CN2168952Y - 钻机自动给进仪 - Google Patents

Abstract

一种利用现代电子技术对传统的工程钻机实施 自动给进控制的钻机自动给进仪，具有测控结合功 能，属钻探工程辅助设备。通过钻压、电压和电流三 个传感器采集钻进压力及钻进扭矩的有关信息，根据 转盘电机的扭矩和电压、电流及转速之间的关系，经 过单片微型计算机处理后输出控制信号，使其具有钻 压限制下的自动给进控制、扭矩超限自动提升控制和 绘制钻进压力、钻进扭矩曲线功能，使得给进及时、平 稳，尤其适用于在胶结不匀的砾岩中的成孔。

Description

一种利用现代电子技术对传统的工程钻机实施自动给进控制的钻机自动给进仪，属钻探工程辅助设备，用于基桩工程、打井工程和地质钻探工程施工中对钻机给进时的自动控制。

工程钻机属机械施工设备，一般规模都比较庞大，由数吨到数十吨重不等，目前普遍采用人工操作控制钻机给进，经常由于给进不及时、不均匀或不稳定等原因发生机械事故或孔内事故，严重的还会损坏设备、贻误工期，致使工程成本提高；在一些特殊的复杂地层甚至无法正常钻进。以前曾有些部门为解决此问题进行过研究尝试，但均未能拿出定型产品，所以，目前本行业中仍采用传统的人工操作方法凭经验和感觉控制钻机给进。

本实用新型的目的在于提供一种利用电子技术实现对传统钻机进行自动给进控制的钻机自动给进仪，以取代传统的人工操作方法控制钻机给进。

本实用新型的基本构思是利用三个传感器分别采集钻机在钻进过程中产生的有关数据信息，然后对其进行计算判断处理，以达到对钻机给进进行自动控制的目的。其中，三个传感器分别为：（1）、钻压传感器，可采集钻具的重量和钻进的压力情况；（2）、电压传感器，采集转盘电机的工作电压情况；（3）、电流传感器，采集转盘电机工作电流情况。通过一个由单片机（单片微型计算机）控制的多路模拟转换开关选择来自上述三个传感器的信息，并进行A／D转换，经过单片机的分析处理后，输出报警讯号、自动给进控制讯号和扭矩超限控制讯号，以控制钻机的正常工作；同时单片机还配有打印机和显示器，随时监测和监控钻机的给进情况。为适应不同的工作环境要求，本实用新型通过几个外部控制装置预置单片机的初始工作状态。

根据转盘的转速可利用公式M＝ (1.68×I×V)/(N) 计算出转盘的扭矩（公式中的I＝It－Io，为转盘电机的工作电流增量，或称作瞬时电流It与空载电流Io之差；V为转盘电机的工作电压；N为转盘的转速。）。以上所述数据信息被采集后，经过微机处理，可分别控制钻机的自动给进、扭矩超限自动提升，并根据需要绘制出钻进压力和扭矩变化的曲线图。

经上述方案设计的钻机自动给进仪，克服了人工操作不及时、不均匀和不稳定的弊端，显著提高了钻进效率，降低了事故率。本实用新型在武汉长江二桥工程施工中，经过一年的试用表明，钻进事故率由原来的50％降到20％以下，钻进效率提高一倍以上，大大提高了武汉长江二桥工程的工作进度。在一些胶结不匀的砾岩地层也曾进行过对比试验，对钻进效率的提高和钻探事故率的降低是显著的。此外，也大大地减轻了野外施工操作人员的工作强度，增强了对井下工作状况的及时了解，便于现场分析及决策，为从理论上提高钻探工艺提供了数据资料。

