CN101333909A - 防突远距离控制钻机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防突远距离控制钻机及其控制方法，包括基座、钻机主机和控制系统，钻机主机设置在基座上，基座设置有行走装置，钻机主机包括动力头、推进机构和动力装置；控制系统包括远控系统和主控系统，所述远控系统包括自动控制系统I、人机界面和显示屏，主控系统包括传感器组和自动控制系统II；自动控制系统II接收传感器组的钻机主机运行状态信号，并输送至自动控制系统I，接收自动控制系统I的控制信号，向钻机主机发送命令信号，本发明通过远距离自动控制系统的控制，实现孔口无人化操作，操作人员可远在100m以外控制钻机，能极大提高瓦斯钻孔作业人员的防护能力，减少人员伤亡，改善煤矿安全状况。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤层钻机，特别涉及一种远距离控制的防突煤层钻机及其控制方法。
背景技术
现有技术的突出煤层钻孔均为人工现场操作，无法保障在突出煤层钻孔施工人员的安全。而远距离控制钻机是改善煤矿安全状况进行钻孔的有效途径。
因此，需要一种防突远距离控制钻机，通过远距离自动控制系统的控制，实现孔口无人化操作，能极大提高瓦斯钻孔作业人员的防护能力，减少人员伤亡，改善煤矿安全状况。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种防突远距离控制钻机，通过远距离自动控制系统的控制，实现孔口无人化操作，能极大提高瓦斯钻孔作业人员的防护能力，减少人员伤亡，改善煤矿安全状况。
本发明的防突远距离控制钻机，包括基座、钻机主机和控制系统，所述钻机主机设置在基座上，所述基座设置有行走装置；
所述钻机主机包括动力头、推进机构和动力装置；所述动力头连接钻杆并由动力装置驱动完成钻杆的旋转；动力头安装在推进机构上，动力装置驱动推进机构完成动力头的往复运动；
所述控制系统包括远控系统和主控系统，所述远控系统包括自动控制系统I、人机界面和显示屏，主控系统包括传感器组和自动控制系统II；所述传感器组设置于钻机主机，传感器组用于监测钻机主机运行状态；自动控制系统II接收传感器组的钻机主机运行状态信号，处理并向自动控制系统I传送传感器组信号，接收自动控制系统I的控制信号，向钻机主机发送命令信号，接通或切断控制动力装置的电源，驱动或停止动力头完成钻孔作业。
进一步，所述动力装置为液压动力装置，包括液压泵、油箱和液控多路阀，所述液压动力装置设置先导电磁阀组，所述先导电磁阀组与自动控制系统II相连，先导电磁阀组通过液控多路阀控制动力装置的动力输出；
进一步，所述推进机构包括底座、设置在底座上的机架、设置在机架上的导轨和拖板，所述拖板设置在导轨上并可沿导轨滑动，所述动力头设置在拖板上；所述动力装置通过马达链条倍力机构驱动推进机构；还包括钻杆自动拆装机构，包括钳式夹持器I和钳式夹持器II，所述钳式夹持器I和钳式夹持器II内环面设置液压卡瓦，所述液压卡瓦与液控多路阀相连；钳式夹持器I和钳式夹持器II同轴设置，并在动力装置的驱动下可沿径向相对转动；钳式夹持器I和钳式夹持器II的位置分别与相连接的两根钻杆端部对应；
进一步，所述动力头包括液压马达I和齿轮变速机构，所述液压马达I与液控多路阀相连，液压马达I通过齿轮变速机构驱动动力头；
进一步，还包括钻杆装卸机构，所述钻杆装卸机构包括钻杆举升机构、钻杆储存箱和钻杆抓取机构，钻杆举升机构包括顶升油缸、摆杆和连杆，所述顶升油缸的活塞杆和摆杆组成曲柄摇杆机构，摆杆和连杆组成平行四边形机构，平行四边形机构上部横向固定设置顶杆，所述顶杆至少两根纵向并列设置；
