CN109184561B - 水平定向钻机推拉力控制方法及水平定向钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平定向钻机推拉力控制方法及水平定向钻机，涉及工程机械领域。该方法包括以下步骤：调节马达的工作排量，以使得工作排量对应的最大推拉力F_max大于设定的推拉力F_t；根据设定的推拉力F_t计算马达的工作压差ΔP；根据工作压差ΔP和采集到的马达的第一回油背压，计算马达所需要的工作压力；调节马达的进油压力以使得马达的进油压力等于马达所需要的工作压力。上述技术方案实现了水平定向钻机推拉力精准、快捷地控制。

Description

水平定向钻机推拉力控制方法及水平定向钻机

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体涉及一种水平定向钻机推拉力控制方法及水平定向钻机。

背景技术

水平定向钻机在施工过程中，由液压泵驱动马达转动，通过减速机和齿轮齿条驱动钻杆和钻具。为保证施工的安全性，实际施工过程中，需要根据不同的地质条件和切削钻具，调节水平定向钻机输出的最大推拉力，以避免损坏钻杆和钻具。

发明人发现，现有技术中至少存在下述问题：为避免钻杆和钻具损坏，采用调节液压马达最大工作压力的方式限制水平定向钻机输出的最大推拉力。该方式仅能调节液压马达的最大工作压力。当液压马达工作排量发生变化时，需要重新调节液压马达的最大工作压力，实际操作中经常出现忘记重新调节该最大工作压力，从而导致钻杆和钻具损坏的现象。

发明内容

本发明提出一种水平定向钻机推拉力控制方法及水平定向钻机，用以优化使得水平定向钻机的推拉力的控制方法更加合理。

本发明提供了一种水平定向钻机推拉力控制方法，包括以下步骤：

S100、调节马达的工作排量，以使得所述工作排量对应的最大推拉力F_max大于设定的推拉力F_t；

S200、根据设定的推拉力F_t计算马达的工作压差ΔP；

S300、根据工作压差ΔP和采集到的马达的第一回油背压，计算马达所需要的工作压力；

S400、调节所述马达的进油压力以使得马达的进油压力等于马达所需要的工作压力。

在一些实施例中，所述步骤S100包括：

采集马达工作档位旋钮当前档位对应的电压信号；

根据电压信号控制马达的排量控制阀的控制电压或控制电流，以控制马达的工作排量；

计算马达的工作排量q_m；

计算马达的工作排量q_m对应的最大推拉力F_max；

比较最大推拉力F_max和设定的推拉力F_t的大小，若F_t≥F_max，则改变所述马达的排量控制阀的控制电压或控制电流，以改变所述马达的工作排量，直至F_t＜F_max。

在一些实施例中，采用下述公式计算马达的排量q_m对应的最大推拉力F_max：其中，F_max为钻机当前档位的最大输出推拉力；ΔP_max为液压系统允许的马达最大工作压差；q_m为马达当前工作档位的排量；i为与马达连接的减速机的速比；R为与所述减速机连接的齿轮的分度圆半径。

在一些实施例中，在上述的步骤S200中，根据下述公式计算工作压差ΔP：其中，q_m为马达当前工作档位的排量；i为与马达连接的减速机的速比；R为与所述减速机连接的齿轮的分度圆半径。

