CN102937018A - 全摩阻式钻杆的加压控制方法、设备和旋挖钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全摩阻式钻杆的加压控制方法、设备和旋挖钻机。其中，该方法包括：获取采样周期内的钻杆掘进距离和钻头掘进距离；判断钻杆掘进距离是否大于钻头掘进距离；如果是，减小钻杆的加压油缸的压力；如果钻杆掘进距离小于钻头掘进距离，增大钻杆的加压油缸的压力。本发明根据钻杆掘进距离与钻头掘进距离大小关系，减小或增大钻杆的加压油缸的压力，能够在保证旋挖钻机工作效率的基础上，尽量减小钻杆与动力头之间的滑动，进而降低了旋挖钻机的功耗浪费，提高了旋挖钻机的性能。

Description

全摩阻式钻杆的加压控制方法、设备和旋挖钻机

技术领域

本发明涉及工程机械领域，更具体地，涉及一种全摩阻式钻杆的加压控制方法、设备和旋挖钻机。 

背景技术

旋挖钻机是大口径桩基础工程的高效成孔设备，具有钻进扭矩大、施工效率高、转场机动灵活等优点，如图1所示的旋挖钻机的结构示意图，其中，通过桅杆油缸11驱动动力头12，动力头12带动钻头13的升降。 

如图2所示的旋挖钻机的油路系统示意图，其中，该油路系统包括：油箱1、油泵2、溢流阀3、比例方向控制阀4和加压油缸5，该油路为加压油缸的驱动油路，操作者通过控制手柄控制先导油路a1、b1获得压力，并使比例方向控制阀4换向，液压泵提供的压力油通过比例方向控制阀4，驱动加压油缸5伸缩，通过油缸2的油杆连接动力头对钻杆进行加压，使钻杆受到向下压力，驱使钻斗向下进尺。 

现有钻杆通常为全摩阻式钻杆，每节钻杆的外牙板在钻杆的全长方向是完整的直线型板式结构。在钻孔过程中，轴向加压力是通过旋挖钻机动力头旋转时在各节钻杆内外牙板间产生的摩擦力来实现轴向的加压进给。 

目前全摩阻式钻杆的加压压力无法自动调整，当加压压力较小时，钻杆受力较小，钻孔的进尺较慢，旋挖钻机的工作效率较低；当加压压力较大，动力头内牙板与外牙板之间出现滑动状态，钻杆基本不进尺，导致旋挖钻机的功耗浪费。 

针对相关旋挖钻机在高效工作时，功耗浪费较大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。 

发明内容

针对上述旋挖钻机在高效工作时，功耗浪费较大的问题，本发明提供了一种全摩阻式钻杆的加压控制方法、设备和旋挖钻机，以减小功耗损失。 

根据本发明的一方面，提供了一种全摩阻式钻杆的加压控制方法，包括：获取采样周期内的钻杆掘进距离和钻头掘进距离；判断钻杆掘进距离是否大于钻头掘进距离；如果是，减小钻杆的加压油缸的压力；如果所述钻杆掘进距离小于所述钻头掘进距离，增大钻杆的加压油缸的压力。 

上述获取采样周期内的钻杆掘进距离和钻头掘进距离包括：在采样周期内，通过获取主卷扬和加压油缸各自位置处安装的位移传感器的测量结果得到钻杆掘进距离和钻头掘进距离。 

其中，通过调节比例方向控制阀进油口处压力，以减小或增大钻杆的加压油缸的压力。 

上述方法还包括：通过压力传感器获取钻杆的加压油缸的压力P；调节加压油缸的加压流量Q=W/P，其中，W为加压油缸的额定功率。 

其中，通过设置在比例方向控制阀出油口处的电比例溢流阀调节加压油缸的加压流量。 

根据本发明的另一方面，提供了一种全摩阻式钻杆的加压控制设备，包括：距离获取模块，用于获取采样周期内的钻杆掘进距离和钻头掘进距离；判断模块，用于判断距离获取模块获取的钻杆掘进距离是否大于钻头掘进距离；控制模块，用于如果判断模块的判断结果为是，减小钻杆的加压油缸的压力；如果判断模块的判断结果为所述钻杆掘进距离小于所述钻头掘进距离，增大钻杆的加压油缸的压力。 

