CN1238024A - 钻孔装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钻孔装置，它包括一个钻孔单元(1)，其钻具(2)由液压马达(15)旋转驱动，该液压马达与推进装置(8)相连，后者可对钻孔单元产生抵向地层的力，各驱动机构(3，8，15)由至少一个液压泵(10)通过一组液压分配器(12，13，14)和一组管道(16，17，18)驱动，钻孔系统的推进装置的两供给管线(18)装有换向器(19)，用来使推进装置中的液流循环方向反向。在钻具的旋转驱动液压马达的供给管线(17)上装有液流参数测量装置(22，37)，以持续提供信息，使得补偿装置(23，38，39，49)可将计算而得的由位于马达两侧的管线上两已知点间的所有管线部件产生的压力损耗，从在相同两点间测得的压力差中减去，该操作的结果是，如果所得值超过一预定值，就启动推进液流的循环方向的换向器装置(19)。
Description
本发明涉及一种钻孔装置，尤其用于为开采岩石或矿物而钻孔的用途，在这种钻孔装置中，钻具被推动作旋转运动，整个装置安装于一个推进装置上，后者在钻孔时可向钻具施加推力。
众所周知，由钻具或钻头与地层产生的转矩随着所施加的推力而增加。
因此有必要提供调节装置，使得可调节施加于钻具上的推力，使之与驱动装置所允许的最大力矩相适应，以防止所使用的钻具被卡到被钻地层中。
图1和图2简要地示出一种已知类型的旋转撞击式钻孔装置，分别处于两种工作状态。这两幅图示出了一个钻岩机1，其上装有一个钻具2，后者一方面与一捶击装置3相连，另一方面与一旋转驱动装置4相连。该钻岩机相对于地层5可移动地安装，其中，钻孔借助于一个安装在一个导轨7上的推进系统6而实现。所述推进系统包括一个液压作动筒8，后者的筒体与装置6相连，其推杆9则支承在一个固定点上。不同形式的运动系通过一液压泵10来实现，该液压泵通过三个分配器12、13和14向捶击装置3、液压马达1 5和作动筒8供给动力。所述连接是通过一系列软管16、17和18实现的。钻具的旋转驱动液压马达的供给管路由液压泵10与分配器13间的软管，分配器13、软管17a、旋转马达15、软管17b，以及分配器13和通向外部的回路之间的软管构成。在分配器14和钻岩装置的推进作动筒8之间的管路中，设置有管路换向器装置19。换向器系统19由确保钻岩机的旋转驱动的马达15的旋转压力进行控制。换向器系统与之相互作用的旋转压力所能容许的最大值是可调的。然而，由于装置体积的原因，该系统的信息的获取过分远离马达15的入口，这导致软管的长度太大。
在最大容许旋转压力下，向各驱动部件的液压供给是如图1所示沿着以粗实线示出的软管进行的。换向器系统19处于断开位置，未作用于推进管路。在钻具2被卡到地层中的情况下，就增加旋转压力。当压力超过在换向器系统19上调节的某一预定值时，换向器系统就反转作动筒8的供给方向，如图2所示，从而使钻具后退。
在这样的情况下，马达的旋转液压不是直接测量的，并且钻岩机离控制系统太远。测得的压力是马达旋转压力和由软管17构成的管路内部的管路压力损耗的总和。然而，管路压力损耗随着温度会变化很大，这影响液压流的粘度和流量。
为了在任何条件下都能工作，应当将换向器装置调节到这样的值，使最大容许旋转压力等于旋转压力加上最大压力损耗。
由机械力矩产生的旋转压力是恒定的，压力损耗则随着温度而变。因此，测得的压力就是随着温度而变的。这种类型的装置不能进行换向器系统的细调。
为了弥补上述缺陷，申请人使用了一种钻孔机，其中，马达的出口流量流向确保捶击部分的入口。一相同的流量也流向确保捶击的部分，并与确保钻具旋转的马达的出口流量相合并。转矩的测量通过差动式测量旋转马达入口出口间的压力而实现。在此情况下，测得的旋转压力等于马达端子的旋转压力减去旋转管路的压力损耗。
这种方案可以正确地驱动换向器系统。但由于旋转管路与钻孔机捶击管路的相关性，其合并使得其它液压功能的实现复杂化了。
