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振冲器控制系统及其施工数据采集处理的研究 摘要 目前，振冲法在国内已经获得广泛的应用。振冲法的振冲控制系统作为 主要的设备体系之一，担负着整个施工现场的施工、供电以及质量监控。本 课题针对施工工艺要求和现场要求，对施工控制工艺做了详细的研究，并对 控制系统的系统控制柜、p l c 控制部分、触摸屏部分进行了详细的研究分析 和设计。 该控制系统的设计首先研究了振冲器结构原理和施工工艺。振冲器主要 通过其振密电流的变化，来判断振密的效果。对施工工艺的详细研究，为控 制系统的设计提供了可靠的依据。然后确定采用软启动器p l c 触摸屏三者 组合的总体控制方案，再根据这个方案完成p l c 部分的设计，触摸屏界面 和程序的设计。最后采用l a b v i e w 开发的数据处理软件对施工存储的数据 进行后处理。 振冲控制系统通过各种接口及外围设备与施工振冲的过程发生关系，并 对施工过程的各个工艺参数进行设置、控制以及处理。振冲控制系统由主机 p l c 、执行电磁阀、工作状态指示灯、人机界面( 触摸屏) 、软启动器、旋 转位移编码器组成，主要完成对振冲器的控制与数据采集、存储。p l c 是整 个振冲控制系统的核心部分，采用的是性价比极好的s i e 姬n ss 7 2 0 0 型可 编程控制器。在p l c 系统设计中，首先确定p l c 控制工艺流程，然后确定 p l c 与其他硬件的通讯，最后按照步骤设计p l c 程序。触摸屏是施工人员 与控制系统的人机交互界面，因此设计交互性良好的界面是触摸屏程序设计 的要求。在触摸屏程序设计中，选用的是m t 8 0 5 6 t 型触摸屏，采用的触摸 屏软件是e b 8 0 0 0 ，主要完成了主界面以及其他5 个重要界面的设计。最后 进行了整个系统的硬件和软件的安装调试，结果表明该系统完全符合施工工 艺控制要求。 振冲控制系统的设计不仅能够满足施工工艺要求，而且取得了以下成 果：采用软启动器技术，解决了振冲器的软启动和软停车技术要求，减小控 制器重量及能耗：能够通过触摸屏对现场施工的参数进行设置和修改，增加 了施工的可协调性；解决了对施工过程数据和图表的显示，方便施工人员直 观的监控施工过程；由于选用的触摸屏具有外接存储接口，解决了施工数据 的大容量存储难题；对施工的数据采用l a b v i e w 开发的软件进行后处理， 输出了各种参数一时间曲线图和制桩轮廓图。此外，还解决了远程非现场控 制的振冲控制技术难题。 关键词：振冲控制系统，p l c ，触摸屏，振冲器，软启动器，位移编码器， l a b v i e w t h es t u d yo fv i b r o p u n c h i n gc o n t r o l s y s t e ma n di t sw o r kd a t a c o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g a b s t r a c t a tp r e s e n t ，v i b r o f l o t a t i o nh a sa c c e s st oaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h e c o u n t r y t h ev i b r o f l o t a t i o nc o n t r o ls y s t e ma st h em a i ne q u i p m e n to ft h ep r o je c t a f f o r d st h ee n t i r ec o n s t r u c t i o ns i t eo ft h ec o n s t r u c t i o ns u p p l ya n dq u a l i t yc o n t r 0 1 t a k et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t sa n do n s i t ec o n s t r u c t i o nr e q u i r e m e n t si n t o a c c o u n t ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h ed e s i g ni s s u e s ，a n dh a dad e t a i l e da n a l y s i sa n d d e s i g ns t u d yo nt h ep r o c e s sc o n t r o lo ft h ec o n s t r u c t i o n , c o n t r o ls y s t e mc o u n t e r s ， p l cc o n t r o la n dt h et o u c hs c r e e n a tf i r s t ，w es t u d i e do nt h ev i b r a t o rs t r u c t u r ea n dc o n