CN205714156U - 一种根据地层自动控制钻进的旋挖钻机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种根据地层自动控制钻进的旋挖钻机控制系统，所述旋挖钻机控制系统包括钻具，带动所述钻具钻进的钻杆,拉动所述钻杆上下动作的主卷扬钢丝绳，与所述主卷扬钢丝绳连接的主卷扬，与所述主卷扬连接的主卷扬马达，与所述主卷扬马达连接的主卷扬比例电磁阀，驱动所述钻杆旋转动作的动力头，与所述动力头连接的动力头液压马达。与所述液压马达连接的动力头电液比例阀，与所述动力头连接的加压油缸，与所述加压油缸连接的加压电液比例阀；与所述主卷扬钢丝绳连接的主卷扬拉力传感器，用于获取所述钢丝绳所受的拉力；与所述主卷扬钢丝绳连接的测深传感器，用于测量所述钢丝绳下放的长度与速度，获取钻孔的速度、深度与钻具的位置。

Description

一种根据地层自动控制钻进的旋挖钻机控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种控制系统，尤其是涉及一种根据地层自动控制钻进的旋挖钻机控制系统，属于工程机械技术领域。

背景技术

旋挖钻机是一种多用途的建筑基础桩施工设备，可以在各种地层下进行施工，不同的地层对旋挖钻机钻进工法的要求不同。我国幅员辽阔，地层各异，且在同一位置不同深度的地层也不同；旋挖钻机施工主要以人工建立为主。因地下施工，在钻进时需要依靠建立机手实时的观察钻进速度、感知先导手柄压力的变化来调整加压压力、动力头扭矩来改变钻进方法；建立机手的经验积累成为一个安全高效施工十分重要的因素。近几年来随着施工经验的不断积累和总结，有关部门和企业在此基础上形成了系统的施工工法文件，用以指导现场施工，施工工法的规范和应用很大程度上为旋挖钻机的应用起到了推广作用，但施工工法是需要学习、掌握并熟练应用才能有效果的，国外市场也有相关的旋挖钻机，但是这些结构大都比较复杂，成本较高，一旦出现问题，维修成本较高，因此迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型正是针对现有技术设计中存在的问题，提供了一种根据地层自动控制钻进的旋挖钻机控制系统，该技术方案把旋挖钻机钻进建立的部分施工方法通过软硬件的方式固化到设备的电液控制系统中，让一个新的旋挖钻机建立机手能通过简单的建立就能很好的应用成熟的施工工法钻进施工，降低了工作难度，提高了工作效率。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下，一种根据地层自动控制钻进的旋挖钻机控制系统，其特征在于，所述旋挖钻机控制系统包括钻具，带动所述钻具钻进的钻杆,拉动所述钻杆上下动作的主卷扬钢丝绳，与所述主卷扬钢丝绳连接的主卷扬，与所述主卷扬连接的主卷扬马达，与所述主卷扬马达连接的主卷扬比例电磁阀，驱动所述钻杆旋转动作的动力头，与所述动力头连接的动力头液压马达，与所述液压马达连接的动力头电液比例阀，与所述动力头连接的加压油缸，与所述加压油缸连接的加压电液比例阀；与所述主卷扬钢丝绳连接的主卷扬拉力传感器，用于获取所述钢丝绳所受的拉力；与所述主卷扬钢丝绳连接的测深传感器，用于测量所述钢丝绳下放的长度与速度，获取钻孔的速度、深度与钻具的位置；与所述动力头连接的动力头扭矩传感器，用于测量所述动力头马达的动作压力，通过计算获取所述动力头的扭矩变化数据；与所述加压油缸连接的加压压力传感器，用于测量所述加压油缸的压力变化，获取所述加压油缸对所述动力头的加压力变化数据，与所述主卷扬拉力传感器、测深传感器、动力头扭矩传感器、加压压力传感器连接的控制器（CPU）通过收集和分析所述拉力传感器、测深传感器、动力头扭矩传感器、加压压力传感器的数据并结合数据库分析再驱动所述主卷扬比例电磁阀、动力头比例电磁阀和加压比例电磁阀动作，实现旋挖钻机根据地层自动控制钻进功能。所述主卷扬驱动所述主卷扬钢丝绳下放所述钻杆和钻具到孔底部，启动自动钻进，主卷扬浮动，在标准加压力和标准扭矩下旋挖钻机开始钻进工作。

所述动力头扭矩传感器监测动力头马达进口压力的变化，并将所述压力变化传递强所述控制器（CPU），以使所述控制器（CPU）根据所述动力头马达进口压力变化计算出动力头扭矩变化，根据所述扭矩变化做为判断所述钻具钻进的地层的依据之一。

