一种光伏桩基钻孔的导向限位一体化姿态稳定系统的制作方法

本发明涉及土层钻进，尤其涉及一种光伏桩基钻孔的导向限位一体化姿态稳定系统。

背景技术：

1、光伏电站桩基施工中，桩孔垂直度是决定桩基础承载性能和上部支架安装精度的核心质量指标。依据gb50794-2012《光伏发电站施工规范》及jgj94《建筑桩基技术规范》的规定，桩式基础施工要求成桩设备就位稳固，成桩过程中不得出现倾斜和偏移，桩孔垂直度偏差通常要求控制在桩长的1%以内。然而，在实际施工中，光伏桩基钻孔作业面临多重技术挑战。

2、第一个问题在于开孔导向与钻进限位的功能分离。现有技术中的一种做法是在孔口处设置定位套筒，对钻头入土时进行初始导向，配合设置在套筒外侧的垂直度校准结构进行套筒的垂直校准，再通过设置在套筒与钻杆之间的钻杆导向结构限制钻杆非竖向方向的移动。但该方案中的导向结构与限位结构在空间上是分立的，即初始导向依靠定位套筒的下部，钻进过程中的限位依靠套筒内壁的限位结构，二者之间缺乏动态耦合。当钻杆穿过套筒进入更深土层后，套筒内壁的限位结构对钻杆的约束力随钻杆深入而衰减，导致钻进深度增加时导向精度无法同步保持。上述问题本质上是导向精度沿钻进深度方向存在衰减梯度，而现有分立式结构无法对此进行补偿。

3、第二个问题在于姿态检测与控制响应的脱节。已有技术提出在钻机或桅杆上安装倾角传感器，实时监测钻杆或桅杆相对于竖直方向的偏差角度，当偏差超过设定阈值时通过控制器驱动液压执行机构进行纠偏。另有技术方案通过采集施工设备的滚转角、俯仰角和航向角，构建虚拟参考姿态平面作为外部基准，对比姿态数据变化趋势来判断干扰类型并调整控制策略。然而，这些技术方案普遍存在的缺陷是：姿态检测仅在钻进机构的上端（钻机桅杆或动力头处）进行，检测对象是设备端而非钻杆深入土层部分的实际姿态。当地层中存在软硬交替的倾斜夹层或孤石时，钻头在孔底受到不对称的侧向力，该侧向力引发的钻杆弯曲变形和方向偏转在上端传感器处表现为微小角度变化甚至无变化，导致上端检测值与孔底实际偏斜量之间存在显著差异。这个问题在钻孔深度超过2米后尤为突出，但现有技术中缺乏在钻进端对钻杆实际倾角进行直接或间接检测的有效手段。换言之，现有技术中的“检测-控制”回路缺少孔底钻进端的状态反馈节点，控制系统依据不完整的状态信息做出的纠偏决策无法有效消除孔底偏斜。

4、第三个问题在于振动工况下的动态扰动未被纳入姿态控制模型。螺旋钻杆在切削土体的过程中，钻头切削不同硬度的土体颗粒时会产生周期性的冲击扭矩波动，该扭矩波动通过钻杆向上传递，引发钻杆在导向间隙内的径向摆动。由于常规的导向套筒与钻杆之间存在必要的装配间隙（通常为3至8毫米），该装配间隙在静态条件下能够满足导向精度要求，但在钻杆处于高速旋转并承受冲击扭矩的工况下，装配间隙为钻杆的径向摆动提供了自由空间。钻杆每旋转一周，钻杆外壁与导向套筒内壁之间发生至少一次碰撞接触，碰撞力的大小和方向随扭矩波动而变化。该碰撞不仅加剧导向套筒内壁和钻杆外壁的磨损，更关键的是碰撞产生的瞬态反力会对钻杆的钻进方向形成微扰动，多次微扰动的累积效应导致钻孔轴线发生不可逆的渐进偏斜。现有技术中，无论是纯机械式导向限位结构，还是电子传感式姿态控制系统，均未对该装配间隙内的动态碰撞进行约束或补偿。

5、综上，现有技术中光伏桩基钻孔的导向、限位和姿态稳定在功能实现上处于相互割裂的状态：机械导向限位缺乏钻进深度方向上的约束力动态补偿能力，电子姿态检测缺乏孔底钻进端的有效状态反馈节点，控制系统缺乏对装配间隙内钻杆动态扰动的响应机制。三者各自解决部分问题却无法形成闭环协同，导致钻孔垂直度在复杂地层和多干扰条件下难以得到可靠保障。

