吳 川，烏效鳴，文國軍，許 潔，韓 磊，謝 輝

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，湖北 武漢430074;2.中國地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢430074)

0 引 言

非開挖(trenchless)技術(shù)是在不開挖地表的情況下在地下鋪設(shè)管道的技術(shù)，其施工過程一般分為如下三個(gè)階段［1］:1)非開挖鉆機(jī)利用鉆桿在地下鉆先導(dǎo)孔;2)利用擴(kuò)孔鉆頭將先導(dǎo)孔的直徑擴(kuò)大，以便管道能夠順利穿過;3)擴(kuò)孔完畢后，將管道拖入孔內(nèi)，完成施工。

對于非開挖電力施工而言，在非開挖鋪管完成后還要通過卷揚(yáng)機(jī)將電纜拖入非開挖管道內(nèi)。而在卷揚(yáng)機(jī)將電纜拖入管道之前，要預(yù)先根據(jù)管道軌跡與管道相關(guān)參數(shù)等信息計(jì)算出回拖電纜時(shí)所需回拖力大小，回拖力的計(jì)算值關(guān)系到卷揚(yáng)機(jī)和鋼絲繩的選型，若回拖力計(jì)算不合理，則會導(dǎo)致卷揚(yáng)機(jī)拖不動電纜和鋼絲繩斷裂等事故。業(yè)界對鋪纜回拖力的計(jì)算方法很多，但在實(shí)際使用時(shí)，針對同一個(gè)工程案例使用不同回拖力模型進(jìn)行計(jì)算后的結(jié)果相差很大［2～4］，因此，業(yè)界迫切需要一種能夠?qū)崟r(shí)測量鋪纜回拖力的儀器，通過將測量到的實(shí)際值與計(jì)算模型的計(jì)算值進(jìn)行比較的方式來選出最佳計(jì)算模型。

本文設(shè)計(jì)了一種非開挖電力竣工管道鋪纜回拖力測試儀，以滿足施工測試需要。

1 儀器設(shè)計(jì)

1.1 儀器測試原理

儀器分三部分，即機(jī)械結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理電路和上位機(jī)軟件，數(shù)據(jù)處理電路安裝在機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)，用于采集和存儲傳感器的輸出數(shù)據(jù)。儀器使用時(shí)一端接電纜，另一端接卷揚(yáng)機(jī)上的鋼絲繩，儀器隨電纜從管道始端至終端拖行，期間將整個(gè)施工過程中的回拖力采集并存儲起來。

如圖1 為測試系統(tǒng)原理框圖，拉力傳感器將采集到的回拖力數(shù)據(jù)以電壓信號的形式輸出，輸出信號經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后直接輸入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和標(biāo)定處理。單片機(jī)對數(shù)據(jù)處理完畢后通過SPI 通信模式與SD 卡進(jìn)行通信，最終將數(shù)據(jù)存儲到SD 卡內(nèi)。施工完畢后通過上位機(jī)軟件將儀器SD卡內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)讀出，進(jìn)行進(jìn)一步的分析、處理及顯示。

圖1 測試系統(tǒng)原理框圖Fig 1 Principle block diagram for test system

1.2 儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儀器結(jié)構(gòu)三維圖如圖2 所示，儀器通過拉環(huán)與外界連接，其主要受力部件為儀器外殼，因此，要對儀器外殼在額定拉力下的安全性能進(jìn)行核校。

圖2 儀器三維結(jié)構(gòu)圖Fig 2 3D structural drawing of instrument

儀器外殼為一筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑d=90 mm，外徑D=110 mm，長度L=346 mm，材料為45#鋼，受到最大拉力T=30 tf，將數(shù)據(jù)帶入材料力學(xué)公式可得

通過查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可知45#鋼的許用應(yīng)力σs≥355 MPa，因此，儀器外殼滿足額定載荷要求。

對于儀器的密封，由于儀器的使用深度不超過50 m，即最大水壓不超過1 MPa，因此，只需在儀器的螺紋部分纏繞生膠帶并涂抹螺紋膠便可達(dá)到密封效果。

1.3 數(shù)據(jù)處理電路

數(shù)據(jù)處理電路的主要功能是采集傳感器數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與存儲。

1.3.1 數(shù)據(jù)采集

儀器采用拉力傳感器測量回拖力，由于傳感器的輸出數(shù)據(jù)是模擬量，而數(shù)據(jù)處理電路只能對數(shù)字量進(jìn)行處理，因此，需進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換后才能被電路所處理，本儀器采用STC12C5A60S2 單片機(jī)作為電路的處理器，該芯片自帶10 位A/D 轉(zhuǎn)換芯片，可將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換后的信號直接進(jìn)行標(biāo)定等運(yùn)算［5，6］。

1.3.2 數(shù)據(jù)存儲

儀器采用SD 卡作為存儲芯片，將數(shù)據(jù)處理電路處理完的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲，最大支持8G 容量的存儲空間。單片機(jī)通過SPI 通信模式與SD 卡進(jìn)行通信，但單片機(jī)的I/O 口的高電壓為5 V，而SD 卡的高電壓為3.3V，因此，通信前需要進(jìn)行電平匹配，此處利用穩(wěn)壓二極管1N4728 對單片機(jī)與SD 卡的通信引腳進(jìn)行電平匹配［7，8］。

1.4 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件用于對數(shù)據(jù)處理電路所存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示，軟件采用LabVIEW 編寫，軟件界面如圖3 所示。

圖3 軟件界面Fig 3 Interface of software

軟件界面主要分為四部分:文件選擇按鈕、時(shí)間輸入按鈕、濾波模塊以及波形顯示模塊。文件選擇按鈕用于選擇所需要處理的文件;時(shí)間輸入按鈕則是用于輸入儀器的啟動時(shí)間;濾波模塊用于濾波參數(shù)的設(shè)置，用于對原始回拖力數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波;波形顯示模塊用于將最終處理后的回拖力數(shù)據(jù)進(jìn)行波形圖顯示。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

最終加工好的儀器如圖4 所示，通過測試裝置對儀器進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)，部分室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖4 儀器實(shí)物圖Fig 4 Physical map of instrument

表1 部分室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 1 Part of datas of indoor test

通過表1 中的數(shù)據(jù)可知，儀器在0.3 ～30 tf 的測量范圍內(nèi)的測量誤差控制在1%以內(nèi)，而由于儀器A/D 轉(zhuǎn)換位數(shù)的限制，儀器在0.3 ～0 tf 范圍內(nèi)的誤差逐漸增大，但實(shí)際工程中的回拖力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.3 tf，因此，可忽略儀器在低量程時(shí)的誤差。

3 結(jié) 論

針對電力竣工管道鋪設(shè)電纜時(shí)回拖力測試的需要，設(shè)計(jì)了一種電力鋪纜回拖力測試儀，儀器在加工完成后進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:儀器符合施工現(xiàn)場的測試要求，可以為電力鋪纜回拖力計(jì)算模型選擇方面提供測試數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也可為研究同類產(chǎn)品的科研人員提供一定的借鑒。

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