煤礦鉆機自動防卡鉆電液控制系統(tǒng)研究

李東民，朱士明，趙元志，王 通，鐘佩思，夏尚飛

(1.山東科技大學(xué) a.智能裝備學(xué)院，山東 泰安 271019；b.機械電子工程學(xué)院；c.先進制造技術(shù)研究中心，山東 青島 266590;2.棗莊職業(yè)學(xué)院 山東 棗莊 277800)

中國松軟煤層分布較多，約占煤炭總產(chǎn)量的42%，松軟煤層強度低、瓦斯解吸速度快、瓦斯含量相對較高，屬煤與瓦斯突出體[1]。瓦斯治理是降低和杜絕瓦斯類事故發(fā)生的根本措施，而瓦斯治理的關(guān)鍵在于瓦斯抽采鉆孔的施工。鉆機在鉆孔施工中易發(fā)生卡鉆事故，卡鉆處理時間長，成本高，甚至需要填井側(cè)鉆，這極大降低了施工效率[2]?？ㄣ@處理不當，還會損壞鉆機，甚至威脅到工人人身安全，因此有必要進行煤礦鉆機自動防卡鉆的研究。

瑞典Atlas Copco公司的Simba261鉆機[3]，當回轉(zhuǎn)壓力超過某一壓力值時，推進機構(gòu)回退，以此消除卡鉆現(xiàn)象。加拿大生產(chǎn)CD360鉆機[4]，當回轉(zhuǎn)壓力升高時，手動調(diào)節(jié)給進壓力使推進力減小，從而預(yù)防卡鉆。孫永興等[5]通過優(yōu)化鉆桿結(jié)構(gòu)和鉆井液性能制定了防卡鉆措施，并進行了現(xiàn)場應(yīng)用。湖南山河智能機械股份有限公司生產(chǎn)的SWDB165鉆機[6]，在給進系統(tǒng)上設(shè)置減壓閥，當有卡鉆趨勢時，由施工人員調(diào)節(jié)減壓閥使給進系統(tǒng)壓力下降，實現(xiàn)預(yù)防卡鉆。文獻[7]提出利用回轉(zhuǎn)壓力信號控制給進系統(tǒng)，采用給進力自動控制的防卡鉆方案。綜上所述，現(xiàn)有方案在一定程度上可避免卡鉆事故的發(fā)生，但還存在以下問題：一是卡鉆的解決大多依靠施工人員的經(jīng)驗以及操作水平，自動化水平低；二是防卡鉆方案沒有考慮鉆機給進力與回轉(zhuǎn)壓力的自適應(yīng)控制，防卡鉆效果差。

為提高鉆機防卡鉆自動化水平，增強防卡鉆效果，結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，基于LUDV系統(tǒng)，采用人群搜索算法，建立以PID與信號選擇器相結(jié)合的控制器，提出了煤礦鉆機自動防卡鉆電液控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)動力的自適應(yīng)變化，避免回轉(zhuǎn)動力不足引發(fā)的卡鉆，降低了系統(tǒng)能量損失?？刂破鲗崟r監(jiān)測回轉(zhuǎn)壓力信號，控制電液伺服閥閥芯運動，實現(xiàn)給進力的自適應(yīng)變化；同時系統(tǒng)可根據(jù)回轉(zhuǎn)壓力自動判別卡鉆程度，并自動采取相應(yīng)的防卡鉆措施，增強了防卡鉆的效果。通過AMESim軟件進行系統(tǒng)仿真試驗，驗證了自動防卡鉆電液控制系統(tǒng)的可行性。

1 自動防卡鉆系統(tǒng)

1.1 鉆機結(jié)構(gòu)

以ZDY3200S型全液壓煤礦鉆機為研究對象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由動力頭、給進裝置、夾持裝置、機架組成。

動力頭為鉆機提供回轉(zhuǎn)動力，結(jié)構(gòu)主要包括液壓馬達、卡盤和減速箱；給進裝置實現(xiàn)動力頭沿機身導(dǎo)軌的往復(fù)移動，結(jié)構(gòu)主要包括液壓缸和拖板。夾持器固定在給進裝置前端，用于夾持孔內(nèi)鉆具。機架用于安裝給進裝置和固定鉆機，由立柱、支撐油缸及支撐桿等組成。