技术实现思路

1、基于上述目的，本发明提供了一种光伏桩基钻孔的导向限位一体化姿态稳定系统，包括多级导向限位单元、孔底倾角间接检测单元、抗扰动衬套单元和控制单元；

2、所述多级导向限位单元包括定位套筒、内导向管、多个径向液压推杆、径向液压推杆控制器；所述定位套筒为下端开口的中空圆筒结构，所述定位套筒的下端设置有环形切土刃；所述内导向管为上下两端均开口的中空圆筒结构，所述内导向管的长度为所述定位套筒长度的2至3倍；所述内导向管同轴嵌套于所述定位套筒内，所述内导向管的外壁与所述定位套筒的内壁之间形成环状间隙；所述内导向管的外壁上沿周向等间距固定有3组所述径向液压推杆，每组所述径向液压推杆沿轴向等间距布置3个所述径向液压推杆，每个所述径向液压推杆的一端与所述内导向管的外壁固定连接，另一端与所述定位套筒的内壁固定连接；全部所述径向液压推杆均与所述径向液压推杆控制器连接；

3、所述孔底倾角间接检测单元包括上端双轴倾角传感器、下端双轴倾角传感器；所述上端双轴倾角传感器固定安装于所述内导向管的上端面，用于测量所述内导向管上端面相对于水平面的俯仰倾角值和横滚倾角值；所述下端双轴倾角传感器固定安装于所述内导向管的下端面，用于测量所述内导向管下端面相对于水平面的俯仰倾角值和横滚倾角值；

4、所述抗扰动衬套单元设置于所述内导向管的内壁与钻杆的外壁之间；所述抗扰动衬套单元为圆筒状结构，所述抗扰动衬套单元的外壁与所述内导向管的内壁固定连接，所述抗扰动衬套单元的内壁上沿轴向和周向分别均匀开设有多个凹槽，每个所述凹槽内嵌设有弹性阻尼填充块；

5、所述控制单元包括偏斜量计算模块、间隙调节决策模块；所述偏斜量计算模块接收来自所述上端双轴倾角传感器和所述下端双轴倾角传感器的倾角数据，计算所述内导向管轴线的空间倾角矢量与综合偏斜量；所述间隙调节决策模块接收所述综合偏斜量并生成对应每个所述径向液压推杆的间隙调节指令，发送至所述径向液压推杆控制器。

6、优选地，所述定位套筒的上端还设置有水平校准法兰，所述水平校准法兰的上表面嵌设有圆形水平泡；所述定位套筒通过外力压入土体，所述定位套筒下端压入土体的深度为200至400毫米。

7、优选地，所述孔底倾角间接检测单元还包括转速传感器、扭矩传感器和钻进深度传感器；所述转速传感器安装于所述内导向管的上端面，用于测量钻杆的实时旋转角速度；所述扭矩传感器安装于所述内导向管的上端面，用于测量钻杆的实时旋转扭矩；所述钻进深度传感器安装于所述内导向管的上端面，用于测量钻杆的实时钻进深度。

8、优选地，所述控制单元还包括数据采集模块；所述数据采集模块与所述上端双轴倾角传感器、所述下端双轴倾角传感器、所述转速传感器、所述扭矩传感器、所述钻进深度传感器、所述径向液压推杆控制器之间均通过现场总线建立双向通信连接；

9、所述间隙调节决策模块还接收来自所述数据采集模块传输的实时旋转角速度、实时旋转扭矩和实时钻进深度数据，所述间隙调节决策模块根据所述综合偏斜量、所述实时旋转角速度、所述实时旋转扭矩和所述实时钻进深度数据生成对应每个所述径向液压推杆的间隙调节指令。

