CN113187416A - 一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置与方法，包括虎钳泵和旋转泵，虎钳泵连接有虎钳阀组，旋转泵连接有动力头旋转马达，动力头旋转马达的并联有旋转马达卸荷阀，旋转泵还连接有旋转溢流阀；还包括控制器，控制器连接有压力传感器、旋转马达转速传感器、倾角传感器、虎钳开关和电磁线圈。本发明提供了两种操作方法，其一是将动力头旋转马达的A口与B口导通，此时操作虎钳旋转卸扣时，消除了动力头主轴的阻力；其二是将动力头旋转系统压力进行限制，动力头主轴跟随后虎钳旋转，主动提供辅助卸扣力；以上技术方案都能提高水平定向钻机虎钳卸扣的效果，极大地减缓虎牙和钻杆的磨损，提高使用寿命。

Description

一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置与方法

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体是一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置与方法。

背景技术

水平定向钻机在施工过程中，需要通过虎钳体来卸开钻杆与钻杆之间的螺纹扣，实际操作中，前虎钳、后虎钳进行夹紧操作，将钻杆夹紧，此时操作后虎钳逆时针旋转，产生旋转力，使螺纹扣松动。通常情况下，虎钳卸扣在以下两个情况下进行：一个是在动力头将一节钻杆钻进地下时，需要用虎钳将动力头与钻杆分开，以便继续钻进下根钻杆；另一个是在动力头回托钻杆到地上时，需要虎钳将钻杆与钻杆分开，以便回托下一根钻杆。

现有技术中存在下述问题：采用虎钳卸扣时，在后虎钳逆时针转动时，除了保证卸扣力外，还需要克服动力头旋转马达的阻力，因为此时旋转马达未动作，马达A口与B口处于憋压状态，后虎钳逆时针旋转时，强行带动旋转马达转动。上述问题增加了虎钳卸扣的难度及成功率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种结构简单、效果良好的水平定向钻机动力头辅助卸扣装置与方法。

本发明是以如下技术方案实现的：一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，包括通过连接盘固定在发动机上的虎钳泵和旋转泵，所述虎钳泵连接有虎钳阀组，所述虎钳阀组包括前虎钳夹紧缸、后虎钳夹紧缸和后虎钳旋转缸，所述前虎钳夹紧缸和后虎钳夹紧缸还连接有后虎钳压力传感器和前虎钳压力传感器，所述旋转泵连接有动力头旋转马达，所述动力头旋转马达的A口和B口并联有旋转马达卸荷阀，所述动力头旋转马达的两端分别连接有旋转马达B口压力传感器和旋转马达A口压力传感器，所述动力头旋转马达连接有旋转马达转速传感器，所述旋转泵还连接有旋转溢流阀；还包括控制器，所述控制器连接有后虎钳压力传感器、前虎钳压力传感器、旋转马达B口压力传感器、旋转马达A口压力传感器、旋转马达转速传感器、倾角传感器、前虎钳开关、后虎钳开关、后虎钳旋转开关、虎钳阀组电磁线圈、旋转马达卸荷阀电磁线圈、旋转泵电磁阀线圈和旋转溢流阀电磁线圈。

