CN115698458A - 用于诊断液压回路中的蓄压器的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及用于诊断冲击式岩石钻探中的液压回路中的至少一个蓄压器的功能的计算机实现的方法和系统。液压回路提供加压的液压流体以向冲击装置(105)提供动力，冲击装置(105)包括用于生成钻具(106)中的应力波的往复冲击活塞(115)。冲击活塞(115)和/或阻尼活塞(220)的往复运动引起液压回路中的压力变化和流量变化，并且至少一个蓄压器被配置成减小液压回路中的压力变化和/或流量变化。方法包括：在钻探期间，在一个或更多个时间段内获得多个压力测量值，其中，以冲击活塞(115)和/或阻尼活塞(220)的往复运动的频率的至少两倍的频率获得多个压力测量值。该方法还包括：确定在一个或更多个时间段内由冲击活塞(115)和/或阻尼活塞(220)的往复运动引起的液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示，以及基于所确定的液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示以及液压回路中的压力变化和/或流量变化的参考表示来诊断至少一个蓄压器的功能。

Description

用于诊断液压回路中的蓄压器的方法和系统

技术领域

本公开内容涉及冲击式岩石钻探，并且更具体地涉及用于诊断液压回路中的蓄压器的方法和系统。本公开内容还涉及钻机以及实现根据本公开内容的方法的系统。

背景技术

岩石钻机可以用于许多应用领域。例如，岩石钻机可以用于开挖隧道、露天采矿、地下采矿、岩石加固、天井钻进，并且可以用于例如钻爆破孔、灌浆孔、安装岩石锚杆的孔、水井和其他井、打桩和地基钻探等。因此，岩石钻机有广泛的用途。

岩石的实际破碎可以根据各种不同的技术来实施，并且通常通过接触岩石的钻具来实施，其中钻具通常借助于钻柱连接至钻机。可以根据不同的钻探技术进行钻探，例如其中钻具在高压下被推向岩石以借助于旋转力和施加的压力将岩石压碎的旋转钻探。

钻探也可以是冲击型的，其中冲击活塞直接地或经由钻柱反复撞击钻具，以将冲击脉冲、应力波传递到钻具并进一步传递到岩石中。冲击式钻探可以与旋转结合以获得钻具的旋钮、插嵌件在每次冲程时撞击新岩石的钻探，从而提高钻探的效率。

冲击装置的往复动作可以由加压的液压流体提供动力，其中通过加压的液压流体使冲击活塞加速并撞击钻具，并且其中液压流体还可以使冲击活塞执行返回冲程到活塞将再次被加速以在随后的冲程中撞击钻柱的位置。冲击活塞的往复运动通常通过打开和关闭液压流来实现，这转而引起液压回路中的压力变化和/或流量变化。

冲击活塞可以由一个液压回路提供动力，并且被包括在冲击装置中的阻尼活塞可以由另一个单独的液压回路提供动力；存在阻尼活塞用于减少反射。由冲击活塞的往复运动(以及阻尼活塞的往复运动)引起的变化可能是有害的，为此，液压流体供应路径和返回路径通常包括用于减小这样的压力/流体变化的一个或更多个蓄压器。在蓄压器不能正常操作的情况下，这可能会在长时间段内被忽视而导致过度磨损。

在US 4,967,553和US 2014/0060932中公开了用于监测钻机的蓄压器状态的背景技术方法和系统。虽然公开了用于至少部分地通过处理器中的信号处理来执行蓄压器诊断的解决方案，但是该诊断基于绝对压力测量值，例如在多个冲程上平均的感测峰值压力。钻机的冲击压力和冲击频率影响诊断和执行正确诊断的能力，特别是对于低压蓄压器。因此，需要进一步改进蓄压器状态诊断。

发明内容

本公开内容的目的是提供能够诊断液压回路中的至少一个蓄压器的功能的方法和系统。通过所附权利要求中限定的方法和系统来实现该目的和其他目的。

根据本公开内容的第一方面，提供了一种用于诊断冲击式岩石钻探中的液压回路中的至少一个蓄压器的功能的计算机实现的方法。液压回路提供加压的液压流体来为冲击装置提供动力，该冲击装置包括用于生成钻具中的应力波的往复冲击活塞。冲击活塞和/或阻尼活塞的往复运动引起液压回路中的压力变化和流量变化，并且至少一个蓄压器被配置成减小液压回路中的压力变化和/或流量变化。

