【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于瓦斯抽采钻孔设备，涉及一种定向钻机自动装卸长钻具系统及控制方法。
技术介绍
1、为了提升钻孔利用率，定向钻进钻孔孔深逐步向千米级发展，单孔施工钻杆需求量大；同时定向钻进过程中需要进行轨迹控制，钻杆普遍较长且直径较大，一般至少需求1人操作钻机，另外2人配合搬运、装卸钻杆，上述施工方式不仅工人劳动强度大，需求的辅助人员多，且安全性较差，不能满足煤矿智能化钻探的实际需求。
2、目前具备自动装卸钻杆系统的定向钻机主要有三种类型，一种是由普通回转钻进用的自动钻机升级演变而来，其结构特点为钻进主机横置于钻机前端，杆仓后置于车体内部，通过补杆机械手和加杆机械手的相互传递完成钻杆的装卸动作，由于主机横置于前端，机身长度不宜过长占用空间尺寸，因此仅可满足中间装卸1米以下长度的较短钻杆，而定向钻探工艺需求钻杆长度普遍在1.5米以上，并不能完全适用，同时此种方式钻杆传递路径较长，装卸效率相对较低；第二种是由传统定向钻机升级演变而来，其结构特点为钻机本体加装加卸杆机械臂，钻机本体不具备储杆功能，通过主机侧面外挂钻杆托盘，每次人工或辅助吊装设备在托盘内放置5-7根钻杆，加卸杆机械臂从中抓取与放置钻杆，再转运至主机加卸钻杆位，此种方式由于主机侧面外挂钻杆托盘，托盘不仅增加钻机宽度占用空间，且随着不同钻孔倾角的变化，要与主机同步运动，导致补杆位置高低不定，增加补杆难度，同时托盘内较少的钻杆容量，还是需要辅助人员随时补杆和取杆操作，效率低，劳动强度大，且存在安全隐患；第三种自带大容量杆仓的自动定向钻机，其钻进主机与钻杆仓并排放置于钻机
3、上述三种加卸杆机械臂，传递装卸钻杆时，其工作路径主要分为坐标式直线轨迹与旋转+直线运动轨迹，直线式轨迹其工作工作特点是行程固定便于机械定位，位置精度相对较高，但其直线动作一般由油缸驱动，路径长，导致机械工作空间占用大，需求定向施工钻场的巷道空间较高，降低了自动钻机的适应性；而旋转+直线运动轨迹结构紧凑，路径相对较短，但现有的加卸杆机械臂旋转最大工作旋转角度普遍在(180～270°)范围内，过大的旋转路径不仅会增大误差，且加卸钻杆效率难以提升，同时会占用较多的旋转空间，其他零部件必须布置在其他区域，空间布局不能得到有效利用，钻机整体尺寸偏大。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于，提供一种定向钻机自动装卸长钻具系统及控制方法，解决自动定向钻机分体式布局，适配性低等问题，并解决自动定向钻机装卸钻杆机械臂控制精度与效率不高、占用空间大，巷道适应性差，自动定向钻机单班单孔施工中，始终需要补杆人员等待添杆，添杆位置高且不定，劳动强度大，安全性差等难题。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
3、一种定向钻机自动装卸长钻具系统，包括钻进主机、加卸杆机械臂、补杆装置；钻进主机与补杆装置平行错位布置，加卸杆机械臂布置于两者中间上部位置，通过三者间配合传递动作，实现自动补杆、加杆及卸杆；
4、所述钻进主机包括给进装置、设于给进装置后下方的中调角装置、设于给进装置前端的前调角装置、设在给进装置上的拖板装置、安装在拖板装置上的回转器及其内的主动钻杆组、设在给进装置上的夹持卸扣装置；拖板装置能带动回转器在给进装置的导轨上运动，回转器及主动钻杆组与夹持卸扣装置同轴；
5、所述加卸杆机械臂包括依次相接的调角油缸、一级旋转臂、二级旋转臂、旋转支梁、平移支梁、一级伸缩油缸、伸缩臂、钻杆抓手和二级伸缩油缸；调角油缸能调节一级旋转臂的角度，二级旋转臂能带动旋转支梁、平移支梁、一级伸缩油缸和伸缩臂整体沿其回转中心在0-90°旋转；平移支梁卡夹于伸缩臂的导轨外侧以在一级伸缩油缸伸出/缩回作用下使伸缩臂整体沿轴向滑动；伸缩臂内的二级伸缩油缸伸出/缩回作用下能使钻杆抓手整体沿轴向滑动；
6、所述补杆装置包括钻杆仓、补杆机械手、水平位置传感器、齿条导轨、滑动导轨、转运托盘、对顶装置、转运油缸；钻杆仓侧面与正面分别与滑动导轨、齿条导轨固定，补杆机械手卡夹于齿条导轨上，能沿齿条导轨滑动；水平位置传感器一端与补杆机械手固定，另一端与钻杆仓固定，实现补杆机械手水平运动的定位；转运托盘卡夹于滑动导轨上，转运油缸一端与滑动导轨固定，另一端与钻杆仓固定，在转运油缸作用下转运托盘沿滑动导轨滑动，对顶装置在转运托盘两端对称布置，确保钻杆每次放置的位置相对固定，提高控制精度。
