CN201802305U - 旋挖钻机主卷扬全自动触底保护及主卷钢丝绳预紧装置 - Google Patents

Abstract

一种旋挖钻机主卷扬全自动触底保护及主卷钢丝绳预紧装置，所述装置中的主卷电控手柄的提升、下降位和自动位的输出端分别接入控制器相应的输入端，控制器相应输出端分别与浮动电磁阀、制动电磁阀、电比例伺服控制换向阀DT3端、电比例伺服控制换向阀DT2端、电磁溢流阀、电比例反馈阀的控制信号输入端口电连接；电比例反馈阀的输出端与油泵反馈控制端口连接；油泵压力油输出口接入电比例伺服控制换向阀进油端口；电比例伺服控制换向阀的两个出油端口分别接入液压马达的相应工作油端口；液压马达的信号输出端通过压力传感器接入控制器的相应输入端；所述制动电磁阀的输出端接入减速机制动解除输入端；减速机的信号输出端通过旋转编码器接入控制器的相应输入端。

Description

旋挖钻机主卷扬全自动触底保护及主卷钢丝绳预紧装置

技术领域：

本实用新型涉及一种用于桩孔作业施工的机械，具体说是涉及一种旋挖钻机主卷扬全自动触底保护及主卷钢丝绳预紧装置。

背景技术

现有技术的旋挖钻机的作业控制过程如图1、图2、图3、图4图所示：其中图1至图2为人工手动主卷提升过程；图2至图3为主卷人工快速下放过程；图3至图4为人机结合控制主卷扬停止过程。

此操作过程全部采用人机相结合的控制方法，驾驶人员主要依靠驾驶室操作屏幕中的主卷测深显示功能，人为实时观察，实时调节控制手柄，来控制主卷扬整个下降过程，钻机钻具在接近作业孔低时，由于屏幕中的主卷测深数值不准确，加之人为无法直接观测判断，造成动力头接触作业孔低时钻具大负荷冲击，对钻具的安全造成严重影响；同时在晚间或驾驶员注意力不集中的状态下，钻具虽然触底，驾驶员依然操作主卷下放手柄，造成钢丝绳乱绳等一系列施工问题。严重影响主机的安全性及可靠性，主要问题及原因表现在以下几个方面。

1、测深滑轮本身的转动灵活性，由于测深滑轮销轴在常时间磨损情况下，中心轴会在受力方向产生磨损，造成测深滑轮转动灵活性降低，使本身测试信号的准确性降低。

2、由于测深滑轮的运动轴向力直接来源于钢丝绳对滑轮绳槽的摩擦力，这种方法容易造成主卷钢丝绳在突然加速或减速过程中，相对于测深滑轮有相对的滑动位移，造成实际距离和测试数据有相对偏差。

3、传统的采集信号的方法是利用在测深滑轮周边加工锯齿型健齿，利用接近传感器记录测深滑轮转动时周边健齿的输出脉冲数，通过控制器计算出测深值，这种测试方法由于元件本身的性能及加工误差，导致测深值不准确。

鉴于以上多种原因，现钻机在主卷操作时很大程度上依赖驾驶人员的操作娴熟性，控制精度不高，影响主卷的使用效率及安全性。

另外，由于操作过程主要依靠人工目视测试主卷扬钢丝绳是否松动，在光线不好或人为注意力下降等因素影响下，极易造成主卷钢丝绳乱绳及跳绳现象发生，在提钻杆时人为难以发现主卷是否松动，导致突然快速提钻时钢丝绳严重磨损或断股，严重影响钢丝绳使用寿命及主机的安全性。

发明内容：

本实用新型的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种旋挖钻机主卷扬全自动触底保护及主卷钢丝绳预紧装置。

