CN101027455B - 控制冲击式钻岩的方法及钻岩机设备 - Google Patents
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- E21B44/04—Automatic control of the tool feed in response to the torque of the drive ; Measuring drilling torque
Abstract
本发明涉及一种用于控制冲击式钻岩的方法及软件产品，并且还涉及一种应用该方法的钻岩装备。本发明包括监测旋转阻力，目的是将其保持在期望的参考值之下。为了调整旋转阻力，可以执行连续的控制行为，如降低进给力、降低冲击功率以及停止进给。一旦超过了控制的界限设定，则控制行为即被启动。至少一个界限为确定两个连续控制功能之间时间差的时间界限。
Description
背景技术
本发明涉及一种控制冲击式钻岩的方法，该方法包括以下步骤：控制钻岩机内的冲击装置，其在钻进期间对连接到钻岩机上的工具施加冲击脉冲；控制钻岩机上的旋转装置，所述工具在钻进期间绕其纵轴旋转；控制在钻进期间使钻岩机朝向被钻岩石进给及相应地向后进给的进给装置；在钻进期间至少测定旋转阻力，并且当旋转阻力超过旋转阻力的预先设定参考界限时，记录下第一时刻；以及减少进给，以朝着旋转阻力预先设定的参考界限方向控制旋转阻力。
本发明还涉及一种用于控制冲击式钻岩的软件产品，该软件产品在控制钻岩的控制部件内的执行被设置成提供至少以下行为：控制钻岩机中的冲击设备，其在钻进期间对连接到钻岩机上的工具施加冲击脉冲；控制在钻进期间使工具绕其纵轴旋转的旋转装置，控制钻进期间使钻岩机朝向被钻岩石进给及相应地向后进给的进给装置，并且还有，在钻进期间至少测定旋转阻力，并且当旋转阻力超过旋转阻力的预先设定参考界限时，记录下第一时刻；以及减少进给，以朝着旋转阻力预先设定的参考界限方向控制旋转阻力。
更进一步，本发明涉及一种钻岩装备，包括：平台；至少一个进给梁；至少一个可活动地设置在进给梁上的钻岩机；使钻岩机朝向被钻岩石进给及相应地向后进给的进给装置；钻岩机包括：用来向连接到钻岩机上的工具产生冲击脉冲的冲击装置，以及旋转装置，用来使工具绕其纵轴旋转；至少一个控制部件，用于按照控制部件内的控制策略来控制至少进给装置、冲击装置以及旋转装置的功能；和用于测定至少旋转阻力的装置；且控制部件被设置成：当旋转阻力超过旋转阻力的预先设定参考界限时，记录下第一时刻，以及减少进给，以朝着旋转阻力预先设定的参考界限方向控制旋转阻力。
在冲击式钻岩中，众所周知的是使用扭矩控制，其目的在于通过调节钻岩机的进给装置，从而使钻岩机旋转电机的旋转压力保持常量。当旋转扭矩增加时，进给降低，从而重新获得所需要的转矩。假如，尽管进给下降，但转矩没有降低，结果可能使钻进的进给不足。此外，结果也可能是钻头被卡住。通常认为，钻进的进给不足带来的一个问题是钻头和岩石之间的接触降低，从而导致钻进功率的下降。而且，进给不足会导致钻进设备内加载到钻杆之间接头的张应力。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种新颖改进的方法和装置以用于控制钻岩。
本发明的方法其特征在于：测定用于控制的至少第一界限和第二界限，其中至少一个界限是时间界限；在对应每个界限的时刻，执行至少一个控制行为来调节旋转阻力；根据时间界限设定连续控制动作的起始时刻之间的时间差；以及，如果旋转阻力大于对应于第一界限的第二时刻的旋转阻力参考界限，则降低冲击功率；并且如果旋转阻力大于对应第二界限的第三时刻的旋转阻力参考界限，则停止进给。
关于本发明的软件产品，其特征在于：控制部件内的软件产品的执行还被设置成：测定至少第一界限和第二界限以用于控制，界限中的至少一个为时间界限；在对应每个界限的时刻，执行至少一个控制行为来调节旋转阻力；根据时间界限设定连续控制动作的起始时刻之间的时间差；以及，如果旋转阻力大于对应于第一界限的第二时刻的旋转阻力参考界限，则降低冲击功率；并且如果旋转阻力大于对应第二界限的第三时刻的旋转阻力参考界限，则停止进给。
