Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА і АРХІТЕКТУРИ

ПОМЄШКІН Петро Володимирович

УДК 681.5.624.154.6

АВТОМАТИЗОВАНИЙ КОНТРОЛЬ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПРИ ВИГОТОВЛЕННІ БУРОІН'ЄКЦІЙНИХ ПАЛЬ ВЕЛИКОГО ДІАМЕТРУ

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2004



Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник- кандидат технічних наук, доцент

Городжа Анатолій Дмитрович,

професор кафедри електротехніки і електроприводу Київського національного університету будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Стєнін Олександр Африканович,

професор кафедри технічної кібернетики Національного технічного університету України “КПІ”

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Мельник Володимир Григорович,

Інституту електродинаміки НАН України.

Провідна установа НВК “Київський інститут автоматики”

Мінпромполітики України.

Захист відбудеться 31.01. 2005 року о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.01 в Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, пр. Повітрофлотський, 31, ауд. 466.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: м. Київ, пр. Повітрофлотський, 31.

Автореферат розісланий 29.12.2004 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент С.В. Цюцюра



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У будівельній практиці виготовлення пальових фундаментів є важливим видом “прихованих робіт” перспективним і ефективним напрямком розвитку сучасного виробництва. При влаштуванні буронабивних, та буроін'єкційних паль (БІП) значна увага повинна приділятися контролю якості робіт на всіх етапах їхнього виготовлення. Технологічний контроль якості виготовлення буроін'єкційних паль має особливо важливе значення, тому що пов'язаний із прихованим характером робіт бетонування стовбура палі.

Буроін'єкційні палі є аварійнонебезпечними елементами споруд і повинні забезпечити безаварійну експлуатацію будинків. У стовбурі палі можливе утворення всіляких дефектів (шийок, каверн, порожнеч). Відомі методи й засоби, що застосовуються для контролю буронабивних паль у процесі їхнього виготовлення, не можна використати для контролю якості виготовлення БІП. Існуючий контроль з відбору зразків бетону при подачі його в свердловину може служити лише для непрямої оцінки, тому що набір міцності бетону в кубиках і бетону в свердловині - різні. За існуючими стандартами оцінка якості виготовлення БІП повинна проводитися системою контролю, яка встановлена на буровий верстат.

У світі на сьогоднішній день розроблена значна кількість систем контролю й керування технологією виготовлення БІП, що відрізняються функціональними можливостями й вартістю. Проведений аналіз існуючих систем контролю й керування показав, що практично всі системи розроблені для бурових верстатів з регулюючим гідроприводом усіх механізмів.

Вітчизняні фундаментобудівельні фірми, в основному, оснащені буровими машинами з електроприводом усіх механізмів. Тому актуальним завданням є розробка й впровадження раціональної системи контролю технологічного процесу влаштування БІП буровими верстатами з електроприводом всіх механізмів. На додаток до розробки системи контролю, актуальним питанням є дослідження й адаптація традиційної європейської CFA - технології в ґрунтових умовах Києва, і встановлення, таким чином, достатньої кількості контрольованих параметрів технологічного процесу виготовлення буроін'єкційних паль.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися відповідно до програми Держбуду України (рішення № 52 від 7 вересня 2001р.): “Дослідження нової технології виготовлення буроін'єкційних паль великого діаметру (більше 0,4 м) з напірним бетонуванням через пустотілий шнек і розробка “Зміни № 1 СНиП 2.02.03 - 85 (Пальові фундаменти)” й “Зміни № 2 СНиП 3.02.01 - 87 (Земляні спорудження, підстави й фундаменти)””.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення раціональної автоматизованої системи контролю технології виготовлення БІП, яка дозволяє підвищити якість паль при їх виготовленні, знизити трудозатрати й витрати матеріальних ресурсів, а також значно підвищити культуру виробництва. Для досягнення цієї мети треба вирішити наступні задачі:

- вивчення існуючих систем контролю та керування технологічним процесом (ТП) виготовлення БІП;

- проведення дослідженнь з адаптації традиційної європейської CFA - технології до ґрунтових умов регіону;

- встановлення кількості оптимальних параметрів технологічних процесів необхідних для проведення повного контролю виготовлення палі;

- дослідження завадостійкості електронної апаратури системи контролю;

- розроблення програми й методика метрологічної атестації системи;

- впровадження комп'ютерної системи контролю на бурові верстати з електроприводом усіх механізмів.

Об'єкт дослідження. Система контролю показників при виготовленні буроін'єкційних паль.

Предмет дослідження - технологічні процеси, що супроводжують процес виготовлення буроін'єкційних паль.

Методи дослідження. У роботі використано методи кваліметрії, функціонально-вартісного аналізу, статистичного аналізу чутливості, регресійного аналізу, багатокритерійної оптимізації, дискретного програмування, граничного аналізу, при дослідженні завадостійкості електронних пристроїв використовувався метод планованого багатофакторного експерименту.

