水平定向钻机动力头辅助卸扣装置与方法

863 编辑：中冶有色技术网来源：徐州徐工基础工程机械有限公司

2024-01-16 14:49:08

权利要求书： 1.一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：包括通过连接盘固定在发动机上的虎钳泵（40）和旋转泵（60），所述虎钳泵（40）连接有虎钳阀组（20），所述虎钳阀组（20）包括前虎钳夹紧缸（1）、后虎钳夹紧缸（2）和后虎钳旋转缸（3），所述前虎钳夹紧缸（1）和后虎钳夹紧缸（2）还连接有后虎钳压力传感器（10）和前虎钳压力传感器（11），所述旋转泵（60）连接有动力头旋转马达（70），所述动力头旋转马达（70）的A口和B口并联有旋转马达卸荷阀（30），所述动力头旋转马达（70）的两端分别连接有旋转马达B口压力传感器（12）和旋转马达A口压力传感器（13），所述动力头旋转马达（70）连接有旋转马达转速传感器（14），所述旋转泵（60）还连接有旋转溢流阀（50）；还包括控制器（19），所述控制器（19）连接有后虎钳压力传感器（10）、前虎钳压力传感器（11）、旋转马达B口压力传感器（12）、旋转马达A口压力传感器（13）、旋转马达转速传感器（14）、倾角传感器（15）、前虎钳开关（16）、后虎钳开关（17）、后虎钳旋转开关（18）、虎钳阀组电磁线圈、旋转马达卸荷阀电磁线圈（31）、旋转泵电磁阀线圈和旋转溢流阀电磁线圈（51）。

2.如权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：所述虎钳阀组（20）为3个三位四通电磁换向阀。

3.如权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：所述旋转溢流阀（50）为比例电磁阀。

4.如权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：所述旋转马达转速传感器（14）为双脉冲型。

5.如权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：所述前虎钳开关（16）、后虎钳开关（17）和后虎钳旋转开关（18）为三位自复位开关。

6.如权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：所述倾角传感器（15）设置在后虎钳上，所述倾角传感器（15）为CAN总线型。

7.如权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，其特征在于：所述虎钳阀组电磁线圈包括电磁线圈A（21）、电磁线圈B（22）、电磁线圈C（23）、电磁线圈D（24）、电磁线圈E（25）和电磁线圈F（26），所述旋转泵电磁阀线圈电磁线圈G（61）和电磁线圈H（62）。

8.一种使用权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：

a、系统运行开始后，实时监测并判断前后虎钳是否夹紧，若前后虎钳夹紧压力同时高于指定值，认为前后虎钳已经夹紧；

b、在前后虎钳同时夹紧的状态下，系统自动控制旋转马达卸荷打开，使旋转马达卸荷，此时旋转系统阻力消除；

c、此时操作员操作虎钳旋转动作进行卸扣，卸扣完毕后，操作员会操作后虎钳油缸松开；

d、判断后虎钳是否松开，若后虎钳压力低于指定值，认为后虎钳已经松开；

e、在后虎钳松开的状态下，系统自动控制旋转马达卸荷关闭，使旋转马达关闭卸荷，恢复常态。

9.一种使用权利要求1所述的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、系统运行开始后，实时监测并判断前后虎钳是否夹紧，若前后虎钳夹紧压力同时高于指定值，认为前后虎钳已经夹紧；

B、在前后虎钳同时夹紧的状态下，系统自动限制旋转系统压力，使旋转系统压力被限制在指定值以下；

C、此时操作员操作虎钳旋转动作进行卸扣，同时监测后虎钳旋转体角度变化，此时动力头自动跟随反转；

D、根据从动力头旋转马达采集的速度传感器信号，自动控制反转速度，使之与后虎钳旋转的角度基本匹配；

E、卸扣完毕后，操作员会操作后虎钳油缸松开，若后虎钳压力低于指定值，认为后虎钳已经松开；

F、在后虎钳松开的状态下，系统自动控制旋转溢流阀关闭，使旋转系统不再限制压力，恢复常态。

说明书：一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置与方法技术领域[0001] 本发明涉及工程机械技术领域，具体是一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置与方法。

