非開挖鉆機(jī)智能化控制研究

徐 松， 牛 民， 林 培

(無錫市鉆通工程機(jī)械有限公司，江蘇 無錫 214000)

0 引言

水平定向鉆進(jìn)是我國目前廣泛使用的一種重要鉆進(jìn)方法，可進(jìn)行公路、鐵路、機(jī)場跑道、河流、魚塘和建筑物等的非開挖穿越工程，鋪設(shè)鋼管和PVC及PE管等；同時(shí)也可應(yīng)用于管棚支護(hù)、降水工程、觀測孔等的鉆進(jìn)工作[1-2]?，F(xiàn)有設(shè)備基本為全液壓驅(qū)動，而在智能電控方面均有所欠缺。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)液壓控制功能的不足、提高非開挖設(shè)備的適應(yīng)性。我公司率先提出并成功開發(fā)了一款智能化多功能定向鉆進(jìn)系統(tǒng)[3-5]，并應(yīng)用在ZT-55DP型鉆機(jī)上，完成了多項(xiàng)功能測試，在智能電控方面取得了很大的成績。2016年，我公司等單位完成的“智能化多功能定向鉆進(jìn)裝備的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”國際合作項(xiàng)目，通過了無錫市科學(xué)技術(shù)局驗(yàn)收，并具有相應(yīng)的科技查新報(bào)告。這些研究成果將對水平定向鉆進(jìn)智能電控的發(fā)展起很大的推動作用。

1 智能電控技術(shù)特點(diǎn)

該智能電控系統(tǒng)是以水平定向鉆機(jī)現(xiàn)有控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，匹配了高性能控制器與電噴發(fā)動機(jī)的一次全面的功能拓展。

控制模式分為手動控制模式和自動控制模式；液壓系統(tǒng)由推拉泵/推拉馬達(dá)和回轉(zhuǎn)泵/回轉(zhuǎn)馬達(dá)來完成當(dāng)前推拉和回轉(zhuǎn)功能(見圖1)?？刂乒δ苡校菏謩涌刂仆评突剞D(zhuǎn)，自動控制推拉和回轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)防熄火功能，回轉(zhuǎn)動力頭馬達(dá)安全保護(hù)功能，推拉馬達(dá)安全保護(hù)功能，系統(tǒng)壓力檢測系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)速度/壓力檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)安全保護(hù)/報(bào)警系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)，DP700顯示系統(tǒng)(見圖2)。

該智能電控系統(tǒng)具有如下一系列的技術(shù)特點(diǎn)。

(1)利用邏輯電路控制鉆機(jī)動作。通過工業(yè)控制器，輸出可控電流，調(diào)整液壓控制元件去控制各執(zhí)行元件。

圖1 控制模式流程圖

圖2 DP700顯示系統(tǒng)

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)壓力和馬達(dá)轉(zhuǎn)速，將壓力、轉(zhuǎn)速傳感器信號輸入處理器，能根據(jù)負(fù)載智能調(diào)節(jié)液壓泵輸出功率[6-8]。

(3)CAN總線顯示模塊，直接顯示鉆機(jī)拉力、扭矩、轉(zhuǎn)速、泥漿泵等參數(shù)[9]。

(4)電控柴油機(jī)控制顯示系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，對機(jī)油壓力、水溫等參數(shù)進(jìn)行顯示、報(bào)警，以及參數(shù)異常自動停機(jī)和給出異常代碼[10]。

(5)推拉設(shè)有3個(gè)可調(diào)整的壓力擋位以適應(yīng)不同地層條件，減小壓力波動。

(6)可利用控制軟件記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步分析對比和性能優(yōu)化提供依據(jù)[11]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

在該智能電控系統(tǒng)中采用了可變電流來控制泵實(shí)際排量輸出，且電流能根據(jù)負(fù)載變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率和實(shí)際負(fù)載匹配。

一般的鉆機(jī)，在復(fù)雜地層鉆進(jìn)過程中，因鉆機(jī)在“卸扣”和“卡鉆”時(shí)，由于鉆桿反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速突然增大，易導(dǎo)致馬達(dá)“吸空”、“超壓”、“超速”，造成馬達(dá)損壞；瞬間壓力波動大，液壓沖擊大，液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性差；負(fù)載突然增加，發(fā)動機(jī)易熄火。為解決這些問題，該智能電控系統(tǒng)采用以下關(guān)鍵技術(shù)[12]。

對液壓馬達(dá)：

T=ΔpVη

(1)

Pt=Δpq

(2)

式中：T——馬達(dá)實(shí)際輸出扭矩，N·m；Δp——馬達(dá)進(jìn)出口壓力差，Pa；V——馬達(dá)實(shí)際排量，m3/r；η——馬達(dá)容積效率；Pt——馬達(dá)理論輸出功率,W；q——馬達(dá)理論流量，m3/s。