7、本专利技术还包括如下技术特征：
8、具体的，所述给进装置包括上导轨、机身、给进油缸、下导轨、位移传感器组件及限位装置，上导轨和下导轨与机身铆接固定，给进油缸固定于上导轨与下导轨之间，给进油缸的缸杆与机身两端固定，给进油缸的缸筒能沿机身滑动，位移传感器组件与限位装置铆接固定于机身侧方；所述拖板装置卡夹在给进装置的导轨上并能随给进油缸滑动。
9、具体的，所述中调角装置包括底座、俯角限位块、仰角限位块、后调角油缸、转轴及倾角传感器组件；仰角限位块固定于底座后方，俯角限位块固定于底座前方，后调角油缸一端与底座铰接，另一端与给进装置铰接，转轴与底座铰接，倾角传感器组件铆接固定于底座侧方。
10、具体的，所述前调角装置包括前调角油缸、立柱组件、横梁i、横梁ii；横梁i中部与给进装置铰接连接，两端与立柱组件铰接，并能沿立柱组件轴向滑动；前调角油缸一端与横梁ii铰接，另一端与行走机构铰接连接，横梁ii两端与立柱组件铰接。
11、具体的，所述回转器与拖板装置铆接固定，主动钻杆组件穿过回转器内通孔安装，主动钻杆组件前后限位卡夹在回转器前后两端；主动钻杆组件包括主动钻杆、前夹盘、后夹盘，前夹盘卡夹于主动钻杆轴肩且轴向固定，后夹盘卡夹于主动钻杆凹槽且轴向固定。
12、具体的，所述夹持卸扣装置与给进装置前端铆接固定，夹持卸扣装置包括夹持器支架、夹持油缸、销轴、盖板、卸扣器支架、支撑板组件、卸扣油缸及卸扣油缸连接板；两组夹持油缸分别通过销轴与夹持器支架及卸扣器支架铰接，盖板分别设在夹持器支架和卸扣器支架顶部，卸扣器支架分别与夹持器支架和支撑板组件铰接，卸扣油缸一端与卸扣器支架侧面铰接，另一端与卸扣油缸连接板铰接，卸扣油缸完全缩回初始位时，卸扣器支架与夹持器支架呈角度偏差，卸扣油缸伸出时能使卸扣器支架沿轴心旋转，增大整个卸扣行程。
【技术保护点】
1.一种定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，包括钻进主机(1)、加卸杆机械臂(2)、补杆装置(3)；钻进主机(1)与补杆装置(3)平行错位布置，加卸杆机械臂(2)布置于两者中间上部位置，通过三者间配合传递动作，实现自动补杆、加杆及卸杆；
2.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述给进装置(1-2)包括上导轨(5-1)、机身(5-2)、给进油缸(5-3)、下导轨(5-5)、位移传感器组件(5-4)及限位装置(5-6)，上导轨(5-1)和下导轨(5-5)与机身(5-2)铆接固定，给进油缸(5-3)固定于上导轨(5-1)与下导轨(5-5)之间，给进油缸(5-3)的缸杆与机身(5-2)两端固定，给进油缸(5-3)的缸筒能沿机身(5-2)滑动，位移传感器组件(5-4)与限位装置(5-6)铆接固定于机身(5-2)侧方；所述拖板装置(1-3)卡夹在给进装置(1-2)的导轨上并能随给进油缸(5-3)滑动。
3.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述中调角装置(1-1)包括底座(4-1)、俯角限位块(4-4)、仰角限位块(
4.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述前调角装置(1-7)包括前调角油缸(6-1)、立柱组件(6-2)、横梁I(6-3)、横梁II(6-4)；横梁I(6-3)中部与给进装置(1-2)铰接连接，两端与立柱组件(6-2)铰接，并能沿立柱组件(6-2)轴向滑动；前调角油缸(6-1)一端与横梁II(6-4)铰接，另一端与行走机构(4)铰接连接，横梁II(6-4)两端与立柱组件(6-2)铰接。
5.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述回转器(1-4)与拖板装置(1-3)铆接固定，主动钻杆组(1-5)件穿过回转器(1-4)内通孔安装，主动钻杆组(1-5)件前后限位卡夹在回转器(1-4)前后两端；主动钻杆组(1-5)件包括主动钻杆(2-2)、前夹盘(2-3)、后夹盘(2-1)，前夹盘(2-3)卡夹于主动钻杆(2-2)轴肩且轴向固定，后夹盘(2-1)卡夹于主动钻杆(2-2)凹槽且轴向固定。
