一种水平定向钻自动换杆装置、系统及控制方法与流程

1.本发明专利涉及工程机械领域，尤其涉及一种水平定向钻自动换杆装置、系统及控制方法。

背景技术：

2.随着国内外管道定向钻穿越工程的大量研究和应用，定向钻设计技术迅速发展，广泛应用于供水、电力、通讯、天然气、石油等工程。定向钻技术是利用钻进的方法在穿越地区首先形成一个先导孔，再根据实际工程情况，采取相应方法将钻孔扩至所需孔径，然后完成管线铺设。在此过程中，钻杆需要一节一节地续接和回收，钻机频繁的上卸钻杆。占用大量时间同时存在人工与施工风险。这部分主要由机械抓手或者随车吊完成。随车吊需要三名人员吊钻杆，开吊车，摆钻杆，耗费人力,同时在装卸钻杆存在人员危险性;目前国内机械抓手需要2名人员搬运钻杆到抓手上；主要运动方式是大幅度翻转,需要人工由于施工环境恶劣，翻转机械抓手是冲击较大，导致马达内泄或者机械手经常损坏的状况。施工效率低，工作稳定性差，对装置存在破坏性。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种水平定向钻自动换杆装置、系统及控制方法。
4.为解决现有技术问题，本发明公开了一种水平定向钻自动换杆装置，包括：抓手基座、角度变幅装置和双浮动感应抓手，双浮动感应抓手通过角度变幅装置连接抓手基座，抓手基座用于移动双浮动感应抓手；所述角度变幅装置用于调节双浮动感应抓手的角度；所述双浮动感应抓手包括：底座、感应总成和抓手总成，所述底座用于连接角度变幅装置，感应总成设于底座；抓手总成连接底座；所述抓手总成处于张开状态，感应总成感应到钻杆压力时抓手总成抓紧钻杆，并通过抓手基座和角度变幅装置运送至卸杆位置时抓手总成张开进行卸杆，卸杆后抓手总成通过抓手基座和角度变幅装置返回上杆位置。
5.进一步地，所述感应总成包括：固定板、浮动销、减震器和传感器；固定板固定在底座上；浮动销一端穿在固定板上，另一端套有减震器，减震器连接传感器，当浮动销接触钻杆时，浮动销向固定板的方向浮动，并对减震器形成挤压，所述传感器通过减震器感应压力。
6.进一步地，所述抓手总成包括：连接座、上弹性限位部、右抓手、下弹性限位部、左抓手和伸缩驱动件五；连接座连接底座；左抓手和右抓手的中部分别通过销轴转动连接在连接座上，伸缩驱动件五的固定端与右抓手连接，驱动端与左抓手连接，伸缩驱动件五驱动左抓手和右抓手抓合或张开；上弹性限位部和下弹性限位部固定在连接座上，用于对左抓手形成限位。
7.进一步地，所述双浮动感应抓手还包括：弹簧和浮动套，浮动套设于底座的两端，弹簧设于浮
动套与底座之间起缓冲作用；所述抓手总成通过浮动套连接底座。
8.进一步地，所述抓手基座包括：包括旋转底座、旋转驱动件一、大臂一、大臂二、伸缩臂一、伸缩臂二、伸缩驱动件一、伸缩驱动件二和伸缩驱动件三，所述旋转底座固定在水平定向钻地锚上，旋转驱动件一设置在旋转底座上，旋转驱动件一提供装置平行于水平面的回转自由度；所述大臂一一端固定在旋转驱动件一上，另一端与大臂二铰接；所述伸缩驱动件一固定端与大臂一铰接，驱动端与大臂二的一端铰接；所述伸缩驱动件二固定端与大臂二铰接，驱动端与伸缩臂一铰接；所述伸缩臂一与大臂二铰接，伸缩臂二通过伸缩驱动件三铰接在伸缩臂一上，伸缩驱动件一用于驱动大臂二绕其旋转轴线旋转，伸缩驱动件二用于驱动伸缩臂一绕其旋转轴线旋转，伸缩驱动件三用于驱动伸缩臂二沿平行于伸缩臂一方向滑动。