背景技术[0002] 水平定向钻机在施工过程中，需要通过虎钳体来卸开钻杆与钻杆之间的螺纹扣，实际操作中，前虎钳、后虎钳进行夹紧操作，将钻杆夹紧，此时操作后虎钳逆时针旋转，产生

旋转力，使螺纹扣松动。通常情况下，虎钳卸扣在以下两个情况下进行：一个是在动力头将

一节钻杆钻进地下时，需要用虎钳将动力头与钻杆分开，以便继续钻进下根钻杆；另一个是

在动力头回托钻杆到地上时，需要虎钳将钻杆与钻杆分开，以便回托下一根钻杆。

[0003] 现有技术中存在下述问题：采用虎钳卸扣时，在后虎钳逆时针转动时，除了保证卸扣力外，还需要克服动力头旋转马达的阻力，因为此时旋转马达未动作，马达A口与B口处于

憋压状态，后虎钳逆时针旋转时，强行带动旋转马达转动。上述问题增加了虎钳卸扣的难度

及成功率。

发明内容[0004] 本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种结构简单、效果良好的水平定向钻机动力头辅助卸扣装置与方法。

[0005] 本发明是以如下技术方案实现的：一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，包括通过连接盘固定在发动机上的虎钳泵和旋转泵，所述虎钳泵连接有虎钳阀组，所述虎钳阀

组包括前虎钳夹紧缸、后虎钳夹紧缸和后虎钳旋转缸，所述前虎钳夹紧缸和后虎钳夹紧缸

还连接有后虎钳压力传感器和前虎钳压力传感器，所述旋转泵连接有动力头旋转马达，所

述动力头旋转马达的A口和B口并联有旋转马达卸荷阀，所述动力头旋转马达的两端分别连

接有旋转马达B口压力传感器和旋转马达A口压力传感器，所述动力头旋转马达连接有旋转

马达转速传感器，所述旋转泵还连接有旋转溢流阀；还包括控制器，所述控制器连接有后虎

钳压力传感器、前虎钳压力传感器、旋转马达B口压力传感器、旋转马达A口压力传感器、旋

转马达转速传感器、倾角传感器、前虎钳开关、后虎钳开关、后虎钳旋转开关、虎钳阀组电磁

线圈、旋转马达卸荷阀电磁线圈、旋转泵电磁阀线圈和旋转溢流阀电磁线圈。

[0006] 其进一步是：所述虎钳阀组为3个三位四通电磁换向阀。[0007] 所述旋转溢流阀为比例电磁阀。[0008] 所述旋转马达转速传感器为双脉冲型。[0009] 所述前虎钳开关、后虎钳开关和后虎钳旋转开关为三位自复位开关。[0010] 所述倾角传感器设置在后虎钳上，所述倾角传感器为CAN总线型。[0011] 所述虎钳阀组电磁线圈包括电磁线圈A、电磁线圈B、电磁线圈C、电磁线圈D、电磁线圈E和电磁线圈F，所述旋转泵电磁阀线圈电磁线圈G和电磁线圈H。