所述钻杆储存箱内设置有用于放置钻杆的列单元，列单元无底并设置在顶杆上部；
钻杆抓取机构包括液压马达II、齿轮齿条机构、滑臂和抓取机构固定座，滑臂与钻杆垂直设置于钻杆储存箱的列单元底部，所述液压马达II与液控多路阀相连，滑臂前端设置钻杆钩，钻杆钩横向设置半圆形凹槽，凹槽的中心线与动力头回转中心的轴线在同一水平面上；所述滑臂固定设置在齿轮齿条机构的齿条上，液压马达II通过齿轮齿条机构带动滑臂从而推动钻杆钩前进或后退；滑臂的前端和后端分别设置前限位块和后限位块；抓取机构固定座上设置数量与钻杆储存箱列单元数量一致的钻杆选择油缸，相邻钻杆选择油缸的间距与钻杆储存箱内的相邻列单元间距相同；钻杆选择油缸伸出的活塞杆与前限位块配合，使滑臂推动钻杆钩与钻杆储存箱内的列单元位置对应；
进一步，所述自动控制系统I和自动控制系统II为PLC自动控制系统；
进一步，所述行走装置为履带式行走装置，所述行走装置通过动力装置驱动；
进一步，所述基座上设置有手动操作台，所述手动操作台通过先导操作阀和液控多路阀控制动力装置的动力输出。
本发明还公开了防突远距离控制钻机的控制方法，在进行远距离打钻前，手动控制打2-3根钻杆，并使动力头后退到位、钻杆抓取机构后退到位、钻杆举升机构处于顶升状态、钳式夹持器I夹紧和钳式夹持器II松开，远距离打钻包括以下步骤：
a.启动动力装置电机；
b.检测自动控制系统I与自动控制系统II通讯是否正常，如果通讯正常，启动冷却水开关；
c.检测各执行元件是否处于待命状态，如果各执行元件处于待命状态，则将状态选择开关打到打钻位；同时，进行钻杆储存箱内列钻杆选择并打到打钻位；
d.钻杆装卸机构的钻杆举升机构下降，钻杆抓取机构前进，动力头正转并前进到打钻位；
e.钳式夹持器I松开，钻杆举升机构上升，钻杆抓取机构后退，动力头正转并前进，打完整根钻杆；
f.钳式夹持器I夹紧并正向旋转，动力头反向旋转，被动后退后正常后退到装杆位，按计数器按钮，检查当前列钻杆是否全部上完，如果是，则进行列钻杆选择并打到打钻位，如果否，则进行步骤d。
进一步，还包括对卸钻杆的控制方法，在进行卸钻杆之前，钳式夹持器I和钳式夹持器II松开；钻杆举升机构处于顶升状态；钻杆抓取机构后退到位；卸钻杆包括以下步骤：
g.将状态选择开关打向卸钻杆，列钻杆选择并打向卸钻杆；
h.动力头正常后退到钻杆卸松位，钳式夹持器II夹紧，钳式夹持器I夹紧并正向旋转；
i.钳式夹持器II松开，动力头反向旋转，被动后退后正常后退到卸钻位；
j.钻杆抓取机构前进到卸钻位，钻杆举升机构下降，钳式夹持器II夹紧，动力头反向旋转，被动后退后正常后退到与钻杆脱离位；
k.钳式夹持器II松开，钻杆抓取机构后退到与钻杆分离位，钻杆举升机构上升，动力头正转并正常前进到装杆位；松开钳式夹持器I，按计数器按钮，检查当前列钻杆是否全部卸完，如果是，则进行列钻杆选择并打向卸钻杆，如果否，则进行步骤h。
本发明的有益效果是：本发明的防突远距离控制钻机，通过远距离自动控制系统的控制，实现孔口无人化操作，操作人员可远在100m以外控制钻机，能极大提高瓦斯钻孔作业人员的防护能力，减少人员伤亡，改善煤矿安全状况；采用钻杆自动拆装机构，全面实现自动装卸以及钻进的自动化，进一步改善煤矿安全状况；动力装置采用液压动力装置，环保并且安全；本发明配置现有技术的盾护机构、钻具及防护仓等，组成完善的监视、控制、保护系统，整机具有较好的稳定性和动作的准确性及协调性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为钻杆举升机构示意图；
图4为钻杆抓取机构示意图；
