CN102278072A - 海床式钻机的液压自动调平系统及调平方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海床式钻机的液压自动调平系统及调平方法，调平系统包括支撑板、大臂、链条、液压缸支腿、底座和液压系统，底座支撑钻机并与液压缸支腿连接，大臂连接液压缸支腿、底座和支撑板，支撑板与海床面接触。调平方法是在底座上选择两个互相垂直的X轴，Y轴，将双轴倾角传感器沿X轴或Y轴安装，由双轴倾角传感器测出两坐标轴方向上的倾斜角度，通过信号调理模块放大、滤波、隔离，调理后的信号送到数据采集设备和计算机中，再经信号分析模块，数模转换，放大，输出3路电流,驱动3个比例换向阀的阀芯运动，控制系统的流量，驱动三液压缸支腿分别上升y1，y2，y3，实现调平。本发明适用于各类海底钻探设备，调平速度快、精度高。

Description

海床式钻机的液压自动调平系统及调平方法

技术领域

本发明涉及一种海底锥探钻探一体化装备中调平系统及调平方法，具体涉及一种海床式钻机的液压自动调平系统及调平方法。

背景技术

海床式钻机是海洋岩心钻探一种发展趋势，作为岩心钻机的关键部分之一，调平系统设计的好坏将决定了钻机整体性能的高低。然而，复杂的海底地形很可能造成钻机倾斜地坐落于海床面上，因此需要对钻机底座正X和Y两个方向的倾斜角度进行实时监测并作出相应的调整，以保证钻杆或探杆垂直贯入海泥中。

目前，我国具有代表性的海底钻机有长沙矿山研究院研制的我国第1台深海浅地层岩芯取样钻机和中国地质大学（武汉）研制的YHZ-1型遥控振动式海底取样钻机，因其未考虑钻机在复杂海底的调平问题，因此不适用于复杂地形的海底面的锥钻施工。

调平系统按调平的的支撑点个数分类，有三点支撑、四点支撑、六点支撑等几种方案。三点式支承使用三个调平支承腿，能够方便地实现平台自动调整，但因为支承点少，其稳定性和抗倾覆能力较差，但增大支承点之间的跨距就可以解决这个问题。四点、六点调平支撑虽然可靠，抗倾覆能力强，但存在静不定问题，容易产生“虚腿”，静不定次数越高，控制系统越复杂。

发明内容

本发明的目的之一是为满足海底钻机特殊的工况要求，提供一种用于海床式钻机的液压自动调平系统，可实现海底钻探设备的动态调平，可适应最大倾角为15°的坡度，具有能很好地控制底座的高度的功能。

本发明的目的之二是提供一种对上述海床式钻机的液压自动调平系统进行自动调平的方法，具有调平速度快、调平精度高的优点，从而确保钻具垂直钻进，减少钻机倾斜造成的损失。

为实现上述第一个目的，本发明采取的技术方案是：提供一种用于海床式钻机的液压自动调平系统，包括支撑板、大臂、链条、液压缸支腿、底座和液压系统，所述的底座上通过销轴A铰接有大臂和3个液压缸支腿，大臂的另一端通过销轴A与支撑板铰接；液压缸支腿的另一端通过销轴A与大臂铰接；链条一端通过销轴B与大臂轴接，另一端通过销轴B与支撑板上的链条连接块轴接；通过控制液压缸支腿的伸缩完成海底钻机的调平；

所述的液压系统由括油泵、节流阀、压力表、溢流阀、2个过滤器、3个油箱、3个比例换向阀和3个液压锁构成，所述的过滤器A、过滤器B和溢流阀分别与油箱连接，过滤器A串接油泵、节流阀与压力表；溢流阀也串接节流阀、压力表，油泵、节流阀、溢流阀同时与3个比例换向阀连接；过滤器B也与3个比例换向阀连接；比例换向阀A与液压锁A连接后与液压缸支腿A连接，同样的比例换向阀B与液压锁B连接后与液压缸支腿B接，比例换向阀C与液压锁C连接后与液压缸支腿C串接，每个液压缸支腿由一个三位四通比例换向阀控制，实现三个液压缸各自运行互不干扰的回路，液压锁采用两个液控单向阀的联锁回路将活塞锁定在任意规定的位置上。

