CN2044003U - 液压钻机控制系统 - Google Patents

Abstract

一种液压控制系统用于各种口径、各种深度和各种角度液压钻机的控制，它以液、电合一的控制方式，由液压和电气两部分构成，主要由控制、执行、辅助和自动保护几个系统组成，可实现钻进工序的全部控制，具有独特的投放式制动试钻功能，并对钻进作业进行监控。一旦发生事故征兆，会发出声光报警信号，能自行将钻柱提离孔底，保护钻具不受毁损。该控制系统还可以根据地层硬度的不同，调节钻进速度。

Description

一种用于矿山、地质勘探井（孔）的液压钻机控制系统，属钻探设备。

目前用于地质、矿山勘探生产的液压钻机，其液压控制系统存在工作不可靠、泄漏量大、操纵不协调、维修困难等问题，成为液压钻机推广使用中的一大障碍，同时无制动试钻，因此常使钻头损坏。

本实用新型的目的就在于为液压钻机提供一种工作可靠，控制灵敏协调，具有独特的投放式制动试钻和监控功能，全部钻进工序可以实现液－电合－的控制系统。

本实用新型通过由各种位、路不同的阀及联接管路、电气元件、操纵机构等组成的控制、执行和辅助系统来实现上述目的。

以下结合附图和实施例，详述本实用新型的工作原理，动作过程及结构特征。

附图说明：

图1为液压控制系统图。

图2为电气控制原理图。

图3为液压钻机主视图。

图4为本实用新型空载起动时钻柱状态示意图。

电气控制部分：它与液压控制部分是有机的结合，其任务是控制电动机［29］的启动运行，油、水压偏离整定值的保护，同时对钻进工序的监控，它们分别接装在控制板和钻机上。当钻进作业如出现事故苗头，它能及时发出声光信号，并将钻具立即提离孔底，防止事故的发生和扩大。它主要包括继电器［C］、［C_y］、［C_△］、热继电器［RJ］、延时继电器［SJ］、压差继电器［3J］、［4J］、［5J］、［6J］、［7J］、［8J］，电子接近开关［1J］、［2J］，启动按钮［QA］、［1QA］、［2QA］、停车按钮［TA］、电磁铁［MF₁］、［MF₂］、变压器［B］、测速发电机［F］、转速表［n］、信号灯［XD］、插座［1C］、［2C］、［3C］、［4C］、双向开关［DK］、熔断器［1RD］、［2RD］、［3RD］、闸刀开关［HK］、蜂鸣器［FE］等组成。

下钻控制阀［8］，其任务是进行独特的投放式制动试钻，提高工效、防止跑钻，为电－－液连动控制。钻机进行正常钻进作业时，不起作用。下钻控制阀主要由下钻阀［8］、二位二通阀［8A］、单向节流阀［8B］构成。阀的进油端并接单向节流阀［8B］和二位二通阀［8A］，后两者彼此间为串联，二位二通阀［8A］出油端用管［3P］与夹持器［17］相连，主油管［1P］贯通下钻阀［8］并与管［2P］连接。二位二通阀［8A］的上端连接有启动按钮［1QA］，同时与电路中的双向闸刀开关［DK］及电磁铁［MF₁］直接联动。

回转阀［10］，为三位六通阀，主要是控制变量马达［19］、回转器［18］的运转及夹持器［17］的松开和夹紧。阀的上端有手把和与之相连的启动按钮［2QA］。阀之左侧接进油管［2P］、回油管［4P］，阀之右侧通过管［5P］并接变量马达［19］的反转接口和延时阀［14］进油端，而延时阀［14］的出油端又并接单向节流阀［13］和回转器［18］，以管［6P］接变量马达［19］的正转接口和单向阀［16］的进油端。而单向阀［16］出油端通过管［13P］和回转器［18］相接。阀的中间通道接升降阀［11］的进油接口。回转阀［10］对夹持器［17］是通过延时阀［14］和单向节流阀［13］进行间接控制的。回转阀［10］设有“B”、“O”、“A”三个挡位，“O”位为中位，“A”为正转，“B”为反转，图1所示位置为于“O”位状态。

