钻机自动钻进监测装置、钻头机构及钻头更换预报系统

技术领域

本发明涉及旋挖钻机施工自动监测技术领域，尤其涉及一种钻机自动钻进监测装置、钻头机构及钻头更换预报系统。

背景技术

随着我国城市建设的迅猛发展，对地下工程的建设和施工提出了更高的要求，特别是在工程施工安全、节约经济和绿色环保等方面。而全套管咬合桩作为基坑支护的一种方式的出现，其本身具有灵活适应各种复杂地质条件、节约经济和抗渗性强等优点，因此，在城市建设深基坑围护结构应用方面，套管咬合桩基得到了充分的利用。

但目前在面对地下各种复杂的软硬地层条件下，难以及时掌握套管旋转钻机的施工状态，如若突然遇到坚硬岩层，刚度不足的全套管钻头易受到不同程度上的损坏，这不仅会造成一定的经济损失，还会影响整个施工效率。并且，现有的监测系统和判断的方法所依据的信息不够全面，最终得出的结果也不够准确。

发明内容

本发明提供了一种钻机自动钻进监测装置、钻头机构及钻头更换预报系统，以解决难以及时掌握全套管钻机的施工状态的问题。

第一方面，提供了一种钻机自动钻进监测装置，包括扭矩测量传感器、转速传感器、压力传感器、装置壳体，以及固设于所述装置壳体内的高度传感器、数据采集及存储模块、数据信号发射模块、电源模块；

所述扭矩测量传感器、压力传感器均用于安装在钻杆的方头顶部，所述转速传感器用于安装在钻杆的弹簧托盘上；

所述装置壳体用于安装在钻杆内，所述高度传感器、压力传感器、转速传感器、扭矩测量传感器、数据信号发射模块均与所述数据采集及存储模块电连接；所述扭矩测量传感器、高度传感器、压力传感器、转速传感器、数据采集及存储模块、数据信号发射模块均与所述电源模块电连接。

高度传感器用于采集自身所处位置的深度，扭矩测量传感器用于测量钻头体上所受的扭矩力大小，压力传感器用于测量钻头体在钻进的过程中所受到的压力值大小，转速传感器用于测量钻头体钻进的转速值大小，高度传感器、扭矩测量传感器、压力传感器及转速传感器所测量的数据统一传输至数据采集及存储模块中，数据采集及存储模块对接收的测量数据进行存储并通过数据信号发射模块发射到地面监控数据模块。工作前，预先设定高度传感器的采集时间节点或采集时间间隔，便于根据高度传感器测量的采集的数据得到钻头体所处的深度值及钻进的速度值，根据上面所述的装置采集到的监测数据和对数据的计算和分析，进而可及时掌握全套管旋挖钻机的施工状态，并根据施工状态判断是否需要更换钻头，并及时避免钻头损坏。

进一步地，所述装置壳体内顶部固定了一根悬臂摩擦金属轴，所述悬臂摩擦金属轴下端还设置有摩擦阻片，所述摩擦阻片分别连接所述装置壳体内侧和所述悬臂摩擦金属轴表面。

进一步地，所述装置壳体内部还设置有两个连接台，所述连接台与所述装置壳体内侧壁之间及所述连接台与所述悬臂摩擦金属轴之间均设置有滑动摩擦片。滑动摩擦片用于减缓装置壳体及其内的各器件受到的冲击力或震动，起到保护作用。

进一步地，还包括转盘，所述转盘包括可相对旋转的上盘和下盘，所述装置壳体固定安装在所述上盘表面，所述下盘通过横向连接螺栓与钻杆固定连接。整个装置壳体固定安装在转盘的上盘表面上，转盘下盘通过横向连接螺栓与钻杆连接，并可随着钻杆旋转而旋转，而转盘上盘及固设在上盘表面上的装置壳体可处于一个相对静止的状态，一定程度上保护了装置内部的各个器件。