本实用新型的装置主要从以下几方面着手来解决现有技术中所存在的不足。

a、改变目前人机结合的主卷扬控制方式，实现主卷扬提升下放全自动控制，减少人为干预，减轻操作人员的操作强度。

b、提高钻机的可控性，减弱作业工况中由于大负荷突变对主卷液压系统及主机的大型结构件所造成的冲击损坏，提高元件的使用寿命。

c、改变目前主卷测深信号来自于桅杆顶滑轮的传统方式，将测试信号来源直接加装在主卷减速机中心轴上，使信号来源更加直接准确，提高测深精度。

d、主卷钢丝绳预紧主要解决人为操作失误或晚间作业视线不清楚的情况下，避免主卷乱绳跳绳等施工现象，实现主卷钢丝绳自动预紧功能。

本实用新型的目的可通过下述技术措施来实现：

本实用新型的旋挖钻机主卷扬全自动触底保护及主卷钢丝绳预紧装置包括主卷电控手柄、控制器、电比例反馈阀、电磁溢流阀、电比例伺服控制换向阀、液压马达、减速机、制动电磁阀、浮动电磁阀、旋转编码器、压力传感器、液压动力源，其中：所述主卷电控手柄的提升位、下降位和自动位的信号输出端分别接入控制器相应的控制信号输入端，所述控制器第一控制信号输出端、第二控制信号输出端、第三控制信号输出端、第四控制信号输出端、第五控制信号输出端、第六控制信号输出端依次分别与浮动电磁阀、制动电磁阀、电比例伺服控制换向阀DT3端、电比例伺服控制换向阀DT2端、电磁溢流阀、电比例反馈阀的控制信号输入端口电连接；电比例反馈阀的信号输出端与系统油泵反馈信号输入端口液连接；系统油泵压力油输出口通过管路接入电比例伺服控制换向阀进油端口；电比例伺服控制换向阀的回油口通过管路接入油箱，电比例伺服控制换向阀的两个出油端口分别通过管路接入液压马达的相应进油端口；所述液压马达的输出轴通过联轴器接入减速机的输入轴，液压马达的下降腔压力信号输出端通过压力传感器接入控制器的相应信号输入端；所述制动电磁阀的控制信号输出端接入减速机的相应信号输入端，减速机的中心轴旋转信号输出端通过旋转编码器接入控制器的相应信号输入端。

本实用新型的有益效果如下：

a、可实现主卷加速提升——匀速提升——上位减速停止全自动控制过程。

b、实现主卷加速下放——匀速下放——-减速下放——触底保护全自动控制过程。

c、实现主卷触底后，主卷钢丝绳预紧保护，避免人为操作不当情况下引起的主卷扬乱绳，有效延长主卷钢丝绳的使用寿命。

d、改变传统主卷测深的方式，利用在主卷中心轴加回转编码器的方法，大幅度提高测深精度，实现全自动触底保护功能。

附图说明

图1至图2为人工手动主卷提升过程；图2至图3为人工主卷快速下放过程；图3至图4为人机结合控制主卷扬停止过程。

图5、图5-1为空间动作控制说明，图中：①、主卷提升控制段；②、主卷高速下降控制段；③、主卷扬减速停车控制段。

更具体讲：主卷向上提升时，控制段①作为主卷下放时的控制参考距离被记入控制器，在自动下放时以控制段①为下放深度参考值。通过控制器将整个主卷下放过程分为图示②、③控制段，控制段②为加速及高速下放过程，控制段③为减速下放过程，当主卷扬下放至触底保护参考位时，通过机载控制系统，控制钻具准确停止在作业孔底，实现主卷触底保护功能，主卷下降停止后液压控制系统在主卷马达提升口保留一定的提升背压，减速机在马达的推动下反向提升，实现主卷钢丝绳预紧功能。

