CN112879362B - 一种井下仪器的液压驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下仪器的液压驱动系统，包括设置在井下仪器内的油箱平衡单元、液压动力单元、液压控制单元、支撑单元、执行单元；所述油箱平衡单元与液压动力单元通过液压管路连接以提供液压油并平衡外界压力，液压动力单元与液压控制单元通过液压管路连接以驱动支撑单元和执行单元；所述支撑单元用于将井下仪器支撑在井下环状空间；所述执行单元在井下旋转运动并驱动执行部件伸出。系统设定有平衡油箱用于平衡井下外界压力可以使仪器的系统压力和外界压力形成一个相对压力，从而不需要系统自身产生很高的压力，液压系统压力只需要满足个动作的工作压力既可。

Description

一种井下仪器的液压驱动系统

技术领域

本发明涉及石油井下作业技术领域，具体涉及一种井下仪器的液压驱动系统。

背景技术

由于井下仪器空间有限，仪器的动作复杂采用机械动力需要过多动力源或者复杂的机械传动机构在结构上无法实现，液压驱动具有独特的优势，只需要一个动力源可以实现不同机构的复杂工作。

发明内容

本发明的目的在于实现一种液压、机械相结合的井下仪器动作控制，提供一种井下仪器的液压驱动系统，本发明不需要系统自身产生很高的压力，液压系统压力只需要满足个动作的工作压力既可。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现。

一种井下仪器的液压驱动系统，包括设置在井下仪器内的油箱平衡单元、液压动力单元、液压控制单元、支撑单元、执行单元；

所述油箱平衡单元与液压动力单元通过液压管路连接以提供液压油并平衡外界压力，液压动力单元与液压控制单元通过液压管路连接以驱动支撑单元和执行单元；

所述支撑单元用于将井下仪器支撑在井下环状空间；

所述执行单元在井下旋转运动并驱动执行部件伸出。

作为本发明的进一步改进，所述油箱平衡单元包括油箱、平衡活塞、平衡弹簧和安全阀；

所述平衡活塞设置在油箱内，并通过平衡弹簧与油箱的液压侧连接，安全阀设置在油箱的液压侧上，箱的平衡侧设有与外部环境连通的平衡通道。

作为本发明的进一步改进，所述液压动力单元设置在油箱平衡单元中，液压动力单元包括第一电机、液压泵及单向阀，直流无刷第一电机带动液压泵使液压油输出，单向阀设置在泵的出口。

作为本发明的进一步改进，所述液压控制单元包括多个液压油路；多个液压油路分别通过电磁阀控制；第一液压油路与支撑单元连接提供推靠动力，第三液压油路与执行单元连接提供推靠动力，第二液压油路与支撑单元、执行单元均连接提供回收动力。

作为本发明的进一步改进，所述支撑单元包括第一腔体、第一活塞、第一支撑臂、第二支撑臂和第二腔体；第一活塞将第一腔体和第二腔体隔开，所述第一腔体内液压油驱动第一活塞向第二腔体运动，第一支撑臂通过第一连接点与第一活塞连接，第一支撑臂和第二支撑臂通过第二连接点旋转连接，第二支撑臂的第三连接点连接在仪器外壳上。

作为本发明的进一步改进，所述第一支撑臂在圆周上均布多个，且多个第一支撑臂均与第一活塞连接。

作为本发明的进一步改进，所述第一活塞的活塞杆上连接有第一复位弹簧，第一复位弹簧一端与第一活塞连接，另一端与第二腔体侧壁连接。

作为本发明的进一步改进，所述执行单元包括第二电机、第二活塞、第三腔体、第四腔体和执行部件；所述第二活塞将第三腔体和第四腔体隔开，所述第三腔体内液压油驱动第二活塞向第四腔体运动，第二活塞推动执行部件运动；第二电机驱动沿轴向设置的执行部件沿轴向转动或通过传动换向机构驱动沿径向设置的执行部件沿径向转动。

