重力活塞取样桩效应分析实验平台设计及应用

徐 凯，王坤胜，于彦江，张鸿飞，李 波

(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510075；2.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074；3.广州海洋地质调查局，广东 广州 510075)

0 引言

海底沉积物研究离不开样品获取，重力活塞取样器是一种作业成本低、扰动小、能穿透一定深度的海洋沉积物取样设备[1]。由于沉积物和取样器之间的相互作用，产生样品“桩效应”现象，造成沉积物样品原始层序混乱、弯曲变形和长度缩短等后果，破坏样品信息记录的完整性[2]。重力活塞取样器取样分析主要基于相似理论的物理模型实验和计算机仿真分析展开，Skinner等[3]基于土力学对取样器取样动态特性进行了分析和建模;李民刚等[4]通过能量法分析了取样器贯入深度影响因素;杜星等[5]通过模型实验分析取样器贯入深度影响因素;孔丹雅、刘湛、文泽军和徐建等[6-9]分别采用Abaqus等软件对取样器取样过程进行了仿真分析。上述研究的适应性还存在一定限制，故本文综合原型测试、模型实验和仿真分析3种分析方法优势，设计了一种重力活塞取样器桩效应分析实验平台。

1 总体方案设计

所设计的平台可搭载等比例取样器，并在真实沉积物中进行小速度范围内的取样实验，通过该范围内准确实验数据修正仿真分析模型参数，进而通过仿真分析得到全速度范围取样器准确的取样动态特性及桩效应扰动情况。平台参数参考广州海洋地质调查局常用的D117、D127和D137等3种重力活塞取样器规格(最大触底速度18 m/s，取样深度9～24 m)，最大可搭载L800D137型取样器进行0～5 m/s速度范围内的取样过程等比例模型实验，最大牵引质量50 kg，最大牵引速度5 m/s，最大取样深度1 m。

1.1 总体框架

实验平台如图1所示，平台由主机架、牵引导轨、牵引绞车、取样器总成和沉积物样品仓组成。主机架由4040铝型材、连接角件和连接螺栓组成，作为实验平台的主体框架，主机架包括上下2层，上层部分用于牵引导轨和牵引绞车的安装，下层部分用于样品仓的布置，同时留出足够空间给取样器加速，以免提前贯入沉积物样品；牵引导轨和牵引绞车共同组成牵引机构，其功能是实现取样器总成的加速、脱离和起拔;取样器总成包括取样器及其检测装置，取样器用于取样实验，检测装置为无线九轴传感器，主要采集取样管取样过程的三轴加速度和三轴倾角数据；沉积物样品仓用于放置配置好的沉积物样品，用于取样管取样。

图1 实验平台系统结构

1.2 牵引机构选型计算

牵引机构由牵引导轨和牵引绞车组成，如图2所示。牵引机构总成和升降机构总成通过钢丝绳与定滑轮连接成一个闭合环路，通过驱动电机正转带动滑块与取样管向下运动并达到大于重力加速度g的加速度，通过驱动电机反转带动滑块与取样管向上运动上升到初始位置。连接装置采用2个电磁吸盘通电和断电的方式实现与取样管的连接与断开，通过行程开关来控制电磁阀通断电的精确时间点，保证取样器可靠地脱离牵引机构。

图2 牵引机构结构

绞车结构由电机、减速器、卷筒、轴承和钢缆组成。电机通过减速器后直连绞车卷筒，卷筒上双向缠绕2组钢缆，分别通过滑轮与牵引导轨连接板上下端固连，通过电机正反转拖动连接板上下移动。

取样器要求在1 m加速行程内由静止达到5 m/s。伺服电机采用恒力矩模式，加速过程为匀加速，牵引机构运动方程为：

(1)

v=at

(2)

s为导轨有效长度，数值为1 000 mm；a为平台最大加速度；t为加速时间；v为最大牵引速度5 m/s。

牵引机构为双直线滑块两侧对称布置，其型号为上银HGH30CA线性滑轨，预压为Z0。根据产品手册，摩擦力计算公式为Ff=μP+S1，机构受力如图3所示，公式为：

图3 加速受力分析

F+mg-Ff1-Ff2=ma

(3)

FL2+P1L3=m(a-g)L1+2Ff1L1

(4)

F(2L1-L2)=P2L3+m(a-g)L1+2Ff2L1

(5)

Ff为摩擦力；S1为刮油片阻力，数值为1.96 N；μ为摩擦力系数，数值为0.004；P1和P2为滑块运动垂直方向负荷；m为连接板及取样器最大质量，数值为50 kg；g为重力加速度；Ff1和Ff2为滑块摩擦阻力；L1～L3数值分别为250 mm，100 mm和60 mm。

综合式(1)～式(5)，可以得到平台的加速度为12.5 m/s2，加速时间为0.4 s，钢缆所需牵引力F为141.82 N。为满足加速条件，绞车动力系统需要在伸出扭矩、最大速度及惯量匹配上满足以下条件：

(6)

i为减速器速度；T为伺服电机最大恒扭矩；D为绞车卷筒直径；ω为恒扭矩最高转速；J为电机惯量；J1为负载惯量；n为安全系数，取1.2。

式(6)中前2项为输出扭矩及转速的要求，需要综合考虑不同减速比及卷筒直径组合下对电机选型的要求，10J>J1可保证系统的动态特性。根据功率对电机进行初选，电机拖动50 kg负载在0.4 s加速到5 m/s，需要电机输出功率超过1.56 kW，利用电机的短时过载能力，选择松下MDME152GCHM型中惯量1.5 kW伺服电机，减速器选用速比为3的行星齿轮减速器，卷筒直径150 mm。表1为电机参数及系统负载匹配情况，可见，电机、减速器及卷筒直径满足负载匹配要求。

