旋挖钻机钻杆工作状态监控预警保护模拟可视系统的制作方法

1.本发明涉及旋挖钻机钻杆保护技术领域，具体涉及一种旋挖钻机钻杆工作状态监控预警保护模拟可视系统。


背景技术：

2.旋挖钻机的钻杆为多节大套小可伸缩结构。从外朝内数分别是；1节杆，2节杆，3节杆，
……
以此类推。根据钻杆的型号，有不同的节数。钻杆工作时下放的过程当中开始整根钻杆一起下放，当一节杆上部落到动力头上以后，被动力头缓冲支座托住，一节杆停止下行动作。主卷扬机继续下放，二节和三节继续下行。二节和三节同步下放到一节底部后二节上部的挡环(或活动环)被一节底部驱动段托住。二节杆停止下行动作，三节杆继续下行。三节杆下放到二节杆底部后，三节杆被二节杆底部托住。以此类推，节数更多的钻杆工作原理一样。
3.内部钻杆的顶部结构的端部的那一圈凸起的圆环叫导向环。在导向环下部大约0.2
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0.5米的位置那个凸起的圆环叫；活动环。它的作用是落到它外边的钻杆底部时，被驱动段内部的钢板担住，防止这节钻杆和它外面的那一节脱开。
4.外节杆的减震法兰上面装有减震垫。它的作用是钻杆落到动力头上时。动力头上部减震座把它担住，这时这节钻杆就不能继续下行，它内部的钻杆继续下行。
5.每节杆最底部，在它的内部焊接有三块钢板。这节钻杆的最底部的一米左右长的这一段长度。名称叫；驱动段，(或驱动节)；它的作用是带动它内部的那一节钻杆转动。驱动段通常都在它内部的那节钻杆的加压槽内工作，根据钻孔从浅到深钻进，从它内部的那节钻杆的最底部加压槽以次换到顶部的加压槽内工作。增加钻杆的长度。
6.外节杆(第一节杆)下放到动力头上被动力头托住以后。继续下放的过程当中，每节杆都要按顺序(1节杆
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2节杆
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3节杆)下放到它对应的外节杆的底部被托住后，下一节杆才能放出，提升的时候也一样，只是顺序相反(3节杆
‑
2节杆
‑
1节杆)。钻杆的节数由钻杆型号确定，原理一样。当下放或提升的过程当中。某节钻杆没有下放到它对应的外节杆的底部或提升到它对应的外节杆的顶部就卡住不动，就叫卡杆(带杆)。
7.如果在下放的工况下不能及时发现卡杆(带杆)，继续下放。底部托住这节被卡钻杆的分水盘(分水盘起到从钻杆的底部托住每一节钻杆的作用)就会随内部的那节杆提前离开被卡的这节钻杆。如果是在提升的工况下，继续提升，这节杆的底部没有接触到分水盘就会提前向上运动。造成被卡住的这节钻杆的底部没有被分水盘托住。
8.由于底部没有被分水盘托住，上部又没有落到它对应的外节杆的底部被担起。造成这节钻杆的悬空状态。万一卡不住，这节被卡住的悬空状态的钻杆会出现像自由落体一样砸下去的状态。这种状态就叫砸杆。砸杆对钻机会带来非常严重的损坏。
9.目前旋挖钻机上没有与本系统相同的技术路线旋挖钻机钻杆卡杆砸杆预警保护系统。有些钻机安装有厂家的钻杆触底保护功能。这个钻杆触底保护功能的作用是钻杆触底后及时停止主卷扬下放动作，防止机手操作失误，在钻杆放到底部后没有及时手动停止
主卷扬下放动作，造成钢丝绳乱绳。触底保护功能的作用是保护钢丝绳不乱绳。它没有监控保护钻杆的功能。
10.触底保护功能的工作原理是通过系统接收主卷扬钢丝绳拉力的重力传感器的信号。
11.当钻杆放到孔底后被孔底托住，钢丝绳上没有钻杆的重量产生的拉力。系统接收到没有拉力的信号后，就切断主卷扬下放动作。及时停止主卷扬机的下放动作，防止卷扬机继续下放引起钢丝绳乱绳。