进一步地，所述数据信号发射模块为无线通信模块或有线通信模块。

第二方面，提供了一种钻机钻头机构，包括钻杆、钻头体以及如上所述的钻机自动钻进监测装置；

所述扭矩测量传感器、压力传感器均安装在钻杆的方头顶部，所述转速传感器安装在钻杆的弹簧托盘上，所述装置壳体及固设于所述装置壳体内的高度传感器、数据采集及存储模块、数据信号发射模块、电源模块均设置于所述钻杆内。

该钻头机构工作时，可通过钻机自动钻进监测装置及时掌握全套管旋挖钻机的施工状态，并根据施工状态判断是否需要更换钻头，避免钻头损坏。

第三方面，提供了一种钻机钻头更换预报系统，包括地面监控数据模块、专家数据系统及如上所述的钻机自动钻进监测装置；所述地面监控数据模块包括信号接收模块、处理模块和显示屏，所述信号接收模块及显示屏均与所述处理模块电连接；所述信号接收模块用于与所述数据信号发射模块通信，所述处理模块用于对接所述专家数据系统，通过对接收的采集数据进行计算和决策后将结果传输至所述显示屏进行显示。处理模块将通过专家数据系统决策判断后的数据结果发送至显示屏进行显示，以便工作人员及时观察到全套管旋挖钻机的施工状态。

进一步地，专家数据系统对接收的采集数据进行计算和决策过程包括：

基于所述钻机自动钻进监测装置所采集的数据，得到钻机钻进的指标参数；

通过钻机所处的深度与已知目标地层信息匹配，得到钻机钻进指标参数与地层特性的相互对应关系；其中，地层特性由场地的勘察报告提供，包括地层不同深度土的类型；

基于得到的钻机钻进指标参数采用多目标决策模糊理论并结合钻机钻进指标参数与地层特性的相互对应关系进行综合评价分析，最终得到钻机钻头的施工状态。

更具体的，基于得到的钻机钻进指标参数采用多目标决策模糊理论进行分析时，整个系统所采集的指标参数，按照钻机施工的影响因素组成多目标特征矩阵(决策矩阵)：

式中x

采用目标优属度公式对决策矩阵进行归一化处理，消除量纲不同的影响，并得到指标隶属矩阵：

在指标隶属度矩阵中

由每一行元素的最大值组成系统优向量

由每一行元素的最小值组成系统次向量

若备选对象j以隶属度

由于各评价指标对钻机钻进的施工状态的重要程度是不同的，亦即不同的评价指标应具有不同的权重。因此根据专家打分法，对各个评价指标进行权重分配，即权重向量为：

依据模糊优化决策和评价模型：

该模型距离参数p取值为1，即海明距离，根据最大隶属度原则，准确的评价钻机钻头施工的状态(良好、不佳)。

另外，结合钻机钻进指标参数与地层特性的相互对应关系进行分析包括：根据收集上一次钻头钻进的指标参数与勘测报告的地层特性(土的类型)的对应规则，来判断正在工作的钻头，其钻进指标参数是否与地层特性相匹配，如若不匹配或者相差超过预设阈值，钻机钻头施工状态便也判定为不佳。

进一步地，所述地面监控数据模块还包括与所述处理模块电连接的报警器，当所述专家数据系统判定结果为钻机钻头处于不佳施工状态后，所述处理模块向所述报警器发送报警信号，所述报警器用于接收报警信号后发出报警预报。实现自动及时提供工作人员需要更换钻头。

进一步地，所述信号接收模块为无线信号接收器或有线信号接收器。

有益效果

本发明提出了一种钻机自动钻进监测装置、钻头机构及钻头更换预报系统，高度传感器用于采集自身所处位置的深度，扭矩测量传感器用于测量钻头体上的扭矩力大小，压力传感器用于测量钻头体在钻进的过程中所受到的压力值大小，转速传感器用于测量钻头体钻进的转速值大小。高度传感器、压力传感器、转速传感器及扭矩测量传感器所测量的数据统一传输至数据采集及存储模块中，数据采集及存储模块对接收的测量数据进行存储并通过数据信号发射模块发射到地面监控数据模块。

