一种带有新型吸头旋转机构的深井作业吸尘装置和方法

技术领域

本发明涉及深井作业设备技术领域，特别是涉及一种带有新型吸头旋转机构的深井作业吸尘装置和方法。

背景技术

深井作业一般指的是人类或机械到达管道深处或一定深度的井中进行勘测、检查、清洁等作业，由于管道环境或深井环境存在易燃易爆、辐照强度高等高危风险，并且深井作业机械设备具有体积小、易操控、工作效率高等优势，目前的深井作业逐渐用机械装置作业来替代人工作业。

当前国内的深井作业包括油气田开发开采、钻井作业等，在作业过程中会产生大量钻屑以及残渣废料在井下堆积，影响到正常开发作业的同时，会降低工作效率，若带有易燃易爆、高辐射性质的残渣堆积井下还会对整体作业项目产生巨大风险。故需要深井作业吸尘装置对残渣进行吸取，保证井底环境的安全性，减少残渣对作业效率的影响。

深井作业吸尘装置需要有吸头旋转机构部分，通过吸管将井底残渣进行吸取，而旋转机构则是确保吸管能在有效范围内进行旋转并将吸取范围内的所有残渣进行回收，提高回收效率。目前市面上用于深井作业吸尘装置的旋转机构中一般不采用气动马达作为驱动装置，因为气动马达的旋转难以控制，吸管与其他管线容易打结缠绕，而旋转气缸有限位、好控制，故吸尘装置中常用旋转气缸来控制吸头旋转。但由于深井作业有着空间小、残渣覆盖面积大等特点，常见的吸头旋转机构的旋转角度不够，导致吸管吸取范围小、效率低，难以完成任务指标，目前市面上的旋转气缸最大的旋转角度为270°，还有一定的提升空间。

发明内容

本发明提供一种带有新型吸头旋转机构的深井作业吸尘装置，所述深井作业吸尘装置包括吸尘头部装置、卷扬升降装置和残渣吸取分离装置；

所述吸尘头部装置包括外壳、钢索吊环、旋转气缸、齿轮组、吸管、上下连接筒；

所述外壳采用竖直方向的桶装结构，包覆在外侧；所述旋转气缸输出端通过所述齿轮组与所述上下连接筒连接，所述上下连接筒固定在所述吸管外侧，使所述旋转气缸驱动所述吸管转动；

所述卷扬升降装置包括钢索卷扬机构、吸管滚轧机构；

所述钢索卷扬机构包括第一气动马达、卷筒和钢丝绳，所述钢丝绳一端绕设在所述卷筒上，另一端连接所述外壳，所述第一气动马达用于驱动所述卷筒调节所述吸尘头部装置位置；

所述吸管滚轧机构包括第二气动马达和滚筒，所述滚筒用于收纳所述吸管，所述第二气动马达用于驱动所述滚筒跟随所述吸尘头部装置位置调节所述吸管长度；

所述残渣吸取分离装置与所述吸管连通，用于产生吸力并分离出残渣。

更近一步地，所述深井作业吸尘装置包括所述数控检测装置，所述数控检测装置包括数控装置和红外线位置传感器，所述红外线位置传感器设置在所述外壳底部，用于感应接受井下残渣的位置信息；所述数控装置用于对采集到的位置信息通过预测模型进行分析；

所述预测模型的网络将若干组数据中的升降速度、头部倾斜角度和位置信号作为输入，并且进行归一化处理，将对应的一般位置信号作为输出；通过样本数据的训练，不断修正网络权值和阈值使误差函数沿负梯度方向下降，逼近期望输出；该模型输入层节点数为3，输出层节点数为1。

更近一步地，所述吸尘头部装置包括外壳挡板和轴承组；

所述外壳挡板沿水平截面设在所述外壳内；

所述上下连接筒通过所述轴承组固定于所述外壳挡板。

更近一步地，所述吸尘头部装置包括钢索吊环，所述钢索吊环设置在所述外壳上；所述钢索卷扬机构包括吊钩，所述吊钩与所述钢丝绳和钢索吊环连接。

更近一步地，所述吸尘头部装置包括多组支撑板和伸缩气缸，各组所述支撑板和伸缩气缸沿外壳圆周均匀分布；所述支撑板设置在所述外壳外侧，所述支撑板内侧与径向固定在所述外壳上的所述伸缩气缸连接，所述伸缩气缸用于通过供气来控制支撑板伸出并与深井管道内壁接触及支撑，保证吸尘头部装置的中心线不发生偏移。

