一种旋挖钻机钻进方法、装置及旋挖钻机

技术领域

本发明属于旋挖钻机技术领域，具体涉及一种旋挖钻机钻进方法、装置及旋挖钻机。

背景技术

旋挖钻机是基础施工机械，在地层打桩行业应用广泛，技术比较成熟。钻进过程中，输入对地压力与转速，输出钻进扭矩与钻进速度。

现有技术在对地压力控制方面主要依靠机手经验，机手通过加压手柄，间歇向下推进加压油缸，从而将加压力施加到地面上。在对地压力控制方面，将机手操作的一个循环作为分析对象，分为加压前半程与后半程。在机手加压的前半程，对地压力大，钻齿会有比较大的侵入深度，此时钻进所需要的扭矩T比较大，往往伴随着钻齿的过快磨损；在机手加压的后半程，随着钻进深度的增加，对地压力逐渐降低，此时钻齿会有比较小的侵入深度，因此需要的扭矩T比较小，在这种状态下钻进效率较低，从而造成因侵入深度太小导致的能量浪费。

现有技术在转速控制方面，主要通过设备预设的模式。当前设备往往有几个工作模式，例如快速模式、中速模式、快速入岩模式、入岩模式等，而模式需要机手进行选择，在不同的钻进模式下，设定不同的动力头马达电流变化区间，从而根据动力头马达反馈的压力大小线性调节马达排量，从而有不同的转速输出。在转速控制方面，当前的转速控制基本是基于机手进行控制，对机手经验的依赖程度大。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种旋挖钻机钻进方法、装置、系统及旋挖钻机，能在钻进过程中自动选择对地压力和转速，从而使扭矩保持在最佳状态。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

第一方面，提供一种旋挖钻机钻进方法，包括：获取当前地层的单轴抗压强度；根据当前地层的单轴抗压强度在预设专家库调取当前地层的单齿承载力，根据当前地层的单齿承载力及钻具参数获取当前地层对地压力，根据当前地层对地压力从训练好的扭矩预测模型中获得预测扭矩，根据预测扭矩和主机能力范围获取优选对地压力；以优选对地压力和自适应转速为输入参数控制旋挖钻机的钻进。

结合第一方面，获取当前地层的单轴抗压强度的方法，包括：以输入的初始对地压力及根据系统压力调定的转速对当前地层进行恒压钻进，并记录钻进过程数据；根据钻进过程数据计算获得当前地层的单轴抗压强度。

结合第一方面，根据钻进过程数据计算获得当前地层的单轴抗压强度，具体为：根据钻进理论，在对地压力F

其中，α为截齿的锥顶角，β为截齿焊接角度，σ为当前地层的单轴抗压强度，F

其中，F

根据钻进过程数据，侵深h通过公式(2)获得：

其中，V表示钻头向下钻进速度，n表示钻头转转速度；

联合公式(1)、公式(2)，计算得到当前地层的单轴抗压强度σ。

结合第一方面，根据当前地层对地压力从训练好的扭矩预测模型中获得预测扭矩，包括：

根据扭矩模型预测在对地压力F

其中，

从而预测扭矩T＝F

其中，d为钻具直径，n1为齿数。

结合第一方面，根据预测扭矩和主机能力范围获取优选对地压力，包括：将预测扭矩与主机能力范围进行比较，当预测扭矩不小于主机最大扭矩的设定百分比之后，不进行该对地压力输入，而是对预设专家库调取的对应地层的单齿承载力进行降级使用；当预测扭矩小于主机最大扭矩的设定百分比之后，采用预设专家库调取的对应地层的单齿承载力。

结合第一方面，自适应转速的获取方法，包括：采用系统恒定压力范围控制，调节马达排量使系统工作在系统目标压力范围，包括设定系统工作压力范围，当系统压力高于设定值后增加马达排量，使系统压力降低；系统压力低于设定值后，降低马达排量，使系统压力升高；从而使钻进过程拥有符合设定要求的旋转速度。

