用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，包括：液压油箱；液压扶正装置；所述液压扶正装置用于对所述钻杆进行偏斜纠正，其包括多个均匀分布于所述钻杆周围的阻偏油缸（执行机构），以及用于对所述阻偏油缸的油路进行控制的以使所述阻偏油缸的活塞杆同步伸缩电磁阀(控制回路)，所述阻偏油缸的活塞杆的端部设置有滚轮，所述滚轮与所述钻杆滚动接触并分担所述钻杆的偏斜载荷压力。本发明的钻杆液压阻偏系统解决了凿岩台车深孔钻进过程钻杆容易偏斜的问题；提高了爆破作业后矿料均匀程度；钻头和钻杆损失率大幅度减小，能替主机用户节约大量耗材资金。
【专利说明】用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种液压系统，特别是深孔类凿岩台车上用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统。
【背景技术】
[0002]目前，有些凿岩台车(例如阿特拉斯科普科的SIMBA系列)自身车载带有扶钎系统，在深孔掘进时该扶钎系统的功能是支撑钻杆，达到防止钻杆偏斜的目的。但该扶钎系统的在实际作业中功效不佳。
[0003]目前存在的技术问题:
[0004]以阿特拉斯科普科的SIMBA系列凿岩台车的扶钎系统为例，现场凿岩过程中，在该凿岩台车现场深孔钻进时，作业出的深孔偏斜度高，深长孔呈现“S”型。在深长孔钻进作业到顶后，多根钻杆连接成一串。在对成串排列的钻杆逐根取出的过程中，因为深长孔呈现“S”型，整串钻杆阻滞于“S”型孔中。这时候钻杆向回拉的阻力非常大，出现钻杆回拉困难，作业中会出现钻杆、钻头松脱于深孔中，无法取出，造成不小的经济损失。
[0005]其次，“S，，型深孔直线度差，多个深孔之间平行度差，导致炸药装填爆破后矿石所受爆破力不均匀，矿料成大小不均的块状。此前作业时松脱于矿石中的钻杆受炸药爆破作业的影响，会发生弯曲，回收的钻杆基本不能继续使用。
【发明内容】
[0006]鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种在深长孔钻进作业中可以对钻杆进行偏斜纠正的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统。
[0007]为了实现上述目的，本发明提供的一种用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，包括:
[0008]液压油箱；
[0009]液压扶正装置，所述液压扶正装置用于对所述钻杆进行偏斜纠正，其包括多个均匀分布于所述钻杆周围的阻偏油缸，以及用于对所述阻偏油缸的油路进行控制以使所述阻偏油缸的活塞杆同步伸缩的电磁阀，所述阻偏油缸的活塞杆的端部设置有滚轮，所述滚轮与所述钻杆滚动接触并分担所述钻杆的偏斜载荷压力。
[0010]作为优选，还包括偏斜发讯模块，所述偏斜发讯模块用于感应所述钻杆的偏斜度并发出偏斜度超标信号，所述偏斜发讯模块由压力继电器和气囊式蓄能器组构成。在本发明中，“发讯”是指发出信号。
[0011]作为优选，还包括阻偏力矩控制模块，所述阻偏力矩控制模块用于使各个所述阻偏油缸因工作压力不同而产生不同的阻偏力矩。
[0012]作为优选，所述阻偏力矩控制模块包括通过油路连接的远程控制式减压阀、三位四通换向阀、远程压力控制阀、测压接头及压力表。
[0013]作为优选，还包括用于吸收系统冲击压力的钻杆冲击阻尼装置，所述钻杆冲击阻尼装置包括通过油路连接的气囊式蓄能器、高压球阀开关及抗冲击安全阀。同时，该气囊式蓄能器作为偏斜发讯模块的感应主件。
[0014]作为优选，所述阻偏油缸为双向油缸且设置有三个，三个所述阻偏油缸互为120度角呈圆周分布，设置于所述阻偏油缸端部的滚轮共计三组，其和所述钻杆共同组合为行星齿轮轮结构。
