METHOD FOR DETECTING OBSTACLES DURING OPERATION OF VIBRATORY PILE DRIVER
СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕПЯТСТВИЙ ВО ВРЕМЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВИБРОПОГРУЖАТЕЛЯ

Изобретение относится к способу обнаружения препятствий при работе вибропогружателя, к соответствующему вибропогружателю, а также к рабочей машине с вибропогружателем.
При забивке продукта забивки направляемым мачтой вибропогружателем, причем мачта смонтирована непосредственно на рабочей машине, препятствия, такие как валунные камни или скальные формации, представляют собой большую проблему, при которой благодаря обратной связи через продукт забивки (например, шпунтовую стенку), зажимные клещи, вибратор и затем мачту могут вызываться повреждения на различных деталях машины. Указанные компоненты могут также повреждаться сами. Физически этот процесс может описываться как неупругий удар, при котором энергия вибраций, а также усилие проходки используются не как предусмотрено для проходки, а переносятся обратно на машину.
До сих пор отсутствует надежная система предупреждения, которая автоматически и своевременно предупреждает водителя о соответствующей опасности. Поэтому, для того чтобы предотвращать повреждения, необходима быстрая реакция водителя, для того чтобы своевременно прерывать проходку.
В случае другого применения может быть необходимым, чтобы продукт забивки забивался в скальную породу, например, таким образом, что обеспечено сопротивление опрокидыванию. Водитель вибрирует трубу до тех пор, пока труба не будет находиться на скальной породе, и дополнительно оказывает давление на сваю до тех пор, пока амплитуда вибратора не станет максимальной. Несмотря на то, что свая находится на скальной породе уже длительное время, система дополнительно нагружается еще длительное время, пока машина имеется в наличии. Вследствие этого в течение длительного времени машина может очень сильно нагружаться.
В свете вышеизложенного задача изобретения состоит в предоставлении улучшенного способа обнаружения препятствий во время эксплуатации вибропогружателя и соответствующего устройства для осуществления способа, при помощи которого возможна более щадящая работа.
Эта задача решается с помощью способа согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения. Соответствующий изобретению способ включает в себя этапы, на которых осуществляют:
регистрацию сигналов ускорения вибропогружателя; и
анализ сигналов ускорения, причем анализ включает в себя сравнение отрицательных и положительных полуволн.
Полуволны могут представлять зарегистрированные сигналы ускорения или быть выведены из зарегистрированных сигналов ускорения. Далее, говоря о сравниваемых полуволнах, речь может идти о смежных друг другу полуволнах.
В предпочтительном исполнении изобретения возможно, что анализ включает в себя определение скорости и/или амплитуды вибропогружателя. Скорость и/или амплитуда могут при этом определяться посредством интегрирования сигнала ускорения или сигналов ускорения. Также частота вибропогружателя может определяться из сигналов ускорения. Зарегистрированный сигнал ускорения может при этом регистрироваться измерителем ускорения, который определяет ускорение, по меньшей мере, в одном направлении, в частности в направлении прогресса забивки.
В дальнейшем предпочтительном исполнении возможно, что сигналы ускорения регистрируются, по меньшей мере, одним датчиком ускорения или измерителем ускорения на вибропогружателе и/или на соединенной с вибропогружателем мачте и/или продукте забивки.
Далее в следующем предпочтительном исполнении возможно, что регистрация осуществляется в течение регулируемого промежутка времени наблюдения, причем промежуток времени наблюдения может выбираться в частности в зависимости от частоты возбуждения. Частота возбуждения может быть при этом частотой вибропогружателя.
В дальнейшем предпочтительном исполнении возможно, что сравнение отрицательных и положительных полуволн включает в себя сравнение цифровых показателей измерений, таких как площадь, амплитуда и/или форма, причем формой может быть в частности полуширина полуволн. В этом случае может быть естественно также предусмотрено множество соответствующих сравнений.
В дальнейшем предпочтительном исполнении возможно, что анализ включает в себя поиск критических частот, в частности таких как резонансные частоты, посредством частотного анализа.
Кроме того, в дальнейшем предпочтительном исполнении может быть предусмотрено то, что анализ включает в себя анализ коэффициента нелинейных искажений.
Далее в следующем предпочтительном исполнении возможно, что способ включает в себя выдачу сигнала в зависимости от анализа. Выданный сигнал может быть при этом сигналом управления или уведомления. Сигнал управления может управлять вибропогружателем или соединенным с ним устройством, например, для защиты вибропогружателя. Вибропогружатель может при этом, например, замедляться или останавливаться. В качестве информационного сигнала может, например, загораться индикатор, который указывает оператору вибропогружателя, что согласно способу было обнаружено препятствие. Вследствие этого оператор может соответствующим образом реагировать на ранее обнаруженное препятствие. Само собой разумеется, сигнал выдается в том случае, если анализ показывает, что препятствие было обнаружено.