本发明所述的支撑板包括支撑栅栏、支撑板连接块、连接耳环、支撑筛网、链条连接块、支撑筛底、弹簧、卡块、过滤膜；所述的支撑筛网由钢筋焊接而成，支撑栅栏和支撑筛底由型钢和钢管焊接而成，支撑板连接块通过螺栓固定在支撑筛底上，连接耳环、链条连接块分别通过螺栓固定在支撑板连接块上；支撑筛网通过卡块固定在支撑筛底上，过滤膜依附在支撑筛网上，支撑栅栏通过弹簧固定在支撑筛底上。

本发明所述的过滤膜由尼龙材质制成。过滤膜依附支撑筛网上，过滤膜可使水排出而不让泥沙通过；支撑栅栏由各种型钢和钢管焊接而成，作用是避免泥沙将过滤膜撑破，而且还可以充分分解支撑板与大臂铰接处的作用力，避免应力集中。

本发明所述的大臂由大臂连接块、主梁、左大臂连接块、右大臂连接块、左大臂耳环、右大臂耳环构成，所述的主梁由右两根槽钢焊接而成，大臂连接块、左大臂连接块、右大臂连接块、左大臂用耳环、右大臂用耳环分别通过螺栓固定在主梁上。

本发明所述的底座上通过螺栓固定有连接耳环和底座大臂用耳环。

本发明所述的液压缸支腿是采用液压缸作为支腿，通过液压缸的伸缩调节支腿的长度、高度，完成海底钻机的调平；本发明所述的三条液压缸支腿的结构相同，在同一水平面上满足等边三角形的排布。

