[发明专利]一种工程地质钻机回转钻进比例控制系统

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种工程地质钻机回转钻进比例控制系统，适用于机械领域。

背景技术

随着国内城市建设的快速发展，对城市地质调查工作提出了更高要求。目前，工程地质参数随钻测量技术正逐渐成为一种新的发展趋势，即在钻探过程中同步检测地层电阻率、密度、孔隙水压力、地层承载力和变形模量等地层参数。该技术是岩土工程勘察技术手段的创新，将进一步推动我国工程地质勘察钻探技术的发展。钻机作为系统工作平台具有非常重要的作用，为了提高数据测量的准确性和可靠性，要求钻柱给进与回转运动平稳、振动小，负载适应能力强，因此钻机液压系统必须具备良好的钻进控制能力，且功率损耗小，节能效率高。给进力和切削转速是回转钻进中最重要的控制参数。

发明内容

本发明提出了一种工程地质钻机回转钻进比例控制系统，其中给进系统采用比例调压泵控制给进力，而回转系统则通过比例排量控制泵调节负载流量，进而控制转速。通过采取合理的技术措施，如缩短连接管道、采用斜坡控制信号和合理的控制压力等，回转钻进系统具有调压和调速准确、负载适应能力强、抗干扰和低功耗等特点，具备良好的钻进控制能力。

本发明所采用的技术方案是。

所述控制系统中，由比例调压泵组成的给进系统能根据负载特性的变化，自动调整系统运行状态，实现压力和流量的最佳匹配，具有较高的能量利用率，满足了给进力控制要求；另外，应将比例压力阀安装在泵体附近，尽量减小连接管道长度，以确保系统工作稳定性和可靠性。

所述控制油缸活塞的位置控制系统采用位移一力反馈控制方式，即将控制油缸活塞的位移通过反馈弹簧形成弹簧力，并与控制阀芯的驱动力(电磁力)进行比较，构成位置反馈系统的比较环节。这样通过控制器向电比例控制阀输入控制电压，产生所需电磁驱动力，在位置反馈机构的作用下，控制油缸活塞的位移，使变量泵按照要求调节排量，进而控制系统流量和执行机构运动速度。

本发明的有益效果是：该回转钻进比例控制系统具有调压/调速准确、负载适应能力、抗干扰和低功耗等特点，具备良好的钻进控制能，为满足不同工况条件下的优化钻进提供了技术保强力障。

附图说明

图1是本发明的给进系统控制原理图。

图2是本发明的回转系统控制原理图。

图中：1.变量泵体；2.控制油缸；3.恒压阀；4.比例阀；5.换向阀；6.给进油缸；7.变量泵体；8.控制油缸；9.比例阀；10.换向阀；11.回转马达。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，给进机构的主要功能是调节给进力，并满足负载对给进速度的要求。比例调压阀4与R₁构成B型半桥，液桥输出压力P_c操作恒压阀3，通过阀的启闭调整控制油缸2的位置。恒压阀3是一个中间放大环节，通过阀芯的压差-位移转换作用，将液桥输出P_c和Q_c放大为能驱动控制油缸的压力P_x和流量Q_x。同时，恒压阀3又是一个检测反馈元件，阀芯的力平衡条件形成被控参数P_L的反馈闭环。只有当液阻R₁两端压差等于恒压阀3设定压差却时，恒压阀才能保持在平衡位置。在采集油缸上下腔的压力信号后，控制器经过分析向电比例调压阀输出控制电压，调整液桥输出压力P_c值，进而控制给进压力大小。

AMESim是法国Imagme公司推出的基于键合图的液压系统仿真软件，该软件为用户提供了时域仿真建模环境，可使用已有的模型库或建立新的子模型元件，构建所需要的实际模型。作者用AMESim软件建立给进系统仿真模型。负载采用简化钻杆模型，钻杆质量平均分布于上下两个质量单元，中间用一个弹簧连接，模拟钻杆柱轴向伸缩特性；另外，用阻尼元件模拟钻头破岩效率，即给进力与钻进速度的关系，并可以通过信号单元实时进行调整，以反映地层变化对钻速的影响；恒压阀弹簧预压力调定为2MPa，先导控制流量为1.5L/min。

在2s内，系统压力保持在8MPa左右，2s后压力跃升至18MPa和20MPa。系统阶跃响应快，超调量较小，调压时间短，精度高。另外，由于比例压力阀调压精度影响，压力调节存在一定偏差，但对给进力控制影响不大。