Рис. 5. Головка бура, в которую вставлен передатчик / The drill head, into which you have inserted your transmitter
С помощью приемника, расположенного на поверхности, измерялся уровень принимаемого сигнала от передатчика. Измерения проводились через каждые 10 см от края приямка, как показано на рис. 6.
В результате проведенных экспериментов были получены данные уровня принимаемого сигнала на глубине 1 м (рис. 7) и 1,6 м (рис. 8).
Рис. 6. Условная трасса прокола с шагом измерений в 10 см / Conditional route puncture in increments of 10 measurements in cm
Рис. 7. График зависимости уровня принимаемого сигнала от расстояния на глубине 1 м / Dependency Graph signal strength from a distance at a depth of 1 m
Рис. 8. График зависимости уровня принимаемого сигнала от расстояния на глубине 1,6 м / Schedule of dependence of signal strength from a distance at a depth of 1.6 m
Исходя из полученных данных, можно увидеть, на каком расстоянии был принят максимальный уровень сигнала. Действительно, в этих точках находилась прокалывающая головка.
Полученная приемником информация с датчика положения выводится на дисплей, в виде углов отклонения по трем осям и графическим индикатором. Эта информация дает оператору визуализацию пространственного положения буровой головки в грунте. По этим координатам оператор определяет, насколько градусов отклонилась головка от заданной трассы по какой-либо плоскости. При отклонении головки от допустимых норм проводится коррекция до тех пор, пока прокол не выйдет на заданную трассу без отклонений. Так как приемо-передающая система Wi-Fi имеет мощность 100 мВт, для грунтов с каменными вкраплениями в передатчик между модулем и излучателем дополнительно устанавливается усилитель, который позволяет увеличить мощность передаваемого сигнала.
Рассмотрим методику определения координат буровой головки при использовании кабельного соединения. Данная методика используется в случае, когда выполняется условие X > 3,14R для выбранного диаметра прокладываемой трубы. Суть методики заключается в способе передачи информации от передатчика, размещенного в буровой головке в грунте, на поверхность к приемнику с использованием коаксиального кабеля. Передатчик, который имеет коаксиальный выход, подключается к специальному коаксиальному разъему на задней втулке и помещается в буровую головку. С другого конца коаксиального разъема к передатчику подключается коаксиальный кабель от приемного Wi-Fi модуля, который также имеет коаксиальный вход.
Заданная трасса условно делится на участки по 5 метров, что соответствует длине круглых волноводов, которыми являются штанги установки статического действия. Таким образом, передатчик напрямую соединяется с приемником коаксиальным кабелем. При прохождении участка трассы в 5 метров прокола буровой головкой к коаксиальному кабелю, который находится в первой штанге, через специальный коаксиальный разъем подключается новый кабель, расположенный во второй штанге, и прокол продолжается. Операция повторяется, пока прокол не дойдет до конца трассы.
Определение координат положения буровой головки осуществляется с помощью трехосевого акселерометра, трехосевого гироскопа и магнитометра. Полученные данные с датчика положения передаются приемнику на поверхность с использованием коаксиального кабеля, который протягивается внутри полой металлической штанги.
Уровень затухания электромагнитного сигнала в коаксиальной линии передачи оценивался с помощью коаксиального аттенюатора, который последовательно подключался между коаксиальными выходом и входом передающей и приемной частей измерительной системы. Уровень принимаемого сигнала, в зависимости от вносимого коаксиальным аттенюатором ослабления, показан на рис. 9.
Рис. 9. Уровень принимаемого сигнала в зависимости от вносимого затухания коаксиальной линией / The attйnuation level of the signal in a coaxial transmission line with a consistent attenuator connection
Из рисунка видно, что Wi-Fi система с коаксиальным кабелем с затуханием до 45 дБ обеспечивает примерно одинаковый уровень принимаемого сигнала.
Рассмотрим методику определения координат буровой головки при использовании волноводной линии передачи. Данная методика используется в случае, когда выполняется условие X < 3, 14 R для выбранного внутреннего диаметра штанги. В этом случае антенна передатчика возбуждает в круглом волноводе (штанге) волну типа Ни. Данная волна распространяется по волноводу и на другом конце волновода принимается приемным Wi-Fi модулем. По длине штанги можно судить о пройденном буровой головкой расстоянии, а датчики в передающей части системы дадут информацию об углах движения буровой головки.
