专利名称：控制系统、凿岩钻机及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制向消耗装置的压力流体供给的控制系统，该消耗装置是凿岩机的进给电动机、冲击装置和旋转电动机，所述系统包括用于每一个消耗装置的调节阀，其中，流体管道在调节阀与相应的消耗装置之间进行引导。本发明还涉及一种包括这样的系统的凿岩钻机(rock drill rig)以及一种控制方法。
背景技术：
在传统的凿岩工艺中，熟练的操作者通过直接操纵不同的主液压控制阀来手动设置钻凿参数。尽管可以说有经验的操作者对于何时凿岩工艺在有效地进行有一定感觉，但是非常希望提到何时对钻凿工艺进行总控制，以便在考虑应当如何最有效地操作设备时使得钻凿更高效并且还避免过度磨损、过载、部件故障等。在新近的系统中，已建议继续以优化钻凿工艺为方向调谐系统，以便改善钻凿质量。这通过直接控制诸如钻机进给力、旋转速度和锤动力级别的工作参数来实现。各种抗阻塞功能通常也用在已知的控制系统中，以避免不必要的停机时间。这样的控制系统可以是具有高度定制阀的非常复杂的液压系统、具有某种类型的微控制器并且可能利用CAN总线技术的完整电动液压系统、或者这两者的组合，以处理复杂的逻辑。具体地，通过用于调节不同的主液压控制阀的控制信号来进行控制，以控制钻机进给力、旋转速度、锤动力级别等。
发明内容
本发明的目的是提出一种最初说明的种类的系统，该系统相比于上述的新近系统提供了更灵活且经济的解决方案。根据本发明，该目的在最初说明的系统中通过以下来实现电控辅助控制单元，其包括至少一个电控辅助阀，该电控辅助阀用于连接到至少一个流体管道并在至少一个流体管道中进行拦截；至少一个传感器，用于感测凿岩机中的至少一个构件的主要流体参数值， 并且将传感器信号作为传感器输入信号是值(is-value)发送到辅助控制单元；以及处理器，具有用于接收所述传感器输入信号是值的至少一个参数传感器输入信号入口和用于对相应的辅助阀进行信号控制的至少一个控制信号出口，其中，处理器被布置成将所述传感器输入信号是值与参数应当值(should-values)进行比较，并且响应于比较的结果而向至少一个辅助阀发出控制信号，以调整与所述至少一个辅助阀相关的流体管道中的流体流。这使得可以尤其简化控制系统的液压侧并且可以使用标准液压设备。有利地，本发明的控制系统可以与现有的“非智能”钻机对接(dock)，以使该钻机以更高生产率、更经济且更安全地钻凿。独立权利要求中的措辞“凿岩机的构件”旨在包括消耗装置以及钻凿机减振布置和冲洗空气或水布置。参数应当值可以是根据经验和先前的测试以经验为主地设置的各个参数限值、参数范围和/或参数目标值。本发明的系统还可以评估不同参数的参数值的组合，以避免本身允许的各个参数值的不需要的组合。本文中，措辞流体一方面包括实际上用于供给消耗装置的液压控制流体，该消耗装置为凿岩机的进给电动机、冲击装置和旋转电动机的形式。该措辞另一方面还包括用于从钻头的前部冲去钻屑的冲洗空气或水。优选地，流体参数值来自以下组中的一项或多项与消耗装置相关的进给电动机压力、冲击压力和旋转电动机压力、以及另外的参数冲洗空气或水压力以及阻尼压力。所有这些参数都很容易监控并且表示工作部件的主要状况。优选地，该系统包括用户输入入口装置，该用户输入入口装置用于允许操作者输入与以下组中的一项或多项相关的数据钻头属性、钻杆属性、岩石属性、要求的钻机模式。有利地，辅助控制系统是适配于先前已有的手动系统的插入式系统，其使得与已有系统对接更简单。优选地，辅助控制系统包括以下组中的至少一个传感器进给压力传感器、旋转压力传感器、撞击锤压力传感器。有利地，辅助控制系统进一步包括至少一个冲洗流体(空气；水)压力传感器。有利地，辅助阀包括对于相应的流体管道的流体限制和/或流体换向能力，由此， 可以影响流体流的量，或者可以针对某些要求使流体流换向，以实现消耗装置的换向功能。当辅助控制单元包括用于根据特定参数数据级别/组合来启动钻凿操作工序的装置时，所述工序可以优选地包括以下组中的任一功能抗阻塞、抗柱塞(anti plunging), 抗堵塞、同步线程(synchronized threading)和锤动力调节。对应的优点通过以对应特征为特征的控制方法来获得。在该文本中，将措辞“包括”广泛地解释但不限于以下元件或特征。
