一种旋挖钻机及控制方法

技术领域

本申请涉及旋挖钻机技术领域，更具体地说，尤其涉及一种旋挖钻机及控制方法。

背景技术

旋挖钻机是一种用于垂直地面向下打孔的工程机械，包括行走底盘，上车安装有桅杆2，动力头3，钻杆，钻头8，卷扬4系统，回转系统等工作装置。工作时，桅杆2直立垂直于地面或与地面成一定角度，桅杆2上面安装有可以相对桅杆2上下滑动的动力头3，动力头3内部有通孔，钻杆穿过该通孔平行于桅杆2，钻杆可以相对动力头3通孔上下滑动。桅杆2顶部有滑轮7，卷扬4系统固定在上车，钢丝绳5一端缠绕在卷扬4轮子上，另一端绕过桅杆2顶部的滑轮7后连接到钻杆顶端；通过卷扬4系统的转动，就可以回收或释放钢丝绳5，从而上提钻杆或者下落钻杆。

钻杆通常是类似于伸缩教鞭结构的多节杆，钻杆上设有凸台等限位装置，使得钻杆在下放或上提时可以进行伸缩，如果上提或下放钻杆速度过快，限位装置可能会受到剧烈撞击而导致损坏。

因此在这些可能发生撞击的地方，运动过程中都需要进行减速缓冲，减少撞击力度，确保设备安全。现有的旋挖钻机缺少一种简单实用的动力头3定位装置和对应的控制方法，不能知道钻杆、动力头3等所有相关运动部件的当前位置，在提杆或落杆过程中不能在正确的时刻实施自动减速缓冲。目前的减速缓冲操作完全依靠司机的人眼识别来确定动力头3位置，对驾驶员要求水平高，并且工作强度大。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供旋挖钻机及控制方法，可以让控制器获取和计算出钻杆、动力头等所有相关运动部件的当前位置，就可以在正确的时刻实施自动减速缓冲，可以显著减轻驾驶员的工作强度，延长设备寿命，提升设备安全性和综合施工效率。