s t r u c t i o np r o c e s s v i b r a t o r j u d g et h ee f f e c to fv i b r a t i o nt h r o u g ht h em a i nc u r r e n tc h a n g eo f v i b r a t i o n t h ed e t a i l e ds t u d yo nt h ec o n s t r u c t i o np r o v i d e dar e l i a b l eb a s i sf o rt h e d e s i g no fc o n t r o ls y s t e m s t h e nw ed e t e r m i n e dt h eu s eo ft h eo v e r a l lc o n t r o l p r o g r a mc o m b i n e ds o f ts t a r t t o u c hs c r e e n - p l c a f t e rw ec o m p l e t e dp l cp a r to f t h ed e s i g n ，t o u c h s c r e e ni n t e r f a c ea n dp r o c e d u r e sf o rt h e d e s i g n u n d e rt h i s s c h e m e ，w ef i n a l l yh a n d l e dt h es t o r a g eo fd a t a w i t ht h ed a t a p r o c e s s i n gs 0 1 a r e b a s e do nl a b v i e wa f t e rp r o c e s s i n g v i b r a t i o n c o n t r o l s y s t e mc o n t a c t e d w i t ht h e p r o c e s s o fc o n s t r u c t i o n v i b r o f l o t a t i o nt h r o u g hav a r i e t yo fi n t e r f a c e sa n dp e r i p h e r a le q u i p m e n t ，a n ds e t ， c o n t r o la n dd i s p o s a lt h ev a r i o u sp r o c e s sp a r a m e t e r so fc o n s t r u c t i o np r o c e s s v i b r o f l o t a t i o nc o n t r o ls y s t e mc o m p o s e db yt h ep l ch o s t ，t h ei m p l e m e n t a t i o no f t h es o l e n o i dv a l v e ，w o r ks t a t u si n d i c a t o r s ，h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ( t o u c h s c r e e n ) ，s o f t s t a r t ，d i s p l a c e m e n te n c o d e rc o m p o n e n t s ，m a i n l yu s e dt oc o n t r o l v i b r a t o ra n dc o l l e c ta n ds t o r et h ed a t a a st h ec o r eo ft h ew h o l ev i b r o f l o t a t i o n c o n t r o ls y s t e m ，p l cc o n t r o ls y s t e mu s et h ee x c e l l e n tc o s ts i e m e n ss 7 2 0 0 p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r i nt h ed e s i g no fp l cs y s t e m ，w ei d e n t i f i e dp l c c o n t r o lp r o c e s sf i r s t l y ，a n dt h e nd e t e r m i n et h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e np l ca n d o t h e rh a r d w a r e ，a n dd e s i g np l cp r o g r a mi na c c o r d a n c ew i t ht h es t e p sf i n a l l y t h et o u c hs c r e e ni sm a n m a c h i n ei n t e r f a c ef o rp e r s o n n e la n dc o n t r o ls y s t e m ，s o a g o o d t o u c h 。