本发明的目的是提供一种钻孔装置，可以根据压力损耗的随温度和液压流量而变的参数，补偿供给钻具旋转驱动马达的液压管路中的压力损耗，在装置的整个工作范围内保持对容许转矩最大值的最佳控制，而并不导致复杂的技术方案，尤其是从应用流体力学的角度来看。
为此，本发明所涉及的钻孔装置包括一个钻孔单元，其钻具由一液压马达旋转驱动，该液压马达与一推进装置相连，后者可以对钻孔单元产生抵向地层的力，各驱动机构由至少一个液压泵通过一组液压分配器和一组管道、比如软管驱动，钻孔系统的推进装置的两供给管线装有一个换向器，用来使推进装置中的液流循环方向反向，其特征在于，在钻具的旋转驱动液压马达的一支供给管线上安装有一个液流参数测量装置，以持续提供信息，使得一补偿装置可以将计算而得的由位于马达两侧的管线上的两已知点间的所有管线部件产生的压力损耗，从在相同的两点间测得的压力差中减去，该操作的结果是，如果所得值超过一预定值，就启动推进液流的循环方向的换向器装置。
这样的装置可以自动反转钻孔机在其导轨上的位移方向，以在旋转压力超过最大容许旋转压力时避免钻具被卡在地层中。
测量装置向补偿装置发送压力损耗的测量值，该值与旋转管线的压力损耗成正比。
如果旋转压力的增加是因为机械力矩的增加，补偿装置就利用所述信息启动换向器系统。
如果旋转压力的增加是因为旋转管线中的压力损耗的变化，换向器系统就不被启动。
测量装置、补偿装置和换向器，以及在这些不同部件间的信息传输，可以是机械的、液压的、气动的、电子或者电气的。
此种结构的优点在于，驱动钻孔系统的旋转驱动马达的液压因为管路压力损耗的变化而起的变化不会影响最大容许旋转压力的值。只有旋转压力因为钻具和地层间的接触变化而导致的变化才会使换向器系统作出反应。
根据本发明的一个特征，该装置包括一个液压流的流量和粘度的测量装置，液压流的压力损耗参数与钻具旋转驱动马达的供给液压管线的压力损耗成正比。
测量装置可以由一个节流门构成。
根据另一种实施例，钻孔装置包括一个电气或电子测量装置，该装置由一个模拟的或数字的压力差传感器，或者一个与一流速计相连的温度传感器构成，生成启动作用于换向器的液压或电气补偿系统的信号。
补偿装置可以由一个调节滑阀构成，后者可滑动地安装在一个孔腔中，分别受节流门上游和下游液压流压力的作用。该滑阀可以与换向器机械相连，以直接驱动后者，或者，滑阀的位移可以由一电气或液压型的压力计装置进行测量，该装置生成一个输出信号，驱动换向器。
根据另一种方案，换向器集成在补偿装置中，其滑阀包括若干个错开排列的槽，构成钻孔机推进装置的两支液压供给管线的组成部分，以使得液压流可以随着滑阀轴向位置的不同而在两个相反方向流动。
根据另一种实施例，所述装置包括一个具有滑阀的液压或气动压力计，滑阀的端部分别受节流门上游和下游的液压作用，压力计还具有一个中部槽，随着滑阀位置的不同，或者从与一高压源相连的槽，或者从与一低压源相连的槽，向换向器供压。
借助下文参照附图所作的说明，可以清楚地理解本发明，附图非限制性地示出所述装置的几种实施例，图中：
图1和图2是一种已知类型的旋转撞击式钻孔装置的分别处于两种工作状态的视图；
图3是根据本发明的与图1和图2所示同类型的一种旋转撞击式装置的视图；
图4a到11是测量装置的八种不同实施例的视图；
图12是测量装置和补偿装置的一种实施例的视图；
图13是一个测量装置和一个补偿装置的示意图；
图14和图15是使用一液压压力计的测量装置和补偿装置的两种变型；
图16是将测量纳入补偿装置的所述装置的示意图。
图3示出一种与图1和图2所示类似的装置，其中，相同的部件用相同的标号表示。在该装置中，提供了一种测量液压损耗的装置22，该装置设置在供给钻具的旋转驱动马达15的液压管路上。该测量装置随时测量在管路中通过的液压流的粘度和流量，并生成输出信号，输出信号与整个液压管路系统中的压力损耗成正比。
压力损耗信息被发送给一个补偿装置23，后者持续地利用所述信息，补偿压力损耗在液压管路中造成的效应，并驱动换向器19。