作为本发明的进一步改进，所述第二活塞的活塞杆上连接有复位弹簧，复位弹簧一端与第二活塞连接，另一端与第四腔体侧壁连接。

作为本发明的进一步改进，所述执行部件为钻头或钢刷。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的油箱平衡单元与液压动力单元通过液压管路连接以提供液压油并平衡外界压力，液压动力单元与液压控制单元通过液压管路连接以驱动支撑单元和执行单元；所述支撑单元用于将井下仪器支撑在井下环状空间；所述执行单元在井下旋转运动并驱动执行部件伸出。井下仪器的驱动推靠、回收动作采用液压驱动及控制，同时在动作的液压油路设定压力传感器用于检测推靠使得压力，系统设定有平衡油箱用于平衡井下外界压力可以使仪器的系统压力和外界压力形成一个相对压力，从而不需要系统自身产生很高的压力，液压系统压力只需要满足个动作的工作压力既可。

附图说明

此处附图为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术方案。以下对实施例中所需要使用的附图简明的介绍，并与说明书一起解释本发明的原理。同时为了更好的展示本发明以及验证本发明的有效性，本发明展示了麦克风阵列前后向抑制比的效果图。

图1一种井仪器径向张开切割液压动作原理机构示意图；

图2一种井下仪器轴向伸出钻孔、清理液压动作原理机构示意图；

图3种井下仪器径向伸出钻孔液压动作原理机构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并未用于限定本发明。

下面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，都属于本发明的保护范围。

本发明一种井下仪器的液压驱动系统，井下仪器的驱动推靠、回收动作采用液压驱动及控制，同时在动作的液压油路设定压力传感器用于检测推靠使得压力，

仪器中设定安全回收单元，用于仪器在断电时提供回收动力。

同时在仪器的另一动作中设定电机拖动做旋转运动，在旋转的同时液压力可以使旋转同时做伸出动作，实现井下各种作业需求。

系统设定有平衡油箱用于平衡井下外界压力可以使仪器的系统压力和外界压力形成一个相对压力，从而不需要系统自身产生很高的压力，液压系统压力只需要满足个动作的工作压力既可。

仪器中设定有两个电机，两个电机可以独立控制工作，M1为液压动力电机用于产生液压动力，M2为旋转电机可以使执行单元产生旋转动作。通过液压动力单元产生的液压动力可以使M2电机带动的旋转单元在旋转运动的同时使旋转部分伸出，此处伸出可以是臂径向张开也可以是轴向旋转伸出、或经过机械传动换向机构使旋转沿轴向转变为径向旋转伸出。从而实现切割管柱、管道清理、管柱内部沿轴向钻进，管柱内部径向钻孔。

下面结合附图来对本发明作进一步的说明。

附图1中主要分为5个部分，分别为：油箱平衡单元1、液压动力单元2、液压控制单元3、支撑单元4、执行单元5。

油箱平衡单元1为液压动力单元2提供液压油同时用于平衡外界压力，液压动力单元2将高压油输送到液压控制单元3从而实现支撑单元4的动作和同时实现执行单元5的工作时所需要的伸缩动作。支撑单元4是将井下仪器支撑在井下某一环状空间中使仪器居中固定，为执行单元5的工作提供必要的条件。支撑单元4支撑完成后可以承受径向扭矩、轴向位移等。执行单元5可以在井下作旋转运动的同时使旋转伸出，此处伸出可以使径向张开也可以是轴向位移，或经过机械传动换向机构使旋转沿轴向转变为径向旋转伸出。

油箱平衡单元1包括油箱、平衡活塞41、平衡弹簧40和安全阀9；平衡活塞41设置在油箱内，并通过平衡弹簧40与油箱的液压侧连接，安全阀9设置在油箱的液压侧上，箱的平衡侧设有与外部环境连通的平衡通道。