更近一步地，所述残渣吸取分离装置包括真空泵、导气管、旋风分离器、气动锤、残渣收集桶；

所述真空泵产生负压区，经过所述导气管与所述旋风分离器连接，负压区与吸头处气压的巨大压差产生强吸力，将残渣经由残渣吸管吸取到所述旋风分离器中；所述旋风分离器侧壁设置气动锤，通过振动将残渣振落置底部的所述残渣收集桶内。

更近一步地，所述深井作业吸尘装置包括所述数控检测装置，所述数控检测装置包括数控装置、和红外线位置传感器；

所述红外线位置传感器设置在所述外壳底部，用于感应接受井下残渣；所述数控装置通过预测模型对所述位置信息分析；

所述预测模型的网络将若干组数据中的升降速度、头部倾斜角度和位置信号作为输入，并且进行归一化处理，将对应的一般位置信号作为输出；通过样本数据的训练，不断修正网络权值和阈值使误差函数沿负梯度方向下降，逼近期望输出；所述预测模型的输入层节点数为3，输出层节点数为1。

还提供了一种基于深井作业吸尘装置的深井作业吸尘方法，所述深井作业吸尘方法包括以下步骤：

步骤1、输入清理时间、清理对象等参数；

步骤2、控制钢索卷扬机构和吸管滚轧机构分别释放钢丝绳和吸管，控制吸尘头部装置的下降，红外线位置传感器在下降过程中对残渣位置进行感应并反馈到数控装置，从而对吸尘头部装置进行定位和位置的调整；

步骤3、当吸管到达指定位置后，红外线位置传感器向位置信息传递给数控装置，与预测模型所得一般位置信号进行对比；

步骤4、真空泵工作产生负压区，通过吸管吸取残渣到旋风分离器当中进行分离，控制旋转气缸，将吸管旋转至更便于作业的位置进行残渣吸取，将指定残渣分离到残渣收集桶当中；

步骤5、残渣吸取分离装置工作完成后，将真空泵关闭，对吸尘头部装置的上升回收。

本发明达到的有益效果是：

本发明提出的深井作业吸尘装置与现有技术中旋转机构采用的旋转气缸与旋转轴直接联接不同，本发明采用旋转气缸通过法兰联轴器与齿轮组进行联接，将旋转机构的旋转角度通过齿轮组的传动比进行放大，提高了吸取效率；

本发明提出的深井作业吸尘装置结构简单，同时通过弯折的吸管配合吸尘头部装置转动，实现了无死角的深井作业吸取作业的效果，同时保证了吸取的准确性，提高了吸取残渣的覆盖率；

本发明提出的深井作业吸尘装置结构紧凑，实用性高，制造方便，可以较好完成残渣清理工作。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明吸尘头部装置示意图；

图3为本发明吸尘头部装置旋转机构示意图；

图4为本发明卷扬升降装置钢索卷扬机构示意图；

图5为本发明卷扬升降装置吸管滚轧机构示意图；

图6为本发明卷扬升降装置控制气管及信号线管卷扬机构示意图；

图7为本发明残渣吸取分离装置示意图；

图8为本发明数控检测装置示意图；

图9为本发明预测模型示意图；

图1至图9中：1-吸尘头部装置；1.1-外壳；1.2-钢索吊环；1.3-伸缩气缸；1.4-支撑板；1.5-旋转气缸；1.6-法兰联轴器；1.7-齿轮组；1.7.1-大齿轮；1.7.2-小齿轮；1.8-吸管；1.9-上下连接筒；1.9.1-上连接筒；1.9.2-下连接筒；1.10-外壳挡板；1.11-轴承组；1.11.1-推力轴承；1.11.2-滚珠轴承；1.12-连接块；2-卷扬升降装置；2.1-钢索卷扬机构；2.1.1-第一气动马达；2.1.2-第一减速机；2.1.3-卷筒；2.1.4-钢丝绳；2.1.5-吊钩；2.2-吸管滚轧机构；2.2.1-第二气动马达；2.2.2-第二减速机；2.2.3-滚筒；2.2.4-松紧螺栓；2.3-控制气管及信号线管卷扬机构；2.3.1-第三减速机；2.3.2-第三气动马达；2.3.3-卷管器；2.3.4-挡板；2.3.5-导向器；3-残渣吸取分离装置；3.1-真空泵；3.2-直流有刷电机；3.3-导气管；3.4-旋风分离器；3.5-气动锤；3.6-残渣收集桶；4-数控检测装置；4.1-数控装置；4.2-显示屏；4.3-红外线位置传感器；4.4-控制按钮；5-箱体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

