专利名称：基于参数曲线自整定的旋挖钻机带杆检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于参数曲线自整定的旋挖钻机带杆检测方法，属于旋挖钻机带杆的检测技术领域。
背景技术：
旋挖钻机成孔灌注桩工法近几年在我国取得了广泛的应用。旋挖钻机作为钻进成孔设备，其施工作业共有定位、下钻、钻进、提钻、回转、抖土和回位等7个基本动作。在提钻作业中，钻杆按照从内到外的顺序逐节提升。但是由于各种原因，可能会出现非正常顺序提升收缩的现象。只要任一外节杆先于其内节杆收缩，就证明外节杆与内节杆之间发生了卡滞或接合，这就是所谓的“带杆”。带杆现象发生后，当提到中途或孔口时，钻杆有可能会突然脱开、下落，产生的巨大冲击力，从而造成动力头损坏，这就是钻杆脱离。目前，一般的旋挖钻机并未对带杆情况进行检测，时有动力头损坏的现象出现。部 分厂商将重量传感器悬挂于旋挖钻机额头处，利用钻杆重量值与伸长量的变化关系，进行带杆检测，并且没有采用自适应的方法建立参数曲线，这样主要带来两个弊端
(1)采用直接对钻杆重量值进行检测的方法，在建立参数曲线时，需要额外考虑钻斗与土层之间的摩擦力、钻斗在泥浆中的浮力、钻斗中泥浆的泄露等因素，忽略这些因素，将降低带杆检测的精度；
(2)采用预先测量钻杆的参数建立曲线的方法，在旋挖钻机经过长时间的作业后，不能保证钻杆参数保持不变，并且在作业过程中更换钻杆，重量值与伸长量的参数曲线将发生变化，导致原先的检测方法出现误判。因此，迫切需要研究出一种可以进行自整定参数曲线的旋挖钻机带杆检测方法，来解决目前存在的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足本发明的目的在于提供一种可减少人工操作复杂度，并提高带杆检测精度的基于参数曲线自整定的旋挖钻机带杆检测方法。本发明的技术方案为
基于参数曲线自整定的旋挖钻机带杆检测方法，其特征在于，包括以下步骤
(1)在加压缸平衡阀口加装一个压力传感器，将钻杆加载在动力头上的重量值转化为加压缸的小腔所受的压力值，进而在钻杆换杆过程中，将钻杆加载在动力头上的重量值与钻杆伸长量的变化曲线转化为加压缸的小腔所受的压力值与钻杆伸长量的变化曲线，进行带杆检测；
(2)旋挖钻机初次钻进时，以采样周期Ts1对T1时刻的加压缸的小腔所受的压力值和TAN1Ts1时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若符合两次的压力值大小相差在M与K之间，所述的M、K分别为与钻杆加载在动力头上的重量值成正比例关系的加压缸的小腔所受的压力值的上、下限值，则进行钻杆初始伸长量与序号的标定，建立加压缸的小腔所受的压力值与钻杆伸长量关系的初始参数曲线；
(3)根据步骤(2)所述的初始参数曲线，以采样周期Ts2分别对钻杆下放和提升过程中，T2时刻的加压缸的小腔所受的压力值和T2+N2Ts2时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若两次的压力值大小相差仍然在M与K之间，则进行干扰、带杆、正常换杆三种状态的判断，若为干扰状态，将不存储钻杆参数曲线，避免误判断；若为带杆状态，则利用电磁阀控制动力头进行自动回转操作，如果重复几次还存在带杆情况，则停机报警；若为正常换杆状态，则自整定并存储当前检测的加压缸的小腔所受的压力值与钻杆伸长量的参数曲线作为新的判断依据。进一步，所述的采样周期Ts1由旋挖钻机在实际作业中的钻进速度决定。而所述的采样周期Ts2由旋挖钻机在钻杆下放和提升过程中的速度决定。此外，所述的干扰状态的判断方法为根据步骤(2)所述的初始参数曲线，以采样周期Ts2分别对钻杆下放和提升过程中，T2时刻的加压缸的小腔所受的压力值和T2+N2Ts2时 刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若两次的压力值大小相差仍然在M与K之间，再次以采样周期Ts2分别对钻杆下放和提升过程中，T2时刻和T2+N2Ts2时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若两次压力值大小相差大于N，所述的N为与钻杆加载在动力头上的重量值成正比例的限值，则判定为干扰状态。所述的带杆状态的判断方法包括两种情况