9.进一步地，所述角度变幅装置包括四连杆机构、伸缩驱动件四和旋转机构；所述伸缩驱动件四固定端铰接在伸缩臂二铰点d，四连杆机构铰接在伸缩臂二铰点a，伸缩驱动件四驱动端铰接在四连杆铰点c，四连杆机构铰接在伸缩臂二铰点e上，四连杆机构设有一个中间铰点b用于增加变幅角度；伸缩驱动件四伸缩调整双浮动感应抓手与地面之间夹角；所述旋转机构连接四连杆机构；旋转机构用于旋转调整双浮动感应抓手。
10.相应地，一种水平定向钻自动换杆系统，包括：钻架、托架、地锚以及用于放置钻杆的钻杆仓，还包括上述的一种水平定向钻自动换杆装置。
11.进一步地，钻架上装有动力头与虎钳，用于钻杆上扣与卸扣；上述的一种水平定向钻自动换杆装置安装在地锚上；托架安装在钻架上方；上述的一种水平定向钻自动换杆装置用于将钻杆从钻杆仓运输至托架或者将钻杆从托架运输至钻杆仓。
12.进一步地，所述水平定向钻自动换杆装置的双浮动感应抓手处于钻杆仓上方，双浮动感应抓手的抓手总成张开，钻杆碰到感应总成，感应总成感应到压力，系统处于上杆准备状态；待虎钳、动力头就位，托架升起；点击一键抓杆，抓手总成抓取钻杆，经过多个避障点到达托架上方，系统处于放杆准备状态，下放钻杆，托架感应到钻杆，抓手总成松开钻杆；此时钻杆未碰到感应总成，感应总成未感应到压力，抓手总成处于张开状态；抓手总成经过多个避障点再次到达钻杆仓上方，系统处于上杆准备状态。
13.进一步地，所述水平定向钻自动换杆装置的双浮动感应抓手处于托架上方，感应总成未感应到压力，抓手总成处于张开状态，系统处于卸杆准备状态；待虎钳、动力头卸下，托架升起，点击一键卸杆，双浮动感应抓手下降，钻杆碰到感应总成，感应总成感应到压力，抓手总成抓起钻杆，并经过多个避障点到达钻杆仓上方，下放钻杆，抓手总成张开，钻杆掉落入钻杆仓，感应总成未感应到压力，抓手总成处于张开状态并返回托架上方，系统处于卸杆准备状态。
14.本发明具有的有益效果：通过抓手基座负责整个装置工作范围；角度变幅装置负责调整抓手与地面角度；双浮动感应抓手负责无伤，准确抓取钻杆，显著提高水平定向钻拆卸钻杆效率。
附图说明
15.图1为本发明的一种水平定向钻机智能换杆系统结构示意图；图2为本发明的一种水平定向钻机智能换杆装置结构示意图；图3为本发明的抓手基座结构示意图；图4为本发明的角度变幅装置结构示意图；图5为本发明的角度变幅装置结构示意图；图6为本发明的角度变幅装置结构示意图；图7为本发明的双浮动感应抓手结构示意图；图8为本发明的感应总成结构示意图；图9为本发明的抓手总成结构示意图。
16.图中：包括钻架a01、托架a02、地锚a03、水平定向钻自动换杆装置a04、钻杆仓a05、钻杆a06、抓手基座b01、角度变幅b02、双浮动感应抓手b03、旋转底座c101、旋转驱动件一c102、大臂一c103、大臂二c104、伸缩臂一c105、伸缩臂二c106、伸缩驱动件一c107、伸缩驱动件二c108、伸缩驱动件三c109、四连杆机构c201、伸缩驱动件四c202、旋转机构c203、旋转驱动件二c204、底座c301、弹簧c302、浮动套c303、感应总成c304、抓手总成c305、固定板d401、浮动销d402、减震器d403、传感器d404、连接座d501、上弹性限位部d502、右抓手d503、下弹性限位部d504、左抓手d505、伸缩驱动件五d506。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
