CN103590806A - 一种旋挖钻机带杆控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋挖钻机带杆控制系统及方法，包括：电阻应变式拉力传感器、位移传感器、微分处理装置和控制装置；电阻应变式拉力传感器采集卷扬系统作用于提升钻杆的提升力，微分处理装置对提升力进行微分处理；位移传感器采集钻杆的提升高度；控制装置预先针对各种钻头、钻杆建立钻杆提升高度与提升力微分的关系曲线，判断接收的提升力微分值与钻杆的提升高度之间的对应关系与关系曲线是否吻合，当不吻合时，则判断钻杆出现带杆；当判断出现带杆现象时，控制装置控制卷扬系统停止提升钻杆。本发明的系统及方法，能够准确界定带杆发生的故障点，当带杆故障发生后，系统迅速有效地检测并解除此类故障现象，以免对整机系统造成不可预知的损害。

Description

一种旋挖钻机带杆控制系统及方法

技术领域

本发明涉及工艺装备技术领域，尤其涉及一种旋挖钻机带杆控制系统及方法。

背景技术

旋挖钻机成孔灌注桩工法在我国取得了广泛的应用。在提钻作业中，钻杆按照从内到外的顺序逐节提升，但是由于各种原因，可能会出现非正常顺序提升收缩的现象。只要任一外节杆先于其内节杆收缩，就证明旋挖钻钻杆出现带杆。带杆一旦发生，如果不及时发现处理，就会对整个系统部件造成巨大破坏。如图1所示，旋挖钻机钻孔作业提钻以前或提钻过程中，钻杆1伸出在孔里，操作手看不到除第1节杆外的其它各杆的位置和运行情况，所以操作手不知道提钻时是否发生了带杆状况，而带杆发生后如不及时处理或处理不当,是旋挖钻钻杆发生故障并导致钻杆损坏进而造成施工故障的主要原因。

目前，旋挖钻机带杆问题还没有很好的解决方法，只能依靠操作者的熟练操作和经验，带杆还是时有发生。为了解决上述问题，一篇公开号为CN201065741的中国实用型专利“旋挖钻机钻杆的防带杆损坏装置”，该装置用于发生带杆后降低带杆造成的危害；另一篇公开号为CN101956536中国发明专利“旋挖钻机钻杆带杆监测方法及防带杆系统”，该监测方法及系统通过对钻杆的提升力和提升高度进行对比，监控带杆现象的发生。公开号为CN201065741的中国实用型专利“旋挖钻机钻杆的防带杆损坏装置”，该装置用于发生带杆后降低带杆造成的危害，不能预防带杆的发生；公开号为CN101956536中国发明专利“旋挖钻机钻杆带杆监测方法及防带杆系统”，此监测方法在带杆初期就能提示操作人员，但是在提钻过程中，钻杆上一些残留物（如小石块等）同样会引起拉力上升，在没有发生带杆的情况下同样有力的变化，引起误报警，影响工作效率。因此，研究一种旋挖钻机带杆控制方法减少其破坏作用，并努力寻求彻底避免其发生十分必要而紧迫。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供旋挖钻机带杆控制系统，能够通过提升力和提升位置的关系判断是否发生带杆现象。

一种旋挖钻机带杆控制系统，包括：电阻应变式拉力传感器、位移传感器、微分处理装置和控制装置；所述电阻应变式拉力传感器采集卷扬系统作用于提升钻杆的提升力，所述微分处理装置对所述提升力进行微分处理，并将处理后的提升力微分值发送到所述控制装置；所述位移传感器采集钻杆的提升高度，并将钻杆的提升高度发送给所述控制装置；所述控制装置预先针对各种钻头、钻杆建立钻杆提升高度与提升力微分的关系曲线，在所述关系曲线中设定了钻杆提升高度与提升力微分之间的对应关系；所述控制装置判断接收的提升力微分值与钻杆的提升高度之间的对应关系与所述关系曲线是否吻合，当不吻合时，则判断钻杆出现带杆；当判断出现带杆现象时，所述控制装置控制卷扬系统停止提升钻杆。