第二方面，提供一种旋挖钻机钻进装置，包括：地层强度计算模块，用于获取当前地层的单轴抗压强度；优选对地压力模块，用于根据当前地层的单轴抗压强度在预设专家库调取当前地层的单齿承载力，根据当前地层的单齿承载力及钻具参数获取当前地层对地压力，根据当前地层对地压力从训练好的扭矩预测模型中获得预测扭矩，根据预测扭矩和主机能力范围获取优选对地压力；对地压力执行模块，用于以优选对地压力和自适应转速为输入参数控制旋挖钻机的钻进。

结合第二方面，地层强度计算模块以输入的初始对地压力及根据系统压力调定的转速对当前地层进行恒压钻进，并记录钻进过程数据；根据钻进过程数据计算获得当前地层的单轴抗压强度。

结合第二方面，根据钻进过程数据计算获得当前地层的单轴抗压强度，具体为：

根据钻进理论，在对地压力F

其中，α为截齿的锥顶角，β为截齿焊接角度，σ为当前地层的单轴抗压强度，F

其中，F

根据钻进过程数据，侵深h通过公式(2)获得：

其中，V表示钻头向下钻进速度，n表示钻头转转速度；

联合公式(1)、公式(2)，计算得到当前地层的单轴抗压强度σ。

结合第二方面，根据当前地层对地压力从训练好的扭矩预测模型中获得预测扭矩，包括：

根据扭矩模型预测在对地压力F

其中，

从而预测扭矩T＝F

其中，d为钻具直径，n1为齿数。

结合第二方面，根据预测扭矩和主机能力范围获取优选对地压力，包括：将预测扭矩与主机能力范围进行比较，当预测扭矩不小于主机最大扭矩的设定百分比之后，不进行该对地压力输入，而是对预设专家库调取的对应地层的单齿承载力进行降级使用；当预测扭矩小于主机最大扭矩的设定百分比之后，采用预设专家库调取的对应地层的单齿承载力。

结合第二方面，还包括：转速适应模块，用于获取自适应转速，具体为：采用系统恒定压力范围控制，调节马达排量使系统工作在系统目标压力范围，包括设定系统工作压力范围，当系统压力高于设定值后增加马达排量，使系统压力降低；系统压力低于设定值后，降低马达排量，使系统压力升高；从而使钻进过程拥有符合设定要求的旋转速度；参数输入模块，用于在没有优选对地压力时进行机手输入。

第三方面，提供一种旋挖钻机，所述旋挖钻机配置有第二方面所述的旋挖钻机钻进装置。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明根据当前地层的单轴抗压强度在预设专家库调取当前地层的单齿承载力，根据当前地层的单齿承载力及钻具参数获取当前地层对地压力，根据当前地层对地压力从训练好的扭矩预测模型中获得预测扭矩，根据预测扭矩和主机能力范围获取优选对地压力；以优选对地压力和自适应转速为输入参数控制旋挖钻机的钻进。该方案能在钻进过程中根据地层种类与设备能力，自动选择对地压力与转速自适应调节，从而使扭矩保持在最佳状态。

附图说明

图1是现有技术中旋挖钻机的输入输出控制逻辑示意图；

图2是旋挖钻机在钻进过程中的钻进侵深示意图；

图3是本发明整体控制逻辑示意图；

图4是本发明优选对地压力模块示意图；

图5是转速适应模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

旋挖钻机钻进过程中，输入对地压力与转速，输出钻进扭矩与钻进速度，输入输出逻辑如图1所示。本发明主要涉及到对地压力的控制方法与转速的控制方法，通过对机手控制对地压力钻进方法弊端的分析，本发明提出了一种全新的旋挖钻机钻进方法。

实施例一：

如图2～图5所示，一种旋挖钻机钻进方法，包括：获取当前地层的单轴抗压强度；根据当前地层的单轴抗压强度在预设专家库调取当前地层的单齿承载力，根据当前地层的单齿承载力及钻具参数获取当前地层对地压力，根据当前地层对地压力从训练好的扭矩预测模型中获得预测扭矩，根据预测扭矩和主机能力范围获取优选对地压力；以优选对地压力和自适应转速为输入参数控制旋挖钻机的钻进。

