本發(fā)明屬于潛孔鉆技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種潛孔鉆定向調(diào)整裝置及其定向調(diào)整方法。

背景技術(shù)：

目前長管棚施工中管棚安裝前的鉆孔較多使用潛孔鉆作為鉆機(jī)，而長期困擾長管棚施工時一個問題就是管棚安裝前的鉆孔偏斜，沖擊器作用在潛孔鉆鉆桿由上向下鉆進(jìn)，在遇到土質(zhì)結(jié)構(gòu)密度不同的部位或者鉆進(jìn)到巖石上時，鉆桿因為外力的作用會發(fā)生鉆孔偏斜。由于鉆桿鉆入到地下，鉆桿發(fā)生偏斜后不容易發(fā)現(xiàn)，即使發(fā)現(xiàn)鉆桿發(fā)生偏斜，其處理方式需要將沖擊器連通鉆桿一同從地下取出重新進(jìn)行矯正鉆孔，這種方式嚴(yán)重影響了潛孔鉆的施工效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：針對現(xiàn)有的潛孔鉆存在的偏斜不易發(fā)現(xiàn)和偏斜矯正困難的缺陷，提供一種潛孔鉆定向調(diào)整裝置及其定向調(diào)整方法，實現(xiàn)潛孔鉆定向調(diào)整鉆孔方向，提高潛孔鉆施工效率。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種潛孔鉆定向調(diào)整裝置，包括設(shè)置在潛孔鉆鉆桿和沖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(jié)、十字軸、十字軸下節(jié)和若干調(diào)整油缸，所述十字軸上節(jié)與潛孔鉆鉆桿固定對接，所述十字軸下節(jié)與沖擊器固定對接，所述十字軸上節(jié)和十字軸下節(jié)之間通過十字軸呈萬向連接，所述調(diào)整油缸連接設(shè)置在十字軸上節(jié)和十字軸下節(jié)之間，所述調(diào)整油缸分別相對于十字軸的兩個軸線對稱布置。

進(jìn)一步的，所述十字軸上節(jié)和十字軸下節(jié)內(nèi)設(shè)有連通的氣道和水道，所述氣道靠近十字軸上節(jié)的一端與潛孔鉆的氣路管道連通，靠近十字軸下節(jié)的一端與沖擊器連接，實現(xiàn)沖擊器的氣動驅(qū)動；所述水道與潛孔鉆的出水管道連通，用于輸出鉆孔產(chǎn)生的泥水。

進(jìn)一步的，所述十字軸上節(jié)和十字軸下節(jié)分別設(shè)有可拆卸的上接頭和下接頭，所述十字軸上節(jié)和十字軸下節(jié)分別通過所述上接頭和下接頭與潛孔鉆鉆桿和下接頭連接，所述調(diào)整油缸連接的液壓泵送模組和液壓閥組集成設(shè)置在十字軸上節(jié)和上接頭之間或十字軸下節(jié)和下接頭之間的空腔內(nèi)。

進(jìn)一步的，所述液壓泵送模組包括液壓油泵和液壓油箱，所述液壓油泵采用風(fēng)動馬達(dá)作為動力源，所述風(fēng)動馬達(dá)通過所述氣道供氣。

本發(fā)明的一種潛孔鉆定向調(diào)整裝置中還包括姿態(tài)處理模組，所述姿態(tài)處理模組包括三軸傾角姿態(tài)處理器、三軸傾角傳感器模塊、姿態(tài)控制輸出模塊、姿態(tài)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鉆的實時鉆進(jìn)方向，所述三軸傾角傳感器模塊與三軸傾角姿態(tài)處理器以及姿態(tài)控制輸出模塊依次連接；

所述三軸傾角姿態(tài)處理器對比計算潛孔鉆的實時鉆進(jìn)方向與設(shè)定鉆進(jìn)方向，并通過姿態(tài)控制輸出模塊連接至潛孔鉆驅(qū)動控制模塊和調(diào)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(tài)處理器、三軸傾角傳感器模塊、姿態(tài)控制輸出模塊、姿態(tài)控制指令通訊模塊進(jìn)行供電。