进一步地，还提供上述旋挖钻机的控制方法。

本申请提供的技术方案如下：

一种旋挖钻机，包括：

车体、桅杆、动力头、卷扬、钢丝绳、钻杆组件和控制器；

所述桅杆的底部安装在所述车体的一侧，所述桅杆垂直于地面或与地面呈一定角度；

所述卷扬安装在所述车体上；

所述桅杆的顶部设有滑轮；

所述动力头可滑动的安装在所述桅杆上，所述动力头上开设有通孔；

所述钢丝绳一端安装在卷扬上，所述钢丝绳的另一端绕过所述滑轮并连接所述钻杆组件的顶部；

所述钻杆组件穿过所述动力头的通孔；

所述桅杆上安装有位置探测装置，所述动力头上安装有位置感应装置；

所述卷扬上安装有高度检测装置；

所述位置探测装置和高度检测装置分别与所述控制器连接。

其中，所述位置感应装置是安装在所述动力头上的金属件或者是动力头本身。

其中，所述钻杆组件是由多个套杆和钻芯组成，所述钻芯的底部设有钻头；

所述套杆的底端设有下凸台，所述在内的套杆下凸台外沿直径大于相邻外套杆的内孔直径，所述钻芯的底端也设有下凸台，所述钻芯的下凸台外沿直径大于相邻套杆的内孔直径；

所述套杆的顶端设有上凸台，所述最外层套杆的上凸台直径大于所述动力头通孔的直径，所述在内的套杆上凸台外沿直径大于相邻外套杆的下凸台内沿直径；

所述钢丝绳另一端与所述钻芯的顶部相连。

其中，所述位置感应装置是光感感应装置或超声波感应装置。

其中，所述高度检测装置包括用于测量卷扬转动角度的放置编码器和用于测量卷筒直径的接近开关。

一种旋挖钻机控制方法，包括以下步骤：

(1)控制器判断动力头的位置是否在预设位置，如在预设位置，可以开始自动落杆或自动提杆操作，若不在预设位置，则结束；

(2)控制器判断钻头相对桅杆的距离，判断钢丝绳以最大速度或预设速度A运动，或者以缓冲速度B运动。

其中，判断钢丝绳以缓冲速度运动的条件是：

a)在下放钻杆组件时，当最外面钻杆的上凸台快要撞击动力头时(上凸台与动力头相距0.1至5米时)，即，最外面钻杆相对动力头的运动将要停止时；或

b)在下放钻杆组件时，里面套杆或钻芯与相邻外面套杆将要发生相对运动时(0.1-5s后将要发生相对运动时)，即里面套杆或钻芯将要开始伸出相邻外面套杆时；或

c)在上提钻杆组件时，当最外面套杆的上凸台快要脱离动力头时(上凸台在0.1-5s后将要脱离运动头时)，即，最外面套杆和动力头将要发生相对运动时；或

d)在上提钻杆组件时，里面套杆或钻芯与相邻外面套杆的相对运动将要停止时(0.1-5s后将要停止时)，即里面套杆或钻芯缩回相邻外面套杆的动作将要完成时。

其中，所述控制器判断钻头相对桅杆的距离的具体方法是：

根据用于测量卷扬转动角度的放置编码器和用于测量卷筒直径的接近开关，计算出钢丝绳伸出或缩回的长度，再结合钻杆组件的结构尺寸计算出钻头所处的高度。

其中，控制器判断判断钢丝绳是否需要缓冲速度运动的具体方法是：

控制器根据高度检测装置分析得到钻杆的高度，结合钻杆组件的运动方向，结合钻杆的具体尺寸，计算出钻杆组件是否符合a)、b)、c)和d)的状态。

其中，所述预设速度A大于缓冲速度B，由预设速度A降到缓冲速度B的加速度为0.15-1.5m/s2。

本发明提供一种旋挖钻机，包括车体、桅杆、动力头、卷扬、钢丝绳、钻杆组件、控制器；所述桅杆的底部安装在所述车体的一侧，所述桅杆垂直于地面或与地面呈一定角度；所述卷扬安装在所述车体上；所述桅杆的顶部设有滑轮；所述动力头可滑动的安装在所述桅杆上，所述动力头上开设有通孔；所述钢丝绳一端安装在卷扬上，所述钢丝绳的另一端绕过所述滑轮并连接所述钻杆组件的顶部；所述钻杆组件穿过所述动力头的通孔；所述桅杆上安装有位置探测装置，所述动力头上安装有位置感应装置；所述卷扬上安装有高度检测装置；所述位置探测装置和高度检测装置分别与所述控制器连接。本发明的旋挖钻机可以让控制器获取和计算出钻杆组件、动力头等所有相关运动部件的当前位置，在自动提杆或自动落杆过程中可以在正确的时刻实施自动减速缓冲，可以显著减轻驾驶员的工作强度，延长设备寿命，提升设备安全性和综合施工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明钻杆组件6落杆时的状态图；

图3为本发明动力头3位置检测装置的结构示意图；

1、车体；2、桅杆；3、动力头；4、卷扬；5、钢丝绳；6、钻杆组件；7、滑轮；8、钻头；11、位置探测装置，12、位置感应装置。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

