彼勒发动机。国内的旋挖钻机发动机有的选用国内的增压中冷式水冷发动机，也有的选用国内二汽东风康明斯发动机以适应不同客户的需求。其水散热器、空滤器等附件选用国内配套件，燃油箱自制。1.1.3变幅机构及钻桅的结构目前国内旋挖钻机的变幅机构一般采用两级变幅油缸，平行四边形连杆机构，上端以及变幅油缸两端具有万向节头便于调整。钻桅下端有液压垂直支腿，上端有两套轮滑机构，上下两端均可折叠，钻桅左右可调角度为5，前倾可调整角度为5，后倾可调整角度为15。三一集团syr220型旋挖钻机的桅杆采用大箱形截面，为动力头和钻杆提供导向作用，具有良好的刚性和稳定性，抗冲击、耐振动、无需拆卸的可折叠式结构能减少整机长度和高度，便于运输。采用流行的平行四边形结构，通过其上大臂油缸的作用，可使桅杆远离机体或靠近机体。通过桅杆角度的调整，可实现对桅杆工作幅度，运输状态桅杆高度，以及桅杆相对地面角度的调节，使其动作机动灵活，提高工作效率。1.1.4动力头的结构动力头是旋挖钻机的关键工作部件，其性能好坏直接影响钻机整机性能的发挥。动力头是钻机工作的动力源，主要作用是驱动钻杆、钻头回转，并能提供钻孔所需的加压力、提升力，能满足高速甩土和低速钻进两种工况。动力头为液压驱动，齿轮减速，钻进和抛土作业可实现双向旋钻，主要结构包括回转机构、动力驱动机构及支撑机构。回转机构主要有齿轮与钻杆互锁的套管，以及由回转支承、密封等组成的两端支撑结构。动力驱动机构采用双变量马达带动减速机及小马达小减速机同时驱动钻进。抛土作业时，大减速机脱离，小马达小减速机工作，实现高速抛土。另外，支撑机构与滑槽、支座上盖与油缸连接件等组成部分，均为焊接结构件，充分考虑其内部润滑，有润滑油高度显示，加油口、放油口等，易于保养、维修。国内三一集团的动力头采用双变量液压马达驱动小齿轮，由小齿轮啮合大齿轮带动键套与钻杆配套，可根据不同地质条件自动无级改变旋转速度和输出扭矩。双速减速机还可实现高速甩土功能。动力头有独立的润滑、冷却和换速液压系统，确保动力头可靠高效地工作。soilmec r622hd钻机的动力头由三液压马达驱动，其中有一马达同轴驱动齿轮，在反向抛土时，只依靠马达提供动力。国内的钻机一般只是有两液压马达提供动力，在反向抛土作业时，两马达均提供动力输出。意大利soilmec r622hd钻机的动力头反向旋转由单独机构实现，依靠此机构实现驱动齿轮与回转支承外齿轮的离合。国内的钻机是通过对减速器的更改来实现这一切的；国内的钻机与soilmec r622hd钻机及cmv钻机的动力头部分就机构上来讲，大体上是相似的，但soilmec r622hd钻机与cmv钻机的动力头更为相似，均为三液压马达驱动，减速器与液压马达之间有一抛土换向机构。由三马达正常驱动以单马达反向抛土驱动。cmv公司的钻机采用平行连杆机构加三角形支承型式，动力头可按土层自动调整扭矩和转速。意马公司采用装有油浴式润滑的动力头。迈特公司系列旋挖钻机的动力头配有套管钻进增扭装置，钻机的摩擦钻杆驱动键的宽度和厚度较大，可锁式钻杆为短键嵌入式可保证快速加锁和解锁。从国际知名大公司的钻机产品我们可以看出带有离合机构的钻机是比较普遍的机型。采用恒定功率液压泵与变量液压马达配合，使动力头可根据地质条件自动改变其排量和压力，从而改变了输出扭矩及转速，即动力头具有土壤自适应特性；采用三档和离合器的减速机，用远程液压操纵换挡来实现钻机的低速钻进和高速抛土；液压换挡，操作简单方便，提高了机器的作业效率。采用2个小齿轮同时驱动1个处于同一水平内的大齿轮，有利于增大齿轮所能传递的扭矩：齿轮中心连线为锐角三角形，使动力头结构紧凑。1.1.5转台的结构目前国内旋挖钻机的转台为整体焊接式结构，主纵梁为“工字”形截面，主要包括回转支承、转台主体、钻桅后支撑、配重等，钻桅后支撑位于配重前与转台主体用螺栓固定便于拆卸，配重采用分体铸造大圆弧结构，运输时可拆卸。国内旋挖钻机转台的结构不太一样，如r622-hd旋挖钻机回转平台整体上采用了高铰点、大截面结构，这也是2转台受力大、应力高的特点决定的。转台主梁为变截面工字梁结构，采用的是等强度设计，这种设计矩形梁设计具有重量轻、省材等优点。