根据本发明的系统的一个实施例，进一步的，所述控制装置根据所述关系曲线设定带杆提升力微分阈值；当所述控制装置判断接收的提升力微分值为脉冲尖值、并大于所述带杆提升力微分阈值时，所述控制装置判断此时钻杆的提升高度是否位于钻杆相邻2节的连接节点处，如果此时钻杆的提升高度不是位于钻杆相邻2节的连接节点处，则判断出现带杆。

根据本发明的系统的一个实施例，进一步的，还包括显示装置，所述显示装置与所述控制装置电连接；所述显示装置显示所述关系曲线，并实时显示所述微分处理装置发送到所述控制装置的提升力微分值和所述位移传感器采集的钻杆的提升高度。

根据本发明的系统的一个实施例，进一步的，还包括：报警器；所述报警器与所述控制装置电连接；当所述控制装置判断出现带杆时，控制所述报警器报警。

根据本发明的系统的一个实施例，进一步的，所述电阻应变式拉力传感器设置在卷扬系统吊装钻杆的滑轮上，所述位移传感器设置在卷扬系统的主卷扬轴上。

本发明要解决的一个技术问题是提供一种旋挖钻机带杆控制方法，能够通过提升力和提升位置的关系判断是否发生带杆现象。

一种旋挖钻机带杆控制方法，包括：控制装置预先针对各种钻头、钻杆建立钻杆提升高度与提升力微分的关系曲线，在所述关系曲线中设定了钻杆提升高度与提升力微分之间的对应关系；电阻应变式拉力传感器采集卷扬系统作用于提升钻杆的提升力，微分处理装置对所述提升力进行微分处理，并将处理后的提升力微分值发送到所述控制装置；位移传感器采集钻杆的提升高度，并将钻杆的提升高度发送给所述控制装置；所述控制装置判断接收的提升力微分值与钻杆的提升高度之间的对应关系与所述关系曲线是否吻合，当不吻合时，则判断钻杆出现带杆；当判断出现带杆现象时，所述控制装置控制卷扬系统停止提升钻杆。

根据本发明的方法的一个实施例，进一步的，所述控制装置根据所述关系曲线设定带杆提升力微分阈值；当所述控制装置判断接收的提升力微分值为脉冲尖值、并大于所述带杆提升力微分阈值时，所述控制装置判断此时钻杆的提升高度是否位于钻杆相邻2节的连接节点处；如果此时钻杆的提升高度不是位于钻杆相邻2节的连接节点处，则判断出现带杆。

根据本发明的方法的一个实施例，进一步的，显示装置显示所述关系曲线，并实时显示所述微分处理装置发送到所述控制装置的提升力微分值和所述位移传感器采集的钻杆的提升高度。

根据本发明的方法的一个实施例，进一步的，当所述控制装置判断出现带杆时，控制报警器报警。

本发明的旋挖钻机带杆控制系统及方法，能够准确界定带杆发生的故障点，当带杆故障发生后，系统迅速有效地检测并解除此类故障现象，以免对整机系统造成不可预知的损害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种旋挖钻机的示意图；

图2为根据本发明的旋挖钻机带杆控制系统的一个实施例的示意图；

图3为本发明的钻杆提升高度与提升力微分的关系曲线的一个实施例的示意图；

图4为根据本发明的旋挖钻机带杆控制方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合图和实施例对本发明的技术方案进行多方面的描述。

如图2所示，旋挖钻机带杆控制系统包括：电阻应变式拉力传感器22、位移传感器24、微分处理装置23和控制装置21。电阻应变式拉力传感器22采集卷扬系统作用于提升钻杆的提升力，微分处理装置23对提升力进行微分处理，并将处理后的提升力微分值发送到控制装置21；位移传感器24采集钻杆的提升高度，并将钻杆的提升高度发送给控制装置21。

控制装置21预先针对各种钻头、钻杆建立钻杆提升高度与提升力微分的关系曲线，在关系曲线中设定了钻杆提升高度与提升力微分之间的对应关系。控制装置21判断接收的提升力微分值与钻杆的提升高度之间的对应关系与关系曲线是否吻合，当不吻合时，则判断钻杆出现带杆；当判断出现带杆现象时，控制装置21控制卷扬系统停止提升钻杆。

