水平定向鉆機動力頭和伸縮臂防撞控制系統

摘要：針對目前水平定向鉆機動力頭易與伸縮臂碰撞，導致伸縮臂、動力頭、鉆桿損壞的問題，設計了一種伸縮臂和動力頭自動防撞控制系統。該系統通過安裝的感應裝置與液壓控制油路相結合，有效控制伸縮臂和動力頭的伸出狀態，避免施工過程中，伸縮臂與動力頭發生碰撞引起伸縮臂、動力頭、鉆桿以及鉆機前部虎鉗的損壞。

關鍵詞：水平定向鉆機;伸縮臂;動力頭;防撞控制

0" "引言

水平定向鉆（Horizontal Directional Drilling，簡稱HDD）埋管技術是20世紀70年代從石油和天然氣行業引入的一種非開挖（鉆孔）敷設管線技術。水平定向鉆機是一種在非開挖地表的條件下，鋪設各種地下公用設施（管道，電纜等）的一種施工機械，廣泛用于穿越公路、鐵路、建筑物、河流，以及在文物保護區、農作物和植被保護區等不宜開挖的工程項目，可進行供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線的鋪設，具有不占用土地、不影響交通和景觀、施工速度快、精度高、成本低等優點。水平定向鉆機如圖1所示。

根據不同地層，水平定向鉆可選用不同型式的鉆頭及回擴頭，一般適用于鋪設管徑300～1200mm的鋼管、PE管，最大鋪管長度可達1500m。目前水平定向鉆機正朝著大型化與微型化、適應硬巖作業方向發展。技術領先的水平定向鉆機常配裝自備式錨固系統、防觸電系統，具備鉆桿自動堆放與提取、鉆桿連接自動潤滑、超深度導向監控、智能定位導向監控、鉆進軌跡預設等功能。

1" "動力頭、伸縮臂功能概述

非開挖水平定向鉆機在施工過程中，為了減少人工、提高裝卸鉆桿效率，機器通常會加裝自動裝卸鉆桿裝置。自動裝卸鉆桿裝置結構簡單，制作成本低，運轉穩定可靠，實用性強，可有效防止人工裝卸鉆桿時的誤操作，能夠方便、快捷的完成鉆桿的自動化裝卸，滿足施工方對于快速裝卸鉆桿的需求，大幅度提高工作效率、降低勞動成本。

目前常用的水平定向鉆機自動裝卸鉆桿裝置，主要由鉆桿、鉆桿箱、鉆桿起落架、伸縮臂等組成。伸縮臂主要用于抓取鉆桿，并將鉆桿送入鉆架側安裝鉆桿，或將鉆桿從鉆架側取回至鉆桿箱，具有自動存取鉆桿、選擇鉆桿、夾持鉆桿等功能。

水平定向鉆機動力頭承受鉆桿鉆進、回拖過程中產生的反力，主要用來推送鉆桿或將鉆桿從鉆孔中拉出。在推拉鉆桿的同時，動力頭帶動鉆桿旋轉，減少推拉力，提高施工效率。通過鉆機的伸縮臂和動力頭等部件功能配合，實現鉆機的水平定向鉆進，動力頭、伸縮臂結構如圖2所示。

鉆機鉆進作業時，首先按動伸縮臂運行開關，讓鉆桿箱下方的伸縮臂縮回。此時伸縮臂前方的抓手應位于需要選擇某列鉆桿的正下方，通過鉆桿起落裝置把鉆桿放下，伸縮臂前方的抓手正好抓住鉆桿。再通過伸縮臂運行開關控制，使伸縮臂向前運行。當運行到動力頭鉆鋌的正前方時自動停止，通過動力頭在鉆架上的前后運行及動力頭前方鉆鋌的旋轉，使動力頭的鉆鋌與鉆桿連接起來。然后通過動力頭在鉆架上的向前運行及旋轉，將鉆桿鉆入地下。

鉆機回拖作業時，首先操作推拉手柄，使動力頭帶動鉆桿沿鉆架向后移動。后移至預定位置，伸縮臂伸出，伸縮臂抓手抓緊鉆桿，動力頭反轉，使鉆鋌與鉆桿脫扣，伸縮臂抓取鉆桿縮回，將鉆桿裝入鉆桿箱。