s c r e e ni n t e r f a c ei s r e q u i r e db yi n t e r a c t i v ep r o g r a md e s i g n a c c o r d i n gt o t h et o u c h s c r e e n p r o g r a md e s i g nr e q u i r e m e n t ，w es e l e c t e d m t 8 0 5 6 tt o u c h s c r e e nw i t ht o u c h s c r e e ns o f t w a r ee b 8 0 0 0 ，m a i n l yc o m p l e t e d t h em a i ni n t e r f a c e ，a sw e l la so t h e rf i v ei m p o r t a n ti n t e r f a c e sd e s i g n f i n a l l y t h e e n t i r es y s t e mo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew a si n s t a l l e da n dt e s t e d ，t h er e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e mi sf u l l yi nl i n ew i t ht h er e q u i r e m e n t sf o rc o n s t r u c t i o np r o c e s s c o n t r 0 1 t h ed e s i g no ft h ev i b r o c o n t r o l s y s t e md e s i g nc a nn o to n l ym e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，a n dh a sa c h i e v e dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s i tu s e dt h es o f t s t a r t t e c h n o l o g yt os o l v et h ev i b r a t o rs o f t s t a r ta n ds o f t s t o p t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s ，a n d r e d u c et h ec o n t r o l l e r s w e i g h ta n de n e r g y c o n s u m p t i o n i tc a ns e tu pa n dm o d i f yp a r a m e t e r st h r o u g ht h et o u c hs c r e e n ， i n c r e a s e dt h ec o o r d i n a t i o no fc o n s t r u c t i o n i ts e t t l e dt h es h o wo fc o n s t r u c t i o n p r o c e s sd a t aa n dc h a r t s ，a n df a c i l i t a t e dt h ec o n s t r u c t i o np e r s o n n e lm o n i t o r i n gt h e c o n s t r u c t i o n p r o c e s si n t u i t i v e l y i ts o l v e dt h el a r g e c a p a c i t yd a t a s t o r a g e p r o b l e m s ，a st h et o u c h - s c r e e ni n t e r f a c es e l e c t e dh a de x t e r n a ls t o r a g e i th a n d l e d t h es t o r a g eo fd a t aw i t ht h ed a t a p r o c e s s i n gs o f t w a r eb a s e do nl a b v l e wa f t e r p r o c e s s i n g ，a n do u t p u tt h ev a r i o u sp a r a m e t e r s - t i m ec u r v ea n dc o n t o u rd r a w i n g o f p i l es y s t e m i na d d i t i o n ，i ta