6.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述夹持卸扣装置(1-6)与给进装置(1-2)前端铆接固定，夹持卸扣装置(1-6)包括夹持器支架(3-1)、夹持油缸(3-2)、销轴(3-8)、盖板(3-7)、卸扣器支架(3-3)、支撑板组件(3-6)、卸扣油缸(3-4)及卸扣油缸连接板(3-5)；两组夹持油缸(3-2)分别通过销轴(3-8)与夹持器支架(3-1)及卸扣器支架(3-3)铰接，盖板(3-7)分别设在夹持器支架(3-1)和卸扣器支架(3-3)顶部，卸扣器支架(3-3)分别与夹持器支架(3-1)和支撑板组件(3-6)铰接，卸扣油缸(3-4)一端与卸扣器支架(3-3)侧面铰接，另一端与卸扣油缸连接板(3-5)铰接，卸扣油缸(3-4)完全缩回初始位时，卸扣器支架(3-3)与夹持器支架(3-1)呈角度偏差，卸扣油缸(3-4)伸出时能使卸扣器支架(3-3)沿轴心旋转，增大整个卸扣行程。
7.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述一级旋转臂(7-2)与调角油缸(7-1)铰接，二级旋转臂(7-3)与一级旋转臂(7-2)铆接固定，旋转支梁(7-4)一端与二级旋转臂(7-3)铆接固定，另一端与平移支梁(7-10)铆接固定，一级伸缩油缸(7-9)一端与平移支梁(7-10)铰接，另一端与伸缩臂(7-6)铰接；伸缩臂(7-6)内筒前端与钻杆抓手(7-5)铆接固定，外筒与探杆传感器组件铆接固定，伸缩臂(7-6)侧面铆接固定有伸缩臂限位组件(7-7)。
8.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述钻杆仓(8-1)包括杆仓本体(10-2)、钻杆挡板(10-1)、钻杆垫块(10-3)；钻杆挡板(10-1)与杆仓本体(10-2)两端内侧铆接固定，钻杆垫块(10-3)与杆仓本体(10-2)底部铆接固定；钻杆挡板(10-1)将钻杆仓(8-1)内分为多列，钻杆挡板(10-1)数量为N，钻杆列数呈N+1布置，1表示钻杆仓(8-1)最外侧底部补杆位仅放置1根钻杆。
9.如权利要求8所述的定向钻机自...
【技术特征摘要】
1.一种定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，包括钻进主机(1)、加卸杆机械臂(2)、补杆装置(3)；钻进主机(1)与补杆装置(3)平行错位布置，加卸杆机械臂(2)布置于两者中间上部位置，通过三者间配合传递动作，实现自动补杆、加杆及卸杆；
2.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述给进装置(1-2)包括上导轨(5-1)、机身(5-2)、给进油缸(5-3)、下导轨(5-5)、位移传感器组件(5-4)及限位装置(5-6)，上导轨(5-1)和下导轨(5-5)与机身(5-2)铆接固定，给进油缸(5-3)固定于上导轨(5-1)与下导轨(5-5)之间，给进油缸(5-3)的缸杆与机身(5-2)两端固定，给进油缸(5-3)的缸筒能沿机身(5-2)滑动，位移传感器组件(5-4)与限位装置(5-6)铆接固定于机身(5-2)侧方；所述拖板装置(1-3)卡夹在给进装置(1-2)的导轨上并能随给进油缸(5-3)滑动。
3.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述中调角装置(1-1)包括底座(4-1)、俯角限位块(4-4)、仰角限位块(4-5)、后调角油缸(4-2)、转轴(4-3)及倾角传感器组件(4-6)；仰角限位块(4-5)固定于底座(4-1)后方，俯角限位块(4-4)固定于底座(4-1)前方，后调角油缸(4-2)一端与底座(4-1)铰接，另一端与给进装置(1-2)铰接，转轴(4-3)与底座(4-1)铰接，倾角传感器组件(4-6)铆接固定于底座(4-1)侧方。