進(jìn)一步的，所述姿態(tài)處理模組封裝設(shè)置在十字軸上節(jié)和上接頭之間或十字軸下節(jié)和下接頭之間的空腔內(nèi)。

優(yōu)選的，所述三軸傾角姿態(tài)處理器采用pic/plc/lpc控制器。

進(jìn)一步的，所述姿態(tài)處理模組還包括姿態(tài)顯示交互模塊，所述姿態(tài)顯示交互模塊通過姿態(tài)控制指令通訊模塊與三軸傾角姿態(tài)處理器連接，并設(shè)置在潛孔鉆的外部。

本發(fā)明還公開了一種潛孔鉆定向調(diào)整方法，其采用上述的潛孔鉆定向調(diào)整裝置，包括以下步驟：

第一步、系統(tǒng)置零，將四個調(diào)整油缸的狀態(tài)置零，使?jié)摽足@的鉆桿與沖擊器處于同一軸線上；

第二步、初始狀態(tài)檢測設(shè)置，鉆孔前通過三軸傾角傳感器模塊檢測潛孔鉆的鉆桿姿態(tài)，將潛孔鉆的鉆桿初始鉆進(jìn)方向設(shè)置為設(shè)定鉆進(jìn)方向；

第三步、鉆孔鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)過程中對實時鉆進(jìn)方向進(jìn)行鉆進(jìn)姿態(tài)檢測，并與設(shè)定鉆進(jìn)方向進(jìn)行對比，控制鉆進(jìn)姿態(tài)調(diào)整；

第四步、鉆孔結(jié)束，從鉆孔中退出潛孔鉆及定向調(diào)整裝置。

具體的，在第二步中，將潛孔鉆的設(shè)定鉆進(jìn)方向與空間三坐標(biāo)系的豎直坐標(biāo)z之間的夾角設(shè)定為θ，在第三步中，將潛孔鉆的實時鉆進(jìn)方向與空間三坐標(biāo)系的豎直坐標(biāo)z之間的夾角設(shè)定為θ＇，鉆進(jìn)過程中，將θ＇與θ進(jìn)行對比；

當(dāng)θ與θ＇的角度方向和角度大小與設(shè)定鉆進(jìn)方向與一致時，持續(xù)鉆進(jìn)；

當(dāng)θ與θ＇的角度方向和角度大小中任一參數(shù)不一致時，通過如下條件進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整：

條件一、當(dāng)實時鉆進(jìn)方向在水平坐標(biāo)的y方向不變，此時實時鉆進(jìn)方向只在水平坐標(biāo)的x方向上偏轉(zhuǎn)至x＇，此時只需調(diào)整y方向同一側(cè)的調(diào)整油缸使x＇回到設(shè)定鉆進(jìn)方向；

條件二、當(dāng)實時鉆進(jìn)方向在水平坐標(biāo)的x方向不變，此時實時鉆進(jìn)方向只在水平坐標(biāo)的y方向上偏轉(zhuǎn)至y＇，此時只需調(diào)整x方向同一側(cè)的調(diào)整油缸使y＇回到設(shè)定鉆進(jìn)方向；

條件三、當(dāng)實時鉆進(jìn)方向在x、y方向均發(fā)生變化，此時實時鉆進(jìn)方向在水平坐標(biāo)系的x-y的其中一個象限偏轉(zhuǎn)至x-y＇，此時分別調(diào)整x方向同一側(cè)的調(diào)整油缸和y方向同一側(cè)的調(diào)整油缸，使x-y＇回到設(shè)定鉆進(jìn)方向。

本發(fā)明通過設(shè)置十字軸和調(diào)整油缸，可實現(xiàn)潛孔鉆鉆進(jìn)方向的實時調(diào)整，不需要將潛孔鉆從地下取出進(jìn)行矯正調(diào)整，提高了施工效率。并且裝置的十字軸上節(jié)和十字軸下節(jié)上設(shè)置有對應(yīng)的孔道，保證了潛孔鉆的正常功能，內(nèi)部集成設(shè)置，可拆裝維護(hù)，使用方便，可在普通的潛孔鉆上進(jìn)行改裝使用。

以下結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

附圖說明

圖1為實施例中的潛孔鉆定向調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實施例中的調(diào)整油缸和十字軸的位置關(guān)系示意圖。

