CN111156217A - 一种坑道钻机回转器液压马达控制系统及控制方法 - Google Patents

一种坑道钻机回转器液压马达控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种坑道钻机回转器液压马达控制系统及控制方法，包括油箱、液压泵、溢流阀、压力表、集成阀块、液压马达、旋转编码器、电控箱和外接电源。有益效果在于：使用该控制系统及控制方法，在长水平位移定向钻孔时，通过合理设定旋转角度或扭矩负载范围对液压马达进行启停换向及速度控制，可以驱动孔内上部大部分钻杆双向回转，且不影响井底定向钻进，从而变钻杆与孔壁之间静摩擦为动摩擦，大幅降低摩阻，提高了定向钻孔速度，效果显著；该系统中的集成阀块和电控箱采用模块化设计，可独立应用于其它各类液压马达的启停换向及速度控制场合，且便于在现有坑道钻机上增加回转器液压马达启停换向及速度控制功能，兼容性好，安装方便。

Description

一种坑道钻机回转器液压马达控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及液压马达技术领域，尤其是涉及一种坑道钻机回转器液压马达控制系统及控制方法。
背景技术
全液压低转速、大扭矩型坑道钻机，是中硬煤层的大功率深孔定向钻机，适用于孔底马达定向钻进、孔口回转钻进以及复合定向钻进等多种施工工艺。坑道钻机旋转钻具的主要装置为回转器，回转器为双向液压马达驱动。当孔口回转钻进及复合定向钻进时，液压马达带动回转器按一定速度旋转，且液压马达可无级变速，完全可以满足工艺要求。而当孔底马达定向钻进时，地面回转器及液压马达被制动装置抱紧锁死，防止钻杆转动，实现孔底马达定向钻进时的钻杆定位功能，钻机进给装置推动钻杆滑动前进给钻头加压，但随着定向钻孔的水平位移越来越长，当几百米，甚至千米以上的钻杆躺在孔内不旋转时，钻杆与孔壁之间的摩擦力会急剧增加，推进力难以施加到钻头上，导致定向钻孔机械钻速急剧下降，所用时间物料增加，从而使得成本大幅增加。因此，目前回转器及液压马达锁死，钻杆滑动的孔底定向工艺难以满足长水平位移定向钻孔技术要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种回转器液压马达控制系统及控制方法。使用该系统及方法，可在定向钻孔时，精确控制液压马达按设定角度或扭矩负载正反双向旋转，通过回转器带动钻杆正反回转，让上部大部分钻杆旋转，又不影响孔底定向功能，从而大幅度降低定向钻孔摩阻。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种坑道钻机回转器液压马达控制系统，包括油箱、液压泵、溢流阀、压力表、集成阀块、液压马达、旋转编码器、电控箱和外接电源；所述溢流阀进口接液压泵的出油管线，出口接系统回油管线；所述压力表用于显示液压系统的压力；所述集成阀块上有管线接口，分别接液压泵的出油管线、系统回油管线、液压马达的进油管线和回油管线，所述集成阀块用于实现液压油路的接通、切断、换向以及压力卸载；所述旋转编码器安装于液压马达的输出轴上，用于检测反馈液压马达旋转速度和角度位置；所述电控箱为系统控制单元，用于采集传感器数据，并输出指令控制系统动作；所述外接电源与电控箱电连接，电控箱与集成阀块和旋转编码器电连接。
优选地，所述液压马达为双向液压马达，所述液压马达有M和N两个油口。
优选地，所述集成阀块包括压力传感器一、压力传感器二、流量方向控制阀、比例减压阀和流量计；所述流量方向控制阀为三位四通阀，四个油口分别为P、T、A和B，A口连液压马达的M口，B口连液压马达的N口，P口接比例减压阀的出口，T口接流量计的入口；所述比例减压阀的入口接液压泵的出油管线；流量计出口接系统的回油管线；所述压力传感器一与流量方向控制阀的A口及液压马达的M口相通，所述压力传感器二与流量方向控制阀的B口及液压马达的N口相通；所述流量计用于检测反馈液压马达的旋转速度和位置。
优选地，所述流量方向控制阀可为比例伺服方向阀或比例方向阀。
