CN113879995A - 一种主卷扬变载荷下放控制方法及旋挖钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主卷扬变载荷下放控制方法及旋挖钻机，在主卷扬（5）下放过程中，在钻杆（6）每节内节伸出之前改变加载单元（8）的加载电流，通过提前改变加载电流，以平滑过渡的方式控制加载单元（8）所施加至分动箱（2）的扭矩，以平衡阶梯变化的负负载，使下放过程更加平稳。本发明用于解决旋挖钻机主卷下放时因钻杆重量阶梯变化引起的下放稳定性欠佳和速度波动大的问题，同时在钻杆重量较大时，所述加载单元用于给分动箱施加一定的扭矩，阻止发动机被反拖超速。

Description

一种主卷扬变载荷下放控制方法及旋挖钻机

技术领域

本发明涉及一种主卷扬变载荷下放控制方法及旋挖钻机，属于工程机械技术领域。

背景技术

旋挖钻机是一种用于成孔作业的桩工机械，利用主卷扬马达驱动减速机及卷筒旋转，实现钻杆的提升下放。在利用闭式泵和马达组成的卷扬容积调速***中，主卷扬马达空载转动时，闭式泵驱动马达旋转。但是，主卷扬钢丝绳悬挂重物时，下放过程中马达会出现负负载，此时马达转换为泵工况，闭式泵转换为马达工况，反向拖动动力源，当负负载达到一定程度时，动力源会被反拖超速，需采取一定的措施防止超速的发生。

对于旋挖钻机而言，钻杆为伸缩式的多节杆结构，其重量为每节杆重量之和：G1+G2 +…+Gn。随着主卷扬的下放，外节杆阶段性地落在动力头上被动力头托住，主卷扬的负负载大小呈阶梯变化的状态，依次为：G1+G2 +…+Gn、G1+G2 +…+Gn-1、…、G1。为防止这种阶梯性变化的、突变的负负载对闭式卷扬***带来下放不稳定的问题，需采取合适的控制方法。现有技术中，CN102515049B仅提出在内节钻杆即将伸出时要减小主卷扬下放速度，并未提出切实有效的减小主卷扬下放速度的方法；专利CN202415060U采用控制主阀开口大小，进而控制主卷扬马达转速的方式来解决此问题。但以上现有技术都是在开式主卷扬液压***的基础上实现的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种主卷扬变载荷下放控制方法及旋挖钻机，用于解决旋挖钻机主卷下放时因钻杆重量阶梯变化引起的下放稳定性欠佳和速度波动大的问题。

为达到上述目的，本发明提供一种主卷扬变载荷下放控制方法，包括：

在主卷扬下放过程中，根据钻杆的当前重量，在钻杆每节内节伸出之前加载单元的加载电流进行相应的改变，加载单元给分动箱施加相应的扭矩，阻止发动机被反拖超速。

优先地，在钻杆内节伸出下放之前提前Δt ms改变加载单元的加载电流，加载单元给分动箱施加相应的扭矩。

优先地，控制器发送下放指令至闭式泵，闭式泵改变至指定的排量从而执行下放动作；

根据采集的称重传感器信号，控制器获得钻杆的当前重量；

根据采集的测深传感器信号和动力头位置信号，控制器判断发动机是否出现反拖超速，若发动机实际转速大于目标油门转速则发动机出现反拖超速，否则发动机没有出现反拖超速；

当发动机出现反拖超速时，控制器发送预先设定的与钻杆当前重量相匹配的加载电流值至加载单元，加载单元给分动箱施加相应的扭矩，用于逐渐减弱直至阻止发动机反拖超速。

一种旋挖钻机，用于执行上述所述的控制方法，包括发动机、分动箱、闭式泵、主卷扬马达、主卷扬、钻杆、动力头、加载单元、称重传感器、测深传感器、绳索和吊轮，发动机与分动箱连接，闭式泵与分动箱第一输出轴连接，主卷扬马达油口与闭式泵油口连通，主卷扬与主卷扬马达联动，主卷扬上缠绕绳索，绳索绕过吊轮固定连接钻杆，吊轮固定设置在钻杆上方，动力头安装在钻杆上，分动箱第二输出轴连接加载单元，称重传感器和测深传感器均安装在吊轮上。