在一些实施例中，在上述的步骤S300中，将采集到的所述马达的回油口的压力作为所述第一回油背压。

在一些实施例中，在上述的步骤S300中，采用下述步骤采集马达的第一回油背压：

采集马达两个工作油口的工作压力；

比较采集到的马达两个工作油口的工作压力的大小，将其中较小的工作压力作为所述第一回油背压。

在一些实施例中，采用下述步骤采集马达两个工作油口的工作压力：

采用第一压力传感器检测马达其中一个工作油口的工作压力；

采用第二压力传感器检测马达另一个工作油口的工作压力。

在一些实施例中，所述水平定向钻机推拉力控制方法还包括以下步骤：

S500、实时监测采集到的马达的第二回油背压，并比较其是否等于第一回油背压；

S600、若所述第二回油背压与所述第一回油背压不相等，则调节所述马达的进油压力以使得马达的进油压力等于马达所需要的工作压力，马达的回油背压等于所述第一回油背压。

在一些实施例中，所述步骤S400包括：

根据马达所需要的工作压力，计算所述马达的压力控制阀的所需控制电流；

调节所述压力控制阀的控制电流，使之等于所述压力控制阀的所需控制电流。

本发明另一实施例提供一种水平定向钻机，包括：

马达；

马达排量调节组件，与所述马达连接，用于调节所述马达的排量；

回油背压检测组件，与所述马达连接，用于检测所述马达的回油背压；

压力控制阀，与所述马达连接，用于控制所述马达的工作压力；

马达推拉力设定组件，用于设定所述马达的推拉力；以及

控制器，与所述马达排量调节组件、所述回油背压检测组件、所述压力控制阀以及所述马达推拉力设定组件连接。

在一些实施例中，所述马达包括变量马达。

在一些实施例中，所述马达排量调节组件包括：

马达工作档位旋钮，与所述控制器连接；以及

排量控制阀，与所述控制器和所述马达均连接，所述控制器用于根据所述马达工作档位旋钮所处的档位控制所述排量阀的电流或电压，以控制所述马达的排量。

在一些实施例中，所述回油背压检测组件包括：

第一压力传感器，用于检测所述马达的进油口和出油口中的其中一个的压力；以及

第二压力传感器，用于检测所述马达的进油口和出油口中的另一个的压力。

在一些实施例中，所述马达推拉力设定组件包括：

推拉力调节部件，与所述控制器连接；以及

显示部件，设于所述推拉力调节部件外周，用于显示所述推拉力调节部件所处的档位。

在一些实施例中，所述推拉力调节部件包括电位计。

上述技术方案，根据马达流量与钻机最大推拉力的对应关系，先调节马达流量使得通过后续步骤的调节能得到所需要的推拉力。然后根据推拉力与马达的工作压差的关系，控制马达的进油压力，最终实现根据马达的进油压力实时控制马达的推拉力，使之等于所需要的推拉力值。上述技术方案实现了水平定向钻机推拉力精准、快捷地控制。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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为本发明实施例提供的水平定向钻机原理示意图；

图2为本发明实施例提供的水平定向钻机推拉力控制方法的原理示意图；

图3为本发明实施例提供的水平定向钻机推拉力控制方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的水平定向钻机的推拉力调节组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1～图4对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

以钻机为水平定向钻机为例。如图1所示，水平定向钻机包括马达1、减速机2、齿轮3、控制器4、马达工作档位旋钮5。液压泵驱动马达1转动，马达1通过减速机2和齿轮3齿条驱动钻杆和钻具工作。

控制器4与马达工作档位旋钮5连接。马达1上集成有排量控制阀6，通过控制排量控制阀6实现对马达1的排量控制。马达工作档位旋钮5有多个旋钮位置，旋钮处于不同的位置，其所对应的电压不同。马达工作档位旋钮5与控制器4电连接连接。控制器4接收马达工作档位旋钮5的电压信号，并把它转化为电流信号或电压信号。该电流信号或电压信号作为控制信号供给集成在马达1上的排量控制阀6，通过该排量控制阀6改变马达1的工作排量。

马达1上还设置有推拉力调节部件7，推拉力调节部件7可无级调节，其不同位置对应不同的推拉力值。推拉力调节部件7与控制器4电连接。控制器4根据接收的推拉力调节部件7的位置信号，确认需要控制的推拉力值。

为了采集马达1两个工作油口的油压，在一些实施例中，钻机还包括控制器4、第一压力传感器9和第二压力传感器10。马达1的两个工作油口中，其中一个作为进油口，另一个作为出油口。当马达1的旋转方向不同时，进油口和出油口互换。

为了控制马达1的进油压力，钻机还包括压力控制阀8。压力控制阀8用于调节马达1的最大工作压力。通过控制压力控制阀8的电流，实现了对马达1进油压力的控制。压力控制阀8具体比如为电比例溢流阀。

第一压力传感器9和第二压力传感器10用于检测马达1的两个工作油口的压力，并把检测到的压力信号传递给控制器4。

本发明实施例提供一种水平定向钻机推拉力控制方法，包括以下步骤：

S100、调节马达1的工作排量，以使得工作排量对应的最大推拉力F_max大于设定的推拉力F_t。

马达1具体为变量马达，马达1上集成有排量控制阀6，通过排量控制阀6控制马达1的排量。排量控制阀6具体比如为电磁阀，通过控制电磁阀的电压或电流，实现对马达1排量的控制。

马达1的工作排量与钻机的最大推拉力F_max之间存在确定的函数关系，获知了马达1的工作排量，通过计算即得到钻机的最大推拉力F_max。

S200、根据设定的推拉力F_t计算马达1的工作压差ΔP。

推拉力F_t为设定值，其与钻具的类型有关，操作人员根据钻具的种类、型号确定推拉力F_t。推拉力F_t设定之后，不会因为马达1排量的变化而变化。后续各操作步骤，都会以该推拉力F_t为参照，调节马达1的排量和进油压力，以使得推拉力F_t基本为定值。