l s og a v eag o o ds o l u t i o no ft h er e m o t e s i t ec o n t r o l o ft h ev i b r o c o n t r o lt e c h n i c a lp r o b l e m s k e yw o r d s ：v i b r o f l o t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，p l c ，t o u c hs c r e e n ，v i b r a t o r ，s o f t s t a r t ， d i s p l a c e m e n te n c o d e r ，l a b v i e w i v 陕西科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：呈盈 e l 期： 2 q q 墨生 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：墨乳导师签名：多耻毒一日期：垫鲣生( 旦 振冲器控制系统及其施工采集处理的研究 l 绪论 1 1 国内外振冲技术的概况以及发展趋势 我国地域辽阔，土类繁多，其中松、软土类就占有相当大的比例。这些土多是我们 在建筑地基中遇到的含水量高、孔隙率大的泥炭、淤泥、淤泥质土或极松散的砂类土、 素填土、杂填土，甚至还含有生活垃圾。这些土的强度很低，压缩性大、抗震性极差。 在含有这类土的地基上建造建筑物时，常常发生各种工程事故。以往在选址时多避开这 种不利的建筑场地。随着人类建筑事业的发展，建筑占地迅猛增长，我国虽然领域辽阔， 但我们日常生息活动的领域里，土地资源却很紧张，必须充分合理地运用。再加上使用 上或其它种种原因，常使我们不得不在不良的地基上建造各种建筑物。此时就必须发挥 人的主动创造性，运用科学技术改造自然，改造不良地基，将其转变为我们所需要的良 好地基。 近几十年来，由于工业技术的发展，给地基处理工程提供了有力的手段，潜水电机 的产生造就了振冲技术l 。振冲碎石桩法在我国还不太普及，在某些地区和领域里也对 之不甚了解，很少采用。然而由于其自身的一些优点，加固软土地基效果好，速度快， 适用性广，投资较少而又是可靠的一种地基加固处理技术，近期已在我国获得较快的应 用和推广。 1 1 1 振冲技术的发展及其在国外的应用概况 振冲法于1 9 3 7 年首次用于处理柏林某大楼深达7 5 m 的松砂地基，使该砂基的密实 度由4 0 ，振密为8 0 ，承载力提高了l 倍。5 0 年代振冲法引入美国，试用于安德斯坝 工地，有效地提高了砂基的密实度，随即在美国和西欧推广应用【2 】。例如美国鲍尔特门 ( p o r t m a n n ) 桥基，以振冲法加固深达2 5 m 的松砂。箱峡水电站拦河闸闸基细砂层处理 前其密实度仅为2 5 ，处理后高达7 0 。英国曾采用振冲法处理建筑垃圾堆填的地基与 粉煤灰场地等。1 9 5 7 年日本也引进了这种技术处理油罐松砂地基。1 9 6 4 年和1 9 6 8 年， 日本新泻与十胜冲地区曾先后发生7 7 级和7 8 级强烈地震，结果凡采用振冲法处理过的 砂基，液化现象大为减轻，建筑物基本上保持完好。而未经处理的砂基上，建筑物则受 到严重的破坏，由此更扩大了振冲技术的应用。如埃及( 1 9 6 2 年) 阿斯旺坝坝内砂棱体 经振冲处理后，细砂的密实度达7 0 ；尼日利亚( 1 9 6 5 年) 2 0 层办公楼的松砂地基处 理后，其密实度高达8 0 ；美国( 1 9 7 2 年) 卡尔隆原子能电站厂房的松砂和粉细砂地基 处理后，其密实度高达8 0 9 0 ，承载力由1 5 0 k p a 增至3 0 0 k p a 。 德国凯勒( j a h a n nk e l l e r ) 和英国西曼特辛( c e m e n t a t i o n ) 地基工程公司，分别于 1 9 5 9 年和1 9 6 0 年将振冲法拓广用于处理软粘性土地基【3 1 ，在软土中筑碎石桩组成复合地 基，满足设计要求，应用于许多房屋、油罐和堤堰软基的处理。其中英国的曼彻斯特自 陕西科技大学硕士学位论文 1 9 6 3 年至1 9 7 4 年中就有2 6 万多栋房屋的地基采用了振冲法处理，所有经振冲处理过的 地基，其上之建筑物至今仍处于良好的状态；英国( 1 9 7 0 年) 底斯港料灌直径4 4 m ，地 基为河口沉积软粘土经处理后，其沉陷由4 8 5 m m 减小为1 5 0 m m ，沉降差3 3 0 m m ；德国 ( 1 9 7 0 年) 两个油罐高1 8 m ，直径5 5 m ，建于回填的粘土和淤泥地基上，经振冲法处理 后两端沉陷差小于1 8 0 0 ，满足了设计要求。 