现在，将通过实施例并以附图为背景描述本发明，在附图中图1是钻机控制系统的图示，图2是示出了本发明的控制系统的工作原理的图示，以及图3是包括有根据本发明的控制系统的钻机的图示。
具体实施例方式图1中示出了用于凿岩钻机的控制系统1。多个消耗装置进给电动机2、旋转电动机3以及冲击装置或锤4经由有液压流体的流体管道连接到操作者控制的基本控制系统 5(在点划线内)。该基本控制系统5包括操作者控制的调节阀6、7和8。负载感应型泵以 9表示，以及限压阀以10来表示。电控辅助控制单元11内连在流体管道中，以在至少一个流体管道中进行拦截。辅助控制单元包括用于连接到相应的流体管道的至少一个电控辅助阀和用于感测消耗装置 2-4中的至少一个消耗装置的主要流体参数值的至少一个传感器20。传感器信号作为传感器输入信号是值经由(未示出的)信号电缆被发送至辅助控制单元。辅助控制单元内部的、 具有至少一个参数传感器输入信号入口的处理器12接收所述传感器输入信号是值并传递用于对相应的辅助阀进行信号控制的至少一个控制信号。具体地，处理器被布置成将所述传感器输入信号是值与存储在存储器中或者即刻计算出的参数应当值进行比较，并且响应于比较的结果而向至少一个辅助阀发出控制信号，以调整与所述至少一个辅助阀相关的流体管道中的流体流。实际上，辅助控制单元是自动插入式系统，其提供了用于以优化操作为方向控制凿岩机和钻凿工艺的方法。在独特的特征当中，可以提及1.可以将本发明的系统看作最初的手动或半手动钻凿控制系统的附加系统。2.该系统是具有智能可控性的基于电子学的液压混合系统。3.该系统可以向原始控制系统添加优化功能。4.该本系统可以启动工序和时间控制的功能。5.这样的系统的优点是，可以在不影响正常的手动控制功能的情况下去除或关断本系统。6.该系统的设计简单，并且该系统容易被设计有大量功能。7.该功能主要通过拦截从调节阀出来的实际液压流来获得。这给予用户在选择钻凿控制系统时很大的灵活性。8.该系统容易通过例如微控制器单元与传感器和液压阀结合实现。该系统仅使用液压部件作为致动器以控制液压流和压力。这使得系统对钻机部件的机械属性、温度变化影响和制造公差不太敏感。9.该系统中没有建立液压逻辑。而使用处理器来处理逻辑功能。因此，可以使用较少的部件和标准部件。液压与处理器功率的该组合使得能够实现简化的液压系统和相关联的低部件成本和装配时间成本。此外，本发明的系统通过如上的传感器监控液压系统参数，并且以优化系统性能为方向对流体流进行调整。有利地，传感器还用于测量气流(冲洗)速率/压力。在图2中，辅助控制系统总体上以具有传感器入口 S1-S5和操作者入口 11-16的处理器12中的电子部件来表示。用于辅助阀控制输出信号的控制出口以VI-V6来表示。13表示辅助控制单元的包括阀等的“液压侧”。作为示例，在图中仅示出了流量控制阀14，在此情况下，流量控制阀14是进给流量调节阀。图3非常示意性地示出了本身已知类型的、但配备有根据本发明的辅助控制单元的钻机。还可以使用用户输入装置来修改单元中的程序功能。该系统可以优化进给压力、 进给速度、锤压力和泵压力，并且还可以考虑与以下组中的一项或多项相关的用户输入数据钻头属性、钻杆属性、岩石属性、要求的钻机模式。根据本发明的实施例，不同的钻凿操作工序可以利用诸如抗阻塞、抗柱塞、抗堵塞、同步线程和锤动力调节的功能启动。这些功能将防止钻头在以下情况被卡住在断裂的岩层中进行钻凿导致旋转扭矩水平增大时、在以高穿进速率钻透空隙冒着在空隙之后具有有害影响的风险时、在钻透泥 (泥可能导致钻头中的空气或水冲洗孔堵塞)冒着过度磨损进而穿进速率低至零的风险时。
