CN103641012A - 一种钻机减压钻进控制系统及使用该控制系统的入岩钻机 - Google Patents

Abstract

一种钻机减压钻进控制系统，其包括油箱（5）、第一液压泵（10）、第二液压泵（7）、第三液压泵(6)、第一控制阀(12)、第二控制阀(13)、第三控制阀(14)、卷扬制动器(17)、卷扬马达(18)。本发明的钻机减压钻进控制系统及使用该控制系统的入岩钻机能实现钻机减压钻进，并且可以根据不同的地层与工况来匹配与调节减小钻压，从而避免钻头磨损，钻进过程中卡钻，提高钻头的寿命、施工效率与操作舒适性。

Description

一种钻机减压钻进控制系统及使用该控制系统的入岩钻机

技术领域

本发明涉及一种入岩钻机，特别涉及一种入岩钻机减压钻进控制系统。

背景技术

入岩钻机主要应用于桩基础施工，解决工程实践中出现复杂地层的问题，如卵砾石灰层、风化孤石层、岩石夹层、填海块石层、基岩等岩层。

工程应用的主要入岩方式有三类：一、冲击式破碎入岩，如冲击钻；二、回转钻进入岩，如旋挖入岩钻机；三、回转钻进加冲击破碎入岩。

对于第三类入岩钻机而言，它是在回转式钻机技术基础上引入大直径潜孔锤入岩技术。该入岩钻机的一种结构形式如图1所示，主要由桩架或钻机平台1、动力头2、钻杆3、潜孔锤4等组成，其中动力头1输出回转扭矩，实现回转钻进功能，潜孔锤4输出冲击能，从而实现冲击钻进。

所述入岩钻机在工作时候是一边回转钻进一边冲击破碎钻进，通过动力头、钻杆与潜孔锤自重进行加压，潜孔锤在工作时候需要一定钻压，一方面是要克服潜孔锤的反弹；一方要在所冲击的岩石上施加一定预压力，有利于冲击能的传递，以提高破岩的效率，但是如果钻压过大就会出现如下问题：一、钻压过大加速钻头的磨损，尤其在遇到硬度较高的岩石钻孔时，钻头磨损表面非常明显，同时增加施工成本；二、在粘土层成孔作业时，钻压过大，进透率也增大，而泥土来不及排出孔外，则容易发生卡钻，即动力头卡死不转动，在这种情况，机器操作手只有反复不停操纵卷扬机提起钻杆与钻具来控制进透率，才能保证钻进作业的顺利进行，因此也增加了操作的难度。

总而言之，目前的工程应用的第三类入岩钻机由大直径潜孔锤与旋挖钻机、长螺旋钻机、履带吊机等简单改造而成，或者简单功能组合，没有减压钻进控制功能与装置，不能根据不同地层与工况来调节减少钻压，不能解决由于钻机的动力头、钻杆、潜孔锤等自身重力过大而超过工作所需钻压的问题，因此在作业过程中非常容易出现钻头磨损较快、卡钻、成孔效率较低等问题。实有必要发明一种钻机减压钻进控制系统以及使用该控制系统的入岩钻机，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明目的在于发明一种入岩钻机减压钻进控制系统以及使用该控制系统的入岩钻机，用于根据不同的地层与工况来匹配与调节钻压，实现减压钻进，从而避免钻头磨损，钻进过程中卡钻，提高钻头的寿命、施工效率与操作舒适性。

为了实现上述发明目的，本发明的钻机减压钻进控制系统是这样设计的：

一种钻机减压钻进控制系统，其包括油箱、第一液压泵、第二液压泵、第三液压泵、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、卷扬制动器、卷扬马达，其中：所述第三液压泵压力油口与第三控制阀进口连通，第三液压泵吸油口与油箱连通，在所述第三控制阀与卷扬马达之间设有运动控制阀块，所述第三控制阀通过所述运动控制阀块向所述卷扬马达供油；所述第二液压泵压力油口与所述第二控制阀进口相连，第二液压泵吸油口与油箱连通；所述第二控制阀的回油口与油箱连通，与回油口常通的工作油口与第一梭阀一进口连通，该第一梭阀的出口与所述卷扬制动器的开锁口连通；所述第一液压泵给第一控制阀供油，在第一液压泵与第一控制阀之间设有第一单向阀，第一控制阀两个工作油口与卷扬马达的两工作油口相连。