上述设备还包括：压力获取模块，用于通过压力传感器获取钻杆的加压油缸的压力P；流量调节模块，用于调节加压油缸的加压流量Q=W/P，其中，W为加压油缸的额定功率。 

根据本发明的又一方面，提供了一种旋挖钻机，包括上述加压控制设备，该加压控制设备用于获取采样周期内的钻杆掘进距离和钻头掘进距离，并判断获取的钻杆掘进距离是否大于钻头掘进距离；如果判断结果为是，减小钻杆的加压油缸的压力；如果判断结果为钻杆掘进距离小于钻头掘进距离，增大钻杆的加压油缸的压力。 

上述旋挖钻机的主卷扬安装有测量钻杆掘进距离的位移传感器，旋挖钻机的加压油缸上安装有测量钻头掘进距离的位移传感器，位移传感器均将测量结果发送给加压控制设备。 

上述旋挖钻机的比例方向控制阀进油口处设置有第一电比例溢流阀，第一电比例溢流阀与加压控制设备相连，用于在加压控制设备的控制下调节比例方向控制阀进油口处的压力，以减小或增大钻杆的加压油缸的压力。 

上述旋挖钻机还包括：压力传感器，压力传感器与加压油缸和加压控制设备相连，用于向加压控制设备反馈加压油缸的压力。 

上述旋挖钻机的比例方向控制阀出油口处设置有第二电比例溢流阀，第二电比例溢流阀与加压控制设备相连，用于在加压控制设备的控制下调节比例方向控制阀出油口处的压力，以调节加压油缸的加压流量Q=W/P，其中，W为加压油缸的额定功率，P为钻杆的加压油缸的压力。 

本发明根据钻杆掘进距离与钻头掘进距离大小关系，减小或增大钻杆的加压油缸的压力，能够在保证旋挖钻机工作效率的基础上，尽量减小钻杆与动力头之间的滑动，进而降低了旋挖钻机的功耗浪费，提高了旋挖钻机的性能。 

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 

图1是根据相关技术的旋挖钻机的结构示意图； 

图2是根据相关技术的旋挖钻机的油路系统示意图； 

图3是根据本发明实施例的全摩阻式钻杆未加压与加压的钻杆与钻头位置示意图； 

图4是根据本发明实施例的全摩阻式钻杆的加压控制方法流程图； 

图5是根据本发明实施例的旋挖钻机的油路系统示意图； 

图6是根据本发明实施例的电流与压力的关系示意图； 

图7是根据本发明实施例的t时间段中未加压与加压的钻杆与钻头位置示意图； 

图8是根据本发明实施例的流量与比例方向控制阀出油口压力的关系示意图； 

图9是根据本发明实施例的全摩阻式钻杆的加压控制设备的结构框图；以及 

图10是根据本发明实施例的旋挖钻机的局部示意图。 

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 

如图3所示的全摩阻式钻杆未加压与加压的钻杆与钻头位置示意图，当旋挖钻机进行加压操作后，加压油缸对动力头进行加压，动力头与钻杆之间的摩擦力F使钻杆产生向下的压力，驱使钻斗向下掘进，而钻杆与钻斗为一个整体，钻杆下降距离等于钻斗下降距离。理论上加压油缸的油杆伸出距离L1与钻斗向下掘进距离L2相等，但实际情况下，当出现土质情况较为坚硬的，摩阻杆（即钻杆）与动力头之间会出现滑动，但由于采用油缸加压，L1的加压行程不会由于滑动现象的出现而导致行程变化，L2的行程却会因为滑动现象的出现导致行程变短，出现L2<L1的情况，此时动力头与钻杆之间的摩擦力为滑动摩擦力F_滑；其中，图3中的L1和L2分别通过图中的第一位移传感器和第二位移传感器测量得到。因在物理学上滑动摩擦力小于静摩擦力，如果能在加压过程中不让摩阻杆与动力头之间出现滑动，此时产生的静摩擦力为F_静，那么钻斗将获得更大的向下掘进力，提高掘进速度和降低功耗损失。基于此，本方面实施例提供了一种全摩阻式钻杆的加压控制方法、设备和旋挖钻机。 

