CN101213350A - 用于控制压力流体操作的钻凿设备的布置 - Google Patents

Abstract

一种用于控制压力流体操作的钻凿设备的布置。在这种布置中，进给马达(3)的供给通道(14a)的压力由压力限制件(26)控制，作用在所述压力限制件(26)上的压力差与压力流体的流量成比例。

Description

用于控制压力流体操作的钻凿设备的布置

技术领域

本发明涉及一种用于控制压力流体操作的钻凿设备的布置，这种布置包括钻岩机，该钻岩机装备有撞击装置和旋转马达，

进给马达，用于为钻岩机供给沿钻凿方向的进给运动，以及相应地，用于使钻岩机返回，

至少一个压力流体泵和连接至压力流体泵的压力流体通道，用于将压力流体供给至撞击装置，供给至旋转马达，以及相似地供给至进给马达，

通至压力流体储藏器的至少一个压力流体返回通道，用于使压力流体返回至压力流体储藏器，

阀，用于控制流向撞击装置和流向旋转马达的压力流体量，以及供给控制阀，用于将压力流体量输送至进给马达，

压力补偿器，该压力补偿器布置在通至进给马达的压力流体通道中，并且与第一压力检测通道和第二压力检测通道相连接，该第一压力检测通道来自由供给控制阀接收的供给压力通道，该第二压力检测通道与从供给控制阀至进给马达的供给通道相连接，

压力限制件，该压力限制件具有预定的压力极限值，并且与进给马达的压力流体供给通道和通至压力补偿器的第二压力检测通道、以及压力流体储藏器相连接，

其中当供给通道中的压力流体的压力由于钻凿条件而倾向于超过压力限制件的极限值时，压力限制件允许压力流体流过压力限制件，因此控制压力补偿器使得压力补偿器阻塞流向进给马达的压力流体流，并且因此将供给通道中的压力基本上保持在由压力限制件设定的值下。

背景技术

在钻凿岩石中，由于如下事实，故而将产生重大问题，该事实为：待钻凿的岩石的特性可能变化得相当快，使得钻凿设备的控制并不总是适合于钻凿。例如在沉积岩中，不同岩层中的岩石材料的结构和硬度可能从一个极端变化到另一个极端，从硬岩类型变化至近似的软砂质类型。当例如以4m/min的推进速率在这种岩石中进行钻凿时，条件变化得相当快。在这种情况下，虽然已经尝试了在不同的钻凿设备中使用多种控制装置，但是仍然不可能手动控制钻凿过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于控制钻凿设备的布置，以便能够容易有效地实现包括所有阶段的钻凿过程，并且能够自动地控制用于钻岩机的进给马达的进给压力，以便能够适合岩石硬度，以及因此适合进给速率。根据本发明的布置的特征在于：

由流过压力限制件的压力流体产生的压力损失与通过压力限制件的压力流体的流量成比例，使得当流过压力限制件的压力流体流量增加时，压力损失与流量成比例地增加；并且

作用在压力限制件上的压力差为在压力限制件处设定的极限值和由压力流体流量产生的压力损失的总和，由此

流过进给马达的压力流体量的减小使流过压力限制件的压力流体量增加，因此作用在压力限制件上的压力差增加，并且控制压力补偿器，使得供给通道中的压力增加，并且相应地，通过进给马达的压力流体量的增加使通过压力限制件的压力流体量减小，因此作用在压力限制件上的压力差减小，并且控制压力补偿器，使得供给通道中的压力减小。

本发明的原理是：压力限制件的压力值取决于流过压力限制件的压力流体流量，这样当流量增加时，压力限制件的压力值增加，以便当进给在钻凿条件变化时，即主要的是在岩石硬度增加时下降时，通过进给马达的压力流体量减小，通过压力限制件的流量增加，并且增加进给马达的供给通道中的压力。

根据本发明的布置的优点为：当将要在变化的条件下进行钻凿的岩石的特性变化时，这种布置自动地控制与进给速率成反比例的进给的压力，或者如果压力下降得低于极限值，则将进给速率保持在设定的最大值。本发明的另一个优点为：当使用压力控制时，压力控制也可用于控制供给至撞击装置的压力流体的压力，且因此相应地控制冲击功率。