工作前，预先设定高度传感器和扭矩测量传感器的采集时间节点或采集时间间隔，便于根据高度传感器测量的采集的数据得到钻头体所处的深度值及钻进的速度值，以及根据扭矩测量传感器、压力传感器和转速传感器所采集的数据，进而可及时掌握全套管钻机的施工状态，并根据施工状态判断是否需要更换钻头，并及时避免钻头损坏。该发明结构简单，操作快捷，提供的数据精确度高，为全套管旋挖钻机的施工提供安全保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种钻机钻杆+钻头体机构装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的钻杆机构装置结构示意图；

图3是本发明实施例提供的第一连接台装置结构平面示意图；

图4是本发明实施例提供的一种钻机钻杆+钻头体机构结构示意图；

图5是本发明实施例提供的地面监控数据模块结构示意图；

图6是本发明实施例提供的数据监测结构示意图；

图7是本发明实施例提供的专家数据系统结构示意图；

图8是本发明实施例提供的专家数据系统的决策判断过程结构示意图；

图9是本发明实施例提供的决策和评价的计算模型。

附图标记说明：

1、电源模块；2、滑动摩擦片；3、滑动摩擦片；4、摩擦组片；5、滑动摩擦片；6、滑动摩擦片；7、扭矩测量传感器；8、高度传感器；9、数据采集及存储模块；10、数据信号发射模块；11、悬臂摩擦金属轴；12、转盘；13、地面数据监控模块；14、报警器；15、装置壳体；16、钻杆弹簧；17、第一连接台；18、第二连接台；19、处理模块；20、信号接收模块；21、显示屏；22、钻杆；23、转速传感器；24、压力传感器；25、钻头体；26、销轴、27、方头；28、专家数据系统，29、横向连接螺栓；30、弹簧托盘；31、弹簧下盘。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1

如图1至图4所示，本实施例公开了一种钻机自动钻进监测装置，包括扭矩测量传感器7、转速传感器23、压力传感器24、装置壳体15，以及固设于所述装置壳体15内的高度传感器8、数据采集及存储模块9、数据信号发射模块10、电源模块1；

所述扭矩测量传感器7、压力传感器24均用于安装在钻杆22的方头27顶部，所述转速传感器23用于安装在钻杆22的弹簧托盘30上；

所述装置壳体15用于安装在钻杆22内，所述高度传感器8、压力传感器24、转速传感器23、扭矩测量传感器7、数据信号发射模块10均与所述数据采集及存储模块9电连接，所述扭矩测量传感器7、高度传感器8、压力传感器24、转速传感器23、数据采集及存储模块9、数据信号发射模块10均与所述电源模块1电连接。

高度传感器8用于采集自身所处位置的深度，扭矩测量传感器7用于测量钻头体25上所受的扭矩力大小，压力传感器24用于测量钻头体25在钻进的过程中所受到的压力值大小，转速传感器23用于测量钻头体25钻进的转速值大小，高度传感器8、扭矩测量传感器7、压力传感器24及转速传感器23所测量的数据统一传输至数据采集及存储模块9中，数据采集及存储模块9对接收的测量数据进行存储并通过数据信号发射模块10发射到地面监控数据模块13。工作前，预先设定高度传感器8的采集时间节点或采集时间间隔，便于根据高度传感器8测量的采集的数据得到钻头体25所处的深度值及钻进的速度值，根据上面所述的装置采集到的监测数据和对数据的计算和分析，进而可及时掌握全套管旋挖钻机的施工状态，并根据施工状态判断是否需要更换钻头，并及时避免钻头损坏。

