智能化動(dòng)力觸探試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)

鄭然 肖振 孫少游 王進(jìn)衛(wèi) 李勁松

收稿日期：2024-02-05；修回日期：2024-03-28

第一作者簡介：鄭然（1990- ），男，工程師，從事地質(zhì)機(jī)械、工程機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作。E-mail：zhengran004@yeah.net

引用格式：鄭然，肖振，孫少游，王進(jìn)衛(wèi)，李勁松，2024.智能化動(dòng)力觸探試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)［J］.城市地質(zhì)，19（2）：242-249

摘 要：研發(fā)了一款實(shí)現(xiàn)便攜、智能的動(dòng)力觸探設(shè)備替換當(dāng)前手動(dòng)觸探設(shè)備。研發(fā)成果重點(diǎn)解決3個(gè)問題：1）落錘自由落體運(yùn)動(dòng)要排除任何的結(jié)構(gòu)、零件接觸到落錘，采用電磁鐵吸附落錘，釋放徹底并與落錘完全分離，不影響落錘的自由落體運(yùn)動(dòng)。2）500 mm落距采用傳感器控制，準(zhǔn)確控制落距。3）輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)落錘重量為10 kg，提升和釋放時(shí)，落錘的勢能比較大，采用穩(wěn)定的大底盤和三腳架結(jié)構(gòu)增加了整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力觸探；智能；落距；砸擊；自由落體

Research and development of dynamic cone penetration test equipment in geotechnical investigation

ZHENG Ran1， XIAO Zhen1， SUN shaoyou2， WANG Jinwei1， LI Jinsong1

（1.Beijing Institute of Engineering Geology， Beijing 100048， China；

2.Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100082， China）

Abstract： This research aims at developing a portable and intelligent lightweight dynamic penetration device to replace the current manual penetration equipment. The R&D focus on solving three problems： 1） To realize the free fall movement of the falling hammer， it is necessary to exclude any structure and parts from contacting the falling hammer. Electromagnets are used to adsorb and release the falling hammer， and then completely separate from it so as not to affect its free fall. 2） Sensor-controlled method is applied to accurately control the hammers drop within the 500 mm drop distance. 3） The drop weight of the light dynamic penetration test is 10 kg， and the potential energy of the drop weight is relatively large when lifted and released. And the stable large chassis and tripod structure increase the stability of the whole equipment.

Keywords： dynamic cone probing; intelligent; drop distance; smashing; free fall

動(dòng)力觸探試驗(yàn)（Dynamic Penetration Test，DPT）是在靜力觸探試驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，對于粗顆粒或者貫入阻力大的地基土是需要使用動(dòng)力才能簡單地將探頭貫入進(jìn)土層內(nèi)，采用10 kg落錘為動(dòng)力源的輕型動(dòng)力觸探設(shè)備檢測范圍局限于4 m以內(nèi)且土質(zhì)為細(xì)砂（謝守益等，1998）。目前已經(jīng)成為我國粗顆粒土的巖土工程勘察原位測試的主要手段。對于粗顆粒土或貫入阻力大的地基土，需要用動(dòng)力才易于將探頭貫入（王婷灝，2007）。

從20世紀(jì)50年代后期開始使用動(dòng)力觸探，主要是錘重10 kg的輕型動(dòng)力觸探，多用于基坑檢驗(yàn)（趙昭熔等，2005）?，F(xiàn)在市場上見到的、在巖土工程勘察中使用的輕型動(dòng)力觸探設(shè)備都是采用手抬落錘的方式來進(jìn)行試驗(yàn)，1997年也引入過一種輕便可變能量動(dòng)力觸探儀（衡朝陽等，2001）。這2種方式雖然設(shè)備器材結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，但是在單一試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)過程中需要人力連續(xù)抬起落錘300～500次，不能保證最后試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，記錄數(shù)據(jù)也是采用卷尺測量、畫刻度線、目測的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，會(huì)造成數(shù)據(jù)記錄的不完整、不連續(xù)、不準(zhǔn)確。這樣的試驗(yàn)操作不規(guī)范，導(dǎo)致土層劃分不當(dāng)和判斷土層密實(shí)程度不合理。因此，需要做到在減少人工付出的同時(shí)，也要保證數(shù)據(jù)收集和記錄的準(zhǔn)確性，消除不規(guī)范操作引起的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（姚文敏，2017）。