本发明实施例采用递进的方式撰写。

结合图1至图3，一种旋挖钻机，包括：

车体1、桅杆2、动力头3、卷扬4、钢丝绳5、钻杆组件6和控制器；

桅杆2的底部安装在车体1的一侧，桅杆2垂直于地面或与地面呈一定角度；

卷扬4安装在车体1上；

桅杆2的顶部设有滑轮7；

动力头3可滑动的安装在桅杆2上，动力头3上开设有通孔；

钢丝绳5一端安装在卷扬4上，钢丝绳5的另一端绕过滑轮7并连接钻杆组件6的顶部；

钻杆组件6穿过动力头3的通孔；

桅杆2上安装有位置探测装置11，动力头3上安装有位置感应装置12；

卷扬4上安装有高度检测装置；

位置探测装置11和高度检测装置分别与控制器连接。

本发明的旋挖钻机的工作原理，桅杆2立在车体1的一侧，垂直于地面或与地面呈一定的角度，通过卷扬4地转动，就可以回收或释放钢丝绳5，从而上提钻杆组件6或者下落钻杆组件6，桅杆2上安装有位置探测装置11，动力头3上安装有位置感应装置12，可以感应位置探测装置11，可以判断出动力头3相对于桅杆2是否在预设位置，当动力头3在指定位置时，则认为控制器中预先设定的自动减速缓冲参数正确，可以开始自动落杆或自动提杆操作；反之，如果当位置探测装置11没有探测到位置感应装置12时，则认为动力头3没有在指定位置，则认为控制器中预先设定的自动减速缓冲参数不正确，不可以开始自动落杆或自动提杆操作，待调整好动力头3在指定位置后，再开始自动落杆或自动提杆操作。卷扬4上安装有高度检测装置，通过高度检测装置可以计算出铜丝绳伸出或回缩的长度，从而可以计算出钻杆组件6所处的状态，结合旋挖钻机的尺寸，判断钻杆的落杆或提杆是否需要减速，从而减少钻杆组件6中的限位装置因为落杆或提杆速度过快造成损毁。

本发明位置感应装置12是安装在动力头3上的金属件或者是动力头3本身，位置探测装置11可以通过是否探测到金属件或动力头3本身来判断动力头3是否在预设位置。

本发明的位置探测装置12可以是两个接近开关，二者相互平行固定在桅杆上，其感应探头对着动力头方向；位置感应装置是一片薄钢板，固定在动力头上，薄钢板的高度和动力头的高度近似相等；接近开关外形是圆柱体，其中心线垂直于该薄钢板所在平面；当动力头处于预设位置时，两个接近开关都可以感应到薄钢板，接近开关发出成功探测信号给控制器，控制器就可以判定动力头处于预定位置，就允许自动提杆或自动落杆操作，并可以在正确的时刻进行自动减速缓冲。这样的设计对于动力头位置的判断更为准确。

本发明的钻杆组件6是由多个套杆和钻芯组成，钻芯的底部设有钻头8；

套杆的底端设有下凸台，在内的套杆下凸台外沿直径大于相邻外套杆的内孔直径，钻芯的底端也设有下凸台，钻芯的下凸台外沿直径大于相邻套杆的内孔直径；

套杆的顶端设有上凸台，最外层套杆的上凸台直径大于动力头3通孔的直径，在内的套杆上凸台外沿直径大于相邻外套杆的下凸台内沿直径；

钢丝绳5另一端与钻芯的顶部相连。

当卷扬4回收钢丝绳5时，钻芯向上提起，钻芯底部的下凸台遇到相邻外套杆时受阻，从而带动相邻外套杆一起上提，基于相同的原理，套杆被依次向上提起，直至所有的套杆缩回并被提起，当卷扬4下放纲丝绳时，钻芯组件向下落，最外面套杆的上凸台遇到动力头3时会受阻，从而悬挂在动力头3上停止下落，其余套杆和钻芯继续下落，继续释放钢丝绳5，里面的套杆的上凸台会受到相邻在内的套杆上的下凸台内沿阻碍，从而停止运动，直到所有的套杆伸出。旋挖钻机是大型机械，钻杆通常重达十几吨甚至几十吨，如果钻杆下放或上提过程中速度过快，那么钻杆的上凸台和动力头3的撞击或者里面钻杆的下凸台和外面钻杆相对运动产生的撞击就太剧烈，可能会造成相关结构件损坏，导致重大安全事故。本发明的通过判断套杆上的上凸台和下凸台以及动力头3在快要相遇受阻时，减慢速度，从而减少损毁和安全事故。

本发明的位置感应装置12是光感感应装置或超声波感应装置，也可以是其它用于检测位置的装置。

本发明的高度检测装置包括用于测量卷扬4转动角度的放置编码器和用于测量卷筒直径的接近开关，通过根据卷扬4转动角度和卷筒直径就可以计算出卷筒对应转动的弧长，即，钢丝绳5伸出或缩回的长度，再根据旋挖钻机的结构尺寸就可以计算出钻杆底部的钻头8所在高度，因为钻头8是固定在最里面钻杆的底部，所以也就知道了最里面钻杆的位置，但是对于可伸缩的钻杆来说，当里面钻杆伸出外面钻杆时，最外面的钻杆是悬挂在动力头3上的，只有知道了动力头3的位置才能知道最外面钻杆的位置，才能在合适时机实施自动减速缓冲。