图5为本发明控制原理图；
图6本发明控制方法流程图；
图7为卸钻杆控制方法流程图。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图，图2为本发明的俯视图，图3为钻杆举升机构示意图，图4为钻杆抓取机构示意图，如图所示：本实施例的防突远距离控制钻机，包括基座1、钻机主机和控制系统，所述钻机主机设置在基座1上，基座1设置有履带式行走装置2和立柱14，立柱14在钻机到位后有液压系统控制使基座1固定；
钻机主机包括动力头3、推进机构4和动力装置5；动力装置5为液压动力装置，包括液压泵51、油箱52和液控多路阀，液压动力装置5设置先导电磁阀组，先导电磁阀组与自动控制系统II相连，先导电磁阀组通过液控多路阀控制动力装置的动力输出；动力头3包括液压马达I31和齿轮变速机构32，液压马达I31与液控多路阀相连，液压马达I31通过齿轮变速机构32驱动动力头3完成钻杆的旋转；动力头3安装在推进机构4上，推进机构4包括底座41、设置在底座41上的机架42、设置在机架42上的导轨43和拖板44，所述拖板44设置在导轨43上并可沿导轨43滑动，动力头3设置在拖板44上；所述液压动力装置5通过马达链条倍力机构驱动拖板44，带动动力头3往复运动；履带式行走装置2与液控多路阀相连并由液压动力装置5驱动；
还包括钻杆自动拆装机构，包括钳式夹持器I6和钳式夹持器II7，钳式夹持器I6和钳式夹持器II7内环面设置液压卡瓦，所述液压卡瓦与液控多路阀相连；钳式夹持器I6和钳式夹持器II7同轴设置，并在动力装置5的驱动下可沿径向相对转动；钳式夹持器I6和钳式夹持器II7的位置分别与相连接的两根钻杆端部对应；动力装置5驱动推进机构4完成动力头3的往复运动；
还包括钻杆装卸机构，包括钻杆举升机构8、钻杆储存箱9和钻杆抓取机构10，钻杆举升机构8包括顶升油缸81、摆杆82和连杆83，所述顶升油缸81的活塞杆和摆杆82组成曲柄摇杆机构，摆杆82和连杆83组成平行四边形机构，平行四边形机构上部横向固定设置顶杆11，所述顶杆11为两根纵向排列；
所述钻杆储存箱9内设置有用于放置钻杆的列单元共六列，列单元无底并设置在顶杆11上部；
钻杆抓取机构10包括液压马达II101、齿轮齿条机构102、滑臂103和抓取机构固定座104，滑臂103与钻杆垂直设置于钻杆储存箱9的列单元底部；所述液压马达II101与液控多路阀相连，滑臂103前端设置钻杆钩105，滑臂103与钻杆钩105之间设置回位弹簧109，滑臂103向后移动时，在回位弹簧109的作用下，钻杆钩105向后移动，钻杆钩105横向设置半圆形凹槽，凹槽的中心线与动力头3回转中心的轴线在同一水平面上；滑臂103与齿轮齿条机构102的齿条一体设置，液压马达II101通过齿轮齿条机构102带动滑臂103从而推动钻杆钩105带动钻杆前进或后退；滑臂103的前端和后端分别设置前限位块107和后限位块106；抓取机构固定座104上设置数量与钻杆储存箱9列单元数量一致的也就是六个钻杆选择油缸108，相邻钻杆选择油缸108的间距与钻杆储存箱9内的相邻列单元间距相同；钻杆选择油缸108伸出的活塞杆与前限位块107配合，使滑臂103推动钻杆钩105与钻杆储存箱9内的每列钻杆位置对应；本机构在向动力头3装入钻杆时，钻杆举升机构8将钻杆储存箱9内的钻杆下放至钻杆抓取机构10内；而从动力头3拆下钻杆时，钻杆举升机构8将钻杆抓取机构10内的钻杆抬升至钻杆储存箱9内；在向动力头3装入钻杆时，抓取钻杆储存箱9内的钻杆送到接钻位置，而在拆卸钻杆时，将拆下的钻杆从接钻位置拖回钻杆储存箱9。