优先地，加载单元包括电控变量泵、液控换向阀一、溢流阀和先导电磁阀，电控变量泵与分动箱第二输出轴连接，电控变量泵的A口连通液控换向阀一的P口，液控换向阀一的T口连接油箱，液控换向阀一的A口连接溢流阀的A口，液控换向阀一的a口连接先导电磁阀的J口，溢流阀的T口连接油箱，先导电磁阀的M口连接油箱。

优先地，液控换向阀一为三位四通液控阀，先导电磁阀为二位三通电磁阀。

优先地，加载单元包括油泵、液控换向阀二、电比例溢流阀和先导电磁阀，

油泵输出轴与分动箱第二输出轴连接，油泵A口连通液控换向阀二的P口，液控换向阀二的T口连通油箱，液控换向阀二的A口连接电比例溢流阀的A口，液控换向阀二的a口连通先导电磁阀的J口，先导电磁阀的M口连接油箱，电比例溢流阀的T口连接油箱。

优先地，液控换向阀二为三位四通液控阀，先导电磁阀为二位三通电磁阀。

本发明所达到的有益效果：

本发明在钻杆内节伸出下放之前改变加载单元的加载电流，通过提前改变加载电流，以平滑过渡的方式控制加载单元所施加至分动箱的扭矩，以平衡阶梯变化的突变的负负载，使下放过程更加平稳；在钻杆重量较大时，所述加载单元用于给分动箱施加一定的扭矩，阻止发动机被反拖超速。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明主卷扬下放至另一阶段的示意图；

图3是本发明实施例一中加载单元的示意图；

图4是本发明实施例二中加载单元的示意图；

图5是本发明主卷扬载荷变化的示意图；

图6是本发明控制逻辑的流程图；

图中：1、发动机，2、分动箱，3、闭式泵，4、主卷扬马达，5、主卷扬，6、钻杆，7、动力头，8、加载单元，9、称重传感器，10、测深传感器，11、控制器，3-1、电控变量泵，3-2、液控换向阀一，3-3、溢流阀，3-4、先导电磁阀，4-1、油泵，4-2、液控换向阀二，4-3、电比例溢流阀，4-4、先导电磁阀。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一

一种主卷扬变载荷下放控制方法，包括：

在主卷扬下放过程中，根据钻杆的当前重量，在钻杆每节内节伸出之前加载单元的加载电流进行相应的改变，加载单元给分动箱施加相应的扭矩，阻止发动机被反拖超速。

优先地，在钻杆内节伸出下放之前提前Δt ms改变加载单元的加载电流，加载单元给分动箱施加相应的扭矩。

优先地，控制器发送下放指令至闭式泵，闭式泵改变至指定的排量从而执行下放动作；

根据采集的称重传感器信号，控制器获得钻杆的当前重量；

根据采集的测深传感器信号和动力头位置信号，控制器判断发动机是否出现反拖超速，若发动机实际转速大于目标油门转速则发动机出现反拖超速，否则发动机没有出现反拖超速；

当发动机出现反拖超速时，控制器发送预先设定的与钻杆当前重量相匹配的加载电流值至加载单元，加载单元给分动箱施加相应的扭矩，用于逐渐减弱直至阻止发动机反拖超速。

一种旋挖钻机，用于执行上述所述的控制方法，包括发动机1、分动箱2、闭式泵3、主卷扬马达4、主卷扬5、钻杆6、动力头7、加载单元8、称重传感器9、测深传感器10、绳索和吊轮，发动机1与分动箱2连接，闭式泵3与分动箱2第一输出轴连接，主卷扬马达4油口与闭式泵3油口连通，主卷扬5与主卷扬马达4联动，主卷扬5上缠绕绳索，绳索绕过吊轮固定连接钻杆6，吊轮固定设置在钻杆6上方，动力头7安装在钻杆6上，分动箱2第二输出轴连接加载单元8，称重传感器9和测深传感器10均安装在吊轮上。