一、根据步骤(2)所述的初始参数曲线，以采样周期Ts2分别对钻杆下放和提升过程中，T2时刻的加压缸的小腔所受的压力值和T2+N2Ts2时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若两次的压力值大小相差不在M与K之间，则判定为带杆状态；
二、根据步骤(2)所述的初始参数曲线，以采样周期Ts2分别对钻杆下放和提升过程中，T2时刻的加压缸的小腔所受的压力值和T2+N2Ts2时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若两次的压力值大小相差仍然在M与K之间，则去除干扰状态后，结合步骤(2)所述的自整定后的参数曲线，钻杆实际的伸长量与曲线标定的伸长量相差大于P，则判定为带杆状态，所述的P为与钻杆的长度值成正比例的限值。而所述的正常换杆状态的判断方法为根据步骤(2)所述的初始参数曲线，以采样周期Ts2分别对钻杆下放和提升过程中，T2时刻的加压缸的小腔所受的压力值和T2+N2Ts2时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若两次的压力值大小相差仍然在M与K之间，在去除干扰和带杆状态后，则判定为正常换杆状态。本发明的有益效果为
(1)本发明利用在加压缸平衡阀口加装一个压力传感器，取代传统的利用重量传感器测量钻杆重量值的方法，不需要额外再考虑钻斗与土层之间的摩擦力、钻斗在泥浆中的浮力、钻斗中泥浆的泄露等因素的影响，降低了参数曲线自整定的复杂度；
(2)根据旋挖钻机在作业过程中压力值的变化情况，对压力值与伸长量的参数曲线进行自整定，提闻了带杆检测的精度；
(3)在检测到带杆报警后，利用电磁阀实现动力头的自动回转操作，无需操作人员通过手动液压阀控制动力头，降低了人工操作的复杂度。
图1为旋挖钻机带杆检测的总体实现流程 图2为钻杆下放过程压力值与伸长量曲线的建立原理 图3为钻杆提升过程压力值与伸长量曲线的建立原理 图4为控制器采样周期Ts1和Ts2大小确定原理分析 图5为旋挖钻机钻杆下放的参数曲线自整定程序流程 图6为旋挖钻机钻杆提升的参数曲线自整定程序流程 图7为检测带杆状态后的操作程序流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。图I为旋挖钻机带杆检测的总体实现流程图。如图I所示通过传感器测得的压力值的变化，自整定压力值与钻杆伸长量的参数曲线，开始于步骤101，结束于步骤106
步骤101 :在加压缸平衡阀口加装一个压力传感器，将钻杆加载在动力头上的重量值转化为加压缸的小腔所受的压力值，进而在钻杆换杆过程中，将钻杆加载在动力头上的重量值与钻杆伸长量的变化曲线转化为加压缸的小腔所受的压力值与钻杆伸长量的变化曲线，以进行带杆情况的检测；
步骤102 :在旋挖钻机初次钻进时，控制器以采样周期Ts1，对T1时刻和TJN1Ts1时刻两次的压力值进行比较，若符合突变条件，则进行钻杆初始伸长量、序号的标定，建立压力值与伸长量关系的初始参数曲线；
步骤103 :根据步骤102所述的自整定的压力值与伸长量的初始参数曲线，以采样周期Ts2,分别对钻杆下放与提升过程中，T2时刻和T2+N2Ts2时刻两次的压力值进行突变判断，即进行比较，判断两次的压力值大小相差是否仍然在M与K之间；
步骤104 :通过步骤103压力值的变化，对突变状态进行干扰、带杆、正常换杆三种状态的判断。若为干扰，控制器将不存储钻杆参数，避免造成误判断；若为带杆，则进行消除带杆的操作；若为正常换杆，则自整定并存储当前检测的压力值与伸长量的参数曲线；
步骤105 :检测到存在带杆情况后，利用电磁阀控制动力头进行自动回转操作；