图6是本实用新型的控制逻辑图。

图7是本实用新型的液压控制原理图。

具体实施方式

本实用新型以下将结合实施例(附图)作进一步描述：

如图6所示，本实用新型的旋挖钻机主卷扬全自动触底保护及主卷钢丝绳预紧装置包括主卷电控手柄、控制器、电比例反馈阀、电磁溢流阀、电比例伺服控制换向阀、液压马达、减速机、制动电磁阀、浮动电磁阀、旋转编码器、传感器、液压动力源，其中：所述主卷电控手柄的提升位、下降位和自动位的信号输出端分别接入控制器相应的控制信号输入端，控制器的第一控制信号输出端、第二控制信号输出端、第三控制信号输出端、第四控制信号输出端、第五控制信号输出端、第六控制信号输出端依次分别与浮动电磁阀、制动电磁阀、电比例伺服控制换向阀DT3端、电比例伺服控制换向阀DT2端、电磁溢流阀、电比例反馈阀的控制信号输入端口电连接；电比例反馈阀的信号输出端与系统油泵信号输入端口液连接；系统油泵压力油输出口通过管路接入电比例伺服控制换向阀进油端口；电比例伺服控制换向阀的回油口通过管路接入油箱，电比例伺服控制换向阀的两个出油端口分别通过管路接入液压马达的相应进油端口；所述液压马达的输出轴通过联轴器接入减速机的输入轴，液压马达的下降腔压力信号输出端通过压力传感器接入控制器的相应信号输入端；所述制动电磁阀的控制信号输出端接入减速机的相应信号输入端，减速机的中心轴旋转信号输出端通过旋转编码器接入控制器的相应信号输入端。

其具体控制方式如下：主卷电控手柄自动位输出控制指令信号2，进入控制器自动控制信号输入端子，控制器通过逻辑运算及对比，分别通过控制器的第一控制信号输出端、第二控制信号输出端、第三控制信号输出端、第四控制信号输出端、第五控制信号输出端、第六控制信号输出端，同时输出控制信号5、6、7，以及8、10或11中的某一路，共四路控制信号，电比例反馈阀根据电比例伺服控制换向阀的开度，输出控制指令12，反馈给系统油泵PiL，油泵根据反馈信号12的大小，输出相应的压力及流量PO，输送给电比例伺服控制换向阀P口；液压马达下降腔压力信号13通过压力传感器转换为信号14，作为一个控制参量输送给控制器；减速机中心轴旋转信号9通过旋转编码器输出累计旋转角度信号4，作为反馈信号输送给控制器；手柄左右控制信号1、3作为人工自行操作信号输送给控制器。

在主卷电控手柄自动位输出控制指令信号2为时，控制器各输出信号按照以下各自控制功能，实现主卷扬触底保护功能：

①、信号5输入给浮动电磁阀，保证在主卷下放时使马达A、B腔油路串通，实现快速下放功能。

②、信号6输入给制动解除阀电磁阀，保证主卷制动缸脱开，使减速机根据指令实现正转和反转。

③、减速机中心轴输出实施回转信号9，通过回转编码器，输出累计旋转角度信号4，信号4通过控制器逻辑运算转换为实际主卷钢丝绳下放或上升的距离，减速机正转收绳记录为正控制累计值，减速机反转放绳记为负控制累计值，控制器接到控制信号2后，如果记录信号为正控制累计值，则控制器控制端子8输出信号，输送给电比例伺服控制阀块控制输入端口DT2，使阀的P口和A口相通，同时B口和T口相通，减速机在马达带动下实现钢丝绳放绳，放绳过程中，控制器记录当前位置相对于零点位置的距离，如果当前位置距零点位置较远，则控制信号8输出以最大控制信号量输入给电比例伺服控制换向阀，确保阀口P和A及B和T间以大开口相通，保证主卷扬快速下放；如果当前位置距零点位置较近，则控制信号8输出从最大控制信号量到最低信号控制量递减输入给电比例伺服控制换向阀，确保阀口P和A及B和T间开口变小，保证主卷扬减速下放，直到实际位置到达零位后，控制信号8终止，阀口P和A关死，马达和减速机停止运行。

④、信号10为电比例控制阀组电磁溢流阀控制信号，确保液压系统根据动作指令提供适合的系统压力值。

⑤、信号5为主阀的反馈型号，使系统泵根据信号5反馈的大小，提供合适的油源给主阀P口。

⑥、信号13为马达下降口的反馈信号，在主卷下放过程中，如果出现卡钻或缩孔等工况时，压力信号13会发生突变，突变时压力信号13通过压力传感器转换为控制器接收信号14被控制器检测，控制器根据检测到的信号突变情况，通过逻辑控制，改变电比例伺服控制换向阀的控制信号7或8，使阀的开度发生变化，以此控制马达的转速，进而控制减速机输出速度。