关于本发明的钻岩装备，其特征在于：控制部件被设置成：测定至少第一界限和第二界限以用于控制，界限中的至少一个为时间界限；在对应每个界限的时刻，执行至少一个控制行为来调节旋转阻力；根据时间界限设定连续控制动作的起始时刻之间的时间差；以及，如果旋转阻力大于对应于第一界限的第二时刻的旋转阻力参考界限，则降低冲击功率；并且如果旋转阻力大于对应第二界限的第三时刻的旋转阻力参考界限，则停止进给。
关于本发明的第二钻岩装备，其特征在于：控制部件被设置成确定至少一个从第一时刻起被监测的时间界限，以用于控制；并且控制部件被设置成执行至少一个控制行为用以调节对应时间界限的第二时刻的旋转阻力。
本发明的基本要点是测定冲击钻岩中的旋转阻力，并且将钻进阻力保持为一个期望的钻进阻力参考值。如果钻进阻力超过参考值，则进给会按照控制策略被降低。如果在已达到第一界限的时刻，降低进给并没有降低旋转阻力，则冲击功率将按照控制策略被随之降低。此外，如果在已达到第二界限的时刻，降低冲击功率并没有降低旋转阻力，则进给随之被停止。第一界限和第二界限可为物理量，如压力、扭矩、力、电压或功率。此外，第一界限和第二界限可为表示时间的界限。本发明最基本的是：这些界限中至少一个始终是时间界限。时间界限测定了两个连续控制行为的起始时刻之间的时间差。
本发明的第二钻岩机的控制系统的基本要点是：将钻进阻力保持在一个期望的钻进阻力参考值。如果钻进阻力不顾进给的降低，超过参考值并且保持大于预设时间的参考值，则钻进装备的控制系统会执行一个或多个控制行为，以调节对应设定时间界限的第二时刻的旋转阻力。
本发明的一个优点是：钻岩能够以比以往更通用的方式被控制，这是由于，控制系统不仅能确定最大压力界限或类似参数，而且还能确定基于时间的界限。由此，控制系统能够预先控制钻进，从而可以避免接近不希望的物理最大界限，如最大压力界限。
本发明的实施例的一个基本要点是：第一时间界限和第二时间界限已被控制系统测定。第一时间界限被设置成测定冲击功率开始降低的时刻。依次地，第二时间界限被设置成测定进给停止的时刻。
本发明的实施例的一个基本要点是至少一个时间界限是预设的固定界限。时间界限可针对特定钻岩机(rock-drilling-machine-specifically)而被设置在控制部件中，也可在钻进开始之前针对特定情况(case-specifically)来设置。
本发明的实施例的一个基本要点是控制部件被设置成调节关于测定旋转阻力的至少一个时间界限。在调节时间界限时，旋转阻力的上升率会被考虑到。另一方面，当时间界限被调节时，旋转阻力大于对应于普通钻进的旋转阻力参考值的时间有多长将会被考虑。当时间界限被调节时，上述各方面的结合也会被考虑到。
本发明的实施例的一个基本要点是最小界限被设置成冲击功率。如果在冲击功率达到最小界限时，降低冲击功率没有引起旋转阻力的降低，则进给将被停止。这样，可以确定足够的冲击功率被始终使用。另一方面，当获得冲击功率的最小界限时，可以断定，降低旋转阻力此外不会再减少旋转阻力，在这种情况下需要执行另一个控制行为。
本发明的实施例的一个基本要点是最大界限设置成旋转阻力。当旋转阻力超过这个最大界限时刻，将开始降低冲击功率。除了旋转阻力的最大界限之外，控制中还有时间界限。如果在时间界限所确定的时刻，降低冲击功率没能使旋转阻力下降到旋转阻力的参考值之下，则停止进给。
本发明的实施例的一个基本要点是冲击功率以线性方式下降。
本发明的实施例的一个基本要点是冲击功率以非线性方式下降，例如阶梯式下降或者基于某种数学函数下降。
本发明的实施例的一个基本要点是进给力以线性方式下降。
本发明的实施例的一个基本要点是进给力以非线性方式下降，例如阶梯式下降或者基于某种数学函数下降。