步骤106 :以采样周期Ts2分别再对钻杆下放和提升过程中，T2时刻的加压缸的小腔所受的压力值和T2+N2Ts2时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，如果仍未带杆状态，再重复几次自动回转操作还没有消除带杆情况下，则停机报警。图2为钻杆下放过程压力值与伸长量曲线的建立原理图；图3为钻杆提升过程压力值与伸长量曲线的建立原理图。如图2和图3所示在进行初始参数曲线整定时，首先根据钻杆的一般性特征，确定伸长量(LfL4)和压力值(WfW4)。在钻进过程中，根据压力值的变化情况，判断是否为正常换杆，并以新整定的参数更新LfL4及WfW4。根据整定的初始参数曲线，在钻杆正常下放与提升过程中，不断对正常的状态更新Lf L4及Wf W4，同时进行带杆检测。图4为控制器采样周期Ts1和Ts2大小确定原理分析图。如图4所示本发明通过设定不同的NI、N2、TsU Ts2的参数来检测压力值的突变，Tsl和Ts2的选取，既要满足较高的采样频率，又不能过大，否则会出现检测不到压力突变的状况。图5为旋挖钻机钻杆下放的参数曲线自整定程序流程图。如图5所示建立钻杆下放过程中压力值与伸长量的参数曲线，并进行带杆检测，开始于步骤501，结束于步骤521
步骤501 :开始；
步骤502 :对钻杆的参数，包括压力值(Weight)和伸长量(Length)进行初始化；
步骤503 :判断钻杆是否处于下放状态，如果是，进入步骤504，反之，无动作；
步骤504 :开启定时器；
步骤505 :判断是否到达采样周期Ts2，如果是，进入步骤506，否则，等待；
步骤506 :比较当前时刻压力值(Cur_Weight)，伸长量(Cur_Length)及NTs2时刻前压力值(Pre_Weight),伸长量(Pre_Length)的大小；
步骤507 :判断Cur_Weight_ Pre_Weight>M是否成立,如果是,进入步骤508,否则,转入步骤503，其中M=2F/3，F为与钻杆加载在动力头上的重量值成正比例关系的量，下同；步骤508 :判断Cur_Weight_ Pre_Weight〈K是否成立,如果是,进入步骤509,否则,进入步骤521，其中K=4F/3，下同；
步骤509 :存储当前钻杆伸长量(Cur_Length)和压力值(Cur_Weight),并设定压力突变判断标志位为True ；
步骤510 :判断压力突变标志位是否为True，如果是，进入步骤511，否则，无动作； 步骤511 :记录两次采样周期Ts2测得的压力值Weight_Last和Weight ；
步骤512 :比较两次测得的压力值ABS (Weight_Last-Weight)〈N是否成立，如果是，进入步骤513，否则，进入步骤516，其中N=lF/3，ABS (X)表示取X的绝对值，下同；
步骤513:去干扰累加器加I;
步骤514 :判断是否累计到2次，如果是，进入步骤515，否则，进入步骤516 ；
步骤 515 :记录当前钻杆伸长量(Cur_Length),大小为(Cur_Length+Pre_Length) /2,当前压力值为(Weight)；
步骤516 :干扰状态；
步骤517 :去干扰累加器清0，压力突变标志位为False ；
步骤518 :判断当前钻杆伸长量(Cur_Length)与标定的伸长量(Length),是否满足ABS(Cur_Length-Length)〈P,如果是,进入步骤519,否则进入步骤521,其中P=1L/10, L为单节钻杆的长度，下同；
步骤519 :存储钻杆伸长量(Length)和当前压力值(Weight)；
步骤520 :钻杆下放曲线建立完成；
步骤521 :带杆情况处理。图6为旋挖钻机钻杆提升的参数曲线自整定程序流程图。如图6所示钻杆下放的参数曲线整定完成后，需要建立钻杆提升的参数曲线，即建立钻杆提升过程中压力值与伸长量的参数曲线，并进行钻杆脱离检测，开始于步骤601，结束于步骤619
步骤601 :判断钻杆是否处于提升状态，如果是，进入步骤602，反之，无动作；步骤602:控制器开启定时器；
步骤603 :判断是否到达采样周期Ts2，如果是，进入步骤604，否则，等待；
步骤604 :比较当前时刻压力值(Cur_Weight)，伸长量(Cur_Length)及NTs2时刻前压力值(Pre_Weight),伸长量(Pre_Length)的大小；