如附图1所示，本发明提出了一种带有新型吸头旋转机构的深井作业吸尘装置，该装置包括吸尘头部装置1、卷扬升降装置2、残渣吸取分离装置3、数控检测装置4。

如附图2至3所示，吸尘头部装置1包括：外壳1.1、钢索吊环1.2、伸缩气缸1.3、支撑板1.4、旋转气缸1.5、法兰联轴器1.6、齿轮组1.7、吸管1.8、上下连接筒1.9、外壳挡板1.10、轴承组1.11、连接块1.12。

外壳1.1采用竖直方向的桶装结构，包覆在其他零件外侧，外壳1.1内部沿水平截面设有两层结构的外壳挡板1.10；吸管1.8设置在外壳1.1内部中，一端由外壳1.1底部向下延伸，延伸至外壳1.1后设有弯折，切底部连接有软管，用于在深井中进行吸尘，另一端连接真空发生装置；吸管1.8外部设有连接块1.12。上下连接筒1.9套设在吸管1.8外侧，包括上连接筒1.9.1和下连接筒1.9.2，下连接筒1.9.2底部与连接块1.12连接，外侧通过轴承组1.11固定在外壳挡板1.10上；上连接筒1.9.1与下连接筒1.9.2固定连接，通过轴承组1.11固定在外壳挡板1.10上，上连接筒1.9.1同时与齿轮组1.7连接；轴承组1.11包括推力轴承1.11.1和滚珠轴承1.11.2，轴承组1.11用于减少摩擦与传递运动。齿轮组1.7包括小齿轮1.7.2和大齿轮1.7.1，小齿轮1.7.2和大齿轮1.7.1相互啮合传动；小齿轮1.7.2通过螺栓与上连接筒1.9.1连接固定，大齿轮1.7.1与旋转气缸1.5输出端连接，从而保证旋转气缸1.5能够通过齿轮组1.7放大旋转角度后驱动吸管进行旋转作业。旋转气缸1.5下部通过螺栓与外壳挡板1.10进行连接固定，上部通过法兰联轴器1.6与齿轮组1.7进行联接。

外壳1.1上还设有钢索吊环1.2，钢索吊环1.2用于与卷扬升降机构2中的钢索卷扬机构2.1进行连接。在外壳1.1的外侧面设置有呈180度分布的2组支撑板。支撑板内侧与径向固定在外壳上的伸缩气缸1.3相连接，共同构成撑壁机构，由伸缩气缸1.3供气来控制支撑板伸出并与深井管道内壁接触及支撑，保证吸尘头部装置的中心线不发生偏移，起到撑壁作用，提高吸尘头部装置在下降和作业过程中的稳定性。

如附图4所示，所述卷扬升降装置2包括钢索卷扬机构2.1、吸管滚轧机构2.2、控制气管及信号线管卷扬机构2.3。其中钢索卷扬机构2.1包括有第一气动马达2.1.1、第一减速机2.1.2、卷筒2.1.3、钢丝绳2.1.4、吊钩2.1.5。第一气动马达2.1.1的输出扭矩经第一减速机2.1.2把扭矩放大，速度减缓传递给卷筒2.1.3后，卷筒2.1.3把第一减速机2.1.2传输的扭矩转化成拉力传输给与其相连的钢丝绳2.1.4，同时提拉吊钩2.1.5，来控制吸尘头部装置在深井的竖直升降运动。

如附图5所示，吸管滚轧机构2.2包括有第二气动马达2.2.1、第二减速机2.2.2、滚筒2.2.3、松紧螺栓2.2.4。第二气动马达2.2.1输出的转速经过第二减速机2.2.2后输入到滚筒2.2.3，能够避免出现不同步导致吸管1.8打滑和偏移的现象。松紧螺栓2.2.4可以调节上方的滚筒2.2.3的位置，当需要进行残渣吸管的收放时，拧紧螺栓，使得上方的卷筒压紧残渣吸管，从而使下方的卷筒带动残渣吸管运动。