其进一步是：所述虎钳阀组为3个三位四通电磁换向阀。

所述旋转溢流阀为比例电磁阀。

所述旋转马达转速传感器为双脉冲型。

所述前虎钳开关、后虎钳开关和后虎钳旋转开关为三位自复位开关。

所述倾角传感器设置在后虎钳上，所述倾角传感器为CAN总线型。

所述虎钳阀组电磁线圈包括电磁线圈A、电磁线圈B、电磁线圈C、电磁线圈D、电磁线圈E和电磁线圈F，所述旋转泵电磁阀线圈电磁线圈G和电磁线圈H。

包括如下步骤：

a、系统运行开始后，实时监测并判断前后虎钳是否夹紧，若前后虎钳夹紧压力同时高于指定值，认为前后虎钳已经夹紧；

b、在前后虎钳同时夹紧的状态下，系统自动控制旋转马达卸荷打开，使旋转马达卸荷，此时旋转系统阻力消除；

c、此时操作员操作虎钳旋转动作进行卸扣，卸扣完毕后，操作员会操作后虎钳油缸松开；

d、判断后虎钳是否松开，若后虎钳压力低于指定值，认为后虎钳已经松开；

e、在后虎钳松开的状态下，系统自动控制旋转马达卸荷关闭，使旋转马达关闭卸荷，恢复常态。

包括如下步骤：

A、系统运行开始后，实时监测并判断前后虎钳是否夹紧，若前后虎钳夹紧压力同时高于指定值，认为前后虎钳已经夹紧；

B、在前后虎钳同时夹紧的状态下，系统自动限制旋转系统压力，使旋转系统压力被限制在指定值以下；

C、此时操作员操作虎钳旋转动作进行卸扣，同时监测后虎钳旋转体角度变化，此时动力头自动跟随反转；

D、根据从动力头旋转马达采集的速度传感器信号，自动控制反转速度，使之与后虎钳旋转的角度基本匹配；

E、卸扣完毕后，操作员会操作后虎钳油缸松开，若后虎钳压力低于指定值，认为后虎钳已经松开；

F、在后虎钳松开的状态下，系统自动控制旋转溢流阀关闭，使旋转系统不再限制压力，恢复常态。

本发明具有以下优点：本发明的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置与方法，提供了两种操作方法，其一是在前后虎钳同时夹紧钻杆时，将动力头旋转马达的A口与B口导通，此时操作虎钳旋转卸扣时，消除了动力头主轴的阻力；其二是在前后虎钳同时夹紧钻杆时，将动力头旋转系统压力进行限制，动力头主轴跟随后虎钳旋转，主动提供辅助卸扣力；以上技术方案都能提高水平定向钻机虎钳卸扣的效果，极大地减缓虎牙和钻杆的磨损，提高使用寿命。

附图说明

图1是本发明的液压原理示意图；

图2是本发明的电气原理示意图；

图3是本发明通过虎钳卸扣流程图；

图4是本发明一种实施例的控制流程图；

图5是本发明另一实施例的控制流程图；

图中：1、前虎钳夹紧缸，2、后虎钳夹紧缸，3、后虎钳旋转缸，20、虎钳阀组，30、旋转马达卸荷阀，40、虎钳泵，50、旋转溢流阀，60、旋转泵，70、动力头旋转马达，10、后虎钳压力传感器，11、前虎钳压力传感器，12、旋转马达B口压力传感器，13、旋转马达A口压力传感器，14、旋转马达转速传感器，15、倾角传感器，16、前虎钳开关，17、后虎钳开关，18、后虎钳旋转开关，19、控制器，21、电磁线圈A，22、电磁线圈B，23、电磁线圈C，24、电磁线圈D，25、电磁线圈E，26、电磁线圈F，31、旋转马达卸荷阀电磁线圈，51、旋转溢流阀电磁线圈，61、电磁线圈G，62、电磁线圈H。