獲得可靠的試驗(yàn)結(jié)果需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過程要求準(zhǔn)確和穩(wěn)定，傳統(tǒng)設(shè)備很難做到這一點(diǎn)。本文研發(fā)了一款便攜、智能的動(dòng)力觸探設(shè)備（以下簡稱設(shè)備），將人力轉(zhuǎn)換為智能化控制，自動(dòng)完成抬起落錘以及記錄砸擊次數(shù)、落距等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，直接得出結(jié)果，并將數(shù)據(jù)記錄在內(nèi)存卡上后續(xù)備查。

1? 研發(fā)技術(shù)要求

1.1? 研發(fā)設(shè)計(jì)總體目標(biāo)

所研發(fā)的便攜式設(shè)備要求結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)實(shí)耐用、移動(dòng)便攜、操控靈敏、數(shù)據(jù)可視化、自動(dòng)記錄、SD卡移動(dòng)存儲(chǔ)、便攜式移動(dòng)電源。

1.2? 研發(fā)設(shè)計(jì)規(guī)范要求

依據(jù)GB 50021－2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009年版）中原位測試關(guān)于圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)技術(shù)要求應(yīng)符合下列規(guī)定：1）采用自動(dòng)落錘裝置（榮琦等，2020）；2）觸探桿最大偏斜度不應(yīng)超過2%，錘擊貫入應(yīng)連續(xù)進(jìn)行；同時(shí)防止錘擊偏心、探桿傾斜和側(cè)向晃動(dòng)，保持探桿垂直度；錘擊速率每分鐘宜為15～30擊；3）每貫入1 m，宜將探桿轉(zhuǎn)動(dòng)一圈半（目的是起拔釬探桿）；當(dāng)貫入深度超過10 m，每貫入20 cm宜轉(zhuǎn)動(dòng)探桿1次；4）對輕型動(dòng)力觸探，當(dāng)N IO>100或貫入15 cm錘擊數(shù)超過50時(shí)，可停止試驗(yàn)；對重型動(dòng)力觸探，當(dāng)連續(xù)3次N 63.5>50時(shí)，可停止試驗(yàn)或改用超重型動(dòng)力觸探（溫衛(wèi)國，2019）。

1.3? 研發(fā)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)設(shè)備原理及計(jì)算方式約束，開發(fā)的設(shè)備還應(yīng)滿足如下要求：1）限位準(zhǔn)確。保證落錘每次的提升高度均為500 mm，可接受誤差為0～10 mm。2）控制程序精簡?？刂瞥绦虿捎肅語言編寫，實(shí)現(xiàn)以下功能：①顯示基礎(chǔ)信息、操作信息及主要數(shù)據(jù)，且可以輸入坐標(biāo)、初始深度、每階段砸擊次數(shù)等；②手動(dòng)控制按鈕、翻頁按鈕等；③保證落距均為500 mm；④添加觸探桿，當(dāng)砸擊一定深度后，提示添加觸探桿，添加后繼續(xù)工作且數(shù)據(jù)保持連續(xù)；⑤試驗(yàn)完畢后自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)至內(nèi)存卡。3）落錘砸擊次數(shù)。每分鐘砸擊次數(shù)為15～30次，依據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定過快過慢的砸擊都不能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將砸擊次數(shù)規(guī)定在15～30擊之間都能滿足要求。4）在工作過程中遇到連續(xù)砸擊50次，但進(jìn)尺沒有超過150 mm即刻停止工作，連續(xù)砸擊100次但進(jìn)尺沒有超過300 mm也停止工作。