优选地，所述电控箱包括人机交互单元、可编程控制器、电源模块、模拟量输出模块、模拟量输入模块和高速脉冲输入模块；所述人机交互单元用于参数设置、指令输入及系统运行参数显示；所述可编程控制器内装载控制程序，实时采集人机交互单元的输入参数和指令，以及模拟量输入模块和高速脉冲输入模块的信号，经程序运算后，通过模拟量输出模块输出模拟量信号；所述电源模块与可编程控制器和人机交互单元电连接，并通过可编程控制器与模拟量输出模块、模拟量输入模块和高速脉冲输入模块电连接，所述模拟量输出模块与流量方向控制阀和比例减压阀电连接，所述模拟量输入模块与压力传感器一和压力传感器二电连接，所述高速脉冲输入模块与旋转编码器或流量计电连接。
优选地，所述旋转编码器和流量计两者选一。
优选地，所述油箱的进油管道口和出油管道口均安装有过滤器。
本发明还提供一种基于所述的坑道钻机回转器液压马达控制系统的控制方法：
S1、根据液压系统原理图安装好所有液压、电气元件，连接好电源线及信号线；
S2、根据坑道钻机型号、所用钻具型号以及钻孔工艺要求，通过人机交互单元设定系统参数；
S3、设定液压马达M口供油，N口回油时，液压马达顺时针旋转，N口供油，M口回油时，液压马达逆时针旋转；
S4、通过设定双向扭矩载荷范围或双向角度范围的控制方式实现液压马达的启停换向及速度控制。
该坑道钻机回转器液压马达控制系统及控制方法，有益的技术效果是：
1、使用该控制系统及控制方法，在长水平位移定向钻孔时，通过合理设定旋转角度或扭矩负载范围对液压马达进行启停换向及速度控制，可以驱动孔内上部大部分钻杆双向回转，且不影响井底定向钻进，从而变钻杆与孔壁之间静摩擦为动摩擦，大幅降低摩阻，提高了定向钻孔速度，效果显著，减少了钻孔时间和钻孔物料量，从而降低了使用成本，满足长水平位移定向钻孔技术要求；
2、该系统中的集成阀块和电控箱采用模块化设计，可独立应用于其它各类液压马达的启停换向及速度控制场合，且便于在现有坑道钻机上增加回转器液压马达启停换向及速度控制功能，兼容性好，安装方便。
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为本发明的控制系统原理图。
图2为本发明的集成阀块的示意图。
图3为本发明的电控箱的示意图。
图中标记：
1、油箱；2、液压泵；3、溢流阀；4、压力表；5、集成阀块；501、压力传感器一；502、压力传感器二；503、流量方向控制阀；504、比例减压阀；505、流量计；6、液压马达；7、旋转编码器；8、电控箱；801、人机交互单元；802、可编程控制器；803、电源模块；804、模拟量输出模块；805、模拟量输入模块；806、高速脉冲输入模块；9、外接电源。
具体实施方式
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作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。
如图1所示，本发明的坑道钻机回转器液压马达控制系统，包括油箱1、液压泵2、溢流阀3、压力表4、集成阀块5、液压马达6、旋转编码器7、电控箱8和外接电源9；所述溢流阀3进口接液压泵2的出油管线，出口接系统回油管线，所述溢流阀3用于限定系统最高工作压力；所述压力表4用于显示系统的压力；所述集成阀块5上有管线接口，分别接液压泵2的出油管线、系统回油管线、液压马达6的进油管线和回油管线，所述集成阀块用于实现液压油路的接通、切断、换向以及压力卸载；所述旋转编码器7安装于液压马达6的输出轴上，用于检测反馈液压马达6的旋转速度和角度位置；所述电控箱8为系统控制单元，用于采集传感器数据，并输出指令控制系统动作；所述外接电源9与电控箱8电连接，所述电控箱8与集成阀块5和旋转编码器7电连接。
所述液压马达6为双向液压马达，所述液压马达6有M和N两个油口。
如图2所示，所述集成阀块5包括压力传感器一501、压力传感器二502、流量方向控制阀503、比例减压阀504和流量计505；所述流量方向控制阀503为三位四通阀，四个油口分别为P、T、A和B，A口连液压马达6的M口，B口连液压马达6的N口，P口接比例减压阀504的出口，T口接流量计505的入口；所述比例减压阀504的入口接液压泵2的出油管线；所述流量计505出口接回油管线；所述压力传感器一501与流量方向控制阀503的A口及液压马达6的M口相通，所述压力传感器二502与流量方向控制阀503的B口及液压马达6的N口相通；所述流量计505输出高速脉冲信号，用于检测反馈液压马达6的旋转速度和位置。
