工程钻孔机控制系统设计方案(开篇报告)

1、摘要工程钻孔机的英文为 Engineering Drilling Machine ，工程钻机是在回转斗钻机和全套管钻机的基础上发展起来的，第二次世界大战前，美国 CALWELD 首先研制出回转斗，短螺旋钻机。二十世纪五十年代，法国 BENOTO 将全套管钻机应用于桩基础施工，而后由欧洲各国将其组合并不断完善，发展成为今天的多功能组合模式。工程钻孔机因其具有装机功率大，输出扭矩大，轴向压力大，机动灵活、施工效率高、环保等特点，配合不同钻具，适应我国大部分地区的地质条件，成为适合建筑桩基工程中成孔作业最理想的施工机械。近年来，在我国许多大型基础设施建设工程的施工中得到广泛应用，工程钻机高效、环保、

2、效益高的优势得到公认。工程钻机具有一系列传统钻机无法比拟的优点，在桩基工程施工中的推广和广泛运用势在必行。本文分析了工程钻孔机的用途、优缺点、发展现状、启动特点和降低电压启动控制方法的缺点。电动机软启动器的特点及发展方向。给出了以 ALYR5 软启动器的 KEB5-3 多轴工程钻孔机的电器原理图。关键词： 工程钻孔机，启动方式，软启动。Engineering Drilling Machine Control System Design.ABSTRACTThe Engineering drilling machine of English for Engineering drilling mac

3、hine, Engineering drilling in the rotation is a rig and all the casing of the drilling rig developed on the basis of, before the second world war, the United States CALWELD first developed a spiral drill, turning short. In the 1950 s, the French BENOTO will be applied to all the casing drilling pile

4、 foundation construction, and then by the European countries would be the combination and constantly improve, is today a multi-function combination of mode.Engineering drilling machine because of its power, the installed torque output, axial pressure big, flexible, construction efficiency is tall, e

5、nvironmental protection and other characteristics, with different drilling tools, to adapt in most regions of China of the geological condition, be suitable for construction pile foundation engineering hole where the most ideal homework construction machinery. In recent years, in our country many la

6、rge infrastructure construction of construction of the project is widely used in engineering drilling, efficient and environmentally friendly,and high efficiency, advantage of recognized. The engineering drilling rig has a series of traditional the incomparable advantages in pile foundation engineer

7、ing, and widely used in the construction of the promotion is imperative.This paper analyzes the engineering drilling machine of the applications, advantages and disadvantages, development present situation, the start and lowering voltage characteristics startup control method shortcomings. Motor sof

8、t starter characteristics and development direction. Then ALYR5 soft starter KEB5-more than three axis engineering drilling machine of electric principle diagram.Keywords: asynchronous motor, start way, soft start.工程钻孔机控制系统设计潘峻彪 Y120920350 引言01 课题的背景及研究意义多轴工程钻孔机使用高效率的工程钻孔专用交流异步电动机，配合单片机构成的电动机软起动程序控制

9、器，使本多轴工程钻孔机具有稳定的负载特性；在钻孔作业的启动、运行和停车过程中对电网和钻杠设备无任何电气与机械冲击；其对负载的高适应性能、高稳定可靠的检测、安全保护功能是本机显著的特点，也是目前同类工程钻孔机所不具有的。正是这些特有的工程应用优点，使本多轴工程钻孔机的应用领域得以延伸。02 工程钻孔机的发展现状随着新技术的发展与应用，钻孔机最近几年得到飞速发展。突出表现在以下两个方面：1.回位定位功能结构上设计的突破，只要更换钻具，就可使机器具有螺旋、回转斗、连续墙、长螺旋和冲抓斗钻孔机的功能。2电子、电液比例技术的应用电子、电液比例技术的应用，扩展了机器的功能，提高了工作效率，减轻了劳动强度。

10、(1)回位定位功能钻孔机在进行钻孔作业时，有一个钻进 - 提升 -回转 -抛土 -再回转至原孔口 -对准 -再钻进的过程。在对准时耗费相当多的时间和精力，而且，人工对淮精度低。德国宝峨、意大利 CMV 公司的钻机上，都具有回位定位功能。所谓回位定位功能是指机器回转时能记录回转角度，待抛土后再回转回来时，一旦达到记录的角度后，自动停止。这样，保证其回到第一次回转前的位置。大大减轻了劳动强度、提高了生产效率及作业精度。(2)3 种模式主要用来方便操作者工作和实现对机器工作时的监测。所谓3种模式：即基本模式、钻杆模式和CFA 模式。这 3 种模式可由操作者随意在机器上根据需要选择。 基本模式：由适用