具体实施方式

如图1至图3所示的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，包括通过连接盘固定在发动机上的虎钳泵40和旋转泵60，所述虎钳泵40连接有虎钳阀组20，所述虎钳阀组20包括前虎钳夹紧缸1、后虎钳夹紧缸2和后虎钳旋转缸3，所述前虎钳夹紧缸1和后虎钳夹紧缸2还连接有后虎钳压力传感器10和前虎钳压力传感器11，所述旋转泵60连接有动力头旋转马达70，所述动力头旋转马达70的A口和B口并联有旋转马达卸荷阀30，所述动力头旋转马达70的两端分别连接有旋转马达B口压力传感器12和旋转马达A口压力传感器13，所述动力头旋转马达70连接有旋转马达转速传感器14，所述旋转泵60还连接有旋转溢流阀50；还包括控制器19，所述控制器19连接有后虎钳压力传感器10、前虎钳压力传感器11、旋转马达B口压力传感器12、旋转马达A口压力传感器13、旋转马达转速传感器14、倾角传感器15、前虎钳开关16、后虎钳开关17、后虎钳旋转开关18、虎钳阀组电磁线圈、旋转马达卸荷阀电磁线圈31、旋转泵电磁阀线圈和旋转溢流阀电磁线圈51。本发明的水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，用于在一根钻杆钻进或回托完成后，辅助虎钳进行卸扣，包括液压控制部分和电气控制部分，液压控制部分包括虎钳泵、虎钳阀组、旋转泵、旋转溢流阀、旋转马达、旋转马达卸荷阀以及连接它们的管路接头。虎钳泵通过连接盘固定在发动机上，虎钳泵的P口、S口分别通过管路与虎钳阀组的P口及液压油箱连接。旋转泵通过连接盘固定在发动机上，旋转泵的A口、B口分别通过管路与旋转马达卸荷阀及旋转马达的A口、B口连接，S口与油箱连接，旋转马达卸荷阀在接收到控制信号后导通旋转马达A口与B口，旋转马达卸荷阀用于导通旋转马达A口与B口。旋转溢流阀的A口、B口、P口分别通过管路与旋转泵的M4口、M3口、MA口连接。虎钳阀组为三位换向阀，用于控制前虎钳夹紧油缸、后虎钳夹紧油缸、后虎钳旋转油缸。液压控制部分还包括前虎钳夹紧测压口、后虎钳夹紧测压口、旋转马达A口测压口、旋转马达B口测压口、旋转马达转速测量口。

电气控制部分包括控制器、虎钳开关、虎钳压力传感器、后虎钳压力传感器、旋转马达A口压力传感器、旋转马达B口压力传感器、旋转马达转速传感器、倾角传感器、虎钳阀组电磁线圈、旋转泵电磁线圈、旋转溢流电磁线圈和旋转马达卸荷电磁线圈。前虎钳开关、后虎钳开关、前虎钳旋转开关通过操作员将操作指示传递至控制器，控制器向虎钳阀组电磁线圈输出控制电流，分别用于控制前虎钳油缸、后虎钳油缸、后虎钳旋转油缸；前虎钳压力传感器、后虎钳压力传感器，分别用于测量前虎钳油缸夹紧压力、后虎钳夹紧油缸的夹紧压力，转换为电信号后，传递至控制器的输入采集口，用于判断虎钳夹紧状态；旋转马达A口压力传感器好人旋转马达B口压力传感器用于测量旋转马达的A口与B口的压力，转换为电信号后，传递至控制器的输入采集口，用于实时测量旋转系统的压力值。

虎钳辅助卸扣在以下情况下进行。首先系统启动辅助卸扣程序，一种情况是在动力头将一节钻杆钻进地下时，需要用虎钳将动力头与钻杆分开，以便继续钻进下根钻杆；另一个是在动力头回托钻杆到地上时，需要虎钳将钻杆与钻杆分开，以便回托下一根钻杆。

如图1至图3所示的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，所述虎钳阀组20为3个三位四通电磁换向阀。所述旋转溢流阀50为比例电磁阀。所述旋转马达转速传感器14为双脉冲型。所述前虎钳开关16、后虎钳开关17和后虎钳旋转开关18为三位自复位开关。所述倾角传感器15设置在后虎钳上，所述倾角传感器15为CAN总线型。本发明的虎钳阀组为三位换向阀，用于控制前虎钳夹紧油缸、后虎钳夹紧油缸、后虎钳旋转油缸；旋转溢流阀为比例电磁阀，可以无极调节旋转系统的溢流压力；旋转马达转速传感器为双脉冲型，用于测量马达旋转的速度与方向；倾角传感器为CAN总线型，用于测量后虎钳旋转体的角度。

如图1至图3所示的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，所述虎钳阀组电磁线圈包括电磁线圈A21、电磁线圈B22、电磁线圈C23、电磁线圈D24、电磁线圈E25和电磁线圈F26，所述旋转泵电磁阀线圈电磁线圈G61和电磁线圈H62。