如图4所示的全摩阻式钻杆的加压控制方法流程图，该方法可以应用在旋挖钻机的控制器中，例如：PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）。该方法包括以下步骤： 

步骤S402，获取采样周期内的钻杆掘进距离和钻头掘进距离； 

步骤S404，判断钻杆掘进距离是否大于钻头掘进距离；如果是，执行步骤S406；如果钻杆掘进距离小于钻头掘进距离，步骤S408； 

步骤S406，减小钻杆的加压油缸的压力； 

步骤S408，增大钻杆的加压油缸的压力。 

本实施例根据钻杆掘进距离与钻头掘进距离大小关系，减小或增大钻杆的加压油缸的压力，能够在保证旋挖钻机工作效率的基础上，尽量减小钻杆与动力头之间的滑动，进而降低了旋挖钻机的功耗浪费，提高了旋挖钻机的性能。 

上述减小或增大钻杆的加压油缸的压力的幅度可以根据经验设定。如果在当前采样周期内，钻杆掘进距离等于钻头掘进距离，则可以继续保持当前钻杆的加压油缸的压力不变。 

上述钻杆掘进距离大于钻头掘进距离通常因为土质情况较为坚硬导致，而上述钻杆掘进距离小于钻头掘进距离的情况通常因为钻头受外力导致，例如施工过程中操作人员的误操作等。 

本发明实施例中的采样周期可以根据实际需要设定，例如设定为一分钟或5分钟等。 

为了便于获取钻杆掘进距离和钻头掘进距离，本发明实施例在主卷扬上安装有测量钻杆掘进距离的位移传感器，在加压油缸上安装有测量钻头掘进距离的位移传感器，这两个位移传感器均将测量结果发送给旋挖钻机的控制器。基于此，上述步骤S402可以包括：在采样周期内，通过获取主卷扬和加压油缸各自位置处安装的位移传感器的测量结果得到钻杆掘进距离和钻头掘进距离。 

本实施例中的位移传感器可以为拉线式位移传感器或磁致伸缩式位移传感器等。 

考虑到比例方向控制阀进油口处的电流越大，进油口的压力越高，反之，进油口压力越小，本实施例通过调节比例方向控制阀进油口处的压力，以减小或增大钻杆的加压油缸的压力。例如，调节比例方向控制阀的PWM（Pulse Width Modulation，脉宽宽度调制式）电流，具体地，可以通过设置在比例方向控制阀进油口处的电比例溢流阀调节PWM电流的大小。 

为了避免在调节加压油缸压力的过程中出现加压油缸的实际功率大于额定功率的问题，本实施例的上述方法还包括：通过压力传感器获取钻杆的加压油缸的压力P；调节加压油缸的加压流量Q=W/P，其中，W为加压油缸的额定功率。例如，通过设置在比例方向控制阀出油口处的电比例溢流阀调节加压油缸的加压流量。 

如图5所示的旋挖钻机的油路系统示意图，其中，该油路系统包括：油箱51、油泵52、溢流阀53、比例方向控制阀54、加压油缸55、压力传感器56、第一电比例溢流阀57、第二电比例溢流阀58。 