流量方向控制阀503可为比例伺服方向阀或比例方向阀。
如图3所示，电控箱8包括人机交互单元801、可编程控制器802、电源模块803、模拟量输出模块804、模拟量输入模块805和高速脉冲输入模块806；所述人机交互单元801用于参数设置、指令输入及系统运行参数显示；所述可编程控制器802内装载控制程序，实时采集人机交互单元801的输入参数和指令以及模拟量输入模块805和高速脉冲输入模块806的信号，经程序运算后，通过模拟量输出模块804输出模拟量信号；所述电源模块803与可编程控制器802和人机交互单元801电连接，并通过可编程控制器802与模拟量输出模块804、模拟量输入模块805、高速脉冲输入模块806电连接；所述模拟量输出模块804通过线缆分别与流量方向控制阀503和比例减压阀504相连，输出模拟电压信号控制流量方向控制阀503和比例减压阀504阀芯动作，并与流量方向控制阀503和比例减压阀504电连接；所述模拟量输入模块805通过线缆分别与压力传感器一501和压力传感器二502相连，采集压力传感器一501和压力传感器二502输出的模拟量信号，并与压力传感器一501和压力传感器二502电连接；所述高速脉冲输入模块806通过线缆与旋转编码器7或流量计505相连，采集旋转编码器7或流量计505输出的高速脉冲信号，并与旋转编码器7或流量计505电连接。
该控制系统中，所述旋转编码器7和流量计505可两者选一，一般地，当旋转编码器7便于安装时，优选使用旋转编码器7；当受液压马达6结构及空间限制无法安装时，考虑使用流量计505。
如图1所示，所述油箱的进油管道口和出油管道口均安装有过滤器。
基于该控制系统的控制方法，具体流程如下：
S1、根据液压系统原理图安装好所有液压、电气元件，连接好电源线及信号线；
S2、根据坑道钻机型号、所用钻具型号以及钻孔工艺要求，通过人机交互单元801进行参数设定；
S3、设定液压马达6的M口供油，N口回油时，液压马达6顺时针旋转，N口供油，M口回油时，液压马达6逆时针旋转；
S4、通过设定双向扭矩载荷范围或双向角度范围的控制方式实现液压马达6的启停换向及速度控制；
1)设定双向扭矩载荷范围的启停换向及速度控制：
(1)在人机交互单元801上设定液压马达6双向旋转速度，即顺时针旋转速度μ和逆时针旋转速度ν；设定液压马达6双向旋转的最大载荷，即顺时针旋转的最大扭矩T顺max和逆时针旋转最大扭矩T逆max；(μ与ν的值可相同，可不同，T顺max与T逆max的值可相同，可不同)；
(2)根据人机交互单元801设定的双向旋转速度μ和ν，可编程控制器802经程序运算后，通过模拟量输出模块804输出模拟电压U顺和U逆分别控制流量方向控制阀503处于左、右位时的对应开口大小(由开口大小限流量，控制液压马达6的旋转速度)，实时采集旋转编码器7或流量计505反馈的速度信号进行PID闭环调节；通过控制流量方向控制阀503阀口开启、关闭的速度,实现液压马达6启停换向时为平稳地加速—匀速—减速过程，避免换向冲击，根据设定扭矩值T顺max和T逆max，由可编程控制器802运算出对应的压力值P顺max和P逆max，通过模拟量输出模块804输出模拟电压U1和U2控制比例减压阀504的开口大小，来控制液压油通过比例减压阀504后的最高压力，从而控制液压马达6的双向驱动最大负载为T顺max和T逆max；
(3)在人机交互单元801上按下“液压马达运行”按钮，可编程控制器802根据程序设定，首先，模拟量输出模块804输出模拟电压U顺使流量方向控制阀503缓慢向左位开启到对应位置，同时模拟量输出模块804输出模拟电压U1使比例减压阀504后的最高压力值为P顺max，此时液压泵2输出的高压油经比例减压阀504后，由流量方向控制阀503的P口经A口进入液压马达6的M口，然后由N口到流量方向控制阀503的B口，从T口到回油管线，从而驱动液压马达6按设定的速度μ顺时针旋转，随着负载增加，压力值逐步升高将要达到P顺max，液压马达6停止旋转，同时模拟量输入模块805监测到压力传感器一501的压力值达到P顺max后，模拟量输出模块804输出模拟电压U逆控制流量方向控制阀503缓慢向右位开