[0012] 包括如下步骤：a、系统运行开始后，实时监测并判断前后虎钳是否夹紧，若前后虎钳夹紧压力同

时高于指定值，认为前后虎钳已经夹紧；

b、在前后虎钳同时夹紧的状态下，系统自动控制旋转马达卸荷打开，使旋转马达

卸荷，此时旋转系统阻力消除；

c、此时操作员操作虎钳旋转动作进行卸扣，卸扣完毕后，操作员会操作后虎钳油

缸松开；

d、判断后虎钳是否松开，若后虎钳压力低于指定值，认为后虎钳已经松开；

e、在后虎钳松开的状态下，系统自动控制旋转马达卸荷关闭，使旋转马达关闭卸

荷，恢复常态。

[0013] 包括如下步骤：A、系统运行开始后，实时监测并判断前后虎钳是否夹紧，若前后虎钳夹紧压力同

时高于指定值，认为前后虎钳已经夹紧；

B、在前后虎钳同时夹紧的状态下，系统自动限制旋转系统压力，使旋转系统压力

被限制在指定值以下；

C、此时操作员操作虎钳旋转动作进行卸扣，同时监测后虎钳旋转体角度变化，此

时动力头自动跟随反转；

D、根据从动力头旋转马达采集的速度传感器信号，自动控制反转速度，使之与后

虎钳旋转的角度基本匹配；

E、卸扣完毕后，操作员会操作后虎钳油缸松开，若后虎钳压力低于指定值，认为后

虎钳已经松开；

F、在后虎钳松开的状态下，系统自动控制旋转溢流阀关闭，使旋转系统不再限制

压力，恢复常态。

[0014] 本发明具有以下优点：本发明的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置与方法，提供了两种操作方法，其一是在前后虎钳同时夹紧钻杆时，将动力头旋转马达的A口与B口

导通，此时操作虎钳旋转卸扣时，消除了动力头主轴的阻力；其二是在前后虎钳同时夹紧钻

杆时，将动力头旋转系统压力进行限制，动力头主轴跟随后虎钳旋转，主动提供辅助卸扣

力；以上技术方案都能提高水平定向钻机虎钳卸扣的效果，极大地减缓虎牙和钻杆的磨损，

提高使用寿命。

附图说明[0015] 图1是本发明的液压原理示意图；图2是本发明的电气原理示意图；

图3是本发明通过虎钳卸扣流程图；

图4是本发明一种实施例的控制流程图；

图5是本发明另一实施例的控制流程图；

图中：1、前虎钳夹紧缸，2、后虎钳夹紧缸，3、后虎钳旋转缸，20、虎钳阀组，30、旋转

马达卸荷阀，40、虎钳泵，50、旋转溢流阀，60、旋转泵，70、动力头旋转马达，10、后虎钳压力

传感器，11、前虎钳压力传感器，12、旋转马达B口压力传感器，13、旋转马达A口压力传感器，

14、旋转马达转速传感器，15、倾角传感器，16、前虎钳开关，17、后虎钳开关，18、后虎钳旋转

开关，19、控制器，21、电磁线圈A，22、电磁线圈B，23、电磁线圈C，24、电磁线圈D，25、电磁线

圈E，26、电磁线圈F，31、旋转马达卸荷阀电磁线圈，51、旋转溢流阀电磁线圈，61、电磁线圈

G，62、电磁线圈H。

具体实施方式[0016] 如图1至图3所示的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，包括通过连接盘固定在发动机上的虎钳泵40和旋转泵60，所述虎钳泵40连接有虎钳阀组20，所述虎钳阀组20包