步骤605 :判断Pre_Weight_ Cur_Weight>M是否成立,如果是,进入步骤606,否则,转入步骤601 ；
步骤606 :判断Pre_Weight_ Cur_Weight〈K是否成立,如果是,进入步骤607,否则,进入步骤619 ；
步骤607 :存储当前钻杆伸长量(Cur_Length)和压力值(Cur_Weight),并设定压力突变判断标志位为True ； 步骤608 :判断压力突变标志位是否为True，如果是，进入步骤609，否则，无动作； 步骤609 :记录两次采样周期Ts2测得的压力值Weight_Last和Weight ；
步骤610 :比较两次测得的压力值ABS (Weight_Last_Weight)〈N是否成立,如果是,进入步骤611，否则，进入步骤614;
步骤611 :去干扰累加器加I ;
步骤612 :判断是否累计到2次，如果是，进入步骤613，否则，进入步骤614 ；
步骤 613 :记录当前钻杆伸长量(Cur_Length),大小为(Cur_Length+Pre_Length) /2,当前压力值为Weight ；
步骤614 :干扰状态；
步骤615 :去干扰累加器清0，压力突变标志位为False ；
步骤616 :判断当前钻杆伸长量(Cur_Lenth)与标定的伸长量(Length),是否满足ABS(Cur_Length-Length)〈P,如果是,进入步骤617,否则进入步骤619 ；
步骤617 :存储钻杆伸长量(Length)和当前压力值(Weight)；
步骤618 :钻杆提升曲线建立完成；
步骤619 :带杆情况处理。图7为检测带杆状态后的操作程序流程图。如图7所示本发明利用电磁阀控制动力头进行自动回转操作，通过判断压力值是否符合参数曲线来判断是否消除带杆状态；如果重复几次自动回转操作后，仍存在带杆状态，则停机报警，开始于步骤701，结束于步骤704
步骤701 :判断是否检测到带杆，如果是，进入步骤702，否则，转到步骤708 ；
步骤702 :利用电磁阀自动控制动力头的正反转，以消除带杆情况；
步骤703 :判断当前压力值(Cur_Weight)与参数曲线标定的压力值(Weight)是否满足ABS (Cur_Weight-Weight)〈lF/3，如果是，进入步骤704，否则，转入步骤705 ；
步骤704 :采用步骤702的措施已经使得带杆情况消除；
步骤705 :如果不满足步骤703的条件，则将动力头自动正反转次数加I ;
步骤706 :判断动力头自动正反转次数是否大于3，如果是，进入步骤707，否则转到步骤 702 ；
步骤707 :重复步骤702的措施仍不能消除带杆情况，则停机报警，防止钻杆脱离造成的损坏；步骤708 :结束带杆情况处理过程。以上M、N、K、P的取值为实现本发明的一个具体实施例参数，不局限于上述参数，图5、图6、图7的过程均可以用现有技术中的编程方法实现，在此不作进一步限制。如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。 ·
权利要求
1.基于参数曲线自整定的旋挖钻机带杆检测方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)在加压缸平衡阀口加装一个压力传感器，将钻杆加载在动力头上的重量值转化为加压缸的小腔所受的压力值，进而在钻杆换杆过程中，将钻杆加载在动力头上的重量值与钻杆伸长量的变化曲线转化为加压缸的小腔所受的压力值与钻杆伸长量的变化曲线，进行带杆检测； (2)旋挖钻机初次钻进时，以采样周期Ts1对T1时刻的加压缸的小腔所受的压力值和TAN1Ts1时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若符合两次的压力值大小相差在M与K之间，所述的M、K分别为与钻杆加载在动力头上的重量值成正比例关系的加压缸的小腔所受的压力值的上、下限值，则进行钻杆初始伸长量与序号的标定，建立加压缸的小腔所受的压力值与钻杆伸长量关系的初始参数曲线； (3)根据步骤(2)所述的初始参数曲线，以采样周期Ts2分别对钻杆下放和提升过程中，T2时刻的加压缸的小腔所受的压力值和T2+N2Ts2时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若两次的压力值大小相差仍然在M与K之间，则进行干扰、带杆、正常换杆三种状态的判断，若为干扰状态，将不存储钻杆参数曲线，避免误判断；若为带杆状态，则利用电磁阀控制动力头进行自动回转操作，如果重复几次还存在带杆情况，则停机报警；若为正常换杆状态，则自整定并存储当前检测的加压缸的小腔所受的压力值与钻杆伸长量的参数曲线作为新的判断依据。