Наукова новизна отриманих результатiв, що виносяться на захист:

1) визначені і обгрунтовані оптимальні місця розташування приладів контролю витрат та тиску бетонної суміші у процесі виготовлення БІП;

2) розроблено і проведено дослідження працездатності і надійності роботи датчиків тиску з урахуванням агресивного та абразивного стану бетонної суміші;

3) розроблені математичні моделі дослідження процесів буріння та бетонування при виготовленні БІП;

4) розроблене алгоритмічне та програмне забезпечення процесу виготовлення БІП з урахуванням їх якісних показників;

5) розроблена функціональна структура автоматизованої системи контролю технологічних параметрів при виготовленні БІП для бурового верстата з електроприводом механізмів;

6) розроблена методика вибору технічних засобів автоматизованої системи контролю виготовлення БІП;

7) вперше застосована методика багатофакторного планованого експерименту при дослідженні завадостійкості електронних пристроїв автоматизованої системи контролю до електромагнітних полів, що дозволило підвищити обсяг корисної інформації внаслідок варіювання всіх факторів.

Достовірність результатів дослідження підтверджується достатньою збіжністю теоретичних результатів з розрахунковими, а також одержаними результатами від впровадження на бурових верстатах вітчизняного виробництва з електроприводом всіх механізмів.

Практична цінність роботи полягає в тому, що розроблена автоматизована система контролю ТП виготовлення БІП дозволяє значно підвищити якість виконуваної палі на стадії її технологічного виготовлення.

Дало можливiсть впровадити розроблені методи при реалізації проекта будівництва і експлуатації житлових будинків за адресами: м. Київ, вул. Щорса, буд. 32; м. Київ, вул. Антоновича, буд. 131; м. Київ, вул. Драгоманова, буд. 25; м. Київ, вул. Шумського, 1; м. Київ, просп. Перемоги, 131 (ж\б 1,2,3); м. Київ, Дніпровська набережна,10-а; Культова споруда по вул. Сріднопільська в м. Києві; Аквапарк по вул. Шумського,1 у м.Києві; тощо.

Особистий внесок здобувача. Дослідження, що є у роботі, виконані і опубліковані автором самостійно.

На підставі аналізу визначені і обгрунтовані оптимальні місця розташування приладів контролю, витрати та тиску бетонної суміші у процесі виготовлення БІП.

Розроблена функціональна структура автоматизованої системи контролю технологічних параметрів при виготовленні БІП для бурового верстата з електроприводом та її алгоритмічне і програмне забезпечення з урахуванням показників якості.

Розроблена методика вибору технічних засобів автоматизованої системи контролю виготовлення БІП та методика багатофакторного планованого експерименту при дослідженні завадостійкості електронних пристроїв автоматизованої системи контролю. Розроблені математичні моделі дослідження процесів буріння та бетонування при виготовленні БІП.

Апробація результатів дослідження. Основні положення роботи доповідались на науково-технічній конференцій „Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ” (м. Київ, 2003 р.); 61-й (2001 р.), 62-й (2002 р.), 63-й (2003 р.), 64-й (2004 р.) науково-практичних конференціях КНУБА.

Розроблена АСК, на сьогоднішній день впроваджена на 11 бурових верстатах вітчизняного виробництва на базі гусеничного крана МКГ - 25БР. У результаті впровадження систем підвищилася якість паль, що виготовляють у Києві, зменшилися витрата бетонної суміші, покращилися умови праці й підвищилася культура виробництва.

Публікації. За результатами проведеної роботи опубліковано п'ять друкованих праць.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5-ти розділів, списку використовуваної літератури та додатків. Робота викладена на 164 сторінках машинописного тексту, що містить 41 рисунок, 5 таблиць.

Основний зміст

Вступ. Аналіз накопиченого закордонного і вітчизняного досвіду показує, що в деяких випадках навіть при строгому дотриманні технологічних операцій і виконанні всіх рекомендацій у буроін'єкційних палях можливе утворення дефектів (шийок, каверн, порожнеч, значних локальних потовщень стовбура, тощо), які в результаті можуть призвести до аварійних ситуацій. Тому актуальним стає питання контролю якості виготовлення буроін'єкційних паль.

У першому розділі розглянуті існуючі у світі стандарти виготовлення буроін'єкційних паль. Проведено аналіз технологічних процесів буріння й бетонування свердловини, розглянуті особливості технологічного устаткування для виготовлення БІП.

Установлено, що при виготовленні БІП доцільно використати технологію, яка створює мінімальне навантаження на бурове устаткування, що в більшості випадків означає також мінімальне навантаження на ґрунт. Значне місце посідає зменшення порушення в підставі ґрунту, що буде досягатися мінімізацією часу буріння свердловини.

Застосування буроін'єкційних паль вимагає дотримання технологічних правил та норм і жорсткого контролю якості робіт на кожному етапі виготовлення палі. Відхилення від необхідних технологічних правил через відсутність технологічного контролю істотно погіршує якість влаштовуємої палі і може привести до появи значного браку. Тому велике значення повинне приділятися контролю технологічного процесу виготовлення буроін'єкційних паль.

Розглянуто переваги методу напірного бетонування. Отримано рівняння (1) руху шнека при бетонуванні стовбура БІП, за умови, що пробурена свердловина під час заповнення її бетонною сумішшю не буде розширюватися:

X(t)=n·V·t/S, (1)

де n - кількість циклів подачі бетонної суміші, з-1;

V - об'єм циліндра бетононасоса, м3;

S - площа поперечного переріза свердловини, м2;

t - час бетонування свердловини.

Значна увага у розділі присвячена дефектам буроін'єкційних паль і питанням контролю технологічного процесу бетонування стовбура палі. При аналізі дефектів БІП, показано що влаштування палі у водо-насичених, слабких ґрунтах може привести до небажаних результатів:

- значне зниження міцності забетонованої палі;

- зниження несучої здатності палі;

- руйнування зв'язної структури ґрунту;

- осідання й руйнування сусідніх споруджень.

