非开挖电力竣工管道铺缆回拖力测试仪*

吴 川，乌效鸣，文国军，许 洁，韩 磊，谢 辉

(1.中国地质大学 工程学院，湖北 武汉430074;2.中国地质大学 机械与电子信息学院，湖北 武汉430074)

0 引 言

非开挖(trenchless)技术是在不开挖地表的情况下在地下铺设管道的技术，其施工过程一般分为如下三个阶段［1］:1)非开挖钻机利用钻杆在地下钻先导孔;2)利用扩孔钻头将先导孔的直径扩大，以便管道能够顺利穿过;3)扩孔完毕后，将管道拖入孔内，完成施工。

对于非开挖电力施工而言，在非开挖铺管完成后还要通过卷扬机将电缆拖入非开挖管道内。而在卷扬机将电缆拖入管道之前，要预先根据管道轨迹与管道相关参数等信息计算出回拖电缆时所需回拖力大小，回拖力的计算值关系到卷扬机和钢丝绳的选型，若回拖力计算不合理，则会导致卷扬机拖不动电缆和钢丝绳断裂等事故。业界对铺缆回拖力的计算方法很多，但在实际使用时，针对同一个工程案例使用不同回拖力模型进行计算后的结果相差很大［2～4］，因此，业界迫切需要一种能够实时测量铺缆回拖力的仪器，通过将测量到的实际值与计算模型的计算值进行比较的方式来选出最佳计算模型。

本文设计了一种非开挖电力竣工管道铺缆回拖力测试仪，以满足施工测试需要。

1 仪器设计

1.1 仪器测试原理

仪器分三部分，即机械结构，数据处理电路和上位机软件，数据处理电路安装在机械结构内，用于采集和存储传感器的输出数据。仪器使用时一端接电缆，另一端接卷扬机上的钢丝绳，仪器随电缆从管道始端至终端拖行，期间将整个施工过程中的回拖力采集并存储起来。

如图1 为测试系统原理框图，拉力传感器将采集到的回拖力数据以电压信号的形式输出，输出信号经过A/D 转换后直接输入单片机进行运算和标定处理。单片机对数据处理完毕后通过SPI 通信模式与SD 卡进行通信，最终将数据存储到SD 卡内。施工完毕后通过上位机软件将仪器SD卡内存储的数据读出，进行进一步的分析、处理及显示。

图1 测试系统原理框图Fig 1 Principle block diagram for test system

1.2 仪器结构设计

仪器结构三维图如图2 所示，仪器通过拉环与外界连接，其主要受力部件为仪器外壳，因此，要对仪器外壳在额定拉力下的安全性能进行核校。

图2 仪器三维结构图Fig 2 3D structural drawing of instrument

仪器外壳为一筒状结构，内径d=90 mm，外径D=110 mm，长度L=346 mm，材料为45#钢，受到最大拉力T=30 tf，将数据带入材料力学公式可得

通过查询机械设计手册可知45#钢的许用应力σs≥355 MPa，因此，仪器外壳满足额定载荷要求。

对于仪器的密封，由于仪器的使用深度不超过50 m，即最大水压不超过1 MPa，因此，只需在仪器的螺纹部分缠绕生胶带并涂抹螺纹胶便可达到密封效果。

1.3 数据处理电路

数据处理电路的主要功能是采集传感器数据并将采集到的数据进行处理与存储。

1.3.1 数据采集

仪器采用拉力传感器测量回拖力，由于传感器的输出数据是模拟量，而数据处理电路只能对数字量进行处理，因此，需进行D/A 转换后才能被电路所处理，本仪器采用STC12C5A60S2 单片机作为电路的处理器，该芯片自带10 位A/D 转换芯片，可将传感器的输出信号转换为数字信号，转换后的信号直接进行标定等运算［5，6］。

1.3.2 数据存储

仪器采用SD 卡作为存储芯片，将数据处理电路处理完的数据进行实时存储，最大支持8G 容量的存储空间。单片机通过SPI 通信模式与SD 卡进行通信，但单片机的I/O 口的高电压为5 V，而SD 卡的高电压为3.3V，因此，通信前需要进行电平匹配，此处利用稳压二极管1N4728 对单片机与SD 卡的通信引脚进行电平匹配［7，8］。

1.4 上位机软件

上位机软件用于对数据处理电路所存储的数据进行处理与显示，软件采用LabVIEW 编写，软件界面如图3 所示。

图3 软件界面Fig 3 Interface of software

软件界面主要分为四部分:文件选择按钮、时间输入按钮、滤波模块以及波形显示模块。文件选择按钮用于选择所需要处理的文件;时间输入按钮则是用于输入仪器的启动时间;滤波模块用于滤波参数的设置，用于对原始回拖力数据进行滤波;波形显示模块用于将最终处理后的回拖力数据进行波形图显示。

2 试验验证

最终加工好的仪器如图4 所示，通过测试装置对仪器进行了大量的室内试验，部分室内试验数据如表1 所示。

图4 仪器实物图Fig 4 Physical map of instrument

表1 部分室内实验数据Tab 1 Part of datas of indoor test

通过表1 中的数据可知，仪器在0.3 ～30 tf 的测量范围内的测量误差控制在1%以内，而由于仪器A/D 转换位数的限制，仪器在0.3 ～0 tf 范围内的误差逐渐增大，但实际工程中的回拖力远远大于0.3 tf，因此，可忽略仪器在低量程时的误差。

3 结 论

针对电力竣工管道铺设电缆时回拖力测试的需要，设计了一种电力铺缆回拖力测试仪，仪器在加工完成后进行了大量实验，实验结果表明:仪器符合施工现场的测试要求，可以为电力铺缆回拖力计算模型选择方面提供测试数据支撑，同时也可为研究同类产品的科研人员提供一定的借鉴。

［1］ 张 宏.HDD 施工技术与发展［J］.隧道机械与施工技术，2004(1):52－54.

［2］ 呼石磊，鄢泰宁，王 斌，等.定向钻铺管回拖力计算模型［J］.煤田地质与勘探，2012(6):66－72.

［3］ 杨先亢，遆仲森，马保松，等.水平定向钻管道穿越回拖力计算公式的比较分析［J］.石油工程建设，2011(2):1－5.

［4］ 边 洋.城市非开挖电缆保护管铺设施工技术研究［D］.保定:华北电力大学，2011.

［5］ 张玉伟，姚红玲.基于STC 单片机的煤矿智能温湿度控制器的设计与实现［J］.煤炭技术，2013(11):72－73.

［6］ 黄豪彩，杨灿军，陈道华，等.基于LabVIEW 的深海气密采水器测控系统［J］.仪器仪表学报，2011(1):40－44.

［7］ 程建华，袁永平.多通道温度自动测量存储系统的设计与实现［J］.传感器与微系统，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.