第一章 绪论
1.1 本课题研究的目的及意义
1.1.1 旋挖钻机概述
基于我国大部分省市地质条件，旋挖钻机用于桩基础成孔，是一种具有综合性能的设备。旋挖钻机的动力源一般是柴油机，驱动机构是液压系统, 行走方式为履带,可以自行起落桅杆，可以 360°回转，具有操作轻便、舒适的特点，并且能快速成孔，能进行干挖和湿挖作业[1-5]，旋挖钻机广泛应用于桩基础施工。
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1.2 国内外旋挖钻机节能控制发展的现状
1.2.2 国外旋挖钻机节能控制的现状
国外著名的旋挖钻机生产厂家有德国的利勃海尔和宝峨，意大利的 MAIT、土力、CMV 等。宝峨目前最大的旋挖钻机是于 2017 年推出的 BG 72，具有很强的全套管（或咬合桩）施工能力和嵌岩钻进能力，宝峨 BG 72 旋挖钻机的动力头扭矩达到 721 kNm，将旋挖钻机的全套管施工能力进一步提高。国外的生产加工工艺更加成熟，焊接质量更高，得以保证产品整体水品较高。
国内的旋挖钻机节能技术来自于国外，国外旋挖钻机具有非常成熟的技术，液压系统多采用恒功率系统、正流量系统或负流量系统、负荷传感系统或者上述各种方式的组合形式等。恒功率液压系统系统可以充分利用柴油机的功率，并且不会使柴油机过载。液压元件采用国际先进的知名产品。随着机电一体化技术的应用和 J1939 协议在电喷发动机上的广泛应用，控制系统除了具备最基本的功能，也越来越人性化、智能化。
1.2.3 国内旋挖钻节能控制的现状
我国旋挖钻机经历了一个快速发展的过程。目前国内生产旋挖钻机厂家越来越多，主要有北京中车重工、中联重工、徐工科技、三一重工、山河智能、北方重汽等。近些年高铁和房地产项目快速发展，旋挖钻机迎来了一个繁荣的发展时期。2015 年，北京中车重工成功将当时全球最大吨位旋挖钻机 TR550 旋挖钻机推入深圳市场。2019 年 9 月重大展会 BICES 上北京中车重工全新推出 TR600H旋挖钻机如图 1.2，成孔深度 158 米，直径 4.5 米，是全球桩径最大的旋挖钻机。
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第二章 旋挖钻机工作过程及能量损失分析
2.1 旋挖钻机组成及工作原理和过程
2.1.1 旋挖钻机组成
TR280G 型旋挖钻机从功能上分，主要包括下车行走机构、上车回转平台和工作装置组成，如图 2.1。
1、主卷扬：提升钻杆以及钻斗。通常具有浮动工况即主卷扬下放和加压时可以随着钻杆钻具的自重而自动下放，采用后置卷扬的设计方式。2、行走机构：驱动旋挖钻机的走行，实现旋挖钻机前进、后退、转弯等行走动作。
3、下车架由左右行车架、H 型梁、伸展油缸组成。下车架是旋挖钻机主要承重部分。在满足钻机施工稳定性的同时，还要保证旋挖钻机运输过程中运输宽度不超过 3m。履带伸展及收缩是由液压系统驱动伸展油缸实现的。超大型旋挖钻机下车架结构一般取消伸展、收缩功能，增加了支地油缸，只满足稳定性要求，
通过支地油缸拆装履带实现运输限宽要求。
4、上车回转平台：为各个工作部件提供动力输出，满足旋挖钻机单独动作和复合动作要求。
5、变幅机构是旋挖钻机重要工作机构，能够实现在不同工况条件下施工、运输要求。变幅机构一般分为平行四边形机构和大三角支撑机构，平行四边形结构方便运输、桅杆能够实现垂直平移；大三角支撑结构更适合大型钻机结构，满足施工稳定性要求。
6、加压卷扬机：是一种独特的加压方式，相比油缸加压方式，动力头不再受位置的限制，可以升到很高的位置，从而提高了工作效率，也可以配合长螺旋的使用达到一机多能的效果。
2.2 旋挖钻机液压系统
旋挖钻机液压系统是由主泵、主阀、副泵、辅阀、先导泵、先导控制阀组、液压油箱、液压油散热器、胶管、工作部件等部分组成。液压系统是动力系统传递能量的介质，发动机通过驱动液压泵为各阀组、工作装置提供液压能传递，从而实现各个工作部件运动。液压系统控制形式有多种，在旋挖钻机上常用的有负流量控制、正流量控制以及负荷传感。各控制系统全部能够实现旋挖钻机功能，但性能特点各不相同。
