凿岩机及其控制系统

技术领域

本申请属于控制领域，具体而言，涉及一种凿岩机及其控制系统。

背景技术

凿岩机在矿山、隧道、水电、建筑等领域应用广泛，随着我国矿山、隧道、水电等施工领域自动化程度不断增强，凿岩机在凿岩施工工程中变得越来越不可或缺。现有技术的冲击一般采用两级流量控制或两级压力控制冲击频率，不能做到冲击频率匹配推进速度。

在相关技术中，中国专利文献CN204704173U提供了主液压油路上串接有液控单向阀，液控单向阀由推进机构至液压泵方向正向导通，液控单向阀的控制油口通过先导控制油路与主液压油路位于液控单向阀与液压泵之间的位置相连，先导控制油路上串接有用于控制液控单向阀反向导通与否的第一控制阀门，液控单向阀上并联有速度控制油路，速度控制油路上串接有调速阀以实现液压凿岩机的推进速度控制的技术方案。相关技术并没有给出解决冲击频率无法匹配推进速度的问题的任何技术启示。

发明内容

本申请的内容部分用于以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。本申请的内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。

为了解决背景技术中提及的技术问题，作为本申请的第一方面，本申请的一些实施例提供了一种控制系统，用于控制一个凿岩机的钻头，控制系统包括冲击油缸、推进油缸、冲击控制阀、推进传感器和控制器。其中，冲击油缸用于提供动力以使钻头冲击待开凿的岩石。推进油缸用于提供推进钻头的动力。冲击控制阀用于控制冲击油缸所在油路的流量。推进传感器，用于检测推进油缸所在油路的压力。控制器电性连接至推进传感器。冲击控制阀液压连接至冲击油缸。控制器电性连接至冲击控制阀以在推进传感器检测到的推进油缸所在油路的压力发生变化时获取与推进油缸所在油路压力相适配的冲击油缸所在油路的流量。

进一步的，冲击控制阀被构造为比例流量阀。

进一步的，控制系统还包括推进控制、旋转马达和旋转传感器。其中，推进控制阀用于控制推进油缸所在油路的压力。旋转马达用于提供动力以使钻头旋转。旋转传感器用于检测旋转马达所在油路的压力。其中，推进控制阀液压连接至推进油缸。控制器电性连接至旋转传感器。控制器电性连接至推进控制阀以在旋转传感器检测到旋转马达所在油路的压力发生变化时获取与旋转马达所在油路压力相适配的所述推进油缸所在油路的压力。

进一步的，推进控制阀被构造为比例减压阀。

进一步的，控制系统还包括液压泵、第一开关、第二开关和压力控制阀。其中，液压泵液压连接至冲击油缸和推进油缸。第一开关电性连接至控制器。第二开关电性连接至控制器。压力控制阀具有控制液压泵输出较低压力液压油的第一状态和控制液压泵输出较高压力液压油的第二状态。控制器电性连接至压力控制阀以在第一开关闭合时控制压力控制阀切换至第一状态和/或在第二开关闭合时控制压力控制阀切换至第二状态。

进一步的，控制系统还包括推进通断阀。其中，推进通断阀液压连接至推进油缸。控制器电性连接至推进通断阀。

进一步的，控制系统还包括推进换向阀。其中，推进换向阀液压连接至推进油缸。控制器电性连接至推进换向阀。

进一步的，控制系统还包括第一调速阀、第二调速阀和调速换向阀。其中，第一调速阀一端液压连接至旋转马达。第二调速阀一端液压连接至旋转马达。调速换向阀具有液压连接至第一调速阀的另一端的第三状态和液压连接至第二调速阀的另一端的第四状态。第一调速阀调节流速的上限值低于第二调速阀调节流速的上限值。

进一步的，控制系统还包括安全阀组。其中，安全阀组液压连接至旋转马达以在旋转马达所在油路的压力超过第二预设阈值时使该油路卸压。

作为本申请的第二方面，本申请的一些实施例请求保护一种凿岩机，凿岩机包括钻头和前述的的控制系统。

本申请的有益效果在于：

控制系统包括冲击油缸、推进油缸、冲击控制阀、推进传感器和控制器使得冲击油缸的冲击频率和推进油缸所在油路的压力相匹配。

更具体而言，本申请一些实施例可能产生如下的具体有益效果：

控制系统还包括推进控制阀、旋转马达和旋转传感器使得推进油缸和冲击油缸能够根据旋转马达的实时状态做出调整，让凿岩机在良好的状态下进行凿岩工作，提高凿岩效率同时降低钻具损坏的可能性。