启到相应位置，同时模拟量输出模块804输出模拟电压U2使比例减压阀504后的最高压力值为P逆max，此时液压泵2输出的高压油经比例减压阀504后，由流量方向控制阀503的P口经B口进入液压马达6的N口，然后由M口到流量方向控制阀503的A口，经T口到回油管线，从而驱动液压马达6按设定的速度ν逆时针旋转，随着负载增加，压力值逐步升高将要达到P逆max，液压马达6停止旋转，同时模拟量输入模块805监测到压力传感器二502的压力值达到P逆max后，模拟量输出模块804输出模拟电压U顺控制流量方向控制阀503缓慢向左位开启到相应位置，模拟量输出模块804输出模拟电压U1使比例减压阀504后的最高压力值为P顺max，然后重复上述的启停换向和速度控制动作，一直运行；
(4)当液压马达6停止动作时，在人机交互单元801上按下“液压马达停止”按钮，可编程控制器802通过模拟量输出模块804输出模拟电压信号控制流量方向控制阀503缓慢回中位，液压马达6回到扭矩负载为零的位置后停止；
2)设定双向角度范围的启停换向及速度控制：
(1)在人机交互单元801上设定液压马达6双向旋转速度，即顺时针旋转速度μ和逆时针旋转速度ν；设定液压马达6双向旋转的最大角度，即顺时针旋转的最大角度α和逆时针旋转最大角度β；(μ与ν的值可相同，可不同，α与β的值可相同，可不同)；
(2)根据人机交互单元801设定的双向旋转速度μ和ν，可编程控制器802经程序运算后，通过模拟量输出模块804输出模拟电压U顺和U逆分别控制流量方向控制阀503处于左、右位时的对应开口位置；模拟量输出模块804输出模拟电压Umax控制比例减压阀504的阀口开口到最大，不起减压作用；根据液压马达6旋转360°时旋转编码器7或流量计505输出的脉冲数，计算出旋转角度值α和β分别对应的脉冲数m和n；
(3)在人机交互单元801上按下“液压马达运行”按钮，可编程控制器802根据程序设定，首先，模拟量输出模块804输出模拟电压U顺使流量方向控制阀503缓慢向左位开启到对应位置，此时液压泵2输出的高压油经比例减压阀504后，由流量方向控制阀503的P口经A口进入液压马达6的M口，再由N口到流量方向控制阀503的B口，从T口到回油管线，从而驱动液压马达6按设定的速度μ顺时针旋转，当高速脉冲输入模块506检测到旋转编码器7或流量计505输出脉冲数等于m时，模拟量输出模块804输出模拟电压U逆控制流量方向控制阀503缓慢向右位开启到对应位置，此时液压泵2输出的高压油经比例减压阀504后，由流量方向控制阀503的P口经B口进入液压马达6的N口，再由M口到流量方向控制阀503的A口，经T口到回油管线，从而驱动液压马达6按设定的速度ν逆时针旋转，当高速脉冲输入模块506检测到旋转编码器7或流量计505输出脉冲数等于2m+n时，模拟量输出模块804输出模拟电压U顺控制流量方向控制阀503缓慢向左位开启到对应位置，液压油驱动液压马达6顺时针旋转，当高速脉冲输入模块506检测到旋转编码器7或流量计505输出脉冲数等于3m+2n时，液压马达6又换向逆时针旋转，触发换向的脉冲数间隔为m+n，就这样按照设定的角度α与β双向回转；
(4)当液压马达6停止动作时，在人机交互单元801上按下“液压马达停止按钮”后，当高速脉冲输入模块506根据旋转编码器7或流量计505的反馈信号检测到液压马达6处于开始旋转起始位置时，模拟量输出模块804输出模拟电压信号控制流量方向控制阀503阀芯回中位，液压马达6停止旋转。
使用该控制系统及控制方法，在长水平位移定向钻孔时，通过合理设定旋转角度或扭矩负载范围对液压马达进行启停换向及速度控制，可以驱动孔内上部大部分钻杆双向回转，且不影响井底定向钻进，从而变钻杆与孔壁之间静摩擦为动摩擦，大幅降低摩阻，应用证明可降低定向摩阻达70％以上，提高定向钻孔速度50％以上，效果显著，减少了钻孔时间和钻孔物料量，从而降低了使用成本，满足长水平位移定向钻孔技术要求；该系统中的集成阀块和电控箱采用模块化设计，可独立应用于其它各类液压马达的启停换向及速度控制场合，且便于在现有坑道钻机上增加回转器液压马达启停换向及速度控制功能，兼容性好，安装方便。