附图说明

在附图中更详细地描述本发明，其中：

图1示意性地表示根据本发明的布置的实施例，和

图2示意性地表示根据本发明的布置的另一个实施例。

具体实施方式

图1示意性地表示用于控制钻凿设备的液压连接线路。这个连接线路包括压力流体泵1，该压力流体泵1优选为压力控制的体积流量泵。连接线路还包括待由压力流体操作的撞击装置2和进给马达3，压力流体由压力流体泵1供应。根据不同的应用，进给马达3可以是液压马达或气缸，但是在本申请和权利要求书中都称为进给马达。为了控制进给马达的操作，减压阀5连接至从压力流体泵1设置的压力流体通道4，用于将压力流体的压力减小至适合于设置在连接线路中的控制阀的操作的压力水平下。控制压力通道6从减压阀5通至控制阀7，以控制进给马达3的进给。控制阀7为本身已知的压力控制阀，通过控制臂7a控制控制阀7的位置，以及因此控制被排出的压力流体的压力。可沿箭头A所示的两个方向从控制臂7a中间位置，即空档位置控制控制臂7a，这使得能够通过相同的控制装置控制向前进给和返回运动。从控制阀7延伸出来的两个供给控制通道8a和8b设置，它们连接成用以控制供给控制阀9。供给控制阀9为双向比例阀，通过比例阀的压力流体的流量与作用在比例阀上的控制压力成比例。从压力流体泵1处设置的通道4还连接至压力补偿器10，以控制来自压力流体泵的压力流体的压力。压力补偿器10通过供给压力通道11而连接至供给控制阀9，压力流体经由供给压力通道11而流动至由供给控制阀9控制的进给马达3。压力检测通道10a也从供给压力通道11连接，以作用在压力补偿器10上。

还设置了返回通道13，从供给控制阀9至压力流体储藏器12，使得来自进给马达3的压力流体经由返回通道13而输送至压力流体储藏器。供给通道14a和返回通道14b还从进给马达3连接至供给控制阀9，以使进给马达3能够根据供给控制阀9的控制而沿着所期望的方向操作。当供给控制阀7用于控制进入供给控制通道8a的压力流体的压力时，压力流体经由供给通道14a流动至进给马达3，并且经由返回通道14b回流。因此，进给马达3使钻岩机向前进给，并且因此使钻杆向前进给。相似地，当控制臂7a沿另一个方向旋转时，在控制压力通道8b中产生压力，从而使得供给控制阀9的阀芯移动至如下位置，即在该位置中，压力流体经由返回通道14b而供给至进给马达3，使得压力流体经由供给通道14a回流。在此情况下，进给马达3产生返回运动。由进给马达3产生的运动速率分别与供给控制通道8a和8b中产生的压力值成比例，以便可通过改变控制臂7a的位置而产生所期望数值的运动速率。

高压压力流体还从压力流体泵1经由通道4而输送至撞击阀15，通过撞击阀15，高压压力流体可经由通道16而连接为流向撞击装置2。单独的压力流体返回通道17又设置为从撞击装置2至压力流体储藏器12。撞击阀15由来自控制阀7的控制通道18控制，以便当供给接通时，控制压力同时经由通道18而接通至撞击阀15，从而将压力流体从通道4连接至撞击装置2。当然，撞击阀15还可以由与控制阀7分离的撞击控制阀以本身已知的方式控制，或者由机械臂以本身已知的类似方式控制。

为了控制来自压力流体泵1的压力流体的压力，控制压力通道1 9从压力通道16连接至往复阀20。还设置了控制通道21，从往复阀20通至压力流体泵1，形成至压力流体泵1的压力控制回路。

还设置了负载检测通道22a和22b，分别从供给通道14a和返回通道14b经由节流阀23a和23b至往复阀24。往复阀24又通过通道25连接至往复阀20，通过第二压力检测通道10b连接至压力补偿器10，并且通过支路25a连接至压力限制件26。因此，压力补偿器10连接成使得它受到经由压力检测通道10a和10b而作用在供给控制阀上的压力差的影响，并且在钻凿和向前进给期间，压力补偿器保持这个压力差恒定，在这种情况下，通过供给控制阀9的压力流体流量同样保持恒定。