该方法包括在一个或更多个时间段内获得多个压力测量值的步骤，其中以冲击装置和/或阻尼活塞的往复运动的频率的至少两倍的频率获得多个压力测量值。该方法还包括以下步骤：在钻探期间，确定在一个或更多个时间段内由冲击活塞和/或阻尼活塞的往复运动引起的液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示。该方法还包括以下步骤：基于所确定的液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示以及液压回路中的压力变化和/或流量变化的参考表示来诊断至少一个蓄压器的功能。

钻探可以通过使用岩石钻机来进行，其中岩石钻机可以包括载具，并且其中，在钻探期间，由载具承载的冲击装置可以通过包括一个或更多个钻杆的钻柱连接至用于破碎岩石的钻具。钻探通过使用液压冲击装置例如液压顶锤或任何其他类型的液压冲击装置进行。本公开内容的实施方式涉及任何这样的液压冲击装置，由此涉及以下冲击装置：直接或经由钻柱反复撞击钻头以将冲击脉冲、应力波传递到钻头中并进一步传递到岩石中以使其破碎/压碎。

如上所述，可以在冲击式岩石钻探中使用蓄压器。蓄压器可以具有各种设计，并且例如包括将液压流体与蓄压器填充介质(例如氮气)隔开的隔膜。为了确保冲击装置的正常操作，并避免由液压回路中的压力和流量的变化引起的过度磨损，蓄压器对液压流体施加压力，以抑制压力峰值。蓄压器还包含液压流体体积，使得由液压泵提供的液压流体的临时不足供应可以通过蓄压器中的液压流体来补偿。

冲击活塞的往复运动通过交替地供应加压的液压流体来实现，所述加压的液压流体作用在冲击活塞的相对表面上以在期望的方向上推动活塞(朝向钻柱以执行冲程以及返回到用于随后冲程的位置)。活塞的往复运动导致液压回路中的压力变化和流量变化，例如，液压流体的选择性供应通常通过打开和关闭液压流体导管来实现，液压流体导管可以根据冲击活塞的位置而打开和关闭。在存在阻尼活塞的情况下，上述情况类似地适用于阻尼活塞。阻尼活塞可以引起为阻尼活塞提供动力的液压回路中的压力变化和流量变化，为阻尼活塞提供动力的液压回路通常与为冲击活塞提供动力的液压回路分开。

然而，为了获得有效的钻探过程同时避免系统中的过度应力和磨损，如上所述，系统中的一个或更多个蓄压器必须正常操作。然而，遭受故障的蓄压器可能难以检测，并且当蓄压器未正常操作时的钻探可能持续一段时间并引起磨损和可能的损坏，如果在较早的时间点检测到有故障的蓄压器，则本可以避免这些磨损和可能的损坏。

根据本公开内容，一个或更多个蓄压器可以例如通过钻机中的控制系统来诊断。根据本公开内容，确定压力变化和/或流量变化的表示。这可以以不同的方式执行。例如，液压回路中的压力的多个连续测量值可以用于确定压力变化的表示。可替选地，例如可以使用流量计来确定流量变化。还可以使用连续的流量测量值来确定流量变化，其中例如在液压回路中的压力传感器之间的流量的节流调节已知的情况下使用来自两个压力传感器的压力测量值来确定流量。这样的流量确定在本领域中是公知的。然后基于所确定的液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示以及液压回路中的压力变化和/或流量变化的参考表示来诊断至少一个蓄压器的功能。参考表示可以例如在钻机的构造或制造期间例如预先根据经验确定。参考表示也可以根据液压回路的模型来计算。参考表示也可以使用表查找来确定，其中表可以包括例如可以在钻探中使用的各种冲击和/或进给压力的参考表示。另外，例如，钻机的控制系统可以被布置成：通过在蓄压器被确认为正常操作的钻探期间进行测量以及例如将机器设置成在一个或更多个不同冲击压力下钻探，来确定参考表示例如参考最大值和参考最小值。这也可以针对流量变化来执行。

压力变化或流量变化的表示可以包括一个或更多个值，例如最大值和/或最小值，并且类似地，参考表示可以包括一个或更多个值。

根据本公开内容的实施方式，当诊断指示至少一个蓄压器的不正确功能时，可以生成指示故障的信号，使得例如钻机的操作员和/或钻机的控制系统和/或远程控制位置可以关于故障被警告并且采取适当的行动。

根据本公开内容的实施方式，当诊断至少一个蓄压器的功能时，将所确定的液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示与液压回路中的压力变化和/或流量变化的参考表示进行比较，以及当所确定的液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示与压力变化和/或流量变化的参考表示偏差预定差时，可以生成指示故障的信号。例如，可以确定所确定的液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示的值是否超过压力变化和/或流量变化的参考表示的值预定程度。