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种坑道钻机回转器液压马达控制系统，其特征在于：包括油箱(1)、液压泵(2)、溢流阀(3)、压力表(4)、集成阀块(5)、液压马达(6)、旋转编码器(7)、电控箱(8)和外接电源(9)；所述溢流阀(3)进口接液压泵(2)的出油管线，出口接系统回油管线；所述压力表(4)用于显示液压系统的压力；所述集成阀块(5)上有管线接口，分别接液压泵(2)的出油管线、系统回油管线、液压马达(6)的进油管线和回油管线，所述集成阀块(5)用于实现液压油路的接通、切断、换向以及压力卸载；所述旋转编码器(7)安装于液压马达(6)的输出轴上，用于检测反馈液压马达(6)旋转速度和角度位置；所述电控箱(8)为系统控制单元，用于采集传感器数据，并输出指令控制系统动作；所述外接电源(9)与电控箱(8)电连接，电控箱(8)与集成阀块(5)和旋转编码器(7)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种坑道钻机回转器液压马达控制系统，其特征在于：所述液压马达(6)为双向液压马达，所述液压马达(6)有M和N两个油口。
3.根据权利要求2所述的一种坑道钻机回转器液压马达控制系统，其特征在于：所述集成阀块(5)包括压力传感器一(501)、压力传感器二(502)、流量方向控制阀(503)、比例减压阀(504)和流量计(505)；所述流量方向控制阀(503)为三位四通阀，四个油口分别为P、T、A和B，A口连液压马达(6)的M口，B口连液压马达(6)的N口，P口接比例减压阀(504)的出口，T口接流量计(505)的入口；所述比例减压阀(504)的入口接液压泵(2)的出油管线；流量计(505)出口接系统的回油管线；所述压力传感器一(501)与流量方向控制阀(503)的A口及液压马达(6)的M口相通，所述压力传感器二(502)与流量方向控制阀(503)的B口及液压马达(6)的N口相通；所述流量计(505)用于检测反馈液压马达(6)的旋转速度和位置。
4.根据权利要求3所述的一种坑道钻机回转器液压马达控制系统，其特征在于：所述流量方向控制阀(503)可为比例伺服方向阀或比例方向阀。
5.根据权利要求1所述的一种坑道钻机回转器液压马达控制系统，其特征在于：所述电控箱(8)包括人机交互单元(801)、可编程控制器(802)、电源模块(803)、模拟量输出模块(804)、模拟量输入模块(805)和高速脉冲输入模块(806)；所述人机交互单元(801)用于参数设置、指令输入及系统运行参数显示；所述可编程控制器(802)内装载控制程序，实时采集人机交互单元(801)的输入参数和指令，以及模拟量输入模块(805)和高速脉冲输入模块(806)的信号，经程序运算后，通过模拟量输出模块(804)输出模拟量信号；所述电源模块(803)与可编程控制器(802)和人机交互单元(801)电连接，并通过可编程控制器(802)与模拟量输出模块(804)、模拟量输入模块(805)和高速脉冲输入模块(806)电连接，所述模拟量输出模块(804)与流量方向控制阀(503)和比例减压阀(504)电连接，所述模拟量输入模块(805)与压力传感器一(501)和压力传感器二(502)电连接，所述高速脉冲输入模块(806)与旋转编码器(7)或流量计(505)电连接。
6.根据权利要求5所述的一种坑道钻机回转器液压马达控制系统，其特征在于：所述旋转编码器(7)和流量计(505)两者选一。
7.根据权利要求1所述的一种坑道钻机回转器液压马达控制系统，其特征在于：所述油箱(1)的进油管道口和出油管道口均安装有过滤器。
8.根据权利要求1-7所述的一种坑道钻机回转器液压马达控制系统的控制方法，其特征在于：
S1、根据液压系统原理图安装好所有液压、电气元件，连接好电源线及信号线；
S2、根据坑道钻机型号、所用钻具型号以及钻孔工艺要求，通过人机交互单元(801)设定系统参数；
S3、设定液压马达(6)M口供油，N口回油时，液压马达(6)顺时针旋转，N口供油，M口回油时，液压马达(6)逆时针旋转；
S4、通过设定双向扭矩载荷范围或双向角度范围的控制方式实现液压马达(6)的启停换向及速度控制。
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