18.如图2所示，本发明的中实施例的水平定向钻自动换杆装置包括抓手基座b01、角度变幅装置b02、双浮动感应抓手b03；如图3所示，在本实施例中，抓手基座b01包括旋转底座c101、旋转驱动件一c102、大臂一c103、大臂二c104、伸缩臂一c105、伸缩臂二c106、伸缩驱动件一c107、伸缩驱动件二c108和伸缩驱动件三c109；抓手基座b01负责对抓手工作范围调整。所述旋转底座c101固定在水平定向钻地锚上，旋转驱动件一c102设置在旋转底座c101上，旋转驱动件一c102为回转减速机等，提供装置平行于水平面的回转自由度；在本实施例中，大臂变幅包括大臂一c103，大臂二c104，伸缩臂一c105，伸缩臂二c106，伸缩驱动件一c107，伸缩驱动件二c108，伸缩驱动件三c109，所述大臂一c103一端固定在旋转驱动件一c102上，一端与大臂二c104铰接；所述伸缩驱动件一c107固定端与大臂一c103铰接，驱动端与大臂二c104铰接；所述大臂二c104第二端与伸缩臂一c103铰接；所述伸缩驱动件二c108固定端与大臂二c104铰接，驱动端与伸缩臂一c105铰接；所述伸缩臂一c105，伸缩臂二c106通过伸缩驱动件三c109在上端铰接连接，伸缩驱动件一c107为油缸等；伸缩驱动件一c107驱动大臂二c104绕其旋转轴线旋转，伸缩驱动件二c108驱动伸缩臂一c105绕其旋转轴线旋转，伸缩驱动件三c109驱动伸缩臂二c106沿平行与伸缩臂一c105方向滑动，三个自由副结合使末端双浮动感应抓手b03空间姿态按固定路径进行移动，使水平定向钻自动换杆装置a04按固定姿态进行切换。
19.如图4-6所示，所述角度变幅装置b02包括四连杆机构c201、伸缩驱动件四c202和旋转机构c203。所述伸缩驱动件四c202固定端铰接在伸缩臂二c106铰点d上，在四连杆机构
c201铰接在伸缩臂二c106铰点a上，伸缩驱动件四c202驱动端铰接在四连杆c201铰点c，四连杆机构c201铰接在伸缩臂二c106铰点e上，四连杆机构c201存在一个中间铰点b用于增加变幅角度；伸缩驱动件四c202伸缩调整双浮动感应抓手b03与地面之间夹角；所述旋转机构c203固定在四连杆机构c201上；旋转机构c203旋转调整双浮动感应抓手与钻架角度；.如图7-8所示，所述双浮动感应抓手b03包括；底座c301、弹簧c302，浮动套c303，感应总成c304，抓手总成c305。所述底座c301固定在旋转驱动件二c204上，浮动套c303与底座c301组成伸缩副，弹簧c302固定在浮动套c303与底座c301中间起缓冲作用；抓手总成c305固定在浮动套c303上，抓手完成上杆与卸杆动作能够保护水平定向钻自动换杆装置a04与托架a02，提高施工安全性；感应总成c304通过销轴与底座连接，用于在上杆前感应钻杆姿态及上卸杆过程中是否抓牢钻杆。
20.如图9所示，所述抓手总成c305包括连接座d501，上弹性限位部d502，右抓手d503，下弹性限位部d504，左抓手d505，伸缩驱动件五d506。连接座d501固定在浮动套c303上；右抓手d503和左抓手d505通过销轴穿在中部转动连接在连接座d501上，伸缩驱动件五d506固定端与右抓手d503连接，驱动端与左抓手d505连接；上弹性限位部d502和下弹性限位部d504固定在连接座上；左抓手d505通过上弹性限位部d502和下弹性限位部d504能够在一定范围能自由浮动，修正抓手基座末端偏差；如图8所示，所述感应总成c304包括固定板d401，浮动销d402，减震器d403，传感器d404。固定板d401固定在底座c301上，钻杆a06与双浮动感应抓手b03之间通过感应总成c304感应压力；浮动销d402穿在固定板d401上，传感器d404通过减震器d403固定在浮动销d402上，钻杆a06与双浮动感应抓手b03之间通过减震器d403转变成稳定力传递到传感器d404，检测钻杆a06与双浮动感应抓手b03是否接触。