测量装置可以是机械的、电气的、液压的、气动的，可以感知穿过其中的液流的粘度和流量。
该装置可以具有例如图4a到11的各种形状。这些附图示出了若干固定或可调的节流门，分别为短孔型(图4a和4b)或长孔型(图5a和5b)、文氏管形(图6a和6b)、环形(图7a和7b)一其中央部分可以是圆形截面(图7a和7b)、或棱形截面(图8a和8b)、或混合式截面(图9a和9b)。还可以提供如图10和11所示的可变节流门。在如图10所示的可变节流门的情况下，节流门的压力损耗会引起其中可动部分的移动。
在节流门的上游和下游，通路截面与节流门的截面相比大得多。节流门可以位于换向器系统的轴部，和/或由多个不同或类似的节流门一起构成。不同类型的节流门的组合可以生成与马达15的液压管路中的压力损耗成正比的压力损耗参数。压力损耗信息被发送给补偿装置23。
图12示出了一种纯机械驱动的补偿装置。在这种实施例中，补偿装置23a包括一个可滑动地安装在一个模块26的孔腔25内的滑阀24。该滑阀包括三个不同截面，即在第一侧的S1、S2和在相对侧的S3。截面S3的面积等于截面S1和S2的面积之和。截面S1与节流门22上游的马达15的供给管路液压相通。截面S2与一排出管或一恒压相通。截面S3与节流门22下游的马达15的供给管路液压相通。截面S1与S2的比，等于管路两已知点间的液压管路压力损耗与节流门入口出口间的压力损耗之比。弹簧27产生与作用于截面S3上的压强产生的力相反的力。作用于截面S2上的恒压产生的力与弹簧27的作用力的和，等于作用于截面S2上的马达15供给管路的最大容许液压所产生的力。
在示于图12的实施例中，换向器被集成进补偿装置23a之中。为此，滑阀24包括两个轴向错开排列的槽28、29，而阀壳上具有凹槽30、32、33、34和35，形成钻孔机推进装置的两支供给液压管路的组成部分，使得液流可根据滑阀轴向位置的变化而在两个相反方向流动。
当滑阀处于其极端位置时，槽30可以实现反转位移方向的功能。
在实践中，液压流从管道17提供，通过节流门22，被送往马达15，然后从回流管路返回。由节流门产生的压力损耗正比于旋转驱动管路中的压力损耗。
液流温度和/或流量的变化会改变液压管路中的压力损耗。管路中这种压力损耗的变化伴随着节流门22中压力损耗的同方向但比例确定的变化。压力损耗在旋转压力增加的反向上作用于滑阀。截面S1和S2的比等于管路两已知点间的液压管路压力损耗与节流门入口出口间的压力损耗之比。作用于滑阀的力的平衡是不变的。
作用于钻具的机械力矩的增加体现于旋转压力的增加。与力矩无关的压力损耗保持不变。在此情况下，作用于滑阀的合力改变方向，滑阀就克服弹簧的作用移向一个新的平衡位置，比如图12所示的位置。
图13示出了一种装置，其中，测量是通过一个模拟或数字的压差传感器37，或者一个与一流速计相连的温度传感器实现的。该测量装置产生的信号提供给一个补偿装置38，该装置由一个电气系统或其中集成有一个信号处理卡或计算机的电子系统构成，作用于液压管路换向器19。
图14示出了一种钻孔装置，包括有一个节流门22，后者形成测量装置，与一补偿装置39相连，后者由一液压压力计构成。该液压压力计包括一个具有一中央槽42的滑阀40，滑阀在孔腔43中移动并受弹簧44的作用。槽42的输出压力通过45直接提供给换向器19。滑阀40的两侧分别受节流门22上游和下游的压力作用。在补偿装置的阀壳上开有两个槽47和48，二者分别与高压或低压相通。
当节流门22的压力损耗增加时，滑阀就朝向高压槽47移动。从而补偿装置的出口压力增加，继而提高在换向器19上调节的最大容许旋转压力。
图15是图14所示实施例的一种变型，其中，相同的部件用相同的标号指示。在此情况下，对换向器的驱动是通过减小要驱动换向器的压力而实现的。
图16示出了一种实施例，其中，在补偿装置49中集成有一个节流门22。压力损耗测量值在补偿装置49和换向器19之间的传输是机械实现的。节流门22受马达15的供给液压管路中的压力损耗作用。压力差可以移动一个滑阀50，从而改变通过作用于弹簧52而在换向器系统上调节的最大容许旋转压力。