进一步地，本实施例中加载单元8包括电控变量泵3-1、液控换向阀一3-2、溢流阀3-3和先导电磁阀3-4，电控变量泵3-1与分动箱2第二输出轴连接，电控变量泵3-1的A口连通液控换向阀一3-2的P口，液控换向阀一3-2的T口连接油箱，液控换向阀一3-2的A口连接溢流阀3-3的A口，液控换向阀一3-2的a口连接先导电磁阀3-4的J口，溢流阀3-3的T口连接油箱，先导电磁阀3-4的M口连接油箱。

进一步地，本实施例中液控换向阀一3-2为三位四通液控阀，先导电磁阀3-4为二位三通电磁阀。

本发明中包括以下硬件：

称重传感器9，用于实时检测主卷扬5钢丝绳所悬挂的钻杆6实际重量；

测深传感器10，用于实时检测钻杆6下放的实际深度和速度；

动力头位置检测装置12，用于实时检测动力头7的实际位置；

控制器11，用于实时接收称重传感器9信号、测深传感器10信号、发动机1的CAN总线信号，同时向闭式泵3发送主卷扬下放指令、向加载单元8发送加载指令。

开式泵，与分动箱第二输出轴连接，用于为分动箱施加扭矩，以平衡钻杆重量；

溢流阀，连接在开式泵的输出管路中，用于为开式泵提供压力。

在主卷扬5下放过程中，主卷扬马达4转换为泵工况，闭式泵3转换为马达工况，从而将钻杆6下放的能量传递至分动箱2，进而反拖发动机1旋转；

在钻杆6重量较大时，所述加载单元8用于给分动箱2施加一定的扭矩，阻止发动机1被反拖超速；

当钻杆6外节落在动力头7上，钻杆内节伸出继续下放时，会导致重量阶梯变化，通过改变加载单元8所施加至分动箱2的扭矩大小，以平衡不同的重量；

测深传感器10检测到钻杆6外节落在动力头7上时，提前100ms改变加载单元8的加载值，避免由于钻杆内节伸出继续下放导致重量突变而引起的下放速度不稳。

所述方法还包括以下步骤：

步骤一，所述控制器11发送下放指令至闭式泵3，闭式泵3按照指令改变至控制器11指定的排量从而执行下放动作；

步骤二，所述控制器11根据接收到的称重传感器9的信号、测深传感器10的信号和动力头位置检测装置12的信号，获得钻杆6的当前重量。当钻杆深度H、动力头离地高度h和每节钻杆6的长度L满足0＜H+h≤L时，当前钻杆重量为G1+G2 +…+Gn，n为钻杆的总节数；当L＜H+h≤2L时，当前钻杆重量为G1+G2 +…+Gn-1，…，以此类推直至钻杆内节全部伸出。当H+h接近任意阶段的最大上限值时，表示钻杆6的某节即将伸出；

步骤三，发动机CAN总线发送过来发动机实际转速，所述控制器11比较目标转速和发动机实际转速二者的大小从而判断发动机是否出现反拖超速；若发动机实际转速大于目标转速则为发动机超速，否则发动机不超速；

步骤四，当发动机出现反拖超速时，所述控制器11实时调节加载单元8的加载电流，从而调节分动箱2的扭矩，以实现逐渐减弱直至阻止发动机反拖超速；

步骤五，在钻杆6内节即将伸出时，提前100ms增大加载单元8的加载电流，以使钻杆缓慢落在动力头上减少冲击；加载单元的加载电流逐渐下降，加载电流以斜率不变的斜坡变化的形式过渡至下一个阶段，以平衡阶梯变化的突变的负负载，使下放过程更加平稳；

步骤六，当钻杆6内节伸出时，所述控制器11提前100ms调节加载单元8的加载值，所述称重传感器9的信号发生变化，以斜率固定且斜坡下降的曲线形式将加载单元9的加载值过渡至当前钻杆重量对应的预先设定的加载值，与当前钻杆重量相匹配，使下放过程更加平稳。