如附图6所示，控制气管及信号线管卷扬机构2.3包括第三减速机2.3.1、第三气动马达2.3.2、卷管器2.3.3、挡板2.3.4、导向器2.3.5。由于吸尘头部装置1需要用到伸缩气缸1.3和旋转气缸1.5，所以需要使用卷管器2.3.3进行供气管道的收放从而节约空间和避免各个管线相互缠绕打结。为了防止信号管脱离卷管器2.3.3，在卷管器2.3.3外侧设置了挡板2.3.4，并设置了导向器2.3.5引导信号管的运动。

如下图7所示，所述残渣吸取分离装置3包括真空泵3.1、直流有刷电机3.2、导气管3.3、旋风分离器3.4、气动锤3.5、残渣收集桶3.6。直流有刷电机3.2驱动真空泵3.1产生负压区，经过导气管3.3与旋风分离器3.4连接，负压区与吸头处气压的巨大压差产生强吸力，将残渣经由残渣吸管吸取到旋风分离器3.4中，气体通过旋分离器进入设备内旋风分离区，当含有残渣气体沿轴向进入旋风分离管后，气流受导向叶片的导流作用而产生强烈旋转，气流沿筒体呈螺旋形向下进入旋风筒体，密度大的液滴和残渣在离心力作用下被甩向器壁，并在重力作用下，沿筒壁下落流出旋风管排尘口至设备底部，从设备底部的出液口流出，附着在旋风分离器内表面的粉尘通过气动锤3.5振尘把粉尘振落到尘桶。旋转的气流在筒体内收缩向中心流动，向上形成二次涡流经导气管流至设备顶部出口流出，至此完成残渣吸取分离作业。

如下图8所示，所述数控检测装置4包括数控装置4.1、显示屏4.2、控制按钮4.4以及图3中所示的红外线位置传感器4.3。在吸尘头部装置升降和残渣吸取分离装置作业的过程中，红外线位置传感器4.3感应接受井下残渣的位置信息，接收到红外线位置传感器4.3的信号可通过数控装置4.1的分析，在显示屏4.2上进行显示，并通过控制按钮4.4进行相关操作。

在升降过程中，升降速度和头部倾斜角度等参数对红外线位置信号的影响较大，各个参数与正常位置信号之间的关系难以确定，因此采用径向基神经网络预测模型对其内部关系进行映射，针对上述参数耦合出现的非线性函数以任意精度逼近。基于大量的实验与仿真，为预测模型的训练提供样本数据。

如附图9所示，预测模型的网络将若干组数据中的升降速度、头部倾斜角度和位置信号作为输入，并且进行归一化处理，将对应的一般位置信号作为输出。通过样本数据的训练，不断修正网络权值和阈值使误差函数沿负梯度方向下降，逼近期望输出。该模型输入层节点数为3，输出层节点数为1。

该实施例还提供了一种深井作业吸尘方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、在显示屏4.2中将命令输入，设置清理时间、清理对象等参数。

步骤2、通过第一气动马达、第二气动马达、第三气动马达分别进行驱动，调节吸管滚轧机构2.2的松紧螺栓2.2.4，钢索卷扬机构2.1和控制气管及信号线管卷扬机构2.3分别释放钢索和气管，控制吸尘头部装置1的下降，吸尘头部装置外壳1.1底部安装有红外线位置传感器4.3，下降过程中对残渣位置进行感应并反馈到数控装置4.1，从而对吸尘头部装置进行定位和位置的调整。

步骤3、当吸尘头部装置的底部软管到达指定位置后，红外线位置传感器4.3向位置信息传递给数控装置4.1，与预测模型所得一般位置信号进行对比，反馈传输到显示屏4.2，此时按动控制按钮4.4。

步骤4、残渣吸取分离装置3开始工作，真空泵3.1工作产生负压区，通过吸管吸取残渣到旋风分离器3.4当中进行分离，通过控制按钮4.4控制旋转气缸1.5，将吸管旋转至更便于作业的位置进行残渣吸取，将指定残渣分离到残渣收集桶3.6当中。

步骤5、残渣吸取分离装置3工作完成后，按动控制按钮4.4将真空泵3.1关闭，同时通过气动马达驱动卷扬升降装置2，完成对吸尘头部装置的上升回收。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。