所述测深传感器监测所述主卷扬钢丝绳的下放速度，即所述钻具的钻进速度。并将所述钻进速度传递到所述控制器（CPU），以使所述控制器（CPU）根据所述钻进速度做为钻具钻进的地层的判断依据之一。

所述加压压力传感器监测所述加压油缸加压力的变化，并将所述加压力的变化传递到所述控制器（CPU），以使所述控制器（CPU）根据所述加压压力变化做为钻具钻进的地层的判读依据之一。

所述钻具钻进时，根据所述动力头扭矩变化、钻具钻进速度、加压压力变化及系统内部集成的监测数据库，即可判断出所述钻具现时钻进的地层信息。

作为本实用新型的一种改进，所述控制器（CPU）包括CPU信号采集单元、CPU逻辑控制单元、CPU通讯控制单元以及CPU比例阀驱动单元；所述CPU信号采集单元收集加压压力传感器、主卷扬拉力传感器、动力头扭矩传感器以及测深传感器的相关数据，CPU逻辑控制单元计算出实际钻进的地层，CPU通讯控制单元将信息反馈执显示界面，CPU逻辑控制单元检索施工数据库，找调用施工方案，通过CPU比例阀驱动单元控制加压油缸、动力头马达以及主卷扬马达动作。

根据地层自动控制钻进的旋挖钻机控制系统的建立方法，所述方法包括以下步骤：

1）建立施工数据库。针对淤泥地层、人工填土层、黏土地层、砂土层、碎、卵石地层、泥岩地层、砾岩、砂岩地层、石灰岩地层、硬质岩地层等，旋挖钻机最有效的施工方法，分别整理并建立数据库，主要有两个方面的内容，第一是监测数据库（建立过程如图2所示），钻机如何自动测量是在那种地层施工，第二是施工数据库（建立过程如图3所示），针对各种地层的施工方案（施工方案来源于大量的实验和经验总结）；

2） 植入数据库到旋挖钻机的控制系统中；

3） 施工过程中实时监测的动力头扭矩、加压压力的变化数据输入监测数据库，并结合地质报告自动判断正在钻进的是何种地层；

4）实时监测出的地层信息输入施工数据库；

5）施工数据库调用相应的施工方案驱动动力头，加压油缸及主卷动作达到最佳钻进效果；

6）整机各项施工数据存储到中央控制部分，以备数据分析和系统改进。

作为本实用新型的一种改进，所述步骤1）中的具体步骤如下，11）监控数据库的建立过程，

（111）收集地层特征，形成各地层特征子集，

（112）修建实验场，直径5M，从地表向下5至10M的圆柱形，每种地层一个，建成单一地层实验场地,如淤泥地层实验场、人工填土层实验场、黏土地层实验场、砂土层实验场、碎、卵石地层实验场、泥岩地层实验场、砾岩实验场、砂岩地层实验场、石灰岩地层实验场、硬质岩地层实验场等;

（1113）收集实验数据，旋挖钻分别在单一地层实验场地施工，在100KN的标准加压力和220KN.m的标准扭矩下：通过所述测深传感器，获取钻孔的速度数据ΔV；通过所述动力头扭矩传感器，获得所述动力头的扭矩变化数据ΔP；通过所述加压压力传感器，获取所述加压油缸对所述动力头的加压力变化数据ΔN，通过数据采集模块，进入所述控制器的信号采集单元，形成变化曲线存储到相对应地层的子数据库;

（1114）各地层特征子集与各种地层的子数据库组合成监控数据库；

12）施工数据库的建立过程，

（121）修建实验场，直径5M，从地表向下5至10M的圆柱形，每种地层一个，建成单一地层实验场地，如淤泥地层实验场、人工填土层实验场、黏土地层实验场、砂土层实验场、碎、卵石地层实验场、泥岩地层实验场、砾岩实验场、砂岩地层实验场、石灰岩地层实验场、硬质岩地层实验场等；

（122）旋挖钻分别在单一地层实验场地施工，结合施工工法，通过控制器手动调节三个比例电磁阀的驱动电流数据即与所述主卷扬马达连接的主卷扬比例电磁阀，与所述液压马达连接的动力头电液比例阀，与所述加压油缸连接的加压电液比例阀；使钻进速度和钻孔质量最佳，收集此时的驱动电流数据，通过数据采集模块，进入所述控制器的逻辑控制单元B，形成对应地层的驱动方案，存储到相对应地层的钻进模式子数据库，