升降阀［11］为三位六通阀，其任务是通过油缸［20］控制钻柱的升降。阀的上端装有手把，阀的下端装有电磁铁［MF₂］，左侧有进油管及回油管［7P］、右侧接有出油管［9P］、［10P］和回油管［8P］、出油管［10P］串接减压阀［24］并与油缸［20］的上腔相连。出油管［9P］串接压力表和单向背压减压阀［25］与油缸［20］的下腔相连。同时卡夹阀［12］的左侧两根进油管分别与升降阀［11］的管［9P］、［10P］并接。在升降阀［11］的管路系统中设置减压阀［24］的目的是为了控制钻进速度，根据井孔中地层硬度来调节油压，同时也可使油缸［20］在上止点位置有所缓冲。单向背压减压阀［25］是为调节不同井深的背压，也对油缸下止点有缓冲作用。

卡夹阀［12］为三位四通阀，主要是间接控制夹持器［17］的夹紧与松开，因夹持器［17］还受控于下钻控制阀［8］及回转控制阀［10］，同时也受电磁控阀［15］的制约。阀的上端装有手把、左侧接进油管，右侧接出油管［12P］和回油管［11P］。而出油管［12P］，并接有单向节流阀［13］和电磁阀［15］。手把在“A”位时为下钻，在“B”位时为提钻，图1所示为“O”位状态。

电磁阀［15］为二位二通阀，其任务是开通或堵住管［12P］的进油，以控制夹持器［17］的夹紧和松开，电磁阀［15］的上端装有电磁铁［MF₁］，左侧接进油管［12P］，右侧并接二位二通阀［8A］和夹持器［17］。

为了监控钻进井孔情况，诊断事故的征兆，并及时发出报警信号。在控制系统中设置有油压自控阀［26A］、［26B］、水压自控阀［27A］、［27B］。它以钻柱为探针，经自控阀将井孔中虚假信号滤去，而将真实信号传至自控阀。如果井孔中出现事故前兆，自控阀能及时发出声光信号，并随即将钻柱提离孔底，避免钻机受损。自控阀均由二位二通阀，单向可调节流阀，弹簧和继电器组成。高、低压在调定值范围内均为常断状态，只有当钻进正转时该系统才起作用。用旁通管路来消除虚假信号并控制主油道的通断。阀的输入端接高压油或高压水，输出端串接单向可调节流阀，弹簧和继电器，自控阀的四个继电器组成一个或门电路，只需任一个继电器闭合，就可实现保护功能。

图2为本实用新型的电气原控制理图，它由五个电路组成，即动力电路，电机控制电路，下钻控制电路，照明和过滤器压差电路，油、水压自控保护电路，测速电路，除下钻控制，动力和电机控制电路，其余电路均用插座接于控制电路中，可根据需要，也可以不用。

动力电路：由闸刀开关［HK］、熔断器［1RD］、继电器［C_y］、三角接法继电器［C_△］、热继电器［RJ］和电动机［29］构成。电机控制电路由熔断器［2RD］、启动按钮［QA］、停止按钮［TA］、时间继电器［SJ］以及动力电路的继电器［C］、［C_y］、［C_△］、［RJ］组成。

电机的启动与运行控制，按下启动按钮［QA］后，除三角接法继电器［C_△］外，其余继电器都得电，电动机［29］降压启动，此时星形接法继电器［C_y］的常闭触头断开，常开触头闭合。经过一段时间后，时间断电器［SJ］起作用，［SJ］的触头断开，星形接法继电器［C_y］常开触头又断开，常闭触头闭合。三角形接法继电器［C_△］得电，电动机［29］在三角形接法继电器［C_△］吸合下运行。如需停机，只需按动停车按钮［TA］，整个电路失电，各继电器和电动机都停止工作。