具体的，所述装置壳体15内顶端固定了一根悬臂摩擦金属轴11，所述悬臂摩擦金属轴11下端还设置有摩擦阻片4，所述摩擦阻片4分别连接所述装置壳体15内侧和所述摩擦金属轴11表面。所述摩擦阻片4可增强装置壳体15及其内的各器件的稳定。本实施例中，如图1和图2所述装置壳体15内部还设置有两个连接台，所述连接台17、18与所述装置壳体15内侧壁之间及所述连接台17、18与所述悬臂摩擦金属轴11之间均设置有滑动摩擦片2、5、3、6。摩擦阻片4和滑动摩擦片2、5、3、6用于减缓装置壳体15及其内的各器件受到的冲击力或震动，起到保护作用，延长器件的使用寿命。

本实施例中，还包括转盘12，所述转盘12包括可相对旋转的上盘和下盘，所述装置壳体15固定安装在所述上盘表面，所述下盘通过横向连接螺栓29与钻杆22固定连接。整个装置壳体15固定安装在转盘12的上盘表面上，转盘下盘可随着钻杆22旋转，而上盘及固设在上盘表面上的装置壳体15可处于一个相对静止的状态，一定程度上保护了装置内部的各个器件。

本实施例中，如图1和图3所述，第一连接台17和第二连接台18上还分别设有电源模块1、数据采集及存储模块9、数据信号发射模块10和高度传感器8，当然，需明白的是，数据采集及存储模块9、数据信号发射模块10、高度传感器8及电源模块1的上下排序并不是固定的，可根据实际需要调整排列顺利或者并排设置，所述数据信号发射模块10根据需求可选择为无线通信模块或有线通信模块。

实施例2

如图1至图6所示，本实施例提供了一种钻机钻头机构，包括钻杆22、钻头体25以及如上所述的钻机自动钻进监测装置，所述扭矩测量传感器7安装在钻杆22方头27上端与钻杆弹簧16接口处，所述装置壳体15及固设于所述装置壳体15内的高度传感器8、数据采集及存储模块9、数据信号发射模块10、电源模块1均设置于所述钻杆22内；压力传感器24固设在钻杆22方头27顶端与钻头体25接口处，转速传感器23固设在弹簧托盘30上。当然，所述扭矩测量传感器和压力传感器也可选择都内嵌在钻杆的弹簧下盘31内部。

如图4所示，提供了一种钻机钻杆+钻头体机构，其从上到下依次包括钻杆22、弹簧托盘30、钻杆弹簧16、弹簧下盘31、方头27、钻头体25，方头27与钻头体25之间通过销轴26连接。该钻头机构工作时，可通过钻机自动钻进监测装置及时掌握全套管钻机的施工状态，并根据施工状态判断是否需要更换钻头，避免损坏钻头。本实施例中其他具体实现方案参见实施例1提供的钻机自动钻进监测装置，在此不再赘述。

实施例3

如图1至图9所示，本实施例提供了一种钻机钻头更换预报系统，包括地面监控数据模块13、专家数据系统28及如上所述的钻机自动钻进监测装置；所述地面监控数据模块13包括信号接收模块20、处理模块19、显示屏21，所述信号接收模块20及显示屏21均与所述处理模块19电连接；所述信号接收模块20用于与所述数据信号发射模块10通信，所述处理模块19用于对接所述专家数据系统28，通过对接收的采集数据进行计算和决策后将结果传输至所述显示屏21进行显示。

数据信号发射模块10将高度传感器8采集的深度数据、扭矩测量传感器7采集的扭矩力数据、压力传感器24测量的钻头体25所受压力值和转速传感器23测量的钻头体25的转速数据发送给信号接收模块20，信号接收模块20接收上述数据后发送给处理模块19，处理模块19将接收的数据接入专家数据系统28，处理后数据将发送至显示屏21进行显示，如钻头体所处的深度值、钻头体受到的扭矩力值、钻头体受到的压力值、钻头体的转速值，以及根据预设时间间隔采集的深度值得到的钻进速度值，以便工作人员及时观察到全套管钻机的施工状态，具体实施时，处理模块和显示屏可直接用一PC机来实现。

