CN113898285A - 一种立轴钻机 - Google Patents

Abstract

本发明属于勘探技术领域,涉及一种立轴钻机，包括机架、驱动机构、钻取机构，机架的架顶上设有定滑轮，定滑轮的轮轴处设有拉力传感器，定滑轮下方的机架上设有限位传感器，钢索上下滑动时穿过所述限位传感器；驱动机构与钻取机构之间采用齿轮驱动，钻取机构设有钻杆，钻杆上设有齿轮箱，齿轮箱上设有转速传感器用于测量钻杆的转速，齿轮箱内设有轴向进给速度传感器用于测量钻杆的轴向进给量；本发明通过拉力传感器、限位传感器，当轮轴处拉力过大时，或者大钩上升至限位传感器高度时，及时发出告警信息，进而停止驱动机构的驱动，有效防止了现有钻机无钻塔过载保护系统导致钻塔倾覆、断裂等恶性安全事故的发生。

Description

一种立轴钻机

技术领域

本发明属于勘探技术领域，涉及一种立轴钻机。

背景技术

现有的核工业勘探主设备落地钻机及拖车钻机，钻进效率低下，设备安全隐患多的现状。引起人身安全事故、孔内事故、设备事故、钻孔质量事故频发的现象；归根结底，钻机的安全隐患主要表现在以下几个方面：

1、盲钻：钻机操作者难以了解到钻进状况、孔内状况、泥浆情况等，如当前立轴扭矩、立轴转速、钻压、泵压、当前进尺速度、加压还是减压钻进等主要钻进主要技术参数操作者直观了解不到，只能盲钻凭经验操作钻机，造成钻孔质量不达标，孔内事故频发；

2、设备安全保护措施少，安全隐患多：具体表现为：A、老式钻机无钻塔过载保护系统易造成钻塔倾覆、断裂等恶性安全事故；B、钻塔无大钩限位、防过提安全系统，极易因大钩过位翻转造成整个钻机机架倒塌，酿成重大安全事故；C、立轴真实扭矩不知道、钻压不知道、钻进速度不知道等，很难了解孔内情况，无法做到明明白白钻孔。

因此，急需一种更加安全、操作感知性更好的钻机。

发明内容

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：一种立轴钻机，包括机架、驱动机构、钻取机构，机架的架顶上设有定滑轮，定滑轮上绕有钢索，钢索底端悬挂有大钩，定滑轮的轮轴处设有拉力传感器，定滑轮下方的机架上设有限位传感器，钢索上下滑动时穿过所述限位传感器；驱动机构与钻取机构之间采用齿轮驱动，钻取机构设有钻杆，钻杆上设有齿轮箱，齿轮箱上设有转速传感器用于测量钻杆的转速，齿轮箱内设有轴向进给速度传感器用于测量钻杆的轴向进给量；拉力传感器用于实时监测钢索载荷防止拉力方向过载，限位传感器用于实时监测大钩的上升高度，防止大钩过提翻转造成整个钻机机架倒塌，其中转速传感器为霍尔传感器，轴向进给速度传感器为拉线传感器。

优选的，所述拉力传感器为板环式拉力传感器。

优选的，所述限位传感器自下向上分别设有第一限位传感器和第二限位传感器两级限位，第一限位传感器实现报警功能，第二限位传感器实现停机功能，做到先报警后停机，操作更安全方便。

优选的，所述驱动机构内部采用油压驱动，驱动机构通过驱动腔将传动油液从上腔压送至下腔然后再返回驱动腔完成一个油压传动循环。

更优的，所述油压驱动的驱动腔内设有第一油压传感器。

更优的，所述油压驱动的上腔内设有第二油压传感器。

更优的，所述油压驱动的下腔内设有第三油压传感器。

更优的，所述驱动机构的驱动腔上设有油温传感器。

优选的，所述立轴钻机设有控制系统，控制系统包括控制箱，控制箱电连接有传感系统、显示屏及支架，传感系统用于实时采集各传感器上传的系统信息，显示屏用于显示传感系统采集到的系统信息。