作为优选实施方式，该控制系统还设有第一溢流阀，用于控制第一液压泵的出口的压力，所述第一溢流阀进油口与第一控制阀进油口相连，回油口与油箱连通;第一溢流阀设有遥控口。

作为优选实施方式，该控制系统还设有第二溢流阀，用于控制第一溢流阀的压力，从而控制第三液压泵的出口压力，所述第二溢流阀进油口与第一溢流阀遥控口连通，其回油口与油箱连通。

作为优选实施方式,所述运动控制阀块包括平衡阀、第三溢流阀、第二单向阀、第二梭阀、第一顺序阀、第一减压阀。

作为优选实施方式,所述平衡阀包括至少三个油口，分别为进口、出口、先导控制口，其中进口为负载口，与负载相连；所述第三溢流阀的进油口与平衡阀的负载口相连，所述第三溢流阀的回油口与所述第二单向阀的进口相连；所述第二梭阀用于采集两工作油路上的压力油，用于卷扬装置开锁，所述平衡阀的出口与第二梭阀一进口相连，其先导控制口与所述第二单向阀的出口相连；所述第二梭阀另一进口与第二单向阀的出口相连，其出口与第一顺序阀的进口相连；所述第一顺序阀用于为平衡系统背压，防止系统背压影响卷扬装置制动器的启闭，所述第一顺序阀的出口与第一减压阀的进口相连；所述减压阀用于将系统的高压油降低至卷扬装置制动器所需压力，进行开锁。

作为优选实施方式,所述运动控制阀块包括第三单向阀、第四单向阀、运动控制主阀芯、第五单向阀、第六单向阀、第七单向阀、第八单向阀、第三梭阀、第二顺序阀、第二减压阀。

作为优选实施方式,所述运动控制主阀芯一进口与第三单向阀的出口相连，另一进口与第六单向阀的出口相连，其回油口与第七单向阀、第八单向阀的进口相连；所述第七单向阀的出口与第三单向阀进口相连；所述第八单向阀的出口与第六单向阀的进口相连；所述第三梭阀的两个进口分别与第三单向阀、第六单向阀的进口相连，其出口与第二顺序阀的进口相连；所述第二顺序阀的出口与第二减压阀的进口相连。

作为优选实施方式,所述运动控制主阀芯一先导控制口与第三单向阀的进口相通，当此先导控制口进压力油时，使得运动控制主阀芯动作，将第六单向阀的出口与运动控制主阀芯的回油口连通；所述运动控制主阀芯另一先导控制口与第六单向阀的进口相通，当此先导控制口进压力油时，使得运动控制主阀芯动作，将第三单向阀的出口与运动控制主阀芯的回油口连通。

作为优选实施方式,所述第一控制阀、第二控制阀与第三控制阀是电磁换向阀、液控换向阀、手动换向阀、电液换向阀。

为了实现上述发明目的，本发明的入岩钻机为包括以上所述的钻机减压钻进控制系统的入岩钻机。

综上所述，本发明的有益效果为：能实现钻机减压钻进，并且可以根据不同的地层与工况来匹配与调节减小钻压，从而避免钻头磨损，钻进过程中卡钻，提高钻头的寿命、施工效率与操作舒适性。

附图说明

图1是现有技术的入岩钻机；

图2是本发明的钻机减压钻进控制系统原理图；

图3是本发明的运动控制阀块的原理图；

图4是本发明的运动控制阀块另一实施例的原理图。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明本发明的钻机减压钻进控制系统及使用该控制系统的入岩钻机的具体实施方式。

