一种电液结合的车载钻机及控制方式

朱秀梅 韩松峰

（徐州徐工工程机械研究院有限公司，江苏 徐州221004）

1 概述

煤层气、浅层页岩气、地热、深层地下水等上千米的资源开采用钻井设备应用广泛，该类设备体积庞大，目前主要有车载与撬装两种形式。撬装形式钻机钻架、动力、工作装置等为独立结构，需现场安装，现场搭建及准备工作工作量大，且转场需多台板车进行搬运，搬家成本高。车载钻机采用专用汽车底盘，钻架、动力及主要工作装置都在一辆车上，集成度高，车辆开到施工场地，定位后可自行调整到工作状态，能快速开展施工作业，尤其在救援钻井施工中，节省了宝贵时间，目前已获得广泛应用。

现有车载钻机一般采用液压控制，基本所有的操作均由液压手柄完成，可靠性高，但液压控制一般为单点控制，操作手柄数量多，操作顺序错误或误操作极易对设备及现场人员造成伤害。且多数钻机的控制手柄全部布置在简易的露天式操作台上，机手操作环境恶劣。为提高钻机操作的安全性及舒适性，本文提出了一种带操作室且电液结合控制的车载钻机及控制系统。

2 车载钻机组成

车载钻机按照功能模块包括底盘1、钻架4、顶驱5、工具卷扬2、卸扣大钳9、操作室8 及动力与控制系统3，如图1 所示。其中底盘1 是钻机运输的载体，钻架4 通过旋转轴固定在底盘后端的支架7 上，可以在油缸6 的作用下旋转到竖直状态；顶驱装置5 在油缸及钢丝绳的提拉作用下沿钻架4 上下运动；工具卷扬2及上卸扣装置9 固定于钻塔一侧，与顶驱4 配合使用完成换杆操作；封闭操作室8 固定在底盘1 的后端，钻架竖起后的所有操作均在所述操作室8 内进行。

图1 车载钻机组成示意图

底盘1 采用的是全地面越野底盘，独有的油气悬挂系统，运输时有良好的缓冲和减震作用，减少运行过程中崎岖路面造成的冲击及摇晃，提高车辆的平顺性和乘坐舒适性。同时越野底盘的多轮独立转向系统，可组合成多种转向模式，大大减少整车转弯直径，提高整车机动性和通过性，适用于狭窄区域的转场作业。底盘有四个支腿，前后各2 个，工作前伸出并调平支撑整车重量，并承担工作过程中钻具带来的部分载荷。其中后支腿11 采用横向伸缩结构，使两支腿横向跨距由小于车宽增大到远大于车宽，这就有效提高了整车的稳定性，使钻机能抵抗更大的风载，及有效应对井内钻具振动冲击造成的整车晃动。

操作室8 通过回转轴承铰接于底盘后部的支架7 上，运输时固定于车辆的最后端，工作前，先将操作室8 旋转一定角度并用销轴固定，再竖起钻架4，如图2 所示，使操作室内的操作手能正对钻架工作台区域，达到最佳的操作视线。

图2 钻机工作状态后部示意图

3 控制方式的实现

相对于现有的全液压操作钻机，本钻机车采用了液压控制与电气控制相结合的控制方式，其中主动作，包括顶驱装置的进给运动、旋转操作采用液压控制，其它，包括卸扣大钳、工具卷扬以及辅助设备采用电气控制。电液结合控制即保证了主动作的可靠性，又通过电气控制简化了操作界面，提高了操作舒适性，同时通过合理布置传感检测设备及控制器的控制逻辑，可有效防止误操作带来的设备损伤及事故，提高操作的可靠性。具体现方式如下：

图3 液控系统原理框图

液压控制部分主要由液压泵组、比例换向阀、液压先导手柄及执行元件组成。工作原理如下：机手操作液压先导手柄，控制相应的比例换向阀开启，先导手柄输出不同的控制压力控制比例换向阀的开度，进而控制进入液压油缸及马达的流量，使顶驱动力头以不同的转速及进给速度运动。在顶驱及钻塔的相应位置还安装有检测力、压力、转速、位置等的传感器，经控制器进行数据处理后传送到显示器上。

电气控制部分主要由控制器、显示器、电磁阀、比例电磁阀、传感检测设备、电气手柄及开关等组成。工作原理如下：电气手柄及开关产生的模拟量及开关量信号进入控制器，控制器经过数据处理发出相应的控制信号控制对应的比例电磁阀或电磁阀，驱动执行机构完成指定的动作。各执行机构，如卸扣大钳摆动、起重臂伸缩、摆动等位置安装有传感器，检测其工作状态，并实时传送至控制器，可实现对执行机构进行精确的定位。同时通过控制器内部的控制逻辑进行运算，可有效避免各执行机构的运动干涉。控制器将监测到的各部件工作参数实时传送至显示器，可使操作手直观的监测钻机工作参数，便于下一步的操作。在钻机的不同位置还装设有摄像头，通过分屏显示在专用的显示器上，操作手在操作室中即可实现对整车不同位置的监控。

4 结论

在钻探机械产品中液压控制的可靠性最高，但随着对设备施工安全要求的提高、自动化、智能化是产品发展的必然方向。电气控制采用传感器、控制器等监控设备，能实时准确地监控设备工作状况，并能实现精确控制，通过合理的控制逻辑可实现系列动作的联动，避免误操作造成的设备及人员损伤，但在可靠性方面依然有提升空间。

本设备采用电液结合的控制方式，既保证了主动作的可靠性，在电路故障的情况下依然可进行钻具旋转、上下划眼运动，避免了井内卡钻事故，又提高了辅助动作的自动化控制水平，提高了换杆效率，降低了施工风险。随着电气设备可靠性能的提升，全电控、智能化、无人化必将成为钻探设备的发展方向。