下面结合附图对本实用新型的组成进行说明：

图1是本实用新型工作原理方框图，图中（1）为钻压传感器；（2）为电压传感器，（3）为电流传感器；（4）为钻压放大、调零、校准电路；（5）为电流放大、调零、校准电路；（6）为多路模拟开关；（7）为A／D转换电路；（8）为单片微型计算机电路部分，包括了接口电路、程序存储器和数据存储器；（9）为扭矩限定值选择拨盘；（10）为钻压限定值选择拨盘；（11）为间隔时间选择拨盘；（12）为给进时间选择拨盘；（13）为转盘转速输入拨盘；（14）为钢丝绳股数选择开关；（15）为复位、绘图、清零、补偿等外部指令按键；（16）为显示器；（17）为微型四色绘图打印机；（18）为执行电路，有三路输出，由上向下依次是报警输出讯号、自动给进控制讯号和扭矩超限控制讯号。钻压传感器（1）、电压传感器（2）、电流传感器（3）经多路转换开关（6）和A／D转换电路（7）与单片微型计算机电路部分（8）相连接，同时受其控制，单片微型计算机电路部分（8）的数据输出端分别与显示器（16）、微型四色绘图打印机（17）、执行电路（18）相连接，扭矩限定值选择拨盘（9）、钻压限定值选择拨盘（10）、间隔时间选择拨盘（11）、给进时间选择拨盘（12）、转盘转速输入拨盘（13）、钢丝绳股数选择开关（14）、复位、绘图、清零、补偿等外部指令按键（15）与单片微型计算机电路部分（8）的控制端相连接并选择预置其初始工作状态。

图2是本实用新型电路原理图，图中Rx和Ry为半导体应变片，为力敏感元件，组成钻压传感器的电路部分，满负荷电压输出可达360mV；R1、R2和C1起滤波作用；IC1、R3、R4、R5组成钻压讯号放大级，R5同时起到钻压校准的作用；W1为钻压讯号放大级调零电位器；R6、R7和C2起滤波作用；IC2、R8组成电流讯号放大级，W2起调零作用，可将转盘电机空载运行时的电流补偿至零，使输出给单片机的是转盘电机电流的增量；W3、R13用于对转盘电机的电流进行校准；IC3、R10和R11组成比较电路，它与BG9、J1等还组成负讯号作零处理电路，使转盘电机未运行时显示为零；BG1和R14组成电压跟随器，对自动给进讯号起电流放大作用，以减轻微机输出的负载；BG2及固态继电器J22组成自动给进讯号的功率输出电路，D5为自动给进指示灯。BG3和R16组成电压跟随器，对扭矩超限讯号起电流放大作用，BG4及固态继电器J23组成扭矩超限讯号的功率输出电路，D7为扭矩超限指示灯。BG10的接入使得扭矩超限控制对于自动给进控制来说具有优先权。BG5和R18组成电压跟随器，对提拉过载讯号起电流放大作用，BG6起功率放大作用，D6为提拉过载指示灯。BG7、R22、R23、R24、BG8和J2组成扭矩超限报警和提拉过载报警输出电路。

图3是本实用新型中采用的钻压传感器（1）的结构图，钻压传感器（1）外观呈近似圆柱体，本结构图以纵向剖面说明。图中（19）为拉杆；（20）为拉头；拉杆（19）和拉头（20）分别为钻压传感器（1）的两端，其一端与钻机机台上的一个固定物相连接，另一端与牵引钻杆的钢丝绳相连接；Rx和Ry为半导体应变片，与拉杆（19）固定为一体；（21）为套筒，起保护应变片Rx和Ry的作用，将应变片Rx和Ry包裹起来；（22）为电缆护套；（23）为电缆护套紧固螺钉；（24）为顶丝；（25）为套筒紧固螺钉，套筒紧固螺钉（25）将套筒（21）固定在拉杆（19）上；（26）为托盘；（27）为轴承；（28）为螺母，托盘（26）和轴承（27）套在拉杆（19）一端，螺母（28）在最外端以螺纹方式与拉杆（19）的一端相连接，压住轴承（27），而轴承（27）的另一侧与托盘（26）相接，托盘（26）以螺纹方式与拉头（20）相连接，并通过防止松动的顶丝（24）定位，使得拉杆（19）和拉头（20）可以相对转动，以排除掉钢丝绳扭力矩对应变片Rx和Ry的影响。（29）为橡胶密封圈，以防止不洁物污染应变片Rx和Ry，同时有减震和抗扭拉作用；（30）为电缆，将应变片Rx和Ry产生的应变信号送出。当钻压传感器的两端受到纵向的拉力时，应变片Rx和Ry将产生应变信号，通过电缆（30）传导至图1中钻压放大、调零、校准电路（4），经过运算和处理后，达到控制自动给进的目的。