11、于白天工作的触模式敏感显示屏构成，它可给操作者显示以下信息：钻桅倾角；钻桅工作参数 ( 扭矩动力头的旋转速度、钻孔深度、主付卷扬拉力和加压力 )；关于操作系统失效方面的信息。此外，此系统还可以产生一些特殊信息，如磨损和损坏情况、服务信息等。 钻杆模式：在基本模式功能的基础上，增加了钻杆牙嵌与动力头啮合情况、钻杆状态的显示功能。这些功能的增加确实足非常实用的。大凡用过钻孔机的人都知道，钻杆牙嵌是极易磨损的 (特别是在啮合不彻底的情况下 )，磨损后的修复也是非常麻烦的。以往操作者只能凭自己的经验来感觉啮合情况，所以对操作者的熟练程度的要求很高。有了钻杆牙嵌啮合情况显示功能后，显示器上能精确地显示牙

12、嵌的啮合情况，即便是一位没有经验的操作者也能很好地操作，同时大大地减轻了工人的劳动强度在钻孔作业时，根据需要钻孔深度往往达几十 M，由于地质情况、钻杆与钻杆、钻杆与钻头连接等方面的原因，造成钻杆、钻头脱落在孔内的事故，给施工单位造成很大的损失。钻杆状态的显示功能，为操作者提供一个可视的钻杆，方便了操作者，避免了事故的发生。 CFA模式：所谓的 CFA 模式，就是混凝土灌注桩模式。为了保证桩的质量，此模式可显示混凝土压力、混凝土流量、液压系统压力以及混凝土桩形。从以上介绍可见，随着电子技术的进一步发展，元器件抗震、耐污染性能的不断提高，在桩工机械上的应用越来越多。它的应用增强了设备的功能，提高了

13、效率，减轻了工人的劳动强度，提高了产品的市场竞争力。目前，我国的产品与国外先进桩工设备的差距很大，无论是功能上，还是技术上都比较落后。尽管产品成本相对较低，但与社会发展不相适应。若要在日趋激烈的市场竞争中占有一席之地，必须不断改进老产品，并逐步开发高起点、高技术含量的新产品。03 工程钻孔机控制的优缺点工程钻孔机效率高、方便灵活、成孔速度快、扩孔率小、正常情况下 25 小时就可以成孔，是传统的钻孔机械的 10 倍以上。是市政建设、铁路、公路桥梁等理想的基础施工设备噪声小、污染少，特别适用于市区工程建设。适用于填土层、粘土层、粉土层、淤泥层、沙土层以及短螺旋不能钻进的含有部分卵石、碎石的地层。采

14、用岩心钻头，还可嵌入岩层。工程钻机及施工工艺在我国北方地区已经得到了很快普及，在南方沿海地区由于地层较软，桩一般较大较深，工程钻机成孔困难，目前仍以正反循环钻机为主。工程钻孔机自重较大，钻机平台的稳定，也是个不容忽视的问题，不注意的话，容易发生孔斜超标的质量问题，严重的甚至导致钻机倾覆的安全事故。目前工程钻孔机价格比较昂贵，一台动辄几百万，一次性投入比较大，且运营、维修保养等费用较高工程钻孔机的大量应用只是在近几年，缺乏相应的产品标准，尚未编制工程钻机施工规范，没有系统的工法研究，缺少技术培训，基本理论的研究有待深入。 04 工程钻孔机启动特点工程钻孔机有2 台 90KW 的电动机，若采用直接

15、启动，电动机将会产生过大的启动电流，该电流通常达到启动电流的 5-8 倍，甚至更高，在许多场合，这种过大的启动电流会对整个传动系统产生不良的影响。包括对电网、供电设备、电动机和机械冲击。为了满足电动机的自身启动条件、负载传动机械的工艺要求，保护其他用电设备正工作的需要，应当在电动机启动过程中采用降压启动方式，其方式有很多，每种启动方式有各自的优缺点。目前，最广泛使用的是软启动方式来降低启动电流冲击和转矩冲击。1 降低电压启动控制方法的缺点11Y启动Y启动适用与定子绕组为连接的电动机，采用这种方式启动时，可使每相定子绕组降低到电源电压的58 ，启动电流为直接启动时的33 ，启动转矩为直接启动时的

