（机械电子工程专业论文）潜孔钻机钻孔过程推进力的控制研究.pdf

o j 一l tj ， 卜 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：煎 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手霞傈存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：煎导师签名星之篓 日期：丝生年月旦日 、j声 1，j i 目前潜孔钻机多为开环控制，钻孔偏斜大，卡钻次数多、故障频率高。 本文综述潜孔钻机的发展现状，对国内外钻机性能、工作原理、 系统的结构和控制方式进行了综合分析研究。针对国内潜孔钻机推进 力控制方式的缺点与不足，提出了潜孔钻机钻孔过程推进力的自适应 控制方式，并建立了推进系统的数学模型，对推进回转系统进行了分 析。主要内容如下： 1 潜孔钻机钻孔过程中，要求钻头对孔底保持合理的轴压力， 但随着钻孔深度的变化，钻杆自重不断加大，这就要求不断改变推进 器的推进力；同时钻孔过程中孔内因素随机变化，要求推进力作相应 改变。纵观目前国外潜孔钻机推进器推进力的控制方案，通过理论和 实验研究，提出了钻机钻孔过程中岩层感应自动控制，即钻孔过程中 随着钻杆数量和孔内因素的变化而使推进力自动调节至最优值。 2 提出了利用回转压力、推进速度、推进器振动频率和振动幅 值来控制推进力，从而达到有效的预防钻孔过程中的卡钻现象。 3 利用键合图理论，对推进系统进行分析，建立了推进系统的 数学模型，通过数字仿真，得出了比例系统的控制力和推进器推进力 的关系，为实现岩层感应自动控制奠定了理论基础。 4 利用模糊控制技术和m a t l a b 进行了推进回转系统仿真，证明 推进力控制算法的可行性。 5 实验研究与分析。介绍了潜孔钻机实验样机、主要液压系统 和实验方案：对推进系统的控制性能进行了实验研究；对推进回转系 统进行了实验研究。 关键词：潜孔钻机，推进力控制，电液比例控制，防卡钻 、 0 一 、 0 y ? t d o w n - t h e 。h o l ed r i l li sn o to n l yw i l d l yu s e di nt h ec o a l f i e l d ，m i n e ， m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y a n dc h e m i c a l e n g i n e e r i n g ，b u t a l s o i nt h e g e o l o g i c a l ，h y d r o p o w e rp r o j e c t ，c o m m u n i c a t i o na n dm i l i t a r yd e p a r t m e n t s ， i ti st h em o s ti m p o r t a n tf a c i l i t yo ft h ee n g i n e e r i n g t h i sp a p e rg i v e sad e t a i l e ds t a t e m e n to ft h ed o w n t h e h o l e ( d t h ) d r i l lt h a tm a i n l yr e f e rt ot h ed t hd r i l l sp r e s e n td e v e l o p i n gs i t u a t i o n ， o p e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n dw o r k i n gt h e o r y t h eh y d r a u l i cs y s t e ma n d c o n t r o lm e t h o do ft h ed t hd r i l li sa n a l y z e di nt h i sp a p e r ，a n da i m i n ga t t h ed i s a d v a n t a g e da n dd e f i c i e n c yo fd t h d r i l l ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h e f e e d i n gf o r c ea d a p t i v ec o n t r o lw h i c hc a na u t o m a t i c a l l yk e e par e a s o n a b l e a x i a lf o r c e ，c r e a t