本实施例在比例方向控制阀54的A口（即，进油口）安装有第一电比例溢流阀57，第一电比例溢流阀57通过控制器输出的PWM电流控制A口压力，压力传感器56实时显示A口压力值。第一电比例溢流阀57可以选用哈威比例溢流阀PWV-43等，电流与压力的关系示意图如图6所示，由该图可以看出，当电流越大时，A口的压力越高，反之，A口压力越小；在比例方向控制阀54的b1口（即，出油口）安装有第二电比例溢流阀58，第二电比例溢流阀58通过控制器输出的PWM电流控制b1口压力，通过控制b1口压力来控制比例方向控制阀54的流量大小。 

如图7所示的t时间段中未加压与加压的钻杆与钻头位置示意图；该图中设定采样周期为 t，在t时间段中，设定钻杆掘进距离为E1=L3-L1；钻斗掘进距离为E2=L4-L2；其中，L1为t时间段的初始时刻加压油缸的油杆伸出距离，L2为t时间段的初始时刻钻斗向下掘进距离；L3为t时间段的结束时刻加压油缸的油杆伸出距离，L4为t时间段的结束时刻钻斗向下掘进距离；通过实时比较E（E=E1-E2）来调整图5中比例溢流阀57的设定压力P，达到对加压过程中的实时调整。以E1为参考基准，认为当E1=E2时，此时将产生F_静；本实施例通过分别在主卷扬上和加压油缸上安装位移传感器（即图7中的第一位移传感器和第二位移传感器）来测量加压油缸行程E1和钻头掘进行程E2，由于钻头掘进行程E2受外界负载的影响处于时变状态，无法控制；而加压油缸行程E1取决于加压油缸的压力，是可控的，在图5中第一比例溢流阀57用来控制其加压油缸压力。具体控制如下： 

当E>0，通过控制器减小对第一比例溢流阀57的电流来使将P降低； 

当E<0，通过控制器增大对第一比例溢流阀57的电流来使将P增大； 

当E=0，通过控制器保持第一比例溢流阀57的电流来维持P不变。 

本实施例的上述方法在采样周期为T的情况下，可以实现实时调节P，使其钻斗获得最大加压力的效果。 

如图8所示的流量与比例方向控制阀出油口压力的关系示意图，图中左侧为流量，右侧为比例方向控制阀型号1、2、3……，图8表示的是同时通过控制第二比例溢流阀58来控制比例方向控制阀54的流量，本实施例通过压力传感器获取钻杆的加压油缸的压力P，本实施例的压力传感器实时检测加压油缸的压力，并将该压力反馈给控制器。本实施例设定其控制的流量为Q，设定油泵52的功率为W。在调节压力P（即图中的先导压力，单位为bar）的同时，通过公式Q=W/P，来计算Q，并且根据图8推导出第二比例溢流阀58的控制电流。保证加压过程中，加压所需的功率不大于油泵提供的功率，保护油泵52的正常工作。 

对应于上述方法，本发明实施例还提供了一种全摩阻式钻杆的加压控制设备，该设备可以是旋挖钻机的控制器，如图9所示的全摩阻式钻杆的加压控制设备的结构框图，该设备包括以下模块： 

距离获取模块92，用于获取采样周期内的钻杆掘进距离和钻头掘进距离； 

判断模块94，用于判断距离获取模块92获取的钻杆掘进距离是否大于钻头掘进距离； 

控制模块96，用于如果判断模块94的判断结果为是，减小钻杆的加压油缸的压力；如果判断模块的判断结果为钻杆掘进距离小于钻头掘进距离，增大钻杆的加压油缸的压力。 

本实施例的设备根据钻杆掘进距离与钻头掘进距离大小关系，减小或增大钻杆的加压油缸的压力，能够在保证旋挖钻机工作效率的基础上，尽量减小钻杆与动力头之间的滑动，进而降低了旋挖钻机的功耗浪费，提高了旋挖钻机的性能。 