Утворення дефектів у вигляді тріщин, каверн, порожнеч має місце й у щільних ґрунтах. Тому використання БІП вимагає ретельного дотримання технологічних правил і норм та належного контролю якості виконання робіт на кожному етапі виготовлення палі. Для досягнення якісного виготовлення палі розроблена велика кількість систем контролю й керування.

У роботі розглядається автоматизована комп'ютерна система контролю, яка установлена на вітчизняні бурові верстати з електроприводом всіх механізмів, що здійснює реєстрацію наступних параметрів.

При бурінні:

- поточна глибина буріння;

- швидкість буріння;

- споживана потужність електродвигуном привода шнека.

При бетонуванні:

- поточна глибина бетонування;

- швидкість витягування шнека;

- тиск бетонної суміші;

- витрата бетонної суміші.

Існуючі традиційні системи контролю й керування технологією виготовлення БІП засновані на двох фундаментальних вимірах: або вимір витрати бетонної суміші; або вимір тиску бетонної суміші, що нагнітається в свердловину.

Аналіз процесу бетонування показав, що контроль бетонування свердловини за результатами виміру тиску або за результатами витрат бетонної суміші, кожен окремо - достовірний, до того моменту, доки не виникнуть непередбачені екстремальні ситуації. Тому, при розробці системи, був передбачений одночасний контроль обох параметрів, що значно підвищило надійність системи.

У другому розділі розглядається, що при бурінні свердловини, у випадку бурін'єкційних паль грунт за допомогою шнека подається на поверхню. При подальношому бурінні поява вибуреного розпушеного грунту на поверхні буде запізненою.

Проведено моделювання процесу заглиблення шнеку при влаштуванні буроін'єкційних паль.

При заглибленні шнека у випадку буроін'єкційних паль, візуальний контроль за можливим виносом грунту, як і при бурінні, є дуже наближеним для оцінки якості заглиблення шнека в грунт, тому реально розглядати таку можливість контролю, навіть при розробці додаткових пристроїв, не можна.

Умова граничної рівноваги для процесу загвинчуванні шнеку в ґрунт може бути записана шляхом порівняння моментів: загвинчування Мкр та сил опору ґрунту, що виникають при терті ґрунту по поверхні шнеку Мт:

Мт=Мкр. (2)

Якщо величина Мкр може бути прямо зафіксованою в процесі буріння, то значення Мт потребує визначення. Величина Мт включає дві складові, розглянемо їх визначення. Спочатку розглянемо розрахункову схему реалізації сил тертя грунту по елементу шнека, який заглиблено в ґрунт на величину z (рис. 2.1.)

Рис. 1. Розрахункова схема для визначення сил тертя, що діють на поверхні шнеку: hш-крок витка; - кут нахилу лопат шнеку до горизонтальної площини



Опір ґрунту при повороті лопат шнеку на її поверхні для елементарної ділянки визначається умовою:

, (3)

де величина сил тертя фxyi є змінною.

Аналіз характеру взаємодії шнеку з грунтом дає можливість передбачити цю залежність як:

фxyi=f( уz1, ц, c, z, г,ri,), (4)

де уz1 - нормальне напруження в грунті на поверхні лопаті шнека;

z - глибина ділянки шнека, що розглядається, від поверхні;

- відстань елементарної ділянки шнека від поверхні, змінюється в межах від d/2 до D/2;

dl - довжина елементарної ділянки шнеку;

ц, с, г - кут внутрішнього тертя, питоме зчеплення та питома вага для ґрунту, що контактує з поверхнею на ділянці шнека, що розглядається.

Друга складова Мт - сили тертя грунту по поверхні стовбура шнека (рис.2)

уz=уx=уy



По A-А

Рис. 2. Розрахункова схема до визначення сил тертя ґрунту
на поверхні стовбура шнека, tл- товщина шнека

Момент від сил тертя по бічній поверхні стовбура розруховується за формулою:

( 5)

Окрім складових сил тертя, що впливають на величину Мт додатково при загвинчуванні шнека витрачається енергія на ущільнення грунта навколо шнека в сторони грунтового масиву. Це ущільнення відбувається тільки в нижній частині бурової колони (стовбура шнека). Вище процес ущільнення прямо не відбувається, оскільки розміри поперечного перерізу шнека залишаються стабільними (постійними).

Спрощено характер цього ущільнення грунту представлено на рис. 3.



Рис. 3. Схема ущільнення грунта навколо стовбура шнека:

а) - загальне уявлення про ущільнення; б) - розрахункова схема

Тут в межах лопастей (hш і D/2) приймаємо підвищення щільності грунта рівним середній величині сd.mt. Це збільшення по масі mв буде рівним його знаходженню в зоні витіснення (заглиблення стовбура палі з лопастями шнека):

(6)

Проведено моделювання процесу бетонування пробуреного простору при виготовленні буроін'єкційних паль.