投放下钻控制电路：该电路仅供投放式制动试钻，当钻机进行正常钻进作业时则断开。它由双向闸刀开关［DK］、启动按钮［1QA］、插座［2C］、电子接近开关［1J］、［2J］、电磁铁［MF₁］组成。当进行试钻时，将下钻控制阀［8］的手把置于“A”位（参见图1与图4），触动按钮［1QA］和双向开关［DK］，接通控制电路，电磁铁［MF₁］将电磁阀［15］的进油通路堵住，夹持器［17］局部充油，抵消夹持器中碟形弹簧的一部分夹紧力，这时使钻柱在不失控的前提条件下，靠自重往井孔进送。一但进送速度太快，发生跑钻，电子接近开关［1J］或［2J］立即断开。电磁铁［MF₁］失电，电磁控制阀［15］开通油路，使存油返回油箱，夹持器［17］及时抱紧钻柱。避免损坏钻具。

照明与过滤器压差电路：其任务是照明和对油、水过滤器严重污染阻塞的监控，超过事先调定值时，会发出灯光报警信号，及时提醒操作人员更换清洗滤器。主要由熔断器［3RD］、变压器［B］、插座［3C］、照明灯［1XD］、［2XD］、压差继电器［3J］、［4J］、信号灯［3XD］、［4XD］组成。压差继电器为常开触头。当滤器中的阻力大增时，装在滤清器中的压差继电器［3J］、［4J］则立即闭合，接通报警灯光电路，发出报警信号。

油、水压自控保护电路：该电路实际是监视孔底状况的监控电路，实现钻进过程的自控保护。它由四个延时压差触头常开的继电器［5J］、［6J］、［7J］、［8J］、双向闸刀开关［DK］、信号灯［5XD］、蜂鸣器［FE］、电磁铁［MF₂］、启动按钮［2QA］组成。上述电气元件构成一个或门电路，当进行正转钻进时，双向闸刀开关［DK］、按钮［2QA］在回转阀［10］的手把置于“A”位时，就会接通电路。如果在钻进中，油、水压因井孔中出现异常现象，有事故征兆时，通过自控阀消除虚假信号，促使压差继电器触头闭合，发出声光报警信号，同时电磁铁［MF₂］立即将升降阀［11］置于“B”位，及时将钻柱提高孔底，使之不致毁损。

测速电路：主要是测定钻机的转速，它由插座［4C］、测速发电机［F］、转速表［N］组成。测速发电机［F］由回转器［18］直接带动，以插座［4C］接于控制电路中。

图3为本新型控制的液压钻机主视图，在该图上标示了液压系统中执行零部件的位置，夹持器［17］、回转器［18］、卡瓦［18A］、变量马达［19］、油缸［20］、钻柱［30］。

图4为本实用新型空载起动时钻柱状态示意图，它表示夹持器［17］、回转器［18］、卡瓦［18A］、钻柱［30］相互间的位置。此时各操纵手把均置于“O”位，各执行元件均不动作，钻柱［30］由夹持器［17］进行夹紧。（其余各工作状态可根据手把的所在位置）其余工作状态，可根据作业需要，将手把置于不同的位置来实现。

本实用新型的工作叙述如下：各控制阀手把都置“O”位，按下启动按钮［QA］，钻机空载启动，如果无异常现象则可进行作业。

投放式制动下钻：将下钻控制阀［8］值于“A”位，其余各控制阀均处于“O”位，这时下钻控制阀［8］的油，电路都接通，高压油经单向节流阀［8B］、二位二通阀［8A］、管［3P］，进入夹持器［17］。由于这股油流很小，只能局部平衡夹持器［17］中弹簧的夹紧力，使钻柱能在自重下往井孔中进送，每送完一立根，又接上一根，变动回转手把，并拧紧钻杆，来回拨动手把一次，这样一根一根地进送。如果进送速度太快，出现跑钻，装于回转器［18］上的电子接近开关［1J］、［2J］立即切断电路，电磁铁［MF₁］失电，电磁控制阀［15］将油路接通存油返回油箱，夹持器［17］立即抱紧钻柱，防止钻柱跌落孔底而损坏钻头。如果投放式制动下钻无问题，则可进行正常钻进作业。将下钻控制阀的手把恢复到“O”位。双向闸刀开关［DK］转至钻进电路。

