一種用于地質(zhì)勘探鉆機(jī)的全數(shù)字控制系統(tǒng)

韓大龍

（西安市西工大高商科技有限公司，陜西 西安 710072）

1 概述

隨著全球地下礦產(chǎn)資源的不斷開(kāi)發(fā)利用，礦產(chǎn)資源的保有儲(chǔ)量在逐年減少，世界各國(guó)都在加大投資力度，積極尋找新的地下礦產(chǎn)資源。我國(guó)人均礦產(chǎn)資源占有量只有世界人均資源占有量的58% 左右，某些礦產(chǎn)資源供給面臨短缺，有的已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。在目前我國(guó)15萬(wàn)個(gè)礦山企業(yè)中，有相當(dāng)一部分大、中型礦山到了中晚期，可采量與儲(chǔ)量銳減，新增儲(chǔ)量青黃不接，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定造成很大壓力。黨中央、國(guó)務(wù)院已經(jīng)認(rèn)識(shí)到上述嚴(yán)重的形勢(shì)，相繼制定了“危機(jī)礦山接替資源勘探規(guī)劃”、“加強(qiáng)地質(zhì)工作的決定”等措施，并撥20億元的地質(zhì)勘查專項(xiàng)基金，以推進(jìn)地下礦產(chǎn)資源的勘探速度。從目前地質(zhì)找礦探測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀看，利用鉆探取心（樣）方法確定地下礦產(chǎn)資源的品位、埋深、最終的儲(chǔ)量等信息在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍是不可替代的技術(shù)手段。我國(guó)地質(zhì)找礦鉆探裝備被認(rèn)為比較落后，難以滿足國(guó)家對(duì)加速地質(zhì)礦產(chǎn)資源的勘探開(kāi)發(fā)的要求，所以從用戶到到國(guó)家都認(rèn)為應(yīng)該開(kāi)發(fā)先進(jìn)的地質(zhì)勘探裝備。

鉆機(jī)是尋找地下資源必須的設(shè)備，目前全球地質(zhì)勘探取心（樣）鉆機(jī)基本上可以分為兩大類型：一類是以機(jī)械傳動(dòng)為主，液壓傳動(dòng)作為夾緊和給進(jìn)輔助動(dòng)作，并通過(guò)固定的機(jī)上主動(dòng)鉆桿向孔內(nèi)鉆頭提供動(dòng)力的鉆機(jī)。這就是人們常說(shuō)的立軸式鉆機(jī)（Spindledril1）；另一類是主傳動(dòng)及其他所有輔助動(dòng)作都是采用液壓傳動(dòng)方式完成的全液壓鉆機(jī)，也就是人們常說(shuō)的全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)或液壓頂驅(qū)式鉆（all－h(huán)ydraulicoperated drill or top－drive hydraulic head dril1）。目前，沒(méi)有人能非常準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出世界上兩種鉆機(jī)正在應(yīng)用的數(shù)量，但兩種鉆機(jī)在全球地質(zhì)勘探施工中都在非常廣泛地應(yīng)用。

中國(guó)地質(zhì)巖心鉆探施工市場(chǎng)機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)開(kāi)動(dòng)數(shù)量約占96～97%左右，液壓驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)約占3～4% 左右。目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家以及非洲（非洲國(guó)家的鉆探設(shè)備主要靠進(jìn)口）及南美地區(qū)地質(zhì)鉆探施工大部分采用液壓傳動(dòng)鉆機(jī)，除中國(guó)外，亞洲地區(qū)機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)應(yīng)用也較廣泛。究竟哪種鉆機(jī)是高效節(jié)能鉆機(jī)呢？只有通過(guò)理論分析、按照實(shí)事求是和科學(xué)觀點(diǎn)，通過(guò)實(shí)踐的檢驗(yàn)才能證明哪種鉆機(jī)是高效節(jié)能的鉆機(jī)。機(jī)械立軸鉆機(jī)誕生于19世紀(jì)末。中國(guó)地質(zhì)鉆探工作者對(duì)機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)非常熟悉，目前中國(guó)是世界上開(kāi)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)數(shù)量最多的國(guó)家。初步估算，2007年中國(guó)開(kāi)動(dòng)立軸鉆機(jī)超過(guò)5000臺(tái)套?，F(xiàn)有機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)效率高（能量利用率可超過(guò)90%）、制造及使用成本低、實(shí)用可靠、便于維修等。現(xiàn)有的機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)主要缺點(diǎn)是鉆進(jìn)過(guò)程中，給進(jìn)行程、油泵壓力、溫度、泥漿泵壓力、卷?yè)P(yáng)機(jī)拉力等數(shù)據(jù)沒(méi)有數(shù)字監(jiān)控，操作全憑熟練技工經(jīng)驗(yàn)來(lái)執(zhí)行，在一定速度下鉆桿轉(zhuǎn)矩不可控，不能根據(jù)井下實(shí)際情況在線無(wú)極調(diào)節(jié)速度、轉(zhuǎn)矩，并存在有井下斷鉆桿事故隱患。

2006年國(guó)務(wù)院4號(hào)文“關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)工作的決定”第四項(xiàng)第17條關(guān)于推進(jìn)地質(zhì)科技進(jìn)步 中明確指出：“要提高現(xiàn)有地質(zhì)裝備利用率，增強(qiáng)礦產(chǎn)資源勘查核心技術(shù)和關(guān)鍵裝備的自主研發(fā)能力”。