如图2所示一种钻机减压钻进控制系统实施例图，所述的一种钻机减压钻进控制系统由油箱5、第一液压泵10、第二液压泵7、第三液压泵6、第一控制阀12、第二控制阀13、第三控制阀14、第一溢流阀8、第二溢流阀9、第一单向阀11、第一梭阀15、运动控制阀块16、卷扬制动器17、卷扬马达18组成。

所述第三液压泵6压力油口与第三控制阀14进口连通，其吸油口与油箱5连通，在第三控制阀14与卷扬马达18之间装有运动控制阀块16，第三控制阀14通过运动控制阀块16向卷扬马达18供油，从而来控制卷扬装置上提与下放。所述运动控制阀块主要用于卷扬马达的运动控制，防止由负载引起的卷扬马达速度失控，特别用于防止由动力头2、钻杆3、潜孔锤4等重量引起的卷扬马达失速。

所述第二液压泵7的压力油口与第二控制阀13进口相连，其吸油口与油箱5连通；第二控制阀13为卷扬制动器17的外部开锁控制阀，它的回油口与油箱5连通，与回油口常通的工作油口与第一梭阀15一进口连通，第一梭阀15的出口与卷扬制动器17的开锁口连通。

所述第一液压泵10给第一控制阀12供油，在第一液压泵10与第一控制阀12之间装有第一单向阀11，所述第一液压泵压力油口与第一单向阀11进油口相通，所述第一单向阀11出油口与第一控制阀12的进油相连通。所述第一控制阀12用于控制钻压，其两个工作油口与卷扬马达的两工作油口相连，其回油口与油箱5相连，当它动作时，第一液压泵10的压力油就通过第一控制阀12进入到卷扬马达的承重腔，使得卷扬装置有一个与动力头、钻杆、钻具重力方向相反的拉力，从而改变了原来施加在钻头的上正压力。

第一溢流阀8为先导式溢阀，带遥控口，用于控制第一液压泵10的出口的压力，其进油口与第一控制阀12进油口相连，回油口与油箱5连通；第二溢流阀9为第一溢流阀8先导级控制元件，通过它来控制第一溢流阀8的压力，从而控制第三液压泵的出口压力，从而来改变钻压，其进油口与第一溢流阀8遥控口连通，其回油口与油箱5连通。

本领域技术人员可以理解，所述第一控制阀12、第二控制阀13、第三控制阀14可以是电磁换向阀、液控换向阀、手动换向阀、电液换向阀等。

运动控制阀块16的结构形式有多种，其主要用于控制卷扬马达，防止负载引起卷扬马达18速度失控，如图3示意性的表示了运动控制阀块16的一种结构形式，其包括平衡阀19、第三溢流阀20、第二单向阀21、第二梭阀22、第一顺序阀23、第一减压阀24组成。平衡阀19为主要运动控制元件，其有至少有三个油口，分别为进口、出口、先导控制口，其中进口为负载口，与负载相连；第三溢流阀20为过载保护元件，其进油口与平衡阀19的负载口相连；第二单向阀21为补油单向阀，用于为系统补油；第二梭阀22用于采集两工作油路上的压力油用于卷扬装置开锁；第一顺序阀23、第一减压阀24为开锁控制元件，第一顺序阀23的作用为平衡系统背压，防止系统背压影响卷扬装置制动器的启闭，第一减压阀24的作用为将系统的高压油降低至卷扬装置制动器所需压力，进行开锁。上述结构形式的运动控制阀块16在一种钻机减压钻进控制系统中的连接方式为：平衡阀19的进口、第二单向阀21的出口分别与卷扬马达18两工作油口相连，平衡阀19的出口、第二单向阀21的出口与第三控制阀14两工作油口相连，第一减压阀24的二次压力输出口与卷扬制动器17的开锁口相连，第二单向阀21进口与系统回油管路相连。