在一些实施例中，采用下述公式(1)计算马达1的工作压差ΔP：

上述公式(1)中，q_m为马达1当前工作档位的工作排量；i为与马达1连接的减速机2的速比；R为与减速机2连接的齿轮3的分度圆半径。

由上述公式(1)可以看出，在F_t、i、R均为定值的情况下，q_m与ΔP之间存在确定的函数关系。实际工作过程中，q_m实时变化，是变量。此情况下，可以调节ΔP，以使得Ft基本保持为定值。

S300、根据马达1的工作压差ΔP和采集到的马达1的第一回油背压P₁，计算马达1所需要的工作压力P₂。

ΔP＝P₂-P₁ (2)

上述的公式(2)中，第一回油背压P₁可以采用传感器检测，马达1的工作压差ΔP根据上述公式(1)得到。根据上述的公式(2)即可得到马达1的工作压力P₂。

S400、调节马达1的压力控制阀8以使得马达1的进油压力等于马达1所需要的工作压力。

在一些实施例中，步骤S100具体包括以下步骤：

首先，采集马达工作档位旋钮当前档位对应的电压信号。具体根据马达工作档位旋钮5所处的位置，采集马达工作档位旋钮5的当前工作档位的电压信号。

然后，根据电压信号控制马达1的排量控制阀6的控制电压或控制电流，以控制马达1的工作排量。

接下来，计算马达1的工作排量q_m。马达1当前工作档位与排量q_m之间的对应关系是确定的，比如根据产品手册查询得到。

接下来，计算马达1的工作排量q_m对应的最大推拉力F_max；

接下来，比较最大推拉力F_max和当前设定的推拉力F_t的大小。若F_t≥F_max，则改变马达1的排量控制阀6的控制电压或控制电流，以改变马达1的工作排量，直至F_t＜F_max。

在一些实施例中，采用下述公式3计算马达1的排量q_m对应的最大推拉力F_max：

公式(3)中，F_max为钻机当前档位的最大输出推拉力；ΔP_max为液压系统允许的马达1最大工作压差；q_m为马达1当前工作档位的排量；i为与马达1连接的减速机2的速比；R为与减速机2连接的齿轮3的分度圆半径。

在一些实施例中，在上述的步骤S200中，根据下述公式计算工作压差ΔP：

在一些实施例中，在上述的步骤S300中，将采集到的马达1的回油口的压力作为第一回油背压。比如采用传感器先分辨马达1两个工作油口中哪一个为回油口，然后检测回油口的压力。

或者，在一些实施例中，在上述的步骤S300中，采用下述步骤采集马达1的第一回油背压：

首先，采集马达1两个工作油口的工作压力。具体比如采用两个压力传感器采集马达1两个工作油口的工作压力。采用第一压力传感器9检测马达1其中一个工作油口的工作压力，采用第二压力传感器10检测马达1另一个工作油口的工作压力。

其次，比较采集到的马达1两个工作油口的工作压力的大小，将其中较小的工作压力作为第一回油背压。

采用上述方式获得第一回油背压，无须识别马达1两个工作油口中哪一个为回油口，只需将检测到的两个工作油口中较小的作为第一回油背压。

在一些实施例中，水平定向钻机推拉力控制方法还包括以下步骤：

S500、实时监测采集到的马达1的第二回油背压，并比较其是否等于第一回油背压；

S600、若第二回油背压与第一回油背压不相等，则调节马达1的进油压力，以使得马达1的第二回油背压等于第一回油背压。

下面介绍如何调节马达1的工作压力。

在一些实施例中，步骤S400包括：

首先，根据马达1所需要的工作压力，计算马达1的压力控制阀8的所需控制电流。压力电磁阀确定后，马达1的工作压力和压力控制阀8的电流之间存在确定的函数关系。

其次，调节压力控制阀8的控制电流，使之等于压力控制阀8的所需控制电流。

下面介绍一个具体的实施例。

步骤1：控制器4依据马达工作档位旋钮5的电压信号，把该电压信号转化为电流或电压信号，供给马达1的排量控制阀6，以调节马达1的工作排量，并计算马达1当前工作档位排量值q_m。

