一種潛孔鑽定向調整裝置及其定向調整方法與流程
2023-09-20 09:22:25
本發明屬於潛孔鑽技術領域，具體涉及一種潛孔鑽定向調整裝置及其定向調整方法。
背景技術：
目前長管棚施工中管棚安裝前的鑽孔較多使用潛孔鑽作為鑽機，而長期困擾長管棚施工時一個問題就是管棚安裝前的鑽孔偏斜，衝擊器作用在潛孔鑽鑽杆由上向下鑽進，在遇到土質結構密度不同的部位或者鑽進到巖石上時，鑽杆因為外力的作用會發生鑽孔偏斜。由於鑽杆鑽入到地下，鑽杆發生偏斜後不容易發現，即使發現鑽杆發生偏斜，其處理方式需要將衝擊器連通鑽杆一同從地下取出重新進行矯正鑽孔，這種方式嚴重影響了潛孔鑽的施工效率。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題是：針對現有的潛孔鑽存在的偏斜不易發現和偏斜矯正困難的缺陷，提供一種潛孔鑽定向調整裝置及其定向調整方法，實現潛孔鑽定向調整鑽孔方向，提高潛孔鑽施工效率。
本發明採用如下技術方案實現：
一種潛孔鑽定向調整裝置，包括設置在潛孔鑽鑽杆和衝擊器之間的十字軸連接組件，所述十字軸連接組件包括十字軸上節、十字軸、十字軸下節和若干調整油缸，所述十字軸上節與潛孔鑽鑽杆固定對接，所述十字軸下節與衝擊器固定對接，所述十字軸上節和十字軸下節之間通過十字軸呈萬向連接，所述調整油缸連接設置在十字軸上節和十字軸下節之間，所述調整油缸分別相對於十字軸的兩個軸線對稱布置。
進一步的，所述十字軸上節和十字軸下節內設有連通的氣道和水道，所述氣道靠近十字軸上節的一端與潛孔鑽的氣路管道連通，靠近十字軸下節的一端與衝擊器連接，實現衝擊器的氣動驅動；所述水道與潛孔鑽的出水管道連通，用於輸出鑽孔產生的泥水。
進一步的，所述十字軸上節和十字軸下節分別設有可拆卸的上接頭和下接頭，所述十字軸上節和十字軸下節分別通過所述上接頭和下接頭與潛孔鑽鑽杆和下接頭連接，所述調整油缸連接的液壓泵送模組和液壓閥組集成設置在十字軸上節和上接頭之間或十字軸下節和下接頭之間的空腔內。
進一步的，所述液壓泵送模組包括液壓油泵和液壓油箱，所述液壓油泵採用風動馬達作為動力源，所述風動馬達通過所述氣道供氣。
本發明的一種潛孔鑽定向調整裝置中還包括姿態處理模組，所述姿態處理模組包括三軸傾角姿態處理器、三軸傾角傳感器模塊、姿態控制輸出模塊、姿態控制指令通訊模塊和電源模塊；
其中，所述三軸傾角傳感器模塊檢測潛孔鑽的實時鑽進方向，所述三軸傾角傳感器模塊與三軸傾角姿態處理器以及姿態控制輸出模塊依次連接；
所述三軸傾角姿態處理器對比計算潛孔鑽的實時鑽進方向與設定鑽進方向，並通過姿態控制輸出模塊連接至潛孔鑽驅動控制模塊和調整油缸的液壓閥組控制模塊；
所述電源模塊對三軸傾角姿態處理器、三軸傾角傳感器模塊、姿態控制輸出模塊、姿態控制指令通訊模塊進行供電。
進一步的，所述姿態處理模組封裝設置在十字軸上節和上接頭之間或十字軸下節和下接頭之間的空腔內。
優選的，所述三軸傾角姿態處理器採用pic/plc/lpc控制器。
進一步的，所述姿態處理模組還包括姿態顯示交互模塊，所述姿態顯示交互模塊通過姿態控制指令通訊模塊與三軸傾角姿態處理器連接，並設置在潛孔鑽的外部。
本發明還公開了一種潛孔鑽定向調整方法，其採用上述的潛孔鑽定向調整裝置，包括以下步驟：
第一步、系統置零，將四個調整油缸的狀態置零，使潛孔鑽的鑽杆與衝擊器處於同一軸線上；