油箱平衡单元1中安全阀9用释放仪器因为油箱部分压力过高的压力，安全阀9设定压力为小于0.7Mp～2.1Mpa仪器中具体设定某个压力值取决于仪器系统自身需要，当内部油箱压力高于这个值后会将部分液压油释放到外部环境8中，同时在油箱平衡单元1设定有专用通道用于连接外部环境8这样可以使内部环境压力与达成一种平衡状态。平衡活塞41的平衡弹簧40采用拉簧结构，这样可以避免复位弹簧41暴露在外部腐蚀环境8中而导致的失效。

液压动力单元2设置在油箱平衡单元1中，液压动力单元2包括第一电机M1、液压泵P及单向阀6，直流无刷第一电机M1带动液压泵P使液压油输出，单向阀6设置在泵的出口。

液压动力单元2是整个浸泡在油箱平衡单元1中的，这样可以有利于直流无刷第一电机M1的散热和液压泵P工作时的吸油，为整个仪器的动作提供液压动力，经过液压控制单元3将液压力输送的各动作执行位置的活塞。液压动力单元2内部含有一个直流无刷第一电机M1带动液压泵P使液压油输出，并且在泵的出口设置有单向阀6。单向阀6的设置可以隔离，液压泵P在工作时的液压脉动造成的高压腔的压力波动，防止系统液力在液压泵P停止时因为压差而回流至液压平衡单元导致系统压力下降。

液压控制单元3是将液压动力单元2提供的液压动力根据需要输送到执行单元5和执行单元5去。液压控制单元3将液压油分配成三个液压油路A、B、C，油路A和B与执行单元5形成一个液压执行系统，油路C和B与执行单元5形成一个液压执行系统。执行机构5和4有一个共用液压油路B，为两个执行机构复位时的动力油路。

液压控制单元3包括多个液压油路；多个液压油路分别通过电磁阀控制；第一液压油路与支撑单元4连接提供推靠动力，第三液压油路与执行单元5连接提供推靠动力，第二液压油路与支撑单元4、执行单元5均连接提供回收动力。

液压油路A和C是推靠油路，油路B为回收油路，当油路A和C将液压动力单元2的液压油送到执行单元，执行单元的活塞背面的油通过油路B回油箱。反过来则是油路B接液压动力单元2的液压油使活塞复位，活塞背面的油通过液压油路A和C回油箱。

液压油路A中设定有一个两位三通常开电磁阀10用于换向，压力传感器11用于监测液压油路A中的压力，为控制提供参考依据，安全阀12用于保证液压油路A中的压力上线，避免压力过高而影响后续执行单元5的工作。

仪器正常的工作顺序是支撑单元4先工作完成，再进行执行单元5的工作。

支撑单元4包括第一腔体27、第一活塞28、第一支撑臂30、第二支撑臂25和第二腔体29；第一活塞28将第一腔体27和第二腔体29隔开，所述第一腔体27内液压油驱动第一活塞28向第二腔体29运动，第一支撑臂30通过第一连接点33与第一活塞28连接，第一支撑臂30和第二支撑臂25通过第二连接点34旋转连接，第二支撑臂25的第三连接点31连接在仪器外壳上。

支撑单元4工作，根据工作需要地面给电磁17供电，电磁阀14不供电，此时油路C提供液压油倒第一腔体27推动第一活塞28向外运动，第二腔体29的液压油通过电磁阀14回油箱。在油路C上设定有单向阀16防止油路A工作时导致油路C的压力下降，因为油路C的安全阀18压力设定高于油路A的安全阀12。安全阀18用于保护液压油路C的系统压力同时决定第一活塞28的推靠力。压力传感器19用于监测油路C的系统压力变化。当第一活塞28复位时电磁阀14供电、电磁阀17不供电，液压动力单元的液压油进入第二腔体29时第一活塞28复位第一腔体27的液压油通过电磁阀17回油箱。