根据本公开内容的实施方式，当所确定的液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示的最小值超过压力变化和/或流量变化的参考表示的最大允许值例如预定程度时，生成指示故障的信号。

根据本公开内容的实施方式，液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示是液压回路中的最大压力或流量与最小压力或流量之间的差的表示。这样，压力或流量的变化的增加可以被检测并用于确定蓄压器是否正常操作。

根据本公开内容的实施方式，液压回路中的最大和/或最小压力或流量的表示使用液压回路中的压力变化或流量变化的上包络与下包络之间的差来确定。还可设想，例如仅使用上包络。

根据本公开内容的实施方式，流量变化的压力的一个或更多个谐波的幅度被用作液压回路中的最大和/或最小压力或流量的表示。可以使用压力变化或流量变化的任何合适的信号处理来确定谐波，其中可以在信号处理中使用合适的处理算法，例如傅立叶变换、快速傅立叶变换(FFT)、功率谱密度(PSD)或任何其他合适的算法。然后可以基于与预期谐波例如在幅度方面的偏差来诊断蓄压器。

根据本公开内容的实施方式，液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示可以是液压回路中的压力变化或流量变化的波形，即曲线形状，其中波形可以例如根据导数和/或幅度进行分析以确定波形是否偏离参考波形。

如所提到的，在诊断中，压力变化和/或流量变化的表示可以基于要与压力变化和/或流量变化的参考表示进行比较的压力或流量的多个测量来确定。

可以使用至少一个压力传感器获得压力的多个测量值，其中可以使用至少一个传感器的多个连续压力测量值来确定变化。压力传感器可以例如布置在钻机的载具上。因此，压力传感器不需要位于冲击装置附近，尽管也可以是这种情况。压力传感器可以被配置成以冲击装置的冲击频率的至少两倍或例如间隔2至1000(或更多)倍的任何频率传送压力信号，以便允许对液压回路中的压力变化有足够的分辨率。

压力传感器可以布置在提供加压的液压流体流的液压泵下游。压力传感器例如也可以布置在冲击装置下游。压力传感器也可以布置在冲击装置的阻尼回路中。

一个或更多个液压回路可以包括以下中的一个或更多个蓄压器：布置在提供液压压力的液压泵下游和冲击装置上游的蓄压器、布置在冲击装置下游的蓄压器、以及布置在冲击装置的阻尼回路中的蓄压器。

单个压力传感器可以用于诊断多于一个的蓄压器。可替选地，例如，高压路径中的压力传感器(提供液压压力的液压泵下游和冲击装置上游)可以用于诊断该路径中的蓄压器，并且其中低压路径中的压力传感器(冲击装置下游)可以用于诊断低压路径中的蓄压器。这既适用于为冲击活塞提供动力的液压路径，也适用于为阻尼活塞提供动力的液压路径。关于阻尼回路，可以例如仅在供应(高压)路径中使用蓄压器。

根据本公开内容的实施方式，在液压回路的同一路径(例如从液压泵到冲击装置)中使用传感器之间的距离已知的两个压力传感器。来自两个压力传感器的信号结合传感器之间的已知距离然后可以用于确定液压回路中的任何位置处的压力。这被称为双麦克风方法。这样，即使当最大值或最小值出现在液压回路中与压力传感器的实际位置不同的位置处时，也可以精确地确定回路中的压力最大值和最小值。

至少一个蓄压器的诊断可以被布置成在钻探期间连续地和/或以预定间隔执行。这确保了一旦故障发生或在故障发生之后就检测到故障的发生，使得在发生的故障保持未被注意到时冲击装置被操作较长的时间段而引起过度磨损之前可以采取适当的动作。

应当理解，关于本公开内容的方法方面描述的实施方式也都适用于本公开内容的系统方面。也就是说，该系统可以被配置成执行如上述实施方式中的任一个所限定的方法。此外，该方法可以是例如可以在钻机的一个或更多个控制单元中实现的计算机实现的方法。

在下面阐述的示例性实施方式的详细描述和附图中指示了本公开内容的另外的特征及其优点。

附图说明

图1示出了可以应用本公开内容的实施方式的示例性钻机；

图2示出了根据图1的钻机的示例性液压回路；

图3示出了根据本公开内容的实施方式的示例性方法；

图4示出了在蓄压器正常工作的情况下在钻探期间液压回路中的压力变化；

图5示出了当蓄压器遭受故障时压力变化随时间的示例性改变。

具体实施方式

下面针对特定类型的钻机例示本公开内容的实施方式，其中通过使用顶锤形式的冲击装置进行钻探。钻机也可以是任何其他类型的钻机，其中通过使用液压冲击装置来进行钻探，所述液压冲击装置用于将应力波传递到钻具中以破碎岩石。