为了防止过高的进给力被施加于螺纹上，在连接和不连接钻杆时使用同步线程， 以防止联轴器或杆的过早损坏。调节冲击压力和锤动力旨在当减小进给力时减小锤动力以延长部件工作寿命。具体地，本发明的系统使得可以延长柄或钻钢的工作寿命。进给压力取决于旋转扭矩(旋转压力)，而这两个参数之间的关系是例如岩石状况和钻头尺寸的函数。可以使用用户输入来修改此关系。进给压力还取决于进给方向，由此，进给压力在“向上进给(feed up)”时具有最大值。冲击压力取决于进给压力，并且也可以通过用户输入来修改冲击压力与进给压力之间的关系。根据本发明的优选实施例，辅助控制单元插入至所有消耗装置的流体管道中，并且通过调整流体流和压力来调谐整个钻凿操作，以使得即使存在变化的状况仍能获得参数彼此调谐的钻凿操作。存储的数据基于根据经验数据得到的函数。这些函数可以基于来自传感器的输入和来自钻机操作者的输入决定要将每个液压致动器调整到什么程度(或者要将每个液压阀致动到什么程度)。当操作者输入不在自动模式下时，所有液压部件返回到空档模式并且禁用微控制器(处理器)内的所有功能，以使得系统回复到完全手动模式。如果处理器损耗了功率或已损坏，则系统也将回复到完全手动模式。因此，操作者可以继续在手动模式下钻凿。经过系统的所有液压流会具有零限流和零降压。这是很大的优点，原因在于即使在可能的控制系统故障之后仍可以在手动模式下继续和终止钻凿。这在之前公知的控制系统中是不可能的，在之前公知的控制系统中，对应的故障会导致钻机完全静止。如果旋转压力传感器检测到压力增大到某些限值之上，则可以将进给力和进给流减小至由处理器基于钻头尺寸和岩石状况的操作者输入而确定的量。这称为用于防止钻头卡在孔中而损失生产时间的抗阻塞功能。只要旋转压力保持在预置限值之上，进给压力就可以继续减小。如果旋转压力保持高于预置限值，则进给流最后将有利地被换向并且进给压力最大化，以避免潜在的阻塞状况。有利地，将基于岩石状况和钻头尺寸的操作者输入来限制最大进给流。这限制了最大钻凿速度，以防止在钻透空隙或非常软的岩层时的柱塞状况。柱塞状况在钻头以非常高的速度钻透空隙之后撞击坚固地面时发生。这可以导致严重的孔偏离、损坏设备或钻柱卡住。于是，如果不控制操作，则钻头容易被阻塞。使用进给力来保持钻头始终与岩石接触，以确保撞击能量从锤向岩石的有效传输。需要的进给力水平是要传递给岩石的撞击能量的直接函数。一旦通过抗阻塞功能减小了进给力，锤撞击力将同时基于进给压力而减小。这将减少未使用的撞击能量对钻杆、柄和联轴器的损坏。可以使用进给压力以及阻尼压力作为描述进给力的参数。优选地，还通过系统控制泵负载，以改善钻机效率并稳定液压系统。该控制基于钻凿系统的模式和钻凿参数的状态。在凿岩中使用压缩空气来冲去岩石钻屑，以确保高效的岩石破碎处理并防止钻头的阻塞。如果不立即清除钻屑，则钻头会重复地撞击积聚在孔的底部处的钻屑。该二次破碎处理将仅产生非常细的岩粉并浪费大量的撞击能量。其他主要的影响在于，积聚在钻头后面的钻屑将非常快速地阻塞钻头，并且使得很难将钻头和钻钢从孔中移出。当钻头中的冲洗孔被堵塞时，诸如当钻透泥时，气流会被堵塞。因此，流量感测装置优选地安装在气流路径中以检测流量状况。一旦气流被堵塞，处理器将发送如下信号基于该信号，立即将进给方向换向。处理器中的此功能称为抗堵塞。在钻杆操纵期间，将连接或不连接钻杆，从而增大或减小钻柱长度。钻杆经由螺纹耦接的装置来连接。钻杆的旋转和钻杆的线性移动必须同步以防止损坏螺纹。本发明的系统具有通过沿不同方向调节进给流和压力来使钻机进给和旋转同步的能力。系统还可以具有用于故障安全保护的手动调整能力。示例是锤最小压力、锤最大压力和泵最大压力。存在内置安全锁功能，以进一步防止任何危险的情况。优选地，由于使用处理器和传感器，系统具有扩展的诊断能力。故障状况可以存储在内部存储器中，以进行后续下载和分析。如果系统具有例如CAN通信协议，则该系统提供与其他系统和匪I装置联网所需的装置。还可以设想其他的通信装置。当提到处理器时，处理器优选地包括被布置成执行所述是值与应当值之间的比较的比较器电路。优选地，系统包括用于向操作者发出与系统操作有关的警告的操作者显示器和接口装置，诸如指示器、屏幕等。