4.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述前调角装置(1-7)包括前调角油缸(6-1)、立柱组件(6-2)、横梁i(6-3)、横梁ii(6-4)；横梁i(6-3)中部与给进装置(1-2)铰接连接，两端与立柱组件(6-2)铰接，并能沿立柱组件(6-2)轴向滑动；前调角油缸(6-1)一端与横梁ii(6-4)铰接，另一端与行走机构(4)铰接连接，横梁ii(6-4)两端与立柱组件(6-2)铰接。
5.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述回转器(1-4)与拖板装置(1-3)铆接固定，主动钻杆组(1-5)件穿过回转器(1-4)内通孔安装，主动钻杆组(1-5)件前后限位卡夹在回转器(1-4)前后两端；主动钻杆组(1-5)件包括主动钻杆(2-2)、前夹盘(2-3)、后夹盘(2-1)，前夹盘(2-3)卡夹于主动钻杆(2-2)轴肩且轴向固定，后夹盘(2-1)卡夹于主动钻杆(2-2)凹槽且轴向固定。
6.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述夹持卸扣装置(1-6)与给进装置(1-2)前端铆接固定，夹持卸扣装置(1-6)包括夹持器支架(3-1)、夹持油缸(3-2)、销轴(3-8)、盖板(3-7)、卸扣器支架(3-3)、支撑板组件(3-6)、卸扣油缸(3-4)及卸扣油缸连接板(3-5)；两组夹持油缸(3-2)分别通过销轴(3-8)与夹持器支架(3-1)及卸扣器支架(3-3)铰接，盖板(3-7)分别设在夹持器支架(3-1)和卸扣器支架(3-3)顶部，卸扣器支架(3-3)分别与夹持器支架(3-1)和支撑板组件(3-6)铰接，卸扣油缸(3-4)一端与卸扣器支架(3-3)侧面铰接，另一端与卸扣油缸连接板(3-5)铰接，卸扣油缸(3-4)完全缩回初始位时，卸扣器支架(3-3)与夹持器支架(3-1)呈角度偏差，卸扣油缸(3-4)伸出时能使卸扣器支架(3-3)沿轴心旋转，增大整个卸扣行程。
7.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述一级旋转臂(7-2)与调角油缸(7-1)铰接，二级旋转臂(7-3)与一级旋转臂(7-2)铆接固定，旋转支梁(7-4)一端与二级旋转臂(7-3)铆接固定，另一端与平移支梁(7-10)铆接固定，一级伸缩油缸(7-9)一端与平移支梁(7-10)铰接，另一端与伸缩臂(7-6)铰接；伸缩臂(7-6)内筒前端与钻杆抓手(7-5)铆接固定，外筒与探杆传感器组件铆接固定，伸缩臂(7-6)侧面铆接固定有伸缩臂限位组件(7-7)。
8.如权利要求1所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述钻杆仓(8-1)包括杆仓本体(10-2)、钻杆挡板(10-1)、钻杆垫块(10-3)；钻杆挡板(10-1)与杆仓本体(10-2)两端内侧铆接固定，钻杆垫块(10-3)与杆仓本体(10-2)底部铆接固定；钻杆挡板(10-1)将钻杆仓(8-1)内分为多列，钻杆挡板(10-1)数量为n，钻杆列数呈n+1布置，1表示钻杆仓(8-1)最外侧底部补杆位仅放置1根钻杆。
9.如权利要求8所述的定向钻机自动装卸长钻具系统，其特征在于，所述补杆机械手(8-2)包括驱动马达(9-1)、驱动齿轮(9-5)、一级升降油缸(9-2)、一级升降导向缸(9-3)、升降位置传感器(9-4)、横梁(9-6)、二级升降油缸(9-7)、二级升降导向缸(9-8)、机械手抓(9-9)、探杆传感器组件；驱动马达(9-1)与一级升降导向缸(9-3)铆接固定，驱动齿轮(9-5)与驱动马达(9-1)铰接固定，一级升降油缸(9-2)安装于一级升降导向缸(9-3)内部，一级升降油缸...
【专利技术属性】
技术研发人员：张刚，李泉新，方鹏，张锐，赵雪锋，姚克，李冬生，贾茜，
申请(专利权)人：中煤科工西安研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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