e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fh y d r a u l i cs y s t e m ，a n a l y z e d t h e f e e d i n g - r o t a t i n gs y s t e ma n dp o i n t e dt h a tu s i n gr o t a t i o n s y s t e m p r e s s u r et oc o n t r o lt h ef e e d i n gf o r c ec a r lr e a l i z ea n t i - ja m m i n g t h em a i n c o n t e n ti sa sf o l l o w s ： a ) i ti sr e q u i r e dt h a tt h ea x i a lf o r c eo ft h ed r i l lb i tt oh o l e b e db e r e a s o n a b l ei nt h ep r o c e s so ft h er o c k d r i l l i n gf o rt h ed t h d r i l l ，b u tt h e d r i l lr o d sw e i g h tv a r i e sc o n t i n u o u s l yi nt h ep r o c e s so ft h er o c k - d r i l l i n g ， t h a tr e q u i r e st oc h a n g et h ef e e d i n gf o r c ec o n t i n u o u s l y i ti ss i m i l a rw a yt o t h ef e e d i n gf o r c ef o rt h es t a t ef a c t o r sr a n d o mv a r i a t i o ni nt h eh o l e i nt h e l i g h to ft h ea n a l y s i so ft h ef e e d i n gf o r c ec h a n g i n gm e t h o df o rt h ed t h d r i l la th o m ea n da b r o a dp r e s e n t l y , t h ep a p e r p u tf o r w a r dt h er o c ks e n s i n g c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hm e a n st h a ti nt h ep r o c e s so fr o c kd r i l l i n ga r e a s o n a b l ef e e d i n gf o r c es h o u l db ea d a p t e dt oa c c o r dt h ec h a n g i n go ft h e d r i l lr o d sw e i g h ta n dt h ev a r i a t i o no ft h eh o l ef a c t o r b ) m e t h o do fp o w e rb o n dg r a p h i su s e dt oc r e a t e dm a t h e m a t i c a l m o d e lo f h y d r a u l i cs y s t e mw h i c hi sp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e d o nt h eb a s i s o fm a t h e m a t i c a lm o d e l st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i ss y s t e ma r es t u d i e d b y u s eo f c o m p u t e rs i m u l a t i o n t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h a tt h ef e e d i n g s y s t e mo fd t h d r i l lc a na c h i e v ea d a p t i v ec o n t r o lb yu s i n g e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt e c h n o l o g y t h a ti st h eb a s eo fr o c k s e n s i n gc o n t r 0 1 -，、 甲。