执行单元5是一个液压推靠机构，在液压力作用下高压油进入第一腔体27使第一活塞28运动，使第一支撑臂30运动，第一支撑臂30和第二支撑臂25通过第二连接点34旋转，第二支撑臂25的另一个第三连接点31连接在仪器外壳上，使得第二支撑臂25可以绕支撑31旋转运动。第一支撑臂30用第一连接点33与第一活塞28连接，当第一活塞28向外运动使第一连接点33运动，第一支撑臂30和25的连接点径向向外移动，直至与井下管柱内壁接触，可以使仪器牢固固定管柱内壁，为执行单元5的旋转提供反向扭矩，避免仪器自身旋转。

第一支撑臂30在圆周上均布多个，且多个第一支撑臂30均与第一活塞28连接。优选的，执行单元5设定3组支撑臂在360度圆周上均布，因为三点确定一个圆有利与仪器居中，并且三个支撑臂联动，三组支撑臂一同张开或这回收。

执行单元5包括第二电机M2、第二活塞20、第三腔体24、第四腔体25和执行部件；所述第二活塞20将第三腔体24和第四腔体25隔开，所述第三腔体24内液压油驱动第二活塞20向第四腔体25运动，第二活塞20推动执行部件运动；第二电机M2驱动沿轴向设置的执行部件沿轴向转动或通过传动换向机构驱动沿径向设置的执行部件沿径向转动。

执行单元5工作，地面工作需要时给电磁10通电，液压动力单元2提供的液压可以通过电磁阀10到执行单元的第三腔体24中促使第二活塞20向外推靠，此时电磁阀14不供电，第四腔体25的液压油通过电磁阀14回油箱。在整个过程中压力传感器11用于监测油路A以及第三腔体24中的压力从而判断第二活塞20的推靠力。当油路A中的压力超过安全阀12设定值时，安全阀12起作用将压力维持在安全阀12的设定值范围内。当需要第二活塞20复位时，电磁阀14不供电，电磁阀10供电，动力系统提供的液压油可以到达第四腔体25时第二活塞20回收，第三腔体24的液压油通过电磁阀10回油箱。

执行单元5具备两种工作形态并存，第二电机M2可以带动支撑臂23旋转运动，液压力可以是第二活塞20在旋转时伸出从而使支撑臂23绕支撑点22张开，从而实现工作在旋转时支撑臂23张开，实现工作时的旋转进给运动。第二电机M2是一个直流无刷电机，经过大减速比减速器可以提供大约20N·m的扭矩力。支撑臂23的旋转点22时固定在壳体上的由第二电机M2带动旋转。

支撑臂设定有3个360度均布，支撑臂的末端设定有一个刀头用于将井下属管柱从内部切开。3个支撑臂为联动机构设定，3个支撑臂一起张开或者回收。

安全回收系统有两个，分别设置在支撑单元4和执行单元5中，第一活塞28的活塞杆上连接有第一复位弹簧26，第一复位弹簧26一端与第一活塞28连接，另一端与第二腔体29侧壁连接。第二活塞20的活塞杆上连接有复位弹簧21，复位弹簧21一端与第二活塞20连接，另一端与第四腔体25侧壁连接。

在仪器断电时各支撑臂会在安全回收系统作用下回收到仪器外壳内部。执行单元5和执行单元5中设定安全回收系统，当仪器无法供电时电磁10和电磁阀17将油路A和C中的第三腔体24和第一腔体27接入油箱；电磁阀14此时将油路C与油箱接通。执行单元5在压缩复位弹簧21作用下第二活塞20复位促使第三腔体24的液压油会油箱。第二活塞20回复的同时带动支撑臂23收回仪器外壳内部。执行单元5在压缩复位弹簧26作用使第一活塞28复位促使第一腔体27的液压油从电磁阀17回油箱，第一活塞28回复的时候带动第一支撑臂30和第二支撑臂25回复到仪器外壳内部。