边梁设计与徐工集团rd18大致相同，采用大弧造型设计。转台上的布置与国内的具有较大区别，在布置上显得更为紧凑些，主要区别是回转减速机前置，充分利用了前面的空间，主泵和液压油箱均放在转台左边，燃油箱放在转台右边油散热之前，这样管路布置不会太乱。后面配重也采用大圆弧设计，与边梁和机棚造型相适应。在整体紧凑，外观简洁同时，保证要求强度节省材料。1.1.6卷扬的结构国内外旋挖钻机的卷扬有主副卷扬两种。卷扬的结构采用卷扬减速机，具有卷扬、下方、制动功能，卷筒自行设计，主卷扬具有自由下方功能，而且能实现快、慢双速控制。主、副卷扬均配有压绳器。主卷扬是在钻进过程当中完成钻杆和钻头下放和提升等功能的机构，而副卷扬的主要功能是完成工地上所需的焊机钻头等附属物品的起吊。卷扬机构主要由液压马达、内藏式卷扬减速器、卷扬筒、钢丝绳、压绳器等组成。卷扬减速器内部自带式摩擦片液压制动器，主要功能是停车制动；液压马达上带有液压制动阀。主卷扬的最大拉力由钻杆、钻斗、沙土的重量及起拔钻斗时阻力决定。1.1.7钻杆的结构旋挖钻机所使用的钻杆形式是决定钻机对地层的适应能力的重要因素。这是因为钻杆要将动力头的全部转矩一直传递到孔底的钻头上，并且还要将加压油缸的压力、动力头的自重和钻杆自重等钻压稳定地传递到几十米以下的钻头上，因此当钻进较硬的地层时，钻杆可能要同时承受大扭矩和大钻压，还要克服很大的弯矩，这样使得钻杆的受力条件变得非常复杂，如果钻杆本身的能力达不到要求，则很容易损坏。铠式钻杆可以分为摩擦钻杆和锁紧钻杆两大类。摩擦钻杆是指钻杆上的键很只能靠摩擦来传递钻压的钻杆，而锁紧钻杆是指钻杆之间通过加压平台可以锁成一个刚性体对地层加压钻进的钻杆。摩擦咱干在提钻时不需要解锁，操作简单，但由于加压能力有限无法钻进较硬地层。锁紧钻杆的地层适应能力强，但需要解决提钻时可能对钻杆造成强烈冲击的问题。锁紧钻杆又可分为简单的加压式钻杆和六键式嵌岩钻杆。简单加压式钻杆只可以实现少量加压，因此不能真正适应坚硬地层的施工。而六键式嵌岩钻杆的加压平台宽大，可以稳定地传递较大钻压，又因为是六键结构，钻杆本身内抗失稳的能力很强，可以有效地克服钻杆细长杆效应。国内外的六键式嵌岩钻杆的简单锁紧式钻杆都可以实现加压，但是这类钻杆也有不足，就是在提钻时必须先反转解锁，然后再卸土。正常的提钻顺序应该是钻杆由内向外依次上升，但是如果反转解锁不完全，就会造成某相邻两节钻杆尚未解锁就一起缩进外层钻杆，一般称为挂钻。而这两节钻杆继续往上运动时，受到轻微的扰动就会自动解锁，这样外面的钻杆就会悬空下落，对钻杆和动力头会形成强大的冲击。通常单节钻杆的质量为2t，假如钻杆从3m甚至8m高度自由落体冲击下来，冲击能量将非常大，如果没有保护装置，很容易造成动力头和钻杆的严重破坏。因此使用六键式或其他锁紧式加压钻杆必须配置动力头减振器。减振器包括弹簧装置和液压减振装置，能有效缓冲并吸收钻杆对动力头的冲击以及钻杆之间的冲击，保证锁紧式钻杆的安全使用。国内外旋挖钻机的钻杆采用4节或5节伸缩内锁式钻杆，每节长度大约为13m，装配后总长不小于48m,采用高强度合金钢管，钻杆与动力头采用长牙嵌内锁式连接方式。顶端与上滑动板用无齿回转支承相连，下端带有弹簧缓冲，末节上端可滑转万向节与主卷钢丝绳相连，下端采用方形截面杆通过销轴与转头相连，每只钻头与方形截面杆相配，具有互换性。1.1.8钻头的结构钻头是决定旋挖钻机能否较好的适应复杂地层、提高功效的重要部件，目前国内外旋挖钻机的钻头共分3种常用的结构：短螺旋钻头（6002500mm）、回转斗钻头（8002500mm）和岩心钻钻头（8002500mm），如r622-hd旋挖钻机的钻头有:短螺旋钻头、单层底旋挖钻头、 双层底旋挖钻头共四个（900、1000、800、1500）。目前国内外旋挖钻机钻头的3种常用的进土结构如下：（1）短螺旋钻头（如图1.2）。旋挖钻头主要以短螺旋钻头为主，靠螺旋叶片之间的间隙来容纳从孔底切削下来的土、沙砾等，这种钻头的结构简单、造价低。地层较好时，使用它也可达到好的效果，如果底层沙砾石较多或含水较多时，在提钻时很容易掉块，钻进效率低，甚至于不能成孔。 