本发明提供了两种操作方法，其一为如下描述，

如图1至图4所示的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置的使用方法，包括如下步骤：

a、系统运行开始后，实时监测并判断前后虎钳是否夹紧，若前后虎钳夹紧压力同时高于指定值，认为前后虎钳已经夹紧；

b、在前后虎钳同时夹紧的状态下，系统自动控制旋转马达卸荷打开，使旋转马达卸荷，此时旋转系统阻力消除；

c、此时操作员操作虎钳旋转动作进行卸扣，卸扣完毕后，操作员会操作后虎钳油缸松开；

d、判断后虎钳是否松开，若后虎钳压力低于指定值，认为后虎钳已经松开；

e、在后虎钳松开的状态下，系统自动控制旋转马达卸荷关闭，使旋转马达关闭卸荷，恢复常态。

前后虎钳夹紧油缸同时夹紧钻杆，通过控制器输入端采集前虎钳压力传感器、后虎钳压力传感器的模拟信号，依据换算关系，计算得出前虎钳夹紧压力值、后虎钳夹紧压力值，当前虎钳夹紧压力值、后虎钳夹紧压力值都大于某一值时，认为前后虎钳夹紧油缸已经夹紧。此时控制器下发指令，控制旋转马达卸荷电磁阀打开，使旋转马达A口与B口导通。此时驾驶员操作后虎钳旋转按钮，控制器控制后虎钳旋转电磁阀，执行旋转动作进行卸扣。当卸扣完成后，操作员执行后虎钳油缸松开动作，此时控制器检测到后虎钳压力值降低到某一值后，控制器下发指令，控制旋转马达卸荷阀，结束马达卸荷状态。

该系统还可以包括指示装置，例如指示灯、显示动力头辅助卸扣准备状态的视觉、听觉或者触觉指示装置。当钻机处于前后虎钳夹紧状态，旋转马达处于卸荷状态，控制器激活指示装置，指示辅助卸扣系统准备完毕。

以上方案的优点：在虎钳执行卸扣动作前，将旋转马达进行卸荷后，使旋转主轴处于卸载状态，此时进行虎钳卸扣，避免了需要被动克服动力头旋转马达阻力。

另一种操作方法为如下描述。

如图5所示的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置的使用方法，包括如下步骤：

A、系统运行开始后，实时监测并判断前后虎钳是否夹紧，若前后虎钳夹紧压力同时高于指定值，认为前后虎钳已经夹紧；

B、在前后虎钳同时夹紧的状态下，系统自动限制旋转系统压力，使旋转系统压力被限制在指定值以下；

C、此时操作员操作虎钳旋转动作进行卸扣，同时监测后虎钳旋转体角度变化，此时动力头自动跟随反转；控制动力头反转扭矩包括限制旋转系统压力，以使反转卸扣时，扭矩不至于过大，损坏虎钳体。

D、根据从动力头旋转马达采集的速度传感器信号，自动控制反转速度，使之与后虎钳旋转的角度基本匹配；动力头反转包括实时监测动力头反转的角度变化，控制动力头反转速度包括改变旋转泵阀开度，使动力头主轴反转角度与后虎钳旋转的角度相同。

E、卸扣完毕后，操作员会操作后虎钳油缸松开，若后虎钳压力低于指定值，认为后虎钳已经松开；

F、在后虎钳松开的状态下，系统自动控制旋转溢流阀关闭，使旋转系统不再限制压力，恢复常态。

前后虎钳夹紧油缸同时夹紧钻杆，通过控制器输入端采集前虎钳压力传感器、后虎钳压力传感器的模拟信号，依据换算关系，计算得出前虎钳夹紧压力值、后虎钳夹紧压力值，当前虎钳夹紧压力值、后虎钳夹紧压力值都大于某一值时，认为前后虎钳夹紧油缸已经夹紧。此时控制器下发指令，控制旋转溢流电磁阀，使旋转系统最大压力控制在合理范围内。之后驾驶员操作后虎钳旋转按钮，控制器控制后虎钳旋转电磁阀，执行旋转动作进行卸扣。此时，通过倾角传感器实时测量后虎钳旋转角度，控制器根据此角度变化，实时控制器动力头反转，使动力头旋转马达旋转角度与虎钳旋转角度匹配。

该系统还可以包括指示装置，例如指示灯、显示动力头辅助卸扣准备状态的视觉、听觉或者触觉指示装置。当钻机处于前后虎钳夹紧状态，动力头跟随虎钳旋转，控制器激活指示装置，指示辅助卸扣系统正在进行，并可以显示动力头反转扭矩。