Процес висмикування повнотілої палі добре досліджений для різних грунтових умов і має рішення у вигляді [СНИП 2.02.03-85], в незалежності від способу влаштування палі:

, (7)

де гс - коефіцієнт умов роботи палі; в випадку обпирання її на пилувато- глинисті грунти з ступенем вологості Sr<0,9 і на лесові грунти гс=0,8, в інших випадках гс=1;

гсR - коефіцієнт умов роботи грунту під нижнім кінцем палі; гсR=1 в усіх випадках, за винятком паль с камуфлетним поширенням, для яких цей коефіцієнт необхідно приймати гсR=1,3 і паль з поширенням, яке бетонується підводним способом, для яких гсR=0,9;

R - розрахунковий опір грунту під нижнім кінцем палі, кПа/(тс/м2);

A - площа обпирання палі, м2, яка дорівнює: для набивних і бурових паль без підширення - площі поперечного перерізу нижнього кінця палі ;

u - переріз стовбура палі, м;

гсf - коефіцієнт умов роботи грунту на бічній поверхні палі, який залежить від способу формування свердловини і умов бетонування;

fi - розрахунковий опір і-го шару грунту на бічній поверхні стовбура палі, кПа;

hi - товщина і-го шару ґрунту, бічної поверхні палі, м.

На основі представленої схеми (рис. 4) складено вихідну розрахункову схему:

Рис. 4. Схема бетонування стовбура палі

Загальна умова рівноваги в процесі бетонування стовбура палі може бути записана у вигляді рівноваги на вісь OZ, всіх сил:



, (8)

або

. (9)

В результаті отримаємо формулу:

, (10)

яка і є математичною моделлю розподілу зусиль при бетонуванні палі в ідеальних умовах, коли систему “шнек-свердловина” можна розглядати як поршень в циліндрі.

При наявності неоднорідної будови товщі грунтів, потрібно насамперед, розробляти таке управління процесом бетонування, при якому важливо зберегти витрати бетону мінімальними (проектними). Це досягається за рахунок збільшення величини Ni та зниженню p при постійних витратах бетону. Таке регулювання потрібно тримати в режимі, що не допускає розривів стовбура бетонованої палі.

ДVб=ДhS, (11)

де Дh - висота підняття, м;

S - площа поперечного перерізу, м2.

Управління повинно заздалегідь прогнозуватися на основі розрахункових параметрів шарів грунту в межах яких влаштовується буроін'єкційна паля.

Проведений математичний аналіз процесів буріння і бетонування, на основі якого побудовані математичні моделі цих процесів. Розгляд математичних моделей дозволив вибрати параметри за якими можливо проводити контроль процесів буріння і бетонування. В цьому розділі виведено, що влаштування буроін'єкційних паль повинно прогнозуватися на основі параметрів шарів ґрунту в яких влаштовується паля, які визначаються моментом опору ґрунту. Визначення моменту опору і його контроль по всій довжині свердловини (глибина буріння) дозволяє побудувати характеристику пробуреної свердловини. Модель процесу бетонування показала, що для більш повного контролю за влаштуванням стовбура палі необхідно одночасно вимірювати тиск бетону в забої свердловини та витрати бетонної суміші.

У третьому розділі проведено дослідження та аналіз контролюючих параметрів технологічного процесу виготовлення буроін'єкційної палі.

Було проведено декілька випробувань по визначенню розподілу тиску бетонної суміші в процесі бетонування палі. У першому випробуванні досліджувався розподіл тиску в бетонолитних шлангах. При другому випробуванні визначався тиск бетонної суміші на виході бетонолитної труби шнека у забої свердловини. При проведенні експериментів застосовувався розроблений автором датчик тиску бетонної суміші, що потім також використався в розробленій системі контролю.

Необхідність розробки нового датчика тиску викликана тим, що вітчизняних вимірювальних камер для виміру тиску бетону не існує. Тому була розроблена конструкція вимірювальної камери, що за допомогою стандартного захвата, призначеного для з'єднання гнучких бетоноводів, може встановлюватися в будь-якій точці бетоновода. Конструкція розподільчої камери представлена на рис. 5.



Рис. 5. Вимірювальна розподільча камера: 1 - корпус із фланцем для кріплення; 2 - кришка масляної камери; 3 - розділова мембрана; 4 - датчик тиску вимірювальної рідини; 5 - вимірювальна рідина

Для оцінки точності виміру тисків бетонної суміші розробленим датчиком було проведене порівняння його показників із показниками метрологічного приладу з метою проведення його метрологічної атестації. За результатами вимірів отримані залежності вимірюваного тиску розробленим датчиком від дійсного значення тиску вимірюваного середовища. Загальна приведена похибка датчика тиску бетонної суміші склала (2,5%).

У першому випробуванні досліджувався розподіл тиску в бетонолитних шлангах.

Датчики встановлювалися рівномірно по всій довжині гнучких бетоноводів, починаючи з виходу бетононасоса і закінчуючи верхньою точкою бетонолитної труби шнека (рис. 6).



Рис. 6. Схема досліджень для визначення витрат тиску по бетоноводу

1...6 - датчики тиску; Р1 - тиск бетонної суміші на виході ін'єктора;

Р2 - зворотний тиск бетону в свердловині на шнекову колону

При другому випробовуванні визначався тиск бетонної суміші на виході бетонолитної труби шнека у забої свердловини. Дослідження процесу буріння показало, що для якісного виготовлення свердловини під буроін'єкційну палю необхідне дотримання двох умов:

- час буріння свердловини повинен бути мінімально можливим;

- обертаючий момент не повинен перевищувати половини свого максимального значення;

Дані умови записуються у вигляді 2-х граничних рівнянь:

Тбур > min; (12)

Мбур > Ммакс./2, (13)

де Тбур - час буріння свердловини;

Мбур - обертаючий момент створюваний на шнеку при бурінні;

Ммакс. - максимальний обертаючий момент.