21.如图1所示，本实施例的一种水平定向钻机智能换杆系统包括钻架a01、托架a02、地锚a03、上述的水平定向钻自动换杆装置a04、钻杆仓a05、钻杆a06。钻架a01上装有动力头与虎钳，负责钻杆a06上扣与卸扣；水平定向钻自动换杆装置a04装在地锚板上；托架装在钻架a01中上方；水平定向钻自动换杆装置a04具有5个上/卸钻杆姿态，当抓手到达位置1时，装置处于钻杆仓a05抓杆准备姿态（姿态一）；当抓手到达位置2时，装置处于钻杆仓a05上方悬空姿态（姿态二）；当抓手到达位置3时，装置处于中间复位点（姿态三）；当抓手到达位置4时，装置处于钻架a01悬空姿态（姿态四）；当抓手到达位置5时，装置处于钻架a01抓杆准备姿态（姿态五）。
22.上杆作业：水平定向钻自动换杆装置a04处于任意姿态；抓手的移动路径先按任意位置-位置2-位置1；此时水平定向钻自动换杆装置a04处于姿态一，双浮动感应抓手b03在张开状态，钻杆a06碰到感应总成c304，感应总成c304感应到压力，装置处于上杆准备状态；待虎钳动力头就位，托架a02升起；点击一键抓杆，抓手抓取钻杆，经过位置1-位置3-位置4三个避障点；系统处于放杆准备状态；下放钻杆；抓手处于位置5；托架a02感应到钻杆，抓手松开；此时抓手在张开状态，钻杆未碰到感应总成c304，感应总成c304未感应到压力；抓手经过经过位置4-位置3-位置2三个避障点再次到达位置1；双浮动感应抓手在张开状态，钻杆碰到感应总成c304，感应总成c304感应到压力，装置处于上杆准备状态。循环完成大吨位上钻杆工作。
23.卸杆作业：水平定向钻自动换杆装置a04处于任意姿态；抓手的移动路径先按任意
位置-位置3；此时水平定向钻自动换杆装置a04处于姿态三，双浮动感应抓手b03在张开状态，感应总成c304未感应到压力，装置处于卸杆准备状态；待虎钳动力头卸下，托架a02升起；点击一键卸杆，抓手经过位置3-位置4两个避障点后下放钻杆，抓手处于位置5；双浮动感应抓手在张开状态，钻杆碰到感应总成c304，感应总成c304感应到压力，系统处于卸杆状态；抓手抓取钻杆，经过位置5-位置4-位置3-位置2-位置1五个避障点；系统处于放杆准备状态，抓手松开，钻杆掉落入钻杆仓a05；后抓手经过位置5-位置4-位置3，抵达位置3复位，此时双浮动感应抓手在张开状态，感应总成未感应到压力，系统再次处于卸杆准备状态。循环完成大吨位上钻杆工作。
24.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。同时在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。且在本发明的附图中，填充图案只是为了区别图层，不做其他任何限定。
25.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种水平定向钻自动换杆装置，其特征在于，包括：抓手基座（b01）、角度变幅装置（b02）和双浮动感应抓手（b03），双浮动感应抓手（b03）通过角度变幅装置（b02）连接抓手基座（b01），抓手基座（b01）用于移动双浮动感应抓手（b03）；所述角度变幅装置（b02）用于调节双浮动感应抓手（b03）的角度；所述双浮动感应抓手（b03）包括：底座（c301）、感应总成（c304）和抓手总成（c305），所述底座（c301）用于连接角度变幅装置（b02），感应总成（c304）设于底座（c301）；抓手总成（c305）连接底座（c301）；所述抓手总成（c305）处于张开状态，感应总成（c304）感应到钻杆压力时抓手总成（c305）抓紧钻杆，并通过抓手基座（b01）和角度变幅装置（b02）运送至卸杆位置时抓手总成（c305）张开进行卸杆，卸杆后抓手总成（c305）通过抓手基座（b01）和角度变幅装置（b02）返回上杆位置。