首先获取当前地层的单轴抗压强度，包括：以输入的初始对地压力及根据系统压力调定的转速对当前地层进行恒压钻进，并记录钻进过程数据；根据钻进过程数据计算获得当前地层的单轴抗压强度。

如图2所示，根据现有的钻进理论，在对地压力F

其中，α为截齿的锥顶角，为设备固有参数，β为截齿焊接角度，为设备固有参数，σ为当前地层的单轴抗压强度；由此在对地压力F

其中，F

同时，根据钻进过程数据，侵深h还可以通过公式(2)获得：

其中，V表示钻头向下钻进速度，n表示钻头旋转速度；

联合公式(1)、公式(2)，计算得到当前地层的单轴抗压强度，从而得知当前地层岩石强度情况。

根据当前地层的单轴抗压强度在预设专家库调取对应地层的单齿承载力，根据当前钻具齿数获取当前地层对地压力；进而从训练好的扭矩预测模型中获得预测扭矩，根据主机能力获取优选对地压力；进一步的采用系统恒定压力范围控制，调节马达排量使系统工作在系统目标压力范围。最终目标为以优选对地压力和自适应转速适应值作为旋挖钻机钻进的输入控制旋挖钻机的钻进。本发明能在钻进过程中自动选择对地压力和转速适应，从而适应地层的变化进行控制。

根据当前地层对地压力从训练好的扭矩预测模型中获得预测扭矩，包括：

根据扭矩模型预测在对地压力F

其中，

从而预测扭矩T＝F

其中，d为钻具直径，n1为齿数。

根据主机能力优选对地压力，包括：预测扭矩与设备最大扭矩范围进行比较，当预测扭矩超过设备最大能力一定百分比之后，不进行该对地压力输入，而是将预设专家库调取对应地层的单齿承载力降级使用，避免扭矩过大导致的钻进扭矩超出设备能力范围。

采用系统恒定压力范围控制，调节马达排量使系统工作在系统目标压力范围，包括设定系统工作压力范围，系统压力高于设定值后增加马达排量，使系统压力降低。系统压力低于设定值后，降低马达排量，使系统压力升高。从而使钻进过程拥有尽可能高的旋转速度，提升钻进效率。

本发明基于地层的单轴抗压强度进行对地压力输入，使钻进扭矩处于最佳钻进状态，避免截齿的过量磨损与低效施工，提升系统效率；根据预测扭矩大小智能控制马达排量，避免出现马达排量设定太低导致的系统能量利用率低和马达工作效率低的问题。实现设备自主输入，降低了机手的劳动强度。

实施例二：

基于实施例一所述的一种旋挖钻机钻进方法，本实施例提供一种旋挖钻机钻进装置，包括：

地层强度计算模块，用于获取当前地层的单轴抗压强度；

优选对地压力模块，用于根据当前地层的单轴抗压强度在预设专家库调取当前地层的单齿承载力，根据当前地层的单齿承载力及钻具参数获取当前地层对地压力，根据当前地层对地压力从训练好的扭矩预测模型中获得预测扭矩，根据预测扭矩和主机能力范围获取优选对地压力；

对地压力执行模块，用于以优选对地压力和自适应转速为输入参数控制旋挖钻机的钻进；

转速适应模块，用于获取自适应转速，具体为：采用系统恒定压力范围控制，调节马达排量使系统工作在系统目标压力范围，包括设定系统工作压力范围，当系统压力高于设定值后增加马达排量，使系统压力降低；系统压力低于设定值后，降低马达排量，使系统压力升高；从而使钻进过程拥有符合设定要求的旋转速度；

参数输入模块，用于在没有优选对地压力时进行机手输入。

实施例三：

基于实施例二所述的一种旋挖钻机钻进装置，本实施例提供一种旋挖钻机，所述旋挖钻机配置有实施例二所述的旋挖钻机钻进装置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。