表1 电机参数及负载匹配

1.3 取样器总成设计

取样器总成参考常规取样器结构，主要由端盖、配重块、取样管、刀头和九轴传感器等组成。其中，取样管和刀头根据实验需求的不同，分别有D137、D127和D117等3种不同规格型号以模拟不同取样器，PVC内衬管采用从中间切开的透明管替代传统结构的取芯管，方便在实验后观察沉积物的扰动变形。图4中，端盖、 配重块、电池盒、单向阀、无线九轴传感器和取样管上盖为通用部分，主要作用是用于与牵引机构的连接脱离，以及取样过程取样器速度、加速度和倾角等参数的采集。

图4 取样器结构

2 测控系统设计

监测系统采用上下位机结构。上位机采用基于C#语言，并基于WinForm和Unity3D平台的，包括平台控制、数据采集、数据显示、数据处理和三维显示等功能的集成软件。下位机采用Beckhoff PLC，包括CPU模块、数字量输入模块、数字量输出模块和电机控制模块。取样器运动数据采集采用无线九轴传感器通过蓝牙直连上位机，系统结构如图5所示。

图5 实验平台测控系统框架

2.1 牵引电机控制

牵引电机的控制是基于TwinCAT NC PTP软件实现的，如图6所示。TwinCAT NC PTP把1个电机的控制分为3层，即PLC轴、NC轴和物理轴。PLC程序对电机的控制，必须经过2个环节：PLC轴到NC轴；NC轴到物理轴。PLC轴的控制，是指在PLC程序中编程，调用运动控制库的功能块，NC轴与传统的运动控制卡类似。由于TwinCAT NC与TwinCAT PLC运行在同一个CPU上，所以运动控制和逻辑控制之间的数据交换更直接、快速，因此，TwinCAT NC比传统的运动控制器更加强大、灵活。

图6 TwinCAT NC PTP电机控制

上位机向TwinCAT PLC发送控制命令，在接收到PLC指令之后以某个速度运动到某个位置，TwinCAT NC计算出每个NC周期伺服轴应该到达的位置，将NC运算得出的目标位置，换算成驱动器可接受的输出变量值，驱动牵引电机在限定时间内到达目标速度。

2.2 数据采集模块

数据采集模块的功能是通过蓝牙串口的方式获取数据。蓝牙串口通信是基于SPP协议实现的，在PC端和九轴传感器端分别安装有蓝牙适配器和蓝牙模块，通过SPP蓝牙串行端口服务来建立蓝牙串口数据传输。上位机通过蓝牙读取到九轴传感器的加速度数据，并通过积分得到速度数据，二者实时显示到上位机的波形图中，实现对速度、加速度参量的实时监测，按照设定的周期将读取的数据保存到TXT文本中，供后续分析使用。

2.3 上位机设计

上位机软件界面分为菜单栏、控制区、波形图显示区、三维模拟显示区和状态栏。启动软件，在菜单栏对系统参数进行设置，并连接下位机硬件；控制区是对测试系统的控制按钮，包括启动、起拔、继电器开合、急停按钮，以及设置目标速度的挡位；波形图实时显示通过数据采集模块采集的速度和加速度数据；三维模拟显示是基于Unity3D建立的实验平台三维状态显示系统，通过数据采集模块，将采集到的重力活塞取样器位置信息实时反馈到软件界面上；状态栏显示IP地址、PLC连接状态、电机运动状态和当前时间等状态信息。

3 平台测试

根据设计方案搭建的实验平台样机如图7所示。为了测试样机的系统性能，进行了相同取样器3种不同沉积物密度的取样实验。取芯初速度设定为5 m/s，3组取样数据如表2所示。取样管在牵引电机的驱动下逐渐加速到设定速度，脱离时速度误差小于3%。数据采集系统完整地记录了取样管在加速及取芯过程中的速度、加速度和三轴倾角等数据。

图7 实验平台样机

表2 取样数据

取出取样管后，打开PVC内衬后沉积物取芯如图8，不同颜色石英砂准确反映了沉积物扰动形变的真实情况。

图8 取芯效果

4 结束语

针对海底沉积物压桩效应研究需求，本文设计研制了重力活塞取样器桩效应分析模型实验平台，实现了以下功能：

a.实验平台基于相似原理设计，综合原型实验、模型实验和仿真分析3种方法，可等比例调节贯入速度、配重及沉积物属性等参数，模拟不同施工条件。

b.实验平台采用伺服电机驱动的闭环牵引系统，满足不同规格取样器在不同贯入速度下的取样模拟实验，取样管与牵引系统连接采用电磁吸盘实现自动分离。

c.实验平台测控系统采用C#和Beckhoff上下位机组合，实验过程自动控制，贯入过程取样管状态数据获取完整可靠，为压桩机理研究提供支撑。

d.沉积物样品使用多层不同颜色的薄石英砂隔开，可增强沉积物在取样过程中扰动变形区分度。

样机测试表明，实验平台可搭载L800D137型取样器进行0～5 m/s速度范围内的取样测试，测控系统能准确可靠完成取样管加速、分离和数据采集等功能。应用本实验平台可有效开展桩效应研究，为海底沉积物重力活塞取样器优化设计及取样施工工艺优化提供基础依据。