第二步、初始狀態檢測設置，鑽孔前通過三軸傾角傳感器模塊檢測潛孔鑽的鑽杆姿態，將潛孔鑽的鑽杆初始鑽進方向設置為設定鑽進方向；
第三步、鑽孔鑽進，在鑽進過程中對實時鑽進方向進行鑽進姿態檢測，並與設定鑽進方向進行對比，控制鑽進姿態調整；
第四步、鑽孔結束，從鑽孔中退出潛孔鑽及定向調整裝置。
具體的，在第二步中，將潛孔鑽的設定鑽進方向與空間三坐標系的豎直坐標z之間的夾角設定為θ，在第三步中，將潛孔鑽的實時鑽進方向與空間三坐標系的豎直坐標z之間的夾角設定為θ＇，鑽進過程中，將θ＇與θ進行對比；
當θ與θ＇的角度方向和角度大小與設定鑽進方向與一致時，持續鑽進；
當θ與θ＇的角度方向和角度大小中任一參數不一致時，通過如下條件進行姿態調整：
條件一、當實時鑽進方向在水平坐標的y方向不變，此時實時鑽進方向只在水平坐標的x方向上偏轉至x＇，此時只需調整y方向同一側的調整油缸使x＇回到設定鑽進方向；
條件二、當實時鑽進方向在水平坐標的x方向不變，此時實時鑽進方向只在水平坐標的y方向上偏轉至y＇，此時只需調整x方向同一側的調整油缸使y＇回到設定鑽進方向；
條件三、當實時鑽進方向在x、y方向均發生變化，此時實時鑽進方向在水平坐標系的x-y的其中一個象限偏轉至x-y＇，此時分別調整x方向同一側的調整油缸和y方向同一側的調整油缸，使x-y＇回到設定鑽進方向。
本發明通過設置十字軸和調整油缸，可實現潛孔鑽鑽進方向的實時調整，不需要將潛孔鑽從地下取出進行矯正調整，提高了施工效率。並且裝置的十字軸上節和十字軸下節上設置有對應的孔道，保證了潛孔鑽的正常功能，內部集成設置，可拆裝維護，使用方便，可在普通的潛孔鑽上進行改裝使用。
以下結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。
附圖說明
圖1為實施例中的潛孔鑽定向調整裝置的結構示意圖。
圖2為實施例中的調整油缸和十字軸的位置關係示意圖。
圖3為實施例中的姿態處理模組的示意圖。
圖4為實施例中的潛孔鑽定向調整方法的流程示意圖。
圖中標號：1-潛孔鑽鑽杆，11-十字軸上節，12-上接頭，101-氣道，102-水道，2-衝擊器，21-十字軸下節，22-下接頭，201-氣道，202-水道，3-十字軸，4-調整油缸，41-風動馬達，42-液壓泵送模組，43-液壓閥組，5-姿態處理模組，51-三軸傾角姿態處理器，52-三軸傾角傳感器模塊，53-姿態控制輸出模塊，54-姿態控制指令通訊模塊，55-姿態顯示交互模塊，56-電源模塊。
具體實施方式
實施例
參見圖1，圖示中的潛孔鑽定向調整裝置為本發明的優選方案，具體包括十字軸上節11、上接頭12、十字軸下節21、下接頭22、十字軸3、調整油缸4、風動馬達41、液壓泵送模組42、液壓閥組43、姿態處理模組5。其中十字軸上節11和上接頭12構成整體與潛孔鑽鑽杆1對接，十字軸下節21和下接頭22構成整體與潛孔鑽的衝擊器2對接，十字軸3將十字軸上節11和十字軸下節21呈萬向連接。本實施例的潛孔鑽鑽杆和和衝擊器之間利用十字軸聯結的萬向調節特性，實現潛孔鑽鑽杆1和衝擊器2之間的任一角度調整，在潛孔鑽的鑽進方向出現偏斜時，調整潛孔鑽鑽杆和衝擊器之間的角度，進而對潛孔鑽偏斜時的定向調整。