，f 硕士学位论文 目录 c ) b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h er o c k - d r i l l i n gj a m m i n gm e c h a n i s m a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec u r r e n tr o c k - d r i l l i n ga n t i - j a m m i n gm e t h o d s ， t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h a tr o c ks e n s i n gc o n t r o lc a nb ea c h i e v e db yu s i n g t h es i g n a l so fr o t a t i o np r e s s u r e ，f e e d i n ga c c e l e r a t i o na n dv i b r a t i o no ft h e t h r u s t e r t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ni su s e dt os u p p o i r tt h et h e o r yb yu s i n g m a r t l a ba n df u z z yc o n t r 0 1 d ) e x p e r i m e n tr e s e a r c h a n da n a l y s i s t h ed t hu s e di nt h e e x p e r i m e n t , t h em a i nh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h ee x p e r i m e n ts c h e m ea r e i n t r o d u c e d a tl a s tt h ec o n t r o lc a p a b i l i t yo ff e e d i n gs y s t e ma n dt h e f e e d - r o t a t i o ns y s t e ma r eb e i n gt e s t e dt h r o u g he x p e r i m e n t k e y w o r d ：d o w n t h e - h o l ed r i l l ，f e e d i n gf o r c ec o n t r o l ，e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o l ，a n t i - ja m m i n g h l 、 0 了 气1 摘要i 第一章绪论。l 1 1 引言1 1 2 潜孔钻机在国内外的应用1 1 2 1 潜孔钻机的发展历史l 1 2 2 潜孔钻机的发展现状2 1 2 3 潜孔钻机研究现状3 1 3 潜孔钻机的分类和结构组成：4 1 3 1 潜孔钻机的分类5 1 3 2 潜孔钻机的结构组成5 1 4 潜孔钻机推进力的控制方式7 1 4 1 国内外钻机现有推进力调节方式8 1 4 2 负反馈比例控制推进力新方案8 1 5 电液比例控制技术在钻机中的应用9 1 5 1 电液比例技术概述9 1 5 2 国内外钻机电液比例控制技术应用研究的发展现状1 0 1 6 本课题的研究内容、重点及意义1 0 第二章岩层感应控制理论与方案的研究 2 1 岩层感应控制的意义1 2 2 2 钻进过程力学特性分析1 3 2 2 1 钻头对孔底的轴压力1 3 2 2 2 理想钻进状态下的回转压力。1 3 2 2 3 孔内随机因素影响下的回转压力1 5 2 3 潜孔钻机推进力控制方案1 6 2 3 1 以钻杆数量的变化为信号控制系统推进力1 6 2 3 2 以回转压力控制推进力1 7 2 4 推进力自适应控制方案18 2 4 1 钻孔过程中各种因素对系统影响的分析1 8 2 4 2 推进力自适应控制方案1 9 2 4 3 孔内因素影响下推进力自适应方案的控制规则2 l 2 5 推进力的控制对凿岩过程自动防卡钻的意义2 2 2 5 1 潜孔钻机凿岩卡钻现象分析2 2 2 5 2 回转压力反馈控制中临界回转压力的确定2 3 2 6 本章小结2 6 第三章潜孔钻机推进系统数学模型的建立与仿真。 