图1示出了根据本公开内容的示例性实施方式的岩石钻机100，将针对其描述诊断蓄压器的发明方法。钻机100正在钻孔的过程中，其中钻探当前已经到达深度x。

根据本示例的岩石钻机100构成地面钻机，但是应当理解，钻机也可以是主要用于例如地下钻探的类型或用于任何其他用途的钻机。岩石钻机100包括以常规方式承载悬臂102的载具101。此外，进给梁103附接至悬臂102。进给梁103承载滑架104，所述滑架104能够沿着进给梁103滑动地布置以允许滑架104沿着进给梁103行进。滑架104又承载冲击装置105，例如还包括旋转单元(未示出，但旋转由119指示)，因此冲击装置105可以通过滑动滑架104而沿着进给梁103行进。

冲击装置105在使用中借助于钻柱107连接至钻具例如根据本示例的钻头106。由于实际原因(除了可能非常短的孔)，钻柱107通常不是由一根钻柱组成，而是通常由多个钻杆组成。当钻探进行了与钻杆长度对应的距离时，新钻杆与已经通过螺纹连接在一起的一个或更多个钻杆通过螺纹连接在一起以形成钻柱，由此在新钻杆与现有钻杆通过螺纹连接在一起之前，钻探可以进行另一钻杆长度。所公开类型的钻杆可以随着钻探的进行基本上延伸至任何期望的长度。

在使用中，冲击装置105的冲击活塞115反复撞击钻杆，以将冲击波能量传递到钻柱107，从而传递到钻头106，并进一步传递到岩石中，以使岩石破碎。除了在钻探期间提供钻柱的旋转从而提供钻头106的旋转之外，冲击装置105和/或滑架104通过受到沿钻探方向作用的力还提供作用在钻柱107上的进给力，从而将钻头106压靠在正被钻探的岩石面上。

根据所示的示例，冲击装置105特别是冲击活塞115通过由布置在载具101上的液压泵116和合适的软管118供应给冲击装置的加压的液压流体来提供动力。载具101还包括液压流体箱119，液压流体从液压流体箱中取出并使用液压回路返回到液压流体箱，所述液压回路为冲击装置提供动力。可以存在其他液压泵，其用于在一个或更多个另外的液压回路诸如例如阻尼回路中提供加压的液压流体(参见下文)。

根据所示的示例，压缩空气通过钻柱107内的通道(未示出)被引导到钻头106，其中压缩空气以本身已知的方式通过合适的联接器110和软管113或其他合适的装置从箱109被供应至钻柱107。压缩空气由压缩机(未示出)生成，压缩机可以对箱109充气，压缩空气从箱109供应至钻柱。压缩空气可以通过钻头106中的孔排出，以用于清洁钻孔使其没有钻屑。压缩空气可以替选地是例如压缩空气和水的混合物或任何其他合适的类型的混合物。

液压泵116和压缩机由动力源111驱动，动力源111例如以内燃机例如柴油发动机或任何其他合适的动力源诸如例如电动马达或者动力源的组合的形式。图1还示意性地示出了为冲击装置105提供动力的液压回路中的蓄压器112。为冲击装置提供动力的液压回路可以包括另外的蓄压器和/或其他蓄压器，并且类似地，其他液压回路也可以包括可以根据本公开内容被诊断的一个或更多个蓄压器。图1还示出了用于测量从液压泵116向冲击活塞115提供加压的液压流体的供应路径中的压力的压力传感器108。

岩石钻机100还包括钻机控制系统，该钻机控制系统包括至少一个控制单元120。控制单元120被配置成控制钻机100的功能，例如控制钻探过程。在钻机100被手动操作的情况下，控制单元120可以接收来自例如存在于操作员舱室114中的操作员(通过操作员可控装置诸如请求采取各种动作的操纵杆和其他装置)的控制信号，并且其中控制信号诸如操作员造成的操纵杆偏转和/或其他装置的操纵可以由控制系统转换成合适的控制命令。控制单元120例如可以被配置成请求由各种致动器诸如气缸/马达/泵等执行的运动，例如以用于操纵悬臂102、进给器103并控制冲击装置105以及各种其他功能。所描述的控制以及其他功能可以替选地由控制单元120部分或完全地自主控制。

所公开类型的钻机可以包括多于一个的控制单元，例如多个控制单元，其中每个控制单元可以分别布置成负责监控和执行钻机100的各种功能。然而，为了简单起见，在下文中将假设由控制单元120控制各种功能。