Далее изобретение относится к вибропогружателю, который приспособлен для того, чтобы осуществить способ по любому из пунктов 1-8 формулы изобретения.
Изобретение относится также к рабочей машине с вибропогружателем, который приспособлен для осуществления соответствующего изобретению способа.
Вибропогружатель и/или рабочая машина могут включать в себя признаки, указанные в связи с соответствующим изобретению способом. Повторение в этом отношении опускается.
Дальнейшие подробности и преимущества изобретения показаны со ссылкой на чертеж. При этом на чертеже показаны:
фиг. 1 - схематичный вид рабочей машины 5 при выполнении соответствующего изобретению способа; и
фиг. 2 - временной ход анализируемого сигнала во время эксплуатации вибропогружателя.
Закрепленный на мачте 1 вибропогружатель 2 передает, согласно фиг. 1, вибрации при помощи зажимных клещей 3 на продукт 4 забивки, например, шпунтовую стенку, трубу или тому подобное. Рабочая машина 5 или несущая машина 5 имеет задачу удерживать мачту, при помощи канатной лебедки или другой (например, гидравлической) системы прижимать вибропогружатель с усилием Fv подачи вдоль мачты вниз (или вытягивать вверх, хотя здесь это не имеет значения), а также управлять вибропогружателем при помощи гидравлической системы. При забивке продукт забивки может наталкиваться на препятствие 6, что может приводить к повреждениям на вибраторе, мачте и/или несущей машине.
Как несущая машина, так и вибропогружатель может быть оснащен сенсорной техникой, которая в непрерывном режиме с достаточно большой частотой сканирования (по меньшей мере, 40 Гц) делает возможными следующие измерения: усилие подачи, возбуждающая частота вибрации, возбуждающая амплитуда вибрации, скорость подачи и/или различные гидравлические измеряемые величины, такие как давление, количества подаваемого масла и т.д.
При нормальном вибрационном процессе продукт забивки забивается в почву, причем благодаря усилию подачи материал почвы вытесняется острием продукта забивки, а благодаря вибрациям сокращается сопротивление на боковой поверхности и на острие продукта забивки. Если теперь острие продукта забивки наталкивается на массивное препятствие, которое не допускает вытеснения, то вместо вытеснения материала почвы острием происходит неупругое столкновение между продуктом забивки и препятствием. Кинетическая энергия может в виде ударного импульса передаваться вдоль продукта забивки на вибратор.
Благодаря вибрациям вибратора эти ударные импульсы производятся снова и снова и в зависимости от длины продукта забивки и скорости распространения звука в материале продукта забивки распространяются с определенной скоростью и в дальнейшем взаимодействуют с вибратором. Доходит до нарушений в возбуждающем движении вибратора (так могут, например, нарушаться возбуждающие дисбалансы), доходит до наложений (суперпозиций) различных частот, и в дальнейшем возникают дополнительные, низко- и высокочастотные частоты в системе вибратора и продукта забивки. Эти частоты могут совпадать с собственной частотой несущей машины или мачты, то есть в дальнейшем может доходить до больших амплитуд, которые могут приводить к повреждению продукта забивки, вибратора, мачты или несущей машины.
Для изобретения может использоваться уже установленный по умолчанию датчик: измеритель ускорения, который может определять ускорение, по меньшей мере, в одном направлении (в направлении прогресса забивки). Посредством интегрирования сигнала ускорения может помимо этого определяться скорость и амплитуды, также частота может определяться из сигнала ускорения. Датчик ускорения закреплен предпочтительно на вибраторе, другими возможными расположениями являются, например, расположение на мачте или непосредственно на продукте забивки.
Изобретение делает возможным благодаря анализу сигналов ускорения обнаружение препятствий в почве. Сигнал ускорения анализируется при этом в течение промежутка t времени, при этом для обнаружения препятствия могут использоваться следующие сигналы: действительное ускорение, скорость и/или путь. Предоставляются следующие возможности:
1. Самый быстрый способ: Положительные и отрицательные полуволны рассматриваются отдельно друг от друга и сравниваются, причем отдельные полуволны, а также несколько полуволн могут использоваться в течение регулируемого промежутка времени наблюдения. Промежуток времени наблюдения может выбираться, например, в зависимости от частоты возбуждения. Из этих полуволн посредством различных способов могут рассчитываться числовые меры, такие как площадь, амплитуда или форма (например, полуширина). Сравнение этих обеих числовых мер предоставляет очень быструю эффективность обнаружения.
2. Дальнейший способ заключается в том, чтобы осуществлять посредством частотного анализа поиск критических частот, таких как резонансные частоты несущей машины или тому подобного. Эти частоты в большинстве случаев ниже, чем фактическая частота вибраций и также являются признаком становящейся более твердой почвы или препятствия. Сам по себе этот способ медленнее, чем способ 1, так как необходимый промежуток времени наблюдения должен быть больше. Однако альтернативно также этот способ может приводить к обнаружению, комбинация с первым способом возможна.