在水平定向鉆鉆機(jī)工作中，馬達(dá)排量V一般保持不變，根據(jù)式(1)當(dāng)實(shí)際負(fù)載T增加，馬達(dá)壓差Δp相應(yīng)增加，為保護(hù)液壓馬達(dá)，控制其輸出功率，根據(jù)式(2)可知當(dāng)馬達(dá)壓差Δp增加，可以通過減小馬達(dá)流量q來控制馬達(dá)輸出功率。

在當(dāng)前液壓系統(tǒng)中：

Qr=(2π/60)nVrηv=∑q

(3)

式中：Qr——泵實(shí)際輸出流量，m3/min；n——發(fā)動機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速，r/min；Vr——泵實(shí)時(shí)排量，m3/r；ηv——泵容積效率。

根據(jù)式(3)，馬達(dá)流量q由泵實(shí)際輸出流量Qr決定，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n一定的情況下，可以通過調(diào)整泵實(shí)時(shí)排量Vr來增減系統(tǒng)流量，從而改變泵和馬達(dá)的實(shí)際輸出功率。

2.1 馬達(dá)保護(hù)智能控制

馬達(dá)保護(hù)基本原理如圖3所示。

圖3 馬達(dá)保護(hù)原理圖

2.1.1 “超速”

“超速”指馬達(dá)在使用過程中實(shí)際轉(zhuǎn)速大于馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速的情況，在水平定向鉆施工中較為常見。為防止這種情況出現(xiàn)，預(yù)設(shè)兩個(gè)低于馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速值n1和n2(n1

對電控液壓柱塞泵其控制電流決定其斜盤角度，斜盤角度決定其實(shí)際排量大小和方向。減小泵的控制電流相當(dāng)于減小泵的排量的過程，與之對應(yīng)的液壓馬達(dá)流量減小，轉(zhuǎn)速和功率下降，以此達(dá)到馬達(dá)防“超速”。

2.1.2 “超壓”

“超壓”為馬達(dá)在使用過程中實(shí)際壓力大于馬達(dá)額定壓力的情況，在水平定向鉆施工中也經(jīng)常出現(xiàn)。P為油泵壓力調(diào)定值，正常工作理論上馬達(dá)壓力不會超過油泵壓力P，為防止瞬時(shí)“超壓”出現(xiàn)，預(yù)設(shè)兩個(gè)低于馬達(dá)最大使用壓力值的壓力值p1和p2(p1

對電控液壓柱塞泵其控制電流決定其斜盤角度，斜盤角度決定其實(shí)際排量大小和方向。減小泵的控制電流相當(dāng)于減小泵的排量的過程，與之對應(yīng)的液壓馬達(dá)流量減小，轉(zhuǎn)速和功率下降，以此達(dá)到馬達(dá)防“超壓”。

2.1.3 “吸空”

“吸空”是指馬達(dá)在工作中，低壓側(cè)壓力過低的情況。尤其是“卸扣”工況，持續(xù)時(shí)間短但瞬間壓力和轉(zhuǎn)速變化非常大，更加容易發(fā)生“吸空”現(xiàn)象。經(jīng)過多次實(shí)際工況測試，泵基本的排量補(bǔ)償很難保持其補(bǔ)油壓力穩(wěn)定，這里通過在補(bǔ)油泵側(cè)加入蓄能器，并將推拉和回轉(zhuǎn)補(bǔ)油泵相連。以此大大增加“卸扣”瞬間馬達(dá)補(bǔ)油量，緩解馬達(dá)“吸空”現(xiàn)象。

2.2 給進(jìn)壓力智能調(diào)節(jié)

系統(tǒng)設(shè)定了3個(gè)不同的給進(jìn)壓力工作擋位，適應(yīng)不同地層條件和不同的施工工況。每個(gè)壓力工作擋位能在壓力范圍內(nèi)對壓力進(jìn)行調(diào)整，有效減小壓力波動。

初設(shè)3個(gè)自動擋位15、20、25 MPa。每個(gè)壓力擋位壓力浮動值為15±10%、20±10%、25±10% MPa。在每個(gè)壓力擋位工作時(shí)，系統(tǒng)壓力若小于壓力擋位設(shè)定值，系統(tǒng)將減小油泵排量，系統(tǒng)對壓力進(jìn)行補(bǔ)償，直到壓力值達(dá)到當(dāng)前壓力浮動值；當(dāng)系統(tǒng)壓力大于壓力擋位設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將增加油泵排量，系統(tǒng)壓力降低，直到壓力值達(dá)到當(dāng)前壓力浮動值。以此過程平衡在平穩(wěn)鉆進(jìn)過程中的壓力，并把系統(tǒng)壓力值穩(wěn)定在浮動范圍內(nèi)。