本发明的实施例的一个基本要点是如果降低冲击功率和停止进给没有造成旋转阻力的减小，则将进给方向相对于正常钻进反向。当将钻头从岩石中拉出时，钻进阻力降低到最低。
附图说明
本发明将根据附图进行详细描述，其中
图1所示为钻岩装备的示意性侧视图；
图2所示为示意性以曲线形式的本发明控制原理的实施例；
图3所示为示意性以曲线形式的本发明控制原理的第二实施例；
图4所示为示意性以曲线形式的本发明控制原理的第三实施例；和
图5所示为示意性以曲线形式的本发明控制原理的第四实施例。
为了清楚起见，本发明的一些实施例在图中进行了简化。同样的部件和方面使用相同的附图标记标示。
具体实施方式
图1所示钻岩装备1包括平台2和至少一个进给梁3，钻岩机4可移动地固定在该进给梁3上面。钻岩机4可经由进给装置5而被推向被钻进岩石以及被相应地推离。进给装置5可以包括如一个或多个采用适当传输件以移动钻进机的液压缸。典型地，进给梁3被安装在可相对平台2移动的吊杆6上面。钻岩机4包括冲击装置7，用于向连接到钻岩机4上的工具8提供冲击脉冲。工具8可包括一个或多个钻杆9和钻头10。而且，钻进机4可包括旋转装置11，用以使工具绕其纵轴旋转。在钻进期间，冲击脉冲由冲击装置7施加到工具8上，同时工具被旋转装置11所转动。而且，在钻进期间，钻进机4被推向岩石，以此钻头10可以破碎岩石。岩石钻进可用一个或多个控制部件12所控制。控制部件12包括计算机或相应装置。为了控制钻进，如旋转阻力、冲击功率和进给力等能够通过适当的传感器13而被测量。测量信息从传感器13传到控制部件12，控制策略可以在该控制部件12中设置以控制钻岩。通过使用间接测量和计算，同样可以测定旋转阻力、冲击功率以及进给力。控制部件12能发出控制命令到控制钻岩机4及进给装置5功能的致动机构，如控制压力介质的阀。钻岩机4的冲击装置7、旋转装置11及进给装置5可为压力介质致动装置，在这种情况下测量的量及控制量可为压力介质的压力。或者，致动器可以是电动致动装置，在此情况下，测量的量及控制量可为电学量。图1中，测量和控制信息的路线用点划线表示。
图2阐示根据本发明的控制策略的一个实施例。图2有三条表示钻进值的曲线：第一曲线(Rot)表示旋转阻力的时间函数，第二曲线(Feed)表示进给的时间函数，而第三曲线(Per)表示冲击功率的时间函数。图2还有水平虚线(ref)，其表示旋转阻力的参考值。在通常的钻进情况下，旋转阻力(Rot)与参考值(ref)大致符合。在t1时刻，旋转阻力(Rot)开始显著增加。这样，控制钻岩的控制部件12根据预设的控制策略而开始减小进给(Feed)。进给(Feed)可以通过减小进给力和/或进给速度而被降低。而且，时间界限tx被设定在控制部件12中，在该时间界限所确定的时刻之后，即在t2时刻，冲击功率(Per)根据预设控制策略开始降低。只有当旋转阻力(Rot)在时间界限tx所确定的时间内没有回到对应通常钻进情况的参考值(ref)时，冲击功率(Per)才会降低。如图2所示，进给(Feed)和冲击功率(Per)可以是大致呈线性下降。如果旋转阻力(Rot)不顾冲击功率(Per)的下降，而在预设时间界限ty所确定的时间内没有回到参考值(ref)，则进给会被停止，如果需要的话，则进给会被反转。这样，在t3时刻，开始将钻进机14从岩石中拉离开。这样钻头10就从岩石中脱离，钻进阻力会有一个突然下降，如曲线(Rot)中所示。当问题被消除后，钻进可以通过将进给方向变到正常转动来继续进行，而且冲击功率(Per)和进给力或进给速度会再次逐步上升。时间界限tx和ty可被固定地设置在控制部件12中，或者它们能够在每次钻进时间之前根据情况而被设定。有些情况下，可以有三个或更多界限。
要注意到，在冲击功率(Per)于t2时刻开始下降之后，进给(Feed)的下降仍然继续。该下降在t1和t3时刻之间大约平坦地持续着，或者t1到t2之间与t2到t3之间的降低可以变化。如果进给(Feed)已被充分降低，则进给(Feed)可以在t2到t3之间或者其中一部分中保持不变，如图5所示。