2.根据权利要求1所述的一种水平定向钻自动换杆装置，其特征在于，所述感应总成（c304）包括：固定板（d401）、浮动销（d402）、减震器（d403）和传感器（d404）；固定板（d401）固定在底座（c301）上；浮动销（d402）一端穿在固定板（d401）上，另一端套有减震器（d403），减震器（d403）连接传感器（d404），当浮动销（d402）接触钻杆时，浮动销（d402）向固定板（d401）的方向浮动，并对减震器（d403）形成挤压，所述传感器通过减震器（d403）感应压力。3.根据权利要求1所述的一种水平定向钻自动换杆装置，其特征在于，所述抓手总成（c305）包括：连接座（d501）、上弹性限位部（d502）、右抓手（d503）、下弹性限位部（d504）、左抓手（d505）和伸缩驱动件五（d506）；连接座（d501）连接底座（c301）；左抓手（d505）和右抓手（d503）的中部分别通过销轴转动连接在连接座（d501）上，伸缩驱动件五（d506）的固定端与右抓手（d503）连接，驱动端与左抓手（d505）连接，伸缩驱动件五（d506）驱动左抓手（d505）和右抓手（d503）抓合或张开；上弹性限位部（d502）和下弹性限位部（d504）固定在连接座（d501）上，用于对左抓手（d505）形成限位。4.根据权利要求1所述的一种水平定向钻自动换杆装置，其特征在于，所述双浮动感应抓手（b03）还包括：弹簧（c302）和浮动套（c303），浮动套（c303）设于底座（c301）的两端，弹簧（c302）设于浮动套（c303）与底座（c301）之间起缓冲作用；所述抓手总成（c305）通过浮动套（c303）连接底座（c301）。5.根据权利要求1所述的一种水平定向钻自动换杆装置，其特征在于，所述抓手基座（b01）包括：包括旋转底座（c101）、旋转驱动件一（c102）、大臂一（c103）、大臂二（c104）、伸缩臂一（c105）、伸缩臂二（c106）、伸缩驱动件一（c107）、伸缩驱动件二（c108）和伸缩驱动件三（c109），所述旋转底座（c101）固定在水平定向钻地锚上，旋转驱动件一（c102）设置在旋转底座（c101）上，旋转驱动件一（c102）提供装置平行于水平面的回转自由度；所述大臂一（c103）一端固定在旋转驱动件一（c102）上，另一端与大臂二（c104）铰接；所述伸缩驱动件一（c107）固定端与大臂一（c103）铰接，驱动端与大臂二（c104）的一端铰接；所述伸缩驱动件二（c108）固定端与大臂二（c104）铰接，驱动端与伸缩臂一（c105）铰接；所述伸缩臂一（c105）与大臂二（c104）铰接，伸缩臂二（c106）通过伸缩驱动件三（c109）铰接在伸缩臂一（c105）上，伸缩驱动件一（c107）用于驱动大臂二（c104）绕其旋转轴线旋转，伸缩驱动件二（c108）用于驱动伸缩臂一（c105）绕其旋转轴线旋转，伸缩驱动件三（c109）用于驱动伸缩臂二（c106）沿平行于伸缩臂一（c105）方向滑动。