步骤2：控制器4依据马达1当前的工作排量值和液压系统允许的马达1最大工作压差由公式(3)：计算钻机当前档位最大输出推拉力。

公式(3)中：F_max为钻机当前档位的最大输出推拉力；ΔP_max为液压系统允许的马达1最大工作压差；q_m为马达1当前工作档位的排量；i为减速机2的速比；R为齿轮3的分度圆半径。

步骤3：控制器4依据推拉力调节部件7位置信号确定需要控制的推拉力值F_t，并与钻机当前档位的最大输出推拉力F_max比较。若F_t≥F_max，马达1当前工作档位的排量无法实现推拉力定值控制，控制器4需要输出信号，改变马达1排量控制阀6的输入电流或电压，增大马达1的工作排量q_m，直至F_t＜F_max。

步骤4：控制器4依据马达1当前的工作排量值和需要控制的推拉力值Ft由公式(2)：计算需要控制的马达1工作压差ΔP。

步骤5：控制器4比较第一压力传感器9和第二压力传感器10检测的两个压力的大小，把小的压力值确定为回油背压。

步骤6：控制器4把需要控制的马达1工作压差和回油背压之和确定为需要控制的马达1工作压力，并根据压力控制阀8的电流压力特性转换为压力控制阀8的控制电流值，输出控制电流给压力控制阀8。

步骤7：控制器4把第一压力传感器9和第二压力传感器10实时检测的回油背压值与步骤5确定的回油背压值进行比较，若回油背压值没有变化，保持压力控制阀8的控制电流不变，若回油背压值发生变化，则返回步骤6重新设定压力控制阀8控制电流。

上述技术方案，实际工作过程中，采用推拉力调节部件7直接设定水平定向钻机输出的最大推拉力，控制器4依据推拉力调节部件7位置信号、马达工作档位旋钮5位置信号和回油背压信号，实时控制压力控制阀8的输入电流，进而实时控制马达1的最大工作压力，实现推拉力的定值控制。根据实际施工情况，水平定向钻机的推拉力只需设定一次，马达1工作档位发生变化后，也无需再次调节，控制精准、快捷，保证施工安全。

参见图1和图4，本发明另一实施例提供一种水平定向钻机，包括马达1、马达排量调节组件、回油背压检测组件、压力控制阀8、马达推拉力设定组件和控制器4。马达排量调节组件与马达1连接，用于调节所述马达1的排量。回油背压检测组件与马达1连接，用于检测马达1的回油背压。压力控制阀8与马达1连接，用于控制马达1的工作压力。马达推拉力设定组件用于设定马达1的推拉力。控制器4与马达排量调节组件、回油背压检测组件、压力控制阀8以及马达推拉力设定组件连接。

在一些实施例中，马达1包括变量马达。马达1上集成有排量控制阀6，通过排量控制阀6控制马达1的排量。排量控制阀6具体比如为电磁阀，通过控制电磁阀的电压或电流，实现对马达1排量的控制。

在一些实施例中，马达排量调节组件包括马达工作档位旋钮5和排量控制阀6。马达工作档位旋钮5与控制器4连接。排量控制阀6与控制器4和马达1均连接，控制器4用于根据马达工作档位旋钮5所处的档位控制排量阀的电流或电压，以控制马达1的排量。

在一些实施例中，回油背压检测组件包括第一压力传感器9和第二压力传感器10。第一压力传感器9用于检测马达1的进油口和出油口中的其中一个的压力。第二压力传感器10用于检测马达1的进油口和出油口中的另一个的压力。第一压力传感器9和第二压力传感器10各自并把检测到的压力信号传递给控制器4。

在一些实施例中，马达推拉力设定组件包括推拉力调节部件7和显示部件11。推拉力调节部件7与控制器4连接。显示部件11设于所述推拉力调节部件7外周，用于显示推拉力调节部件7所处的档位。设置显示部件11后，能方便地获知所设定的马达推拉力值。

在一些实施例中，推拉力调节部件7包括电位计。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (15)

1.一种水平定向钻机推拉力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100、调节马达的工作排量，以使得所述工作排量对应的最大推拉力F_max大于设定的推拉力F_t；

S200、根据设定的推拉力F_t计算马达的工作压差ΔP；

S300、根据工作压差ΔP和采集到的马达的第一回油背压，计算马达所需要的工作压力；

S400、调节所述马达的压力控制阀，以使得马达的进油压力等于马达所需要的工作压力。

2.根据权利要求1所述的水平定向钻机推拉力控制方法，其特征在于，所述步骤S100包括：

采集马达工作档位旋钮当前档位对应的电压信号；

根据电压信号控制马达的排量控制阀的控制电压或控制电流，以控制马达的工作排量；

计算马达的工作排量q_m；

计算马达的工作排量q_m对应的最大推拉力F_max；

比较最大推拉力F_max和设定的推拉力F_t的大小，若F_t≥F_max，则改变所述马达的排量控制阀的控制电压或控制电流，以改变所述马达的工作排量，直至F_t＜F_max。