加压钻进：将回转阀［10］的手把推至“A”位，按钮［2QA］被触动，这时钻进作业的油电路都接通。高压油经管［6P］进入液压马达［19］的正转边并带动回转器［18］旋转，同时从管［6P］又分一股油流经单向阀［16］和管［13P］进入回转器［18］，并使回转器中的卡瓦［18A］抱紧钻柱，使钻柱一起旋转。从单向阀［16］出来的油流又分出一股油流进入单向节流阀［13］，由于这股油流阀经过节流阀的迟滞，使夹持器［17］的松开要比卡瓦［18A］的抱紧和转动晚几十毫秒，这样可防止跑钻，避免打坏钻头。

钻柱转动后，此时为空转，将升降阀的手把推至“A”位，高压油流经管［10P］、减压阀［24］进入油缸［20］的上腔，使钻柱［30］在油缸［20］的传动下实现加压钻进，油缸［20］下腔的油经单向背压阀［25］和管［9P］流回油箱，每钻完一个回次，全部手把恢复“O”位（即中位）。

提钻与卸管：根据作业需要，提取岩芯，提钻时，将升降阀［11］、卡夹阀［12］的手把推至“B”位，高压油流从管［9P］经单向背压阀［25］进入油缸［20］的下腔。由于卡夹阀［12］处于“B”位，管［9P］中又分出一股油流进入卡夹阀［12］，经管［12P］通过单向节流阀［13］进入回转器使［18］，使卡瓦［18A］抱紧钻柱。同时从管［12P］中又分出一股油流，经电磁控制阀［15］进入夹持器［17］使之松开。这时卡瓦［18A］抱紧，夹持器［17］松开，在油缸［20］的传动下，钻柱［30］被提升。每完成一个行程，将升降阀［11］的手把推至“A”位，卡夹阀［12］仍置“B”位不动，高压油经管［10P］进入油缸［20］的上腔。这时无高压油进入卡夹回路，故夹持器［17］夹紧，卡瓦［18A］松开，油缸［20］经传动机构将回转器［18］提升，实现空程倒杆。将升降阀［11］的手柄重复置于“A”、“B”位，钻柱不断地被提升。提完一立根，将升降阀［11］的手把恢复至“O”位，卡夹阀［12］仍置于“B”位，为拧管作准备。

拧卸钻杆：由于钻具的不断作业，钻杆扭得较紧，拧卸时需要较大扭矩。本实用新型充分考虑了这一点，因此在控制系统中设置了延时控制阀［14］。其拧卸钻杆的操作为：将回转阀［10］，卡夹阀［12］的手把置于“B”位，升降阀［11］置于“O”位，高压油流从回转阀［10］的出油管［5P］进入变量马达［19］的反转通道使之反转，此时又从管［5P］中分一股油流进入延时阀［14］，因阀腔内有存油，排油受到节流的阻止，而进入的高压油又很小，钻柱［30］被夹持器［17］夹紧，回转器［18］以较高速度空转，当延时阀［14］中的存油经2－4秒排完时，进入延时阀［14］的高压油突然大增，卡瓦［18A］瞬时抱紧钻柱，产生冲击，可将钻杆顺利地拧卸下来。卸完一根，重复上述操作，直至拧卸到需的长度为止。