作为本实用新型的具体实施例是将图1中各方框图除钻压传感器（1）外各部分安装在印刷线路及操作面板上，然后组装在一个合金铝制的标准机箱内，其中电源及放大电路部分、单片微型计算机部分和控制电路部分分别装在三块印刷线路板上，采用插接件安装方式。各主要元件和部件的规格型号见附表。

附表：

元  、  部  件  名  称	图  中  标  号	规  格  型  号	产地
				运算放大器	I c1,Ic2,Ic3	OPO7CP	美国
多路开关及转换电路	(6), (7)	0809	美国
				固态继电器	J22,J23	3806Z	北京
单片微型计算机	(8)	8031	美国
				接口电路	8155,8255	美国
程序存储器		2764	美国
				数据存储器	6264	美国
电压传感器		(2)	KV20A/P				北京
	电流传感器			(3)	KT200VT	北京
微型打印机		(17)	PP40				上海
	拉杆，螺母			(19), (28)	30CrMnSi机加工	自制
拉头，托盘		(20), (26)	40Cr机加工				自制
	套筒，电缆护套			(21), (22)	45#钢机加工	自制
轴承		(27)	8307				哈尔滨

Claims (4)

1、一种利用现代电子技术对传统的工程钻机实施自动给进控制的钻机自动给进仪，由钻压传感器(1)、电压传感器(2)、电流传感器(3)、钻压放大、调零、校准电路(4)、电流放大、调零、校准电路(5)、多路模拟开关(6)、A/D转换电路(7)、单片微型计算机电路部分(包括接口电路、程序存储器和数据存储器)(8)、扭矩限定值选择拨盘(9)、钻压限定值选择拨盘(10)、间隔时间选择拨盘(11)、给进时间选择拨盘(12)、转盘转速输入拨盘(13)、钢丝绳股数选择开关(14)、复位、绘图、清零、补偿等外部指令按键(15)、显示器(16)、微型四色绘图打印机(17)、执行电路(18)组成，其特征在于钻压传感器(1)、电压传感器(2)、电流传感器(3)经多路转换开关(6)和A/D转换电路(7)与单片微型计算机电路部分(8)相连接，同时受其控制，单片微型计算机电路部分(8)的数据输出端分别与显示器(16)、微型四色绘图打印机(17)、执行电路(18)相连接，扭矩限定值选择拨盘(9)、钻压限定值选择拨盘(10)、间隔时间选择拨盘(11)、给进时间选择拨盘(12)、转盘转速输入拨盘(13)、钢丝绳股数选择开关(14)、复位、绘图、清零、补偿等外部指令按键(15)与单片微型计算机电路部分(8)的控制端相连接并选择预置其初始工作状态。

2、按权利要求1所述的钻机自动给进仪，其特征在于钻压传感器（1）由拉杆（19）、拉头（20）、Rx和Ry半导体应变片、套筒（21）、电缆护套（22）、电缆护套紧固螺钉（23）、顶丝（24）、套筒紧固螺钉（25）、托盘（26）、轴承（27）、螺母（28）、橡胶密封圈（29）、电缆（30）组成，拉杆（19）和拉头（20）分别为钻压传感器（1）的两端，其一端与钻机机台上的一个固定物相连接，另一端与牵引钻杆的钢丝绳相连接，套筒紧固螺钉（25）将套筒（21）固定在拉杆（19）上。

3、按权利要求1或2所述的钻机自动给进仪，其特征在于半导体应变片Rx和Ry与拉杆（19）固定为一体，并被套筒（21）所包裹，另有橡胶密封圈（29）使其密封。

4、按权利要求1或2所述的钻机自动给进仪，其特征在于托盘（26）和轴承（27）套在拉杆（19）一端，螺母（28）在最外端以螺纹方式与拉杆（19）的一端相连接，压住轴承（27），而轴承（27）的另一侧与托盘（26）相接，托盘（26）以螺纹方式与拉头（20）相连接，并通过防止松动的顶丝（24）定位，使得拉杆（19）和拉头（20）可以相对转动，以排除钢丝绳扭力矩对应变片Rx和Ry的影响。

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