以上①、②、③、④、⑤、⑥在共同作用的情况下，实现主卷扬触底保护功能。

主卷扬钢丝绳预紧功能：

上述条件⑥如果在信号13衰减到某一个小信号，控制器输出一个微小控制信号7，同时信号8停止，信号7使电比例伺服控制换向阀DT3的P和B口相通，A和T口相通，给马达上升腔通过P口给一定的压力油源，保证马达有一定的提升力，同时控制器输出信号6，使减速机制动缸脱开，保证减速机在马达带动下反转，给主卷扬钢丝一定的预紧力，实现主卷钢丝绳预紧功能。

本实用新型以下将结合图7对本实用新型的液压控制原理作进一步详述：

主卷控制系统选用电比例闭环控制方案，采取三区间预设临界控制，实现钻杆快速下放，减速制动，柔和触底，主卷扬钢丝绳预紧四个控制过程：

1、触底保护控制原理如下：

控制器通过主卷中心轴的回转编码器，将主卷上升距离(参见图5控制段①)信号作为主卷下放时触底保护功能参考距离信号记入控制器，钻具在卸料自动回中后，按动主卷电控手柄自动按钮，控制手柄输出控制信号给控制器触底保护信号输入端口，控制器接收到该信号后，通过逻辑运算及比较，如果相对于零点控制面，控制器通过主卷减速机记录的距离为正值切控制距离远大于控制参考面的距离时，控制器输出最大的控制信号给电比例伺服控制换向阀②的控制端口DT2，使电比例伺服的P口和A口相通，B口和T口相通，压力由此时流向为PO——P1——P——A1——B2A2——B1——T——TO，此压力回路驱动液压马达⑧顺时针旋转，进而由液压马达⑧带动减速机旋转，使主卷扬钢丝绳高速下放，同时控制器输出四路控制指令分别给电比例溢流阀①控制端口DT1、电比例反馈阀②控制端口DT4、制动解除电磁阀⑦控制端口DT5、主卷浮动电磁阀⑨控制端口DT6，保证马达⑧快速下放；回转编码器实时记录减速机下降旋转累计角度，并即时反馈给控制器，通过控制器运算转换为主卷钢丝绳实时下放距离，此距离与控制器接收到触底保护自动控制信号前相对于零点控制面的距离进行对比，在参考控制位置于实时距离之差小于1米的安全控制距离之内时，控制器输送给电比例伺服控制换向阀②控制端口DT2的信号曲线递减，使P口和A口及B口和T口的开口减少，使马达⑧顺时针旋转速度降低，从而通过减速及时钢丝绳下降速度减慢，同时由于P口和A口及B口和T的开口减小，同时主卷浮动电磁阀⑨控制端口DT6将截止，电比例反馈阀②的反馈信号也在递减，保证泵供给阀口P1端的压力及流量复合系统所需的要求。使控制减速段(参见图5控制段③)得以实现；当实时控制距离达到零点参考位置0.06米的范围之内时，控制器输送给电比例伺服控制换向阀②控制端口DT2的信号将终止，使阀口P和A截止，此时没有油源输送给马达⑧控制口A2，同时控制器输出的四路控制指令，分别为电比例溢流阀①控制端口DT1、电比例反馈阀②控制端口DT4、制动解除电磁阀⑦控制端口DT5、主卷浮动电磁阀⑨控制端口DT6同时终止，使主卷扬安全无冲击的停车在参考零位控制位，实现减速到停车的控制过程。