下面结合图2、图3对运动控制阀块16的工作原理进行详细说明：

当第三控制阀14动作且位于右位时，第三液压泵6的压力油通过第三控制阀14、控制块16的不带平衡阀侧的油口，到卷扬马达18的右侧的工作油口。于此同时，有一路压力油通过第二梭阀22、第一顺序阀23与第一减压阀24进入到卷扬制动器17，打开制动器；有另一路压力油进入到平衡阀19先导控制口，打开平衡阀19，卷扬马达18的左侧回油通过平衡阀19与第三控制阀14回到油箱5，从而实现驱动卷扬马达18负载下放。

上述平衡阀19为一种可变节流口，允许单向自由流动，可变节流口的开口大小与其先导控制口的压力有关，且成一定比例，卷扬马达18左侧进油时，压力油通过平衡阀19的内置单向阀直接进入卷扬马达18左侧油口，卷扬马达18左侧回油时，压力油只能通过平衡阀19的可变节流口才能回到油箱，因此在回油路上建立背压，克服负载重力，防止卷扬马达18在负载情况下由于重力作用引起的速度失控。

当第三控制阀14回到中位时，控制阀14与平衡阀19关闭，液压系统不再向卷扬马达18工作油口供油，但是卷扬马达18在惯性的作用下继续运动，因而造成卷扬马达18右侧吸空，左侧憋压，此时液压系统通过运动控制块16中的第二单向阀21向卷扬马达18右侧油口补油，卷扬马达18左侧由惯性引起的液压冲击由第三溢流阀20吸收，实现了对马达的过载保护。

当第三控制阀14动作且位于左位时，第三液压泵6的压力油通过第三控制阀14与运动控制块16中的平衡阀19的内置单向阀直接进入卷扬马达18左侧油口，卷扬马达18右侧回油直接通过第三控制阀14回到油箱5，同时有一路压力油通过第二梭阀22、第一顺序阀23与第一减压阀24进入到卷扬制动器17，打开制动器；从而实现驱动卷扬马达18负载上提。

请参阅图4，图4示意性的表示了运动控制阀块16的另一种结构形式.其由第三单向阀25、第四单向阀26、运动控制主阀芯27、第五单向阀28、第六单向阀29、第七单向阀30、第八单向阀31、第三梭阀32、第二顺序阀33、第二减压阀34组成。其中运动控制主阀芯27为主要运动控制元件，主要特征为一种可变节流口；第七单向阀30与第八单向阀31为补油单向阀；第三单向阀25与第六单向阀29主要作用是让卷扬马达18回油通过运动控制主阀芯27，从而建立背压，克服负载重力，防止卷扬马达18在负载情况下由于重力作用引起的速度失控；第三梭阀32用于采集两工作油路上的压力油用于卷扬装置开锁；第二顺序阀33、第二减压阀34为开锁控制元件，第二顺序阀33的作用为平衡系统背压，防止系统背压影响卷扬装置制动器的启闭，第二减压阀34的作用为将系统的高压油降低至卷扬装置制动器所需压力，进行开锁。

所述运动控制主阀芯（27）一进口与第三单向阀(25)的出口相连，另一进口与第六单向阀（29）的出口相连，其回油口与第七单向阀（30）、第八单向阀（31）的进口相连；所述运动控制主阀芯（27）一先导控制口与第三单向阀(25)的进口相通，当此先导控制口进入压力油将使得运动控制主阀芯（27）动作，让第六单向阀（29）的出口与运动控制主阀芯（27）的回油口连通；所述运动控制主阀芯（27）另一先导控制口与第六单向阀（29）的进口相通，当此先导控制口进入压力油将使得运动控制主阀芯（27）动作，让第三单向阀(25)的出口与运动控制主阀芯（27）的回油口连通；所述第七单向阀（30）的出口与第三单向阀(25)进口相连；所述第八单向阀（31）的出口与第六单向阀（29）的进口相连；所述第三梭阀（32）的两个进口分别与第三单向阀(25)、第六单向阀（29）的进口相连，其出口与第二顺序阀(33)的进口相连；所述第二顺序阀(33)的出口与第二减压阀(34)的进口相连；所述第二减压阀(34)出口即二次压力输出口直接为卷扬制动器(17)提供开锁压力油。上述结构形式的运动控制阀块16在一种钻机减压钻进控制系统中的连接方式为：第三单向阀(25)的出口、第六单向阀（29）的出口分别与卷扬马达18两工作油口相连，第三单向阀(25)的进口、第六单向阀（29）的进口与第三控制阀14两工作油口相连，第二减压阀34的二次压力输出口与卷扬制动器17的开锁口相连，第七单向阀（30）与第八单向阀（31）的进口与系统回油管路相连。