微分值可以方便取出钻杆提升过程中的压力突变值，当发生卡杆带杆时，以及正常收杆加杆时，压力值都会发生突变，而微小的卡杆、带杆可能会在短时间内解除卡带杆，这时候微分值会有一个上下的突变，系统检测到这样的信号将不做出反应。而真正的卡带杆，会持续很长时常，而且其发生的长度位置又不符合之前记录的换杆位置，所以结合换杆位置以及压力的微分变化可以方便、准确地检测机界定出卡带杆故障现象，并做出的处理。

采用提升力的微分值能够有效的界定故障点，排除因为钻杆上的残留物（如小石块等）引起拉力上升进行微分处理后得到的小突变，避免误报警，提高工作效率。

根据本发明的一个实施例，控制装置21根据关系曲线设定带杆提升力微分阈值。当控制装置21判断接收的提升力微分值为脉冲尖值、并大于带杆提升力微分阈值时，控制装置21判断此时钻杆的提升高度是否位于钻杆相邻2节的连接节点处，如果此时钻杆的提升高度不是位于钻杆相邻2节的连接节点处，则判断出现带杆。

本发明的电阻应变式拉力传感器22用来测量卷扬提钻杆时的拉力，位移传感器24用来测量钻杆提升的高度，通过微分处理装置23对采集到的拉力进行微分处理，在控制装置21内针对不同的钻头、钻杆，建立起钻杆提升高度与提升力微分之间关系的曲线（H-D曲线），如图3所示，其中的横坐标为位移，然后通过显示器标定功能。

控制装置21通过比较钻杆在当前提升高度时，提升力微分是否与H-D曲线吻合，可以进一步判断在钻杆提升与下放过程中是否带杆。

控制装置21在钻杆提升过程中检测提升力微分值，将接收的提升力的微分值与预先设定的处于伸缩范围内提升力的微分作比较，当接收到的提升力的微分值大于设定的微分值M时，控制装置21检测钻杆所处于的伸缩范围，并进一步判断当前钻杆提升高度是否处于正常收缩节点，如果异常，发出带杆报警信号。

根据本发明的一个实施例，显示装置25与控制装置21电连接；显示装置25显示关系曲线，并实时显示微分处理装置23发送到控制装置21的提升力微分值和位移传感器24采集的钻杆的提升高度。

根据本发明的一个实施例，报警器26与控制装置21电连接；当控制装置21判断出现带杆时，控制报警器26报警。

设定的微分值M是一个经验值，像H-D曲线，事先要把对钻杆提升力的微分值存储到控制器里面，也就是把正常收杆时拉力的变化及微分处理给得出一个曲线。可以设定一个M值，也可以针对每节钻杆都设定一个M值，有几节就有几个M值。

根据本发明的一个实施例，电阻应变式拉力传感器22设置在卷扬系统吊装钻杆的滑轮上，位移传感器24设置在卷扬系统的主卷扬轴上。

根据本发明的一个实施例,微分处理装置可以为PLC、集成电路、单片机或单板机等来实现，也可以在控制器中通过集成软件、编写代码实现微分处理功能。

如图4所示，旋挖钻机带杆控制方法包括如下的步骤：

步骤101，控制装置预先针对各种钻头、钻杆建立钻杆提升高度与提升力微分的关系曲线，在关系曲线中设定了钻杆提升高度与提升力微分之间的对应关系。

电阻应变式拉力传感器采集卷扬系统作用于提升钻杆的提升力，微分处理装置对提升力进行微分处理，通过控制器对采集到的拉力F进行微分处理，得到微分值DF，并将处理后的提升力微分值发送到控制装置。

步骤102，位移传感器采集钻杆的钻杆提升的高度H，并将钻杆的提升高度发送给控制装置。

步骤103，控制装置判断接收的提升力微分值与钻杆的提升高度之间的对应关系与关系曲线是否吻合，当不吻合时，则判断钻杆出现带杆；当判断出现带杆现象时，控制装置控制卷扬系统停止提升钻杆。

在钻杆提升过程中难免会有小石块等障碍物产生阻碍力，控制装置对拉力进行微分处理时就会产生一些小扰动，如图3所示，小扰动的微分值并不是很大，在进行故障判断时必须设定拉力微分值M。

步骤104，当DF大于M时，如图3所示有两种可能:一种是正常的钻杆提升；另一种是发生带杆，只要任一外节杆先于其内节杆收缩，这时就会有一个力的突变，对提升力进行微分就是一个尖脉冲。