[0015]作为优选，所述电磁阀设置有两个，并且在两个所述电磁阀同时得电时，能够使三个所述阻偏油缸在油路中形成并联回路；在并联回路中当三个所述阻偏油缸的活塞杆延伸到达中心的钻杆时进入系统快速工进模式，当三个所述阻偏油缸的活塞杆回缩时进入系统复位模式；而在两个电磁阀均同时不得电时，能够使三个所述阻偏油缸在油路中形成串联回路，在串联回路中当三个所述阻偏油缸的活塞杆同时延伸或同时回缩时进入系统工作模式。
[0016]作为优选，所述电磁阀为两位四通电磁球阀，该电磁球阀为零泄漏型。该两个电磁阀控制“并联回路”和“串联回路”的相互切换。
[0017]作为优选，还包括用于对所述系统快速工进模式和所述系统快速复位模式进行切换的工作模式切换回路，所述切换回路包括油路连接的三位四通电磁阀、液压锁和单向阀。
[0018]作为优选，还包括:
[0019]三联泵组动力源模块，所述三联泵组模块包括用于对所述系统工作模式提供动力的小排量齿轮泵以及用于对所述系统工进预调模式和所述系统复位模式提供动力的柱塞栗;
[0020]以及用于对所述小排量齿轮泵的流量进行控制的远程控制溢流阀组，所述远程控制溢流阀组包括连接在油路上的一先导控制溢流阀、一先导口通断控制阀及一散热器。
[0021]作为优选，还包括用于检测所述钻杆是否在凿岩过程中发生卡阻并依此调节液压扶正装置的工作压力的钻杆卡阻液压感应装置，所述钻杆卡阻液压感应装置包括油路连接的液压梭阀和至少一个压力继电器。
[0022]作为优选，还包括一用于在凿岩过程中需要更换钻杆时夹紧所述钻杆的夹钎器。
[0023]本发明中的电磁阀、单向阀等器件在油路上的连接方式遵循基本回路设计原则，而具体布置方式也属本领域技术人员在本发明设计构思的基础上可做出的简单变换。因此各器件的具体连接方式在本发明中并不做具体限制，也不再进行穷举和累述。
[0024]有益效果:
[0025]1.本发明能够阻止深孔钻进时钻杆发生偏斜，大大提高了凿岩台车深孔进直线度，作业出的深孔直线度高，能有效防止钻杆回退困难，大幅度减少钻头和钻杆松脱钻的情况发生。
[0026]2.本发明弥补了以前扶钎系统双侧向内对中的缺陷，采用等似行星齿轮结构分布方式，使用三只精度完全一致的“双向油缸”，在圆周上相互呈120度分布夹紧和支撑钻杆，钻杆受力等同于将其装夹于液压“三爪卡盘”中。
[0027]3.本发明的阻偏系统能对深长孔偏斜瞬时做到实时响应，并具有主动纠偏的功能。针对钻进系统进入多根钻杆作业后，防偏斜功能会逐渐减弱，设计了钻杆偏斜自我纠正功能。即当带钻头的钻杆掘进开始发生偏斜时，因为三只阻偏油缸此时为工作串联回路，三只油缸会同时回缩，阻偏油缸CYl所排出的液压油流入偏斜感应装置中的气囊式蓄能器，造成气囊式蓄能器中的压力升高，偏斜越大，压力越高。当该压力达到压力开关设定发讯压力值，压力开关发出钎杆偏斜度超标的电信号，SIMABA台车原有的推进系统在接收到超标讯号后，将多根钻杆同时回拉后退。在后退过程中偏斜会减小，所述推进系统将多根钻杆继续向前推进，此时多根钻杆构成的刚性长杆在M1838系列凿岩头夹持和纠偏器扶持的两点刚性作用下，最前端的钻头会去修偏。如此反复后退加前进的循环动作来进行纠偏，直到偏斜完全纠正为止。
[0028]4.本发明能根据不同的岩石层钻杆所承受的卡滞力和偏斜力不同，带有自我补偿机能，自动调整钻杆阻偏力矩大小，确保作业出的深孔可以达到满意的直线度。
[0029]5.本发明具有高度自动化，深孔钻进时防偏系统作业效率高，操作控制面板人机功效好，不会额外增加操作工人的心理和体力负担。
[0030]6.本发明完全考虑到功率损耗，阻偏系统工作动力源只有最小排量为5cc的齿轮泵工作来提供，此时功率损耗非常小。
[0031]7.本发明设计目的达到后，凿岩台车作业出的深孔直线度高，能改善爆炸作业后矿料形状不均的问题。
[0032]8.本发明是在现有凿岩台车的基础上改进，新液压系统与原有的液压系统兼容性闻。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为本发明的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统的油路连接结构示意图。
[0034]图2为本发明的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统中钻杆冲击阻尼装置的油路连接结构示意图。