图3是本发明所述加载单元的一个实施案例示意图，所述加载单元包括：

电控变量泵3-1与分动箱2第二输出轴连接，用于为分动箱2施加扭矩，以平衡钻杆6重量；液控换向阀3-2的P口与电控变量泵3-1的A口连接，液控换向阀3-2的A口与溢流阀3-3的A口连接，液控换向阀3-2的T口、溢流阀3-3的T口均连接至液压油箱；

先导电磁阀3-4进油口与液压油箱连接，先导电磁阀3-4出油口与液控换向阀3-2的a口连接，用于液控换向阀换向。

当加载单元接收到加载指令时，先导电磁阀3-4得电，液控换向阀3-2实现换向；同时电控变量泵3-1根据加载电信号实现不同的流量输出，输出的压力油依次流经液控换向阀3-2的P口、液控换向阀3-2的A口和溢流阀3-3回到油箱，此时作用在分动箱2第二输出轴上的扭矩大小为：

,其中，p为电控变量泵3-1的出口压力，η为电控变量泵3-1和分动箱的总传动效率，Vg为电控变量泵3-1的排量，与加载电流信号成一一对应关系，即。

电控变量泵3-1中包括二位三通液控阀、二位三通电磁阀Y1、单杠阀和变量机构7，当无电信号输入时，Y1电磁阀工作在右位，至左位电控变量泵3-1出口的压力油依次经过图3中的油口1、油口2、油口3、油口5和油口6作用在变量机构7上，变量机构7的变量活塞向左移动，将电控变量泵3-1推至最小排量；当Y1电磁阀有电信号输入时，Y1电磁阀换向至左位，作用在变量机构7上的压力油依次经过油口6、油口5、油口3和油口4流回油箱，变量机构7的变量活塞向右移动，将电控变量泵3-1推至较大排量；

所述控制器11将加载电流信号I发送至电磁阀Y1进行加载，当钻杆6内节即将伸出时，提前100ms增大加载电流信号I，从而增大电控变量泵3-1的排量，从而增大分动箱2的扭矩，以使钻杆6缓慢落在动力头上减少冲击，待钻杆6内节开始伸出时加载电流信号I再以斜率固定且斜坡下降的曲线形式过渡至下一个阶段，使下放过程更加平稳。

油箱、发动机1、分动箱2、闭式泵3、主卷扬马达4、主卷扬5、钻杆6、动力头7、加载单元8、称重传感器9、测深传感器10、绳索、吊轮、电控变量泵3-1、液控换向阀一3-2、溢流阀3-3和先导电磁阀3-4上述部件在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。

实施例二

与实施例一不同的是，本实施例中，如图4，所述加载单元包括：

油泵4-1，与分动箱第二输出轴连接，用于为分动箱施加扭矩，以平衡钻杆重量；

液控换向阀4-2的P口与泵4-1的A口连接，液控换向阀4-2的A口与电比例溢流阀4-3的A口连接，液控换向阀4-2的T口、电比例溢流阀4-3的T口均连接至液压油箱；

先导电磁阀4-4进油口与油源连接，出油口与液控换向阀4-2的a口连接，用于液控换向阀换向。

当加载单元接收到加载指令时，先导电磁阀4-4得电，液控换向阀4-2实现换向；同时电比例溢流阀4-3根据不同加载电流信号实现不同的溢流压力，泵4-1输出的压力油依次流经液控换向阀4-2的P口和A口、电比例溢流阀4-3，此时作用在分动箱第二输出轴上的扭矩大小为：

,其中，Vg为泵4-1的排量，η为泵4-1和分动箱2的总传动效率，p为电比例溢流阀4-3的溢流压力，p与加载电流信号成一一对应关系，即。

所述控制器11将加载电流信号I发送至电比例溢流阀4-3进行加载，当钻杆6内节即将伸出时，提前Δt ms增大加载电流信号I，以使钻杆缓慢落在动力头上减少冲击，待钻杆6内节开始伸出时，加载电流信号I再以斜率固定且斜坡下降的曲线形式过渡至下一个阶段，使下放过程更加平稳。