步骤105，结合钻杆提升的位移进一步判断，我们假设钻杆下放了长度为L(L=L1+L2+…LN+ΔL),当钻杆提升了ΔL、LN+ΔL…时会有一个脉冲，如果不在这些节点上有大于M值得脉冲就证明已带杆，系统进行报警，操作手通过反转、抖动等操作，及时解除带杆。

步骤106，如果正常，则继续进行提升。

根据本发明的一个实施例，控制装置根据关系曲线设定带杆提升力微分阈值。当控制装置判断接收的提升力微分值为脉冲尖值、并大于带杆提升力微分阈值时，控制装置判断此时钻杆的提升高度是否位于钻杆相邻2节的连接节点处。如果此时钻杆的提升高度不是位于钻杆相邻2节的连接节点处，则判断出现带杆。

本发明的旋挖钻机带杆控制系统及方法，利用数字技术、现代传感技术、信号处理技术等手段，准确界定故障点，当带杆故障发生后，系统迅速有效地检测并解除此类故障现象，以免对整机系统造成不可预知的损害。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种旋挖钻机带杆控制系统，其特征在于，包括：

电阻应变式拉力传感器、位移传感器、微分处理装置和控制装置；

所述电阻应变式拉力传感器采集卷扬系统作用于提升钻杆的提升力，所述微分处理装置对所述提升力进行微分处理，并将处理后的提升力微分值发送到所述控制装置；所述位移传感器采集钻杆的提升高度，并将钻杆的提升高度发送给所述控制装置；

所述控制装置预先针对各种钻头、钻杆建立钻杆提升高度与提升力微分的关系曲线，在所述关系曲线中设定了钻杆提升高度与提升力微分之间的对应关系；

所述控制装置判断接收的提升力微分值与钻杆的提升高度之间的对应关系与所述关系曲线是否吻合，当不吻合时，则判断钻杆出现带杆；当判断出现带杆现象时，所述控制装置控制卷扬系统停止提升钻杆。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述控制装置根据所述关系曲线设定带杆提升力微分阈值；

当所述控制装置判断接收的提升力微分值为脉冲尖值、并大于所述带杆提升力微分阈值时，所述控制装置判断此时钻杆的提升高度是否位于钻杆相邻2节的连接节点处，如果此时钻杆的提升高度不是位于钻杆相邻2节的连接节点处，则判断出现带杆。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：

还包括显示装置，所述显示装置与所述控制装置电连接；

所述显示装置显示所述关系曲线，并实时显示所述微分处理装置发送到所述控制装置的提升力微分值和所述位移传感器采集的钻杆的提升高度。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：

还包括：报警器；所述报警器与所述控制装置电连接；

当所述控制装置判断出现带杆时，控制所述报警器报警。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：

所述电阻应变式拉力传感器设置在卷扬系统吊装钻杆的滑轮上，所述位移传感器设置在卷扬系统的主卷扬轴上。

6.一种旋挖钻机带杆控制方法，其特征在于，包括：

控制装置预先针对各种钻头、钻杆建立钻杆提升高度与提升力微分的关系曲线，在所述关系曲线中设定了钻杆提升高度与提升力微分之间的对应关系；

电阻应变式拉力传感器采集卷扬系统作用于提升钻杆的提升力，微分处理装置对所述提升力进行微分处理，并将处理后的提升力微分值发送到所述控制装置；

位移传感器采集钻杆的提升高度，并将钻杆的提升高度发送给所述控制装置；

所述控制装置判断接收的提升力微分值与钻杆的提升高度之间的对应关系与所述关系曲线是否吻合，当不吻合时，则判断钻杆出现带杆；当判断出现带杆现象时，所述控制装置控制卷扬系统停止提升钻杆。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述控制装置根据所述关系曲线设定带杆提升力微分阈值；

当所述控制装置判断接收的提升力微分值为脉冲尖值、并大于所述带杆提升力微分阈值时，所述控制装置判断此时钻杆的提升高度是否位于钻杆相邻2节的连接节点处；

如果此时钻杆的提升高度不是位于钻杆相邻2节的连接节点处，则判断出现带杆。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

显示装置显示所述关系曲线，并实时显示所述微分处理装置发送到所述控制装置的提升力微分值和所述位移传感器采集的钻杆的提升高度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

当所述控制装置判断出现带杆时，控制报警器报警。

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