[0035]图3为本发明的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统中阻偏力矩控制模块的油路连接结构示意图。
[0036]图4为本发明的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统中工作模式切换回路的油路连接结构示意图。
[0037]图5为本发明的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统中三联泵组模块的油路连接结构示意图。
[0038]图6为本发明的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统中远程控制溢流阀组的油路连接结构示意图。
【具体实施方式】
[0039]以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
[0040]如上文所述，本发明的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统的最主要目的是阻止深孔钻进时钻杆发生偏斜。而为了实现这一目的，本发明提出的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，包括:
[0041]液压油箱；
[0042]液压扶正装置，所述液压扶正装置用于对所述钻杆进行偏斜纠正，其包括多个均匀分布于所述钻杆周围的阻偏油缸和用于对所述阻偏油缸的油路进行控制的电磁阀，所述阻偏油缸的端部设置有滚轮，所述滚轮与所述钻杆滚动接触并分担所述钻杆的偏斜载荷压力。
[0043]这其中液压油箱可采用凿岩台车原有的液压系统的液压油箱，而液压扶正装置则是实现本发明目的的核心结构。利用液压扶正装置的阻偏油缸的端部设置的滚轮的滚动接触，配合电磁阀对阻偏油缸的油路控制，可以有效的分担深孔钻进过程中钻杆的偏斜载荷。
[0044]而图1示出的则是本发明的一个最优选实施例。如图1所示，在该优选实施例中，本发明的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统主要构成模块:液压扶正装置7、偏斜发讯模块8、钻杆冲击阻尼吸收装置及偏斜感应装置6、阻偏力矩控制模块5、系统快速工作模式和系统快速工进模式的切换回路(液压部件3和液压部件4共同构成)(图1中未标示)、三联泵组模块1、远程控制溢流阀组2、钻杆卡阻液压感应装置10。以下对上述部件的结构及功能进行详细描述:
[0045]液压扶正装置7，在本实施例中，所述液压扶正装置7包括三只双动油缸CY1、CY2、CY3来作为阻偏油缸，电磁阀选用两只两位四通电磁球阀Al和A2。阻偏油缸的设计制造时要求密封精度高、抗高频冲击、尺寸加工精度差异极小。而两只电磁球阀要求零泄漏、阀芯设计抗高频冲击、阀芯切换时电磁响应灵敏、极小的压力损失。
[0046]上述高精度的双动油缸在本实施例中互为120度呈圆周分布，处于圆心的钻杆12同时承受三只“双侧油缸”相同的液压工作力。根据受力分析，反作用力相互平衡，钻杆无偏斜力矩产生，也就是形成液压“三爪卡盘结构”。
[0047]同时，在三只双动油缸同步对钻杆12向中心收缩夹紧时，本发明在三只同步油缸端部都设置了滚轮72，采用了滚轮(见图示)接触方式与钻杆12相抵。优选地，钻杆12与三只滚轮构成类似“行星齿轮结构”，所述滚轮72均为行星滚轮。这种物理结构的优点在于:
[0048]a.由于在钻杆12的周围均匀地分布着三个滚轮72来共同分担钻杆12的偏斜载荷，从而使得每个滚轮72和双动油缸所承受的偏斜负荷较小。反言之,双动油缸阻止钻杆12偏斜的负荷可变幅度大，钻杆12承受反作用力大，防止钻杆12偏斜的效果好。
[0049]b.采用了数个完全相同的滚轮72，均匀地分布于钻杆12的周围，滚轮72在钻杆12的摩擦力带动下运转平稳，滚轮72抗冲击和振动的能力较强，阻止钻杆12偏斜效率可靠。