12.由于钻杆在提升下放过程当中出现带杆，卡杆等异常情况时，最内部和钢丝绳连接的那节钻杆由于没有接触到孔的底部，钢丝绳上还承受它的重量，因此它监测不到钻杆带杆卡杆的异常状态。不能及时停止主卷扬机的下放或提升动作，用来保护钻杆。


技术实现要素：

13.本发明的目的在于提供旋挖钻机钻杆工作状态监控预警保护模拟可视系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
14.根据本发明，提供了一种旋挖钻机钻杆工作状态监控预警保护模拟可视系统，包括：显示控制一体机、主卷扬深度传感器、动力头位置传感器、和动力头重量传感器；其中，显示控制一体机连接电源并且连接至具有执行功能的液压元件或电器元件，而且显示控制一体机连接用于测量钻孔深度的主卷扬深度传感器，显示控制一体机连接用于监测动力头位置的动力头位置传感器以及用于监测动力头重量的动力头重量传感器；而且，主卷扬深度传感器固定安装于旋挖钻机的主卷扬上或与钢丝绳有关联的部件上；动力头位置传感器固定安装于旋挖钻机的桅杆或动力头上或与它们相连的部件上，传感器的两端分别安装在动力头和桅杆上，用于测量动力头在桅杆上的位置；动力头重力传感器安装在动力头与加压油缸连接的销轴上、或安装在其它能够测量到动力头重量变化的与动力头直接或间接连接的部件上。
15.优选地，动力头位置传感器通过监测动力头的位置变化来修正动力头的重量变化瞬间所对应的主卷扬深度。
16.优选地，动力头位置传感器是拉线式动力头位置传感器，该拉线式传感器固定在桅杆上，该拉线式传感器的拉线端固定在动力头上。或者该拉线传感器安装在动力头上，拉线端安装在桅杆上。动力头在桅杆上做上下运动时，拉出的线的长度随动力头的运动位置变化，从而监测动力头在桅杆上的位置。
17.优选地，具有执行功能的液压元件或电器元件是控制主卷扬动作的执行元件。
18.优选地，显示控制一体机利用主卷扬深度参数、动力头在桅杆上的相对位置参数、动力头重量参数、钻杆技术参数，、通过预定算法计算出理论参数，通过理论参数和主卷扬深度传感器输出的实际深度参数的对比来监测钻杆工作状态，确定是否报警并控制主卷扬机是否停止，保护钻杆防止砸杆，防止冲顶。
19.优选地，显示控制一体机在实际测量数值和理论数值相同时判断为正常，在实际测量数值和理论数值不相同时判断为异常。
20.优选地，显示控制一体机在监测到的数值在理论数值之内时判断为正常，在监测到的数值大于理论数值时判断为异常。
21.优选地，显示控制一体机计算出每节钻杆落到对应的外节杆底部的深度位置参数，再结合重量传感器测量的动力头重量信号，根据每节钻杆落到它对应的外节杆的底部被担住时重量就由主卷钢丝绳上转移到对应的外节杆上并最终转移到动力头上的规律，在动力头重量的传感器发出接近或达到该节杆的重量变化的信号的瞬间，根基该节杆的实际深度和该节杆落到或离开对应的外节杆底部的理论深度是否一致来判断钻杆工作状态是否正常。
22.本发明可以准确计算出每节钻杆落到它对应的外节杆底部的深度位置参数，再结合重量传感器测量的动力头重量(重力)信号，根据每节钻杆落到它对应的外节杆的底部被担住，它的重量就由主卷钢丝绳上转移到它对应的外节杆上并最终转移到动力头上的规律，就可以根据规律在动力头重量的传感器发出接近或达到这节杆的重量变化的信号瞬间，这节杆的实际深度和这节杆落到或离开它对应的外节杆底部的理论深度是否一致来判断钻杆工作状态是否正常，从而达到对钻杆的监控和保护。
附图说明