2 7 3 1 建立数学模型的基本方法2 7 3 1 1 键合图的基本术语2 7 3 1 2 功率键合图的建立方法2 9 纛， 硕士学位论文 目录 3 1 3 系统状态方程的列写猡 3 2 1 推进系统的液压原理图3 l 3 2 2 推进系统功率键合图及数学模型的建立3 2 3 2 3 数学模型参数的选取3 4 3 3 推进系统的数字仿真3 5 3 3 1 j i i a t l a b 软件的简介3 5 3 3 2 液压推进系统仿真分析3 5 3 4 本章小结3 8 第四章推进力控制算法的实现及仿真。3 9 4 1 推进力的控制算法的选择3 9 4 1 1 推进回转系统的简单数学模型3 9 4 2 推进力模糊控制器的设计4 0 4 2 1 模糊控制理论概况4 0 4 2 2 钻机推进力模糊控制器的输入输出变量4 2 4 2 3 钻机推进力模糊控制器的模糊规则4 3 4 2 4 推进力模糊控制器模糊化和解模糊化方法4 6 4 2 5 基于m a t l a b f u z z yt o o l b o x 的推进力模糊推理系统4 7 4 3 推进力的联合控制4 8 4 3 1 加速度信号与推进力的控制4 8 4 3 2 振动频率信号与推进力的控制4 9 4 4 推进力自适应控制的m a t l a b 仿真4 9 4 4 1 钻孔过程中钻杆数量变化对回转压力的影响仿真4 9 4 4 2 孔内因素对回转压力的影响5 1 4 4 3 推进速度或振动信号的定值控制5 3 4 5 本章小结5 4 第五章实验研究。5 5 5 1 实验系统设计5 5 5 1 1 实验研究的目的5 5 5 1 2 实验系统的组成与实验方案研究5 5 5 2 实验结果分析5 8 5 2 1 实验结果5 8 5 2 2 实验结果分析6 2 5 3 本章小结6 3 第六章结论 6 1 全文总结6 4 6 2 进一步的研究构想“ 参考文献： 致谢 攻读硕士期间的主要研究成果 6 8 v 6 9 凿岩机械的一种，是目前钻凿炮孔作业广为使用的凿岩机械之一，与常见的凿岩 机相比，具有钻孔深、钻孔直径大、钻孔效率高、适应范围广等特点，是当前通 用的大型凿岩钻孔设备。 迄今为止，凿岩爆破是实施岩石破碎的主要方法，破碎岩石首先需要在岩( 矿) 石中钻凿按爆破要求设计的炮孔。目前采用机械破碎岩石钻孔的方法，主要有三 种类型，分别是( 1 ) 冲击一旋转破碎岩石钻孔，它是采用冲击载荷和转动钎具一 定角度，并施加合理的推力来破碎岩石。适合在中硬、坚硬的岩石中钻孔。此类 钻孔设备有潜孔钻机和凿岩机等。( 2 ) 旋转破碎岩石钻孔，它是采用旋转式多刃 钎具切割岩石，同时施加较大的推力破碎岩石。适应在磨蚀性小及中硬以下的岩 石中钻孔。此类钻孔设备有电钻和旋转钻机。( 3 ) 旋转一冲击破碎岩石钻孔，又 称为碾压破碎钻孔，它是施加很大的轴压( 一般大于3 0 0 k n ) 给钻头，同时旋转 滚齿传递冲击和压入力，滚齿压入岩石的作用比冲击作用大，通过旋转冲击破碎 岩石。此类穿孔设备最典型的是牙轮钻机口，。 1 2 潜孔钻机在国内外的应用 1 2 1 潜孔钻机的发展历史 国外潜孔钻机凿岩作业始于1 9 3 2 年，首先使用于地下矿山钻凿深孔。第二 次世界大战以后，露天矿山开始采用潜孔凿岩。到六十年代初期，国外露天矿已 经普遍使用潜孔钻机，其中澳大利亚发展最快，至1 9 6 5 年他们已经完全实现了 露天凿岩作业潜孔化。七十年代初期，到上世纪7 0 年代，国外对潜孔钻机作了 大量研制工作，广泛用于采矿、采石、水电、交通、勘探、锚固等施工作业。由 于采用高风压潜孔冲击器及其球齿钻头，使炮孔偏斜和寿命过低两个问题有所缓 解，所以潜孔钻机在井下大直径深孔作业中又获得了新的发展1 。7 0 年代后期到 8 0 年代初期发展起来一种新工艺钻凿大直径深孔、装填主装药包进行阶段 空场采矿或漏斗爆破垂直后退式采矿。它成功地运用了高效率自行式潜孔钻机和 硕士学位论文 第一章绪论 牙轮钻机、冲击器、柱齿钻头以及高风压凿岩、高密度、高爆速和高容积威力爆 药及微差爆破技术。加拿大国际金属公司首先用巾1 6 5 r a m 大直径深孔才矿法回采 矿柱取得成功，运用和发展了利文斯顿球状药包漏斗爆破理论，演变球状药包垂 直后退式采矿法，即v c r 法。同时继v c r 法的蓬勃发展之后，地下大直径深孔柱 状药包台阶爆破采矿法也得到了广泛应用和发展。用潜孔钻机钻凿大直径深孔， 穿孔速度快、台班效率高、采矿总成本低；有些矿山并用两种潜孔钻机和牙轮钻 机。经过多年的实践，现已大致制定潜孔钻机和牙轮钻机凿岩的工作范围， 1 0 0 1 7 0 m m 的炮孔使用于潜孔钻机凿岩，1 7 0 2 0 0 r a m 以上的炮孔则用牙轮钻机凿 岩，而1 6 5 m m 孔径的炮孔则被认为是大直径深孔采矿法球状药包爆破的最佳途径 【2 】 】【5 】 o 国内潜孔钻机的发展较晚。到五十年代末期，我国从苏联引进了一批b a - 1 0 0 型井下潜孔钻机及m 一1 9 0 0 等型潜孔冲击器，于是潜孔凿岩在我国北方很多矿山 得到迅速推广，当时主要用它钻凿咖1 0 0 1l o m m 的深孔。