[0050]c.本行星滚轮72传动几乎可适用于一切功率和转速范围，不仅在钻杆12高转速、大功率深孔钻进时纠正偏斜效率高，而且在钻头卡钻时钻杆12做低速大转矩的钻进运动过程中，行星分布的滚轮72也能使钻杆12获得高的纠偏效率。
[0051]液压结构和具体功能实现可描述为:
[0052]当电磁阀Al的电磁线圈YEl和电磁阀A2的电磁线圈YE2均得电时，三只“双侧油缸”为“并联回路”。当液压油从HA进入和HB流出时，三只油缸的活塞杆延伸，向圆心的钻杆12的周面靠近，直至滚轮72触及钻杆12表面停止。该过程定义为:“系统快速工进模式”；
[0053]当液压油从HB进入和HA流出时，三只油缸的活塞杆回缩，沿圆心的钻杆12的圆周面法线方向远离，直至油缸活塞杆行程到位停止。该过程定义为:“系统快速复位模式”；
[0054]当电磁阀Al的电磁线圈YEl和电磁阀A2的电磁线圈YE2均不得电时，三只双动油缸组成为“串联回路”。当液压油从HA进入和HB流出时，三只油缸的活塞杆延伸，活塞杆顶端的三只滚轮同时向中心处钻杆的周面靠近，直至滚轮72触及钻杆12表面停止。当液压油从HB进入和HA流出时，三只油缸的活塞杆回缩，活塞杆顶端的三只滚轮同时沿钻杆的圆周面法线方向远离，直至油缸活塞杆行程到位停止。该过程定义为:“系统工作模式”。
[0055]所述的“并联回路”模式只是为“串联回路”纠偏工作的预先准备，并可以消除三只油缸的“串联回路”工作时形成的位移累积误差。
[0056]在实际液压系统作业中，“系统快速工进模式”到位后，液压系统直接切换进入“系统工作模式”。当系统对一根钻杆作业完成后，系统从“系统工作模式”直接切换进入“系统快速复位模式”。通过该设置程序工作，液压系统作业效率非常高，同时消除三只阻偏油缸工作模式过程中的位移误差累积。
[0057]这种液压结构的优点:a.考虑到油缸制造上的误差，油缸内部泄漏、液压油混入空气的影响，三只“双侧油缸”串联回路连接时必须消除同步累积误差，给油缸补油和泄油，并防止气蚀发生。本发明设计了 “串联回路”和“并联回路”切换，当“串联回路”作为“工作模式”工作完毕后，通过“并联回路”的“系统快速工进模式”和“系统快速复位模式”，对三只“双侧油缸”完成补油和泄油，同时消除油缸同步积累误差，也防止了“气蚀现象”的发生。
[0058]b.回路简单，能适应钻杆72产生的较大的偏载荷，液压系统阻偏效果好。
[0059]c.在扶正装置“工作模式”过程中，可以随时通过“操作面板手柄”，快速切换进入“快速工进模式”和“快速复位模式”状态，消除油缸同步累积误差，同时给油缸补油和泄油，然后返回“工作模式”状态。
[0060]偏斜发讯模块8，如图1所示，所述偏斜发讯模块8的作用主要是用于感应所述钻杆12的偏斜度并发出偏斜度超标信号,在本实施例中所述偏斜发讯模块8为一压力继电器BOl ；
[0061]液压功能描述:压力继电器BOl是将压力信号转变为电气信号的元器件。弹簧调定值C4=C5+dp.其中dp值大小决定推进系统回退响应快慢速度。当压力信号达到弹簧设定值C4，发出电信号。
[0062]钻杆冲击阻尼吸收装置6，如图2所示，在本实施例中，设置钻杆冲击阻尼装置6主要用于吸收液压系统的冲击压力。具体地，所述钻杆冲击阻尼装置6包括油路连接的气囊式蓄能器b、两个高压球阀开关Cl、C2，以及抗冲击安全阀d。
[0063]部件功能描述和计算:
[0064]蓄能器b作为液压空气弹簧，吸收液压系统工作时钻杆偏斜对油缸产生的冲击压力。其弹簧刚度Kt等于蓄能器b气囊压缩时产生的压力差产生的当量液压缸作用力除以当量液压缸的位移。
【权利要求】
1.一种用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，其特征在于，包括: 液压油箱； 液压扶正装置，所述液压扶正装置用于对所述钻杆进行偏斜纠正，其包括多个均匀分布于所述钻杆周围的阻偏油缸，以及用于对所述阻偏油缸的油路进行控制以使所述阻偏油缸的活塞杆同步伸缩的电磁阀，所述阻偏油缸的活塞杆的端部设置有滚轮，所述滚轮与所述钻杆滚动接触并分担所述钻杆的偏斜载荷压力。