在上述控制策略中，有三种控制行为被用到：即降低进给、降低冲击功率和停止进给。控制策略还可以包括停止后反转进给方向。而且，执行控制策略需要至少测量或另外确定旋转阻力(Rot)。相反地，降低冲击功率、进给速度和进给力可以在没有测量冲击功率、进给速度和进给力的情况下根据某种算法而实现。
图3阐示根据本发明的控制策略的第二实施例。控制的基本原理和控制行为对应图2所示，但是图3中方法的不同至少体现在控制部件12中仅设有第一时间界限。而且，最小界限(permin)被设定用于冲击功率(Per)。这样，假如，尽管冲击功率(Per)降低并且冲击功率(Per)达到冲击功率设定的最小界限(permin)，而旋转阻力(Rot)并没有减小，则反转进给方向。如果冲击装置是压力介质致动装置，则界限(permin)可以是例如冲击压力的最小界限。然而和图2的方法相比还有一个差别，就是冲击功率(Per)在t2到t3阶段的下降呈非线性。比如，冲击功率的降低可以符合某种连续的数学函数。降低进给(Feed)可以以例如一个或多个阶梯的形式而实施。
图4所示为本发明控制策略的第三个实施例，其中降低冲击功率(Per)的开始时刻t2以及停止进给和倒转方向的开始时刻t3通过借助旋转阻力(Rot)调节的时间界限tx和ty而确定。时间界限tx被设置成在控制部件12中进行确定，比如根据旋转阻力(Rot)的增加有多大来确定。上升率由图4中的斜率k所表示。另一方面，时间界限tx可根据旋转阻力(Rot)大于旋转阻力参考值(ref)的时间长短进行确定。当调节时间界限tx时，也用到上述方法的结合。在这种情况下，上升率和有效时间在调节中都会被考虑到。在图4中，这个结合由第一区域A1所阐示，其大小由控制部件12中的数学装置所确定。而且，第二时间界限ty可以在控制部件12中以对应方式所确定，即基于变化率或时间。第二时间界限ty的调节C也可以基于上述方面的结合。这个结合由图4中的第二区域A2所阐示。而且，从图4中看到，t2到t3阶段内的冲击功率的降低呈阶梯式实现。
图5所示为本发明控制策略的第四实施例，其中最大界限(rotmax)被设定用于旋转阻力(Rot)。如果旋转阻力(Rot)超过最大界限(rotmax)，则冲击功率(Per)就会根据控制策略在t2时刻降低。而且，控制部件12内有预设的或可调的时间界限ty。如果，尽管冲击功率降低，但是旋转阻力(Rot)在由时间界限ty所确定的t3时刻仍然处在参考界限(ref)之上，则控制部件停止进给并且反转进给方向，由此最终旋转阻力(Rot)下降。
实际中，进给方向从正常方向变换到相反方向通常包括停止进给。当进给被停止后，进给的方向可以基本上立刻反转或者在经过一段预设的延迟之后再反转。
旋转阻力(Rot)可以通过测量进给到旋转装置11中的压力介质的压力或者测量该旋转装置11进口通道和出口通道之间的压力差而被确定。此外，旋转阻力(Rot)可以通过适当的传感器由工具直接测量。冲击功率(Per)可以基于使用的冲击压力、流动和冲击频率而被确定，或者可以被直接从工具测量。
根据本发明的方法通过运行属于控制部件12的一个或多个计算机的处理器内的计算机程序而被执行。一种执行本发明方法的软件产品可以被存储在控制部件12的存储器中，或者软件产品可以从如CD-ROM等存储设备被加载到计算机中。而且，软件产品可以从另一台计算机经由如数据网络而被加载到属于采矿车辆的控制系统的设备中。
调节进给力、进给速度和冲击功率可以根据所需要的控制策略而被执行。进给力、进给速度和冲击功率可以以阶梯式、线性或依据例如适当数学函数的合适比例而被降低。调节进给和冲击功率可以以预设大小的一个或多个调节阶梯而被执行。比如，冲击压力可以以一个调节阶梯被降低到预设的半功率。而且，冲击压力的调节可以以相对进给压力的合适比例而被执行。需要注意的是，除了压力，考虑的对象还可能是电学量、力、功率或者其它可测量的或可确定的量，通过它们旋转阻力、冲击和进给可被确定。
仍然需要注意的是，上述调整策略的不同的组合及改进可以被用来调节钻进。