六十年代初，露天潜孔 钻机在我国中、小露天矿获得进一步应用和推广，主要用于钻凿巾1 5 0 m m 孔径、 6 “1 2 m 深的炮孔。到了七十年代，我国露天矿使用的潜孔钻机占全部钻孔机械的 6 0 7 0 。8 0 年代初期我国开始发展大直径深孔爆破技术。这种高强度、高效率 的采矿方法要求有高风压、大直径的潜孔钻机与其配套。大直径深孔落矿是大幅 度提高劳动生产率和降低成本的有效方法。 1 2 2 潜孔钻机的发展现状 在凿岩设备的研究开发方面，瑞典的a t l a s 、芬兰的t a m r o c k 、美国的 i n g a s o l l r a n d 、日本的古河等公司已经走在了行业的前列，它们均推出不同品牌 和系列的集成式潜孑l 钻机。这些公司的产品经过几十年甚至上百年的积累、改进 与发展，无论是设计、选材还是制造水平都处于国际领先地位。其中瑞典 a t l a s - - - - - c o p c o 公司和芬兰的t a m r o c k 公司生产的液压凿岩设备占全球总量的一 半以上。现在a t l a s 弋o p c o 收购了i n g a s o l l r a n d 钻机部，s a n d v i k 收购了 t a m r o c k ，t e r e x 也已收购了美国的r e e d r i l l 。 我国是一个快速发展的多山国家，矿山、能源、水电及国防等基础建设领域 中各种凿岩开采的工程量十分浩大。根据工程机械“十一五 发展规划预测， 化工原料和建筑材料是“十一五”期间发展的重点。虽然矿山开发总量增加有限， 但是随着向规模化、集约化发展，小水泥厂将被关闭，大型石材矿山行业将得到 快速发展，这些势必促进矿山企业更新开采设备，以提高自身的机械化水平。 2 5 0 、4 0 吨) 按照使用风压的不同还可分为低风压潜孔钻机( 0 5 “0 7 m p a ) 、中风压潜孔 钻机( 1 0 1 2 m p a ) 和高风压潜孔钻机( 1 4 2 5 m p a ) 。目前国外已很少使用低 风压的潜孔钻机。 1 3 2 潜孔钻机的结构组成 不同型号的潜孔钻机其结构组成不同，比如支架式的轻型潜孔钻机c z j i o o b 与履带式全液压驱动的潜孔钻机w z d l 5 0 有较大的区别，特别是行走机构。但潜 孔钻机的推进回转机构工作原理相同n 。现结合本课题的研究，以大型露天潜孔 钻机为例介绍其机构的组成n 钔： ( 1 ) 钻架 钻架是回转装置滑行、钻具推进和提升的导轨。是由槽钢焊成箱形截面的框 架结构。钻杆支座固定在钻架的下端，以支承钻杆及钻具。钻架通过补偿油缸及 滑动导槽与滑架连接。补偿油缸的作用使钻架可相对滑架上下滑动。钻架起落时， 补偿油缸将钻架提起，钻孔作业时，补偿油缸将钻架推出使钻架下支点支承在作 业面上n 射。 ( 2 ) 滑架 滑架是由钢板焊接的方箱结构件，用以连接和支承钻架。滑架由销轴与机架 支座铰接，工作时由举升液压缸支承，钻架、滑架的起落及变更钻孔方向通过举 升液压缸实现n 钔。 ( 3 ) 回转装置 该机构由液压马达、主轴机构、按头、滑板及中心供气机构组成。推进机构 硕士学位论文 第一章绪论 的链条通过销轴与弹簧减振机构固定在滑板上。 回转由2 台液压马达经齿轮减速器驱动，输出转速0 - 7 0r r a i n 连续可调。 ( 4 ) 推进机构 推进机构由推进液压马达、链轮组、链条及缓冲弹簧组成。链条的一端绕过 主动链轮通过销轴固定在滑板的上部，另一端绕过从动链轮通过销轴固定在缓冲 弹簧的一端，缓冲弹簧的另一端连按在滑板的下部，推进与提升通过控制液压马 达的正反转来实现。推进液压马达自身由于控制系统的作用而具有缓冲作用。 ( 5 ) 卸杆器 卸杆器由上卸杆器体、下卸杆器体、卡杆油缸及卸杆油缸等部分组成。卸杆 时下卸杆器将下钻杆( 或冲击器) 由卡杆油缸卡牢、上卸杆器将上钻杆卡牢，然后 卸杆油缸动作便可将上下钻杆连按螺纹松动开，再通过回转机构便可将钻杆卸 下。 ( 6 ) 除尘装置 除尘装置分为干式除尘、湿式除尘、混合式除尘和泡沫除尘等几种方式。干 式除尘装置由捕尘罩、沉降箱、旋风除尘器、脉冲布袋除尘器、风机及管道组成。 湿式除尘是对岩粉进行湿化处理，利用风水混合物作除尘介质，在孔底把岩粉湿 化，然后排到地表。由于孔低岩粉湿化后多呈黏滞状态，所以排渣效果低于干式 除尘，但是其除尘效果远优于干式除尘，这种方法仍被国内外矿山广为采用。混 合式除尘是将干式除尘和湿式除尘结合起来应用，就可构成所谓干排湿除的混合 式除尘系统。泡沫除尘是今年在国外发展起来的一种新式除尘方法，它是将水和 一定数量的聚合物起泡剂相混合形成一种起泡剂溶液，将其用泵打入钻机压气用 的进气管中并送入孔底，在孔底形成泡沫。