在用于控制向消耗装置的压力流体供给的本发明的方法中，执行以下方法步骤以通过用于每一个消耗装置的调节阀来对在调节阀与相应的消耗装置之间进行引导的管道中的流体进行调节，其中，该消耗装置是凿岩机的进给电动机、冲击装置和旋转电动机，该方法步骤为a.由包括至少一个电控辅助阀的电控辅助控制单元进行到至少一个流体管道的连接和在至少一个流体管道中的拦截，b.由至少一个传感器来感测与凿岩机的至少一个构件相关的主要流体参数值，以及c.将传感器信号作为传感器输入信号是值发送到辅助控制单元，d.具有至少一个参数传感器输入信号入口的处理器接收所述传感器输入信号是值，并且输出用于对相应的辅助阀进行信号控制的至少一个控制信号，e.由处理器将所述传感器输入信号是值与参数应当值进行比较，以及f.响应于比较的结果而向至少一个辅助阀发出控制信号，以调整与所述至少一个辅助阀相关的流体管道中的流体流。本发明可以在权利要求书的范围内修改，S卩，本发明的方法可以补充有与以上列出的系统特征对应的另外的方法特征。
权利要求
1.一种用于控制向消耗装置的压力流体供给的控制系统，所述消耗装置是凿岩机的进给电动机、冲击装置和旋转电动机，所述系统包括用于每一个所述消耗装置的调节阀，其中，流体管道在所述调节阀与相应的所述消耗装置之间进行引导，所述系统具有-电控辅助控制单元，其包括至少一个电控辅助阀，所述电控辅助阀用于连接到至少一个所述流体管道并在至少一个所述流体管道中进行拦截，-至少一个传感器，用于感测与所述凿岩机的至少一个构件相关的主要流体参数值，并且将传感器信号作为传感器输入信号是值发送到所述辅助控制单元，以及-处理器，具有用于接收所述传感器输入信号是值的至少一个参数传感器输入信号入口和用于对相应的辅助阀进行信号控制的至少一个控制信号出口，其中，所述处理器被布置成将所述传感器输入信号是值与参数应当值进行比较，并且响应于所述比较的结果而向至少一个辅助阀发出控制信号，以调整与所述至少一个辅助阀相关的所述流体管道中的流体流。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统被布置成处理流体参数值，所述流体参数值来自以下组中的一项或多项与所述消耗装置相关的进给电动机压力、冲击压力和旋转电动机压力、以及另外的参数冲洗空气压力、冲洗水压力和阻尼压力。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述系统包括用户输入入口装置，所述用户输入入口装置用于允许操作者输入与以下组中的一项或多项相关的数据钻头属性、钻杆属性、岩石属性、要求的钻机模式。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述辅助控制系统是适配于先前已有的手动系统的插入式系统。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述辅助控制系统包括以下组中的至少一个传感器进给压力传感器、旋转压力传感器、撞击锤压力传感器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述辅助控制系统包括至少一个冲洗空气压力传感器或冲洗水压力传感器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述辅助阀包括对于相应的所述流体管道的流体限制能力和/或流体换向能力。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述辅助控制单元包括用于根据特定参数数据级别/组合来启动钻凿操作工序的装置，由此所述工序能够包括以下组中的一个或多个功能抗阻塞、抗柱塞、抗堵塞、同步线程和锤动力调节。