本发明为实现第二个目的，采取的技术方案是：提供一种对所述的海床式钻机的液压调平系统进行自动调平的方法，包括如下步骤：

第1步：通过双轴倾角传感器测量底座在X和Y两个正交方向上对水平面的倾角，并将测量信号以数字形式发送给钻机的LabVIEW数据采集设备，判断两倾角的倾斜程度；

第2步： X轴和Y轴交替独立调节，即调平起始选择倾角较小的轴为旋转轴线，轴线两侧低支撑点上升，而后交换轴线进行再调节直至底座达到水平状态；

第3步：当海床面下陷或载荷变化造成底座的倾斜超过允许范围时，显示报警，提醒此时底座需要进行调平，直到底座达到水平状态；

第4步：不断监测底座的倾斜程度，若倾斜程度超过允许范围，再次进行调平；

第5步：若底座的倾斜角度超过了可调的范围，则提醒船上工作人员另选一处采样点进行采样，重置后钻机的调平重复上述过程。

本发明一种海床式钻机的液压自动调平系统及调平方法具有如下优点： 

1、本发明的调平系统结构科学合理，能很好的控制钻机底座的高度；调平系统采用液压控制系统，控制方便，能够满足深海作业的要求。

2、本发明的调平的方法中采用液压伺服油缸驱动，可自动进行调平，调平速度快，精度高。

附图说明

图1为本发明的一种海床式钻机的液压自动调平系统装配结构示意图。

图2为本发明的液压系统原理图。

图3为本发明中支撑板的结构示意图。

图4为本发明中大臂的结构示意图。

图5为本发明中底座结构示意图。

图6为本发明的调平方法流程图。

图7为本发明中倾角传感器的安装方式与3个支腿之间的位置关系图。

图8为本发明中钻机底座的模型图。

图9为本发明任一液压缸支腿长度与其对应支点距地面垂直距离的关系图。

上述图中：1-支撑板、2-大臂、3-链条、4-液压缸支腿、5-底座、6-销轴A、7-销轴B、8-支撑栅栏、9-支撑板连接块、10-连接耳环、11-支撑筛网、12-链条连接块、13-支撑筛底、14-弹簧、15-卡块、16-过滤膜、17-大臂连接块、18-主梁、19-左大臂连接块、20-右大臂连接块、21-左大臂耳环、22-右大臂耳环、23-大臂用耳环、24-油箱A、25-过滤器A、26-油泵、27-节流阀、28-压力表、29-溢流阀，30-过滤器B 、31-比例换向阀A、32-比例换向阀B、33-比例换向阀C、34-液压锁A、35-液压锁B、36-液压锁C、37-液压缸支腿A、38-液压缸支腿B、39-液压缸支腿C、40-油箱B、41-油箱C、42-双轴倾角传感器、43-水平面P。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。

实施例1：本发明一种海床式钻机的液压自动调平系统，其结构如图1、2所示。包括支撑板1、大臂2、链条3、液压缸支腿4、底座5和液压控制系统。

支撑板1：直接与海床面接触，作用是分解整个钻机的重力。

大臂2：用于连接液压缸支腿、底座和支撑板。

链条3：用于约束支撑板转动的自由度。

液压缸支腿4：三条液压缸支腿4的结构相同，在同一水平面上满足等边三角形的排布，通过分别控制3条液压缸支腿的长度、高度来完成海床式钻机在海底的调平。

底座5：是整个调平系统的基础，其主要作用是连接并支撑整个钻机。

液压系统：考虑到深海环境，本发明采用液压系统，通过控制液压系统对比例换向阀操控，实现对液压缸支腿顺序控制，自动完成海底钻机的调平。

如图1，本发明的调平系统，在底座5上通过销轴A6铰接有大臂2和3个液压缸支腿4，大臂2的另一端通过销轴A6与支撑板1铰接；液压缸支腿4的另一端通过销轴A6与大臂2铰接；链条3端通过销轴B7与大臂2轴接，另一端通过销轴B7与支撑板1上的链条连接块12轴接；通过控制液压缸支腿的伸缩完成海底钻机的调平。

如图2，所述的液压系统由油泵26、节流阀27、压力表28、溢流阀29、2个过滤器、3个油箱、3个比例换向阀和3个液压锁构成，所述的过滤器A25、溢流阀29和过滤器B30分别与油箱A24、油箱B40、油箱C41连接，过滤器A25串接油泵26，节流阀27与压力表28；溢流阀29也与节流阀27、压力表28连接，油泵26、节流阀27、溢流阀29同时还与3个比例换向阀连接；过滤器B30也与3个比例换向阀连接；比例换向阀A31与液压锁A34连接后与液压缸支腿A37连接，同样的比例换向阀B32与液压锁B35、液压缸支腿B38串接，比例换向阀C33与液压锁C36、液压缸支腿C39串接，每个液压缸支腿分别由一个三位四通比例换向阀控制，实现三个液压缸支腿中的每个液压缸各自运行互不干扰的回路，液压锁采用两个液控单向阀的联锁回路将活塞锁定在任意规定的位置上。

如图3所示，本发明的支撑板1包括支撑栅栏8、支撑板连接块9、连接耳环10、支撑筛网11、链条连接块12、支撑筛底13、弹簧14、卡块15、过滤膜16；所述的支撑筛网11由钢筋焊接而成，支撑栅栏8和支撑筛底13由型钢和钢管焊接而成，支撑板连接块9通过螺栓固定在支撑筛底13上，连接耳环10、链条连接块12分别通过螺栓固定在支撑板连接块9上；支撑筛网11通过卡块15固定在支撑筛底13上，过滤膜16依附在支撑筛网11上，支撑栅栏8通过弹簧14固定在支撑筛底13上。

如图4所示，本发明的大臂2由大臂连接块17、主梁18、左大臂连接块19、右大臂连接块20、左大臂耳环21、右大臂耳环22构成，主梁18由右两根槽钢焊接而成，大臂连接块17、左大臂连接块19、右大臂连接块20、左大臂用耳环21、右大臂用耳环22分别通过螺栓固定在主梁18上。