2? 研發(fā)設(shè)計(jì)方案

2.1? 研發(fā)設(shè)計(jì)思路

2.1.1? 設(shè)備運(yùn)行階段分解

設(shè)備運(yùn)行分解為5個(gè)階段：尋找落錘、抓取落錘、提升落錘、釋放落錘、落錘砸擊下砸墊。1）尋找落錘：無論落錘在釬探桿的哪個(gè)位置，快速準(zhǔn)確地找到落錘的位置；2）抓取落錘：采用環(huán)形電磁鐵直接吸附落錘；3）提升落錘：將電磁鐵吸附的落錘通過減速電機(jī)反轉(zhuǎn)提升500 mm落距處；4）釋放落錘：當(dāng)落錘被提升500 mm后，電磁鐵斷電釋放落錘；5）落錘砸擊下砸墊：完成一次砸擊。

2.1.2? 運(yùn)行系統(tǒng)分析

為完成設(shè)備運(yùn)行的5個(gè)階段，需要通過程序控制相應(yīng)的減速電機(jī)、電磁鐵、傳感器等。1）尋找落錘：通過程序控制減速電機(jī)正轉(zhuǎn)尋找落錘，通過金屬傳感器確定找到落錘；2）抓取落錘：找到落錘的同時(shí)發(fā)出信號電磁鐵上電，同時(shí)減速電機(jī)反轉(zhuǎn)；3）提升落錘：減速電機(jī)反轉(zhuǎn)提升落錘；4）釋放落錘：編碼器記錄落距，當(dāng)達(dá)到500 mm時(shí)，電磁鐵斷電，減速電機(jī)暫停0.1 s；5）落錘砸擊下砸墊：落錘下落后砸擊下砸墊，通過一個(gè)完整的循環(huán)，記錄1次砸擊。

數(shù)據(jù)需要采用實(shí)時(shí)存儲(chǔ)方式，即：每當(dāng)砸擊一次砸擊，次數(shù)N就增加一次，并且貫入度進(jìn)行疊加；在同一規(guī)定貫入階段內(nèi)，記錄最后總砸擊數(shù)及總貫入度，砸擊數(shù)再增加后轉(zhuǎn)入下一貫入階段；數(shù)據(jù)顯示在手持端屏幕上，試驗(yàn)完成后所有數(shù)據(jù)將存入內(nèi)存卡中進(jìn)行保存。

2.2? 結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)

整體結(jié)構(gòu)要遵循穩(wěn)定性好、質(zhì)量輕，動(dòng)力滿足提升落槌以及能夠使落錘自由落體砸擊下砸墊，故采用三腳架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保設(shè)備穩(wěn)定性，通過減速電機(jī)作為動(dòng)力輸出，鏈輪配合鏈條作為傳動(dòng)。獨(dú)特設(shè)計(jì)提升裝置實(shí)現(xiàn)落錘自由落體運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)中要考慮零件加工難易程度、成本控制、潤滑、運(yùn)動(dòng)等問題（王政凱等，2020）。在程序的驅(qū)動(dòng)下減速電機(jī)帶動(dòng)中間提升裝置做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)設(shè)備頂端的編碼器確定500 mm的落距。采用三維建模對設(shè)備進(jìn)行建模，通過拉伸、切除、掃描、放樣等方法進(jìn)行零件設(shè)計(jì)（呂艷芬等，2012）。

2.2.1? 底盤設(shè)計(jì)

底盤設(shè)計(jì)從穩(wěn)定性好、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、體積小4?個(gè)方面考慮。采用長500 mm、寬500 mm、厚8 mm鋼板為底板主體，四角設(shè)計(jì)地腳用以穩(wěn)定底板。在鋼板上做輕量化處理，如圖1所示。

2.2.2? 支架設(shè)計(jì)

保證設(shè)備穩(wěn)定性，采用三角形布局。每個(gè)頂點(diǎn)豎直安裝1根長2 m、直徑為20 mm的光軸，共3根，同時(shí)承擔(dān)提升裝置運(yùn)行導(dǎo)軌和支撐整個(gè)設(shè)備的2種功能，如圖1所示。

2.2.3? 頂板設(shè)計(jì)

頂板為編碼器、連輪軸安裝位置，需要提前設(shè)計(jì)好安裝孔位。

2.2.4? 傳動(dòng)設(shè)計(jì)