附图和相关说明仅用来阐述本发明的思想。发明的细节可以在权利要求的范围内变化。
Claims (18)
1.一种控制冲击式钻岩的方法，该方法包括以下步骤：
对钻岩机(4)内的冲击装置(7)进行控制，该冲击装置(7)在钻进期间向连接到钻岩机(4)上的工具(8)施加冲击脉冲；
对钻岩机(4)内的旋转装置(11)进行控制，所述工具(8)在钻进期间绕该工具纵轴旋转；
对进给装置(5)进行控制，该进给装置(5)在钻进期间使钻岩机(4)朝向被钻岩石进给及相应地向后进给；
在钻进期间，至少测定旋转阻力(Rot)，并且当旋转阻力(Rot)超过预先设定的旋转阻力的参考界限(ref)时，记录下第一时刻(t1)；以及
减少进给，以向着旋转阻力的预设参考界限(ref)方向控制旋转阻力，
其特征在于，
确定用于控制的至少第一界限(tx，rotmax)和第二界限(ty，permin)，至少一个界限为时间界限；
执行至少一个控制行为，用以在对应每个界限的时刻(t2，t3)调节旋转阻力(Rot)；
根据时间界限，设定连续控制行为的起始时刻之间的时间差；
并且还在于，
如果旋转阻力(Rot)大于在对应于第一界限的第二时刻(t2)处的旋转阻力参考界限(ref)，则降低冲击功率(Per)；
并且如果旋转阻力(Rot)大于在对应第二界限的第三时刻(t3)处的旋转阻力参考界限(ref)，则停止进给。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于
确定时间界限(tx)作为第一界限，以及时间界限(ty)作为第二界限；
确定与从第一时刻(t1)开始的第一界限(tx)相对应的第二时刻(t2)；
确定与从第二时刻(t2)开始的第二界限(ty)相对应的第三时刻(t3)；
降低进给(Feed)，至少直至第二时刻(t2)；
如果旋转阻力(Rot)大于参考界限(ref)，则降低第二时刻(t2)和第三时刻(t3)之间的冲击功率(Per)；以及
如果旋转阻力(Rot)大于参考界限(ref)，则在第三时刻(t3)停止进给。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于
确定与旋转阻力(Rot)的上升率(k)直接成比例的至少一个时间界限(tx，ty)的值。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于
确定与大于参考界限(ref)的旋转阻力(Rot)的持续时间直接成比例的至少一个时间界限(tx，ty)的值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于
确定用于冲击功率(Per)的最小界限(permin)，并将该最小界限作为第二界限；以及
确定冲击功率(Per)小于最小界限(permin)时的时刻，并将其作为对应第二界限的第三时刻(t3)。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于
确定用于旋转阻力(Rot)的最大界限(rotmax)，并将该最大界限作为第一界限；
以及确定旋转阻力(Rot)大于最大界限(rotmax)时的时刻，作为对应第一界限的第二时刻(t2)。
7.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于
在第一时刻(t1)和第三时刻(t3)之间，线性地减小进给(Feed)。
8.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于
在第二时刻(t2)和第三时刻(t3)之间，线性地减小冲击功率(Per)。
9.如权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于
在第二时刻(t2)和第三时刻(t3)之间，非线性地减小冲击功率(Per)。