2.根据权利要求I所述的基于参数曲线自整定的旋挖钻机带杆检测方法，其特征在于，所述的采样周期Ts1由旋挖钻机在实际作业中的钻进速度决定。
3.根据权利要求I所述的基于参数曲线自整定的旋挖钻机带杆检测方法，其特征在于，所述的采样周期Ts2由旋挖钻机在钻杆下放和提升过程中的速度决定。
4.根据权利要求I所述的基于参数曲线自整定的旋挖钻机带杆检测方法，其特征在于，所述的干扰状态的判断方法为根据步骤(2)所述的初始参数曲线，以采样周期Ts2分别对钻杆下放和提升过程中，T2时刻的加压缸的小腔所受的压力值和T2+N2Ts2时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若两次的压力值大小相差仍然在M与K之间，再次以采样周期Ts2分别对钻杆下放和提升过程中，T2时刻和T2+N2Ts2时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若两次压力值大小相差大于N，所述的N为与钻杆加载在动力头上的重量值成正比例的限值，则判定为干扰状态。
5.根据权利要求I所述的基于参数曲线自整定的旋挖钻机带杆检测方法，其特征在于，所述的带杆状态的判断方法包括两种情况 一、根据步骤(2)所述的初始参数曲线，以采样周期Ts2分别对钻杆下放和提升过程中，T2时刻的加压缸的小腔所受的压力值和T2+N2Ts2时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若两次的压力值大小相差不在M与K之间，则判定为带杆状态； 二、根据步骤(2)所述的初始参数曲线，以采样周期Ts2分别对钻杆下放和提升过程中，T2时刻的加压缸的小腔所受的压力值和T2+N2Ts2时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若两次的压力值大小相差仍然在M与K之间，则去除干扰状态后，结合步骤(2)所述的自整定后的参数曲线，钻杆实际的伸长量与曲线标定的伸长量相差大于P，则判定为带杆状态，所述的P为与钻杆的长度值成正比例的限值。
6.根据权利要求I所述的基于参数曲线自整定的旋挖钻机带杆检测方法，其特征在于，所述的正常换杆状态的判断方法为 根据步骤(2)所述的初始参数曲线，以采样周期Ts2分别对钻杆下放和提升过程中，T2时刻的加压缸的小腔所受的压力值和T2+N2Ts2时刻的加压缸的小腔所受的压力值进行比较，若两次的压力值大小相差仍然在M与K之间，在去除干扰和带杆状态后，则判定为正常换杆状态。
全文摘要
本发明公开了一种基于参数曲线自整定的旋挖钻机带杆检测方法，包括以下步骤在加压缸平衡阀口加装一个压力传感器，将钻杆加载在动力头上的重量值转化为加压缸的小腔所受的压力值，并建立压力值与伸长量之间的初始参数曲线；根据初始参数曲线，在钻杆下放和提升过程中，记录压力值突变状态，并进行干扰、带杆、正常换杆三种状态的判断；若为正常换杆，则自适应地进行参数曲线整定并存储新的压力值与伸长量之间的参数曲线；若为带杆，则利用电磁阀控制动力头进行自动回转操作，若重复几次还存在带杆情况，则停机报警。本发明不仅可以避免因带杆后钻杆脱离导致的旋挖钻机动力头的损坏，还大大降低了操作复杂度，提高了旋挖钻机带杆情况的检测精度。
文档编号E21B44/00GK102889072SQ20121038335
公开日2013年1月23日 申请日期2012年10月11日 优先权日2012年10月11日
发明者叶桦, 冒建亮, 孙晓洁 申请人:东南大学