这种除尘方法，不但能较好的捕集和 消除粉尘而且还可以提高排渣效果，加固孔壁。 ( 7 ) 行走机构 行走装置由行走架、液压马达、多级行星式减速机、履带、驱动轮、从动轮 及张紧装置等部分组成。由液压马达通过多级行星式减速机实现独立驱动。减速 机可内藏于履带宽度之中。履带由油脂缸调节、弹簧张紧，带停车制动器。 ( 8 ) 机架 空压机组、除尘装置、油箱泵组、阀组、司机室等均安装在机架上。 ( 9 ) 机身回转机构 该机构由回转马达、制动器、减速装置、小齿轮、回转支承等组成。可使机 身3 6 0 。全回转，便于钻孔定位，减少辅助作业时间，提高工作效率。 ( 1 0 ) 钻架偏摆机构 该机构由偏摆油缸、铰轴和铰座等组成，可使钻架左右偏摆，调整钻孔角度。 6 1 4 潜孔钻机推进力的控制方式 冲击、回转、推进和排渣是潜孔钻机工作的四个基本环节。潜孔钻机为了顺 利地进行钻孔凿岩作业，必须通过推进器将其推进力作用于钻头，且钻头对孔底 的轴压力应控制在适当的数值，使钻头与孑l 底岩石紧密地接触，有效地破碎孔底 岩石。如果推进力不足，会造成冲击器、钻头和岩石之间的不规则碰撞，降低钻 孔速度。如果推进力过大，将产生很大的回转阻力，也会加速钻头的磨损，加剧 钻机的振动，使钻孔速度下降。在钻孔过程中随着钻杆数量的改变，其自重是发 生变化的，这就要求推进力也随之改变。另外在钻孔过程中所遇岩层不同，所需 推进力的大小也要求有所不同。因此潜孔钻机的推进力应根据孔内钻杆数量、孔 内因素和地质情况的不同而自动调节推进力。图1 1 为推进力不合理所导至的钻 孔偏斜。 永j 灞+ 二 二+ 一隧礁二二艇壁 、 一；i i ： 瓦丽鬲丽晶r 訇7 、l i r , 。, v e n i o e 黑e l 藩冻t i i 五i i m 蔷翊 m 一t o l m , 黑蕊磊勰嗣 t ” - t - “ o l 一。一 o n m 二盈e = = 盈 图卜1 推进力不合理导致的钻孔偏斜1 7 硕士学位论文 第一章绪论 i 4 1 国内外钻机现有推进力调节方式 目前国内外的潜孔钻机对推进力大都有控制功能，主要有以下几种调节推进 力的方式： 1 ) 反提推进器控制 国外早期生产的潜孔钻机，如瑞典的r o c 3 0 6 钻机，其推进机构为风马达一 涡轮一蜗杆一链轮链条结构乜1 。当钻孔深度增大，钻杆自重引起钻头对孔底的轴 压力过大时，靠风马达反转，通过链条反提推进器支承钻杆自重而继续以该方式 钻进。显然这种推进力不变的控制方式在钻孔作业过程中，其钻头轴压力或过大， 或过小，钻孔深度受到限制，不能很有效凿岩。 ( 2 ) 调节系统压力来控制推进力 加拿大生产的c d 3 6 0 潜孔钻机，为了能调节推进力，对推进和回转采用独立 的供油系统，推进力的改变靠调节推进供油系统的压力来实现，即随着钻孔深度 加大，钻杆自重增大，调节推进系统的压力来补偿钻杆自重加大引起的钻头轴压 力增大。显然，这种控制方案受操作者责任心，工作态度的影响；每增加一根或 两根钻杆调节一次推进系统的推进压力，不仅费事，而且其调压阀易损，推进、 回转需单独供油，系统复杂，成本高。 ( 3 ) 采用比例减压阀人工调节推进压力来控制推进力 该控制方案钻机的推进回转液压系统采用同一油源，在推进油路上设置一个 比例减压阀，调节减压阀的压力来调节推进器的推进压力，从而改变推进力的大 小。如瑞典a t l a sc o p c o 公司生产的s i m b a 2 6 1 潜孔钻机，通过调节推进器油路 上设置电液比例减压阀，在操作台上设置调节手柄，来调节推进器的推进压力。 显然，这种控制方式亦受操作者的责任心、工作经验的影响。 以上这些调节方式，均为人工控制方式。这种能调节推进力的方式从理论上 来说，在潜孔钻机钻孔过程中，随着钻孔深度的增加，钻杆自重加大，能减小推 进系统的推进力，使钻头轴压力基本合适。然而人工调节推进力降低了生产效率， 增加了生产成本，且调节为定性调节，是不精确的，很大程度上受制于操作者的 责任心。另外潜孔钻机在凿岩过程中，孔内因素发生变化时推进力也应相应变化， 人工调节不能胜任这种实时变化。 1 4 2 负反馈比例控制推进力新方案 由于现有钻机推进力均需人工干预控制，因此降低了凿岩作业效率，且控制 精度不高，钻孔偏斜严重。本文利用回转压力反馈与比例控制技术实现钻孔过程 中推进力的自适应控制，称之为岩层感应自动控制，即利用推进速度信号、振动 8 硕士学位论文 第一章绪论 信号和回转压力反馈信号，实现推进力随钻杆数量的变化、孔内因素的变化而自 动调节推进力，使推进力与这些因素达到最优匹配，以提高钻孔效率，降低故障 率，最大限度的减小钻孔偏斜率。 1 5 电液比例控制技术在钻机中的应用 1 5 1 电液比例技术概述 传统的电液开关控制不能满足高质量控制系统的要求，而传统的电液伺服阀 由于对流体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维护费用比较高，系统能耗 也比较大，难以为各工业用户所接受。