控制系统包括远控系统和主控系统，远控系统包括自动控制系统I、人机界面和显示屏，为人机交互站，操作人员通过该站向主控系统发送控制信息，并能实时反馈和监控打钻的状态；主控系统包括传感器组和自动控制系统II；自动控制系统I和自动控制系统II为PLC自动控制系统；传感器组设置于钻机主机，传感器组用于监测钻机主机运行状态；自动控制系统II接收传感器组的钻机主机运行状态信号，处理并向自动控制系统I传送传感器组信号，接收自动控制系统I的控制信号，先导电磁阀组与自动控制系统II相连，自动控制系统II通过先导电磁阀组和液控多路阀控制动力装置的动力输出。
基座1上还设置有手动操作台12，所述手动操作台12通过先导操作阀和液控多路阀控制动力装置的动力输出；防爆电控箱13设置在基座1上，为液压动力装置5及其它用电设备提供电源。
图5为本发明控制原理图，如图所示：控制系统包括远控系统和主控系统，远控系统包括自动控制系统I、人机界面和显示屏，为人机交互站，操作人员通过该站向主控系统发送控制信息，并能通过传感器组实时反馈和监控打钻的状态；主控系统包括传感器组和自动控制系统II；自动控制系统I和自动控制系统II为PLC自动控制系统；传感器组设置于钻机主机，传感器组用于监测钻机主机运行状态，并发送监测信号至自动控制系统II；自动控制系统II接收传感器组的钻机主机运行状态信号，处理并向自动控制系统I传送传感器组信号，接收自动控制系统I的控制信号，自动控制系统II接收自动控制系统I的控制信号后，向低压电源输出命令信号，控制先导电磁阀组，先导电磁阀组通过液控多路阀控制动力装置的动力输出，完成对动力头、行走装置、钻杆抓取机构、钻杆自动拆装机构、推进机构和钻杆举升机构的控制；同时，视频采集设备将现场视频，传输至显示屏，为操作人员提供操作依据。
如图所示，操作人员也可以通过基座1设置的手动操作台12的手动先导操作阀对液控多路阀进行控制，从而实现对动力头、行走装置、钻杆抓取机构、钻杆自动拆装机构、推进机构和钻杆举升机构的手动控制。
图6为本发明控制方法流程图，图7为卸钻杆控制方法流程图，如图所示：本发明的防突远距离控制钻机的控制方法，在进行远距离打钻前，手动控制打2-3根钻杆，并使动力头后退到位、钻杆抓取机构后退到位、钻杆举升机构处于顶升状态、钳式夹持器I夹紧和钳式夹持器II松开，远距离打钻包括以下步骤：
a.启动动力装置电机；
b检测自动控制系统I与自动控制系统II通讯是否正常，如果通讯正常，启动冷却水开关，如果不正常，则进行第二次检测；
c.检测各执行元件是否处于待命状态，如果各执行元件处于待命状态，则将状态选择开关打到打钻位，通过钻杆选择油缸和滑臂之间的配合，进行钻杆储存箱内列钻杆选择并打到打钻位；如果没有处于待命状态，则进行调整后重新观察；
d.钻杆装卸机构的钻杆举升机构下降，钻杆抓取机构前进，动力头正转并前进到打钻位，到位与否通过接近开关进行检测；
e.钳式夹持器I松开，钻杆举升机构上升，钻杆抓取机构后退，动力头正转并前进，打完整根钻杆；
f.钳式夹持器I夹紧并正向旋转，动力头反向旋转，被动后退后正常后退到装杆位，按计数器按钮，记下打完钻杆数，检查当前列钻杆是否全部上完，如果是，则进行下一列列钻杆选择并打到打钻位，如果否，则进行步骤d，进行下一根钻杆打钻工作。
还包括对卸钻杆的控制方法，在进行卸钻杆之前，钳式夹持器I和钳式夹持器II松开；钻杆举升机构处于顶升状态；钻杆抓取机构后退到位；卸钻杆包括以下步骤：
g.将状态选择开关打向卸钻杆，列钻杆选择并打向卸钻杆；
h.动力头正常后退到钻杆卸松位，到位与否通过接近开关进行检测；钳式夹持器II夹紧，钳式夹持器I夹紧并正向旋转，将连接的钻杆旋松；