更优的，所述传感系统电连接有倾角传感器、压力传感器、位移传感器、转速传感器、油温传感器、拉力传感器、红外开关、泥浆压力传感器。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在机架顶上的定滑轮的轮轴处设置拉力传感器，在定滑轮下方的机架上设置限位传感器，同时将限位传感器设置为第一限位传感器和第二限位传感器两级限位，当轮轴处拉力过大时，或者大钩上升至限位传感器高度时，及时发出告警信息，进而停止驱动机构的驱动，有效防止了现有钻机无钻塔过载保护系统导致钻塔倾覆、断裂等恶性安全事故的发生，同时能够防止现有钻机无大钩限位、防过提安全系统导致的大钩过位翻转造成整个钻机机架倒塌。

2、本发明通过在驱动机构内部采用油压驱动，同时在驱动腔、上腔、下腔内分别设有油压传感器，在驱动腔内还设有油温传感器，实时监测驱动腔内的油温、油压，以及上腔、下腔内的油压，进而实时掌握钻杆上的扭矩。

3、本发明通过在齿轮箱处设置转速传感器与轴向进给速度传感器，实时监控钻杆的钻压、钻进速度，进而了解钻孔内的钻进情况，使得操作人员操作更简单、安全、直观。

附图说明

图1是一种立轴钻机的正视示意图；

图2是侧视示意图；

图3是图1的A向局部放大图；

图4是图1的B向局部放大图；

图5是图1的C向局部放大图；

图6是图1的D向局部放大图；

图7是控制系统示意图；

图8是控制屏示意图；

图9是钻进工况区示意图；

图10是参数设定界面示意图；

图11是称重操作对话框示意图；

图12是钻杆对话框示意图；

图13是数据记录示意图。

图中：1、机架；2、驱动机构；3、钻取机构；4、定滑轮；5、钢索；6、大钩；7、拉力传感器；8、限位传感器；9、钻杆；10、齿轮箱；11、转速传感器；12、轴向进给速度传感器；13、第一限位传感器；14、第二限位传感器；15、第一油压传感器；16、第二油压传感器；17、第三油压传感器；18、油温传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的相关技术进行清楚、完整的描述，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，都属于本发明保护的范围。

参考图1～13，一种立轴钻机，包括机架1、驱动机构2、钻取机构3，机架1的架顶上设有定滑轮4，定滑轮4上绕有钢索5，钢索5底端悬挂有大钩6，定滑轮4的轮轴处设有拉力传感器7，定滑轮4下方的机架上设有限位传感器8，钢索5上下滑动时穿过所述限位传感器8；驱动机构2与钻取机构3之间采用齿轮驱动，钻取机构3设有钻杆9，钻杆上设有齿轮箱10，齿轮箱10上设有转速传感器11用于测量钻杆9的转速，齿轮箱10内设有轴向进给速度传感器12用于测量钻杆9的轴向进给量；拉力传感器7用于实时监测钢索5载荷防止拉力方向过载，限位传感器8用于实时监测大钩6的上升高度，防止大钩6过提翻转造成整个钻机机架倒塌，其中转速传感器11为霍尔传感器，轴向进给速度传感器12为拉线传感器。

进一步的，所述拉力传感器7为板环式拉力传感器。

进一步的，所述限位传感器8自下向上分别设有第一限位传感器13和第二限位传感器14两级限位，第一限位传感器13实现报警功能，第二限位传感器14实现停机功能，做到先报警后停机，操作更安全方便。

进一步的，所述驱动机构2内部采用油压驱动，驱动机构2通过驱动腔将传动油液从上腔压送至下腔然后再返回驱动腔完成一个油压传动循环。

更进一步的，所述油压驱动的驱动腔内设有第一油压传感器15。

更进一步的，所述油压驱动的上腔内设有第二油压传感器16。

更进一步的，所述油压驱动的下腔内设有第三油压传感器17。

更进一步的，所述驱动机构2的驱动腔上设有油温传感器18。

进一步的，所述立轴钻机设有控制系统，控制系统包括控制箱，控制箱电连接有传感系统、显示屏及支架，传感系统用于实时采集各传感器上传的系统信息，显示屏用于显示传感系统采集到的系统信息。