潛孔鑽鑽杆1和衝擊器2之間設置有定向調整裝置，為了保證衝擊器的氣動動力以及排水功能，本實施例在十字軸上節11、上接頭12以及十字軸下節21、下接頭22上分別加工有連通的兩組氣道101、201和水道102、202，氣道101與潛孔鑽的氣路管道連通，氣道201與衝擊器連接，實現衝擊器的氣動驅動；水道102、202串聯在潛孔鑽的出水管道上，用於輸出鑽孔產生的泥水。氣道101、201之間和水道102、202之間分別通過可伸縮的柔性管道連接，以適應十字軸上節11和十字軸下節21之間的角度調整。
十字軸上節11和十字軸下節21之間在通過十字軸萬向連接後，四周形成安裝調整油缸4的間隙，通過四組調整油缸4連接十字軸上節11和十字軸下節21，配合十字軸實現定向調整的驅動力，調整油缸4沿潛孔鑽鑽杆1和衝擊器2之間的軸向平行布置，四組調整油缸4分別設置在十字軸形成的四個平面坐標系象限內，並且分別相對於十字軸的兩個軸線對稱布置，調整油缸4和十字軸3之間的位置關係如圖2所示，通過十字軸同一軸線兩側的調整油缸配合，可實現潛孔鑽鑽杆和衝擊器之間沿該軸線方向的一個自由度的擺動，兩個軸線兩側的四組調整油缸組合，則可實現潛孔鑽和衝擊器之間沿垂直的兩個軸線方向的兩個自由度擺動，進而實現潛孔鑽和衝擊器之間任意角度的定向調整。
調整油缸4的兩端分別與十字軸上節11和十字軸下節21機械連接，優選將調整油缸4的安裝方向統一設置，便於將四組調整油缸分別並聯連接在同一液壓泵送模組42和液壓閥組43構成的液壓迴路上。本實施例將十字軸上節11內部設置成中空，上接頭12與十字軸上節11之間可拆卸連接，液壓泵送模組42和液壓閥組43封裝設置在上接頭12和十字軸上節11之間的空腔內，液壓泵送模組42包括集成設置的液壓泵和油箱，為了便於驅動液壓泵，液壓泵與一同樣封裝在該空腔內的風動馬達41動力連接，通過風道連接高壓氣源，由風動馬達41帶動液壓泵工作。調整油缸4需要伸縮推動，本領域技術人員可根據液壓換向油路進行設計液壓閥組，本實施例在此不做贅述。
本實施例中的上接頭12和下接頭22分別通過可拆卸的連接方式，便於對裝置內部進行調整維護。在十字軸下節21內部設置中空，與下接頭22形成容納設置姿態處理模組5，用於監測潛孔鑽實時鑽進方向與初始狀態設定的鑽進方向是否一致並輸出相應的控制指令，同時向操作者發送狀態參數並接收操作者的相關指令。
如圖3所示，姿態處理模組5包括三軸傾角姿態處理器51、三軸傾角傳感器模塊52、姿態控制輸出模塊53、姿態控制指令通訊模塊54、姿態顯示交互模塊55和電源模塊56；其中，三軸傾角傳感器模塊52為帶有空間xyz三軸角度檢測並輸出的電路板，用於檢測潛孔鑽鑽杆相對於空間三坐標系的空間角度，即潛孔鑽鑽杆的實時姿態或實時鑽進方向，三軸傾角傳感器模塊52與三軸傾角姿態處理器51和姿態控制輸出模塊53依次連接；三軸傾角姿態處理器51採用pic/plc/lpc控制器中的一種，可通過編程實現對比計算潛孔鑽的實時鑽進方向與設定鑽進方向，並通過姿態控制輸出模塊連接至潛孔鑽驅動控制模塊和調整油缸的液壓閥組控制模塊，根據分析對比實時鑽進方向和設定鑽進方向，發出控制調整油缸的姿態調整指令。
其中，三軸傾角姿態處理器51、三軸傾角傳感器模塊52、姿態控制輸出模塊53、姿態控制指令通訊模塊54和電源模塊56均封裝在十字軸下節21和下接頭22之間的空腔內，電源模塊56對三軸傾角姿態處理器51、三軸傾角傳感器模塊52、姿態控制輸出模塊53、姿態控制指令通訊模塊54進行供電。姿態顯示交互模塊55則通過姿態控制指令通訊模塊54與三軸傾角姿態處理器51連接，並設置在潛孔鑽的外部，由外部操作人員根據姿態顯示交互模塊55實時觀測潛孔鑽的鑽進方向，並可在姿態顯示交互模塊55集成設置觸控螢幕或按鍵模塊，實現姿態調整的互動設計，通過人工主動輸入姿態調整指令，定向調整潛孔鑽的鑽進方向，姿態控制指令通訊模塊54用於從三軸傾角姿態處理器51輸出姿態信息並且向三軸傾角姿態處理器51輸入外部姿態調整指令。