23.结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
24.图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的旋挖钻机钻杆工作状态监控预警保护模拟可视系统的框图。
25.需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的旋挖钻机钻杆工作状态监控预警保护模拟可视系统的框图。
29.如图1所示，根据本发明优选实施例的旋挖钻机钻杆工作状态监控预警保护模拟可视系统包括：显示控制一体机、主卷扬深度传感器、动力头位置传感器、和动力头重量传感器。
30.显示控制一体机连接电源并且连接至具有执行功能的液压元件或电器元件，而且显示控制一体机连接用于测量钻孔深度的主卷扬深度传感器，显示控制一体机连接用于监测动力头位置的动力头位置传感器以及用于监测动力头重量的动力头重量传感器。
31.而且，主卷扬深度传感器固定安装于旋挖钻机的主卷扬上或与钢丝绳有关联的部件上；动力头位置传感器固定安装于旋挖钻机的桅杆或动力头上或与它们相连的部件上，把动力头和桅杆连接起来，用于测量动力头在桅杆上的位置；动力头重力传感器安装在动力头与加压油缸连接的销轴上、或安装在其它能够测量到动力头重量变化的与动力头直接或间接连接接的部件上。
32.实际上，动力头位置传感器的作用是监测动力头的位置变化，来修正动力头的重量变化瞬间所对应的主卷扬深度。
33.优选地，动力头位置传感器是拉线式动力头位置传感器，该拉线式传感器固定在桅杆上，它的拉线端固定在动力头上，动力头在桅杆上做上下运动时，拉出的线的长度随动力头的运动变化，就可以监测动力头在桅杆上的位置。
34.利用主卷扬深度参数，动力头在桅杆上的相对位置参数，动力头重量参数，钻杆技术参数，输入系统通过一定的算法计算出理论参数。通过理论参数和主卷扬深度传感器输出的实际深度参数的对比；来监测钻杆工作状态，确定是否报警并控制主卷扬机停止，保护钻杆防止砸杆，防止冲顶。
35.优选地，具有执行功能的液压元件或电器元件是控制主卷扬动作的执行元件。执行控制器发出的用于控制主卷扬机停止的指令。其电源一般不需要专门的电源，都是直接使用机械上的供电系统，它提供整个系统的用电需求。
36.主卷扬深度传感器是信号输出元件，通过安装主卷扬深度传感器，监测钻杆在孔内的实际深度。动力头位置传感器固定安装于旋挖钻机的动力头或桅杆上，动力头位置传感器，是信号输出元件，它向控制器速出动力头相对与桅杆的位置信号，用来检测动力头在桅杆上的位置。动力头重力传感器固定安装在动力头与加压油缸或其它与动力头直接或间接连接的部件上，动力头重量传感器，是信号输出元件用于检测压在动力头上钻杆重量的变化，并把信号输出给控制器。
37.系统为旋挖钻机钻杆工作状态监控预警保护模拟可视系统，测量动力头在桅杆上的位置的动力头位置传感器的信号，测量钻孔深度的主卷扬深度传感器的信号，结合钻杆的长度技术参数，利用钻杆的深度信息，动力头相对桅杆的位置信息，动力头重量的变化信息，钻杆的尺寸参数，桅杆的尺寸参数，来计算钻杆驱动段和加压点相对理论深度位置，利用传感器输出的参数来监测钻杆的驱动段和加压点的实际深度位置。
38.优选地，显示控制一体机包括程序安装运行模块、接收传感器信号模块、输出控制信号模块、人机交流模块、信息显示模块、程序标定模块、和参数设置模块。由此，可以用理论位置参数和实际位置参数对比并动画显示来方便机手操作。可以用理论参数和实际参数来对比。用于监测钻杆的工作状态是否正常。系统可以根据正常或异常来确定是否输出指令报警并控制主卷扬机停止。保护钻杆防止砸杆，防止冲顶。