因此，人们希望开发一种可靠、价廉，控 制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制技术，这就是6 0 年代末以来电液比例技术得以发展的背景f 1 8 j 【1 9 1 。 比例阀以传统的工业用液压阀为基础，采用可靠、价廉的模拟式电一机械转 换器和与之相适应的阀内机构设计，从而获得对油质要求与一般工业阀相同、价 廉、阀内压力损失低、性能又能满足大部分工业控制要求的比例元件。 1 9 7 5 1 9 8 0 年，采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁 铁和比例放大器技术上也日趋成熟，工作频宽5 - 1 5 h z 稳态滞环减小到3 ，可 用于开环、闭环控制。8 0 年代以来，由于采用了更加完善的压力、流量、位移 内反馈、动压反馈和电校正等手段和优化设计，器件的稳定特性除因制造成本所 限，仍保留中位死区外，某些性能如线性度、滞环、重复精度等稳态特性上已和 伺服阀相当，阀的稳态精度、动态响应和稳定性有了迸一步提高，而工作频宽( 3 - 2 5 h z ) 又具有足以满足大部分工业系统控制要求的相当水平，在对介质过滤精度 要求( 过滤要求：比例阀约2 5 a m ，伺服阀1 5 a m ) 阀内压力损失和价格方面， 低于伺服阀，颇具竞争力。 电液比例控制系统特点： 1 ) 可明显地简化液压系统，实现复杂程序控制，降低费用，提高了可靠性， 可在电控制器中预设斜坡函数，实现精确而无冲击的加速或减速，不但改善了控 制过程品质，还可缩短工作循环时间。 2 ) 乖l j 用电信号便于实现远距离控制或遥控。将阀布置在最合适的位置，提高 主机的设计柔性。 3 ) 利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标。 4 ) f i g 按比例控制液流的流量、压力，从而对执行器件实现方向、速度和力的 连续控制，并易实现无级调速【2 们。 比例技术发展趋势： 1 ) 提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展。提高电液比例阀及远控多 9 硕士学位论文 第一章绪论 路阀的性能，使之适应野外工作条件。并发展低成本比例阀，其主要零件与标准 阀通用。 2 ) 比例技术与二通和三通插装技术相结合，形成了比例插装技术，特点是结 构简单，性能可靠，流动阻力小，通油能力大，易于集成；此外出现比例容积控 制为中、大功率控制系统节能提供新手段。 3 ) 由于传感器和电子器件的小型化，出现了传感器、测量放大器、控制放大 器和阀复合一体化的元件，极大地提高了比例阀( 电反馈) 的工作频宽【2 。 1 5 2 国内外钻机电液比例控制技术应用研究的发展现状 在8 0 年代后期，电液比例技术日趋成熟，应用领域日渐扩大，国外一些勘 探设备制造公司开始将电液比例控制系统应用于全液压水井钻机，并取得了进 展。| 2 2 1 9 0 年代国外将电液比例控制技术与计算机控制技术、传感器技术相结合， 应用于自动化钻机的研究开发中，取得了成功。a t l a sc o p c o 公司在1 9 9 6 年开 发的d i a m e c 2 6 4 a p c 全自动钻机和2 0 世纪9 0 年代末开发的d i a m e c 2 8 4 a p c 全自动 钻机就应用了电液比例控制技术。加拿大生产的c s r 1 0 0 0 a v 水井钻机采用了负 荷传感控制系统，由液控比例变量泵和液控比例换向阀组成的调速和换向系统， 达到传动效率高，操作简单的要求瞳劓。电液比例控制在上述水井钻机中的应用主 要是利用比例变量泵和比例换向阀进行调速和换向控制，然而潜钻钻机钻孔过程 的控制主要为压力控制，比例技术没用得到广泛应用1 。我国在这方面的研究则 起步较晚，与国外相比，不管从应用程度和应用范围都差距很大。目前我国尚无 自行研发的计算机控制、机电液一体化操作、具有优越性能和高生产率的自动化 钻机。近年来，国内有些钻机厂家在这方面做了一些有意义的尝试，在某些局部 系统采用了电液比例技术，如由中地装备集团技术中心和连云港黄海机械厂联合 研制的f d p - 3 0 型非开挖钻机的行走机构就采用了电液比例控制系统。徐州工程 机械集团于2 0 0 2 年推出的z d l 2 4 5 型水平定向钻机，其钻臂定位系统也采用了电 液比例、负载反馈控制技术，自动化程度很高心副。 1 6 本课题的研究内容、重点及意义 目前国内外的潜孔钻机的液压系统多为传统控制方式，自动化水平不高，工 作效率较低对钻机炮孔定位研究较多，而对钻孔过程控制的研究相对较少，电液 比例技术的应用也主要局限在钻臂定位方面，所以将电液比例技术应用于钻机的 钻进过程，已成为一种必然。 