1—動力頭；2—給進裝置；3—夾持裝置；4—機架圖1 鉆機結(jié)構(gòu)Fig.1 Drilling rig structure

1.2 卡鉆機理

結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，卡鉆主要原因可概括如下：

1)排渣不暢引起的卡鉆。鉆機在松軟煤層鉆進時，鉆渣易在鉆桿內(nèi)部和表面沉積，導(dǎo)致排渣不暢[8]。當回轉(zhuǎn)動力未能克服鉆渣給鉆桿的阻力時，便會發(fā)生卡鉆。

2)裂隙卡鉆。松軟煤層是地質(zhì)構(gòu)造的產(chǎn)物，主要由斷層和層滑等運動形成[9]，因此在松軟煤層形成過程中易出現(xiàn)裂隙。當鉆頭進入不規(guī)則裂隙時，極易被裂隙內(nèi)細小的巖石卡死，造成卡鉆事故。

1.3 控制器

1.3.1 PID控制器

在自動防卡鉆電液控制系統(tǒng)中，PID控制器用于回轉(zhuǎn)壓力的控制?？刂破髟O(shè)定值為22 MPa，輸入值為油壓傳感器實時反饋的回轉(zhuǎn)壓力值，偏差值為設(shè)定值減去輸入值，PID控制器以偏差值為輸入信號，在對偏差進行比例、積分、微分運算后輸出控制信號。當回轉(zhuǎn)壓力超過設(shè)定值22 MPa時，PID控制器通過3種不同形式的控制作用消除系統(tǒng)偏差，抑制回轉(zhuǎn)壓力持續(xù)上升[10]。

1.3.2 信號選擇器

圖2 信號選擇器Fig.2 Signal selector

信號選擇器可以在兩個或多個輸入信號中自動選擇期望信號[11]，信號選擇器原理如圖2所示。當命令信號(端口2的輸入信號)大于或等于用戶設(shè)定值時，信號選擇器將從端口1輸出端口3的信號值；當命令信號低于設(shè)定值時，信號選擇器將輸出端口4的信號值。

在自動防卡鉆電液控制系統(tǒng)中，信號選擇器用于給進系統(tǒng)的控制，用戶設(shè)定值為零，端口2的輸入信號為回轉(zhuǎn)壓力值與設(shè)定壓力值的偏差信號。當偏差為正值或零時，信號選擇器將從端口1輸出端口3的信號值；當偏差為負值時，信號選擇器將輸出端口4的信號值。端口3控制給進機構(gòu)前進，端口4控制給進機構(gòu)回退。

1.4 自動防卡鉆方案

鉆機自動防卡鉆液壓控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

1—液壓泵；2—溢流閥；3—變量缸；4—節(jié)流閥；5—壓力補償閥；6—梭閥；7—電液伺服閥；8—油箱；9—液壓缸；10—液壓馬達圖3 自動防卡鉆原理圖Fig.3 Schematic diagram of automatic anti-sticking

基于LUDV建立的液壓系統(tǒng)，將最高負載壓力反饋至兩處[12]：一是反饋至壓力補償閥，使回轉(zhuǎn)與給進回路的壓力補償閥閥芯同步移動，閥口通流面積保持一致，使各支路流量僅與節(jié)流閥節(jié)流口面積大小有關(guān)。二是反饋至負載敏感泵的變量機構(gòu)，使泵出口壓力跟隨負載壓力變化，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)壓力的自適應(yīng)控制，提高系統(tǒng)工作效率，避免發(fā)生卡鉆事故。

基于信號選擇器和PID建立的防卡鉆控制系統(tǒng)，將回轉(zhuǎn)壓力信號實時反饋至信號選擇器和PID控制器，進而控制給進和回轉(zhuǎn)回路的電液伺服閥閥芯移動，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)壓力和給進力的自適應(yīng)控制。當回轉(zhuǎn)壓力達到設(shè)定值K2(2)時，回轉(zhuǎn)壓力信號經(jīng)減法器3(2)后輸出的信號為正值，因此信號選擇器輸出端口3的信號，該信號經(jīng)增益5(2)放大后控制電液伺服閥換向，使鉆機回退；若回退過程中壓力下降至設(shè)定值K2(2)以下，鉆機恢復(fù)鉆進；若回轉(zhuǎn)壓力持續(xù)升高，此時回轉(zhuǎn)壓力信號經(jīng)減法器3(1)后產(chǎn)生偏差，該偏差經(jīng)PID進行比例、積分和微分運算后輸出控制信號，該信號經(jīng)增益5(1)放大后控制電液伺服閥閥芯移動，使回轉(zhuǎn)壓力維持在設(shè)定值K2(1)，避免壓力過高損傷鉆機，同時又能保持較大的回轉(zhuǎn)動力來克服外負載阻力，實現(xiàn)自動防卡鉆控制。其原理如圖4所示。