Дотримання цих умов дозволить також не створювати перевантажень в обертальній і піднімальній системі шнека, навантаження між ними при цьому буде розподілятися рівномірно.

При вивченні процесу бетонування палі проводилися дослідження з визначення поводження бетонної суміші як у бетонолитних шлангах окремо, так і по всій системі транспортування суміші тобто по бетонолитним шлангам, бетонолитній трубі шнека й вибої свердловини. Дослідження проводилися за допомогою розроблених датчиків, показання яких реєструвалися комп'ютером у вигляді функціональних залежностей тисків від часу P(t). Поводження бетонної суміші в бетонолитних шлангах досліджувалося як на горизонтальній ділянці шлангів, так і на вертикальному, це дало можливість установити, що датчик тиску встановлюваний на гусаку бетонолитної труби шнека, може використовуватися тільки як індикатор заповнення свердловини бетоном.

У наступному експерименті проводилися дослідження тиску бетонної суміші по всій системі її транспортування. У результаті проведеного експерименту отримані наступні виводи:

- при напірному нагнітанні тиск бетонної суміші у вибої свердловини завжди буде вищим від тиску у верхній точці бетонолитної труби шнека;

- різниця між тисками буде залежати від висоти шнекової колони, складу бетонної суміші й швидкості її нагнітання.

З отриманих результатів випливає, що вимір тиску у верхній крапці бетонолитного шнека, особливо в режимі нагнітання суміші не буде реально відображати тиску у вибої свердловини .

Система “шнек - свердловина” являє собою поршень у циліндрі. Під дією тиску бетонної суміші на виході з ін'єктора шнека, створюється надлишковий тиск бетону в свердловині, що створює вплив, який переміщує шнек на гору. Чим вище продуктивність насоса а також тиск в ін'єкторі, тим значніше це зусилля, що виштовхує. Таким чином, сила виштовхування шнека, а відповідно й тиск бетону в свердловині, можуть бути побічно визначені через механізм підйому шнекової колони - по розтяжному зусиллю в піднімальному тросі.

Розтяжне зусилля в піднімальному тросі створено силоміць, що розвивається двигуном головної лебідки, що залежить від наступних сил:

- ваги шнекової колони;

- ваги ґрунту на лопатах шнека;

- гальмуючих сил тертя шнека й ґрунту на його лопатах об стінки свердловини;

- сили, що виштовхує, за рахунок тиску бетону в свердловині.

Застосування динамометра значно ускладнює систему контролю. Тому, з метою визначення зусилля в піднімальному тросі, були проведені дослідження з виміру потужності, споживаної електродвигуном привода, піднімальної лебідки. У процесі випробувань споживана потужність вимірялася при підйомі шнека до впровадження в ґрунт, і після буріння до кінцевої відмітки. Дослід проводився при різних швидкостях підйому.

У процесі аналізу результатів досвіду були встановлені поточні значення сили підйому шнека, отримані як відношення потужності електродвигуна до лінійної швидкості підйому шнека. Установлено залежність сили підйому шнека від тиску бетону в свердловині. Отримана залежність дозволить побудувати систему контролю, що буде менш залежна від ґрунтових умов.

У четвертому розділі викладаються вимоги до автоматизованої системи контролю. Створення автоматизованої системи контролю повинно базуватися на застосуванні сучасної інформаційно-вимірювальної техніки із застосуванням програмно-математичних методів обробки аналогових і дискретних сигналів, що надходять від різного типу датчиків. Автоматизована система повинна забезпечувати контроль усього технологічного процесу виготовлення буроін'єкційної палі з документованим супроводом у текстовому й графічному виді, зручному для оператора, проектувальника й замовника. АСК повинна мати можливість свого вдосконалювання як відносно впровадження нових програмно-математичних методів обробки сигналів, так і в застосуванні додаткових елементів системи, завдяки чому АСК буде мати достатній ступінь універсальності. АСК повинна мати високий рівень надійності, що виключає вихід з ладу технічних засобів системи.

Далі розглядаються структура технічних і програмних засобів АСК. На верхньому рівні АСК повинен перебувати програмно-керований пристрій обробки інформації з елементами ручного керування, візуалізації значного обсягу результатів обробки інформаційних сигналів і одержання твердих носіїв інформації (документів). Цим вимогам найбільше задовольняє портативний комп'ютер. Застосування портативного комп'ютера є раціональним як відносно обробки значних обсягів інформації, так і відносно вартості АСК.

На середньому рівні автоматизованої системи контролю повинен передувати пристрій (контролер), що забезпечує збір сигналів від датчиків, уведення цих сигналів у комп'ютер, а також створення керуючих сигналів роботи, що задають режим, АСК. Контролер разом з комп'ютером також здійснює тестування правильності функціонування АСК і перевіряє наявність всіх ліній зв'язку системи.

Наявність на верхньому рівні автоматизованої системи контролю портативного комп'ютера дозволило розробити й впровадити у виробництво кілька варіантів робочих програм. На сьогоднішній день існують дві повноцінні програми, одна з яких розроблена під операційну систему Windows 95, а друга під операційну систему DOS. Кожна із програм має свої переваги й недоліки. Windows 95 має кращий інтерфейс для користувача й має високорівневий інтерфейс із периферією, що дозволяє легко здійснювати перенос програмного забезпечення на комп'ютери й робити роздруківку необхідної документації. Але, як показала практика, програма розроблена під DOS є більше стійкою в роботі відносно зависань і зупинок комп'ютера. Програми розроблені у візуально об'єктно-орієнтированому середовищі Borland Inc Delphi 5.0.

