CN110273674A - 基于岩土性能的液压声波钻头系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于岩土性能的液压声波钻头系统，包括声波钻头、传感器组和控制单元；声波钻头包括角度调整机构、振荡器、旋转组件、钻杆和钻头；传感器组用于获取钻头的实际工作参数；控制单元用于根据传感器组获取的钻头的实际工作参数，计算钻头工作地点的岩土性质，与预存的岩土性质数据集进行比对，获取该岩土性质下的理论工作参数，理论工作参数包括外加压力、振动频率和钻头钻速；通过控制液压装置、角度调整机构、振荡器和旋转组件，使得钻头的实际外加压力、振动频率和钻头钻速与理论工作参数相同。本发明在高度复杂的地质环境中，特别是在需要选择性开采的情况下，可以实时对工作过程进行协调和矿产资源开采进行优化。

Description

基于岩土性能的液压声波钻头系统及方法

技术领域

本发明属于岩土工程中的挖掘机械，具体涉及一种基于岩土性能的液压声波钻头系统及方法。

背景技术

我国地大物博，地质构造复杂，在地下空间开发中有极其广阔的市场。土地退化、人口爆炸、资源短缺、环境脆弱，当前人类赖以生存的地球表面已不堪重负。在这种情况下，世界各国日益重视地下空间的开发利用，把地下空间当成一种新的国土资源。据不完全统计，我国近年来，每年有180 km的水工隧洞，40 km的采矿巷道，270 km的铁路隧道，30 km的地铁隧道，3.4万 km的微型隧道需要开挖。而目前城市地铁建设速度快、安全性需求高。采用掘进机施工的区间隧道，不影响地面建筑物和交通，减少地上、地下的大量拆迁，来拓展空间。这类设备的技术开发与应用，在我国地下工程领域具有十分广阔的前景。同样，在煤矿等行业里，掘进机械更是尤为重要。但是，目前的掘进机械大都只能挖掘较软的岩石，遇到更坚硬的岩土则需更换钻头，极大的降低了挖掘机械在实际工作时的工作效率，也减少了钻头的使用寿命，造成了极大的资源浪费。因此，寻找一种新的挖掘机械的工作方式以提高挖掘机械在挖掘过程中的工作效率和适应性成了这个行业关注的焦点。

在挖掘机械工作工程中，人们采取了多种方式提高挖掘机械对复杂土质的适应性，并提高其工作效率。在这个方面，当前主要采取的方式是对岩土进行破坏。第其主要实施手段有4种，分别是弱化岩体、射弹破岩、孔底爆破和液压孔底施压，这些方式成本较高，准确度不够高，效果不好控制，并且对工作人员要求很高，并存在一定的安全隐患，增加了公司经济成本和人力成本。如上所言，在目前的挖掘机械工作过程中存在工序冗杂、工作费用高的同时而且工作效率偏低，而且在工作过程中缺乏相应的监测手段，增大了公司的营运成本，不利于挖掘公司经济效益的提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于岩土性能的液压声波钻头系统，在高度复杂的地质环境中，特别是在需要选择性开采的情况下，可以实时对工作过程进行协调和矿产资源开采进行优化。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于岩土性能的液压声波钻头系统，其特征在于：它包括声波钻头、传感器组和控制单元；其中，

声波钻头包括角度调整机构、振荡器、旋转组件、钻杆和钻头；角度调整机构用于控制钻杆与岩土之间的相对角度；振荡器由液压装置驱动，使用不平衡的重量产生高正弦力，并传输到钻头；旋转组件为钻杆提供旋转运动；

传感器组用于获取钻头的实际工作参数，实际工作参数包括外加压力、工作阻力、钻头转速、振动频率和振幅；

控制单元用于根据传感器组获取的钻头的实际工作参数，计算钻头工作地点的岩土性质，与预存的岩土性质数据集进行比对，获取该岩土性质下的理论工作参数，理论工作参数包括外加压力、振动频率和钻头钻速；通过控制液压装置、角度调整机构、振荡器和旋转组件，使得钻头的实际外加压力、振动频率和钻头钻速与理论工作参数相同。