如圖4所示，本實施例的上述潛孔鑽定向調整裝置的定向調整方法，包括以下步驟：
第一步、系統置零，將四個調整油缸的狀態置零，由於在調整過程中，調整油缸可能需要伸出或收回，因此將調整油缸的置零位置設置在伸出油缸行程的二分之一，使潛孔鑽的鑽杆與衝擊器處於同一軸線上；
第二步、初始狀態檢測設置，鑽孔前通過三軸傾角傳感器模塊檢測潛孔鑽的鑽杆姿態，將潛孔鑽的鑽杆初始鑽進方向設置為設定鑽進方向；
第三步、鑽孔鑽進，觀察鑽機工作狀態，在鑽進過程中對實時鑽進方向進行鑽進姿態檢測，並與設定鑽進方向進行對比，控制鑽進姿態調整，必要時可暫停鑽機旋轉(衝擊器可不停)，人工調整鑽進方向；
第四步、鑽孔結束，從鑽孔中退出潛孔鑽及定向調整裝置，將十字軸及四個油缸衝洗乾淨並保持乾燥，必要時將十字軸裝配處及四個調整油缸等部位塗抹潤滑油，不得將裝置滯留孔內。
在自動定向調整潛孔鑽的鑽進方向過程中，其採用的自動控制過程如下：通過三軸姿態傳感器模塊將檢測第二步中潛孔鑽的設定鑽進方向，並通過三軸傾角姿態處理器計算設定該鑽進方向與空間三坐標系的豎直坐標z之間的夾角設定為θ(該θ大於等於0°)，在第三步中，將三軸姿態傳感器模塊檢測到的潛孔鑽的實時鑽進方向與空間三坐標系的豎直坐標z之間的夾角設定為θ＇，鑽進過程中，將θ＇與θ進行對比；
當θ與θ＇的角度方向和角度大小與設定鑽進方向與一致時，持續鑽進；
當θ與θ＇的角度方向和角度大小中任一參數不一致時，通過如下條件進行姿態調整：
條件一、當實時鑽進方向在水平坐標的y方向不變，此時實時鑽進方向只在水平坐標的x方向上偏轉至x＇，此時只需調整y方向同一側的兩組調整油缸使x＇回到設定鑽進方向；
條件二、當實時鑽進方向在水平坐標的x方向不變，此時實時鑽進方向只在水平坐標的y方向上偏轉至y＇，此時只需調整x方向同一側的兩組調整油缸使y＇回到設定鑽進方向；
條件三、當實時鑽進方向在x、y方向均發生變化，此時實時鑽進方向在水平坐標系的x-y的其中一個象限偏轉至x-y＇，此時分別調整x方向同一側的兩組調整油缸和y方向同一側的兩組調整油缸，使x-y＇回到設定鑽進方向。
鑽進方向的角度方向和角度大小的變化均體現在實時鑽進方向的偏斜，調整油缸的動作包括伸出調整和收回調整，在實時鑽進方向偏斜的方向，可控制偏斜方向的調整油缸伸出，或者控制偏斜另一方向的調整油缸收回。
由於潛孔鑽是在旋轉中鑽進的，在鑽機的實時鑽進方向與設定鑽進方向一致時，實時鑽機方向的變化值周期性的與設定鑽進方向重合。由於鑽機的鑽進方向發生偏斜是一個漸變過程，本實施例根據周期性變化值與初始狀態的重合程度及時調整鑽機鑽進方向。
以上實施例描述了本發明的基本原理和主要特徵及本發明的優點，本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的具體工作原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內，本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。