如前所述，本发明带来了很大的改进，提供了一种装置，可在钻孔系统上获取对驱动旋转马达的液压管路中的压力损耗的补偿，这使得可以在装置的整个工作范围内保持对容许转矩最大值的最佳控制，而仅使用简单的设备。
当然，本发明并不仅限于前面描述的几种实施例，相反，它还包括任何的变型。尤其是，钻孔机的推进驱动系统的类型是没有限制的，例如可以由一驱动一个齿轮链条系统的液压马达实现，而并不因此超出本发明的范围。
Claims (9)
1．一种钻孔装置，它包括一个钻孔单元(1)，其钻具(2)由一液压马达(15)旋转驱动，该液压马达与一推进装置(8)相连，后者可以对钻孔单元产生抵向地层的力，各驱动机构(3,8,15)由至少一个液压泵(10)通过一组液压分配器(12,13,14)和一组管道(16,17,18)、比如软管驱动，钻孔系统的推进装置的两供给管线(18)装有一个换向器(19)，用来使所述推进装置中的液流循环方向反向，其特征在于，在钻具的旋转驱动液压马达的一支供给管线(17)上安装有一个液流参数测量装置(22,37)，以持续提供信息，使得一补偿装置(23,38,39,49)可以将计算而得的由位于马达两侧的管线上的两已知点间的所有管线部件产生的压力损耗，从在相同的两点间测得的压力差中减去，该操作的结果是，如果所得值超过一预定值，就启动推进液流的循环方向的换向器装置(19)。
2．根据权利要求1所述的钻孔装置，其特征在于，它包括一个液压流的流量和粘度的测量装置(22,37)，所述液压流的压力损耗参数与钻具旋转驱动马达的供给液压管线(17)的压力损耗成正比。
3．根据权利要求1或2所述的钻孔装置，其特征在于，所述测量装置包括一个节流门(22)，其随着液流粘度和流量而变的压力损耗参数正比于钻具旋转驱动马达的供给液压管线(17)的压力损耗。
4．根据权利要求3所述的钻孔装置，其特征在于，所述补偿装置(23a)由一个调节滑阀(24)构成，后者可滑动地安装在一个孔腔(25)中，该滑阀在其一侧有截面(S3)，受所述节流门(22)下游的液流压力作用，滑阀在其相对的另一侧有两个截面(S1,S2)，两截面面积之和等于第一截面(S3)的面积，其中，一个截面(S1)受节流门(22)上游的液流压力作用，另一截面(S2)受一恒压作用，所述两截面(S1和S2)的比，等于管路两已知点间的液压管路压力损耗与所述节流门入口出口间的压力损耗之比，测得的压力损耗在所述滑阀上形成力的不平衡，从而导致滑阀的位移。
5．根据权利要求4所述的钻孔装置，其特征在于，所述换向器集成在所述补偿装置(23a)中，其滑阀(24)包括若干轴向错开的槽(28,29)，构成钻孔机推进装置(8)的两支液压供给管线(18)的组成部分，以使得液压流可以随着滑阀轴向位置的不同而在两个相反方向流动。
6．根据权利要求4所述的钻孔装置，其特征在于，所述滑阀与所述换向器(19)机械相连，直接驱动后者。
7．根据权利要求4所述的钻孔装置，其特征在于，所述滑阀的位移由一电气或液压型的压力计装置进行测量，该装置生成一个输出信号，驱动所述换向器(19)。
8．根据权利要求1或2所述的钻孔装置，其特征在于，它包括一个电气或电子测量装置，该装置由一个模拟的或数字的压力差传感器(37)，或者一个与一流速计相连的温度传感器构成，生成启动作用于所述换向器(19)的液压或电气补偿系统(38)的信号。
9．根据权利要求3所述的钻孔装置，其特征在于，它包括一个具有滑阀(40)的液压或气动压力计(39)，所述滑阀的端部分别受所述节流门(22)上游和下游的液压作用，所述压力计还具有一个中部槽(42)，随着所述滑阀位置的不同，或者从与一高压源相连的槽(47)，或者从与一低压源相连的槽(48)，向所述换向器(19)供压。
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