圖3為實施例中的姿態(tài)處理模組的示意圖。

圖4為實施例中的潛孔鉆定向調(diào)整方法的流程示意圖。

圖中標(biāo)號：1-潛孔鉆鉆桿，11-十字軸上節(jié)，12-上接頭，101-氣道，102-水道，2-沖擊器，21-十字軸下節(jié)，22-下接頭，201-氣道，202-水道，3-十字軸，4-調(diào)整油缸，41-風(fēng)動馬達(dá)，42-液壓泵送模組，43-液壓閥組，5-姿態(tài)處理模組，51-三軸傾角姿態(tài)處理器，52-三軸傾角傳感器模塊，53-姿態(tài)控制輸出模塊，54-姿態(tài)控制指令通訊模塊，55-姿態(tài)顯示交互模塊，56-電源模塊。

具體實施方式

實施例

參見圖1，圖示中的潛孔鉆定向調(diào)整裝置為本發(fā)明的優(yōu)選方案，具體包括十字軸上節(jié)11、上接頭12、十字軸下節(jié)21、下接頭22、十字軸3、調(diào)整油缸4、風(fēng)動馬達(dá)41、液壓泵送模組42、液壓閥組43、姿態(tài)處理模組5。其中十字軸上節(jié)11和上接頭12構(gòu)成整體與潛孔鉆鉆桿1對接，十字軸下節(jié)21和下接頭22構(gòu)成整體與潛孔鉆的沖擊器2對接，十字軸3將十字軸上節(jié)11和十字軸下節(jié)21呈萬向連接。本實施例的潛孔鉆鉆桿和和沖擊器之間利用十字軸聯(lián)結(jié)的萬向調(diào)節(jié)特性，實現(xiàn)潛孔鉆鉆桿1和沖擊器2之間的任一角度調(diào)整，在潛孔鉆的鉆進(jìn)方向出現(xiàn)偏斜時，調(diào)整潛孔鉆鉆桿和沖擊器之間的角度，進(jìn)而對潛孔鉆偏斜時的定向調(diào)整。

潛孔鉆鉆桿1和沖擊器2之間設(shè)置有定向調(diào)整裝置，為了保證沖擊器的氣動動力以及排水功能，本實施例在十字軸上節(jié)11、上接頭12以及十字軸下節(jié)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與潛孔鉆的氣路管道連通，氣道201與沖擊器連接，實現(xiàn)沖擊器的氣動驅(qū)動；水道102、202串聯(lián)在潛孔鉆的出水管道上，用于輸出鉆孔產(chǎn)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(yīng)十字軸上節(jié)11和十字軸下節(jié)21之間的角度調(diào)整。

十字軸上節(jié)11和十字軸下節(jié)21之間在通過十字軸萬向連接后，四周形成安裝調(diào)整油缸4的間隙，通過四組調(diào)整油缸4連接十字軸上節(jié)11和十字軸下節(jié)21，配合十字軸實現(xiàn)定向調(diào)整的驅(qū)動力，調(diào)整油缸4沿潛孔鉆鉆桿1和沖擊器2之間的軸向平行布置，四組調(diào)整油缸4分別設(shè)置在十字軸形成的四個平面坐標(biāo)系象限內(nèi)，并且分別相對于十字軸的兩個軸線對稱布置，調(diào)整油缸4和十字軸3之間的位置關(guān)系如圖2所示，通過十字軸同一軸線兩側(cè)的調(diào)整油缸配合，可實現(xiàn)潛孔鉆鉆桿和沖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(cè)的四組調(diào)整油缸組合，則可實現(xiàn)潛孔鉆和沖擊器之間沿垂直的兩個軸線方向的兩個自由度擺動，進(jìn)而實現(xiàn)潛孔鉆和沖擊器之間任意角度的定向調(diào)整。