括前虎钳夹紧缸1、后虎钳夹紧缸2和后虎钳旋转缸3，所述前虎钳夹紧缸1和后虎钳夹紧缸2

还连接有后虎钳压力传感器10和前虎钳压力传感器11，所述旋转泵60连接有动力头旋转马

达70，所述动力头旋转马达70的A口和B口并联有旋转马达卸荷阀30，所述动力头旋转马达

70的两端分别连接有旋转马达B口压力传感器12和旋转马达A口压力传感器13，所述动力头

旋转马达70连接有旋转马达转速传感器14，所述旋转泵60还连接有旋转溢流阀50；还包括

控制器19，所述控制器19连接有后虎钳压力传感器10、前虎钳压力传感器11、旋转马达B口

压力传感器12、旋转马达A口压力传感器13、旋转马达转速传感器14、倾角传感器15、前虎钳

开关16、后虎钳开关17、后虎钳旋转开关18、虎钳阀组电磁线圈、旋转马达卸荷阀电磁线圈

31、旋转泵电磁阀线圈和旋转溢流阀电磁线圈51。本发明的水平定向钻机动力头辅助卸扣

装置，用于在一根钻杆钻进或回托完成后，辅助虎钳进行卸扣，包括液压控制部分和电气控

制部分，液压控制部分包括虎钳泵、虎钳阀组、旋转泵、旋转溢流阀、旋转马达、旋转马达卸

荷阀以及连接它们的管路接头。虎钳泵通过连接盘固定在发动机上，虎钳泵的P口、S口分别

通过管路与虎钳阀组的P口及液压油箱连接。旋转泵通过连接盘固定在发动机上，旋转泵的

A口、B口分别通过管路与旋转马达卸荷阀及旋转马达的A口、B口连接，S口与油箱连接，旋转

马达卸荷阀在接收到控制信号后导通旋转马达A口与B口，旋转马达卸荷阀用于导通旋转马

达A口与B口。旋转溢流阀的A口、B口、P口分别通过管路与旋转泵的M4口、M3口、MA口连接。虎

钳阀组为三位换向阀，用于控制前虎钳夹紧油缸、后虎钳夹紧油缸、后虎钳旋转油缸。液压

控制部分还包括前虎钳夹紧测压口、后虎钳夹紧测压口、旋转马达A口测压口、旋转马达B口

测压口、旋转马达转速测量口。

[0017] 电气控制部分包括控制器、虎钳开关、虎钳压力传感器、后虎钳压力传感器、旋转马达A口压力传感器、旋转马达B口压力传感器、旋转马达转速传感器、倾角传感器、虎钳阀

组电磁线圈、旋转泵电磁线圈、旋转溢流电磁线圈和旋转马达卸荷电磁线圈。前虎钳开关、

后虎钳开关、前虎钳旋转开关通过操作员将操作指示传递至控制器，控制器向虎钳阀组电

磁线圈输出控制电流，分别用于控制前虎钳油缸、后虎钳油缸、后虎钳旋转油缸；前虎钳压

力传感器、后虎钳压力传感器，分别用于测量前虎钳油缸夹紧压力、后虎钳夹紧油缸的夹紧

压力，转换为电信号后，传递至控制器的输入采集口，用于判断虎钳夹紧状态；旋转马达A口

压力传感器好人旋转马达B口压力传感器用于测量旋转马达的A口与B口的压力，转换为电

信号后，传递至控制器的输入采集口，用于实时测量旋转系统的压力值。

[0018] 虎钳辅助卸扣在以下情况下进行。首先系统启动辅助卸扣程序，一种情况是在动力头将一节钻杆钻进地下时，需要用虎钳将动力头与钻杆分开，以便继续钻进下根钻杆；另

一个是在动力头回托钻杆到地上时，需要虎钳将钻杆与钻杆分开，以便回托下一根钻杆。

[0019] 如图1至图3所示的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，所述虎钳阀组20为3个三位四通电磁换向阀。所述旋转溢流阀50为比例电磁阀。所述旋转马达转速传感器14为

双脉冲型。所述前虎钳开关16、后虎钳开关17和后虎钳旋转开关18为三位自复位开关。所述

倾角传感器15设置在后虎钳上，所述倾角传感器15为CAN总线型。本发明的虎钳阀组为三位

换向阀，用于控制前虎钳夹紧油缸、后虎钳夹紧油缸、后虎钳旋转油缸；旋转溢流阀为比例

电磁阀，可以无极调节旋转系统的溢流压力；旋转马达转速传感器为双脉冲型，用于测量马

达旋转的速度与方向；倾角传感器为CAN总线型，用于测量后虎钳旋转体的角度。

[0020] 如图1至图3所示的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置，所述虎钳阀组电磁线圈包括电磁线圈A21、电磁线圈B22、电磁线圈C23、电磁线圈D24、电磁线圈E25和电磁线圈

F26，所述旋转泵电磁阀线圈电磁线圈G61和电磁线圈H62。

[0021] 本发明提供了两种操作方法，其一为如下描述，如图1至图4所示的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置的使用方法，包括如下

步骤：

a、系统运行开始后，实时监测并判断前后虎钳是否夹紧，若前后虎钳夹紧压力同

时高于指定值，认为前后虎钳已经夹紧；

b、在前后虎钳同时夹紧的状态下，系统自动控制旋转马达卸荷打开，使旋转马达

卸荷，此时旋转系统阻力消除；

c、此时操作员操作虎钳旋转动作进行卸扣，卸扣完毕后，操作员会操作后虎钳油

缸松开；

d、判断后虎钳是否松开，若后虎钳压力低于指定值，认为后虎钳已经松开；

e、在后虎钳松开的状态下，系统自动控制旋转马达卸荷关闭，使旋转马达关闭卸

荷，恢复常态。

[0022] 前后虎钳夹紧油缸同时夹紧钻杆，通过控制器输入端采集前虎钳压力传感器、后虎钳压力传感器的模拟信号，依据换算关系，计算得出前虎钳夹紧压力值、后虎钳夹紧压力