Проведено дослідження завадостійкості контролера. Досвід експлуатації сучасних електронних цифрових пристроїв і дослідження, проведені в дійсній роботі, показують, що найбільш значимого складового показника надійності пристроїв є випадкові короткочасні відмови, що самовідновлюються (збої). Збої в роботі цифрових пристроїв викликаються різноманітними причинами: взаємними наведеннями усередині пристрою, зовнішніми електромагнітними перешкодами, зміною режимів і параметрів активних і пасивних елементів схем від впливу кліматичних умов, дефектом монтажу, зміною живлячих напруг і т.д.

Відмови, викликані виходом з ладу елементів у правильно спроектованих пристроях (при дотриманні правильних умов експлуатації), у загальній масі відмов становлять малу частку. Тому в роботі при проведенні досліджень ставилося завдання визначення впливу різних факторів, що впливають, на працездатність контролера. Визначення ступеня й напрямку впливу факторів на інтенсивність збоїв, як головного показника надійності функціонування контролера, дозволить ужити заходів по зменшенню впливу найбільш істотних факторів і тим самим підвищити надійність роботи контролера, як концентратора сигналів датчиків і системи в цілому. Дослідження завадостійкості контролера полягає у визначенні електричного режиму роботи елементів контролера, опорної напруги аналого-цифрового перетворювача, параметрів вхідних ланцюгів контролера, при яких кількість збоїв буде мінімальним у реальних умовах експлуатації.

Головним завданням при дослідженні контролера на завадостійкість є вибір методики прискорених випробовувань із метою визначення оптимального режиму його роботи в умовах будівельного майданчика.

Запропоновані основні алгоритми роботи програми:

алгоритм визначення глибини буріння (рис.8);

алгоритм визначення потужності споживаної електродвигуном шнека;

алгоритм визначення тиску бетонної суміші;

алгоритм визначення пересування шнека.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8. Структурна схема алгоритму визначення глибини буріння

У п'ятому розділі представлені практичні результати розробки апаратно технічних засобів АСК. Детально розглядається розробка основних вузлів контролера. Важливе значення, має блок захисту вхідних ланцюгів контролера від електромагнітних перешкод і випадкового влучення на них високих напруг, розробка якого представлена в першому параграфі п'ятої глави.

Далі представлена розробка вузла комутації й перетворення аналогових сигналів у цифровий код. Правильний вибір параметрів аналого-цифрового перетворювача (АЦП) дозволяє раціональним чином спроектувати електронний контролер. У третьому параграфі обґрунтовується вибір параметрів АЦП. За результатами розрахунків було отримано, що розрядність N=10 достатня для передачі аналогових сигналів з допустимою відносною похибкою 0,2%.

Розглядається периферійне устаткування АСК. Датчики були розроблені й виготовлені під конкретні вимоги АСК, тому що існуючі датчики неможливо застосовувати в конкретних умовах експлуатації АСК, або була потрібна їх істотна доробка.

У розділі представлена розроблена методика проведення метрологічної атестації системи контролю, що представляє собою детально намічений розпорядок, що визначає методи, засоби й алгоритми проведення вимірів.

При атестації АСК були визначені наступні метрологічні характеристики системи:

- межа допустимої основної абсолютної похибки визначення глибини буріння Дh;

- межа допустимої основної відносної похибки визначення швидкостей буріння та бетонування дн;

- межа допустимої основної наведеної похибки визначення потужності, споживаної електроприводом шнеку дN;

- межа допустимої основної наведеної похибки визначення тиску бетонної суміші дp;

- межа допустимої основної абсолютної похибки визначення об'єму бетонної суміші, що подається ДV=±(V0+0,001V),м3, де V0 - обсяг циліндра бетононасосу.



ВИСНОВКИ

Проведений системний аналіз процесу виготовлення буроін'єкціних паль великого діаметра показав, що процес відноситься до складних об'єктів автоматизації з складними взаємопов'язаними параметрами, який потребує розробки автоматизованої системи контролю основних технологічних параметрів з метою формування прогнузуючих порад операторам установок при виготовленні БІП.

За результатами досліджень процесу буріння та виготовлення буроін'єкційних паль встановлені і обгрунтовані технологічні параметри контролю, які були покладені в основу розробленої автоматизованої системи контролю. Для досліджень технологічних процесів були побудовані математичні моделі режимів буріння свердловини та її бетонування.

Проведені експериментальні дослідження розподілу тиску бетонної суміші по тракту подачі дозволили обгрунтувати місце розташування датчика у верхній частині бетонолитної труби, що дає можливість конролювати тиск, забезпечуючи при цьому своєчасне наповнення свердловини бетонною сумішшю.

Для контролю тиску бетонної суміші був розроблений спеціальний датчик тиску, який враховує абразивність і агресивність суміші, високий рівень вібрації, кліматичні умови, тощо.

Розроблений датчик тиску бетонної суміші в процесі роботи показав високу надійність, точність і пройшов метрологічну атестацію. Точність вимірювання тиску ? 2,9%.