由于鏈條傳動(dòng)無彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，工作可靠，效率高；傳遞功率大，過載能力強(qiáng)，相同工況下的傳動(dòng)尺寸小，所需張緊力小，作用于軸上的壓力??；能在高溫、潮濕、多塵等惡劣環(huán)境中工作。因此，采用鏈條、鏈輪作為傳動(dòng)核心部件。

2.2.5? 提升裝置設(shè)計(jì)

提升裝置通過模仿手抬方式來進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用電磁鐵來吸附落錘能很好地完成提升動(dòng)作，選用環(huán)形電磁鐵可以保證與落錘的頂面貼合緊密且不影響落錘中間的觸探桿。在提升裝置上安裝金屬傳感器，監(jiān)測到落錘后立即為電磁鐵通電吸附住落錘。落錘被提升裝置提升到指定高度后電磁鐵斷電，落錘砸擊觸探桿下砸墊完成一次砸擊動(dòng)作。為減小提升裝置與導(dǎo)軌之間的摩擦力，采用直線滑動(dòng)軸承配合安裝（聞邦椿，2010），如圖1所示。

2.2.6? 限位設(shè)計(jì)

限位傳感器設(shè)置在導(dǎo)軌的上下兩端，目的是保證提升裝置在2個(gè)限位之間的最大移動(dòng)范圍。編碼器設(shè)置在頂板上與上鏈輪鉸接，可以同步減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及轉(zhuǎn)速，通過程序編寫后確定提升落錘所規(guī)定500 mm落距，以及觸探桿總的貫入度等重要數(shù)據(jù)。

2.2.7? 手持端設(shè)計(jì)

手持端外殼根據(jù)制定的主板尺寸設(shè)計(jì)外殼大小，并且根據(jù)按鍵、屏幕、接線端子的大小、位置預(yù)留開口。通過3D打印技術(shù)進(jìn)行加工。

2.2.8? 主板設(shè)計(jì)

電子線路設(shè)計(jì)選擇結(jié)構(gòu)簡潔、明確的設(shè)計(jì)，采取自頂而下的設(shè)計(jì)模式。將系統(tǒng)劃分為若干子系統(tǒng)或功能模塊進(jìn)行分析，總體設(shè)計(jì)思路如圖2所示。充分利用EDA工具，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良、可靠性高的電子線路（王靜等，2023）。根據(jù)主要功能的實(shí)現(xiàn)，來完成主板的實(shí)際和加工。采用STM32芯片開發(fā)的主板，如圖3所示。

將元件安裝在印制線路板表面，得到主板；封裝形式采用尺寸小同時(shí)引腳和功能更多、更加集成的形式。注重封裝材料綠色環(huán)保。

2.2.9? 控制程序設(shè)計(jì)

控制程序采用C語言編寫，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制、記錄數(shù)據(jù)等功能。C語言具有簡潔、靈活、高效等特點(diǎn)，在系統(tǒng)開發(fā)、底層設(shè)計(jì)上有卓越的表現(xiàn)（野媛，2017）。

實(shí)現(xiàn)的功能包括：①顯示屏顯示所有信息及數(shù)據(jù)，可以輸入坐標(biāo)編號、初始深度、300 mm砸擊次數(shù)等；②按鈕的控制包括手動(dòng)控制減速電機(jī)、轉(zhuǎn)換顯示頁面等；③落錘的落距控制，通過編碼器設(shè)定好提升所需要的500 mm距離，每當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)至500 mm時(shí)同時(shí)控制環(huán)形電磁鐵斷電釋放落錘如此往復(fù)，提升期間金屬傳感器將一直檢測到落錘致使落錘被環(huán)形電磁鐵始終被吸附；④設(shè)備啟動(dòng)時(shí)提升裝置上升至設(shè)備頂端觸碰到頂端限位傳感器，減速電機(jī)將反轉(zhuǎn)使提升裝置下降尋找落錘，當(dāng)金屬傳感器檢測到落錘后，提升裝置中的環(huán)形電磁鐵開始工作；⑤添加觸探桿，當(dāng)砸擊觸探桿一定深度后，程序提示添加觸探桿，手動(dòng)添加觸探桿后，按開始鍵設(shè)備繼續(xù)工作，并且數(shù)據(jù)保持連續(xù)；⑥試驗(yàn)完畢后程序自動(dòng)存儲(chǔ)主要數(shù)據(jù)至內(nèi)存卡。