通過智能電控系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)相結(jié)合來共同控制鉆機(jī)各工況，系統(tǒng)自動匹配速度與壓力參數(shù)，可消除高速馬達(dá)壓力沖擊，提高其使用壽命。實(shí)現(xiàn)負(fù)載與鉆機(jī)功率合理匹配，合理利用柴油機(jī)能量，達(dá)到節(jié)能降耗。

2.3 柴油機(jī)防熄火

發(fā)動機(jī)防熄火功能采用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號記憶的方式進(jìn)行控制。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作在某一固定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過控制面板上的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速記憶信號開關(guān)，保存發(fā)動機(jī)的請求轉(zhuǎn)速，然后控制器通過當(dāng)前發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的速度差曲線來計(jì)算并控制當(dāng)前推拉泵的排量，從而達(dá)到發(fā)動機(jī)防熄火的功能[13-15]；當(dāng)系統(tǒng)檢測到發(fā)動機(jī)速度慢慢接近發(fā)動機(jī)正常的工作的狀態(tài)下，系統(tǒng)自動增加當(dāng)前推拉泵的排量，直到推拉泵的排量回到自動的控制的排量(如圖4所示)。

圖4 發(fā)動機(jī)防熄火原理圖

3 智能化電控性能測試

3.1 測試方法

通過在系統(tǒng)中加傳感器，用測試儀采集電液系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)(見圖5)。在模擬工況和實(shí)際鉆進(jìn)工況測試(見圖6)，測試節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)傳感器規(guī)格見表1。

3.2 測試數(shù)據(jù)分析

3.2.1 馬達(dá)壓力

回轉(zhuǎn)馬達(dá)“超壓”測試數(shù)據(jù)如圖7所示。匹配當(dāng)前負(fù)載，設(shè)置p1為20 MPa、p2為25 MPa。

其中，電控手柄移動的比例量(-10000～10000)，通過電流(18～85 mA)去控制當(dāng)前泵排量的大小和方向。為數(shù)據(jù)采集與計(jì)算方便，用手柄移動比例量代替電流值，更好的顯示輸入輸出關(guān)系。

圖5 測試儀器

圖6 測試現(xiàn)場

序號測試節(jié)點(diǎn)傳感器規(guī)格1推拉馬達(dá)A口壓力P10～600 bar 壓力傳感器2推拉馬達(dá)A口流量Q115～300 L/min流量計(jì)3推拉馬達(dá)B口壓力P20～600 bar 壓力傳感器4推拉馬達(dá)轉(zhuǎn)速V1馬達(dá)自帶轉(zhuǎn)速傳感器5推拉泵補(bǔ)油壓力P50～60 bar壓力傳感器6回轉(zhuǎn)馬達(dá)A口壓力P30～600 bar壓力傳感器7回轉(zhuǎn)馬達(dá)A口流量Q215～300 L/min流量計(jì)8回轉(zhuǎn)馬達(dá)B口壓力P40～600 bar 壓力傳感器9回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速V2馬達(dá)自帶轉(zhuǎn)速傳感器10回轉(zhuǎn)泵補(bǔ)油壓力P60～60 bar壓力傳感器11推拉手柄信號V1±30 V 電壓模塊12回轉(zhuǎn)手柄信號V2±30 V 電壓模塊

注：1 bar=105Pa。

從圖7中可以看出：

(1)當(dāng)壓力>20 MPa，泵的控制電流開始減小，壓力上升變緩。

(2)泵控制電流能根據(jù)負(fù)載自行調(diào)整，保證壓力輸出穩(wěn)定。

(3)最大壓力為25 MPa，穩(wěn)定輸出壓力值在預(yù)設(shè)壓力范圍內(nèi)。

圖7控制電流與回轉(zhuǎn)馬達(dá)壓力關(guān)系曲線

Fig.7Relation curve of control current vs rotary motor pressure

過程分析：

開始階段為空載回轉(zhuǎn)階段，手柄動作控制手柄給定電流，此時(shí)手柄動作恒定，馬達(dá)實(shí)時(shí)壓力恒定約4 MPa。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)時(shí)壓力小于設(shè)定值，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)不做調(diào)整?；剞D(zhuǎn)泵輸出電流與手柄給定電流一致。