所公开类型的控制系统还可以包括数据总线(未示出)，所述数据总线可以是CAN总线或任何其他合适类型的数据总线，并且可以用于允许机器100的各个单元之间的通信，并且可以在通信中利用例如CANopen和/或类似协议或任何其他合适的协议。例如，控制单元120可以与操作员舱室114中的一个或更多个显示器通信，以及/或者控制单元120可以形成操作员舱室114中的一个或更多个显示器的一部分，所述一个或更多个显示器用于显示例如关于钻探过程的各种数据，并且根据本公开内容的实施方式，控制单元120例如可以提供看得见的和/或听得见的警报以在蓄压器被诊断为遭受故障时警告操作员。

控制单元120还可以例如经由CAN总线或其他接口与用于接收压力信号的一个或更多个压力传感器进行通信，使用所述压力信号可以对一个或更多个蓄压器进行诊断。压力传感器还可以与包括用于处理压力信号的装置的接口例如I/O接口或类似接口进行通信，其中I/O可以例如生成压力变化或流量变化的表示，并且例如将这些信号提供给控制单元120。

根据本公开内容的实施方式，诊断由钻机的控制单元例如图1的控制单元120执行，但是诊断也可以被配置成例如在远程控制中心中由钻机外部计算机装置执行。诊断例如也可以在I/O接口中执行。钻机于是可以包括用于将压力信号传送到远程计算机装置的装置。例如在钻机被远程控制的情况下，警报也可以在远程控制中心中生成。此外，当诊断出蓄压器发生故障时，这可能导致钻机控制系统停止钻探或者至少降低冲击动力，以降低由发生故障的蓄压器引起的损坏产生的风险。

图2示出了图1的钻机的示例性液压回路。该图示出了冲击装置105和冲击活塞115，其通过反复被加速和撞击钻柱107而生成冲击脉冲、应力波，冲击脉冲、应力波通过钻柱107被传递到钻头106并进一步被传递到岩石中。往复运动由分别交替地对冲击活塞115的表面201、202加压和减压而引起，以生成往复运动。

加压的液压流体由液压泵116供应，并且加压的液压流体通过使用阀205通过高压供应路径(从液压泵116到冲击装置)交替地供应至压力室203、204，其中阀205的状态可以以任何合适的方式例如通过冲击装置105的室206的压力来控制，其中室206的压力取决于冲击活塞115的当前位置。当压力室203、204中的一个被加压时，另一个被减压，并且液压流体通过低压返回路径从冲击装置105返回到箱119。这种加压和减压以及压力室的打开和关闭将引起液压回路的液压流体中的压力变化和流量变化。

为了减小来自这样的压力变化的负面影响，高压供应路径以及根据本示例的低压返回路径设置有一个或更多个蓄压器。蓄压器可以直接安装在冲击装置上或其附近。这在图1中由蓄压器112示意性地示出。蓄压器112、208用于抑制系统中出现的峰值压力波动，并且还可以在来自液压泵116的流量不足以在某些情况下进行正常操作的情况下维持系统中的液压流体的压力。关于返回(低压)路径上的蓄压器208，蓄压器208可以稳定压力和流量并且避免液压流体中的气穴现象，所述气穴现象可能以其他方式发生并且可能是有害的。蓄压器通常包括隔膜209、210，所述隔膜将液压流体与加压蓄压器填充介质(例如，氮气)隔开。加压填充介质通过隔膜作用在液压流体上以抵消液压回路中的压力变化。

此外，除了为冲击活塞115提供动力的液压回路之外，图2还示出了为冲击装置105的阻尼活塞220提供动力的液压回路。阻尼活塞220被配置成吸收在从冲击装置105传递的冲击波的岩石冲击之后通过钻柱107返回的能量的有害反射。阻尼室222由液压泵221加压，液压泵221可以是液压泵116或单独的液压泵。钻柱中的反射增加了阻尼室222中的压力，并使液压流体通过返回通道223排出到箱中。与为冲击活塞105提供动力的液压回路类似，为阻尼活塞220提供动力的液压回路包括蓄压器224，以减小压力变化并确保向阻尼室222供应足够的液压流体以确保适当的阻尼。

根据本公开内容的实施方式，蓄压器112、208、224中的每一个可以被单独诊断以确保正确的操作并检测可能的故障。根据本公开内容，这使用液压流体的压力变化和/或流量变化来执行。根据本示例，通过使用压力变化来诊断蓄压器112、208、224。通过使用一个或更多个压力传感器231至233来确定压力变化，其中，根据本示例，在包括蓄压器的每条路径(供应或返回)中使用压力传感器。根据本公开内容的实施方式，单个压力传感器例如压力传感器231可以用于例如诊断蓄压器112、208。压力传感器可以布置在液压泵116、221附近，并且因此例如布置在载具101上，并且压力传感器以足以执行诊断的速率传送压力信号。例如，压力传感器可以被配置成以冲击装置的最大钻探频率(例如，可以在60至80Hz的量级)的至少两倍传送压力信号，但是优选地具有以更高的速率(例如，以最大钻探频率或液压流量变化中出现的最大频率的2至1000倍的间隔的任何速率)传送压力信号的设计。压力传感器231至233将压力信号传送到控制单元120或其他处理单元，以根据本公开内容的实施方式进行处理。