近十多年来国外以振冲法处理松、软土地基与土构物的实例有：1 9 8 5 年美国一污水 处理厂地基为松散堆填土与河口沉积土，厚为5 - 1 5 m ，采用振冲法处理后，获得沉降 3 0 5 0 的满意结果；1 9 8 8 年报道，俄罗斯第聂伯敦巴斯运河航线上一建筑场地为水 力充填砂，采用振冲挤密处理提高了地基的稳定性，减缓了液化势，效果很好；1 9 8 9 年 报导，美国宾夕法尼亚州中部的吉尔柏顿电力工程粉煤灰处理场的粉煤灰地基，经振冲 置换加固后能支承其上的重型粉煤灰处理设备，满足设计与使用要求；1 9 9 1 年又报导了 爱尔兰首都柏林港于水力冲填土上修建6 个大罐和砂堤【4 1 ，为此采用了振冲法处理冲填 土地基，经动力标贯检验、施工期与负荷期的沉降观测以及具体验算，均表明振冲处理 后的冲填土地基完全达到满意的程度；1 9 9 2 年又报道了在1 9 8 9 年l o 月1 7 日旧金山地 震中，加州阿克兰大港第7 街的航运站，遭到严重的液化破坏，修复中为消除今后再发 生液化的可能性，于码头沿线的围堤四周1 2 米宽的范围内，采用了振冲法加固地基，满 足了设计要求；1 9 9 2 年报导了土耳其的安卡拉市某港的2 个谷仓软土地基，采用振冲置 换法成功地提高了地基承载力，减少了沉降和液化势。 1 1 2 国内运用振冲技术的概况 1 9 7 7 年振冲法引进我国后即获得迅速地推广，大量用于土建、水利、冶金和交通等 工程的地基与土构物的加固处理。例如官厅水库下游坝基松砂的加密，消除了液化；四 川铜街子水电站工地漂卵石层下的细砂加密；南京船舶修造厂船体车间淤泥软基的处理； 南通天生港电厂烟囱、厂房的粉细砂地基处理后，其极限承载力由1 5 0 k p a 提高到6 0 0 k p a ； 江阴澄西船厂宿舍及重型设备地基为吹填粉细砂，处理后其承载力为2 0 0 k p a ；龙口电厂 主机房的砂基，为防止液化，处理后其密实度由4 0 6 7 上升到6 9 1 1 7 ，消除了7 级地震液化的可能性；徐州铜川水泥厂的粉砂地基标贯仅6 5 击，处理后增至2 3 7 击， 承载力大于2 5 0 k p a ，消除了7 级地震液化的可能性；天津塘沽长芦盐场化工厂烟囱，锅 炉车间的软粘土地基、十字板强度仅1 6 4 k p a ，处理后复合地基承载力由4 0 k p a 增至 9 0 k p a ；烟台1 8 层的交通大厦，地基土层为杂土层、粉土、淤泥、细砂、粉砂、砾砂等， 处理后复合地基承载力达31 0 3 8 0 k p a ，满足设计要求；华东石油销售公司高桥油罐地基 为粘质粉土、淤泥、粉质粘土等，其承载力为9 0 - 1 0 0 k p a ，处理后复合地基的承载力达 到2 0 0 k p a ，并可抗阻7 级地震液化。 2 0 年来振冲法在我国获得广泛的应用p 】，几乎对各种松软土的处理都采用过这一技 2 振冲器控制系统及其施工采集处理的研究 术，并于1 9 9 2 年将振冲法列入了我国首次编制的建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 一- 9 1 ) ( 以下简称处规) 中，以便推广应用、发展这一技术。但其在我国的运用情况很不平衡， 某些行业、某些地区对振冲法了解甚少，还未曾使用，很需要推广和普及。 1 2 课题的提出和意义 目前，振冲法在国内已经获得广泛的应用。振冲法的电控系统作为主要的设备体系 之一，担负着整个场地的施工、供电以及质量监控的作用。振冲器的驱动主要是采用液 压马达或者潜水电机，因此如何良好的控制驱动机器将是控制系统一个重要的部分。在 目前的振冲器控制系统里【6 】，绝大部分采用的是进户电源、继电器、按钮、指示灯以及 磁力启动器等来完成这一过程。系统内，电流继电器为给定电流值，以控制造孔、加固 作业的电流。当电流达到规定的电流值时，即自动发出信号，表示达到要求。时间继电 器是控制留振时间的设施。在振密过程中，当电流继电器发出信号，表示该段振冲已满 足要求。为确保施工段的振冲质量，仍需要留振一段时间【7 1 。当达到设计给定的留振时 间后，时问继电器也会自动发出信号。 目前所采用的控制系统控制程度并不是很高，也难免出现一些人为的因素，影响工 程质量；而且施工的数据只能人工的记录，数据量不完整。此外，施工环境也会受到一 些影响。本课题提出采用可编程控制器( p l c ) 、触摸屏以及软启动器三者组合来设计控 制系统。并采用虚拟仪器技术l a b v i e w 开发相应的软件对采集储存的施工数据进行分 析处理，以供施工者参考。 采用可编程控制器( p l c ) 和触摸屏的组合来代替原来的继电器指示灯控制系统， 通过可编程控制器( p l c ) 与触摸屏之间的实时通讯，可以及时准确地掌握振冲施工相 关数据；通过触摸屏不但可以对施工的质量进行及时准确的现场监控，还可以对振冲施 工的具体进展状况进行模拟，另外由于触摸屏本身的存储功能，还可以对施工数据进行 实时的大量的采集存储，为施工数据后处理作准备。 软启动器与可编程控制器( p l c ) 组合后，使系统的控制更为方便、灵活和可靠， 可实现控制的数字化，与计算机网络技术一总线技术相结合可实现控制的智能化和网络 化。 1 3 课题的主要内容 本课题使用可编程控制器( p l c ) 、触摸屏以及软启动器等技术来完成振冲器控制系 统的设计开发。在设计中根据振冲器的结构原理以及施工工艺和现场施工要求，来确定 本振冲器控制系统的总体控制方案，并根据方案完成可编程控制器( p l c ) 对整个系统 的控制流程图以及控制程序、触摸屏人机界面的设计以及程序的输出、软启动器代替原 陕西科技大学硕士学位论文 来的电感降压启动方式来控制电动机的启动、施工数据的采集、存储以及各个部分之间 的通讯，最后将它们转化成能够安装、运行、调试的设计电气控制图和p l c 控制程序、 触摸屏程序、施工数据处理软件以及说明书等相关技术文件。 