2" "使用存在的問題

水平定向鉆機在施工時，動力頭在鉆架上做前、后往復運行，以便向前鉆進或向后回拖鉆桿。而伸縮臂位于鉆架左側、動力頭的左前方，每當伸縮臂向鉆架方向輸送鉆桿時，由于操作手對動力頭位置判斷不準確、經驗不足、誤操作等，易導致伸縮臂與動力頭相撞。同樣當伸縮臂未夾持鉆桿而保持伸出狀態時，若動力頭前推，易導致動力頭與伸縮臂相撞，從而造成伸縮臂、動力頭、鉆桿以及鉆機前部虎鉗的損壞。

3" "防撞控制系統原理

3.1" "控制原理

針對目前水平定向鉆機動力頭易與伸縮臂碰撞存在的問題，筆者設計了一套防撞控制系統。其電氣控制原理圖如圖3所示。其中VCC提供動力電源，常開式接近開關4用于感應伸縮臂伸出狀態，常閉式接近開關3用于感應動力頭位置，伸縮臂伸出開關5、伸縮臂伸出繼電器6和伸縮臂伸出電磁閥7用于控制伸縮臂伸縮，前推限制電磁閥1和動力頭前推限制繼電器2用于控制動力頭。

通過常閉式接近開關感應伸縮臂的伸出狀態，通過常開式接近開關感應動力頭位置，在伸縮臂已伸出的狀態下，動力頭可在常閉式接近開關感應范圍內移動。當動力頭離開常閉式接近開關感應范圍時，動力頭前推限制電磁閥發揮限制作用，避免動力頭繼續前推與伸縮臂、虎鉗等相撞。當伸縮臂尚未伸出、動力頭離開常閉式接近開關感應范圍時，常開式接近開關感應伸縮臂伸出狀態，控制伸縮臂伸出繼電器的通、斷電，繼而阻止伸縮臂繼續伸出，避免其與動力頭相撞。該系統能有效起到避免鉆機伸縮臂與動力頭發生碰撞的作用，全面保護鉆機的施工安全。

3.2" "工作原理

使用時，先將常開式接近開關4、常閉式接近開關3分別安裝在鉆機上的合適位置，使其能分別有效感應伸縮臂伸出狀態和動力頭的位置。鉆機工作過程中，按下伸縮臂伸出開關5， 伸縮臂伸出電磁閥7工作，控制伸縮臂伸出。

當伸縮臂伸至一定位置時，常開式接近開關4感應到伸縮臂，此時該常開式接近開關4閉合。當常閉式接近開關3感應到動力頭在其感應范圍內移動時，常閉式接近開關3斷開。此時動力頭前推限制電磁閥1斷電，動力頭可繼續前推。

當動力頭前推至脫離常閉式接近開關3的感應范圍時，常閉式接近開關3閉合。此時動力頭前推限制繼電器2通電，同時動力頭前推限制電磁閥1通電發揮作用，限制動力頭繼續前推。而伸縮臂伸出繼電器6斷開，控制伸縮臂無法繼續伸出，有效避免動力頭繼續前推與伸縮臂、虎鉗等相撞，全面保護鉆機的施工安全。

當伸縮臂已伸出超過常開式接近開關4的感應范圍時，動力頭可在常閉式接近開關3感應范圍內移動。當動力頭離開常閉式接近開關3感應范圍時，動力頭前推限制電磁閥1發揮作用，避免動力頭繼續前推與伸縮臂、虎鉗等相撞。

4" "應用效果

水平定向鉆機具有施工速度快，精度高、安全性好、綜合費用低等優點，應用越來越廣泛，具有較好的經濟和社會效益。而我國非開挖定向鉆機技術相對落后，無法滿足我國經濟快速發展的需要，急需開展智能化、自動化等技術的研究。

該防撞控制系統根據安裝在鉆架及伸縮臂不同位置的接近開關，自動對動力頭及伸縮臂運行位置進行判斷與控制，無需人工進行定位觀察，操作方便，精確度高，有效預防了動力頭與伸縮臂碰撞的事故發生。目前，該系統已成為我公司水平定向鉆產品自動裝卸鉆桿裝置標配，使用效果得到了客戶的肯定與認可。