39.监测带杆由三个传感器互相配合工作，结合钻杆参数，完成带杆监控。根据钻杆的结构和工作特点。钻杆的重量是由主卷扬钢丝绳承担，它下放到动力头上时，第1节杆的重量就转移到动力头上。继续下放钻杆。2节杆(包括内部其它节杆)下放到1节杆的底部，2节杆被第1节杆底部的驱动套担住。2节杆的重量传到一节杆上，并最终通过一节杆传递到动力头上的规律。(其它节杆以此类推)设计监控原理。
40.采用具体数据的举例说明：
41.钻杆参数举例：每节钻杆长度10米，钻杆加压点间距5米，每节钻杆重量5吨。
42.钻杆落到动力头上的瞬间。主卷扬深度显示是10米。动力头显示5吨。根据钻杆长度参数10米推算。主卷扬下放到20米，2节杆落到1节杆底部被1节杆驱动套担住的时候。2节杆的重量才会从钢丝绳上转移到一节杆上。并最终通过一节杆转移到动力头上。对应的深度是20米，重量是10吨。如果钻杆下放从10米到小于20米之间的深度出现重量传感器显示10吨，就说明2节杆在下放的过程中被1节杆卡住了，2节杆的重量提前传递到了1节杆上。系统就判断为卡杆。
43.又例如，在主卷扬显示10米的瞬间一节杆落到动力头上显示5吨。根据钻杆长度参数10米推算，动力头显示(一节杆5吨+二节杆5吨＝10吨)10吨时主卷深度应是20米。在这过程当中，动力头如果下行2米。对应的动力头显示10吨时的深度应该是20+2＝22米。反之动力头如果上行2米，对应的动力头显示10吨时的深度应该是20
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2＝18米。
44.提升时的监测原理和下放时的监测原理一样，都是在对应的深度节点对应具体的理论数值。如果实际测量数值和理论数值相同，系统判断为正常。如果不一样，系统即判断为异，发出指令停止动作，并报警。
45.此外，比如，在钻杆落到动力头上显示5吨重量的瞬间，假如对应的主卷扬深度是10米。根据钻杆加压点的间距是5米这个参数。就可以设定对应的加压点10+5＝15米。即深度显示15米的时候，可以判定驱动套和对应的加压点在同一深度。可以加压工作。
46.其它监测功能原理一样，只是监测的项目不同，不同的项目对应不同的数值。设定好具体项目的理论数值与实际监测到的数值对比就可以。如果监测到的数值在理论数值之内，系统判断为正常，如果大于理论数值，判断为异常。并发出指令，停止主卷扬机动作。
47.又比如，桅杆长度20米，动力头在桅杆的底部。卷扬机在拉钻杆上行时，从钻杆离开动力头的一瞬间开始(信号有动力头重量传感器提供)。钻杆上行不能大于桅杆长度20米，可以设定19米为报警数值。即从钻杆离开动力头的瞬间开始计算，上行距离不大于设定的19是正常的，达到19米系统发出指令，停止主卷扬机动作。保护钻机。
48.总而言之，与现有技术相比，本发明提供了旋挖钻机钻杆工作状态监控预警保护模拟可视系统。具备以下有益效果：
49.1可以及时发现钻杆在工作中出现的带杆(卡杆)问题。并及时停止动作，防止砸杆，保护钻机。
50.2可以动画显示驱动段和加压点的位置，方便机手操作。
51.3可以监控钻杆与桅杆的相对位置，异常时及时停止主卷扬机。防止机手操作失误。提升钻杆过高，撞坏随动架，滑轮等部件。
52.此外，需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
53.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
54.可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。