具体的，如图7至图9所示，专家数据系统对接收的采集数据进行计算和决策过程包括：

基于所述钻机自动钻进监测装置所采集的数据，得到钻机钻进的指标参数；

通过钻机所处的深度与已知目标地层信息匹配，得到钻机钻进指标参数与地层特性的相互对应关系；其中，地层特性由场地的勘察报告提供，包括地层不同深度土的类型；

基于得到的钻机钻进指标参数采用多目标决策模糊理论并结合钻机钻进指标参数与地层特性的相互对应关系进行综合评价分析，最终得到钻机钻头的施工状态。

更具体的，，基于得到的钻机钻进指标参数采用多目标决策模糊理论进行分析时，整个系统所采集的指标参数，按照钻机施工的影响因素(钻机受力特性、钻机速度特性)组成多目标特征矩阵(决策矩阵)：

式中x

采用目标优属度公式对决策矩阵进行归一化处理，消除量纲不同的影响，并得到指标隶属矩阵：

在指标隶属度矩阵中

由每一行元素的最大值组成系统优向量

由每一行元素的最小值组成系统次向量

若备选对象j以隶属度

由于各评价指标对钻机钻进的施工状态的重要程度是不同的，亦即不同的评价指标应具有不同的权重。因此根据专家打分法，对各个评价指标进行权重分配，即权重向量为：

依据模糊优化决策和评价模型：

该模型距离参数p取值为1，即海明距离，根据最大隶属度原则，准确的评价钻机钻头施工的状态(良好、不佳)。

另外，结合钻机钻进指标参数与地层特性的相互对应关系进行分析包括：根据收集上一次钻头钻进的特征参数与勘测报告的地层特性(土的类型)的对应规则，来判断正在工作的钻头，其钻进特征参数是否与地层特性相匹配，如若不匹配或者相差超过预设阈值，钻机钻头施工状态便也判定为不佳。

优选的，所述专家数据系统28还具有自主学习功能，能根据每次钻机钻进的数据不断完善内部决策判断条件，所述专家数据系统所储存的每一次数据，都可为下一次决策判断作为可靠的依据。

所述地面监控数据模块13还包括与所述处理模块电连接的报警器14，当所述专家数据系统28判定结果为钻机钻头处于不佳施工状态后，所述处理模块19向所述报警器14发送报警信号，所述报警器14用于接收报警信号后发出报警预报。实现自动及时提供工作人员需要更换钻头。

处理模块19将通过专家数据系统28决策判断后的数据结果发送至显示屏21进行显示，以便工作人员及时观察到全套管钻机的施工状态。

实施时，所述信号接收模块20为无线信号接收器或有线信号接收器。当信号接收模块20为有线信号接收器时，其与数据信号发射模块10之间通过数据线连接；当信号接收模块20为无线信号接收器时，其与数据信号发射模块10之间可选择通过3G/4G或NB-IoT等物联网方式连接。

使用该钻头更换预报系统时，专家数据系统通过对钻机钻进所采集的数据分析，综合评价出当前钻头的施工状态，若评价结果为良好，钻机钻进继续，若评价结果为不佳或者钻机钻进所提取的特征参数与目标地层信息不匹配时，报警器报警并提示需要更换刚度更大的钻头。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

上述实施例提供的一种钻机自动钻进监测装置、钻头机构及钻头更换预报系统，具有如下优点：

(1)通过实时反应钻头体所受的扭矩值大小和钻头钻进的速度值、钻头体所受压力值和钻头体转速值大小，可通过专家数据系统可自动监控旋钻钻机的工作状态，并可自动发出报警，提醒更换钻头，提高作业效率。

(2)该套装置系统通过各模块的相互工作，可自动采集并分析数据，减少人为的操作误差。

(3)设置在装置壳体内部的摩擦阻片和滑动摩擦片，能够最大程度上保护外壳体内部的装置模块，提高装置的可靠性和使用寿命。

(4)整套装置结构设置简单，操作快捷，提供的数据精确度高，为套管旋钻钻机的施工提供安全保障。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。