9.一种凿岩钻机，所述凿岩钻机包括具有进给梁的运载车辆，在所述进给梁上可移动地支撑有凿岩机，其中，包括有根据权利要求1至8中任一项所述的用于控制向消耗装置的压力流体供给的液压流体控制系统，所述消耗装置是进给电动机、冲击装置和旋转电动机， 所述系统包括用于每一个所述消耗装置的调节阀，其中，流体管道在所述调节阀与相应的所述消耗装置之间进行引导，所述系统具有-电控辅助控制单元，其包括至少一个电控辅助阀，所述电控辅助阀用于连接到至少一个所述流体管道并在至少一个所述流体管道中进行拦截，-至少一个传感器，用于感测与所述凿岩机的至少一个构件相关的主要流体参数值，并且将传感器信号作为传感器输入信号是值发送到所述辅助控制单元，以及-处理器，具有用于接收所述传感器输入信号是值的至少一个参数传感器输入信号入口和用于对相应的辅助阀进行信号控制的至少一个控制信号出口，其中，所述处理器被布置成将所述传感器输入信号是值与参数应当值进行比较，并且响应于所述比较的结果而向至少一个辅助阀发出控制信号，以调整与所述至少一个辅助阀相关的所述流体管道中的流体流。
10.一种用于控制向消耗装置的压力流体供给的方法，所述消耗装置是凿岩机的进给电动机、冲击装置和旋转电动机，所述方法包括通过用于每一个所述消耗装置的调节阀对在所述调节阀与相应的所述消耗装置之间进行引导的管道中的流体进行调节，其中，-由包括至少一个电控辅助阀的电控辅助控制单元来进行到至少一个所述流体管道的连接和在至少一个所述流体管道中的拦截，-由至少一个传感器来感测与所述凿岩机的至少一个构件相关的主要流体参数值，并且将传感器信号作为传感器输入信号是值发送到所述辅助控制单元，以及-具有至少一个参数传感器输入信号入口的处理器接收所述传感器输入信号是值，并且输出用于对相应的辅助阀进行信号控制的至少一个控制信号，其中，由所述处理器将所述传感器输入信号是值与参数应当值进行比较，并且响应于所述比较的结果而向至少一个所述辅助阀发出控制信号，以调整与至少一个所述辅助阀相关的所述流体管道中的流体流。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，处理来自以下组中的一项或多项的流体参数值与所述消耗装置相关的进给电动机压力、冲击压力和旋转电动机压力、以及另外的参数冲洗空气压力、冲洗水压力和阻尼压力。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述方法中包括用户输入入口，所述用户输入入口用于允许操作者输入与以下组中的一项或多项相关的数据钻头属性、钻杆属性、 岩石属性、要求的钻机模式。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，根据特定参数数据级别/组合启动钻凿操作工序，由此，所述工序能够包括以下组中的一个或多个功能抗阻塞、抗柱塞、 抗堵塞、同步线程和锤动力调节。
全文摘要
一种用于控制向消耗装置的压力流体供给的液压流体控制系统(1)，该消耗装置是凿岩机的进给电动机(2)、冲击装置(4)和旋转电动机(3)，所述系统包括用于每一个消耗装置(2，3，4)的调节阀(6，7，8)，其中，流体管道在调节阀与相应的消耗装置之间进行引导，系统具有电控辅助控制单元(11)，其包括用于连接到至少一个流体管道并在至少一个流体管道中进行拦截的至少一个电控辅助阀(14)；至少一个传感器，用于感测凿岩机的至少一个构件的主要流体参数值，并且将传感器信号作为传感器输入信号是值发送到辅助控制单元；以及处理器(12)，具有用于接收所述传感器输入信号是值的至少一个参数传感器输入信号入口(S1-S5，I1-I5)和用于对相应的辅助阀进行信号控制的至少一个控制信号出口(V1-V6)，其中，处理器(12)被布置成将所述传感器输入信号是值与参数应当值进行比较，并且响应于比较的结果而向至少一个所述辅助阀发出控制信号，以调整与所述至少一个辅助阀相关的流体管道中的流体流。本发明还涉及一种凿岩钻机和一种方法。
文档编号E21B44/00GK102498261SQ201080027944
公开日2012年6月13日 申请日期2010年6月28日 优先权日2009年6月26日
发明者乔纳斯·辛纳斯塔德, 汉斯·古斯塔夫松, 焦德义, 郑雨苍 申请人:阿特拉斯·科普柯凿岩设备有限公司, 阿特拉斯·科普柯钻探溶液有限公司