Телеметрическая система с коаксиальной и волноводной линией передачи поддерживает стабильную передачу информации независимо от глубины прокола грунта.
Выводы
При отклонении прокалывающей головки от проектной оси скважины необходимо проводить коррекцию траектории её движения.
Для статического прокола грунта коррекцию траектории предлагается делать с помощью головки с асимметрическим наконечником и установки с независимыми приводами осевой подачи головки и её подачи с вращением.
Эффективное управление процессом коррекции возможно при постоянном контроле, как по координатам положения рабочего органа в грунтовом пространстве, так и ориентации его асимметричного наконечника относительно проектной оси скважины.
Существующие системы навигации движением буровых головок для машин горизонтально направленного бурения являются не эффективными для малогабаритных и относительно недорогих установок для статического прокола грунта, которые предназначены для работы в стеснённых городских условиях.
Проведенные исследования трёх видов линий связи с передающим устройством в виде Wi-Fi модулей подтвердили практическую возможность создания более простой и энергосберегающей измерительной системы установления пространственных координат прокалывающей головки при формировании скважины для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций.
Литература
1. Супонев В.Н., Каслин Н.Д., Олексин В.И. Бестраншейные технологии прокладки распределительных инженерных коммуникаций. Науковий вісник будівництва. - 2008. - №49. - С. 213-217.
2. Руднев В.К. Кравец С.В., Каслин Н.Д., Супонев В.Н. Машины для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций: учебн. пособие под ред. Руднева В.К. Харьков: ООО "Фавор", 2008. - 256 с.
3. Гусев И.В., Чубаров Ф.Л. Применение управляемого прокола грунта при бестраншейной прокладке труб. Потенциал современной науки № 2, 2014. - С. 30-33.
4. Рогачёв А.А. Обоснование конструктивных параметров и режимов работы исполнительного органа управляемой прокалывающей установки: автореф. дис. на соискание уч. степени канд. тех. наук: спец. 05.05.06 "Горные машины". Тула, 2007. - 135 с.
5. Ленченко В.В. Выбор рациональных параметров снаряда при направленной прокладке скважины / Ленченко В.В., Меньшина Е.В., Меньшин С.Е. Доклад на симпозиуме "Неделя горняка - 2001". Семинар 20. - М., МГУ 29 янв.- 2 фев., 2001.
6. Кравець С.В., Супонєв В. М., Балесний С.П. Встановлення реакцій грунту і величини відхилення від осьового руху при його проколі асиметричним наконечником // Автомобильный транспорт. Сборник научных трудов. Выпуск 41, 2017. Харьков, ХНАДУ - С. 155-163.
7. Erez A. State-Of-The-Art-Review Of No-Dig Technologies for New Installations / Erez Allouche, Samuel Ariaratnam // American Society of Civil Engineers. - 2012. - 8 р.
8. Chehab A. G. Moor I. D. One-dimensional calculation for axial pullback for axial pullback distributions in pipes during directional drilling installations OttavaGeo. - 2007. - Р. 1140-1154.
9. Huey D.P. Installation loading and stress analysis involved with pipelines installed in horizontal directional drilling / Huey, D.P., Hair, J.D., McLeod K.B. // North American Society for Trenchless Technology. - 1996. - 24 р.
10. Bennett R.D. Horizontal Direcheonal Drilling Good Practices Guidelines / Bennett, R.D., Ariratham, S.T. // NASTT. - 2008. - 10 p.
11. Пат. 95501 Україна. Установка для керованого проколу грунту. Опубл. 25.12.2014.
12. Пат.116258 Україна. Пілотна грунтопроко- лююча головка для керованого проколу Опубл. 10.05.2017.
13. ESP-07S Datasheet. Технічна документація. - 15c. (http://wiki.aithinker.com/_media/esp8266/a018p s01.pdf).
14. MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification. Технічна документація. - 52 c. (https://www.invensense.com/wpcontent/uploads/ 2015/02/MPU-6000-Datasheet1.pdf).