2.3? 標(biāo)準(zhǔn)件選擇

輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)砸擊次數(shù)按照GB 50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009年版）錘擊速度控制在每分鐘15～30擊。為保證符合規(guī)范要求，同時(shí)考慮到設(shè)備的穩(wěn)定性及較高的工作效率，選取每分鐘30擊。以下計(jì)算是以1分鐘內(nèi)落錘砸擊動(dòng)作開始和結(jié)束計(jì)算，計(jì)算部分不包括傳遞過程能量損耗。通過計(jì)算選取鏈輪、鏈條、減速電機(jī)、傳感器等。

2.3.1? 鏈輪、鏈條選取

1）鏈輪選擇

Z 1和Z 2盡量選取奇數(shù)可使鏈條和鏈輪磨損均勻，優(yōu)先選用齒數(shù)：17、19、21、23、25、38、57等，根據(jù)設(shè)備的重量、體積，選取Z 1=17齒，Z 2=34齒，傳動(dòng)比i = 2。

2）鏈條選擇

鏈條傳動(dòng)要求準(zhǔn)確、無滑動(dòng)、效率高（95%～98%），制造安裝精度低、成本低。B系列鏈條破斷載荷高于A系列鏈條，其速度不高、功率較小，為使傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊，故選擇06B系列（余汪洋，1984）。

2.3.2? 減速電機(jī)選取

減速電機(jī)的選取需要確定2個(gè)參數(shù)：轉(zhuǎn)速和扭矩。

1）計(jì)算提升一次落錘所需要的時(shí)間

每分鐘砸擊30次，機(jī)械結(jié)構(gòu)為往返式，所以提升裝置的總行程：

S = 2?? （1）

式中：表示砸擊次數(shù)為30次；表示落距為0.5 m；S表示提升裝置總行程，為30 m。

提升裝置提升落錘一次的時(shí)間t為：

t = 60 / （2 ）??? （2）

代入數(shù)值可以得出提升落錘1次的時(shí)間t為1 s /擊。

1 s中內(nèi)落錘自由落體時(shí)間為：

H = 1 / 2 g ?? （3）

式中：H為落錘自由落體高度，為0.5 m；g為重力加速度，取值9.8 m·s-?；為自由落體時(shí)間，= 0.32 s。

計(jì)算提升裝置提升重10 kg的落錘至0.5 m所需要的時(shí)間為：=t-=1-0.32=0.68 s

2）計(jì)算減速電機(jī)轉(zhuǎn)速

鏈輪1分度圓直徑：

（4）

式中：為鏈輪1分度圓直徑；為輸入鏈輪齒數(shù)，為17齒；P為鏈條節(jié)距，為9.525。

鏈輪1分度圓直徑

= 9.525 / sin（180°/17） 51.8 mm 。

提升一次落錘鏈輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)：

（5）

式中，為鏈輪1分度圓直徑，為鏈輪1所轉(zhuǎn)圈數(shù)。

鏈輪1所轉(zhuǎn)圈數(shù)為： 3.1 rad。

鏈輪2的轉(zhuǎn)速為：

=? / i????? （6）

鏈輪2轉(zhuǎn)速為：=3.1×60/0.68/2137 rad·min-1

減速電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)n為：n = =137 rad·min-1

3）計(jì)算減速電機(jī)所需功率

提升所需要的功率為：

P = m g H / ?? （7）

式中，m為落錘質(zhì)量10 kg，g為重力加速度9.8 m·s-?，H為落距0.5 m。

提升裝置提升落錘所需要的功率為

（8）

減速電機(jī)理論功率為：

=10 × 9.8 × 0.5 / 0.68=72 w

減速電機(jī)實(shí)際功率為：

=Fos?? /（） （9）

式中：Fos為安全系數(shù)，取值為3；為工況系數(shù)，由于傳動(dòng)具有沖擊，速度較高所以取值為1.4；為傳遞效率98%；為機(jī)械效率80%。

