一种强夯机施工作业参数采集系统及其工作方法与流程

本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种包括夯沉量、累计夯沉量、落距、锤重、夯击能等强夯施工作业参数采集系统及其工作方法。

背景技术：

强夯法是通过重锤自由落下冲击土体，致使土体的孔隙压缩降低其压缩性，从而提高土体的强度。强夯法由于具有加固效果显著、设备简单、施工方便、适用范围广、经济易行和节省材料等优点，在地基、路基加固中被广泛采用。

在强夯施工过程中有诸多的施工控制参数，现行的《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)对于夯点夯击次数规定为：(1)最后两击的平均夯沉量应满足规范要求；(2)夯坑周围地面不应发生过大的隆起；(3)不因夯坑过深而发生提锤困难。不难看出，最后两击的平均夯沉量是强夯施工过程中的止夯控制标准。

而在目前的强夯作业中，仍然依靠人工现场记录来实现上述夯沉量的逐次记录。此过程不仅繁琐耗费人力，且数据的可信度不高，在监管不严的情况下可能出现数据造假等现象，导致施工质量降低，从而引发严重的工程质量问题。其次，由于地面较为松软，在夯击过程中会因振动等因素不可避免的会导致强夯机下陷，因此，以强夯机本身作为基准的夯沉量检测方法，在实际测量过程中均会产生一定的测量误差，此误差对于施工质量的控制来说是不允许的。而现有的夯沉量检测方法，均未能解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种强夯机施工作业参数采集系统及其工作方法。该系统能够自动采集存储施工过程中精准的夯沉量、累计夯沉量、落距、锤重、夯击能等强夯施工作业参数随夯击过程的动态变化，测量结果不受强夯机下陷等因素的影响，便于对施工过程进行全程监控，保证工程质量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种强夯机施工作业参数采集系统，包括：可编程逻辑控制器PLC、信号发射装置、信号接收装置、光学编码器、拉力传感器、蜂鸣器和显示器；

所述可编程逻辑控制器PLC与信号接收装置、光学编码器、拉力传感器、蜂鸣器和显示器分别连接，信号接收装置与信号发射装置通信；

所述光学编码器与夯锤锤钩上方的滑轮连接，拉力传感器与钢丝绳连接，信号接收装置设置在与夯锤锤钩连接的滑轮外侧处，所述信号发射装置设置在强夯影响范围之外并调平，并且对准强夯机；

所述可编程逻辑控制器PLC实时接收信号接收装置、拉力传感器以及光学编码器所传递的信号，并根据接收的信号进行数据记录与计算，确定止夯时刻。

进一步地，所述信号发射装置能够调平和瞄准；所述信号发射装置在强夯机作业过程中始终向外发射一条水平的线型信号，保证机械在施工过程中可能存在的倾斜的情况下信号接收装置始终能够接收到信号。

进一步地，所述信号接收装置只在夯锤提升过程中接收信号发射装置发射出的信号，当信号接收装置接收到信号时，可编程逻辑控制器PLC记录此时的光学编码器的角度值。

进一步地，所述拉力传感器实时测量夯锤上升过程中的拉力值，当拉力值大于T/2时，可编程逻辑控制器PLC启动光学编码器并记录此时的角度值；当拉力值等于T/4时，可编程逻辑控制器PLC终止光学编码器，并记录此时的角度值；其中，T为夯锤锤重。

一种强夯机施工作业参数采集系统的工作方法，包括以下步骤：

第一步：输入夯锤锤重T、滑轮直径D和预定的最后两击的平均夯沉量S₀；

第二步：强夯机在提升重锤时，拉力传感器将采集到的拉力信号实时传输至可编程逻辑控制器PLC，当拉力值大于预先设定的T/2时，可编程逻辑控制器PLC随即启动光学编码器工作，并记录此时的角度值

第三步：夯锤在提升过程中，信号接收装置接收到信号发射装置发射出的信号时，将信号传递至可编程逻辑控制器PLC，可编程逻辑控制器PLC记录此时光学编码器的角度值和拉力传感器采集的拉力值F₁，计算此时夯锤上升的高度h₁；

第四步：当夯锤上升至指定高度后，脱钩下落完成一次夯击，当拉力传感器拉力值减为T/4时，可编程逻辑控制器PLC终止光学编码器的工作，并记录此时的角度值计算此时夯锤上升的高度H₁，即夯锤落距；

第五步：重复第三步至第五步完成第二击，其中，记录的夯锤上升高度分别为h_n、H_n，n为夯击次数；

第六步：计算每一击的夯沉量S_n、累计夯沉量L_n和夯击能W_n，n为夯击次数；

第七步：将每一击的夯沉量S_n、累计夯沉量L_n和夯击能W_n发送至显示器进行实时成图显示；

第八步：重复第六步至第八步，直至最后两次夯击的平均夯沉量小于预先设定的夯沉量S₀，此时蜂鸣器发出警报，夯击终止。

进一步地，所述夯沉量S_n的计算方法为：第n+1次夯击夯锤上升的高度与第n次夯击夯锤上升的高度之差。

进一步地，所述累计夯沉量L_n的计算方法为：n次夯沉量的累加和。

进一步地，所述夯击能W_n的计算方法为：夯锤锤重F_n与落距H_n的乘积。

本发明的有益效果是：

1、本发明立足于工程实际，实现了夯沉量、累计夯沉量、落距、锤重、夯击能数据的精准采集和动态实时显示，检测结果不会受强夯机下陷等因素的影响而产生测量误差，大大节省了人力、物力资源，降低了成本；