如图5所示，本发明的底座5上通过螺栓固定有连接耳环10和底座大臂用耳环23。

本发明提供一种对上述的海床式钻机的液压调平系统进行自动调平的方法，包括如下步骤：参看图6～图9，第1步：通过双轴倾角传感器42测量底座在X和Y两个正交方向上对水平面的倾角，并将测量信号以数字形式发送给钻机的LabVIEW数据采集设备，判断两倾角即X轴的夹角α角，Y轴夹角β角的倾斜程度。

参见图6、图7，所述的在钻机底座5上选择两个互相垂直的方向定位X轴，Y轴；沿X轴或Y轴安装双轴倾角传感器42；工作过程中实现3点分组，也就是3点受力，假设由倾角传感器42测出底座平台与水平面P43在X轴方向上的夹角为α，在Y轴方向上的夹角为β，由于倾角传感器42输出的信号不能直接被采集设备读取，需要通过LabVIEW信号调理模块进行放大、滤波、隔离等操作，经过调理的信号再传输到LabVIEW数据采集设备中，数据采集设备的作用是将获取的信号转换成计算机能够识别的数据，并送入计算机中，再经LabVIEW信号分析模块，将数字信号转换为模拟信号，由功率放大器，输出电流i1,i2, i3,分别驱动比例换向阀A31、比例换向阀B32、比例换向阀C33的阀芯运动；通过3组比例换向阀的阀芯运动，控制系统的流量，分别得到流量q1,q2,q3驱动液压缸支腿，使液压缸支腿A37，液压缸支腿B38，液压缸支腿C39分别伸长y1，y2，y3，从而实现调平的功能，最终使钻机底座5在海底达到水平状态。

第2步参见图8、图9， X轴和Y轴交替独立调节，即调平起始选择倾角较小的轴为旋转轴线，轴线两侧低支撑点上升，而后交换轴线进行再调节直至底座达到水平状态。

其中O-XYZ为底座平台坐标系，表示底座平台的实际位置；为水平面P43的坐标系，表示水平位置。其中点O′、I、N、J、Q′分别为点O、A、B、C、Q在水平面P43的投影点，点F、G、H分别为各支腿与地面的接触点，两平面在X方向与Y方向夹角分别为α与β，底座宽，底座长，根据空间几何关系，平面ABCD内点A，B，C，0与点D的高度差分别通过如下公式计算得出： 

 

 

 

上述公式中的AI、BN、E′E、OO′表示点A，B，C，0与点D的高度差。

图9为液压缸长度与其对应支点距地面垂直距离关系图，图中横坐标为液压缸长度（/mm），纵坐标为对应竖直方向的距离（/mm）。得到支点距地面垂直距离就可知道对应的液压缸支腿调平时应该伸长的距离。因本发明采用的是最高点不动调平法，低点向高点靠拢，液压缸支腿一直是伸长的，所以不必考虑活塞杆的运动方向。

在上述基础上，本发明还设定了一个误差范围，当两倾角进入误差范围内，就认为调平满足精度要求，即停止液压缸支腿的伸长。进入第3步：当海底面下陷或载荷变化造成底座的倾斜超过允许范围时，显示报警，提醒此时底座需要进行调平，直到底座达到水平状态。

进入第4步，双轴倾角传感器不断监测底座的倾斜程度，当由于海地面下陷、或载荷变化等情况造成底座的倾斜超过允许范围时，显示报警，提醒此时底座需要再次进行调平。

  第5步，若底座的倾斜角度超过了可调的范围，则提醒船上工作人员另选一处采样点进行采样，重置后钻机的调平重复上述过程。

本发明的调平系统结构科学合理，调平方法简单，可自动进行调平，调平速度快，精度高，能够满足深海作业的要求。

Claims (7)