然后回轉(zhuǎn)負(fù)載增大，壓力提升，當(dāng)實(shí)時(shí)壓力超過第一設(shè)定值20 MPa時(shí)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)做第一次調(diào)整。當(dāng)系統(tǒng)壓力繼續(xù)上升，達(dá)到第二設(shè)定值25 MPa，輸出電流進(jìn)行第二次調(diào)整。由于回轉(zhuǎn)泵排量變化，馬達(dá)實(shí)時(shí)壓力在兩擋之間變化，此時(shí)負(fù)載繼續(xù)增大，為滿足工作需求，電流增大，壓力趨于穩(wěn)定，并在設(shè)定值以內(nèi)。負(fù)載與泵排量達(dá)到平衡，保證回轉(zhuǎn)效率最大化。在這個(gè)階段通過實(shí)時(shí)壓力曲線可得到經(jīng)過控制器調(diào)整后壓力在22.9～24.6 MPa之間波動，持續(xù)工作壓力波動小于2.7 MPa。

手柄逐漸回到中位，電流隨之減小，壓力也緩慢變小。當(dāng)手柄到達(dá)中位，回轉(zhuǎn)連通開啟，馬達(dá)AB口連通，壓力得到釋放，系統(tǒng)得到有效保護(hù)。

3.2.2 壓力波動

壓力波動測試數(shù)據(jù)分為手動模式(圖8)和自動模式(圖9)。其中手動控制中，所有數(shù)據(jù)不經(jīng)過控制器對比計(jì)算直接輸出，而自動控制模式下，壓力智能調(diào)節(jié)功能啟用，手柄輸入信號以及馬達(dá)、泵反饋信號需經(jīng)過控制器對比計(jì)算得到相應(yīng)輸出信號。當(dāng)前自動擋位壓力設(shè)定值為10 MPa。

圖8手動模式控制電流與壓力關(guān)系曲線

Fig.8Relation curve of current vs pressure under manual mode control

圖9 自動模式控制電流與壓力關(guān)系曲線

對比手動模式數(shù)據(jù)，可以看出自動模式有以下特點(diǎn)：

(1)泵控制電流能在工作壓力擋位內(nèi)自動調(diào)整。

(2)總體壓力穩(wěn)定，液壓沖擊小。

(3)當(dāng)手柄控制電流突然變化時(shí)，壓力過渡平緩。

過程分析：

壓力：開始階段，自動模式下由于泵的排量補(bǔ)償功能，且初始排量不穩(wěn)定，為適應(yīng)當(dāng)前負(fù)載，對應(yīng)馬達(dá)的實(shí)際壓力會在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)幾次振蕩，在之后的過程中，即使手柄控制電流變化，馬達(dá)實(shí)際壓力均非常穩(wěn)定。從圖9中可知，實(shí)際壓力高于設(shè)定壓力10 MPa，泵的排量在一定程度內(nèi)減小，實(shí)時(shí)壓力也會相應(yīng)減小，但根據(jù)式(1)，壓力由負(fù)載決定，因此實(shí)時(shí)壓力會因?yàn)橥饨缲?fù)載而增加，直到兩者達(dá)到平衡。在水平定向鉆施工中，實(shí)際負(fù)載會持續(xù)波動，實(shí)時(shí)壓力也會不同波動，而且相比手動模式(見圖8)，壓力波動更為平滑，壓力沖擊小。

功率：在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一定的條件下，給進(jìn)泵的功率僅與泵排量和壓力成比例，與手動模式不同，當(dāng)手柄推拉量不變時(shí)，當(dāng)負(fù)載超過額定值時(shí)泵排量有明顯減小。一方面能合理調(diào)整功率，與實(shí)際負(fù)載相適應(yīng)；另一方面當(dāng)出現(xiàn)瞬時(shí)高負(fù)載時(shí)，泵提前減排能明顯緩解發(fā)動機(jī)掉速，合理保護(hù)發(fā)動機(jī)。使整個(gè)液壓系統(tǒng)適應(yīng)性更強(qiáng)。

4 結(jié)語

該智能電控系統(tǒng)經(jīng)過多次現(xiàn)場調(diào)試，通過了本單位及第三方——丹佛斯動力系統(tǒng)(浙江)有限公司應(yīng)用開發(fā)中心的測試,其結(jié)果都表明該電液系統(tǒng)符合水平定向鉆機(jī)應(yīng)用技術(shù)要求。

(1)電控系統(tǒng)具有發(fā)動機(jī)防熄火功能，且測試及使用過程中發(fā)動機(jī)均未出現(xiàn)熄火情況。

(2)通過電控程序設(shè)定，限制自動擋時(shí)回轉(zhuǎn)馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速。

(3)鉆進(jìn)工況自動擋時(shí)，電控系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)泵排量大小，使得壓力沖擊小于3 MPa。

(4)電控系統(tǒng)的響應(yīng)迅速。

(5)馬達(dá)低壓測壓力>1 MPa。

(6)電控部件滿足防塵防水要求。