总体说来，该控制系统的设计首先是研究振冲器结构原理和施工工艺，然后确定总 体的采用软启动器p l c 触摸屏三者组合控制方案，再根据这个方案完成p l c 部分的设 计，触摸屏界面和程序的设计，最后进行簏工数据的采集存储以及后处理。 1 3 1 可编程控制器控制系统的设计 根据被控对象的施工工艺和控制要求，确定整个系统的输入、输出设备的数量，从 而确定p l c 的i o 点数，然后进行p l c 及相关元件的选型；建立i o 地址分配表，绘制 p l c 控制系统的输入、输出接线图，即控制原理图；采用梯形图编程，并写出相应的程 序。 1 3 2 触摸屏控制窗口的设计 利用触摸屏的人机功能，对工程的参数进行设置；然后通过触摸屏与可编程控制器 ( p l c ) 之间的通讯借口，将设置好的参数传输给p l c ，并将p l c 的控制施工的状态反 映到触摸屏上，实时显示运行状态；还可利用触摸屏直接进行手动调试设备或者监控施 工的进展状况。触摸屏控制界面的设计是按照用户的要求，先拟定界面的草稿，利用触 摸屏组态软件编辑控制窗口的界面，添加各种元件并设置元件的属性( 例如和p l c 的通 信地址、图形、大小等等) ，界面设计完成后进行编译，编译通过后，将触摸屏和p c 机 连接起来，就可以把程序下载到触摸屏中进行调试操作。 1 3 3 施工数据的存储以及后处理 施工数据的存储主要是根据触摸屏软件的功能来完成的。至于数据的后处理则要利 用虚拟仪器( l a b v i e w ) 技术开发相应的后处理软件，将施工的参数进行图形图像化、 表格化处理。其中要处理的数据主要有桩深模拟图、加密电流时间图、填料量图等。 4 振冲器控制系统及其施工采集处理的研究 2 振冲器与振冲处理技术 2 1 振冲器 由于水平振动加密土的效果远大于垂直振动，约为垂直振动效果的4 5 倍，故国内 外所生产的振冲器主要是产生水平振动【引。它是利用自激振动配合高压水冲击进行作业 的机具。其振动能源有电动机和液压马达两种。液压马达的转速可以变化，更适用于不 同土质的造孔和加固，但其附属设备较多，目前使用尚少。我国生产的振冲器其振动能 源均为电动机，功率为3 0 k w 到1 3 0 k w 之间。 2 1 1 振冲器的结构 振冲器的结构大致分为4 部分，如图2 1 所示。 l 一电缆 2 一水管 3 一导杆 4 一减震器 5 一电机 6 _ 联轴器 7 - 偏心块 8 一振动器壳体 卜翼板 l 卜空心轴 1 1 一滚动轴承 图2 - 1 振冲器结构图 f i 9 2 - 1v i b r a t o rs l x u c t u r e ( 1 ) 电动机( 驱动器)振冲器常于地下水下作业，故所采用的电动机一般为潜水 电机。 ( 2 ) 振动器振动外壳为无缝钢管制成，两侧翼板为防止振动器作业时的扭转。 壳内安装带有偏心组块的空心转动轴，并通过弹性联轴器与电动机连接。 陕西科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 减振器与导管减振器是为保证振冲器能独立地水平振动，同时又减少其对 上部导管甚至吊车臂的影响。目前国内一般使用橡胶减振器。 导管是用以起吊振冲器和保护电缆与水管。 ( 4 ) 通水管国内3 0 k w 和5 5 k w 振冲器的通水管是穿过电机与振动器的空心轴 连接于射水管，作业时高压水由射水管喷射而出。7 5 k w 振冲器的通水管有的是通过电 机和振动器侧壁下达接于射水管。 2 1 2 振冲器的工作原理 振动器是依靠电动机的运转，通过弹性联轴 器带动振动器内偏块轴转动产生离心力，使壳体 振动，其运动原理如图2 2 所示。该离心力f 即 为振冲器的激振力，可按下式计算： f = g e c 0 2 式中：f - o 角速度( r a d s ) ： p 偏心距( e r a ) ： g 偏心块不平衡部分质量( k g ) 。 图2 - i 振冲器工作原理图 f i 9 2 2v i b r a t o rw o r k i n gp r i n c i p l e 2 1 3 振密效能有关参数 振冲器的振密效果除振动能量外，还与其振动频率、振幅、加速度以及振冲器与电 机的匹配等有关，是一个比较复杂的综合效应问题。 a 振动频率 以振冲器振密松散土体时【9 1 ，振冲器将迫使周围土粒振动，产生相对位移而密实。 实践表明，当土粒的振动与强迫振动处在共振状态时振密效果最佳。 某些土的振动频率如表2 1 所示。目前我国振冲器选用的电机转速为1 4 5 0 r m i n ，接 近最佳加密效果频率。 表2 - 1 某些土的振动频率 t a b 2 - 1t h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yo fs o m es o i l b 振幅 振动器的振幅在一定范围内可压密土体。在相同的振动时间，振幅大沉降量亦大， 加密效果好，但振幅过大或太小均不利于土体的压密加固。