液控换向阀二4-2为三位四通液控阀，先导电磁阀4-4为二位三通电磁阀，油泵4-1、液控换向阀二4-2、电比例溢流阀4-3和先导电磁阀4-4上述部件在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种主卷扬变载荷下放控制方法，其特征在于，包括：

在主卷扬（5）下放过程中，根据钻杆（6）的当前重量，在钻杆（6）每节内节伸出之前加载单元（8）的加载电流进行相应的改变，加载单元（8）给分动箱（2）施加相应的扭矩，阻止发动机（1）被反拖超速。

2.根据权利要求1所述的一种主卷扬变载荷下放控制方法，其特征在于，在钻杆（6）内节伸出下放之前提前Δt ms改变加载单元（8）的加载电流，加载单元（8）给分动箱（2）施加相应的扭矩。

3.根据权利要求2的一种主卷扬变载荷下放控制方法，其特征在于，包括：

控制器发送下放指令至闭式泵（3），闭式泵（3）改变至指定的排量从而执行下放动作；

根据采集的称重传感器信号，控制器获得钻杆（6）的当前重量；

根据采集的测深传感器信号和动力头位置信号，控制器判断发动机（1）是否出现反拖超速，若发动机实际转速大于目标油门转速则发动机（1）出现反拖超速，否则发动机（1）没有出现反拖超速；

当发动机（1）出现反拖超速时，控制器发送预先设定的与钻杆（6）当前重量相匹配的加载电流值至加载单元（8），加载单元（8）给分动箱（2）施加相应的扭矩，用于逐渐减弱直至阻止发动机（1）反拖超速。

4.一种旋挖钻机，其特征在于，用于执行权利要求1-3所述的控制方法，包括发动机（1）、分动箱（2）、闭式泵（3）、主卷扬马达（4）、主卷扬（5）、钻杆（6）、动力头（7）、加载单元（8）、称重传感器（9）、测深传感器（10）、绳索和吊轮，发动机（1）与分动箱（2）连接，闭式泵（3）与分动箱（2）第一输出轴连接，主卷扬马达（4）油口与闭式泵（3）油口连通，主卷扬（5）与主卷扬马达（4）联动，主卷扬（5）上缠绕绳索，绳索绕过吊轮固定连接钻杆（6），吊轮固定设置在钻杆（6）上方，动力头（7）安装在钻杆（6）上，分动箱（2）第二输出轴连接加载单元（8），称重传感器（9）和测深传感器（10）均安装在吊轮上。

5.根据权利要求4所述的一种旋挖钻机，其特征在于，

加载单元（8）包括电控变量泵（3-1）、液控换向阀一（3-2）、溢流阀（3-3）和先导电磁阀（3-4），电控变量泵（3-1）与分动箱（2）第二输出轴连接，电控变量泵（3-1）的A口连通液控换向阀一（3-2）的P口，液控换向阀一（3-2）的T口连接油箱，液控换向阀一（3-2）的A口连接溢流阀（3-3）的A口，液控换向阀一（3-2）的a口连接先导电磁阀（3-4）的J口，溢流阀（3-3）的T口连接油箱，先导电磁阀（3-4）的M口连接油箱。

6.根据权利要求5所述的一种旋挖钻机，其特征在于，

液控换向阀一（3-2）为三位四通液控阀，先导电磁阀（3-4）为二位三通电磁阀。

7.根据权利要求4所述的一种旋挖钻机，其特征在于，

加载单元（8）包括油泵（4-1）、液控换向阀二（4-2）、电比例溢流阀（4-3）和先导电磁阀（4-4），

油泵（4-1）输出轴与分动箱（2）第二输出轴连接，油泵（4-1）A口连通液控换向阀二（4-2）的P口，液控换向阀二（4-2）的T口连通油箱，液控换向阀二（4-2）的A口连接电比例溢流阀（4-3）的A口，液控换向阀二（4-2）的a口连通先导电磁阀（4-4）的J口，先导电磁阀（4-4）的M口连接油箱，电比例溢流阀（4-3）的T口连接油箱。

8.根据权利要求7所述的一种旋挖钻机，其特征在于，

液控换向阀二（4-2）为三位四通液控阀，先导电磁阀（4-4）为二位三通电磁阀。

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