下面将参照图3讨论根据本公开内容的实施方式的示例性方法300。方法300可选地在步骤301开始，在该步骤中确定是否要估计液压回路的一个或更多个蓄压器112、208、224的诊断。当是这种情况时，该方法可以继续到步骤302，否则该方法保持在步骤301。一个或更多个蓄压器112、208、224的诊断以及因此从步骤301到步骤302的转变可以被布置成例如在正在进行钻探时连续地发生，或者例如以合适的间隔例如在经过一定时间段时发生。根据本公开内容的实施方式，一旦开始钻探或者在从开始钻孔时起的预定时间段内执行诊断，然后可以在钻孔期间连续地执行诊断。根据本公开内容的实施方式，还可能存在关于从步骤301到步骤302的转变的进一步的要求。例如，还可能存在例如关于钻探压力的要求，即钻探已经达到下述状态：已经达到正常钻探压力例如为冲击装置提供动力的液压流体的压力。然而，根据本公开内容的实施方式，不存在这样的附加要求，并且可以在开始钻探时执行诊断。

在步骤302中，检索(即获得)来自压力传感器231的多个压力测量值。在一个或更多个时间段内并以冲击活塞和/或阻尼活塞的往复运动的频率的至少两倍的频率获得多个压力测量值。优选地，通过一个或更多个高带宽压力传感器来进行获取，所述一个或更多个高带宽压力传感器远离冲击活塞和/或阻尼活塞，从而保护传感器免受由往复运动引起的振动和机械暴露。该方法还包括在步骤303中确定在一个或更多个时间段内由冲击活塞和/或阻尼活塞的往复运动引起的液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示，例如，确定液压回路中的压力变化和/或流量变化的包络表示。根据本示例，因而使用来自压力传感器231的多个连续的压力测量值来确定该表示，其中如上所述，以至少两倍、优选地更高的冲击频率的速率提供压力测量值，并且其中来自压力传感器的信号可以例如使用数据总线或通过直接连接被提供给控制单元120，以便在控制单元120中进行处理。

压力变化的表示可以是任何合适的类型例如包络表示。图4示出了作为时间的函数并使用来自压力传感器231的信号确定的示例性压力变化的一个示例。液压回路中压力的幅度在略高于200巴的最小压力至约250巴的最大值之间变化，其中两个极值之间的变化对应于冲击活塞105的全冲程循环。图4的曲线图表示蓄压器112正常操作的情况。如所讨论的，步骤302中确定的液压回路中的压力变化的表示可以是各种不同的类型，并且例如构成液压回路中的最大压力与最小压力之间的差的表示。这可以以任何合适的方式来确定。例如，如图4所公开的，该差可以被确定为液压回路中的压力变化的上包络401与下包络402之间的差。上包络401和下包络402可以根据公知的信号处理以简单的方式被确定，并且可以连续地或在预定时间段期间被确定，以确定液压回路中的最小值与最大值之间的差的代表性表示。例如，可以例如在一段时间期间确定包络之间的差的最大值和最小值，其中这些值中的一个或两个可以用作液压回路中的压力变化的表示。

然后该方法继续到步骤304，在该步骤中，相对于液压回路中的压力变化的参考表示来评估所确定的液压回路中的压力变化的表示。例如，可以将所确定的液压回路中的压力变化的表示与液压回路中的压力变化的参考表示进行比较。只要在步骤304中确定液压回路中的压力变化的表示与压力变化的参考表示的偏差不超过预定程度并因此小于极限偏差，则该方法返回到步骤301，以在蓄压器112的随后诊断中进一步确定压力变化的表示。诊断可以被布置成连续地或以合适的间隔执行。

另一方面，如果在步骤304中确定所确定的液压回路中的压力变化的表示与压力变化的参考表示的偏差超过预定程度，则该方法继续到步骤305，在该步骤中生成指示故障的信号。