（123）各种地层的钻进模式子数据库组成施工数据库。

根据地层自动控制钻进的旋挖钻机控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法如下，

1）旋挖钻机做好施工准备；

2）主卷扬上升和下降的电液比例阀驱动主卷扬下放钻杆钻头，当主卷扬钢丝绳吊重的拉力传感器测量的拉力小于2吨时停止下放，钻头触底；

3）显示界面上启动自动钻进功能；

4）系统自动输入:100KN的标准加压力和220KN.m的标准扭矩，并驱动加压比例电磁阀和动力头比例电磁阀开始钻进；

钻进过程中实时监测加压压力和动力头扭矩，并结合临监测数据库中的数据传输给CPU逻辑控制单元计算出当前施工的钻具现时实际钻进地层；

5）CPU逻辑控制单元检索施工数据库中的施工方案，如图3所示，根所当前施工的钻具现时实际钻进地层，选择钻进模式，并调用相对应的施工方案；在CPU逻辑控制单元分析计算过程中，实时的把结果通过CPU通讯控制单元传输给显示界面实时显示；

6）CPU比例阀驱动单元根据CPU逻辑控制单元提供的最适合当前地层的施工方案，驱动加压油缸、动力头马达和主卷扬马达工作实现施工方案；

7）在整个自动钻进过程中，因施工地层复杂多变，控制系统需要实时的监测传感器的数据变化，判断钻具从一种地层到另一种地层，地层变化控制系统自动转换相应的施工方案。例如从人工填土层钻进到淤泥层，如图3所示需要控制系统自动从人工填土层工作模式转换到淤泥层工作模式，相应的施工方案也转换。整个自动钻进施工中，循环执行以上过程；

8）当测深传感器反馈的深度达到钻孔要求时，或者人工手动停止时，自动钻进停止工作。

相对于现有技术，本实用新型的优点如下：1）整体结构设计新颖、简单、可靠；2）该技术方案实现了旋挖钻进过程中的自动控制，应用到旋挖钻机施工中有以下几个方面的效果提升： 旋挖钻进过程，自动控制代替人工建立，降低人员的劳动强度、提高反应速度和施工准确性；旋挖施工工法通过数据库应用到施工中，提高了旋挖钻机的成孔质量；建立人员的施工经验固化到施工数据库中，提高了施工效率；减少了旋挖钻机建立机手的培训和实习要求，减少浪费降低成本；3）该技术方案中将旋挖钻机的工作装置部分通过控制单元整合成一个整体，通过传感器感应动力头扭矩、钻进速度和加压压力的变化来实时调整钻进方案，对旋挖钻机钻进施工进行自动采用最优的控制。达到高效节能的目的。

附图说明

图1是旋挖钻机结构示意图；

图2是监测数据库结构示意图；

图3是施工数据库结构示意图；

图4是系统原理工作图；

图5是局部原理示意图。

图中：1、动力头液压马达，2、钻杆，3、主卷扬钢丝绳，4、主卷杨，5、主卷扬马达，6、动力头，7、动力头液压马达，8、加压油缸。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解和认识，下面结合附图对本实用新型作进一步描述和介绍。

实施例1：

参见图1、图4、图5，一种根据地层自动控制钻进的旋挖钻机控制系统，所述旋挖钻机控制系统包括钻具，带动所述钻具钻进的钻杆2,拉动所述钻杆2上下动作的主卷扬钢丝绳3，与所述主卷扬钢丝绳连接的主卷扬4，与所述主卷扬连接的主卷扬马达5，与所述主卷扬马达5连接的主卷扬比例电磁阀，驱动所述钻杆旋转动作的动力头6，与所述动力头连接的动力头液压马达7。与所述液压马达连接的动力头电液比例阀，与所述动力头连接的加压油缸8，与所述加压油缸连接的加压电液比例阀；与所述主卷扬钢丝绳连接的主卷扬拉力传感器，用于获取所述钢丝绳所受的拉力；与所述主卷扬钢丝绳连接的测深传感器，用于测量所述钢丝绳下放的长度与速度，获取钻孔的速度、深度与钻具的位置；与所述动力头连接的动力头扭矩传感器，用于测量所述动力头马达的动作压力，通过计算获取所述动力头的扭矩变化数据；与所述加压油缸连接的加压压力传感器，用于测量所述加压油缸的压力变化，获取所述加压油缸对所述动力头的加压力变化数据，与所述主卷扬拉力传感器、测深传感器、动力头扭矩传感器、加压压力传感器连接的控制器（CPU）通过收集和分析所述拉力传感器、测深传感器、动力头扭矩传感器、加压压力传感器的数据并结合数据库分析再驱动所述主卷扬比例电磁阀、动力头比例电磁阀和加压比例电磁阀动作，实现旋挖钻机根据地层自动控制钻进功能。