以上方案的优点：在虎钳执行卸扣动作，动力头执行反转，配合虎钳旋转，不光消除了原有的阻力，还能提供一定卸扣力，通过限制旋转系统的压力，使这个辅助卸扣力不至于太大，损坏虎钳。

Claims (9)

1.一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：包括通过连接盘固定在发动机上的虎钳泵（40）和旋转泵（60），所述虎钳泵（40）连接有虎钳阀组（20），所述虎钳阀组（20）包括前虎钳夹紧缸（1）、后虎钳夹紧缸（2）和后虎钳旋转缸（3），所述前虎钳夹紧缸（1）和后虎钳夹紧缸（2）还连接有后虎钳压力传感器（10）和前虎钳压力传感器（11），所述旋转泵（60）连接有动力头旋转马达（70），所述动力头旋转马达（70）的A口和B口并联有旋转马达卸荷阀（30），所述动力头旋转马达（70）的两端分别连接有旋转马达B口压力传感器（12）和旋转马达A口压力传感器（13），所述动力头旋转马达（70）连接有旋转马达转速传感器（14），所述旋转泵（60）还连接有旋转溢流阀（50）；还包括控制器（19），所述控制器（19）连接有后虎钳压力传感器（10）、前虎钳压力传感器（11）、旋转马达B口压力传感器（12）、旋转马达A口压力传感器（13）、旋转马达转速传感器（14）、倾角传感器（15）、前虎钳开关（16）、后虎钳开关（17）、后虎钳旋转开关（18）、虎钳阀组电磁线圈、旋转马达卸荷阀电磁线圈（31）、旋转泵电磁阀线圈和旋转溢流阀电磁线圈（51）。

2.如权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：所述虎钳阀组（20）为3个三位四通电磁换向阀。

3.如权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：所述旋转溢流阀（50）为比例电磁阀。

4.如权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：所述旋转马达转速传感器（14）为双脉冲型。

5.如权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：所述前虎钳开关（16）、后虎钳开关（17）和后虎钳旋转开关（18）为三位自复位开关。

6.如权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：所述倾角传感器（15）设置在后虎钳上，所述倾角传感器（15）为CAN总线型。

7.如权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：所述虎钳阀组电磁线圈包括电磁线圈A（21）、电磁线圈B（22）、电磁线圈C（23）、电磁线圈D（24）、电磁线圈E（25）和电磁线圈F（26），所述旋转泵电磁阀线圈电磁线圈G（61）和电磁线圈H（62）。

8.一种使用权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：

a、系统运行开始后，实时监测并判断前后虎钳是否夹紧，若前后虎钳夹紧压力同时高于指定值，认为前后虎钳已经夹紧；

b、在前后虎钳同时夹紧的状态下，系统自动控制旋转马达卸荷打开，使旋转马达卸荷，此时旋转系统阻力消除；

c、此时操作员操作虎钳旋转动作进行卸扣，卸扣完毕后，操作员会操作后虎钳油缸松开；

d、判断后虎钳是否松开，若后虎钳压力低于指定值，认为后虎钳已经松开；

e、在后虎钳松开的状态下，系统自动控制旋转马达卸荷关闭，使旋转马达关闭卸荷，恢复常态。

9.一种使用权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、系统运行开始后，实时监测并判断前后虎钳是否夹紧，若前后虎钳夹紧压力同时高于指定值，认为前后虎钳已经夹紧；

B、在前后虎钳同时夹紧的状态下，系统自动限制旋转系统压力，使旋转系统压力被限制在指定值以下；

C、此时操作员操作虎钳旋转动作进行卸扣，同时监测后虎钳旋转体角度变化，此时动力头自动跟随反转；

D、根据从动力头旋转马达采集的速度传感器信号，自动控制反转速度，使之与后虎钳旋转的角度基本匹配；

E、卸扣完毕后，操作员会操作后虎钳油缸松开，若后虎钳压力低于指定值，认为后虎钳已经松开；

F、在后虎钳松开的状态下，系统自动控制旋转溢流阀关闭，使旋转系统不再限制压力，恢复常态。

Images