如果在当前采样周期内，钻杆掘进距离等于钻头掘进距离，则上述设备可以继续保持当前钻杆的加压油缸的压力不变。 

为了保证设备正常工作，上述设备还包括：压力获取模块，用于通过压力传感器获取所 述钻杆的加压油缸的压力P；流量调节模块，用于调节加压油缸的加压流量Q=W/P，其中，W为加压油缸的额定功率。 

本发明实施例还提供了一种旋挖钻机，该旋挖钻机包括上述加压控制设备。该加压控制设备用于获取采样周期内的钻杆掘进距离和钻头掘进距离，并判断获取的所述钻杆掘进距离是否大于所述钻头掘进距离；如果判断结果为是，减小钻杆的加压油缸的压力；如果判断结果为否，增大所述钻杆的加压油缸的压力。 

优选地，本实施例的旋挖钻机的主卷扬安装有测量钻杆掘进距离的位移传感器，旋挖钻机的加压油缸上安装有测量钻头掘进距离的位移传感器，该位移传感器均将测量结果发送给加压控制设备。该位移传感器可以为拉线式位移传感器或磁致伸缩式位移传感器等。 

为了便于控制加压油缸的压力，本实施例提供的旋挖钻机的比例方向控制阀进油口处设置有第一电比例溢流阀，第一电比例溢流阀与加压控制设备相连，用于在加压控制设备的控制下调节比例方向控制阀进油口处的压力（例如，通过调节PWM电流调节该压力），以减小或增大钻杆的加压油缸的压力。 

为了使加压控制设备能够确定当前加压油缸的压力，本实施例的旋挖钻机还包括：压力传感器，该压力传感器与加压油缸和上述加压控制设备相连，用于向加压控制设备反馈加压油缸的压力。 

为了避免在调节加压油缸压力的过程中出现加压油缸的实际功率大于额定功率的问题，本实施例提供的旋挖钻机的比例方向控制阀出油口处设置有第二电比例溢流阀，第二电比例溢流阀与加压控制设备相连，用于在加压控制设备的控制下调节比例方向控制阀出油口处的压力（例如通过调节PWM电流调节该压力），以调节加压油缸的加压流量Q=W/P，其中，W为加压油缸的额定功率，P为钻杆的加压油缸的压力，通过上述压力传感器的反馈确定该加压油缸的压力大小。 

上述比例方向控制阀出油口和进油口处的压力采用的是调节PWM电流的方式实现，实际应用时，也可以采用调节PWM电压的方式实现。 

如图10所示的旋挖钻机的局部示意图，其中，控制器（相当于上述加压控制设备）分别与比例溢流阀、第一位移传感器、第二位移传感器和加压油缸压力传感器（即上述压力传感器）相连，用于根据第一位移传感器、第二位移传感器和加压油缸压力传感器反馈的信号控制比例溢流阀的电流，进而控制钻杆的加压油缸的压力。 

上述实施例中的电比例溢流阀的安装位置以安装在加压油缸主油路上（及加压油缸液压阀前或后）为例进行的说明，该安装方式下的电比例溢流阀属于比例溢流阀。因加压油缸的液压油主要是用液压泵提供，因此也可以选用变量液压泵，通过PWM电流直接调节液压泵的出油口压力来调节加压油缸压力P。也就是说，上述方式对于节流调速回路，容积调速回路，容积节流调速回路都适用。 

另外，对于第二电比例溢流阀的功能，如果比例方向控制阀为电控比例方向控制阀，此第二电比例溢流阀可以取消。 

上述实施例适用于各类地质情况，通过E计算和加压油缸压力P的控制，使牙板间摩擦力F实现了最大化，消除了过去摩擦力F无法控制的情况，实现了精确控制。 

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例提出了一种全新全摩阻式钻杆加压方式，通过控制器的逻辑判断及输出控制后，能准确及时的控制加压油缸压力，消除了加压力不随负载变化而改变的弊端，达到了加压力最优选择，提高的工作效率和节能减排的效果；同时，在实际设计时，可以设计控制器根据输入信息对输入数据处理，根据动力头压力自动开启最优控制系统，该方式下，控制器可以实时监控和控制加压油缸压力，构成闭环控制。这样，可以减轻了驾驶员判断动作执行情况的负担，降低了设备对驾驶员操作水平，以及驾驶经验等主观因素的依赖，使施工动作的平均效率和可靠性均得到提高。 