我国的振冲器的设计一般为 6 振冲器控制系统厦其施工采集处理的研究 全幅1 0 m m 。 c 加速度 振冲器的振动加进度足反映j 振动强度的 = 要指标。加密土体时只有”j 加谜度达划 定数值后爿起作h j 。旧产掂冲器发生的振动加速度值约铂1 0 9 左l i 。 d 振冲器与电机匹配 振冲器与电机曲匹配亦是个裉值得注意的问题。口 配恰当，振冲器使用效粜好， 适川性强；反之，效果人为r 降，1 使足人功簪的振冲器也j般小功率振冲器相差无 几。可陆口前在这方面尚缺乏理沦分析和正确的漩h 。般先制造山振冲嚣配以l l ， 阿通过丁程宴践小断修改、调整、定型。 2 2 振冲法地基处理技术 地基处理是得当，关系刮整个l 程的投资、质量和进度。地基处理的方法并种并 样，我们遇到的地基处碑方法般有按l _ 垫联法、重锤戒联夯实、强夯、振冲、砂桩挤 密、浑层搅拌、堆载瓯匝、化学加同等方法。儿， ，振冲法足田内外应用较普追和有效的 地基处理疗法。j 咀达剑提高地基承戴力、减小建筑物地丛沉降量、提高十石坝( 堤) 体及地丝的稳定阽、消除地基液化纳h 的， 2 2 1 振冲法简介 所谓振冲法就：芑利用振动和水冲加同上体的种方法，j # 施i 过程如罔2 - 3 所示。 燃 圈23 振冲拖lz 程 f i 9 2 3v i b r o f l o t a t i o nc o n s t r u c l i o l lp r o c e s s 振冲法的 作原理是：一力m 】依靠振冲器的强力振动，使饱和砂联发生液化，颗粒 畦新排列，扎隙比较少；另一力l n l 依靠振冲器的水乎振，m 力，形成垂直扎州，在其q tj u 固体吲填料，位砂塔挤挑加髫。振冲法主要适用于砂陀j 。和小于00 0 5 m m 粘粒含量 小于l o 的粘一盹h 。 陕西科技大学硕士学位论文 振冲法分为振冲挤密和振冲置换两种形式。振冲挤密主要适用于加固砂层。对于粗 砂层，在振冲器重复水平振动和侧向挤压作用下，砂土的结构逐渐被破坏，孔隙水压力 迅速增大，由于结构破坏，沙粒就向低势位置转移，这样孔壁极易塌落而自行填满下方 的孔洞，因此不加填料就可以使地基砂土密实，使地耐力提高；而对于粉细砂必须填料 振冲密实，即在振冲器上提后的砂层留下的孔洞中，填料作为传力介质，将砂层进一步 挤压加密，填料一般可以就地取材，碎石、卵石、含石砾砂、矿渣等材料都能利用。一 般常用的材料为o 5 5 c m 的碎石，对于级别无特殊要求，但含泥量不宜过大，一般为5 左右。 振冲置换法主要适用于粘性土，有时可以用来处理粉煤灰。置换法主要是在粘性土 成孔内填入碎石等硬性材料制成一根根桩体，桩体与原来的粘性土形成所谓的复合地基。 振冲桩施工的主要机具有振冲器、吊机、施工专用平车和水泵。振冲器是利用一个 偏心体的旋转产生一定频率和振幅的水平向振力进行振冲挤密和振冲置换施工的一种专 用机械。其他的设备有运料工具( 如平车或装料机、泥浆泵) 、配电板等。 2 2 2 振冲法施工工艺 a 成孔 振冲法的施工，首先应成好孔，对于较软的土层，我们一般采用先护壁，后制桩的 方式，即成孔时不要采用一下下到设计深度，而是先到达上部一二米的范围内，将振冲 器提出孔口，加一批填料，下降振冲器是这批填料挤入孔壁，把这段孔壁加强，预防塌 孔。然后让振冲器下降到一段软土中，用同样方法加料护壁，如此重复进行，直达设计 标高。 孔壁护好后就可制桩，而对于一段砂土则应采用二次成孔，一般成孔水压要小些； 对强度较高的土，水压宜大。无论怎样，在振冲器接近设计加固深度时，要降低水压， 以免破坏桩底以下的土砂层。在成孔时，一般振冲器的下降速度为1 m m i n 2 m m i n ，电 流控制在3 0 5 0 a 之间，万一超过必须减速下降或者停止下降，或者向上提升一段距离， 借助高压水冲松土层后再继续下沉。 b 填料制桩 成孔完成之后，将振冲器提出孔口，往孔内填料，填料是要注意不要过猛，原则上 要少吃多餐。值得注意的是在制作最深处桩体时，为达到规定密实电流所需的填料远比 制作其他部分桩体多。有时这段桩体的填料量占总桩体填料量的l 绺1 3 。这是因为开始 阶段的料有相当的一部分从孔口向孔底的下落过程中，被粘留在各深度的孔壁上，只有 少量的落到孔底；另一个原因就是如果控制不当，压力水有可能超深，从而使孔底填料 量剧增；第三个原因是孔底附近遇到了事先不知道的局部软土层，这也能使填料量超过 正常的用量。一般我们每次填料量控制在0 5 m 3 左右，每次振冲密度高度在0 7 m 左右。这 8 振冲器控制系统及其施工采集处理的研究 样制出的桩不但能够满足要求而且效果最佳。 在实际施工中，经常出现由于地基土层不均而出现缩孔现象，即有时填一车料 0 5 m 3 ，制桩高度达2 3 m ，反复振冲高度不变，对此情况我们一般通过成桩，详细观察， 寻找出夹锤层，在振冲时多上下冲几次以加大孔径，同时制桩时采取不提振冲器出孔口， 而是提出0 7 卸8 m ，然后填料。使料在未缩孔时从孔壁流入到下层孔内进行振密。如果 出现高度突起过大就要补桩，补桩时也采取上述不提出孔的方法逐步制桩，这样才能补 出一根密实的桩。 9 陕西科技大学硕士学位论文 3 振冲器控制系统 3 1 控制系统的结构原理 a 结构组成 振冲控制系统本身是通过各种接口和外围设备与施工振冲的过程发生关系，并对施 工过程的各个工艺参数进行设置、控制以及处理1 10 1 。