本文利用电液比例技术对钻机的钻孔过程的推进力进行控制，在推进油路上 设置电液比例减压阀来控制推进压力，使钻机在钻孔过程中，通过对系统的检测 l o 中南大学 学位论文保密审批表 申请人姓名 李，讶稻l 学号lo o r 3 12 口汐如 所在学院 枷、包工征学院l 专业 l 机檄电子1 起 学位类别博士口硕士函 l 联系电话l 眵子7 钾；2 孑西 论文题目 湾孔钻机锈孔辽艘犯赳内的捏剐研完 建议密级机镭 l 建议保密期限l 五年 船黼篇淼郴。力枇，删澎砌哪跏初瑚细冕乃1 蜀力叫唱铡，删澎砌犹饭垆跏 i 啪啪雠仔瓜 导师签字 凑冤劳 ， 砷年 只；| 黾 学校审批( 盖章) ： 密级类型国家秘密 口 技术秘密 口 专利技术口 机密口保密期限年 必须携带全部学位论文以便加盖保密专用章 硕士学位论文 第一章绪论 达到推进力的无级调节，从而使钻头的轴压力保持在一个合理值，且对钻机的各 种卡钻能起到有效的预防作用，使孔的直度、钻具寿命和钻进速度达到最优化。 本文的主要内容如下： 1 分析了目前国外潜孔钻机推进器推进力的控制方式及其存在的缺点与不 足，提出推进力应根据孔内的钻杆数量变化和孔内地质情况的变化而变化。 2 通过理论和实验研究，提出了潜孔钻机钻孔过程中推进力自适应控制方 案，利用回转压力信号、推进速度信号、推进器振动频率和振动幅值信号来控制 推进力。 3 分析了推进力自适应方案，证明了其能有效地预防钻孔过程中的卡钻，并 提出了预防卡钻回转压力反馈控制临界回转压力的确定方法。 4 利用键合图理论，对推进系统进行分析，建立了推进系统的数学模型，通 过数字仿真，得出了比例系统的控制力和推进器推进力的关系，为实现岩层感应 自动控制奠定了理论基础。 5 利用模糊控制技术和m a t l a b 进行了推进回转系统仿真，证明推进力控制 算法的可行性。 6 实验研究与分析。介绍了潜孔钻机实验样机、主要液压系统和实验方案； 对推进系统的控制性能进行了实验研究；对推进回转系统进行了实验研究。 硕士学位论文第二章岩层感应控制理论与方案的研究 第二章岩层感应控制理论与方案的研究 2 1 岩层感应控制的意义 潜孔钻机为了顺利地进行钻孔凿岩作业，必须通过推进器将其推进力作用于 钻头，且钻头对孔底的轴压力控制在适当的数值，否则实现不了正常穿孔凿岩， 保证不了炮孔质量。生产实践表明，推进力太小，钻机受冲击器反弹力的影响， 易发生振动，钻头与孔底岩石不能很好接触，不能有效地将冲击能传递给岩石， 凿岩速度降低；推进力太大，回转不稳定，钻头易磨损，钻机的振动加剧，在诱 偏岩层钻进，易造成钻孔偏斜，影响钻孔质量，所以推进器对钻头的轴压力应保 持在最优值，以提高钻孔效率，保证钻孔质量。由于潜孔钻机穿孔凿岩钻孔深度 一般在1 0 4 0 米以上，个别超过1 0 0 米，其钻孔过程中，必须经多次接卸钻杆， 即随着钻孔深度的变化，孔内钻杆数量改变，钻杆自重是不断变化的。这就要求 潜孔钻机推进器的推进力在潜孔钻机凿岩过程中随着钻孔深度的变化，钻杆的自 重的改变而改变。另外在钻孔过程中所遇岩层不同，如软岩、粘土、硬岩、裂隙、 空洞等，所需推进力的大小也要求有所不同。因此本文提出潜孔钻机钻孔过程岩 层感应控制，即潜孔钻机的推进力根据孔内钻杆数量、孔内因素和地质情况的不 同而自动调节推进力，使推进力与这些因素达到最优匹配，以提高钻孔效率，降 低钻孔故障，最大限度的减小钻孔偏斜率。【2 6 】【2 7 】 早期的潜孔钻机钻孔过程推进力大多未加控制，均为恒推力推进，不能根据 钻杆数量变化调节推进力，更不能根据岩层性质的变化而实时控制推进力，因而 钻孔精度低，钻孔偏斜大，卡钻故障高发。随着大直径深孔采矿的工艺的应用与 发展，现代潜孔钻机一般都有推进力的控制功能，其推进力的控制方式已在绪论 中作了简要介绍，即反提推进器控制、调节系统压力来控制推进力和采用比例减 压阀人工调节推进压力来控制推进力。 综观现有的这些潜孔钻机推进器推进力的调节方式，推进力的控制均采用人 工控制方式。这种能调节推进力的控制方式从理论上来说，在潜孔钻机钻孔过程 中，随着钻孔深度的增加，钻杆自重加大，能减小推进系统的推进力，使钻头轴 压力基本合适。然而这种人工调节推进力的方式为定性调节，是不精确的，很大 程度上受制于操作者的经验和责任心。另外潜孔钻机在凿岩过程中，孔内因素发 生变化时推进力也应相应变化，人工调节不能胜任这种实时变化。本章提出了 岩层感应控制，主要是利用推进速度信号、钻杆振动信号和回转压力信号使钻孔 过程推进力实现自动控制。 1 2 硕士学位论文 第二章岩层感应控制理论与方案的研究 2 2 钻进过程力学特性分析 2 2 1 钻头对孔底的轴压力 钻头对孔底的轴压力包括推进器、冲击器、钻头等移动部件自重、钻杆自重 和推进器的推进力。可用下式表示： f a = f t + w