Аналіз процесу бетонування показав, що контроль бетонування свердловини за результатами виміру тиску, або за результатами витрати бетонної суміші кожний окремо достовірний до того моменту, поки не виникнуть непередбачені екстремальні ситуації. При розробці системи, був передбачений одночасний контроль обох параметрів, що значно підвищило надійність системи.

Проведений аналіз параметрів аналого-цифрофих перетворювачів та пристроїв дозволив розробити методику обгрунтування вибору АЦП з урахуванням впливу зовнішнього середовища і точнісних характеристик електричних сигналів.

Дослідження впливу електромагнітних випромінювань потужними електродвигунами установки на електронні перетворювачі, контролери та системи зв'язку між ними, методами факторного аналізу дозволили побудувати математичну модель збоїв системи контролю і правильно вибрати елементи та розробити заводостійку АСК.

Розроблені алгоритми визначення глибини буріння, потужності електродвигуна шнека, тиску бетонної суміші та її витрати і швидкості переміщення тиску та бетонування палі.

Розроблена автоматизована система контролю забезпечує надійний, безперервний і об'єктивний контроль основних параметрів технологічного процесу виготовлення буроін'єкційних паль великого діаметру та забезпечує документований супровід у текстовому і графічному вигляді для оператора установки і замовника.

АСК забезпечує контроль слідуючих технологічних параметрів: швидкість буріння, потужність електродвигуна шнека, швидкість бетонування, тиск бетонної суміші та її витрати на бетонування палі, а також види рекомендацій оператору бурової установки по бетонуванню палі з метою забезпечення високої якості виготовлення буроін'єкційної палі.

Проведена метрологічна атестація автоматизованої системи контролю вказує на те, що АСК відповідає технічним умовам системи і рекомендована до широкого впровадження на бурових установках вітчизняного виготовлення з електричними приводами усіх механізмів (свідоцтво № 23 - 0001 від 05.06.2000 р.).



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ праць ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Городжа А.Д., Ярас В.И., Трощинський Б.І., Помєшкін П.В. Перспективная технология устройства свайных фундаментов и компьютерная система контроля технологических параметров их изготовления // Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини: Зб. наук. праць. - К.: Київський національний університет будівництва і архітектури, 1999. - № 54. - С. 67-70.

Автору належить розробка функціональної схеми контролю технологічних параметрів та параметрів їх виготовлення.

Помєшкін П.В. Автоматизований контроль техногії виготовлення буроін'єкційних паль великого діаметру// Міжнародна науково-технічна конференція “Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель і споруд та їх основ” Зб. наук. праць. - К.: НДІБК , 2003. - Випуск 58. - С. 434-439.

Помєшкін П.В. Датчики тиску бетонної суміші // Основи і фундаменти: Зб. наук. праць. - К.: Київський національний ун-т будівництва і архітектури, 2001. - Випуск 26. - С. 113-118.

Помєшкін П.В. Визначення оптимальних режимів буріння свердловини при виготовленні СFA-паль вітчизняними буровими верстатами // Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини: Зб. наук. праць. - К.: Київський національний ун-т будівництва і архітектури, 2002. - Випуск № 60. - С. 78-81.

Помешкин П.В. Влияние электромагнитных помех на работу электронной аппаратуры в условиях строительной площадки: Зб. наук. праць Інституту електродинаміки НАНУ. - К.: Ін-т електродинаміки 2003. - Випуск № 1 (4). - С. 118-122.



АнотаціЯ

Помєшкін П.В. Автоматизація контролю технологічних параметрів при виготовленні буроін'єкційних паль великого діаметра. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню за спеціальностю - 05.13.07 - автоматизація технологічних процесів. - Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2004.

Дисертаційна робота присвячена створенню раціональної автоматизованої системи контролю технологічних параметрів при виготовленні БІП, яка дозволяє підвищити якість паль, знизити трудозатрати й витрати матеріальних ресурсів, а також значно підвищити культуру виробництва, а також забезпечує документований супровід у текстовому і графічному вигляді , який являється “паспортом палі”.

Буроін'єкційні палі є аварійнонебезпечними елементами споруд і повинні забезпечити безаварійну експлуатацію будинків. У стовбурі палі можливе утворення всіляких дефектів (шийок, каверн, порожнеч). Відомі методи й засоби, що застосовуються для контролю буронабивних паль у процесі їхнього виготовлення, не можна використати для контролю якості виготовлення БІП. За існуючими європейськими і вітчизняними стандартами оцінка якості виготовлення БІП повинна проводитися системою контролю яка встановлена на буровий верстат.

Проведений аналіз існуючих систем контролю й керування показав, що практично всі закордонні системи розроблені для бурових верстатів з гідроприводом усіх механізмів.

Автором проведена розробка і впровадження системи контролю технологічного процесу влаштування БІП буровими верстатами з електроприводом всіх механізмів. При розробці системи контролю, актуальним питанням є дослідження й адаптація традиційної європейської CFA - технології в ґрунтових умовах регіонів, і встановлення, таким чином, достатньої кількості контрольованих параметрів технологічного процесу виготовлення буроін'єкційних паль.

При дослідженні завадостійкості електронних апаратур використався метод планованого багатофакторного експерименту.

Ключові слова: БІП, буроін'єкційні палі, контроль якості виготовлення, автоматизована система контролю технологічних процесів.



АННОТАЦИЯ

буріння свердловина буронабивний паля

Помешкин П. В. Автоматизация контроля технологических параметров при изготовлении буроинъекционных свай большего диаметра. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация технологических процессов. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2004.