参见图1、图2与图3本发明的工作过程如下：

操纵第三控制阀14，第三液压泵6的压力油通过第三控制阀14与运动控制阀块16进行入到卷扬马达18，驱动卷扬马达18，实现卷扬装置上提与下放，当需要进行钻压控制时，操纵第一控制阀12与第二控制阀13，第二液压泵7的压力油通过第二控制阀13、第一梭阀15进入卷扬制动器17，从而将其打开，第一液压泵10的压力油通过第一单向阀11、第一控制阀12进入到卷扬马达18的承重腔，压力油到达卷扬马达18的承重腔后，先补偿卷扬马达18等液压元件的工作时泄漏量，再建立起稳定的背压，使得卷扬装置有一个与动力头2、钻杆3、潜孔锤4等钻具重力方向相反的拉力，从而改变了原来动力头2、钻杆3与潜孔锤4等钻具施加在钻头上的正压力，由于此时卷扬装置拉力小于动力头2、钻杆3与潜孔锤4等钻具的重力，因此在重力的作用下，卷扬马达18被动下放，成泵工作状况，其左侧油口即与平衡阀19的负载口相连的油口为出油口，其右侧油口即与第二单向阀21出口相连的油口为吸油口，此时，系统通过运动控制阀块16中的第二单向阀21向卷扬马达18右侧油口补油，卷扬马达18左侧油口的压力油通过第一控制阀12与第一溢流阀8回到油箱，与此同时第一液压泵10的压力油在补偿卷扬马达18等液压元件的工作时泄漏量，建立起稳定的背压后多余的流量通过第一单向阀11再通过第一溢流阀8回到油箱。因此实现了平衡负载部分自重又能使得动力头2、钻杆3与潜孔锤4等继续下落，从而实现机器减压钻进，通过调节第一溢流阀8的先导阀第二溢流阀9，改变第一液压泵10的出口压力，改变卷扬装置拉力，从而实现对施加在潜孔锤4上的钻头的正压力进行调整。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也应属于本发明的范畴。

Claims (10)

1.一种钻机减压钻进控制系统，其包括油箱（5）、第一液压泵（10）、第二液压泵（7）、第三液压泵(6)、第一控制阀(12)、第二控制阀(13)、第三控制阀(14)、卷扬制动器(17)、卷扬马达(18)，其特征在于：

所述第三液压泵(6)压力油口与第三控制阀(14)进口连通，第三液压泵(6)吸油口与油箱(5)连通，在所述第三控制阀(14)与卷扬马达(18)之间设有运动控制阀块(16)，所述第三控制阀(14)通过所述运动控制阀块(16)向所述卷扬马达(18)供油；

所述第二液压泵(7)压力油口与所述第二控制阀(13)进口相连，第二液压泵(7)吸油口与油箱(5)连通；所述第二控制阀(13)的回油口与油箱(5)连通，与回油口常通的工作油口与第一梭阀(15)一进口连通，该第一梭阀(15)的出口与所述卷扬制动器(17)的开锁口连通；

所述第一液压泵(10)给第一控制阀(12)供油，在第一液压泵(10)与第一控制阀(12)之间设有第一单向阀(11)，第一控制阀(12)两个工作油口与卷扬马达(18)的两工作油口相连。