图5示出了压力变化的示例性发展，以及在发生故障时液压回路中的对应包络501、502。从时间t₀到时间t_损坏，蓄压器112正常工作。在时间t_损坏发生故障。例如，可能发生隔膜209的泄漏，其结果是蓄压器气体会进入液压流体。蓄压器112可能另外遭受压力降低。蓄压器112还可能遭受其他故障，这些故障阻止蓄压器正常操作。由于有故障的蓄压器操作，压力变化不再被抑制到期望的程度，而是压力变化随着蓄压器的气体压力降低而开始增加。在时间t1，情况不再进一步恶化，例如因为蓄压器不再能够提供期望的阻尼功能。

在步骤304中执行的评估中，可以确定所确定的液压回路中的压力变化的表示是否超过压力变化的参考表示的值预定程度。根据本示例，可以确定上包络与下包络之间的差是否超过预定差预定程度，即超过可接受的变化范围。根据本公开内容的实施方式，可以进一步确定所确定的液压回路中的压力变化的表示的最小值诸如例如在一段时间期间图5中的上包络与下包络之间的最小差是否超过根据压力变化的参考表示的最大允许值。在本示例中，这可以是确定上包络与下包络之间的差的最小值是否超过上包络与下包络之间的差的最大允许值，并且当是这种情况时，可以生成指示故障的信号。根据图5的示例，这在时间t₁发生。

在步骤305中生成的该信号可以例如用于例如通过听得见的和/或看得见的信号来警告钻机的操作员，使得操作员可以采取适当的动作，例如停止正在进行的钻探以处理发生故障的蓄压器。在钻机例如自主操作的情况下，可以向控制钻探的控制系统的部分生成信号，使得由此可以自动停止钻探。还可以将信号发送到例如远程控制中心以警告监视人员和/或其他人员有故障，使得可以采取例如在维修方面的适当动作。对于蓄压器208和224，可以以与蓄压器112的诊断完全相同的方式且并行地对这些蓄压器进行诊断。可替选地，可以依次诊断蓄压器。根据本公开内容的实施方式，压力传感器231或压力传感器232用于诊断蓄压器112、208二者。

通常，在步骤304中使用的参考表示可以例如针对关于钻机和冲击装置的特定配置根据经验来确定，其中可以针对制造的每个这样的组合确定值。也可以针对各种冲击压力确定参考值，使得当在钻探中使用不同的冲击压力时也可以进行诊断。还可设想，例如根据液压系统的模型表示来计算参考值。也可以由系统本身例如通过在蓄压器正常工作的情况下测量压力变化来建立参考值，并且其中这样的测量值可以被存储为参考值以供在诊断中随后使用。

根据以上例示的实施方式，压力的变化用于诊断蓄压器的状态。根据本公开内容的实施方式，液压回路中的不同位置处的两个压力传感器用于确定压力变化。例如，可以例如在高压供应中使用两个压力传感器。这由图2中用虚线表示的附加压力传感器230指示。来自两个压力传感器的信号结合传感器之间的已知距离然后可以用于确定液压回路中的最大值和最小值，以确保在诊断中使用代表性值，并避免对液压回路中的驻波中的压力最小值进行测量。可以确定液压回路中任何位置的压力，这表示为本领域中的双麦克风方法。然而，通常，单个压力传感器足以执行期望的诊断。

根据本公开内容的实施方式，在诊断中使用流量变化代替压力变化。流量可以以与压力类似的方式变化，并且可以使用流量变化代替压力变化。可以使用流量计来确定流量，但是也可以例如使用两个压力传感器以本身已知的方式来确定流量，其中两个压力传感器之间的流量进行已知的节流。

压力或流量的变化也可以以任何其他合适的方式确定。例如，可以对压力变化或流量变化进行信号处理以确定一个或更多个谐波的幅度，其中在诊断蓄压器状态时可以利用一个或更多个谐波的幅度的变化。

如所实现的，单一类型的钻机可以利用不同的锤、不同直径的钻具和/或钻头插嵌件构造、以及钻杆的不同变型。压力或流量的参考表示对于一个或更多个这样的组合可能是有效的，但是可能需要确定各种参考表示以说明各种组合。可替选地，控制系统可以确定当前组合的参考变化本身。所生成的参考表示在预先确定时可以存储在钻机的控制系统中，以供例如在参考表示适用的所有钻机的使用寿命期间使用，使得可以针对正在使用的特定组合诊断蓄压器。因此可以针对不同类型的钻机和/或钻机、冲击锤、钻头等的不同组合生成不同的参考表示。

本公开内容可以用于使用液压冲击式钻探的基本上任何类型的钻机。本公开内容也适用于地下钻机以及在地面上操作的钻机。

Claims (15)