旋挖钻机作为一种高油耗、大功率的机械设备，提高柴油机的工作效率，优化柴油机和液压系统之间的功率匹配关系，达到节能、高效的目的是旋挖钻机技术不断向前发展的驱动力，也是本课题研究的方向和目标。节能技术离不开液压技术，所以分析液压系统，了解液压元件及控制方式带来的能量损失，了解液压系统类型对液压传动的效率影响是有必要的[8,9]。液压系统流程图如图 2.3 所示。
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第三章 旋挖钻机节能控制技术分析.................................15
3.1 旋挖钻机工况分析..........................................15
3.2 TR280G 节能控制形式分析.................................16
第四章 基于 CAN 总线的旋挖钻机节能控制系统设计....................................... 27
4.1 节能控制系统结构.....................................27
4.2 CAN 总线技术分析............................... 28
第五章 旋挖钻机节能控制系统的软件设计...................................37
5.1 PID 控制算法........................................ 37
5.1.1 模糊 PID 控制...........................................37
5.1.2 本控制系统的 PID 控制...................................37
第六章 电气控制系统试验研究及结果分析
6.1 实验条件
1、环境温度：25℃-35℃；2、桩位：深 30-35m，直径 1.2m；3、地层基本条件：岩石，地质较硬；4、试验场地：京沈高铁承德段；5、实验目的：（1）燃油消耗率对比；（2）柴油机转速掉速情况；（3）液压油温升；（4）动力头性能实验；6、实验设备：扭矩仪、压力表、计数器等。图 6.1 是样机试验场地，图 6.2为电控系统的安装。
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第七章 结论
本文对 TR280G 旋挖钻机基于 CAN 总线的节能控制技术进行了理论研究和实际调试实验，对节能控制技术加以验证。取得的主要成果如下：
1、通过动力头性能实验检测动力头的最大扭矩和压力，证明对动力头的电控马达的分档控制，输出电流不同来改变动力头输出扭矩，可以满足不同地层动力头扭矩需求，可以实现快速甩土。
2、通过柴油机掉速试验证明负载的突然增加导致发动机转速出现波动，但掉速范围在 200rmp 之内，并且短时间内速度会迅速提升至设定档位，说明极限载荷控制器调节液压泵电流调节控制起作用，发动机掉速值降低 40%，施工效率提高了 29%，燃油消耗率降低 27.1%。
3、通过燃油消耗量率实验和工况试验，证明通过 J1939 协议读取验柴油机的扭矩负载率，结合压力等其他参数等来调节泵的电流，可以发挥柴油机和液压泵的最大功率，具有很好的节能效果。并且证明 CAN 总线在旋挖钻机节能控制方面，不管是软件还是硬件都更简洁，稳定，方便。基于 CAN 总线的节能控制系统在负载变化时能迅速做出响应。实现变量泵与柴油机功率匹配的控制系统稳定性和可靠性等的各项控制指标达均到了设计要求，满足旋挖钻机实际作业的要求。
旋挖钻机控制系统的总线化和智能化，仍然是未来的发展方向。高效、节能控制仍然是我们函待优化和提高的课题，在旋挖钻机上应用计算机控制系统和CAN 总线技术能够很好地解决这一问题，通过 CAN 总线连接所有支持 CAN 总线通讯的传感器、控制器和执行器，所有的数据集中在主控制器中；然后利用计算机控制系统把 CAN 转 TCP/IP 数据，把数据通过 TCP/IP 协议上传到云端等服务器，实现随时通过 APP、网页查询整车状态，更加方便维护和升级系统，提高控制系统的可靠性、可维护性和智能性。重视旋挖钻机的研究节能、智能的科研研究和技术投入，增强产品的核心竞争力，适应市场变化趋势，才能提高市场竞争力。
参考文献（略）