10、优选地，所述偏斜量计算模块计算所述内导向管轴线的空间倾角矢量与综合偏斜量的过程包括：

11、步骤1：所述偏斜量计算模块读取上端俯仰倾角数据、上端横滚倾角数据、下端俯仰倾角数据、下端横滚倾角数据；

12、步骤2：所述偏斜量计算模块按以下公式计算所述内导向管的上端面法向量：

13、

14、式中，表示上端俯仰倾角值，单位为度；表示上端横滚倾角值，单位为度；

15、所述偏斜量计算模块按以下公式计算所述内导向管的下端面法向量：

16、

17、式中，表示下端俯仰倾角值，单位为度；表示下端横滚倾角值，单位为度；

18、步骤3：所述偏斜量计算模块按以下公式计算所述内导向管实际轴线的空间倾角矢量：

19、

20、步骤4：所述偏斜量计算模块按以下公式计算所述内导向管的综合偏斜量：

21、

22、式中，表示竖直向上的单位矢量，表示所述内导向管轴线偏离竖直方向的角度值，单位为度；

23、步骤5：所述偏斜量计算模块将所述综合偏斜量传输至所述间隙调节决策模块。

24、优选地，所述间隙调节决策模块的决策过程包括：

25、步骤a1：所述间隙调节决策模块读取所述综合偏斜量、所述实时旋转角速度、所述实时旋转扭矩t、所述实时钻进深度d；

26、步骤a2：所述间隙调节决策模块按以下公式计算偏斜方向角：

27、

28、式中，表示偏斜方向角，单位为度；为所述空间倾角矢量在第一水平坐标轴方向的分量，为所述空间倾角矢量在第二水平坐标轴方向的分量；

29、步骤a3：所述间隙调节决策模块按以下公式计算动态补偿量：

30、

31、式中，表示动态补偿量，单位为毫米；为偏斜补偿系数，取值范围为0.05至0.15毫米每度；为转速补偿系数，取值范围为0.02至0.08毫米每弧度/秒；为扭矩补偿系数，取值范围为0.01至0.05毫米每牛·米；为深度补偿系数，取值范围为0.03至0.10毫米每米；

32、步骤a4：所述间隙调节决策模块根据所述偏斜方向角和所述动态补偿量，确定位于偏斜方向对侧的各所述径向液压推杆需要施加的额外伸出量，生成针对每个所述径向液压推杆的独立间隙调节指令；

33、步骤a5：所述间隙调节决策模块将生成的各所述径向液压推杆的间隙调节指令发送至所述径向液压推杆控制器。

34、优选地，所述间隙调节决策模块生成独立间隙调节指令的规则具体为：

35、获取每个所述径向液压推杆在所述内导向管外壁上的安装方位角，对于安装方位角满足条件的，即位于偏斜方向对侧半周内的所述径向液压推杆，在对应所述径向液压推杆的当前液压推杆活塞杆的伸缩长度的基础上增加调节量，所述调节量的计算公式为：

36、

37、对于安装方位角不满足条件的，即位于偏斜方向同侧半周内的所述径向液压推杆，保持当前液压推杆活塞杆的伸缩长度不变。

38、优选地，所述弹性阻尼填充块的材料为高阻尼聚氨酯弹性体；所述抗扰动衬套单元的内壁与所述钻杆的外壁之间为滑动配合。

39、优选地，所述径向液压推杆控制器独立调节每个所述径向液压推杆的液压推杆活塞杆的伸缩长度，从而调节所述内导向管的外壁与所述定位套筒的内壁之间在对应位置的环状间隙宽度；所述液压推杆活塞杆的伸缩长度调节范围为0至10毫米。

40、优选地，所述上端双轴倾角传感器的两个测量轴分别与所述内导向管径向平面内的第一水平坐标轴和第二水平坐标轴平行；所述下端双轴倾角传感器的两个测量轴分别与所述内导向管径向平面内的第三水平坐标轴和第四水平坐标轴平行；所述第三水平坐标轴与所述第一水平坐标轴的方向一致，所述第四水平坐标轴与所述第二水平坐标轴的方向一致。

41、本发明的有益效果：

42、1.本发明通过多级导向限位单元中沿周向和轴向阵列布置且可独立控制的径向液压推杆，实现了内导向管与定位套筒之间环状间隙沿钻进深度方向的分布式动态调节。该结构将传统单点孔口固定约束转变为全深度范围内的连续可调约束，能够主动补偿导向约束力随深度增加的自然衰减，从根本上解决了常规导向结构在深孔钻进中约束力不足导致垂直度发散的技术难题，保证了从开孔至终孔全过程的导向精度持续稳定。

43、2.本发明通过在内导向管的上端面和下端面分别设置上端双轴倾角传感器和下端双轴倾角传感器，构成孔底倾角间接检测单元。该单元利用钻杆在孔底受侧向力发生弯曲变形时对内导向管产生的弯矩传递效应，通过解析上、下端面倾角响应的矢量差异，间接获取反映钻进端偏斜状态的综合偏斜量。这一非接触式感知机制无需在恶劣孔底环境安装传感器，便填补了现有技术中钻进端姿态状态反馈的空白，为主动纠偏提供了真实可靠的控制依据。

44、3.本发明通过控制单元将所述综合偏斜量与实时旋转角速度、实时旋转扭矩及实时钻进深度进行多元融合运算，生成同时包含偏斜纠正分量和多重工况扰动补偿分量的动态补偿量。间隙调节决策模块依据偏斜方向将该动态补偿量按余弦关系分配至各径向液压推杆，驱动对侧推杆主动施力纠偏，同时位于内导向管与钻杆之间的抗扰动衬套单元通过高阻尼弹性阻尼填充块持续吸收钻杆径向摆动冲击能量。由此形成了“间接感知—融合决策—主动执行—动态缓冲”的一体化闭环姿态稳定机制，在偏斜力、离心力、冲击扭矩等多源耦合干扰下实现了钻孔垂直度的鲁棒控制，显著提升了复杂地层条件下的成孔质量合格率。