1.一种用于诊断冲击式岩石钻探中的液压回路中的至少一个蓄压器(112，208，224)的功能的计算机实现的方法，所述液压回路提供加压的液压流体以向冲击装置(105)提供动力，所述冲击装置(105)包括用于生成钻具(106)中的应力波的冲击活塞(115)和/或阻尼活塞(220)，其中，所述冲击活塞(115)和/或所述阻尼活塞(220)的往复运动引起所述液压回路中的压力变化和流量变化；并且所述至少一个蓄压器(112，208，224)被配置成减小所述液压回路中的压力变化和/或流量变化；

其特征在于，所述方法包括在钻探期间进行以下操作：

在一个或更多个时间段内获得多个压力测量值，其中，以所述冲击活塞(115)和/或所述阻尼活塞(220)的往复运动的频率的至少两倍的频率获得所述多个压力测量值；

确定在所述一个或更多个时间段内由所述冲击活塞(115)和/或所述阻尼活塞(220)的往复运动引起的所述液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示；以及

基于所确定的所述液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示以及所述液压回路中的压力变化和/或流量变化的参考表示来诊断所述至少一个蓄压器(112，208，224)的功能。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示是所述液压回路中的最大压力或流量与最小压力或流量之间的差的表示。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述液压回路中的最大和/或最小压力或流量的表示是使用以下中的一项或更多项确定的：

所述液压回路中的压力变化或流量变化的上包络与下包络之间的差；以及

所述压力变化和/或流量变化的一个或更多个谐波的幅度，所述谐波是使用所述压力变化和/或流量变化的信号处理例如所述压力变化和/或流量变化的基于傅里叶变换的信号处理确定的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：

当所述诊断指示所述至少一个蓄压器(112，208，224)的不正确功能时，生成指示故障的信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括当诊断所述至少一个蓄压器(112，208，224)的功能时，进行以下操作：

将所确定的所述液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示与所述液压回路中的压力变化和/或流量变化的参考表示进行比较，以及

当所确定的所述液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示与所述压力变化和/或流量变化的参考表示偏差预定差时，生成指示故障的信号。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括：

当所确定的所述液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示的值超过所述压力变化和/或流量变化的参考表示的值预定程度时，生成指示故障的信号。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：

当所确定的所述液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示的最小值超过所述压力变化和/或流量变化的参考表示的最大值预定程度时，生成指示故障的信号。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

使用布置在提供所述加压的液压流体的液压泵(116，221)下游的压力传感器来确定所述压力变化和/或流量变化的表示。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述液压回路中的压力变化和/或流量变化的参考表示根据冲击压力和/或进给压力来设置和/或确定。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

在连续的时间段期间连续地和/或在钻探期间以预定间隔诊断所述至少一个蓄压器(112，208，224)，并且如果所述诊断指示故障，则生成指示所述故障的信号以警告控制所述钻探的钻探操作员和/或控制系统。

11.一种包括指令的计算机程序，当所述程序由计算机执行时，所述指令使所述计算机执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

12.一种包括指令的计算机可读介质，所述指令在由计算机执行时使所述计算机执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。

13.一种用于诊断冲击式岩石钻探中的液压回路中的至少一个蓄压器(112，208，224)的功能的系统，所述液压回路提供加压的液压流体以向冲击装置(105)提供动力，所述冲击装置(105)包括用于生成钻具(106)中的应力波的冲击活塞(115)和/或阻尼活塞(220)，其中，所述冲击活塞(115)和/或所述阻尼活塞(220)的往复运动引起所述液压回路中的压力变化和流量变化；并且所述至少一个蓄压器(112，208，224)被配置成减小所述液压回路中的压力变化和/或流量变化；

其特征在于，所述系统包括处理电路系统，所述处理电路系统被配置成：

在一个或更多个时间段内获得多个压力测量值，其中，以所述冲击活塞(115)和/或所述阻尼活塞(220)的往复运动的频率的至少两倍的频率获得所述多个压力测量值；

在钻探期间，确定在所述一个或更多个时间段中的至少一个时间段内由所述冲击活塞(115)和/或所述阻尼活塞(220)的往复运动引起的所述液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示；以及

基于所确定的所述液压回路中的压力变化和/或流量变化的表示以及所述液压回路中的压力变化和/或流量变化的参考表示来诊断所述至少一个蓄压器(112，208，224)的功能。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述液压回路中的至少一个蓄压器(112，208，224)是以下中的一个或更多个：

布置在提供液压压力的液压泵(116，221)下游和所述冲击装置(105)上游的蓄压器(112)；

布置在所述冲击装置(105)下游的蓄压器(208)；以及

布置在所述冲击装置(105)的阻尼回路中的蓄压器(224)。

15.一种包括根据权利要求13或14所述的系统的岩石钻机(100)。

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