2.根据权利要求1所述的钻机减压钻进控制系统，其特征在于,该控制系统还设有第一溢流阀(8)，用于控制第一液压泵(10)的出口的压力，所述第一溢流阀(8)进油口与第一控制阀(12)进油口相连，回油口与油箱(5)连通;第一溢流阀(8)设有遥控口。

3.根据权利要求2所述的钻机减压钻进控制系统，其特征在于,该控制系统还设有第二溢流阀(9)，用于控制第一溢流阀(8)的压力，从而控制第三液压泵的出口压力，所述第二溢流阀(9)进油口与第一溢流阀(8)遥控口连通，其回油口与油箱(5)连通。

4.根据权利要求1所述的钻机减压钻进控制系统，其特征在于，所述运动控制阀块（16）包括平衡阀（19）、第三溢流阀（20）、第二单向阀（21）、第二梭阀（22）、第一顺序阀（23）、第一减压阀（24）。

5.根据权利要求4所述的钻机减压钻进控制系统，其特征在于，

所述平衡阀(19)包括至少三个油口，分别为进口、出口、先导控制口，其中进口为负载口，与负载相连；

所述第三溢流阀(20)的进油口与平衡阀(19)的负载口相连，所述第三溢流阀(20)的回油口与所述第二单向阀(21)的进口相连；

所述第二梭阀(22)用于采集两工作油路上的压力油，用于卷扬装置开锁，所述平衡阀(19)的出口与第二梭阀(22)一进口相连，其先导控制口与所述第二单向阀(21)的出口相连；所述第二梭阀(22)另一进口与第二单向阀(21)的出口相连，其出口与第一顺序阀(23)的进口相连；

所述第一顺序阀(23)用于为平衡系统背压，防止系统背压影响卷扬装置制动器的启闭，所述第一顺序阀(23)的出口与第一减压阀(24)的进口相连；

所述减压阀(24)用于将系统的高压油降低至卷扬装置制动器所需压力，进行开锁。

6.根据权利要求1所述的钻机减压钻进控制系统，其特征在于，所述运动控制阀块（16）包括第三单向阀(25)、第四单向阀(26)、运动控制主阀芯(27)、第五单向阀(28)、第六单向阀(29)、第七单向阀(30)、第八单向阀(31)、第三梭阀(32)、第二顺序阀(33)、第二减压阀(34)。

7.根据权利要求6所述的钻机减压钻进控制系统，其特征在于：

所述运动控制主阀芯（27）一进口与第三单向阀(25)的出口相连，另一进口与第六单向阀（29）的出口相连，其回油口与第七单向阀（30）、第八单向阀（31）的进口相连；

所述第七单向阀（30）的出口与第三单向阀(25)进口相连；

所述第八单向阀（31）的出口与第六单向阀（29）的进口相连；

所述第三梭阀（32）的两个进口分别与第三单向阀(25)、第六单向阀（29）的进口相连，其出口与第二顺序阀(33)的进口相连；

所述第二顺序阀(33)的出口与第二减压阀(34)的进口相连。

8.根据权利要求7所述的钻机减压钻进控制系统，其特征在于，所述运动控制主阀芯（27）一先导控制口与第三单向阀(25)的进口相通，当此先导控制口进压力油时，使得运动控制主阀芯（27）动作，将第六单向阀（29）的出口与运动控制主阀芯（27）的回油口连通；

所述运动控制主阀芯（27）另一先导控制口与第六单向阀（29）的进口相通，当此先导控制口进压力油时，使得运动控制主阀芯（27）动作，将第三单向阀(25)的出口与运动控制主阀芯（27）的回油口连通。

9.根据权利要求1所述的钻机减压钻进控制系统，其特征在于，所述第一控制阀(12)、第二控制阀(13)与第三控制阀(14)是电磁换向阀、液控换向阀、手动换向阀、电液换向阀。

10.一种入岩钻机，其特征在于，该钻机包括如权利要求1-9任意一项所述的钻压控制系统。

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