控制系统还包括推进通断阀使得控制器判断旋转传感器检测到旋转马达所在油路的压力达到第一预设阈值时推进油缸停止推进，以防止凿岩机发生卡钎。

控制系统还包括第一调速阀、第二调速阀和调速换向阀使得凿岩机在硬岩层掘进时处于高转速低推进速度的状态，有效降低钻具损耗。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，元件和元素不一定按照比例绘制。

在附图中：

图1为本申请的一种实施例的凿岩机的整体结构示意图；

图2为本申请的控制系统的架构图；

图3为图1所示实施例中的控制系统的结构示意图；

图4为图1所示实施例中的冲击控制阀的结构示意图；

图5为图1所示实施例中的推进控制阀的结构示意图；

图6为图1所示实施例中的第一梭阀和旋转传感器等结构的连接关系示意图；

图7为图1所示实施例中的第一梭阀和冲击换向阀等结构的连接关系示意图；

图8为图1所示实施例中的推进通断阀的结构示意图；

图9为图1所示实施例中的推进换向阀的结构示意图；

图10为图1所示实施例中的第一调速阀和调速换向阀等结构的连接关系示意图；

图11为图1所示实施例中的安全阀组的结构示意图；

图12为图1所示实施例中的各电控元件之间的连接关系示意图。

附图标记的含义：

100、凿岩机；101、钻头；

200、控制系统；201、冲击油缸；202、推进油缸；202a、有杆腔；202b、无杆腔；203、冲击控制阀；204、推进传感器；205、控制器；206、推进控制阀；207、旋转马达；208、旋转传感器；209、第一梭阀；209a、第一进油口；209b、第二进油口；209c、第一出油口；

210、液压泵；211、第一开关；212、第二开关；213、压力控制阀；214、冲击换向阀；214a、第一控制油口；214b、第二控制油口；215、第二梭阀；215a、第三进油口；215b、第四进油口；215c、第二出油口；216、推进通断阀；216a、第五进油口；216b、第一回油口；216c、第三控制油口；216d、第一阀芯；216e、第一线圈；217、推进换向阀；217a、第六进油口；217b、第二回油口；217c、第三回油口；217d、第四控制油口；217e、第五控制油口；217f、第二阀芯；217g、第二线圈；218、第一调速阀；219、第二调速阀；

220、调速换向阀；220a、第七进油口；220b、第三出油口；220c、第四出油口；220d、第三阀芯；220e、手柄；221、安全阀组；221a、溢流阀；222、冲击缓冲机构。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本公开中的实施例中的特征可以相互组合。

需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

参照图1至12所示，本实施例中提供了一种凿岩机100。凿岩机100包含钻头101和控制系统200。其中，控制系统200用于控制钻头101，控制系统200包括冲击油缸201、推进油缸202、冲击控制阀203、推进传感器204和控制器205。冲击油缸201用于提供动力以使钻头101冲击待开凿的岩石。推进油缸202用于提供推进钻头101的动力。冲击控制阀203用于控制冲击油缸201所在油路的流量。推进传感器204用于检测推进油缸202所在油路的压力。控制器205电性连接至推进传感器204。冲击控制阀203液压连接至冲击油缸201。控制器205电性连接至冲击控制阀203以在推进传感器204检测到的推进油缸202所在油路的压力发生变化时获取与推进油缸202所在油路压力相适配的冲击油缸201所在油路的流量。控制系统200的各部分之间的具体连接关系将在后文中详细说明。

采用上述技术方案，推进传感器204检测到推进油缸202所在油路的压力值并将其转化为电信号传递至控制器205。在本实施例中，控制系统200还包括比例放大器，控制器205根据接收到的电信号向比例放大器发出控制信号，比例放大器输出相应的电流信号控制冲击控制阀203的开度进而控制冲击控制阀203的设定流量的大小，从而控制冲击控制阀203所在油路的流量，也即间接地控制冲击油缸201的冲击频率，使得冲击油缸201的冲击频率和推进油缸202所在油路的压力相匹配。控制器205包含PLC，PLC为可编程逻辑控制器，此外，控制器205也可集成于ECU中。

更具体来说，参照图4所示，在本实施例中，冲击控制阀203被构造为比例流量阀。比例流量阀能够根据传递至线圈的电信号改变阀门的开度从而调节流量，由于电信号的传递速度较快，因此比例流量阀能够根据推进传感器204检测到的压力信号快速做出响应，调节冲击油缸201的冲击频率。