結(jié)合我國(guó)地質(zhì)鉆探市場(chǎng)的實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，領(lǐng)會(huì)國(guó)家對(duì)地質(zhì)裝備自主研發(fā)的迫切希望，對(duì)中國(guó)地質(zhì)鉆探工作者都非常熟悉的機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)進(jìn)行數(shù)字化改造，進(jìn)一步提高機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)的操作方便性、可靠性及使用效率，就是我們的當(dāng)務(wù)之急！

2 數(shù)字化機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)控制系統(tǒng)組成

該鉆機(jī)控制系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：

（1）主傳動(dòng)用45kW 直流電動(dòng)機(jī)Z4－180－21；

（2）歐陸全數(shù)字直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器590C／0110／500；

（3）卷?yè)P(yáng)機(jī)用45kW 直流電動(dòng)機(jī)Z4－160－22；

（4）10.4英寸彩色觸摸屏（臺(tái)灣威綸）；

（5）西門子S7－200可編程控制器

（6）30kW 泥漿泵用軟啟動(dòng)器 GRC－2000；

（7）泥漿泵壓力傳感器、油泵用壓力傳感器、溫度傳感器、卷?yè)P(yáng)機(jī)用拉力傳感器、給進(jìn)行程傳感器等；

（8）模塊組合式電氣控制柜。由驅(qū)動(dòng)控制柜、中央控制柜、泥漿泵控制柜三部分組成，便于運(yùn)輸、搬運(yùn)；

（9）液壓控制按鈕操作系統(tǒng)。將油壓操作手柄改為按鈕、電磁閥操作；

（10）人工智能操作軟件。將各種檢測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)存的操作經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中進(jìn)行比較，及時(shí)發(fā)出各種提示信息和報(bào)警信號(hào)。

圖1

控制系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)控制方式。手動(dòng)操作時(shí)推拉控制柜上的操作手柄即可調(diào)節(jié)鉆機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩。自動(dòng)控制方式，需在彩色觸摸屏上設(shè)定鉆機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩值，鉆機(jī)將自動(dòng)運(yùn)行，遇有故障時(shí)，自動(dòng)停機(jī)報(bào)警。

圖2 數(shù)字化機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)控制系統(tǒng)

3 數(shù)字化機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)控制系統(tǒng)控制原理

利用歐陸直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩控制功能，對(duì)主傳動(dòng)45kW直流電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分別控制。按照計(jì)算公式：

式中：P—功率，kW；

n—轉(zhuǎn)速，rpm。

45kW轉(zhuǎn)速為1500rpm電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：

立軸鉆機(jī)機(jī)械變速箱分為三檔，即高、中、低檔，對(duì)應(yīng)的速度和轉(zhuǎn)矩分別為950rpm、429Nm；600rpm、715Nm和85rpm、5047Nm。

在每一個(gè)速度段，鉆桿的速度和轉(zhuǎn)矩可以無(wú)極調(diào)節(jié)。例如在低速檔，鉆桿的速度可以用操作手柄在0～85rpm之間調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)矩可以在0～5047Nm之間調(diào)節(jié)。每一個(gè)機(jī)械檔位，對(duì)應(yīng)一個(gè)該檔位應(yīng)有的轉(zhuǎn)矩報(bào)警值。所有操作數(shù)值和報(bào)警值均在彩色觸摸屏上設(shè)置和顯示。

泥漿泵的壓力、油泵的壓力、溫度，進(jìn)給行程累加值，卷?yè)P(yáng)機(jī)拉力值同樣實(shí)時(shí)在觸摸屏上顯示，以便操作人員隨時(shí)掌握井下?tīng)顩r。雖然，主傳動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)功率為45kW，但是，根據(jù)井下情況可以隨時(shí)無(wú)極調(diào)節(jié)，因此，其消耗的有效功率并不是45kW！在山東蒼山縣鐵礦試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行的實(shí)測(cè)顯示，電機(jī)實(shí)際消耗功率大約在30kW，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩為186Nm。因此，實(shí)際功率為186×1500／9550＝29.2kW）。這樣的話，在整個(gè)鉆探過(guò)程中，數(shù)字化機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)消耗 的功率為：29.2＋7.5＋15＝51.7kW。相對(duì)于全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)配備總功率132kW來(lái)說(shuō)，數(shù)字化機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)基本達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

圖3 數(shù)字化機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)在山東現(xiàn)場(chǎng)

數(shù)字化機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)控制系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，當(dāng)任一故障發(fā)生時(shí)，可編程控制器將連續(xù)存儲(chǔ)故障數(shù)據(jù)，至到故障消失。方便事后查找故障原因，杜絕類似故障的再次發(fā)生。

由西工大高商科技有限公司與山東聚龍液壓機(jī)械有限公司聯(lián)合研制的數(shù)字化機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī)經(jīng)過(guò)實(shí)地打鉆過(guò)程的檢驗(yàn)，符合國(guó)家自主研發(fā)地質(zhì)關(guān)鍵裝備和節(jié)能減排設(shè)備的要求，目前已開(kāi)始推廣應(yīng)用。