非開挖電力竣工管道鋪纜回拖力測試儀*

吳 川，烏效鳴，文國軍，許 潔，韓 磊，謝 輝

(1.中國地質大學 工程學院，湖北 武漢430074;2.中國地質大學 機械與電子信息學院，湖北 武漢430074)

0 引 言

非開挖(trenchless)技術是在不開挖地表的情況下在地下鋪設管道的技術，其施工過程一般分為如下三個階段［1］:1)非開挖鉆機利用鉆桿在地下鉆先導孔;2)利用擴孔鉆頭將先導孔的直徑擴大，以便管道能夠順利穿過;3)擴孔完畢后，將管道拖入孔內，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機將電纜拖入非開挖管道內。而在卷揚機將電纜拖入管道之前，要預先根據(jù)管道軌跡與管道相關參數(shù)等信息計算出回拖電纜時所需回拖力大小，回拖力的計算值關系到卷揚機和鋼絲繩的選型，若回拖力計算不合理，則會導致卷揚機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算方法很多，但在實際使用時，針對同一個工程案例使用不同回拖力模型進行計算后的結果相差很大［2～4］，因此，業(yè)界迫切需要一種能夠實時測量鋪纜回拖力的儀器，通過將測量到的實際值與計算模型的計算值進行比較的方式來選出最佳計算模型。

本文設計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 儀器設計

1.1 儀器測試原理

儀器分三部分，即機械結構，數(shù)據(jù)處理電路和上位機軟件，數(shù)據(jù)處理電路安裝在機械結構內，用于采集和存儲傳感器的輸出數(shù)據(jù)。儀器使用時一端接電纜，另一端接卷揚機上的鋼絲繩，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 轉換后直接輸入單片機進行運算和標定處理。單片機對數(shù)據(jù)處理完畢后通過SPI 通信模式與SD 卡進行通信，最終將數(shù)據(jù)存儲到SD 卡內。施工完畢后通過上位機軟件將儀器SD卡內存儲的數(shù)據(jù)讀出，進行進一步的分析、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 儀器結構設計

儀器結構三維圖如圖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行核校。

圖2 儀器三維結構圖Fig 2 3D structural drawing of instrument

儀器外殼為一筒狀結構，內徑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)帶入材料力學公式可得

通過查詢機械設計手冊可知45#鋼的許用應力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)字量進行處理，因此，需進行D/A 轉換后才能被電路所處理，本儀器采用STC12C5A60S2 單片機作為電路的處理器，該芯片自帶10 位A/D 轉換芯片，可將傳感器的輸出信號轉換為數(shù)字信號，轉換后的信號直接進行標定等運算［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)進行實時存儲，最大支持8G 容量的存儲空間。單片機通過SPI 通信模式與SD 卡進行通信，但單片機的I/O 口的高電壓為5 V，而SD 卡的高電壓為3.3V，因此，通信前需要進行電平匹配，此處利用穩(wěn)壓二極管1N4728 對單片機與SD 卡的通信引腳進行電平匹配［7，8］。

1.4 上位機軟件

上位機軟件用于對數(shù)據(jù)處理電路所存儲的數(shù)據(jù)進行處理與顯示，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;時間輸入按鈕則是用于輸入儀器的啟動時間;濾波模塊用于濾波參數(shù)的設置，用于對原始回拖力數(shù)據(jù)進行濾波;波形顯示模塊用于將最終處理后的回拖力數(shù)據(jù)進行波形圖顯示。

2 試驗驗證

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

圖4 儀器實物圖Fig 4 Physical map of instrument

表1 部分室內實驗數(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 的測量范圍內的測量誤差控制在1%以內，而由于儀器A/D 轉換位數(shù)的限制，儀器在0.3 ～0 tf 范圍內的誤差逐漸增大，但實際工程中的回拖力遠遠大于0.3 tf，因此，可忽略儀器在低量程時的誤差。

3 結 論

針對電力竣工管道鋪設電纜時回拖力測試的需要，設計了一種電力鋪纜回拖力測試儀，儀器在加工完成后進行了大量實驗，實驗結果表明: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算模型選擇方面提供測試數(shù)據(jù)支撐，同時也可為研究同類產(chǎn)品的科研人員提供一定的借鑒。

［1］ 張 宏.HDD 施工技術與發(fā)展［J］.隧道機械與施工技術，2004(1):52－54.

［2］ 呼石磊，鄢泰寧，王 斌，等.定向鉆鋪管回拖力計算模型［J］.煤田地質與勘探，2012(6):66－72.

［3］ 楊先亢，遆仲森，馬保松，等.水平定向鉆管道穿越回拖力計算公式的比較分析［J］.石油工程建設，2011(2):1－5.

［4］ 邊 洋.城市非開挖電纜保護管鋪設施工技術研究［D］.保定:華北電力大學，2011.

［5］ 張玉偉，姚紅玲.基于STC 單片機的煤礦智能溫濕度控制器的設計與實現(xiàn)［J］.煤炭技術，2013(11):72－73.

［6］ 黃豪彩，楊燦軍，陳道華，等.基于LabVIEW 的深海氣密采水器測控系統(tǒng)［J］.儀器儀表學報，2011(1):40－44.

［7］ 程建華，袁永平.多通道溫度自動測量存儲系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012(8):130－136.

［8］ Wu Chuan，Wang Wenqiao，WEN Guojun，et al.Multiple parameter monitoring system for landslide［J］.International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems，2013(6):1200－1229.