按上述方案，所述的角度调整机构为蜗轮蜗杆组。

按上述方案，本系统还包括2个支撑起落架，分设在声波钻头的两侧，所述的声波钻头整体通过支撑起落架上的传动器放下，所述的液压装置设置在声波钻头的顶部。

按上述方案，所述的传动器为链式传动器。

按上述方案，本系统还包括校准台，所述的钻杆在放下时从校准台中穿过。

按上述方案，所述的传感器组包括压力传感器、转速传感器和电流传感器，其中压力传感器设置在钻头底部，转速传感器设置在旋转组件的内部的电机杆处，电流传感器设置在旋转组件的内部的电机处。

利用所述的基于岩土性能的液压声波钻头系统实现的挖掘方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S1、根据地理位置，选定一个初始的工作参数，控制涡轮蜗杆组、振荡器和旋转组件，给定钻头的初始外加压力、振动频率和钻头钻速，开始工作，钻头正垂直于地面；

S2、获取钻头的实际工作参数，实际工作参数包括外加压力、工作阻力、钻头转速、振动频率和振幅；

S3、根据传感器组获取的钻头的实际工作参数，计算钻头工作地点的岩土性质，与预存的岩土性质数据集进行比对，获取该岩土性质下的理论工作参数，理论工作参数包括外加压力、振动频率和钻头钻速；通过控制涡轮蜗杆组、振荡器和旋转组件，使得钻头的实际外加压力、振动频率和钻头钻速与理论工作参数相同。

按上述方法，所述的S1中，通过支撑起落架上的传动器将声波钻头放下。

本发明的有益效果为：通过传感器获得钻头的实际工作参数，与预存的岩土性质数据集比对，从而调整钻头的工作参数，以适应对应的岩土性质，从而保证在钻探过程中，声波钻头始终处于一种高效的工作状态，在高度复杂的地质环境中，特别是在需要选择性开采的情况下，可以实时对工作过程进行协调和矿产资源开采进行优化。

附图说明

图1为本发明一实施例的整体结构示意图。

图2为声波钻头的结构示意图。

图3为实时监控挖掘系统的结构示意图。

图4为实时监控挖掘系统的工作流程图。

图中：1-支撑起落架、2-传动器、3-阀门、4-液压装置、5-声波钻头、6-校准台、5-1-蜗杆、5-2-蜗轮、5-3-振荡器、5-4-分子结构中最大应变定位点、5-5-叠加感应压力波和反射压力波展开和压缩的管道、5-6-钻杆、5-7-分子结构中最小应变定位点、5-8-声波的波周期振幅、5-9-钻头。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于岩土性能的液压声波钻头系统，如图1和图3所示，它包括声波钻头5、传感器组和控制单元。其中，如图2所示，声波钻头5包括角度调整机构、振荡器5-3、旋转组件、钻杆5-6和钻头5-9；角度调整机构用于控制钻杆与岩土之间的相对角度，本实施例中采用蜗轮5-2和蜗杆5-1的组合；振荡器5-3由液压装置4驱动，使用不平衡的重量产生高正弦力，并传输到钻头5-9；旋转组件为钻杆5-6提供旋转运动。传感器组用于获取钻头5-9的实际工作参数，实际工作参数包括外加压力、工作阻力、钻头转速、振动频率和振幅。

控制单元用于根据传感器组获取的钻头的实际工作参数，计算钻头工作地点的岩土性质，与预存的岩土性质数据集进行比对，获取该岩土性质下的理论工作参数，理论工作参数包括外加压力、振动频率和钻头钻速；通过控制液压装置4、涡轮蜗杆组、振荡器和旋转组件，使得钻头的实际外加压力、振动频率和钻头钻速与理论工作参数相同。