調(diào)整油缸4的兩端分別與十字軸上節(jié)11和十字軸下節(jié)21機(jī)械連接，優(yōu)選將調(diào)整油缸4的安裝方向統(tǒng)一設(shè)置，便于將四組調(diào)整油缸分別并聯(lián)連接在同一液壓泵送模組42和液壓閥組43構(gòu)成的液壓回路上。本實施例將十字軸上節(jié)11內(nèi)部設(shè)置成中空，上接頭12與十字軸上節(jié)11之間可拆卸連接，液壓泵送模組42和液壓閥組43封裝設(shè)置在上接頭12和十字軸上節(jié)11之間的空腔內(nèi)，液壓泵送模組42包括集成設(shè)置的液壓泵和油箱，為了便于驅(qū)動液壓泵，液壓泵與一同樣封裝在該空腔內(nèi)的風(fēng)動馬達(dá)41動力連接，通過風(fēng)道連接高壓氣源，由風(fēng)動馬達(dá)41帶動液壓泵工作。調(diào)整油缸4需要伸縮推動，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)液壓換向油路進(jìn)行設(shè)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，便于對裝置內(nèi)部進(jìn)行調(diào)整維護(hù)。在十字軸下節(jié)21內(nèi)部設(shè)置中空，與下接頭22形成容納設(shè)置姿態(tài)處理模組5，用于監(jiān)測潛孔鉆實時鉆進(jìn)方向與初始狀態(tài)設(shè)定的鉆進(jìn)方向是否一致并輸出相應(yīng)的控制指令，同時向操作者發(fā)送狀態(tài)參數(shù)并接收操作者的相關(guān)指令。

如圖3所示，姿態(tài)處理模組5包括三軸傾角姿態(tài)處理器51、三軸傾角傳感器模塊52、姿態(tài)控制輸出模塊53、姿態(tài)控制指令通訊模塊54、姿態(tài)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三軸角度檢測并輸出的電路板，用于檢測潛孔鉆鉆桿相對于空間三坐標(biāo)系的空間角度，即潛孔鉆鉆桿的實時姿態(tài)或?qū)崟r鉆進(jìn)方向，三軸傾角傳感器模塊52與三軸傾角姿態(tài)處理器51和姿態(tài)控制輸出模塊53依次連接；三軸傾角姿態(tài)處理器51采用pic/plc/lpc控制器中的一種，可通過編程實現(xiàn)對比計算潛孔鉆的實時鉆進(jìn)方向與設(shè)定鉆進(jìn)方向，并通過姿態(tài)控制輸出模塊連接至潛孔鉆驅(qū)動控制模塊和調(diào)整油缸的液壓閥組控制模塊，根據(jù)分析對比實時鉆進(jìn)方向和設(shè)定鉆進(jìn)方向，發(fā)出控制調(diào)整油缸的姿態(tài)調(diào)整指令。

其中，三軸傾角姿態(tài)處理器51、三軸傾角傳感器模塊52、姿態(tài)控制輸出模塊53、姿態(tài)控制指令通訊模塊54和電源模塊56均封裝在十字軸下節(jié)21和下接頭22之間的空腔內(nèi)，電源模塊56對三軸傾角姿態(tài)處理器51、三軸傾角傳感器模塊52、姿態(tài)控制輸出模塊53、姿態(tài)控制指令通訊模塊54進(jìn)行供電。姿態(tài)顯示交互模塊55則通過姿態(tài)控制指令通訊模塊54與三軸傾角姿態(tài)處理器51連接，并設(shè)置在潛孔鉆的外部，由外部操作人員根據(jù)姿態(tài)顯示交互模塊55實時觀測潛孔鉆的鉆進(jìn)方向，并可在姿態(tài)顯示交互模塊55集成設(shè)置觸摸屏或按鍵模塊，實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整的交互設(shè)計，通過人工主動輸入姿態(tài)調(diào)整指令，定向調(diào)整潛孔鉆的鉆進(jìn)方向，姿態(tài)控制指令通訊模塊54用于從三軸傾角姿態(tài)處理器51輸出姿態(tài)信息并且向三軸傾角姿態(tài)處理器51輸入外部姿態(tài)調(diào)整指令。

如圖4所示，本實施例的上述潛孔鉆定向調(diào)整裝置的定向調(diào)整方法，包括以下步驟：

第一步、系統(tǒng)置零，將四個調(diào)整油缸的狀態(tài)置零，由于在調(diào)整過程中，調(diào)整油缸可能需要伸出或收回，因此將調(diào)整油缸的置零位置設(shè)置在伸出油缸行程的二分之一，使?jié)摽足@的鉆桿與沖擊器處于同一軸線上；