10.如权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于
如果旋转阻力(Rot)在对应于第二界限的第三时刻(t3)处大于旋转阻力的参考界限(ref)，则反转进给方向。
11.如前述权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于
当降低进给(Feed)的时候，降低进给力。
12.如前述权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于
当降低进给(Feed)的时候，降低进给速度。
13.一种钻岩机设备，包括：
平台(2)；
至少一个进给梁(3)；
至少一个可活动地设置在进给梁(3)上的钻岩机(4)；
用于使钻岩机(4)朝向岩石进给及相应地向后进给的进给装置(5)；
钻岩机(4)，包括：用于向连接到钻岩机(4)上的工具(8)施加冲击脉冲的冲击装置(7)；以及使工具(8)绕该工具纵轴旋转的旋转装置(11)；
至少一个控制部件(12)，用于根据该控制部件(12)内的控制策略，控制至少进给装置(5)、冲击装置(7)以及旋转装置(11)的功能；以及
确定至少旋转阻力(Rot)的装置；
且控制部件(12)被设置成：当旋转阻力(Rot)超过旋转阻力的预设参考界限时，记录下第一时刻(t1)，
并且降低进给(Feed)，以朝着旋转阻力的预设界限(ref)方向控制旋转阻力，
其特征在于，
控制部件(12)被设置成：确定用于控制的至少第一界限(tx，rotmax)和第二界限(ty，permin)，至少一个界限为时间界限；
执行至少一个控制行为，用以在对应每个界限的时刻(t2，t3)处调节旋转阻力(Rot)；
根据时间界限设定连续控制行为的起始时刻之间的时间差；
假如对应第一界限的第二时刻(t2)处的旋转阻力(Rot)大于旋转阻力的参考界限(ref)，则减少冲击功率(Per)；并且
如果在对应第二界限的第三时刻(t3)处，旋转阻力(Rot)大于旋转阻力的参考界限(ref)，则停止进给。
14.一种钻岩机设备，包括：
平台(2)；
至少一个进给梁(3)；
至少一个可活动地设置在进给梁(3)上的钻岩机(4)；
用于使钻岩机(4)朝向岩石进给及相应地向后进给的进给装置(5)；
钻岩机(4)包括：向连接到钻岩机(4)上的工具(8)施加冲击脉冲的冲击装置(7)；以及使工具(8)绕该工具纵轴旋转的旋转装置(11)；
至少一个控制部件(12)，用于根据控制部件(12)内的控制策略，控制至少进给装置(5)、冲击装置(7)以及旋转装置(11)的功能；和
用于确定至少旋转阻力(Rot)的装置；
且控制部件(12)被设置成：当旋转阻力(Rot)超过旋转阻力的预设参考界限时，记录下第一时刻(t1)，并且
降低进给(Feed)，以控制旋转阻力朝向旋转阻力的预设界限(ref)，
其特征在于，
控制部件(12)被设置成：确定用于控制的至少一个从第一时刻(t1)起被监测的时间界限(tx)；并且
控制部件(12)被设置成：执行至少一个控制行为，用以调节对应时间界限(tx)的第二时刻(t2)上的旋转阻力(Rot)。
15.如权利要求14所述的钻岩机设备，其特征在于，控制部件(12)被设置成：在对应时间界限的时刻(t2，t3)时，减小冲击功率(Per)以调节旋转阻力(Rot)。
16.如权利要求14所述的钻岩机设备，其特征在于，控制部件(12)被设置成：在对应时间界限的时刻(t2，t3)时，减小进给速度以调节旋转阻力(Rot)。
17.如权利要求14所述的钻岩机设备，其特征在于，控制部件(12)被设置成：在对应时间界限的时刻(t2，t3)时，停止冲进给以调节旋转阻力(Rot)。
18.如权利要求14所述的钻岩机设备，其特征在于，控制部件(12)被设置成：在对应时间界限的时刻(t2，t3)时，停止进给并且反转进给方向以调节旋转阻力(Rot)。
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