压力限制件26又通过通道27而连接至压力流体储藏器12。通道29也可从进给马达的供给通道14a经由另外的节流阀28或者固定的节流阀28或者可控制的节流阀28并且经由设置于压力限制件26的通道25的支路25a而连接至压力限制件26，其中供给通道14a在向前进给期间具有压力流体的压力。在通过负载检测通道22a输送的流量不足以在通道25中产生所期望的压力改变时，这确保了流过压力限制件26的压力流体的流量。

此外，这种布置通常包括旋转马达30和控制阀31，旋转马达30用于在钻凿期间旋转钻杆，控制阀31用于沿在正常钻凿期间必需的旋转方向和用于拆卸钻杆的相对方向控制旋转马达。旋转马达30沿着通道33从单独的压力流体泵32接收压力流体，类似地，压力流体沿着通道34排出至压力流体储藏器。或者，压力流体可从公共的加压流体泵供给至旋转马达30。然而，上述内容基本上与本发明无关，因此，在此不对其进行进一步地详细描述。

这种布置以如下方式操作。在钻凿过程的初期，通过阀门7控制作用在通道8a中的压力水平，使得压力将设置在供给控制阀9内部的本身已知的阀芯控制至如下位置，即在该位置中，允许为所期望最大进给速率所需的压力流体的流量通过供给控制阀9流动至进给马达3，并且相似地通过供给控制阀9流回至压力流体储藏器12。

如果待钻凿的岩石为使得压力流体的流量升高至等于所期望进给速率的值，则钻凿设备在流量控制下进行操作，即压力补偿器10使输送至进给马达3的压力流体的流量基本保持恒定，以便使得系统中的压力仍然低于为压力限制阀26设置的值。这使得供给压力补偿器10一方面由通道11中的压力所作用，另一方面由供给至进给马达3的压力流体的压力所作用。如果钻凿阻力减少，则在通道14a中的作用于进给马达上的压力下降，并且更多的压力流体倾向于流过供给控制阀。相似地，减小的压力也作用在压力补偿器10的压力检测通道10b中，这导致压力补偿器阻塞压力流体的流动，使得压力补偿器上的压力差增加。因此，通至供给控制阀9的供给压力通道11中的压力下降，直到压力流体的流量处于所期望的值并且供给控制阀9上的压力差处于相似的值为止。因此，作用在供给控制阀9上的压力差基本保持恒定，使得当供给控制阀9中的开口保持恒定时，输送至进给马达3的压力流体的流量也保持恒定。如果进给速率例如由于岩石硬度而低于设定的最大速率，在正常钻凿条件下通常存在这种情况，则设定量的压力流体不可能流过进给马达。然而，由于供给阀9上的压力差仍然为恒定的，故而供给通道14a中的压力倾向于增加，并且系统将变成在压力控制下操作。当压力超过压力限制件26的设定值时，压力流体通过压力限制件26流动至压力流体储藏器，并且进给马达的供给通道14a的压力水平由压力限制件26的设定值确定。

当负载检测通道22a中的压力倾向于增加时，压力流体通过负载检测通道22a和节流阀23a而流动至压力限制件26。节流阀23a用于限制通过压力限制件26的压力流体的流量。在进给速率等于设定的最大速率的情况下，压力水平为非常低的，使得压力限制件26被关闭，并且没有压力流体经由通道22a流动，而是基本所有的压力流体都被输送至进给马达3。

在本发明中，压力限制件26的特性使得作用在压力限制件上的压力差值取决于流过压力限制件的压力流体量。由流过压力限制件26的压力流体产生的压力损失与流量成比例。压力差又为在压力限制件26处设定的极限值和由压力流体的流动所产生的压力损失的总和。因此，当通过压力限制件26的压力流体的流量增加时，压力差增加，因此增加了通道25中的压力值。因此，穿透速率越低，则流过进给马达的压力流体量越少，并且相应地，允许流过节流阀23a和可能的节流阀28以及压力限制件26的压力流体量越多。当流过压力限制件26的压力流体的流量增加时，通道25和通道25的支路25a中的压力以及压力检测通道10b中的压力增加，由此，压力补偿器10的控制压力也增加。因此，待供给至进给马达3的压力流体的压力水平增加。相似地，当穿透速率越高时，越多的压力流体量通过进给马达，同时越少的压力流体量就足以流过压力限制件26，以便使得待供给至进给马达的压力流体的压力水平下降。在压力控制方面，压力流体通过节流阀23a的流量自然在节流阀23a上产生小的压力差。在这种情况下，压力补偿器10由公共的压力差所控制，该公共的压力差由供给控制阀9和节流阀23a所共用。然而，这基本上与本发明无关。如果希望的话，则通至压力补偿器10的压力检测通道10b可以连接至供给通道14a或者连接至在节流阀之前的通道22a。如果进给装置和撞击装置的操作连接成彼此依靠，则结果是，根据岩石硬度而自动地控制钻凿功率，以便对于软岩石，降低钻凿功率，并且当岩石变硬时，钻凿功率增加。设备中的控制通道22b和节流阀23b设计为在如下情况下控制压力流体泵1的压力流体的供给压力，即在此情况中，进给运动连接至返回运动，并且供给压力作用在进给马达3的返回通道14b中。