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (12)

1.一种全摩阻式钻杆的加压控制方法，其特征在于，包括：

获取采样周期内的钻杆掘进距离和钻头掘进距离；

判断所述钻杆掘进距离是否大于所述钻头掘进距离；

如果是，减小钻杆的加压油缸的压力；

如果所述钻杆掘进距离小于所述钻头掘进距离，增大所述钻杆的加压油缸的压力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取采样周期内的钻杆掘进距离和钻头掘进距离包括：

在采样周期内，通过获取主卷扬和加压油缸各自位置处安装的位移传感器的测量结果得到钻杆掘进距离和钻头掘进距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过调节比例方向控制阀进油口处压力，以减小或增大所述钻杆的加压油缸的压力。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过压力传感器获取所述钻杆的加压油缸的压力P；

调节所述加压油缸的加压流量Q=W/P，其中，W为所述加压油缸的额定功率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过设置在所述比例方向控制阀出油口处的电比例溢流阀调节所述加压油缸的加压流量。

6.一种全摩阻式钻杆的加压控制设备，其特征在于，包括：

距离获取模块，用于获取采样周期内的钻杆掘进距离和钻头掘进距离；

判断模块，用于判断所述距离获取模块获取的所述钻杆掘进距离是否大于所述钻头掘进距离；

控制模块，用于如果所述判断模块的判断结果为是，减小钻杆的加压油缸的压力；如果所述判断模块的判断结果为所述钻杆掘进距离小于所述钻头掘进距离，增大所述钻杆的加压油缸的压力。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：

压力获取模块，用于通过压力传感器获取所述钻杆的加压油缸的压力P；

流量调节模块，用于调节所述加压油缸的加压流量Q=W/P，其中，W为所述加压油缸的额定功率。

8.一种旋挖钻机，其特征在于，包括加压控制设备；

所述加压控制设备用于获取采样周期内的钻杆掘进距离和钻头掘进距离，并判断获取的所述钻杆掘进距离是否大于所述钻头掘进距离；如果判断结果为是，减小钻杆的加压油缸的压力；如果判断结果为所述钻杆掘进距离小于所述钻头掘进距离，增大所述钻杆的加压油缸的压力。

9.根据权利要求8所述的旋挖钻机，其特征在于，所述旋挖钻机的主卷扬安装有测量钻杆掘进距离的位移传感器，所述旋挖钻机的加压油缸上安装有测量钻头掘进距离的位移传感器，所述位移传感器均将测量结果发送给所述加压控制设备。

10.根据权利要求8所述的旋挖钻机，其特征在于，所述旋挖钻机的比例方向控制阀进油口处设置有第一电比例溢流阀，所述第一电比例溢流阀与所述加压控制设备相连，用于在所述加压控制设备的控制下调节所述比例方向控制阀进油口处的压力，以减小或增大所述钻杆的加压油缸的压力。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的旋挖钻机，其特征在于，所述旋挖钻机还包括：压力传感器，所述压力传感器与所述加压油缸和所述加压控制设备相连，用于向所述加压控制设备反馈所述加压油缸的压力。

12.根据权利要求11所述的旋挖钻机，其特征在于，所述旋挖钻机的比例方向控制阀出油口处设置有第二电比例溢流阀，所述第二电比例溢流阀与所述加压控制设备相连，用于在所述加压控制设备的控制下调节所述比例方向控制阀出油口处的压力，以调节所述加压油缸的加压流量Q=W/P，其中，W为所述加压油缸的额定功率，P为所述钻杆的加压油缸的压力。

Images