2、主卷预紧控制原理如下：

如果主卷下放在人工操作状态下，如果产生缩孔、卡钻等施工状态时，在人为不可感知的情况下，液压马达⑧下降口的压力会产生突变，控制器通过压力传感器检测压力突变的幅度，如果突变较小，电比例伺服控制换向阀②控制端口DT2的控制信号将减小，使电比例伺服控制换向阀②的P口和A口开口减小，从而使经过阀口A到达液压马达⑧的A2口流量降低，控制液压马达⑧的转速降低，保证其值与钻杆由于卡钻或缩孔产生的速度突降值保持一致，避免由于主卷钢丝绳的实际控制速度大于钻杆的实际速度而造成的乱绳现象；在触底保护意外无法控制的情况下，如果控制器通过压力传感器检测压力突变的幅度较大，距离接近控制底面零位参考距离时，控制器中断电比例伺服控制换向阀②控制端口DT2的控制信，使电比例伺服控制换向阀②的P口和A口开口截止，从而使经过阀口A到达液压马达⑧的A2口流量为零，控制液压马达停车，同时控制器四路控制指令中，比例溢流阀①控制端口DT1信号降低，电比例反馈阀②控制端口DT4信号降低、制动解除电磁阀⑦控制端口DT5信号开启、主卷浮动电磁阀⑨控制端口DT6信号终止，控制器通过不同输出端子，使比例溢流阀①控制端口DT1输入信号升高，使电比例伺服控制换向阀②P口和B口微通，通过阀组B1口输送给液压马达B2口一定的预压力，使主卷液压马达⑧保持一定的逆时针旋转扭矩，通过减速机保持主卷扬钢丝绳一定的预紧力，实现主卷扬钢丝绳预紧功能。

本实用新型中所述电控手柄的型号为JC6000-A2LBRS英国P&J；旋转编码器的型号为Kubler 8.5868.322A.2112德国Kübler或RSA 597瑞典LEINE LINDE；控制器的型号为TTC 200德国TTControl；

市场前景：

旋挖钻机在实际工作过程中，由于设备目前所采用的系统尽管可以完成相关的成孔作业要求，但存在成孔质量不理想(超方量大)，成孔成本较高，且对于操作人员的能力及注意力要求很高，若可以实现在保证成孔质量的前提下一键式操作，不仅能够节省成本，还可提高效率。主卷触底保护功能及主卷扬钢丝绳预紧力控制功能可从根本上解决现有设备控制精度低，成本高及对操作人员能力要求很高的不利因素，提高设备的运转效率、同时增强了该产品在市场上的竞争能力。

随着科技的发展及工程应用需要，最终用户有节省成本的需求，并注意评估不同设备的施工成本要求，社会也要求节能环保的工程机械，促使工程机械的设计已经从原来的实现功能为主的设计理念上升到在保证功能的前提下尽可能提高系统的性能上来。

由于现有系统操作采用的是液压先导手柄+开关按钮的方式，且设备功能多，在操作时容易出现误操作状况，造成设备损害或人员伤害；同时需要将多路先导管路引入驾驶室，造成安装及维修不便；而采用电手柄操作，则可以简化安装，维修及故障诊断方便，同时可以通过程序实现多个执行机构之间的逻辑互锁或联动控制，有效的提高了机械的安全性。

Claims (1)

1.一种旋挖钻机主卷扬全自动触底保护及主卷钢丝绳预紧装置，其特征在于：所述装置包括主卷电控手柄、控制器、电比例反馈阀、电磁溢流阀、电比例伺服控制换向阀、液压马达、减速机、制动电磁阀、浮动电磁阀、旋转编码器、压力传感器、液压动力源，其中：所述主卷电控手柄的提升位、下降位和自动位的信号输出端分别接入控制器相应的控制信号输入端，控制器的第一控制信号输出端、第二控制信号输出端、第三控制信号输出端、第四控制信号输出端、第五控制信号输出端、第六控制信号输出端依次分别与浮动电磁阀、制动电磁阀、电比例伺服控制换向阀DT3端、电比例伺服控制换向阀DT2端、电磁溢流阀、电比例反馈阀的控制信号输入端口电连接；电比例反馈阀的信号输出端与系统油泵的反馈信号输入端口液连接；系统油泵压力油输出口通过管路接入电比例伺服控制换向阀进油端口；电比例伺服控制换向阀的回油口通过管路接入油箱，电比例伺服控制换向阀的两个出油端口分别通过管路接入液压马达的相应工作油端口；所述液压马达的输出轴通过联轴器接入减速机的输入口，液压马达的下降腔压力信号输出端通过压力传感器接入控制器的相应信号输入端；所述制动电磁阀的控制信号输出端接入减速机的制动解除油口输入端，减速机中心轴的旋转信号输出端通过旋转编码器接入控制器的相应信号输入端。

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