2、本发明具有精度高、可靠性高、操作方便等优点，能够减少人为因素对测量结果精度和可靠性的影响；

3、本发明的检测装置在夜间或恶劣天气下仍可进行作业，并不会因为外部环境的变化而影响测量精度；

4、本发明效率高、安装方便，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明强夯机施工作业参数采集系统结构框图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明显示器呈现的效果简图；

图4为本发明计算原理图。

其中，1.可编程逻辑控制器PLC，2.拉力传感器，3.信号接收装置，4.信号发射装置，5.光学编码器，6.显示器，7.蜂鸣器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、2所示，一种强夯机施工作业参数采集系统，该系统以强夯机为基础，包括可编程逻辑控制器PLC1，拉力传感器2，信号接收装置3，信号发射装置4，光学编码器5，显示器6，蜂鸣器7；

可编程逻辑控制器PLC1与信号接收装置3、光学编码器5、拉力传感器2、蜂鸣器7和显示器6分别连接，信号接收装置3与信号发射装置4通信；

光学编码器5输入端与夯锤锤钩上方的滑轮、可编程逻辑控制器PLC1连接，输出端与可编程逻辑控制器PLC1连接；拉力传感器2输入端与钢丝绳连接，输出端与可编程逻辑控制器PLC1连接；信号接收装置3接收信号发射装置4的信号输出端与可编程逻辑控制器PLC1连接；蜂鸣器7输入端与可编程逻辑控制器PLC1连接；显示器6输入端与可编程逻辑控制器PLC1连接；

可编程逻辑控制器PLC1实时接收信号接收装置3、拉力传感器2、光学编码器5所传递的信号，并根据不同的信号作出不同的处理或判断；信号发射装置4在强夯机作业过程中始终发射信号；信号发射装置4设置水准气泡，能够调平和瞄准；信号发射装置4在强夯机作业过程中始终向外发射一条水平的线型信号，保证机械在施工过程中可能存在的倾斜的情况下信号接收装置3始终能够接收到信号；信号接收装置3在可编程逻辑控制器PLC1和拉力传感器2的控制下只在夯锤提升过程中接收信号发射装置4发射出的信号，当信号接收装置3接收到信号时，可编程逻辑控制器PLC1记录此时的光学编码器5的角度值；拉力传感器2实时测量夯锤上升过程中的拉力值，当拉力值大于T/2(T为夯锤锤重)时，可编程逻辑控制器PLC1启动光学编码器5并记录此时的角度值，当拉力值等于T/4(T为夯锤锤重)时，可编程逻辑控制器PLC1终止光学编码器5，并记录此时的角度值；显示器在夯击过程中能够实时显示夯击曲线图，如图3所示。

强夯机施工作业参数采集系统的工作方法，如图4所示，包括以下步骤：

第一步：将信号发射装置4安置在远处(强夯影响范围之外)并调平，将信号发射装置4对准强夯机；

第二步：通过显示器6输入夯锤锤重T、滑轮直径D和预定的最后两击的平均夯沉量S₀；

第三步：强夯机在提升重锤时，拉力传感器2将采集到的拉力信号实时传输至可编程逻辑控制器PLC1，当拉力值大于预先设定的T/2时，可编程逻辑控制器PLC1随即启动光学编码器5工作，并记录此时的角度值

第四步：夯锤在提升过程中当信号接收装置3接收到信号发射装置4发射出的信号时，信号接收装置3将信号传递至可编程逻辑控制器PLC1后，可编程逻辑控制器PLC1随即记录此时光学编码器5的角度值和拉力传感器2采集的拉力值F₁亦即夯锤锤重，可编程逻辑控制器PLC1计算此时夯锤上升的高度h₁；

第五步：当夯锤上升至指定高度后夯锤随即脱钩下落完成一次夯击，在夯锤脱钩的瞬间，拉力传感器2检测的力值会骤减，当拉力传感器2拉力值减为T/4时，可编程逻辑控制器PLC1随即终止光学编码器5的工作，并记录此时的角度值可编程逻辑控制器PLC1计算此时夯锤上升的高度H₁，即夯锤落距；

第六步：重复第三步至第五步可完成第二击，其中记录的夯锤上升高度分别为h_n、H_n，n为夯击次数；

第七步：计算每一击的夯沉量S_n、累计夯沉量L_n和夯击能W_n，n为夯击次数；

其中，夯沉量S_n、累计夯沉量L_n和夯击能W_n的计算方法为：

S_n＝h_n+1-h_n L_n＝∑S_n W_n＝F_n×H_n

其中，S_n为夯沉量，L_n为累计夯沉量，W_n为夯击能，n为夯击次数，h_n+1和h_n分别为相应的夯锤上升高度，F_n为拉力值亦即夯锤锤重，H_n为落距。

第八步：可编程逻辑控制器PLC1将每一击的夯沉量S_n、累计夯沉量L_n和夯击能W_n发送至显示器6进行实时成图显示；

第九步：重复第六步至第八步，直至最后两次夯击的平均夯沉量小于预先设定的夯沉量S₀，此时蜂鸣器7发出警报，夯击终止；此处最后一击的工作原理为，正如第三、四步所述，夯锤在提升过程中，当信号接收器装置3接收到信号后，可编程逻辑控制器PLC1计算此时的上升高度，并计算前一击的夯沉量，当最后两次夯击的平均夯沉量小于预先设定的止夯标准时，蜂鸣器7发出警报，此时驾驶员即可停止提升夯锤并更换下一夯点。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。