6.根据权利要求5所述的一种水平定向钻自动换杆装置，其特征在于，所述角度变幅装置（b02）包括四连杆机构（c201）、伸缩驱动件四（c202）和旋转机构（c203）；所述伸缩驱动件四（c202）固定端铰接在伸缩臂二（c106）铰点d，四连杆机构（c201）铰接在伸缩臂二（c106）铰点a，伸缩驱动件四（c202）驱动端铰接在四连杆（c201）铰点c，四连杆机构c201铰接在伸缩臂二c106铰点e上，四连杆机构（c20）设有一个中间铰点b用于增加变幅角度；伸缩驱动件四（c202）伸缩调整双浮动感应抓手（b03）与地面之间夹角；所述旋转机构（c203）连接四连杆机构（c201）；旋转机构（c203）用于旋转调整双浮动感应抓手（b03）。7.一种水平定向钻自动换杆系统，包括：钻架（a01）、托架（a02）、地锚（a03）以及用于放置钻杆（a06）的钻杆仓（a05），其特征在于还包括如权利要求1-6任一所述的一种水平定向钻自动换杆装置。8.根据权利要求7所述的一种水平定向钻自动换杆系统，其特征在于，钻架（a01）上装有动力头与虎钳，用于钻杆（a06）上扣与卸扣；如权利要求1-6任一所述的一种水平定向钻自动换杆装置安装在地锚（a03）上；托架（a02）安装在钻架（a01）上方；如权利要求1-6任一所述的一种水平定向钻自动换杆装置用于将钻杆（a06）从钻杆仓（a05）运输至托架（a02）或者将钻杆（a06）从托架（a02）运输至钻杆仓（a05）。9.根据权利要求8所述的一种水平定向钻自动换杆系统的控制方法，其特征在于，所述水平定向钻自动换杆装置的双浮动感应抓手（b03）处于钻杆仓（a05）上方，双浮动感应抓手（b03）的抓手总成（c305）张开，钻杆（a06）碰到感应总成（c304），感应总成（c304）感应到压力，系统处于上杆准备状态；待虎钳、动力头就位，托架（a02）升起；点击一键抓杆，抓手总成（c305）抓取钻杆（a06），经过多个避障点到达托架（a02）上方，系统处于放杆准备状态，下放钻杆（a06），托架（a02）感应到钻杆（a06），抓手总成（c305）松开钻杆（a06）；此时钻杆（a06）未碰到感应总成（c304），感应总成（c304）未感应到压力，抓手总成（c305）处于张开状态；抓手总成（c305）经过多个避障点再次到达钻杆仓（a05）上方，系统处于上杆准备状态。10.根据权利要求8所述的一种水平定向钻自动换杆系统的控制方法，其特征在于，所述水平定向钻自动换杆装置的双浮动感应抓手（b03）处于托架（a02）上方，感应总成（c304）未感应到压力，抓手总成（c305）处于张开状态，系统处于卸杆准备状态；待虎钳、动力头卸下，托架（a02）升起，点击一键卸杆，双浮动感应抓手（b03）下降，钻杆（a06）碰到感应总成（c304），感应总成（c304）感应到压力，抓手总成（c305）抓起钻杆，并经过多个避障点到达钻杆仓（a05）上方，下放钻杆（a06），抓手总成（c305）张开，钻杆（a06）掉落入钻杆仓（a05），感应总成（c304）未感应到压力，抓手总成（c305）处于张开状态并返回托架（a02）上方，系统处于卸杆准备状态。

技术总结

本发明提供一种水平定向钻自动换杆装置、系统及控制方法，所述水平定向钻自动换杆装置适用于固定在水平定向钻地锚上,包括抓手基座、角度变幅装置、双浮动感应抓手。所述的抓手基座负责装置回转及工作范围调整；角度变幅装置负责调整抓手与地面角度，抓手与水平定向钻钻架角度；双浮动感应抓手负责无伤，准确抓取钻杆。通过旋转底座、大臂变幅、角度变幅、旋平机构、双浮动感应抓手配合工作，提供了水平定向钻机特别是大吨位水平定向钻机施工时，依靠工作装置来实现自动拆卸钻杆的可能，明显提高水平定向钻拆卸钻杆效率。水平定向钻拆卸钻杆效率。水平定向钻拆卸钻杆效率。