3.根据权利要求2所述的水平定向钻机推拉力控制方法，其特征在于，采用下述公式计算马达的工作排量q_m对应的最大推拉力F_max：其中，F_max为钻机当前档位的最大输出推拉力；ΔP_max为液压系统允许的马达最大工作压差；q_m为马达当前工作档位的工作排量；i为与马达连接的减速机的速比；R为与减速机连接的齿轮的分度圆半径。

4.根据权利要求1所述的水平定向钻机推拉力控制方法，其特征在于，在上述的步骤S200中，根据下述公式计算工作压差ΔP：ΔP＝其中，q_m为马达当前工作档位的工作排量；i为与马达连接的减速机的速比；R为与所述减速机连接的齿轮的分度圆半径。

5.根据权利要求1所述的水平定向钻机推拉力控制方法，其特征在于，在上述的步骤S300中，将采集到的所述马达的回油口的压力作为所述第一回油背压。

6.根据权利要求1所述的水平定向钻机推拉力控制方法，其特征在于，在上述的步骤S300中，采用下述步骤采集马达的第一回油背压：

采集马达两个工作油口的工作压力；

比较采集到的马达两个工作油口的工作压力的大小，将其中较小的工作压力作为所述第一回油背压。

7.根据权利要求6所述的水平定向钻机推拉力控制方法，其特征在于，采用下述步骤采集马达两个工作油口的工作压力：

采用第一压力传感器检测马达其中一个工作油口的工作压力；

采用第二压力传感器检测马达另一个工作油口的工作压力。

8.根据权利要求1所述的水平定向钻机推拉力控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S500、实时监测采集到的马达的第二回油背压，并比较其是否等于第一回油背压；

S600、若所述第二回油背压与所述第一回油背压不相等，则调节所述马达的进油压力，以使得马达的第二回油背压等于所述第一回油背压。

9.根据权利要求1所述的水平定向钻机推拉力控制方法，其特征在于，所述步骤S400包括：

根据马达所需要的工作压力，计算马达的压力控制阀的所需控制电流；

调节所述压力控制阀的控制电流，使之等于所述压力控制阀的所需控制电流。

10.一种水平定向钻机，其特征在于，所述水平定向钻机被构造为执行权利要求1～9任一所述的水平定向钻机推拉力控制方法，所述水平定向钻机包括：

马达(1)；

马达排量调节组件，与所述马达(1)连接，用于调节所述马达(1)的排量；

回油背压检测组件，与所述马达(1)连接，用于检测所述马达(1)的回油背压；

压力控制阀(8)，与所述马达(1)连接，用于控制所述马达(1)的工作压力；

马达推拉力设定组件，用于设定所述马达(1)的推拉力；以及

控制器(4)，与所述马达排量调节组件、所述回油背压检测组件、所述压力控制阀(8)以及所述马达推拉力设定组件连接。

11.根据权利要求10所述的水平定向钻机，其特征在于，所述马达(1)包括变量马达。

12.根据权利要求10所述的水平定向钻机，其特征在于，所述马达排量调节组件包括：

马达工作档位旋钮(5)，与所述控制器(4)连接；以及

排量控制阀(6)，与所述控制器(4)和所述马达(1)均连接，所述控制器(4)用于根据所述马达工作档位旋钮(5)所处的档位控制所述排量控制阀(6)的电流或电压，以控制所述马达(1)的排量。

13.根据权利要求10所述的水平定向钻机，其特征在于，所述回油背压检测组件包括：

第一压力传感器(9)，用于检测所述马达(1)的进油口和出油口中的其中一个的压力；以及

第二压力传感器(10)，用于检测所述马达(1)的进油口和出油口中的另一个的压力。

14.根据权利要求10所述的水平定向钻机，其特征在于，所述马达推拉力设定组件包括：

推拉力调节部件(7)，与所述控制器(4)连接；以及

显示部件(11)，设于所述推拉力调节部件(7)外周，用于显示所述推拉力调节部件(7)所处的档位。

15.根据权利要求14所述的水平定向钻机，其特征在于，所述推拉力调节部件(7)包括电位计。