振冲控制系统由主机p l c 、执行电 磁阀、工作状态指示灯、人机界面( 触摸屏) 、软启动器、位移编码器组成，主要完成对 振冲器的控制。软启动器主要控制振冲电机的软启动和软停车，位移编码器则控制制桩 的定位和造孔的深度变化，准确测量振冲加密的位移变化。 控制系统组成框图如图3 1 所示。 图3 一l 控制系统结构框图 f i 9 3 1t h es t r u c t u r eo fc o n 仃o ls y s t e m 现场控制级【 由p l c 、触摸屏和软启动器组成，核心控制器【1 2 1 使用西门子s 7 2 0 0 可 编程控制器，人机交互则使用威纶公司生产的m t - 8 0 5 6 触摸屏，电动机电源启动采用的 是西普公司的s t r c 软启动器。 b 控制原理 系统的具体的控制过程原理如下： 首先是通过触摸屏与s t r c 软启动器之间的接口来控* 0 s t r c 软启动器，以此来达到 控制振冲器的启动和停止。 其次是在人机交互界面触摸屏内设置施工的参数，比如要造的孔深度、振冲加密电 流以及填料量等，通过触摸屏与主机p l c 之间的接口将这些参数传到p l c 内，通过p l c 的内部逻辑运算，转换成相应的开关量输出，然后通过执行电磁阀和工作状态指示灯来 1 0 振冲器控制系统及其施工采集处理的研究 控制和监控振冲器的某些工作状态。 在控制过程中，p l c 不断的检测触摸屏和位移编码器传输过来的参数信息以及振冲 器的加密电流、填料量等，而触摸屏主要是通过m o d b u s 总线接口来接受来自软启动 器的状态信息，然后将信息传给p l c ；同时位移编码器也在不断的进行编码测位移和振 冲器施工的各项与位移有关的参数。并将其传输给p l c 。 同时p l c 把检测到的振冲器的加密电流、填料量、施工进展状态以及一些动作信号 送给触摸屏，通过触摸屏对各种故障进行诊断报警，而且可以显示一些重要的工作参数， 更为重要的是，用户通过触摸屏实时调整参数目的值，从而实现实时监控的作用，保证 施工的质量和工作效率。 还可以根据m t - 8 0 5 6 触摸屏自身所提供的大容量存储功能，将施工的数据进行记录 储存下来，以便分析参考。 3 2 软启动技术及应用 3 2 1 软启动技术应用的必要性 电动机启动一般采用自耦降压、星角变换降压启动方式【l3 1 ，其中最常用的是星角 变换降压启动方式，该方式下电动机的转矩与加在电动机定子上的电压的平方成正比， 降压启动是指电动机在启动过程中降低加在电动机定子绕组的电压，假设启动电压 u = 0 5 u e ，则电动机启动时的转矩为0 2 5 m m ，即启动时的转矩只有电动机最大转矩的 1 4 。如果在此时将电压u 加大到电动机额定电压沈，则电动机的转矩一下子就从l 4 跳 到m m ，这样的启动过程是跳跃的、不平滑的，所以又称为硬启动【i4 1 ，一般降压启动控 制技术可靠性差，不稳定，每次启停都会造成对电网和机械设备的冲击，引发一系列的 技术问题。例如：在这种控制方式下，水泵电动机在启动时必须将其出口阀门关严，在 低负荷时才能启动，否则会造成开关跳闸，影响电动机的正常启动。总体来说，传统的 启动方式存在以下几个问题：。 ( 1 ) 对电网的冲击大，影响了电网供电质量，对变压器裕量要求较大； ( 2 ) 对机械设备冲击大，降低设备使用寿命； ( 3 ) y - 启动的切换时间一般根据经验设定，对生产工艺要求稳启动的场合不宜 采用。 软启动是使用调压装置在规定的启动时间内，自动地将启动电压连续、平滑地上升， 直到达到额定电压。此时电动机的转矩就会平滑地增大，一直到转矩为最大值m m 时为 止，启动过程结束。软启动可以使电动机启停自如，减少空转，有节能作用，软启动器 还具有下列优点： ( 1 ) 减少冲击力，延长设备寿命； 陕西科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 根据不同负载选用不同的启动方式以提高加减速特性； ( 3 ) 保护功能全面； ( 4 ) 提高可靠性； ( 5 ) 通过修改参数，匹配不同的负载对象； ( 6 ) 智能化，可以与p l c 等相互通讯。 3 2 2 软启动技术的分类 电动机的软启动技术有磁控软启动、s c r 软启动和液阻软启动等几种不同的方式， 其中以s c r 软启动应用最为广泛。其启动类型有： ( 1 ) 不限流软启动，启动时，使启动电流以一定斜率不断上升，直至启动完毕， 期间对启动电流不加任何限制。这种启动方式因为没有对启动电流进行限制，所以对电 网冲击较大，一般不使用，适应重载启动场合。 ( 2 ) 斜坡恒流软启动。该启动方式是在电机启动的初始阶段启动电流逐渐增加， 当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直至启动完毕。在启动过程中，电流上升变化 的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则启动转矩大，启动时间短。 这种启动方式应用得最多，尤其适用于风机、泵类负载的启动。 ( 3 ) 脉冲冲击