图1.2（2）单层底旋挖钻头（如图1.3）。在地下水位较高，含沙砾较多时的地层，大多数旋挖钻机均采用单层旋挖钻头钻进，用静压泥浆护壁，这种钻孔工艺已明显优于短螺旋钻头钻孔。最早的旋挖钻头是单层底，在底下方有对称的两扇仅可向内方向打开的合页门。当钻头钻进时，孔底切削下来的土、沙砂经合页门压入头内；在提钻时，在斗内土砂的重力作用下，两扇门向下关闭以阻止砂土漏回孔内。由 图1.3于这种重力作用不是十分可靠，时常发生合页门关闭不严，造成砂土漏回孔内，降低了钻进效率，还会影响孔底清洁度。 （3）双层底旋挖钻头。其特点是两层底可以相对回转一个角度，以实现斗底进土口的打开与关闭。即在顺时针旋转切削时，底部的进土口味开放状态，当钻完一个回次后，将钻头逆时针旋转一个角度，致使进土口强行关闭，从而使切削物完整地保存在钻头内。实践表明，在复杂地层中，双层底钻头的钻进效率及孔底清洁度明显优于单层底钻头。1.2旋挖钻机的工作原理旋挖钻机的基本工作原理是: 依靠动力头提供扭矩作用在钻杆和钻头上，使钻头作旋转切削的同时,加压油缸通过动力头传递加压力给钻杆和钻头,实现钻头的加压钻进。渣土进入钻头内,主卷扬提升钻杆钻头离开孔口。回转主机到一定角度,打开钻头底门,倒出渣土,合上斗门,回转对中孔位,下放钻杆,再次把钻头放入孔内,循环作业实现钻进。1.3旋挖钻机的使用范围随着我国国民经济的快速发展,基建工程大量上马,基础工程不断增多,旋挖钻机的使用也就越来越普及。旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械,广泛应用于高速铁路、客运专线、市政建设、公路桥梁、高层建筑等基础工程。配合不同钻具,适应于干式(短螺旋) 、湿式 (回转斗)及岩层(岩心钻)的成孔作业,旋挖钻机具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活,施工效率高及多功能等特点。目前旋挖钻机已广泛应用于各种钻孔灌注桩工程。旋挖钻机可适用于各种地层中0 时，在一定的if 作用下，所对应的ic 基本上与vce无关。ic 与if 之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。(3)光电耦合器可作为线性耦合器使用。在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。3.光电耦合器件主要性能研究光耦的基本结构是将光发射器(红外发光二极管、红外led) 和光敏器(硅光电探测敏感器件) 的芯片封装在同一外壳内，并用透明树脂灌封充填作光传递介质，通常将光发射器的管脚作输入端，光敏器的引脚作为输出端，当输入端加电信号时，光发射器发出的光信号通过透明树脂光导介质投射到光敏器后，转换成电信号输出，实现了以光为媒介的电光电信号转换传输，并在电气上是完全隔离的。(1)隔离性能，输入端与输出端完全实现了电隔离，其绝缘电阻riso一般均能达到1010 以上，绝缘耐压viso在低压时都可满足使用要求，高耐压一般能超过l kv，通过增加屏蔽有的可达10kv 以上。(2)光信号单向传输，输出信号对输入端无反馈，用光学器件限制光的范围可有效阻断电路或系统之间的电联系，但并不切断他们之间的信号传递。(3)通过增加保护装置使光信号不受电磁干扰，工作稳定可靠。(4)采取光学器件的保护和电磁屏蔽提高抗共模干扰能力，能很好地抑制干扰并消除噪音。(5)合理设计逻辑电路连接。可以使光发射和光敏器件的光谱匹配十分理想，响应速度快，传输效率高。从应用方面看，要求光耦在不同的应用场合，具有各自相应的特性，电流传输比ctr 大，线性度好，绝缘电压高，高速大容量，导通后压降小。光耦的耦合效率( 即ctr) 和隔离特性是其主要的诱人之处，研发的产品种类可满足不同场合的需求，提高电子线路的可靠性。4.光电耦合器件的作用由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合：(1) 在逻辑电路上的应用光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此由它构成的逻辑电路更可靠。 (2) 作为固体开关应用在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。(3) 在触发电路上的应用有效地解决输出与负载隔离地问题。(4) 在脉冲放大电路中的应用将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。(5) 在线性电路上的应用，线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。 (6) 特殊场合的应用，光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于a/d 电路等多种场合。图2.3是本设计的传感器部分的硬件接线图：图2.32.3检测仪的显示装置设计深度检测仪的目的就是要让施工人员知道所打孔的深度具体是多少，施工人员怎么才能知道具体的数值，这就需要显示装置。现在一般的显示装置都是采用led数码管，由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点。本设计将要采用的是八段led数码管显示器，它是由八个发光二极管组成。基中7个长条形的发光管排列成“曰”字形，另一个点形的发光管在数码管显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。led数码管显示器有两种不一样的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极led数码管显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极led数码管显示器。共阴极和共阳极结构的led数码管显示器各笔划段名和安排的位置是相同的。当二极管导通时，对应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8个笔划段h g f e d c b a对应于一个字节（8位）的d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0，于是用8位二进制码就能表示显示字符的字形代码。在单片机应用系统中，数码管显示器显示常用两种办法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个数码管显示器都要占用单独的具有锁存功能的i/o接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种办法单片机中cpu的开销小。图2.4所以本设计将会使用3个0.56寸的1位共阳极led数码管，符合旋挖钻机的深度检测的要求。数码管的显示将会使用动态扫描显示，可以节约单片机管脚，对cpu的占用也会较少。图2.5是显示的硬件接线图：图2.52.4检测仪电路使用的电源旋挖钻机的车载电压一般都是dc24v，因此提供给检测仪的电压也是dc24v。检测仪有两个部分需要提供电源，一是检测仪的传感器，二是检测仪的单片机。检测仪的传感器是选用欧姆龙的tl-n20md型接近开关，此接近开关的额定电压是dc24v，所以车载电源能够直接提供给接近开关不需要就进转换。单片机是选用atmel公司生产的at89c52型单片机，此型单片机的额定电压是dc5v,而车载电源的电压是dc24v，所以车载电源不能直接给单片机提供电源，需要把dc24转换成dc5v后在提供给单片机。这电压的转换将要使用到三端稳压集成电路7805。用7805三端稳压ic来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。集成稳压ic型号中的78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，7805表示输出电压为正5v。