更具体来说，控制系统200还包括推进控制阀206、旋转马达207和旋转传感器208。其中，推进控制阀206用于控制推进油缸202所在油路的压力。旋转马达207用于提供动力以使钻头101旋转。旋转传感器208用于检测旋转马达207所在油路的压力。推进控制阀206液压连接至推进油缸202。控制器205电性连接至旋转传感器208。控制器205电性连接至推进控制阀206以在旋转传感器208检测到旋转马达207所在油路的压力发生变化时获取与旋转马达207所在油路压力相适配的推进油缸202所在油路的压力。更具体来说，参照图5所示，在本实施例中推进控制阀206被构造为比例减压阀。

采用上述技术方案，旋转传感器208检测到旋转马达207所在油路的压力并将其转化为电信号传递至控制器205，在本实施例中，控制器205根据接收到的电信号向推进控制阀206发出电信号至比例放大器,比例放大器输出相应的电流信号进而控制推进控制阀206的设定压力大小，从而调节推进油缸202所在油路的压力，也即间接地控制推进油缸202的推进速度，使得推进油缸202的推进速度与旋转马达207的所在油路的压力相匹配。这样一来，当旋转马达207所在油路的压力发生变化时，推进控制阀206控制推进油缸202的推进速度与旋转马达207的旋转速度相匹配，同时，推进传感器204检测推进油缸202所在油路的压力并传递至控制器205继而控制冲击控制阀203，最终控制冲击油缸201的冲击频率，以此实现推进油缸202、冲击油缸201和旋转马达207这三者的工作状态实时相适应。

在本实施例中，待检测油路的压力经传感器检测后均转化为电信号传递至控制器205，控制器205再将控制信号发送至各个控制阀，相比于传统液压系统中依靠液压油直接推动换向阀阀芯位置的改变，抑或是通过设定压力调整阀的设定值大小控制所在油路压力大小的纯液压控制方式，本实施例中采用的电控元件相比于液压元件使得检测信号传递更快，各控制阀反应更加迅速，且维护难度较小、成本较低。这样一来，能够保证推进油缸202和冲击油缸201能够根据旋转马达207的实时状态做出调整，让凿岩机100在良好的状态下进行凿岩工作，提高凿岩效率同时降低钻具损坏的可能性。

此外，本实施例中的比例流量阀和比例减压阀的使用使得冲击油缸201所在油路的流量和推进油缸202所在油路的压力能够和旋转马达207所在油路的压力相匹配，能够适应多变的复杂工况，打破了传统液压系统中冲击油缸201或者是推进油缸202只能实现两级控制的局限性。

更具体来说，参照图6所示，控制系统200还包括第一梭阀209。第一梭阀209设有第一进油口209a、第二进油口209b和第一出油口209c，第一进油口209a液压连接至旋转马达207的一端，第二进油口209b液压连接至旋转马达207的另一端。第一出油口209c液压连接至旋转传感器208。

采用上述技术方案，第一梭阀209液压连接至旋转马达207的两个控制油口，并且选择较高压力的液压油流向第一出油口209c再流向旋转传感器208，以保证旋转传感器208能够检测旋转马达207所在油路的最大压力，准确地反映旋转马达207的实时状态。

更具体来说，控制系统200还包括液压泵210、第一开关211、第二开关212和压力控制阀213。液压泵210液压连接至冲击油缸201和推进油缸202。第一开关211电性连接至控制器205。第二开关212电性连接至控制器205。压力控制阀213具有控制液压泵210输出较低压力液压油的第一状态和控制液压泵210输出较高压力液压油的第二状态。控制器205电性连接至压力控制阀213以在第一开关211闭合时控制压力控制阀213切换至第一状态和/或在第二开关212闭合时控制压力控制阀213切换至第二状态。

采用上述技术方案，当开凿过程中要求凿岩机100处于低冲击频率低推进压力状态时，第一开关211闭合，控制器205向压力控制阀213传递电信号并控制压力控制阀213切换至第一状态，此时液压泵210输出液压油的压力较低，使得凿岩机100处于低冲击频率低推进压力状态。

当开凿过程中要求凿岩机100处于高冲击频率高推进压力状态时，第二开关212闭合，控制器205向压力控制阀213传递电信号并控制压力控制阀213切换至第二状态，此时液压泵210输出液压油的压力较高，使得凿岩机100处于高冲击频率高推进压力状态。

用户能够通过控制第一开关211和第二开关212是否闭合来控制液压泵210输出液压油的压力，从而改变推进油缸202和冲击油缸201所在油路的最大压力，以适应不同的工况。