本发明还提供一种上述旋挖钻机的控制方法，包括以下步骤：

(1)控制器判断动力头3的位置是否在预设位置，如在预设位置，可以开始自动落杆或自动提杆操作，若不在预设位置，则结束；

(2)控制器判断钻头8相对桅杆2的距离，判断钢丝绳5以最大速度或预设速度A运动，或者以缓冲速度B运动。

本发明的判断钢丝绳5以缓冲速度运动的条件是：

a)在下放钻杆组件6时，当最外面钻杆的上凸台快要撞击动力头3时(上凸台与动力头相距0.1至5米时)，即，最外面钻杆相对动力头3的运动将要停止时；或

b)在下放钻杆组件6时，里面套杆或钻芯与相邻外面套杆将要发生相对运动时(0.1-5s后将要发生相对运动时)，即里面套杆或钻芯将要开始伸出相邻外面套杆时；或

c)在上提钻杆组件6时，当最外面套杆的上凸台快要脱离动力头3时(上凸台在0.1-5s后将要脱离运动头时)，即，最外面套杆和动力头3将要发生相对运动时；或

d)在上提钻杆组件6时，里面套杆或钻芯与相邻外面套杆的相对运动将要停止时(0.1-5s后将要停止时)，即里面套杆或钻芯缩回相邻外面套杆的动作将要完成时。

本发明的控制器判断钻头8相对桅杆2的距离的具体方法是：

根据用于测量卷扬4转动角度的放置编码器和用于测量卷筒直径的接近开关，计算出钢丝绳5伸出或缩回的长度，再结合钻杆组件6的结构尺寸计算出钻头8所处的高度。

本发明的控制器判断判断钢丝绳5是否需要缓冲速度运动的具体方法是：

控制器根据高度检测装置分析得到钻杆的高度，结合钻杆组件6的运动方向，结合钻杆的具体尺寸，计算出钻杆组件6是否符合a)、b)、c)和d)的状态。

本发明的预设速度A大于缓冲速度B，由预设速度A降到缓冲速度B的加速度为0.15-1.5m/s2。

以下提供本发明的一种具体实施例，旋挖钻机，包括车体1、桅杆2、动力头3、卷扬4、钢丝绳5、钻杆组件6和控制器；桅杆2的底部安装在车体1的一侧，桅杆2垂直于地面或与地面呈一定角度；卷扬4安装在车体1上；桅杆2的顶部设有滑轮7；动力头3可滑动的安装在桅杆2上，动力头3上开设有通孔；钢丝绳5一端安装在卷扬4上，钢丝绳5的另一端绕过滑轮7并连接钻杆组件6的顶部；钻杆组件6穿过动力头3的通孔；桅杆2上安装有位置探测装置11，动力头3上安装有位置感应装置12；卷扬4上安装有高度检测装置；位置探测装置11和高度检测装置分别与控制器连接。

在本实施例中，位置探测装置11是两个接近开关，两个接近开关平行安装在桅杆上，其感应探头对着动力头3的方向，位置感应装置12是薄钢片，固定在动力头3上，薄钢板的长度和动力头3的长度近似相等；接近开关外形可以是圆柱体，其中心线垂直于该薄钢板所在平面；当动力头3处于预定位置时，两个接近开关都可以感应到薄钢板，接近开关发出成功探测信号给控制器，控制器就可以判定动力头3处于预定位置，就允许自动提杆或自动落杆操作，并可以在正确的时刻进行自动减速缓冲。

当动力头没有处于预定位置时，两个接近开关都不可以感应到薄钢板，或者只有一个接近开关感应到薄钢板，此时接近开关不能发出成功探测信号给控制器，控制器就判定动力头3没有处于预定位置，就不允许自动提杆或自动落杆操作，或者允许操作但发出警告。

相较于只用一个接近开关作为位置探测装置11的实施方式，其判断精度更高，结果更准确。在本实施例中用了2个接近开关作为位置探测装置11，这两个接近开关的间距接近整个薄钢板的高度，即，这两个接近开关的间距接近整个动力头3的高度，更能准确的确定动力头的当前位置，对自动减速缓冲的时刻就可以控制的更精准。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。