減速電機(jī)實(shí)際功率為：

= 3 × 1.4 × 72 /（98% × 80%）= 385.7 w

4）電動(dòng)機(jī)所需扭矩計(jì)算

T = 9 550? /n （10）

式中：T為減速電機(jī)扭矩，9 550為常數(shù)，為減速電機(jī)實(shí)際功率，n為減速電機(jī)轉(zhuǎn)速。

減速電機(jī)扭矩T為：T = 9 550 × 0.386/13726.9 Nm

通過計(jì)算可知，選擇減速電機(jī)應(yīng)滿足功率扭矩N = 26.9 Nm和轉(zhuǎn)速n =137 rpm，通過對減速電機(jī)參數(shù)的選擇，確定選用功率為450 W，轉(zhuǎn)速144 rpm，扭矩為29.8 Nm的減速電機(jī)（曹姣容等，2022）。

2.3.3? 傳感器選取

編碼器采用直流5V，脈沖數(shù)為1 000，用以控制距離參數(shù)，包括：落距、釬探桿進(jìn)尺等。

上下限位傳感器采用直流24 V，兩線，NPN常閉型，用以提供限位保護(hù)作用。

金屬傳感器采用直流24 V，NPN常閉型。一是為電磁鐵提供控制信號，檢測到落錘后電磁鐵供電吸附落錘。二是發(fā)送信號給減速電機(jī)，使減速電機(jī)反轉(zhuǎn)提升落錘。

電磁鐵采用直流24V、吸力值50 kg、功率3.5 W的環(huán)形電磁鐵，主要作用于吸附落錘。

2.4? 零件加工及裝配

按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行加工，采用激光切割機(jī)等精度較高的設(shè)備進(jìn)行加工，確保不會(huì)因加工誤差導(dǎo)致設(shè)備裝配出現(xiàn)問題。為方便拆卸，采取螺栓連接（李媛媛，2019）。裝備配置完成的設(shè)備如圖4所示。

3? 功能測試

3.1? 主要功能測試

第一，測試基本工作流程。完成砸釬動(dòng)作，提升落錘并自由落體砸擊在下砸墊；

第二，測試落距符合要求500 mm；

第三，測試數(shù)據(jù)記錄、讀取功能通過控制端顯示出相關(guān)數(shù)據(jù)；

第四，通過不間斷試驗(yàn)，確定電池在充滿電的情況下能夠滿足連續(xù)8 h工作；

第五，測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性通過釬探桿在試驗(yàn)過程中所顯示的貫入數(shù)據(jù)與實(shí)際貫入數(shù)據(jù)進(jìn)行對比確定準(zhǔn)確性，貫入10 cm誤差在2 mm內(nèi)，貫入30 cm誤差在5 mm以內(nèi)，貫入100 cm誤差在10 mm內(nèi)滿足規(guī)范要求；

第六，測試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與調(diào)用安全。

3.2? 測試流程

設(shè)備依據(jù)程序的邏輯順序進(jìn)行觸探試驗(yàn)。輸入編號后釬探機(jī)自動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后將數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)至內(nèi)存卡內(nèi)，如圖5所示。

3.3? 落距檢測

落距是由編碼器與程序來進(jìn)行控制的，采用工業(yè)級激光測距儀進(jìn)行檢測。檢測步驟：地面選取一測量基準(zhǔn)點(diǎn)；激光測距儀固定放置在基準(zhǔn)點(diǎn)上，并設(shè)定合適的測量時(shí)間間隔；在設(shè)備的提升裝置上設(shè)置有測量點(diǎn)隨提升裝置上下移動(dòng)；檢驗(yàn)開始，激光測距儀首先將測量點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄后，提升裝置上升做置零動(dòng)作，下降尋錘并提升落錘，提升、釋放、尋錘反復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)；激光測距儀根據(jù)設(shè)定好的時(shí)間測量基準(zhǔn)點(diǎn)與測量點(diǎn)的距離；通過驗(yàn)證可以有效保證500 mm的落距，每次落距的誤差在±5 mm。