第二步、初始狀態(tài)檢測設(shè)置，鉆孔前通過三軸傾角傳感器模塊檢測潛孔鉆的鉆桿姿態(tài)，將潛孔鉆的鉆桿初始鉆進(jìn)方向設(shè)置為設(shè)定鉆進(jìn)方向；

第三步、鉆孔鉆進(jìn)，觀察鉆機(jī)工作狀態(tài)，在鉆進(jìn)過程中對實時鉆進(jìn)方向進(jìn)行鉆進(jìn)姿態(tài)檢測，并與設(shè)定鉆進(jìn)方向進(jìn)行對比，控制鉆進(jìn)姿態(tài)調(diào)整，必要時可暫停鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)(沖擊器可不停)，人工調(diào)整鉆進(jìn)方向；

第四步、鉆孔結(jié)束，從鉆孔中退出潛孔鉆及定向調(diào)整裝置，將十字軸及四個油缸沖洗干凈并保持干燥，必要時將十字軸裝配處及四個調(diào)整油缸等部位涂抹潤滑油，不得將裝置滯留孔內(nèi)。

在自動定向調(diào)整潛孔鉆的鉆進(jìn)方向過程中，其采用的自動控制過程如下：通過三軸姿態(tài)傳感器模塊將檢測第二步中潛孔鉆的設(shè)定鉆進(jìn)方向，并通過三軸傾角姿態(tài)處理器計算設(shè)定該鉆進(jìn)方向與空間三坐標(biāo)系的豎直坐標(biāo)z之間的夾角設(shè)定為θ(該θ大于等于0°)，在第三步中，將三軸姿態(tài)傳感器模塊檢測到的潛孔鉆的實時鉆進(jìn)方向與空間三坐標(biāo)系的豎直坐標(biāo)z之間的夾角設(shè)定為θ＇，鉆進(jìn)過程中，將θ＇與θ進(jìn)行對比；

當(dāng)θ與θ＇的角度方向和角度大小與設(shè)定鉆進(jìn)方向與一致時，持續(xù)鉆進(jìn)；

當(dāng)θ與θ＇的角度方向和角度大小中任一參數(shù)不一致時，通過如下條件進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整：

條件一、當(dāng)實時鉆進(jìn)方向在水平坐標(biāo)的y方向不變，此時實時鉆進(jìn)方向只在水平坐標(biāo)的x方向上偏轉(zhuǎn)至x＇，此時只需調(diào)整y方向同一側(cè)的兩組調(diào)整油缸使x＇回到設(shè)定鉆進(jìn)方向；

條件二、當(dāng)實時鉆進(jìn)方向在水平坐標(biāo)的x方向不變，此時實時鉆進(jìn)方向只在水平坐標(biāo)的y方向上偏轉(zhuǎn)至y＇，此時只需調(diào)整x方向同一側(cè)的兩組調(diào)整油缸使y＇回到設(shè)定鉆進(jìn)方向；

條件三、當(dāng)實時鉆進(jìn)方向在x、y方向均發(fā)生變化，此時實時鉆進(jìn)方向在水平坐標(biāo)系的x-y的其中一個象限偏轉(zhuǎn)至x-y＇，此時分別調(diào)整x方向同一側(cè)的兩組調(diào)整油缸和y方向同一側(cè)的兩組調(diào)整油缸，使x-y＇回到設(shè)定鉆進(jìn)方向。

鉆進(jìn)方向的角度方向和角度大小的變化均體現(xiàn)在實時鉆進(jìn)方向的偏斜，調(diào)整油缸的動作包括伸出調(diào)整和收回調(diào)整，在實時鉆進(jìn)方向偏斜的方向，可控制偏斜方向的調(diào)整油缸伸出，或者控制偏斜另一方向的調(diào)整油缸收回。

由于潛孔鉆是在旋轉(zhuǎn)中鉆進(jìn)的，在鉆機(jī)的實時鉆進(jìn)方向與設(shè)定鉆進(jìn)方向一致時，實時鉆機(jī)方向的變化值周期性的與設(shè)定鉆進(jìn)方向重合。由于鉆機(jī)的鉆進(jìn)方向發(fā)生偏斜是一個漸變過程，本實施例根據(jù)周期性變化值與初始狀態(tài)的重合程度及時調(diào)整鉆機(jī)鉆進(jìn)方向。

以上實施例描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)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(fā)明的具體工作原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。