本系统还包括2个支撑起落架1，分设在声波钻头5的两侧，所述的声波钻头5整体通过支撑起落架1上的传动器2放下，所述的液压装置4设置在声波钻头5的顶部。本实施例中传动器2为链式传动器。

本系统还包括校准台6，所述的钻杆5-6在放下时从校准台6中穿过。

阀门3，5-4-分子结构中最大应变定位点，位于钻杆的上部、5-5-叠加感应压力波和反射压力波展开和压缩的管道，设置在钻杆上，5-7-分子结构中最小应变定位点，位于钻杆中部、5-8-为简谐振动器施加的声波波周期振幅，这些位置点及设计是为了更好的使声波钻头的振动切削应用于岩土钻探过程中。

所述的传感器组包括压力传感器、转速传感器和电流传感器，其中压力传感器设置在钻头底部，转速传感器设置在旋转组件的内部的电机杆处，电流传感器设置在旋转组件的内部的电机处。

利用所述的基于岩土性能的液压声波钻头系统实现的挖掘方法，如图4所示，包括以下步骤：

S1、根据地理位置，选定一个初始的工作参数，控制涡轮蜗杆组、振荡器5-3和旋转组件，给定钻头5-9的初始外加压力、振动频率和钻头钻速，开始工作，钻头5-9正垂直于地面。具体的，通过支撑起落架1上的传动器2将声波钻头5放下。

S2、获取钻头5-9的实际工作参数，实际工作参数包括外加压力、工作阻力、钻头转速、振动频率和振幅；

S3、根据传感器组获取的钻头5-9的实际工作参数，计算钻头5-9工作地点的岩土性质，与预存的岩土性质数据集进行比对，获取该岩土性质下的理论工作参数，理论工作参数包括外加压力、振动频率和钻头钻速；通过控制涡轮蜗杆组、振荡器5-3和旋转组件，使得钻头5-9的实际外加压力、振动频率和钻头钻速与理论工作参数相同。

首先，通过从岩石钻探和岩石切割机械（挖掘机械）中获取与岩土特性相关的实时机器性能数据。这些特性可针对具体的土质设计最合适的挖掘方式和挖掘工作流程，作为预设数据存储在控制单元中。然后在使用本系统时，依据该预设数据实时对声波钻头进行调整，通过采集液压声波钻头的压力传感器信息、转速信息、频率信息、阻力信息，可以对岩土性质进行判断，依靠提前录入的不同性质岩土参数表对当前工作状态下提供不同等级的工作状态。

通过对钻头在钻探过程中的阻力的实时监控，若阻力突然激增或降低，则系统对涡轮蜗杆组件进行反馈，改变电机使蜗杆转动，带动涡轮转动。涡轮与声波钻头固定在一起，由涡轮转动调整声波钻头的工作角度。因为钻探过程是进给与旋转两个动作组成，声波钻头的角度变化应在-5°至5°左右。因而涡轮蜗杆控制的角度变化在10°左右。

声波钻头由涡轮蜗杆控制钻头与地面的相对角度，通过对振动波形的调整，来提高钻头的钻探效率。头部包含旋转运动所必需的机构，以及振荡器，这使得高频力叠加在钻杆上。钻头在被推下和旋转的同时，物理上的上下振动。这三种联合作用力使得钻探能够迅速地通过包括大多数岩石类型的大部分地质构造。振荡器由液压装置驱动,并使用不平衡的重量产生高正弦力，并传输到钻头。为了将交替力限制在钻杆上,还集成了一个空气弹簧。频率可以根据实时监控挖掘系统的反馈进行变化,一般在50至160赫兹（每秒周期）之间。

在液压声波钻头开始工作后，实时监控挖掘系统也正式启动，通过压力传感器、转速传感器等，对钻头的外加压力、工作阻力、钻头转速、振动频率、振幅等进行实时监控，并根据所得参数实时计算该工作地点的岩土性质，将计算得到的岩土性质与建立的岩土性质数据集进行比对，通过控制系统调整至计算得到的岩土性质下的工作参数（外加压力、钻头钻速、振动频率），并对声波钻头与地面的相对角度进行微调，以保证在钻探过程中，液压声波钻头始终处于一种高效的工作状态。