16、33 。启动电流小，启动转矩小。12三相电阻降压启动电阻减压启动一般用于轻载启动的笼型电动机，且由于其缺点明显而很少采用。定子回路接入对称电阻，这种启动方式的启动电流较大而启动转矩较小。如启动电压降至额定电压的65，其启动电流为全压启动电流的65，而启动转矩仅为全压启动转矩的42%,且启动过程中消耗的电能较大。13 自耦变压器降压启动这种方式通常用于要求启动转矩较大而启动电流较小的场合，采用自耦变压器降压启动，电动机的启动电流及启动转矩与其端电压的平方成比例降低，相同的启动电流的情况下能获得较大的启动转矩。如启动电压降至额定电压的 65，其启动电流为全压启动电流的 42，而启动转矩仅为全压启动

17、转矩的 42%。14 主回路串电阻或电抗器这种启动方法是利用电动机启动时在定子电路中串联降压电阻或电抗器的办法来启动电动机，待电动机启动结束时在将电阻或电抗器短接掉。以全压加定子绕组上运行。因其电阻有热能的损耗和电抗器体积和成本较大，所以这种方法启动在目前很少采用。2 电动机软启动的特点及发展介绍随着电力技术( 尤其是集成电路、微处理器以及新一代电力电子器件 ) 的不断发展，异步电动机起动过程中的起动电流过高，起动转矩过小等问题得到了很好的解决。从 20 世纪 70 年代开始推广利用晶闸管交流调压技术制作的软起动器，以及采用微控制器代替模拟控制电路，发展成为现代的电子软起动器。21 软启动的特

18、点电子软起动器相对于传统的起动方式，其突出的优点体现在:1电力半导体开关是无电弧开关和电流连续的调节，所以电子软起动器是无级调节的，能够连续稳定调节电机的起动，而传统起动的调节是分档的，即属于有级调节范围。2冲击转矩和冲击电流小。软起动器在起动电机时，是通过逐渐增大晶闸管的导通角，使电机起动电流限制在设定值以内，因而冲击电流小，也可控制转矩平滑上升，保护传动机械、设备和人员。3软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳起动。4 根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流，节省电能。5由于采用微机控制，可在起动前对主回路进行故障诊断，且数字化

19、的控制具有较稳定的静态特性，不易受温度、电源电压及时间变化等因素的影响，因此提高了系统的可靠性，有助于系统维护同时，软起动器还能实现直接计算机通讯控制，为自动化控制打下良好的基础。22 软起动的发展方向它的主要形式。从理论上说，性能价格比高的产品将占有更大的市场份额 . 但是，在各种应用场合，人们对于各种性能的侧重面不同，使各类起动产品 ( 包括传统的星三角起动 ) 都可能会赢得自己的市场。长期展望 : 变频软起动将成为软起动的主流。各种形式的降压软起动将与星三角起动等技术一起归并为传统的起动技术。随着变频器价格的逐渐下降，可靠性的进一步提高，未来成为主流产品的软起动装置将是带有软切换功能的廉

20、价的变频器。3 KE85-3 多轴工程钻孔机电气控制系统原理KE85-3 多轴工程钻孔机采用智能型软起动器，其构成见图如3.1 所示。主回路是由直接反并联的晶闸管模块组成。1L1、 3L2、5L3 进线端接 3 相 AC380V电源，出线端2T1、4T2、6T3 接电动机。互感器检测电动机电流用于反馈信号，单片机根据设定的启动电流（或电压）数值输出晶闸管的移相信号 ，以控制电动机电压的变化。当电压线性增加至额定值，即所谓斜坡到顶，电动机则加速到额定速度完成软起动，并发出旁路信号，使旁路接触器吸合，转换到旁路运行，而故障检测仍对电动机进行保护。参数设置和状态显示等采用按键和液晶显示器来完成。a）b）图 3.1 智能型软起动器a）外部接线b）内部结