下钻及拧接钻杆：其操作过程同提钻卸管相反，下钻时，回转阀［10］手把置于“O”位，升降阀［11］、卡夹阀［12］置于“A”，实现卡夹回路与油缸［20］的上腔联动，高压油经管［10P］进入油缸上腔，同时另一股油从管［10P］经卡夹阀［12］的阀芯进入卡夹回路，使夹持器［17］松开，卡瓦［18A］抱紧钻柱，钻柱［30］在油缸［20］的带动下，回转器［18］连同钻柱［30］共同往井中进送。油缸［20］的活塞行程约850毫米，送完一个行程，随即进行空程倒杆。这时，只需将升降阀［11］的手把置于“A”位，其余阀的手把不动，高压油经管［9P］和单向背压阀［25］进入油缸［20］的下腔，卡夹回路中的存油经管［7P］返回油箱［1］。由于卡夹回路中无油进入，卡瓦［18A］松开，夹持器［17］夹紧钻柱不动，回转器［18］空程倒杆。将升降阀［11］的手把反复推拉于“A”、“B”位间，钻柱［30］不断地将其送入井孔中。

拧接钻杆：每送完一立根，将升降阀［11］手把推至“O”位，回转阀［11］、卡夹阀［12］手把推至“A”位，高压油经管［6P］进入马达［19］使之正转，同时从管［6P］中分流一股油经单向阀［16］和管［13P］使卡瓦［18A］抱紧钻柱［30］。经单向阀［16］这股分油流还会流经单向节流阀［13］，因卡夹阀［12］处于“A”位，经过单向节流阀［13］的这股油流很小，而且又与回油管路相通，故该股油流返回油箱［1］，而无法使夹持器［17］松开，因此卡瓦［18A］与夹持器［17］同时抱住钻柱，回转器［18］正转，可以将钻杆拧接上。

以上系主要操作过程，其详细的操作步骤和方法，在此勿须叙述。本实用新型的控制系统采用集成油路，除回转阀［10］。下钻控制阀［8］外，其余控制元件均插装于油路板内，而上述两阀则用螺钉与油路板相接。主油路采用斜轴式变量泵［4］与斜轴式变量马达［19］匹配，因此调速范围宽。为减少油缸两端的冲击，在油缸两端设有节流缓冲装置。减压阀［24］和单向背压阀［25］除对油缸两端有一定缓冲作用外，主要用来调节钻进速度和不同孔深的背压。

本实用新形为保持油的清洁度，油箱［1］设计成封闭式，配备有吸油过滤器［2］，此滤器亦同时兼有加油滤器的功能。精滤器［6］，回油滤清器［6］、热交换器［5］的容量较大，为泵流量的2～5倍，这样可以保证足够的过滤能力和减少阻力。此外在密封结构和材质上都作了较全面的考虑，采用○形密封圈作弹性元件，并选用具有自润性低阻的聚四氟乙烯作滑环，故使系统工作可靠，泄漏量小。经实验，本适用新型在苛刻的工作条件下，控制灵敏可靠，操纵方便，可用于各种型号和系列的液压钻机。

Claims (6)

1、一种涉及液、电合一的控制系统。用于各种口径、各种深度和各种角度液压钻机的控制，包括液压控制和电气控制两大部分，主要由控制系统、执行系统、辅助系统和电气控制保护系统构成，其特征在于控制系统由各种位、路不同的多位阀，为控制元件，包括下钻控制阀[8]、回转阀[10]、升夹阀[11]、卡夹阀[12]、溢流阀[7]、电磁控制阀[15]、单向节流阀[13]、延时阀[14]、单向阀[16]、减压阀[24]、单向背压阀[25]、油压自控阀[26]、水压自控阀[27]和有关管路组成，执行系统由钻机本身的构件，包括夹持器[17]、回转器[18]、卡瓦[18A]、变量马达[19]、油缸[20]、变量泵[4]及有关连接管路组成，辅助系统由钻机的附属构件。包括吸油过滤器[2]、油箱[1]、出油过滤器[6]、热交换器[5]、电动机[29]、压力表[9]、泥浆过滤器[28]组成。电器控制保护系统由继电器[C]、[C_y]、[C_△]、热继电器[RJ]、延时继电器[SJ]、压差继电器[3J]、[4J]、[5J]、[6J]、[7J]、[8J]、电子接近开关[1J]、[2J]、启动按钮[QA]、[1QA]、[2QA]、停车按钮[TA]、电磁铁[MF₁]、[MF₂]、变压器[B]、测速发电机[F]、转速表[n]、插座[1C]、[2C]、[3C]、[4C]、信号等灯[XD]、双向闸刀开关[DK]、熔断器[RD]、闸刀开关[HK]所组成，各系统之间分别同管路和电路连接，构成一个液、电合一有机的控制系统。控制系统主要是控制钻进各工序，执行系统是执行控制系统的指令实现其指令动作。执行元件本身是钻机的一部分构件，辅助系统是钻机的附属构件，各控制阀设有“O”、“A”、“B”三个手把档位，下钻控制阀[8]只有“O”、“A”两挡位。