3. Дальнейший способ заключается в анализе коэффициента нелинейных искажений одного из следующих сигналов: ускорение, скорость, амплитуда. После низкочастотной фильтрации сигнала должна при гармонических колебаниях обнаруживаться всего лишь одна частота, увеличивающийся коэффициент нелинейных искажений является признаком неупругих ударов и таким образом становящейся более твердой почвы или препятствия. Этот способ сравним со способом 2. Сам по себе этот способ слишком медленен, однако может поддерживать способ 1.
4. Сама по себе амплитуда зависит от нескольких факторов: возбуждающей частоты и амплитуды, веса продукта забивки, глубины погружения и трения боковой поверхности. Однако кратковременное повышение является, несмотря на многие зависимости, возможным, дополнительным признаком препятствия.
5. В общем, любое отклонение от гармонического колебания может в комбинации, по меньшей мере, с одним из вышеуказанных способов пониматься как признак препятствия.
Каждый из вышеизложенных способов делает возможным обнаружение препятствия при помощи простого датчика ускорения и блока оценки, однако способ 1 предоставляет самое быстрое обнаружение. Анализ сигналов ускорения может осуществляться при помощи, по меньшей мере, одного из способов.
Согласно изобретению сигнал ускорения может анализироваться при помощи, по меньшей мере, одного из способов, и может констатироваться, что препятствие находится непосредственно перед продуктом забивки. Далее водитель предупреждается, и/или система управления вмешивается с корректировкой в дальнейшую проходку (например, уменьшая приводное усилие, амплитуду, и т.д.). Самый быстрый и надежный концепт соответствует способу 1.
Предпочтительно дальнейшие датчики улучшают прогноз: возбуждающие частоты вибратора (например, дисбалансы) известны (частота, амплитуда, фаза) и могут выравниваться сигналом ускорения; при известных свойствах материала продукта забивки, при известной длине продукта забивки и при известной глубине погружения можно моделировать мешающие частоты; признак более сильной нагрузки предоставляет также давление масла/расход масла, который необходим вибратору для приведения в действие; собственные частоты вибратора, мачты и несущей машины известны, так что, например, посредством целенаправленного поиска именно этих частот может лучше обнаруживаться резонансное поведение; комбинация отдельных или всех из вышеуказанных предпочтительных способов обеспечивает улучшенный признак препятствия.
В дальнейшем исполнении может теперь в зависимости от настройки на такие препятствия осуществляться следующая реакция:
- Заблаговременное уменьшение регулировки дисбалансов для защиты вибратора и несущей машины.
- Заблаговременное уменьшение проходки для защиты вибратора и несущей машины.
- Этот тип сигнала является также хорошим индикатором прочности грунта, то есть, например, в комбинации с дальнейшими переменными (давлением нажима, частотой, амплитудой) может рассматриваться как параметр качества сваи. При этом во время забивки продукта забивки может одновременно осуществляться зондирование почвы и почвенных слоев для документирования.
- Благодаря записи данных о препятствиях в памяти можно в дальнейшем оценивать, насколько сокращается, например, срок службы вибратора из-за препятствий.
На фиг. 2 показан временной ход сигнала при забивке шпунтовой стенки. Вначале вибратор разгоняется, сигнал превышает определенное значение (область R1) уже через короткое время. При дальнейшем погружении это значение может, например, благодаря трению боковой поверхности немного увеличиваться (область R2). Шпунтовая стенка наталкивается после глубины примерно 10 м во время процесса вибрирования на валунный камень. Уже незадолго перед этим можно на основе уплотнения грунта из-за процесса вибрирования констатировать повышение амплитуды.
Повышение амплитуды во время дальнейшей забивки позволяет уже сделать вывод о препятствии (область R3), соответственно управление начинается с уменьшения амплитуды вибрации и усилия подачи, для того чтобы заблаговременно предотвращать повреждение машины. Несмотря на уменьшенную амплитуду, теперь при прямом контакте с валунным камнем, амплитуда в вибраторе начинает ввиду неупругих ударов увеличиваться, происходит отключение машины. В дальнейшем водитель должен был бы теперь решать, как следует реагировать на препятствие.
При возведении свай согласно другому примеру использования они должны прочно размещаться, например, на скальной породе на глубине в 15 м. При прежних способах сваи погружались с вибрированием до необходимой глубины, затем подвергались вибрациям с максимальным усилием подачи и большой частотой до тех пор, пока давление масла для привода вибратора не превышало определенное значение. Это было указанием водителю о том, что свая разместилась на достаточно прочной почве. Благодаря обнаружению препятствий скальная порода как таковая может обнаруживаться уже заранее, сильные отклонения от гармонического колебания предоставляют (любыми математическими методами) возможность определять прочность скальной породы без большого нагружения вибратора и несущей машины.