15. MPU-6000 and MPU-6050 Register Map and Descriptions. Технічна документація. - 46 с. (https://www.invensense.com/wpcontent/uploads/2015/02/MPU-6000-Register-Map1.pdf).
16. Росс Д. Wi-Fi. Беспроводная сеть / Д. Росс. - Санкт-Петербург: НТ Пресс, 2007. - 320 с.
17. Гольдштейн Л.Д. Электромагнитные поля и волны / Л.Д. Гольдштейн, Н.В. Зернов. - М.: Сов. радио, 1971, 664 c.
18. References
19. Suponev V. N., Kaslin N. D., Oleksin V. I. Be- stranshejnye tekhnologii prokladki raspredeli- tel'nyh inzhenernyh kommunikacij. Naukovij v^nik budrvnictva. - 2008. - №49. - S. 213-217.
20. Rudnev V. K. Kravec S. V., Kaslin N. D., Suponev V. N. Mashiny dlya bestranshejnoj prokladki podzemnyh kommunikacij: uchebn. posobie pod red. Rudneva V. K. Har'kov: OOO "Favor", 2008. - 256s.
21. Gusev I. V., CHubarov F. L. Primenenie upravly- aemogo prokola grunta pri bestranshejnoj prokladke trub. Potencial sovremennoj nauki № 2, 2014. 30-33.
22. Rogachyov A. A. Obosnovanie konstruktivnyh parametrov i rezhimov raboty ispolnitel'nogo organa upravlyaemoj prokalyvayushchej ustanovki: avtoref. dis. na soiskanie nauch. stepeni kand. tekh. nauk: spec. 05.05.06 "Gornye mashiny". Tula, 2007. 135.
23. Lenchenko V. V., Men'shina E. V., Men'shin S. E Vybor racional'nyh parametrov snaryada pri napravlennoj prokladke skvazhiny. Doklad na simpoziume "Nedelya gornyaka - 2001". Seminar 20. - M., MGU 29 yanv.- 2 fev., 2001.
24. Kravec' S. V., Suponev V. M., Balesnij S. P. Vstanovlennya reakcij grun-tu i velichini vidhilennya vid os'ovogo ruhu pri jogo prokoli as- imetrichnim nakonechnikom Avtomobil'nyj transport. Sbornik nauchnyh trudov. Vypusk 41, 2017. Har'kov, HNADU - 155-163.
25. Erez A. State-Of-The-Art-Review Of No-Dig Technologies for New Installations / Erez Allouche, Samuel Ariaratnam // American Society of Civil Engineers. 2012. 8.
26. Chehab A. G. Moor I. D. One-dimensional calculation for axial pullback for axial pullback distributions in pipes during directional drilling installations OttavaGeo. 2007. 1140-1154.
27. Huey D.P. Installation loading and stress analysis involved with pipelines installed in horizontal directional drilling / Huey, D.P., Hair, J.D., McLeod K.B. // North American Society for Trenchless Technology. 1996. 24.
28. Bennett R.D. Horizontal Direcheonal Drilling Good Practices Guidelines / Bennett, R.D., Ariratham, S.T. // NASTT. 2008. 10.
29. Pat. 95501 Ukraпna. Ustanovka dlya kerovanogo prokolu gruntu. Opubl. 25.12.2014.
30. Pat.116258 Ukraпna. Pilotna gruntoprokoly- uyucha golovka dlya kerovanogo prokolu opubl.10.05.2017.
31. ESP-07S Datasheet. Tekhnichna do-kumentaciya. -15. (http://wiki.aithinker.com/_media/esp8266/a018p s01.pdf)
32. MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification. Tekhnichna do-kumentaciya. - 52. (https://www.invensense.com/wpcontent/uploads/ 2015/02/MPU-6000-Datasheet1.pdf)
33. MPU-6000 and MPU-6050 Register Map and Descriptions. Tekhnichna dokumentaciya. -46s. (https://www.invensense.com/wpcontent/uploads/ 2015/02/MPU-6000-Register-Map1.pdf)
34. Ross D. Wi-Fi. Besprovodnaya set'. / D. Ross. - Sankt-Peterburg: NT Press, 2007. - 320 .
35. Goldstein LD Electromagnetic fields and waves / LD. Goldstein, N.V. Zernov.- M .: Owls. Ra-Dio, 1971, 664 .