其所述控制器包括：信号采集单元、逻辑控制单元A、逻辑控制单元B、通讯控制单元以及比例阀驱动单元五个部分。其中，所述信号采集单元，用于收集加压压力传感器、主卷扬拉力传感器、动力头扭矩传感器以及测深传感器的相关数据；所述逻辑控制单元A，用于对比分析判断钻具现时实际钻进地层；所述通讯控制单元，用于将信息发送到显示界面；所述逻辑控制单元B，用于检索施工数据库，调用施工方案，通过所述比例阀驱动单元，控制加压油缸、动力头马达以及主卷扬马达动作。该技术方案中，所述主卷扬驱动所述主卷扬钢丝绳下放所述钻杆和钻具到孔底部，启动自动钻进，主卷扬浮动，在标准加压力和标准扭矩下旋挖钻机开始钻进工作；所述动力头扭矩传感器监测动力头马达进口压力的变化，并将所述压力变化传递强所述控制单元，以使所述控制单元根据所述动力头马达进口压力变化计算出动力头扭矩变化，根据所述扭矩变化做为判断所述钻具钻进的地层的依据之一；所述测深传感器监测所述主卷扬钢丝绳的下放速度，即所述钻具的钻进速度。并将所述钻进速度传递到所述控制单元，以使所述控制单元根据所述钻进速度做为钻具钻进的地层的判断依据之一；所述加压压力传感器监测所述加压油缸加压力的变化，并将所述加压力的变化传递到所述控制单元，以使所述控制单元根据所述加压压力变化做为钻具钻进的地层的判读依据之一；所述钻具钻进时，根据所述动力头扭矩变化、钻具钻进速度、加压压力变化及系统内部集成的监测数据库，即可判断出所述钻具现时钻进的地层信息。

根据地层自动控制钻进的旋挖钻机控制系统的建立方法，所述方法包括以下步骤：

1）建立施工数据库。针对淤泥地层、人工填土层、黏土地层、砂土层、碎、卵石地层、泥岩地层、砾岩、砂岩地层、石灰岩地层、硬质岩地层等，旋挖钻机最有效的施工方法，分别整理并建立数据库，主要有两个方面的内容，第一是监测数据库（建立过程如图2所示），钻机如何自动测量是在那种地层施工，第二是施工数据库（建立过程如图3所示），针对各种地层的施工方案（施工方案来源于大量的实验和经验总结）；

所述步骤1）中的具体步骤如下，11）监控数据库的建立过程，如图2所示：

（111）收集地层特征，形成各地层特征子集，

（112）修建实验场，直径5M，从地表向下5至10M的圆柱形，每种地层一个，建成单一地层实验场地,如淤泥地层实验场、人工填土层实验场、黏土地层实验场、砂土层实验场、碎、卵石地层实验场、泥岩地层实验场、砾岩实验场、砂岩地层实验场、石灰岩地层实验场、硬质岩地层实验场等;

（1113）收集实验数据，旋挖钻分别在单一地层实验场地施工，在100KN的标准加压力和220KN.m的标准扭矩下：通过所述测深传感器，获取钻孔的速度数据ΔV；通过所述动力头扭矩传感器，获得所述动力头的扭矩变化数据ΔP；通过所述加压压力传感器，获取所述加压油缸对所述动力头的加压力变化数据ΔN，通过数据采集模块，进入所述控制器的信号采集单元，形成变化曲线存储到相对应地层的子数据库；

（1114）各地层特征子集与各种地层的子数据库组合成监控数据库；

12）施工数据库的建立过程如图3所示：

（121）修建实验场，直径5M，从地表向下5至10M的圆柱形，每种地层一个，建成单一地层实验场地，如淤泥地层实验场、人工填土层实验场、黏土地层实验场、砂土层实验场、碎、卵石地层实验场、泥岩地层实验场、砾岩实验场、砂岩地层实验场、石灰岩地层实验场、硬质岩地层实验场等；

（122）旋挖钻分别在单一地层实验场地施工，结合施工工法，通过控制器手动调节三个比例电磁阀的驱动电流数据即与所述主卷扬马达连接的主卷扬比例电磁阀，与所述液压马达连接的动力头电液比例阀，与所述加压油缸连接的加压电液比例阀；使钻进速度和钻孔质量最佳，收集此时的驱动电流数据，通过数据采集模块，进入所述控制器的逻辑控制单元B，形成对应地层的驱动方案，存储到相对应地层的钻进模式子数据库，