2、根据权利要求1所述的液压钻机控制系统，其特征在于下钻控制阀［8］进油端接主油管［1P］并与单向节流阀［8B］并接，出油端与管［2P］和压力表［9］并接，而［8B］又与二位二通阀［8A］串接，二位二通阀［8A］的上端与启动按钮［1QA］连接。同时用电路将电磁铁［MF₁］和电磁阀［15］连接，形成下钻控制与事故征兆保护回路，二位二通阀［8A］的右侧用管［3P］与夹持器［17］连接，将下钻控制阀［8］手把置于“A”位，可实现投放式制动试钻。

3、根据权利要求1所述的液压钻机控制系统，其特征在于回转阀［10］为三位六通阀，其操纵手把有“O”、“A”、“B”三个档位，阀的左侧与管［2P］、［4P］相接，阀的上端为操作手把，并与启动按钮［2QA］相接，阀的右侧中间通道与升降阀［11］相通，其余二通道，分别与管［6P］和管［5P］的一端连接，管［6P］另一端并接变量马达［19］的正转接口和单向阀［16］，通过单向阀［16］又与回转器［18］沟通。管［5P］的另一端并接变量马达［19］的反转接口与延时阀［14］的进油端，阀［14］的出油端又并接单向节流阀［13］，由于延时阀［14］的阻尼作用，夹持器［17］比回转器［18］转动滞后松开，可防止跑钻。

4、根据权利要求1所述的液压钻机控制系统，其特征在于升降阀［11］为三位六通阀，阀的左侧与回转阀［10］的中间通道及回油管［7P］相接，阀的上端为操纵手把的三个档位，下端与电磁铁［MF₂］相连，阀的右侧分别与管［8P］、［9P］、［10P］相接，管［10P］串接减压阀［24］后，另一端与油缸［20］的上腔相连通，管［9P］串接单向背压阀［25］后与油缸［20］′的下腔相连通，调节减压阀［24］压力大小可改变钻进速度。

5、根据权利要求1所述的液压钻机控制系统，其特征在于卡夹阀［12］为三位四通阀，阀的左侧与升降阀［11］左侧的回油管［7P］相通，阀的顶端为手把档位，阀的右侧接泄漏回油管［11P］和进出油管［12P］，管［12P］并接单向节流阀［13］和电磁控制阀［15］，该管贯通电磁阀［15］与夹持器［17］相通。

6、根据权利要求1所述的液压钻机控制系统，其特征在于液压自控阀［26］、水压自控阀［27］和启动按钮［2QA］、双向闸刀开关［DK］、压差继电器［5J］、［6J］、［7J］、［8J］、电磁铁［MF₂］信号灯［5XD］、蜂鸣器［FE］构成一个液、电全一的或门监控保护电路，如钻进作业中发生事故苗头时，经自控阀的阻尼筛选，滤去虚假信号，发出声光报警，并自动将钻柱［30］提离孔底。

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