更具体来说，参照图7所示，第一开关211被构造为压力开关。第二开关212被构造为压力开关。压力控制阀213被构造为压力切断阀。控制系统200还包括冲击换向阀214和第二梭阀215。冲击换向阀214设有第一控制油口214a和第二控制油口214b。第二梭阀215设有第三进油口215a、第四进油口215b和第二出油口215c。第一控制油口214a液压连接至第一开关211。第二控制油口214b液压连接至第二开关212。第一控制油口214a液压连接至第一进油口209a。第二控制油口214b液压连接至第二进油口209b。第一出油口209c液压连接至冲击油缸201。

采用上述技术方案，当凿岩机100处于开孔的工况时，要求凿岩机100在低冲击频率低推进压力状态下进行凿岩，此时手动控制冲击换向阀214的阀芯位置，使得液压油由第一控制口流出并流向第三进油口215a，第二控制油口214b无液压油流出。由于第二梭阀215的存在，液压油无法流向第二控制油口214b和第四进油口215b，液压油流向第一开关211并经第二梭阀215流向冲击油缸201，此时第一开关211闭合并传递电信号至控制器205，控制器205根据接收到的电信号向压力控制阀213发送控制信号使得压力控制阀213失电，在本实施例中，压力控制阀213失电后液压泵210的泵头压力切换为130bar，推进控制阀206的压力上限调至40bar，凿岩机100进入开孔模式。

当凿岩机100处于钻孔的工况时，要求凿岩机100在高冲击频率高推进压力状态下进行凿岩，此时手动控制冲击换向阀214的阀芯位置，使得液压油由第二控制口流出并流向第四进油口215b，第一控制油口214a无液压油流出。由于第二梭阀215的存在，液压油无法流向第一控制油口214a和第三进油口215a，液压油流向第二开关212并经第二梭阀215流向冲击油缸201，此时第二开关212闭合并传递电信号至控制器205，控制器205根据接收到的电信号向压力控制阀213发送控制信号使得压力控制阀213得电，在本实施例中，压力控制阀213得电后液压泵210的泵头压力切换为210bar，推进控制阀206的压力上限调至80bar，凿岩机100进入钻孔模式。

更具体来说，控制系统200还包括推进通断阀216。推进通断阀216液压连接至推进油缸202。控制器205电性连接至推进通断阀216。

更具体来说，参照图8所示，推进通断阀216被构造为两位三通电磁换向阀。推进油缸202具有有杆腔202a和无杆腔202b。两位三通电磁换向阀设有第五进油口216a、第一回油口216b和第三控制油口216c。两位三通电磁换向阀包含第一阀芯216d和第一线圈216e。第三控制油口216c液压连接至无杆腔202b。当阀芯位于第一位置时，第五进油口216a和第三控制油口216c连通，推进油缸202处于推进状态。当阀芯位于第二位置时，第一回油口216b和第三控制油口216c连通，推进油缸202处于停止推进状态。

采用上述技术方案，旋转传感器208传递电信号至控制器205，控制器205判断旋转传感器208检测到旋转马达207所在油路的压力达到第一预设阈值时向第一线圈216e传递电信号使第一阀芯216d由第一位置切换至第二位置，此时第三控制油口216c和第一回油口216b连接，推进油缸202的无杆腔202b卸压，推进油缸202停止推进，以防止凿岩机100继续向前推进进而发生卡钎。

更具体来说，控制系统200还包括推进换向阀217。推进换向阀217液压连接至推进油缸202。控制器205电性连接至推进换向阀217。

更具体来说，参照图9所示，推进换向阀217被构造为两位五通电磁换向阀，推进换向阀217设有第六进油口217a、第二回油口217b、第三回油口217c、第四控制油口217d和第五控制油口217e。第四控制油口217d液压连接至无杆腔202b。第五控制油口217e液压连接至有杆腔202a。推进换向阀217包含第二阀芯217f和第二线圈217g。第二线圈217g电性连接至控制器205。

采用上述技术方案，当第二阀芯217f位于第三位置时，第六进油口217a和第四控制油口217d连通且第二回油口217b和第五控制油口217e连通，推进油缸202处于推进状态。当第二阀芯217f位于第四位置时，第六进油口217a和第五控制油口217e连通，第三回油口217c和第四控制油口217d连通，推进油缸202处于回退状态。

当旋转传感器208检测到旋转马达207所在油路的压力达到第一预设阈值，且控制器205控制推进通断阀216的第一回油口216b和第三控制油口216c连通后，若旋转传感器208检测到旋转马达207所在油路的压力继续升高，则控制器205向第二线圈217g发送电信号改变改变第二阀芯217f的位置使其由第三位置切换为第四位置以使冲击油缸201切换至回退状态。