4? 室內(nèi)試驗(yàn)誤差分析

室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的貫入誤差有正有負(fù)且折線波動(dòng)平穩(wěn)，滿足規(guī)范的要求，如圖6所示。觀察試驗(yàn)過程及記錄的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)誤差出現(xiàn)在環(huán)形電磁鐵與提升裝置之間的減振裝置和金屬傳感器與比編碼器之間的配合兩方面。將通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、程序、算法使數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

5? 野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用

為檢驗(yàn)設(shè)備的機(jī)械性能，在野外進(jìn)行功能試驗(yàn)。試驗(yàn)場地深度在4 m內(nèi)，其地層巖性以人工堆積的填土、一般第四紀(jì)沉積的黏性土和粉土為主，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)查表可得土的力學(xué)性能指標(biāo)。經(jīng)檢驗(yàn)，設(shè)備機(jī)械性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)記錄連續(xù)、準(zhǔn)確。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、表2。地基承載力可根據(jù)N10對輕型動(dòng)力觸探數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值承載力，制作地質(zhì)剖面圖將結(jié)果直觀展示。

6? 結(jié)論

通過試驗(yàn)，輕型動(dòng)力觸探設(shè)備能夠達(dá)到每分鐘21擊，滿足規(guī)范要求。該設(shè)備能夠減輕人工付出，同時(shí)，記錄的數(shù)據(jù)比人工計(jì)數(shù)更準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)智能操作。

相較于市場上流通的動(dòng)力觸探設(shè)備，研發(fā)的輕型動(dòng)力觸探設(shè)備具有以下優(yōu)勢：①結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定；②數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；③落距精準(zhǔn)；④落錘自由落體砸擊動(dòng)作精準(zhǔn)；⑤移動(dòng)、放置靈活，對外部施工環(huán)境要求低；⑥自身配備有移動(dòng)電源，有很高的施工靈活性；⑦所配備的移動(dòng)電源自身體積、質(zhì)量較小，但是經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證容量能夠保證完成一天的工作量。

參考文獻(xiàn)

曹姣容，伍光祥，漆凌君，2022.直流電動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展與現(xiàn)狀研究［J］.中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（全文版）工程技術(shù)5：4.

衡朝陽，何滿潮，武雄，周樹華，2001.運(yùn)用輕便動(dòng)力觸探儀測試粉煤灰工程特性［J］.巖土工程學(xué)報(bào)（6）：714-718.

李媛媛，2019.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社.

呂艷芬，沈精虎，姜勇，馮強(qiáng)，2012.基于Solidworks二次開發(fā)中零件參數(shù)化研究［J］.機(jī)械，39（4）：40-43.

榮琦，蔡國軍，劉松玉，劉東明，段偉，施燁輝，武猛，2020.自落式動(dòng)力觸探測試技術(shù)理論與工程應(yīng)用綜述［C］//中國地質(zhì)學(xué)會(huì).第十一屆全國工程地質(zhì)大會(huì)論文集.：7.

王靜，莫志宏，陳學(xué)昌，等，2023.電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)案例教程［M］.北京：中國水利水電出版社.

王婷灝，2007.動(dòng)力觸探試驗(yàn)有關(guān)問題商榷［J］.西部探礦工程（1）：45-46.

王政凱，張貴強(qiáng)，2020.機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)及其在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的實(shí)踐分析［J］.南方農(nóng)機(jī)，51（6）：146-147.

溫衛(wèi)國，2019.基于重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)的綜合樓地基承載力評價(jià)［J］.四川建材，45（9）：116-117.

聞邦椿，2010.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.機(jī)械工業(yè)出版社.

謝守益，徐衛(wèi)亞，劉德富，姜平，1998.動(dòng)力觸探通用性指標(biāo)：動(dòng)阻力及其應(yīng)用［J］.武漢水利電力大學(xué)（宜昌）學(xué)報(bào)（3）：42-45.

姚文敏，2017.淺析圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)機(jī)理及其在地勘中的應(yīng)用［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)（8）：1 416-1 416.

野媛，2017.淺析C語言的發(fā)展、特點(diǎn)及其應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新（33）：101-102.

余汪洋，1984.國外鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的鏈條設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械（9）：38-46.

趙昭熔，曹化平，2005.動(dòng)力觸探試驗(yàn)技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)（S）：431-439.