1.一种海床式钻机的液压自动调平系统，包括支撑板、大臂、链条、液压缸支腿、底座和液压系统，其特征在于：所述的底座上通过销轴A铰接有大臂和3个液压缸支腿，大臂的另一端通过销轴A与支撑板铰接；液压缸支腿的另一端通过销轴A与大臂铰接；链条3端通过销轴B与大臂轴接，另一端通过销轴B与支撑板上的链条连接块轴接；通过控制液压缸支腿的伸缩完成海底钻机的调平；

所述的液压系统由括油泵、节流阀、压力表、溢流阀、2个过滤器、3个油箱、3个比例换向阀和3个液压锁构成，所述的过滤器A、过滤器B和溢流阀分别与油箱连接，过滤器A串接油泵、节流阀与压力表；溢流阀也串接节流阀、压力表，油泵、节流阀、溢流阀同时与3个比例换向阀连接；过滤器B也与3个比例换向阀连接；比例换向阀A与液压锁A连接后与液压缸支腿A连接，同样的比例换向阀B与液压锁B连接后与液压缸支腿B接，比例换向阀C与液压锁C连接后与液压缸支腿C串接，每个液压缸支腿由一个三位四通比例换向阀控制，实现三个液压缸各自运行互不干扰的回路，液压锁采用两个液控单向阀的联锁回路将活塞锁定在任意规定的位置上。

2.根据权利要求1所述的一种海床式钻机的液压自动调平系统，其特征在于：所述的支撑板包括支撑栅栏、支撑板连接块、连接耳环、支撑筛网、链条连接块、支撑筛底、弹簧、卡块、过滤膜；所述的支撑筛网由钢筋焊接而成，支撑栅栏和支撑筛底由型钢和钢管焊接而成，支撑板连接块通过螺栓固定在支撑筛底上，连接耳环、链条连接块分别通过螺栓固定在支撑板连接块上；支撑筛网通过卡块固定在支撑筛底上，过滤膜依附在支撑筛网上，支撑栅栏通过弹簧固定在支撑筛底上。

3.根据权利要求2所述的一种海床式钻机的液压自动调平系统，其特征在于：所述的过滤膜由尼龙材质制成。

4.根据权利要求1所述的一种海床式钻机的液压自动调平系统，其特征在于：所述的大臂由大臂连接块、主梁、左大臂连接块、右大臂连接块、左大臂耳环、右大臂耳环构成，所述的主梁由两根槽钢焊接而成，大臂连接块、左大臂连接块、右大臂连接块、左大臂用耳环、右大臂用耳环分别通过螺栓固定在主梁上。

5.根据权利要求1所述的一种海床式钻机的液压自动调平系统，其特征在于：所述的底座上通过螺栓固定有连接耳环和底座大臂用耳环。

6.根据权利要求1所述的一种海床式钻机的液压自动调平系统，其特征在于：所述的三条液压缸支腿的结构相同，在同一水平面上满足等边三角形的排布。

7.一种对权利要求1所述的海床式钻机的液压调平系统进行自动调平的方法，其特征在于：包括如下步骤：

第1步：通过双轴倾角传感器测量底座在X和Y两个正交方向上对水平面的倾角，并将测量信号以数字形式发送给钻机的LabVIEW数据采集设备，判断两倾角的倾斜程度；

第2步： X轴和Y轴交替独立调节，即调平起始选择倾角较小的轴为旋转轴线，轴线两侧低支撑点上升，而后交换轴线进行再调节直至底座达到水平状态；

第3步：当海床面下陷或载荷变化造成底座的倾斜超过允许范围时，显示报警，提醒此时底座需要进行调平，直到底座达到水平状态；

第4步：不断监测底座的倾斜程度，若倾斜程度超过允许范围，再次进行调平；

第5步：若底座的倾斜角度超过了可调的范围，则提醒船上工作人员另选一处采样点进行采样，重置后钻机的调平重复上述过程。

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