更进一步的，所述传感系统电连接有倾角传感器、压力传感器、位移传感器、转速传感器、油温传感器、拉力传感器、红外开关、泥浆压力传感器。

实施例：

本实施例中，立轴钻机的控制系统由以下部件构成：强电控制箱、弱电控制箱、触摸屏及支架、传感系统；

强电控制箱主要用于控制钻机、泥浆泵、搅拌机的启、停，输出给弱电功率信号，并执行来自弱电箱的工作指令；

弱电控制箱的主要有以下几方面的功用：A、收集各部传感器信号，分析计算后发出工作指令；B、收集各部传感器信号，分析计算后将主要钻进参数传送给触摸屏；C、储存工作数据形成工作报表；

触摸屏用于：A、接受弱电箱发出的各种数据及运算结果，向弱电箱发送工作指令；B、显示各种钻进参数，各种参数的设置；C、钻进数据的储存。

传感系统包括：

倾角传感器:显示平台当前水平度；

压力传感器：显示给进、提升压力，称重、控制给进力量；

泥浆压力传感器：显示泥浆压力；

电功率传感器：读取电功率；

转速传感器：读取立轴转速；

拉力传感器：读取卷扬机拉力，钻塔负荷、大钩载荷；

油温传感器：读取油温；

钻塔限位传感器：读取大钩位置，防止大钩过提；

钻参安全控制系统界面，如图8：

控制屏界面如下：

控制屏的基本功能：

控制屏第一行为基本信息行可以手动填写项目基本信息，如项目名称、孔位编号等；

控制屏左上角为压力显示区：可以显示液压系统压力、泥浆压力等参数；

控制屏左中部显示当前钻进工况：可以显示给进油缸上下腔压力、提升力、给进力大小，钻压大小、加减压状态、当前功率、立轴当前扭矩(依据该数据可以了解孔内当前状况，并且具有超扭矩提示系统)、液压油温、工况、电压、电流等参数；

控制屏中部显示，如图9：中上部显示钻压大小(可以依据地层情况、钻头种类，通过加压手柄调整钻压，达到较高的钻进速度)、当前孔深(根据实际情况修正孔深)。中下部显示系统状态，主机状态；

右侧第二列显示：大钩负荷、钻塔负荷(钻塔负荷超载、系统自动断电)、立轴转速、给进速度、大钩称重、液压称重、钻杆数量等。

右侧第一列为功能按钮：可以选择工况(普钻或绳索取芯)、选择提钻或下钻工况、液压送钻或大钩送钻工况、加接钻杆(原手工填写孔深状况可以在机器上完成)、液压称重(按钮按下后，会提示如何称重，并记录数据)、大钩称重(按钮按下后，会提示如何称重，并记录数据)；

参数设置：参数设置按钮一般由我公司人员现场设定，设定后不得随意改动；设置参数包括：A给进油缸缸径、杆径的设置；B钻塔负荷、大钩负荷超限报警值的设定；C转速校正系数的设置；

安全控制系统特点及操作：

钻探参数显示齐全如图10：变盲钻为明明白白钻孔、做到钻进状况心中有数；

设有钻塔超载断电保护系统：钻塔超载系统自动断电、保证设备和人员安全！(钻塔载荷设定界面不同钻机钻塔额定负荷不一样，需参数设定界面，输入钻塔额定负荷，超负荷断电；)

设有大钩过提安全系统：大钩距离塔顶1.5米开始报警，大钩距离塔顶小于1米，系统自动断电，并无法重启，必须将大钩下放到安全位置，系统才能重启，杜绝事故发生；

设有立轴当前扭矩显示系统，可以实时了解当前钻机输出扭矩，扭矩超限、系统报警、断电，防止钻杆拧断现象发生；(最大扭矩设定，超扭断电)

液压称重、大钩称重更直观，显示数据更准确，且有操作提示对话框，使操作控制更简单、易懂；在HMI上点击对应的菜单会弹出相应的点击“液压称重”弹出如图对话框，按照对话框进行称重操作：

搬动钻机立轴提升手柄，将钻具向上提0.3-0.5米，然后将手柄板到称重位置；

快速将节流阀关死，等待压力稳定；

按下下方称重按钮，称重，系统自动记录当前钻具重量；

点击“大钩称重”弹出如图对话框，如图11，按照对话框进行称重操作:

用卷扬机将钻具提离孔底1米左右，刹车悬停钻具；

停留2-3秒，按下下方称重键。孔内钻具质量显示，系统会自动记录当前钻具重量；

加接钻杆可以在屏上记录孔深，免去纸上记录，更快捷、更准确；

加接钻杆有两种工况，如图12；

按下普钻工况：(普钻工况和绳索取芯工况互锁，非此即彼)普钻工况下长钻杆长度默认4.7米，短钻杆长度1.7米：选择钻杆类型，然后点击“加”或“减”，系统会自动根据当前钻杆数量计算孔深和空内钻杆数量；

按下绳索取芯：绳索取芯下长钻杆长度默认3.0米，短钻杆长度1.5米：选择钻杆类型，然后点击“加”或“减”，系统会自动根据当前钻杆数量计算孔深和空内钻杆数量；

本实施例可以记录钻机3个月的施工工况，如图13，U盘拷贝后可以自动生成生产报表，报表只有在主机运行时才自动采样，采样时间可以修改，默认5分钟，最小0.1分钟，最大60分钟，省去了手工填写报表的工作、保证了报表的真实性、实时性！本实施例类似飞机的黑匣子功能，生成数据固化，不能随意更改，方便检查；

本实施例具有超限提示或断电系统，可以依据钻探工艺人员提出的数据要求，设置超限提示，如泥浆压力、立轴扭矩、给进速度等；

本实施例可以自动记录钻进情况，方便工艺人员进行数据分析，依据钻进进尺情况，合理调配钻头、泥浆、转速等钻进工艺方法，总结最佳钻进方法。

综上所述，本发明提供了一种立轴钻机，通过在机架上设置拉力传感器、限位传感器，当轮轴处拉力过大时，或者大钩上升至限位传感器高度时，及时发出告警信息，进而停止驱动机构的驱动，有效防止了现有钻机无钻塔过载保护系统导致钻塔倾覆、断裂等恶性安全事故的发生，因此本发明拥有广泛的应用前景。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种立轴钻机，包括机架(1)、驱动机构(2)、钻取机构(3)，其特征在于，所述机架(1)的架顶上设有定滑轮(4)，所述定滑轮(4)上绕有钢索(5)，所述钢索(5)底端悬挂有大钩(6)，所述定滑轮(4)的轮轴处设有拉力传感器(7)，所述定滑轮(4)下方的机架上设有限位传感器(8)，所述钢索(5)上下滑动时穿过所述限位传感器(8)；

所述驱动机构(2)与钻取机构(3)之间采用齿轮驱动，所述钻取机构(3)设有钻杆(9)，所述钻杆上设有齿轮箱(10)，所述齿轮箱(10)上设有转速传感器(11)用于测量钻杆(9)的转速，所述齿轮箱(10)内设有轴向进给速度传感器(12)用于测量钻杆(9)的轴向进给量。

2.根据权利要求1所述的一种立轴钻机，其特征在于，所述拉力传感器(7)为板环式拉力传感器。

3.根据权利要求1所述的一种立轴钻机，其特征在于，所述限位传感器(8)自下向上分别设有第一限位传感器(13)和第二限位传感器(14)两级限位。

4.根据权利要求1所述的一种立轴钻机，其特征在于，所述驱动机构(2)内部采用油压驱动，所述驱动机构(2)通过驱动腔将传动油液从上腔压送至下腔然后再返回驱动腔完成一个油压传动循环。

5.根据权利要求4所述的一种立轴钻机，其特征在于，所述油压驱动的驱动腔内设有第一油压传感器(15)。

6.根据权利要求4所述的一种立轴钻机，其特征在于，所述油压驱动的上腔内设有第二油压传感器(16)。

7.根据权利要求4所述的一种立轴钻机，其特征在于，所述油压驱动的下腔内设有第三油压传感器(17)。

8.根据权利要求4所述的一种立轴钻机，其特征在于，所述驱动机构(2)的驱动腔上设有油温传感器(18)。

9.根据权利要求1所述的一种立轴钻机，其特征在于，所述立轴钻机设有控制系统，所述控制系统包括控制箱，所述控制箱电连接有传感系统、显示屏及支架，所述传感系统用于实时采集各传感器上传的系统信息，所述显示屏用于显示传感系统采集到的系统信息。

10.根据权利要求9所述的一种立轴钻机，其特征在于，所述传感系统电连接有倾角传感器、压力传感器、位移传感器、转速传感器、油温传感器、拉力传感器、红外开关、泥浆压力传感器。

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