2.如权利要求1所述的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，其特征在于，还包括: 偏斜发讯模块，所述偏斜发讯模块用于感应所述钻杆的偏斜度并发出偏斜度超标信号，所述偏斜发讯模块由压力继电器和气囊式蓄能器组构成。
3.如权利要求1所述的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，其特征在于，还包括:阻偏力矩控制模块，所述阻偏力矩控制模块用于使各个所述阻偏油缸因工况不同而产生不同的阻偏力矩。
4.如权利要求3所述的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，其特征在于，所述阻偏力矩控制模块包括通过油路连接的远程控制式减压阀、三位四通换向阀、远程压力控制阀、测压接头及压力表。
5.如权利要求1所述的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，其特征在于，所述阻偏油缸为双向油缸且设置有三个，三个所述阻偏油缸互为120度角呈圆周分布，设置于所述阻偏油缸端部的滚轮共计三组，其和所述钻杆构成为行星滚轮结构。
6.如权利要求1所述的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，其特征在于，所述电磁阀设置有两个，并且在两个所述电磁阀同时得电时，能够使三个所述阻偏油缸在油路中形成并联回路；在并联回路中当三个所述阻偏油缸的活塞杆延伸到达三滚轮中心的钻杆时进入系统快速工进模式；当三个所述阻偏油缸的活塞杆回缩时进入系统复位模式； 而在两个电磁阀均同时不得电时，能够使三个所述阻偏油缸在油路中形成串联回路，在串联回路中当三个所述阻偏油缸的活塞杆同时延伸或同时回缩时进入系统工作模式。
7.如权利要求6所述的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，其特征在于，所述电磁阀为两位四通电磁球阀，该电磁球阀为零泄漏型。
8.如权利要求1所述的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，其特征在于，还包括用于对所述系统快速工进模式和所述系统快速复位模式进行切换的工作模式切换回路，所述切换回路包括油路连接的三位四通电磁阀、液压锁和单向阀。
9.如权利要求1所述的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，其特征在于，还包括: 三联泵组动力源模块，所述三联泵组动力源模块包括用于对所述系统快速工作模式提供动力的小排量齿轮泵及用于对所述系统快速工进模式和所述系统快速复位模式”提供动力的柱塞泵； 以及用于对所述小排量齿轮泵的流量进行控制的远程控制溢流阀组，所述远程控制溢流阀组包括连接在油路上的一先导控制溢流阀、一先导口通断控制阀及一散热器。
10.如权利要求2所述的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，其特征在于，所述气囊式蓄能器还与高压球阀开关及抗冲击安全阀共同构成用于吸收系统冲击压力的钻杆冲击阻尼吸收装置。
11.如权利要求1所述的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，其特征在于，还包括用于检测所述钻杆是否在凿岩过程中发生卡阻并依此调节液压扶正装置的工作压力的钻杆卡阻液压感应装置，所述钻杆卡阻液压感应装置包括油路连接的液压梭阀和至少一个压力继电器。
12.如权利要求1所述的用于深孔直线钻进的钻杆液压阻偏系统，其特征在于，还包括一用于在凿岩过程中需要更.换钻杆时夹紧所述钻杆的夹钎器。
【文档编号】E21B17/10GK103470558SQ201310456997
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】秦虎 申请人:阿特拉斯科普柯(南京)建筑矿山设备有限公司