图2简单地且示意性地表示根据本发明的布置的实施例。为了简单和清楚起见，在此仅描述基本上与此具体实施例的特殊特征有关的部件。其他的部件和操作类似于图1所公开的部件和部件的操作。

在这个实施例中，压力补偿器10布置在供给控制阀9和进给马达3之间。因此，压力流体沿着通道4和11，从压力泵直接供给至供给控制阀9。此外，由供给控制阀9接收的通道11通过压力检测通道10a而连接至压力补偿器10。相似地，控制通道25′从供给通道14a通过节流阀23′，一方面被连接为用以通过压力检测通道10b影响压力补偿器10，另一方面被连接至压力流体泵1的控制通道21′，以及通过支路25a′而被连接至压力限制件26。为了清楚起见，图2既未示出与进给返回运动有关的压力控制，也未示出与撞击装置的压力流体通道有关的压力流体泵1的压力控制，这两个方面已结合图1示出。这两个方面也可以以相似的方式应用于图2的实施例。

同样在这个实施例中，本发明以与图1所示的方式相似的方式操作。当供给控制阀9被控制至与所期望进给速率相对应的位置时，压力流体从压力流体泵经由供给控制阀9和通道14a、通过压力补偿器10的流量达到由供给控制阀9确定的流量，只要所钻凿的岩石的阻力不阻止上述情况就行。然后，压力补偿器10将供给控制阀9上的压力保持恒定，通道14a中的压力保持得低于压力限制件26的设定值，使得因此，没有压力流体流过压力限制件26。如果岩石硬度阻止达到最大速率，如在正常钻凿期间通常存在这种情况，则通道14a中的压力超过为压力限制件26设定的压力值，并且压力流体经由节流阀23′和通道25′、通过压力限制件26流动。强制流过压力限制件26的压力流体量越大，则压力限制件26的压力值就变得越高，从而经由通道21′控制压力流体泵1。只要通道14a中的压力值不超过压力限制件26的预定压力值，供给就在“流量控制”下进行操作，即通过供给控制阀9和压力补偿器10而使输送至进给马达3的压力流体的流量基本上保持恒定，如结合图1所述。当通道1 4a中的压力超过压力限制件26的预定压力值时，通过压力限制件26，供给变化成“压力控制”供给，并且在压力控制下进行操作，直到通道14a中的压力再次下降至压力限制件26的预定压力值为止，或者下降至预定压力值以下为止。

在上述说明和附图中，本发明仅通过示例被公开，并且本发明决不限制于此。显而易见的是，供给控制阀也可以以本身已知的方式为可电制的或者可机械控制的。相似地，供给控制阀可以不仅为比例阀，而且供给控制阀还可以逐渐地改变流量。此外，供给控制阀可以仅为单向的，使得通过单独的可逆阀改变供给方向。应指出的是，作用在进给马达的压力流体通道中的压力，并且通过进给马达，撞击装置和进给马达的压力补偿器的压力都由压力限制件控制，从而作用在压力限制件上的压力与流过压力限制件的压力流体量成比例。

Claims (7)

1.一种用于控制压力流体操作的钻凿设备的布置，这种布置包括钻岩机，该钻岩机装备有撞击装置(2)和旋转马达(30)，

进给马达(3)，用于为所述钻岩机供应沿钻凿方向的进给运动，以及相应地，用于使所述钻岩机返回，

至少一个压力流体泵(1)和连接至该压力流体泵(1)的压力流体通道，用于将压力流体供给至所述撞击装置(2)，供给至所述旋转马达(30)，以及相似地供给至所述进给马达(3)，