更具体来说，参照图10所示，控制系统200还包括第一调速阀218、第二调速阀219和调速换向阀220。其中，第一调速阀218一端液压连接至旋转马达207。第二调速阀219一端液压连接至旋转马达207。调速换向阀220具有液压连接至第一调速阀218的另一端的第三状态和液压连接至第二调速阀219的另一端的第四状态。第一调速阀218调节流速的上限值低于第二调速阀219调节流速的上限值。在本实施例中，调速换向阀220被构造为两位三通手动换向阀。

更具体来说，两位三通手动换向阀设有第七进油口220a、第三出油口220b和第四出油口220c。两位三通手动换向阀包含第三阀芯220d和手柄220e。第三出油口220b液压连接至第一调速阀218。第四出油口220c液压连接至第二调速阀219。当第三阀芯220d位于第五位置时，第七进油口220a和第三出油口220b连通，当第三阀芯220d位于第六位置时，第七进油口220a和第四出油口220c连通。

采用上述技术方案，凿岩机100在硬岩层掘进时，一般要求高转速低推进速度，降低推进进程可以有效降低钻具损耗。凿岩机100在硬度较低的软岩地层钻孔时，可以实现较低转速较大推进速度的大贯入度的钻进，能够在保证钻具损耗较小的情况下提高钻进效率。在本实施例中，当待凿岩石为软岩时，用户控制手柄220e使得第三阀芯220d位于第五位置，旋转马达207的转速较低，当待凿岩石为硬岩时，用户控制手柄220e使得第三阀芯220d位于第六位置，旋转马达207的转速较高。

这样一来，本实施例中的控制系统200不仅具有开孔工况的开孔模式和针对钻孔工况的钻孔模式，还有针对不同岩石种类的软岩模式和硬岩模式，让凿岩机100能够应对更加多样化的工况，若缺乏第一调速阀218、第二调速阀219和调速换向阀220，凿岩机100遇到硬岩层时，需要提高钻转马达的速度，但在已有的控制系统200中，不仅旋转马达207的最高旋转速度达不到硬岩的钻孔要求，且由于旋转马达207转速偏高，相应的推进油缸202的推进速度也会较高，反而不利于开凿硬岩岩层。

本实施例中第一调速阀218、第二调速阀219和调速换向阀220则解决了这一问题，遇到硬岩时，只需手动调整调速换向阀220使得第二调速阀219连通，能够让旋转马达207获得较高的最高转速，同时再控制冲击控制阀203，使得第二开关212关闭，保证推进控制阀206的压力上限调至40bar，使得推进油缸202的推进速度较低，以此让凿岩机100达到开凿硬岩的最佳状态。

更具体来说，参照图11所示，控制系统200还包括安全阀组221。安全阀组221液压连接至旋转马达207，以在旋转马达207所在油路的压力超过第二预设阈值时使该油路卸压。在本实施例中，安全阀组221包含两个溢流阀221a。

采用上述技术方案，当凿岩机100发生卡钎等意外状况导致旋转马达207所在油路压力升高且推进装置无法回退时，旋转马达207所在油路的压力会持续升高，当达到第二预设阈值时，安全阀组221中的溢流阀221a卸压，以保护旋转马达207不受损坏。

控制系统200还包括冲击缓冲机构222，液压连接至冲击油缸201。

采用上述技术方案，冲击缓冲机构222对冲击油缸201产生的震动进行缓冲。

需要说明的是，比例放大器在附图未示出，其起到信号匹配的作用，具体来说即比例放大器接收控制器205发送的微弱的控制信号，输出比例流量阀和比例压力阀所需的电流。由于比例放大器接收到控制器205传递的电信号后在允许范围内能够输出任意大小的电流，也就使得冲击控制阀203的流量和推进控制阀206的压力相匹配。

比例流量阀是由比例电磁铁和流量阀组合而成，是用比例电磁铁取代节流阀或调速阀的手调装置，以输入电信号来改变节流阀的开度，从而调节系统的流量。

比例减压阀是一种利用电磁线圈通电变化控制比例电磁铁实现减压阀阀芯开度的控制阀，当电磁线圈通电时，电磁力使阀芯开启，液压油流经阀腔作用于阀芯表面产生压力，与弹簧力和电磁力形成力平衡，从而控制液压油路的压力，由于比例电磁铁的电磁力与通电电流有关，从而能够通过电流大小调节所在油路的压力。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本申请。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本申请的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本申请的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本申请或本申请和本申请的应用领域。

更具体地，尽管在此已经描述了本申请的示例性实施例，但是本申请并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本申请的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。