该系统可以在保证挖掘装置正常作业不受影响的前提下，优化工作流程、提高工作效率、降低使用成本，并提升自动化程度，解决现有挖掘装置的不足，具有一定的发展空间和实用意义，对于当前挖掘装置的完善与创新也有着重要意义。

本发明有以下几点创新之处：（1） 该实时挖掘系统可以实时对岩土力学性质监测、反馈并及时作出反应。（2）该实时挖掘系统采用声波钻头以适应对不同岩土力学性质变化时作出反应，相比普通钻探方式，更具有高灵敏度，并更加自动化。（3）通过外加液压装置与声波钻头相结合的设计，提高了系统对岩土力学性质判断之后反馈的准确性与有效性，有效提高了挖掘装置的工作效率。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于岩土性能的液压声波钻头系统，其特征在于：它包括声波钻头、传感器组和控制单元；其中，

声波钻头包括角度调整机构、振荡器、旋转组件、钻杆和钻头；角度调整机构用于控制钻杆与岩土之间的相对角度；振荡器由液压装置驱动，使用不平衡的重量产生高正弦力，并传输到钻头；旋转组件为钻杆提供旋转运动；

传感器组用于获取钻头的实际工作参数，实际工作参数包括外加压力、工作阻力、钻头转速、振动频率和振幅；

控制单元用于根据传感器组获取的钻头的实际工作参数，计算钻头工作地点的岩土性质，与预存的岩土性质数据集进行比对，获取该岩土性质下的理论工作参数，理论工作参数包括外加压力、振动频率和钻头钻速；通过控制液压装置、角度调整机构、振荡器和旋转组件，使得钻头的实际外加压力、振动频率和钻头钻速与理论工作参数相同。

2.根据权利要求1所述的基于岩土性能的液压声波钻头系统，其特征在于：所述的角度调整机构为蜗轮蜗杆组。

3.根据权利要求1所述的基于岩土性能的液压声波钻头系统，其特征在于：本系统还包括2个支撑起落架，分设在声波钻头的两侧，所述的声波钻头整体通过支撑起落架上的传动器放下，所述的液压装置设置在声波钻头的顶部。

4.根据权利要求3所述的基于岩土性能的液压声波钻头系统，其特征在于：所述的传动器为链式传动器。

5.根据权利要求3所述的基于岩土性能的液压声波钻头系统，其特征在于：本系统还包括校准台，所述的钻杆在放下时从校准台中穿过。

6.根据权利要求1所述的基于岩土性能的液压声波钻头系统，其特征在于：所述的传感器组包括压力传感器、转速传感器和电流传感器，其中压力传感器设置在钻头底部，转速传感器设置在旋转组件的内部的电机杆处，电流传感器设置在旋转组件的内部的电机处。

7.利用权利要求1所述的基于岩土性能的液压声波钻头系统实现的挖掘方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S1、根据地理位置，选定一个初始的工作参数，控制涡轮蜗杆组、振荡器和旋转组件，给定钻头的初始外加压力、振动频率和钻头钻速，开始工作，钻头正垂直于地面；

S2、获取钻头的实际工作参数，实际工作参数包括外加压力、工作阻力、钻头转速、振动频率和振幅；

S3、根据传感器组获取的钻头的实际工作参数，计算钻头工作地点的岩土性质，与预存的岩土性质数据集进行比对，获取该岩土性质下的理论工作参数，理论工作参数包括外加压力、振动频率和钻头钻速；通过控制涡轮蜗杆组、振荡器和旋转组件，使得钻头的实际外加压力、振动频率和钻头钻速与理论工作参数相同。

8.根据权利要求7所述的挖掘方法，其特征在于：所述的S1中，通过支撑起落架上的传动器将声波钻头放下。