通至压力流体储藏器(12)的至少一个压力流体返回通道，用于使所述压力流体返回至所述压力流体储藏器(12)，

阀(15，31)，用于控制流向所述撞击装置和流向所述旋转马达的压力流体的量，以及供给控制阀(9)，用于将所述压力流体量输送至所述进给马达(3)，

压力补偿器(10)，该压力补偿器(10)被布置在通至所述进给马达(3)的压力流体通道(11，14a)中，并且与第一压力检测通道(10a)和第二压力检测通道(10b)相连接，第一压力检测通道(10a)来自由所述供给控制阀(9)接收的供给压力通道(11)，第二压力检测通道(10b)与从所述供给控制阀(9)至所述进给马达的供给通道(14a)相连接，

压力限制件(26)，该压力限制件(26)具有预定的压力极限值，并且与所述进给马达(3)的所述压力流体供给通道(14a)和通至所述压力补偿器(10)的所述第二压力检测通道(10b)、以及所述压力流体储藏器相连接，

其中当所述供给通道(14a)中的压力流体的压力由于钻凿条件而倾向于超过所述压力限制件(26)的极限值时，所述压力限制件(26)允许压力流体流过所述压力限制件(26)，从而控制所述压力补偿器(10)，使得所述压力补偿器(10)阻塞流向所述进给马达(3)的压力流体量，并且因此将所述供给通道(14a)中的压力基本上保持在由所述压力限制件(26)设定的值下，其特征在于：

由流过所述压力限制件(26)的压力流体产生的压力损失与流动通过所述压力限制件(26)的压力流体的流量成比例，使得当流过所述压力限制件(26)的压力流体量增加时，所述压力损失与所述流量成比例地增加；并且

作用在所述压力限制件(26)上的压力差为在所述压力限制件(26)处设定的所述极限值和由所述压力流体流产生的压力损失的总和，由此

流过所述进给马达(3)的压力流体流量的减小造成流过所述压力限制件(26)的压力流体流量增加，因此作用在所述压力限制件(26)上的压立差增加，并且控制所述压力补偿器(10)，使得所述供给通道(14a)中的压力增加，并且相应地，通过所述进给马达的压力流体流量的增加造成通过所述压力限制件(26)的压力流体流量减小，因此作用在所述压力限制件(26)上的压力差减小，并且控制所述压力补偿器(10)，使得所述供给通道(14a)中的压力减小。

2.如权利要求1所述的布置，其特征在于：压力检测通道(22a)从所述供给通道(14a)延伸出来，该压力检测通道(22a)与所述压力限制件(26)和所述压力补偿器(10)的第二压力检测通道(10b)连接，并且它具有节流阀(23a)，用以限制通过所述压力限制件(26)的压力流体的流量。

3.如权利要求2所述的布置，其特征在于：所述压力检测通道(22a)还被连接用以控制所述压力流体泵(1)的压力流体的供给。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的布置，其特征在于：分离通道(29)从用于所述进给马达(3)的压力流体的供给通道(14a)处与从所述压力检测通道(22a)通至所述压力限制件(26)的通道(25a)连接，以便产生所述压力限制件(26)的操作所必需的压力流体的流量，并且所述分离通道(29)具有节流阀(28)，以用于将通过所述分离通道输送的流量设定至合适的水平。

5.如前述权利要求中的任一项所述的布置，其特征在于：所述压力补偿器(10)在由所述供给控制阀(9)接收的供给压力通道(11)中被连接在所述压力流体泵(1)和所述供给控制阀(9)之间。

6.如权利要求1至4中的任一项所述的布置，其特征在于：所述压力补偿器(10)在所述进给马达的供给通道(14a)中被连接在所述供给控制阀(9)和所述进给马达(3)之间。

7.如前述权利要求中的任一项所述的布置，其特征在于：如果由于钻凿条件，所述供给通道(14a)中的压力低于所述压力限制件(26)的极限值，则不允许压力流体流过所述压力限制件(26)，并且所述压力补偿器(10)通过使所述供给控制阀(9)上的压力保持基本恒定且因此流向所述进给马达(3)的压力流体量保持处于设定的最大值而控制流向所述进给马达(3)的压力流体量。

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