（123）各种地层的钻进模式子数据库组成施工数据库。

2） 植入数据库到旋挖钻机的控制系统中；

3） 施工过程中实时监测的动力头扭矩、加压压力的变化数据输入监测数据库，并结合地质报告自动判断正在钻进的是何种地层；

4）实时监测出的地层信息输入施工数据库；

5）施工数据库调用相应的施工方案驱动动力头，加压油缸及主卷动作达到最佳钻进效果；

6）整机各项施工数据存储到中央控制部分，以备数据分析和系统改进。

根据地层自动控制钻进的旋挖钻机控制系统的控制方法，所述控制方法如下，

1）旋挖钻机做好施工准备；

2）主卷扬上升和下降的电液比例阀驱动主卷扬下放钻杆钻头，当主卷扬钢丝绳吊重的拉力传感器测量的拉力小于2吨时停止下放，钻头触底；

3）显示界面上启动自动钻进功能；

4）系统自动输入:100KN的标准加压力和220KN.m的标准扭矩，并驱动加压比例电磁阀和动力头比例电磁阀开始钻进；

钻进过程中实时监测加压压力和动力头扭矩，并结合临监测数据库中的数据传输给CPU逻辑控制单元计算出当前施工的钻具现时实际钻进地层；

5）CPU逻辑控制单元检索施工数据库中的施工方案，如图3所示，根所当前施工的钻具现时实际钻进地层，选择钻进模式，并调用相对应的施工方案；在CPU逻辑控制单元分析计算过程中，实时的把结果通过CPU通讯控制单元传输给显示界面实时显示；

6）CPU比例阀驱动单元根据CPU逻辑控制单元提供的最适合当前地层的施工方案，驱动加压油缸、动力头马达和主卷扬马达工作实现施工方案；

7）在整个自动钻进过程中，因施工地层复杂多变，控制系统需要实时的监测传感器的数据变化，判断钻具从一种地层到另一种地层，地层变化控制系统自动转换相应的施工方案。例如从人工填土层钻进到淤泥层，如图3所示需要控制系统自动从人工填土层工作模式转换到淤泥层工作模式，相应的施工方案也转换。整个自动钻进施工中，循环执行以上过程。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本实用新型的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本实用新型权利要求所保护的范围。

Claims (2)

1.一种根据地层自动控制钻进的旋挖钻机控制系统，其特征在于，所述旋挖钻机控制系统包括钻具，带动所述钻具钻进的钻杆,拉动所述钻杆上下动作的主卷扬钢丝绳，与所述主卷扬钢丝绳连接的主卷扬，与所述主卷扬连接的主卷扬马达，与所述主卷扬马达连接的主卷扬比例电磁阀，驱动所述钻杆旋转动作的动力头，与所述动力头连接的动力头液压马达,与所述液压马达连接的动力头电液比例阀，与所述动力头连接的加压油缸，与所述加压油缸连接的加压电液比例阀；与所述主卷扬钢丝绳连接的主卷扬拉力传感器，用于获取所述钢丝绳所受的拉力；与所述主卷扬钢丝绳连接的测深传感器，用于测量所述钢丝绳下放的长度与速度，获取钻孔的速度、深度与钻具的位置；与所述动力头连接的动力头扭矩传感器，用于测量所述动力头马达的动作压力，通过计算获取所述动力头的扭矩变化数据；与所述加压油缸连接的加压压力传感器，用于测量所述加压油缸的压力变化，获取所述加压油缸对所述动力头的加压力变化数据，与所述主卷扬拉力传感器、测深传感器、动力头扭矩传感器、加压压力传感器连接的控制器通过收集和分析所述拉力传感器、测深传感器、动力头扭矩传感器、加压压力传感器的数据并结合数据库分析再驱动所述主卷扬比例电磁阀、动力头比例电磁阀和加压比例电磁阀动作，实现旋挖钻机根据地层自动控制钻进功能。

2.根据权利要求1所述的根据地层自动控制钻进的旋挖钻机控制系统，其所述控制器包括：信号采集单元、逻辑控制单元A、逻辑控制单元B、通讯控制单元以及比例阀驱动单元五个部分,其中，所述信号采集单元，用于收集加压压力传感器、主卷扬拉力传感器、动力头扭矩传感器以及测深传感器的相关数据；所述逻辑控制单元A，用于对比分析判断钻具现时实际钻进地层；所述通讯控制单元，用于将信息发送到显示界面；所述逻辑控制单元B，用于检索施工数据库，调用施工方案，通过所述比例阀驱动单元，控制加压油缸、动力头马达以及主卷扬马达动作。