图2是另一种仪器的液压原理图和图1的除了执行机构5不一样外其余相同，推靠和回复原理也相同。执行单元5中设定的执行部件35`可以是一个钻头也可以是一种钢刷，钻头可以将轴向位置的零件钻掉，可以是管路内部通畅；钢刷可以将管壁内部附着物清理掉使管道通畅。在第二电机M2的电动下执行部件35`开始旋转，此时液压力进入第三腔体24推动第二活塞20向外运动，第四腔体25的液压油通过电磁阀14回油箱，从而促使执行部件35`旋转进给，清除前方的零件或者堵塞物。当清理完成后液压油进入第四腔体25使第二活塞20复位第三腔体24的液压油通过电磁阀11回油箱。这个时候执行单元5将承受执行单元5工作时的旋转扭矩和轴向的反向推力。执行单元5中同样设定有安全回收系统，在仪器断电在复位弹簧21作用下使第二活塞20复位带动执行部件35`回到初始位置。

图3是一种贴管柱内壁的的打孔仪器原理图，除了执行单元5和执行单元5做了改变仪器其它与图1原理相同，工作时候在执行单4作用下使仪器紧贴管柱内壁，执行单元5的钻头36`对管柱内部从内而外进行钻孔建立一种循环通道。执行单元5的推靠臂为一组支撑臂与执行单元5的钻头36`为180度对向设置，支撑臂的支撑点34接触管壁将仪器整体推靠在管柱内壁上，使执行单元5的钻头36`位置紧贴管柱内壁。执行单元5所有零部件都装在仪器外壳39内，第二电机M2通过传动换向机构37和38将第二电机M2的轴向旋转进行90度换向带动钻头36`旋转，在液压力作用下使钻头36`在旋转的同时伸出，对管壁从内而外进行打孔。第二电机M2旋转通过换向机构37和38带动钻头36`旋转，第三腔体24在液压力作用下推动塞20，第四腔体25的液压油回油箱，第二活塞20可以推出，从而实现钻孔。当工作完成过后液压力进入第四腔体25推第二活塞20使第三腔体24液压油回油箱，钻头36`收回。安全回收系统当仪器断电时各油路与油箱接通在压缩复位弹簧21和压缩复位弹簧26作用下使第二活塞20和第一活塞28回到初始位置，各机构收回仪器内部。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种井下仪器的液压驱动系统，其特征在于，包括设置在井下仪器内的油箱平衡单元（1）、液压动力单元（2）、液压控制单元（3）、支撑单元（4）、执行单元（5）；

所述油箱平衡单元（1）与液压动力单元（2）通过液压管路连接以提供液压油并平衡外界压力，液压动力单元（2）与液压控制单元（3）通过液压管路连接以驱动支撑单元（4）和执行单元（5）；

所述液压动力单元（2）设置在油箱平衡单元（1）中，液压动力单元（2）包括第一电机（M1）、液压泵（P）及单向阀（6），直流无刷第一电机（M1）带动液压泵（P）使液压油输出，单向阀（6）设置在泵的出口；

所述支撑单元（4）用于将井下仪器支撑在井下环状空间；

所述支撑单元（4）包括第一腔体（27）、第一活塞（28）、第一支撑臂（30）、第二支撑臂（25）和第二腔体（29）；第一活塞（28）将第一腔体（27）和第二腔体（29）隔开，所述第一腔体（27）内液压油驱动第一活塞（28）向第二腔体（29）运动，第一支撑臂（30）通过第一连接点（33）与第一活塞（28）连接，第一支撑臂（30）和第二支撑臂（25）通过第二连接点（34）旋转连接，第二支撑臂（25）的第三连接点（31）连接在仪器外壳上；

所述第一活塞（28）的活塞杆上连接有第一复位弹簧（26），第一复位弹簧（26）一端与第一活塞（28）连接，另一端与第二腔体（29）侧壁连接；

所述执行单元（5）在井下旋转运动并驱动执行部件伸出；

所述执行单元（5）包括第二电机（M2）、第二活塞（20）、第三腔体（24）、第四腔体（25）和执行部件；所述第二活塞（20）将第三腔体（24）和第四腔体（25）隔开，所述第三腔体（24）内液压油驱动第二活塞（20）向第四腔体（25）运动，第二活塞（20）推动执行部件运动；第二电机（M2）通过传动换向机构驱动沿径向设置的执行部件沿径向转动；