i.钳式夹持器II松开，动力头反向旋转，被动后退后正常后退到卸钻位，到位与否通过接近开关进行检测；
j.钻杆抓取机构前进到卸钻位，钻杆举升机构下降，钳式夹持器II夹紧，动力头反向旋转，被动后退后正常后退到与钻杆脱离位；
k.钳式夹持器II松开，钻杆抓取机构后退到与钻杆分离位，钻杆举升机构上升，接住卸下的钻杆，动力头正转并正常前进到打钻位，到位与否通过接近开关进行检测；松开钳式夹持器I，按计数器按钮，记下卸下钻杆数，检查当前列钻杆是否全部卸完，如果是，则进行列钻杆选择并打向卸钻杆，如果否，则进行步骤h，卸下一根钻杆。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种防突远距离控制钻机，其特征在于：包括基座(1)、钻机主机和控制系统，所述钻机主机设置在基座(1)上，所述基座(1)设置有行走装置(2)；
所述钻机主机包括动力头(3)、推进机构(4)和动力装置(5)；所述动力头(3)连接钻杆并由动力装置(5)驱动完成钻杆的旋转；动力头(3)安装在推进机构(4)上，动力装置(5)驱动推进机构(4)完成动力头(3)的往复运动；
所述控制系统包括远控系统和主控系统，所述远控系统包括自动控制系统I、人机界面和显示屏，主控系统包括传感器组和自动控制系统II；所述传感器组设置于钻机主机，传感器组用于监测钻机主机运行状态；自动控制系统II接收传感器组的钻机主机运行状态信号，处理并向自动控制系统I传送传感器组信号，接收自动控制系统I的控制信号，向钻机主机发送命令信号，接通或切断控制动力装置的电源，驱动或停止动力头完成钻孔作业。
2.根据权利要求1所述的防突远距离控制钻机，其特征在于：所述动力装置(5)为液压动力装置，包括液压泵(51)、油箱(52)和液控多路阀，所述液压动力装置设置先导电磁阀组，所述先导电磁阀组与自动控制系统II相连，先导电磁阀组通过液控多路阀控制动力装置的动力输出。
3.根据权利要求2所述的防突远距离控制钻机，其特征在于：所述推进机构(4)包括底座(41)、设置在底座(41)上的机架(42)、设置在机架(42)上的导轨(43)和拖板(44)，所述拖板(44)设置在导轨(43)上并可沿导轨(43)滑动，所述动力头(3)设置在拖板(44)上；所述液压动力装置(5)通过马达链条倍力机构驱动推进机构(4)；还包括钻杆自动拆装机构，包括钳式夹持器I(6)和钳式夹持器II(7)，所述钳式夹持器I(6)和钳式夹持器II(7)内环面设置液压卡瓦，所述液压卡瓦与液控多路阀相连；钳式夹持器I(6)和钳式夹持器II(7)同轴设置，并在液压动力装置(5)的驱动下可沿径向相对转动；钳式夹持器I(6)和钳式夹持器II(7)的位置分别与相连接的两根钻杆端部对应。
4.根据权利要求3所述的防突远距离控制钻机，其特征在于：所述动力头包括液压马达I(31)和齿轮变速机构(32)，所述液压马达I(31)与液控多路阀相连，液压马达I(31)通过齿轮变速机构(32)驱动动力头(3)。
5.根据权利要求4所述的防突远距离控制钻机，其特征在于：还包括钻杆装卸机构，所述钻杆装卸机构包括钻杆举升机构(8)、钻杆储存箱(9)和钻杆抓取机构(10)，钻杆举升机构(8)包括顶升油缸(81)、摆杆(82)和连杆(83)，所述顶升油缸(81)的活塞杆和摆杆(82)组成曲柄摇杆机构，摆杆(82)和连杆(83)组成平行四边形机构，平行四边形机构上部横向固定设置顶杆(11)，所述顶杆(11)至少两根纵向并列设置；
所述钻杆储存箱(9)内设置有用于放置钻杆的列单元，列单元无底并设置在顶杆(11)上部；