Диссертационная робота посвящена созданию автоматизированной системы контроля технологических параметров при изготовленния БИС, которая позволяет повысить качество свай, снизить трудозатраты и расход материальних ресурсов, а также значительно повысить культуру производства. Система автоматизироаного контроля также обеспечивает документирование сопровождение в текстовом и графическом виде, который является “паспортом сваи”.

Буроинъекционные сваи создают опасность для безаварийной эксплуатации домов. В стволе свае возможно образование всяческих дефектов (шеек, каверн, пустот). Известные методы и средства, применяемые для контроля буронабивных свай в процессе их изготовления, не могут применяться для контроля качества изготовления БИС. Существующий контроль по отбору образцов бетона при подаче его в скважину может служить лишь для косвенной оценки, так как набор прочности бетона в кубиках и бетоне в скважине разные. По существующей СНИПам оценка качества изготовления БИС должна проводиться системой контроля устанавливаемой на буровой станок. В мире на сегодняшний день разработанное множество систем контроля и управление технологией изготовления БИС, которые отличаются функциональными возможностями и стоимостью.

Проведенный анализ по существующим системам контроля и управление показал, что практически все импортные системы разрабатываются под буровые станки с гидроприводом всех механизмов. Поэтому актуальной задачей была разработка и внедрение рациональной системы контроля технологического процесса устройства БИС буровыми станками с электроприводом всех механизмов. В дополнение к разработке системы контроля, было проведено исследование и адаптация традиционной европейской CFA - технологии в грунтовых условиях регионов, и установление достаточного количества контролируемых параметров технологического процесса изготовления БИС.

В диссертационной работе исследован технологический процесс изготовления буроинъекционных свай, на основе проведенного исследования определенно количество контролируемых параметров.

Целью диссертационной работы есть создание рациональной автоматизированной системы контроля технологии изготовления БИС, который разрешает повысить качество свай, которые изготовляют, снизить трудозатраты и затраты материальных ресурсов, а также значительно повысить культуру производства.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: изучен рынок существующих систем контроля и управление технологическим процессом изготовления БЕС; проведено исследования по адаптации традиционной европейской CFA - технологии к грунтовым условиям Киева; установлено количество оптимальных параметров ТП, необходимых для проведения полного контроля изготовления сваи; исследована помехоустойчивость электронныой аппаратуры системы контроля; разработана программа и методика метрологической аттестации системы; внедрение компьютерной системы контроля на буровые станки с электроприводом всех механизмов.

Ключевые слова: БИС, буроинъекционные сваи, контроль качества изготовленния, автоматизированная система контроля технологических процессов.



SUMMARY

Pomeshkin P.V. Automation of the control of technological parameters at manufacturing CFA of piles of the greater diameter. - Manuscript.

The dissertation on the competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. in speciality 05.13.07 - automation of technological processes. - The Kiev National University of Construction and Architecture, Kyiv, 2004.

The dissertation work is devoted to creation of the automated monitoring system of technological parameters at manufacturing the CFA, which allows to increase quality of piles, to decrease expenditures of labor and the charge of material resources, and also considerably to raise the culture of manufacture. The system of the automated control also provides documenting support in a text and graphic form, which is “ the passport of a pile ”.

Chisel piles create danger to accident-free using of houses. It is possible a formation of different defects (narrowing, cavities, emptiness) in a trunk of a pile. Known methods and means, which are used for the control chisel piles during their manufacturing, can not be applied to control the quality of manufacturing of piles. The existing control of sampling concrete during its submission in a chink can serve only for an indirect estimation, because a set of durability of concrete in cubes and concrete in a chink is different. According existing norms the estimation of quality of manufacturing the CFA should be carried out by the monitoring system installed on the chisel machine tool.

The lead analysis on existing monitoring systems and technologies showed management, that almost all import systems are developed by chisel machine tools with hydrodrive of all mechanisms.

That's why an actual problem was the development and introductions of the rational monitoring system of technological process of the device the CFA chisel machine tools with the electric drive of all mechanisms. In addition to the development of the control systems, there was a research and adaptation traditional European CFA - technologies in solid conditions of the regions, and establishment of controllable parameters of technological process of manufacturing the CFA.

Scientific novelty of the work is application of a technique of multifactorial of a planned experiment with the purpose of research of a noise stability of electronic devices which has allowed to increase volume of the helpful information owing to a variation of all factors which influence, thus is reduced necessary volume of experimental researches for the reception of adequate mathematical model.

Realization of work and results of introduction. The developed monitoring system for today is entered on 11 chisel machine tools of a domestic production on the basis of the caterpillar crane of MKG - 25БР. As a result of introduction of systems quality of piles, which produce in Kiev has increased, the expense of a concrete mix was reduced, operating conditions have improved and culture of manufacture has raised.

Key words: CFA piles, chisel piles, quality assurance of the manufacturing, the automated monitoring system of technological processes.



Підписано до друку 27.12.2004 р. Формат 60х90/16.

Ум. друк. арк. 0,9. Обл.-вид. арк. 0,9.

Тираж 100. Зам. 332.

“Видавництво “Науковий світ””®

Свідоцтво ДК № 249 від 16.11.2000 р.

м. Київ, вул. Боженка, 17, оф. 504.

227-87-13, 227-87-15, 8-050-525-88-77

Размещено на Allbest.ru

...