所述第二活塞（20）的活塞杆上连接有第二复位弹簧（21），第二复位弹簧（21）一端与第二活塞（20）连接，另一端与第四腔体（25）侧壁连接；

支撑臂的支撑点（34）接触管壁将仪器整体推靠在管柱内壁上，使执行单元（5）的钻头（36`）位置紧贴管柱内壁；执行单元（5）所有零部件都装在仪器外壳（39）内，第二电机（M2）通过传动换向机构（37、38）将第二电机（M2）的轴向旋转进行（90）度换向带动钻头（36`）旋转，在液压力作用下使钻头（36`）在旋转的同时伸出，对管壁从内而外进行打孔；第二电机（M2）旋转通过换向机构（37、38）带动钻头（36`）旋转，第三腔体（24）在液压力作用下推动第二活塞（20），第四腔体（25）的液压油回油箱，第二活塞（20）推出，从而实现钻孔；当工作完成过后液压力进入第四腔体（25）推第二活塞（20）使第三腔体（24）液压油回油箱，钻头（36`）收回；安全回收系统当仪器断电时各油路与油箱接通在压缩第二复位弹簧（21）和压缩第一复位弹簧（26）作用下使第二活塞（20）和第一活塞（28）回到初始位置，各机构收回仪器内部；

液压油路A和液压油路C是推靠油路，油路B为回收油路，仪器正常的工作顺序是支撑单元（4）先工作完成，再进行执行单元（5）的工作；

支撑单元（4）工作，根据工作需要地面给第三电磁阀（17）供电，第二电磁阀（14）不供电，此时油路C提供液压油倒第一腔体（27）推动第一活塞（28）向外运动，第二腔体（29）的液压油通过第二电磁阀（14）回油箱；当第一活塞（28）复位时第二电磁阀（14）供电、第三电磁阀（17）不供电，液压动力单元的液压油进入第二腔体（29）时第一活塞（28）复位第一腔体（27）的液压油通过第三电磁阀（17）回油箱；

执行单元（5）工作，地面工作需要时给第一电磁阀（10）通电，液压动力单元（2）提供的液压可以通过第一电磁阀（10）到执行单元的第三腔体（24）中促使第二活塞（20）向外推靠，此时第二电磁阀（14）不供电，第四腔体（25）的液压油通过第二电磁阀（14）回油箱；当需要第二活塞（20）复位时，第二电磁阀（14）不供电，第一电磁阀（10）供电，动力系统提供的液压油到达第四腔体（25）时第二活塞（20）回收，第三腔体（24）的液压油通过第一电磁阀（10）回油箱；当仪器无法供电时第一 电磁阀（10）和第三电磁阀（17）将油路A和C中的第三腔体（24）和第一腔体（27）接入油箱；第二电磁阀（14）此时将油路C与油箱接通；执行单元（5）在压缩第二复位弹簧（21）作用下第二活塞（20）复位促使第三腔体（24）的液压油回油箱。

2.根据权利要求1所述的一种井下仪器的液压驱动系统，其特征在于，所述油箱平衡单元（1）包括油箱、平衡活塞（41）、平衡弹簧（40）和安全阀（9）；

所述平衡活塞（41）设置在油箱内，并通过平衡弹簧（40）与油箱的液压侧连接，安全阀（9）设置在油箱的液压侧上，箱的平衡侧设有与外部环境连通的平衡通道。

3.根据权利要求1所述的一种井下仪器的液压驱动系统，其特征在于，所述液压控制单元（3）包括多个液压油路；多个液压油路分别通过电磁阀控制；第一液压油路与支撑单元（4）连接提供推靠动力，第三液压油路与执行单元（5）连接提供推靠动力，第二液压油路与支撑单元（4）、执行单元（5）均连接提供回收动力。

4.根据权利要求1所述的一种井下仪器的液压驱动系统，其特征在于，所述第一支撑臂（30）在圆周上均布多个，且多个第一支撑臂（30）均与第一活塞（28）连接。