钻杆抓取机构(10)包括液压马达II(101)、齿轮齿条机构(102)、滑臂(103)和抓取机构固定座(104)，滑臂(103)与钻杆垂直设置于钻杆储存箱(9)的列单元底部，所述液压马达II(101)与液控多路阀相连，滑臂(103)前端设置钻杆钩(105)，钻杆钩(105)横向设置半圆形凹槽，凹槽的中心线与动力头(3)回转中心的轴线在同一水平面上；所述滑臂(103)固定设置在齿轮齿条机构(102)的齿条上，液压马达II(101)通过齿轮齿条机构(102)带动滑臂(103)从而推动钻杆钩(105)前进或后退；滑臂(103)的前端和后端分别设置前限位块(107)和后限位块(106)；抓取机构固定座(104)上设置数量与钻杆储存箱(9)列单元数量一致的钻杆选择油缸(108)，相邻钻杆选择油缸(108)的间距与钻杆储存箱(9)内的相邻列单元间距相同；钻杆选择油缸(108)伸出的活塞杆与前限位块(107)配合，使滑臂(103)推动钻杆钩(105)与钻杆储存箱(9)内的列单元位置对应。
6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的防突远距离控制钻机，其特征在于：所述自动控制系统I和自动控制系统II为PLC自动控制系统。
7.根据权利要求6所述的防突远距离控制钻机，其特征在于：所述行走装置(2)为履带式行走装置，履带式行走装置(2)与液控多路阀相连并由液压动力装置5驱动。
8.根据权利要求7所述的防突远距离控制钻机，其特征在于：所述基座(1)上设置有手动操作台(12)，所述手动操作台(12)通过先导操作阀和液控多路阀控制动力装置的动力输出。
9.一种权利要求1所述的防突远距离控制钻机的控制方法，其特征在于：在进行远距离打钻前，手动控制打2-3根钻杆，并使动力头后退到位、钻杆抓取机构后退到位、钻杆举升机构处于顶升状态、钳式夹持器I夹紧和钳式夹持器II松开，远距离打钻包括以下步骤：
a.启动动力装置电机；
b.检测自动控制系统I与自动控制系统II通讯是否正常，如果通讯正常，启动冷却水开关；
c.检测各执行元件是否处于待命状态，如果各执行元件处于待命状态，则将状态选择开关打到打钻位；同时，进行钻杆储存箱内列钻杆选择并打到打钻位；
d.钻杆装卸机构的钻杆举升机构下降，钻杆抓取机构前进，动力头正转并前进到打钻位；
e.钳式夹持器I松开，钻杆举升机构上升，钻杆抓取机构后退，动力头正转并前进，打完整根钻杆；
f.钳式夹持器I夹紧并正向旋转，动力头反向旋转，被动后退后正常后退到装杆位，按计数器按钮，检查当前列钻杆是否全部上完，如果是，则进行列钻杆选择并打到打钻位，如果否，则进行步骤d。
10.根据权利要求9所述的远距离控制的突出煤层钻孔机的控制方法，其特征在于：还包括对卸钻杆的控制方法，在进行卸钻杆之前，钳式夹持器I和钳式夹持器II松开；钻杆举升机构处于顶升状态；钻杆抓取机构后退到位；卸钻杆包括以下步骤：
g.将状态选择开关打向卸钻杆，列钻杆选择并打向卸钻杆；
h.动力头正常后退到钻杆卸松位，钳式夹持器II夹紧，钳式夹持器I夹紧并正向旋转；
i.钳式夹持器II松开，动力头反向旋转，被动后退后正常后退到卸钻位；
j.钻杆抓取机构前进到卸钻位，钻杆举升机构下降，钳式夹持器II夹紧，动力头反向旋转，被动后退后正常后退到与钻杆脱离位；
k.钳式夹持器II松开，钻杆抓取机构后退到与钻杆分离位，钻杆举升机构上升，动力头正转并正常前进到装杆位；松开钳式夹持器I，按计数器按钮，检查当前列钻杆是否全部卸完，如果是，则进行列钻杆选择并打向卸钻杆，如果否，则进行步骤h。
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