三端ic是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。本设计选用的是在78 *系列三端稳压器中最常应用的是to-220封装。这种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如附图2.6所示。图中的引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。这样标注便于记忆。引脚为最高电位，脚为最低电位，脚居中。从图中可以看出，不论正压还是负压，脚均为输出端。对于78*正压系列，输入是最高电位，自然是脚，地端为低电位，即脚， 图2.6 下图2.7是检测仪电源的硬件接线图：图2.72.5系统电路图 图2.8 3深度检测仪的软件设计 3.1接近开关信号的采集及判断13241.齿轮盘 2.接近开关s1 3.接近开关s2 4.金属贴片图3.1检测装置结构见图3.1，齿轮盘固定在旋挖钻机立柱额头滑轮的侧面，在齿轮盘上均匀放置4个金属贴片，2个接近开关垂直安装在齿轮盘的中心线上。其工作原理是卷扬机带动钻头向下运动的同时，钢丝绳带动滑轮与齿轮盘一起逆时针转动，接近开关s1、s2检测从经过金属片的变化。钻头向下运动时s1、s2输出信号排列 钻头向上运动时s1、s2输出信号排列s1 s2 s1 s2 1 1 1 10 1 1 00 0 0 010 0 111 1 1钻头向下运动时：s1s1s2图3.2 钻头向上运动时：s1s2图3.3可以看出齿轮盘顺时针或逆时针转动时，开关s1、s2输出信号二进制的排列顺序是不同的。利用这一点，在计算机处理时可以方便地实现对齿轮顺时针转动或逆时针的判断，即钻头上下运动方向的判断。3.2钻孔深度的计算在深度计算之前先进行齿轮运动方向的判别，正反方向识别出来之后就可以进行深度的计算。钻孔深度计算公式可以表示为：h = h0 d4zn式中：h-当前钻孔深度h0-上次钻孔深度z- 额头滑轮上的金属贴片数d -额头滑轮直径n-s1、s2二进制排列的变化次数式中的正负号由s1、s2二进制排列组合顺序决定。系统的最小计量单位为d/4z。3.3输出数字的显示单片机输出至数码管驱动电流是固定不变的，称为静态链接。由于单片机的p0p3口输出电流有限（低电平输出时，p0、p1和p3口的最大电流为10ma），限制了单片机驱动数码管的能力。若数码管的数目增加，则数码管的亮度急剧下降，降低显示效果。若要驱动多个数码管，常将数码管的所有笔端连接在一起，动态地轮流选通数码管的公共端，并称这种连接方式为动态链接。单片机依次选通数码管的公共端，在某一时刻，单片机只驱动一个数码管，选通频率称为刷新频率。刷新频率越高，所需输出电流越小，数码管的亮度越高。若刷新频率低于50hz，由于人眼的视觉暂留生理特性，会产生闪烁感，容易造成疲劳，同时也增加单片机的电源功率消耗。为了提高亮度，可采用中断处理方式轮流刷新led，并将led改为共阳极连接。显示某位led时，关闭与数据口连接的其他led（p0 = 0ffh ），送出待显示的数据，利用人眼的视觉暂留效应，得到多位led的同时显示效果。开始下图3.4是显示部分的流程图：系统初始化定时扫描n查询进入中断？y显示yn退出？显示图3.43.4系统总流程图开始端口初始化清零按键按清零检测p0.0、p1.0口的输入信号p1.0口输入信号超前p0.0口？yn向上向下y计数器减子程序计数器加子程序深度计算子程序显示子程序结束 图3.5 深度检测的程序流程3.5单片机系统设计的要求、步骤和注意事项3.5.1系统设计的基本要求1.可靠性要高应用系统在满足使用功能的前提下，应具有较高的可靠性。这是因为单片机系统完成的任务是系统前端信号的采集和控制输出，一旦系统出现故障，必将造成整个生产过程的混乱和失控，从而产生严重的后果。因此，对可靠性的考虑应贯穿于单片机应用系统设计的整个过程。在设计时对系统的应用环境要进行细致地了解，认真分析可能出现的各种影响系统可靠性的因素，采取切实可行的措施排除故障隐患。在总体设计时应考虑系统的故障自动检测和处理功能。在系统正常运行时，定时地进行各个功能模