值，当前虎钳夹紧压力值、后虎钳夹紧压力值都大于某一值时，认为前后虎钳夹紧油缸已经

夹紧。此时控制器下发指令，控制旋转马达卸荷电磁阀打开，使旋转马达A口与B口导通。此

时驾驶员操作后虎钳旋转按钮，控制器控制后虎钳旋转电磁阀，执行旋转动作进行卸扣。当

卸扣完成后，操作员执行后虎钳油缸松开动作，此时控制器检测到后虎钳压力值降低到某

一值后，控制器下发指令，控制旋转马达卸荷阀，结束马达卸荷状态。

[0023] 该系统还可以包括指示装置，例如指示灯、显示动力头辅助卸扣准备状态的视觉、听觉或者触觉指示装置。当钻机处于前后虎钳夹紧状态，旋转马达处于卸荷状态，控制器激

活指示装置，指示辅助卸扣系统准备完毕。

[0024] 以上方案的优点：在虎钳执行卸扣动作前，将旋转马达进行卸荷后，使旋转主轴处于卸载状态，此时进行虎钳卸扣，避免了需要被动克服动力头旋转马达阻力。

[0025] 另一种操作方法为如下描述。[0026] 如图5所示的一种水平定向钻机动力头辅助卸扣装置的使用方法，包括如下步骤：A、系统运行开始后，实时监测并判断前后虎钳是否夹紧，若前后虎钳夹紧压力同

时高于指定值，认为前后虎钳已经夹紧；

B、在前后虎钳同时夹紧的状态下，系统自动限制旋转系统压力，使旋转系统压力

被限制在指定值以下；

C、此时操作员操作虎钳旋转动作进行卸扣，同时监测后虎钳旋转体角度变化，此

时动力头自动跟随反转；控制动力头反转扭矩包括限制旋转系统压力，以使反转卸扣时，扭

矩不至于过大，损坏虎钳体。

[0027] D、根据从动力头旋转马达采集的速度传感器信号，自动控制反转速度，使之与后虎钳旋转的角度基本匹配；动力头反转包括实时监测动力头反转的角度变化，控制动力头

反转速度包括改变旋转泵阀开度，使动力头主轴反转角度与后虎钳旋转的角度相同。

[0028] E、卸扣完毕后，操作员会操作后虎钳油缸松开，若后虎钳压力低于指定值，认为后虎钳已经松开；

F、在后虎钳松开的状态下，系统自动控制旋转溢流阀关闭，使旋转系统不再限制

压力，恢复常态。

[0029] 前后虎钳夹紧油缸同时夹紧钻杆，通过控制器输入端采集前虎钳压力传感器、后虎钳压力传感器的模拟信号，依据换算关系，计算得出前虎钳夹紧压力值、后虎钳夹紧压力

值，当前虎钳夹紧压力值、后虎钳夹紧压力值都大于某一值时，认为前后虎钳夹紧油缸已经

夹紧。此时控制器下发指令，控制旋转溢流电磁阀，使旋转系统最大压力控制在合理范围

内。之后驾驶员操作后虎钳旋转按钮，控制器控制后虎钳旋转电磁阀，执行旋转动作进行卸

扣。此时，通过倾角传感器实时测量后虎钳旋转角度，控制器根据此角度变化，实时控制器

动力头反转，使动力头旋转马达旋转角度与虎钳旋转角度匹配。

[0030] 该系统还可以包括指示装置，例如指示灯、显示动力头辅助卸扣准备状态的视觉、听觉或者触觉指示装置。当钻机处于前后虎钳夹紧状态，动力头跟随虎钳旋转，控制器激活

指示装置，指示辅助卸扣系统正在进行，并可以显示动力头反转扭矩。

[0031] 以上方案的优点：在虎钳执行卸扣动作，动力头执行反转，配合虎钳旋转，不光消除了原有的阻力，还能提供一定卸扣力，通过限制旋转系统的压力，使这个辅助卸扣力不至

于太大，损坏虎钳。