1—油壓傳感器；2—設(shè)定值；3—減法器；4—PID控制器；5—增益；6—信號選擇器圖4 控制系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of control system

2 SOA-PID算法

鉆機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用PID控制，控制器性能主要取決于參數(shù)設(shè)置，采用人群搜索算法[13]進行PID參數(shù)整定，使PID具有響應(yīng)快和魯棒性好等優(yōu)點。

2.1 定義種群

令種群Q中搜尋者個體數(shù)為S，由于需整定PID控制器的3個參數(shù)，因此系統(tǒng)維數(shù)W=3，該種群Q用S×W的矩陣表示為

(1)

2.2 確定適應(yīng)度函數(shù)

采用誤差絕對值的時間積分性能指標作為最小目標函數(shù)，并引入控制輸出量的平方項，同時為避免系統(tǒng)產(chǎn)生過大超調(diào)，加入懲罰系數(shù)，適應(yīng)度函數(shù)為

(2)

式中：e(t)為信號輸入量和輸出量的誤差值；u(t)為PID控制器輸出量；ω1、ω2為加權(quán)值，取值區(qū)間為[0，1]；ω3為懲罰系數(shù)，且ω3>>ω1。這里取ω1=0.99，ω2=0.01，ω3=100。

2.3 搜索步長的確定

SOA采用高斯隸屬度函數(shù)來表示搜索步長的模糊變量，即

(3)

式中：μA(x)為高斯隸屬度函數(shù)，x為輸入變量，δ、μ均為隸屬度函數(shù)參數(shù)。

設(shè)定μmin，故μA取值范圍為[0.0111，1]。

根據(jù)不確定推理可求得步長

(4)

式中：αij為j維空間的搜索步長，δij為高斯隸屬度參數(shù)，uij為j維空間目標函數(shù)i隸屬度。

2.4 搜索方向的確定

人群搜索算法對人的利己行為、利他行為和預(yù)動行為進行分析建模，確定搜索方向。

dij=sign(ωdij,pro+φ1dij,ego+φ2dij,alt)，

(5)

式中：ω為慣性權(quán)值，φ1、φ2為[0，1]常數(shù)，sign()為符號函數(shù)，di,ego為利己方向，di,alt為利他方向，di,pro為預(yù)動方向。

2.5 個體位置的更新

確定的步長及搜索方向之后，可進行相應(yīng)的位置更新，如式(6)(7)所示。

Δxij(t+1)=αij(t)dij(t)，

(6)

xij(t+1)=xij(t)+Δxij(t+1)。

(7)

SOA按照以上流程實現(xiàn)對PID參數(shù)整定。

2.6 SOA整定PID參數(shù)結(jié)果

設(shè)種群規(guī)模為30，最大迭代次數(shù)為500，KP、KI、KD3個參數(shù)搜索范圍為[0，120]，仿真結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 適應(yīng)度函數(shù)曲線Fig.5 The curve of fitness function

圖6 PID參數(shù)整定結(jié)果Fig.6 Optimization results of PID control parameters

由圖5、6可知，人群搜索算法在迭代了97次之后收斂，最終產(chǎn)生1組PID控制器參數(shù)最優(yōu)解：KP=19.1930、KI=0、KD=4.063 9。

3 建模與分析

AMESim可以解決絕大部分液壓工程的仿真問題，它提供了從流體力學(xué)到液壓傳動到伺服系統(tǒng)的完整解決方案[14]。

3.1 負載敏感泵模型

利用AMESim中的液壓庫(hydraulic)以及液壓元件設(shè)計庫(hydraulic component design)對負載敏感泵進行建模，模型如圖7所示。最高負載壓力反饋至LS口與泵出口壓力比較，并通過變量缸的閥芯位移信號去控制泵斜盤擺角的大小和方向，進而使泵出口壓力與最高負載壓力同步變化[15]。

圖7 負載敏感泵模型Fig.7 Load sensitive pump model

3.2 壓力補償閥模型

利用液壓元件設(shè)計庫對壓力補償閥進行建模，模型如圖8所示。最高負載壓力同時反饋至給進和回轉(zhuǎn)回路的壓力補償閥彈簧腔，并與泵出口壓力比較，進而控制壓力補償閥節(jié)流口面積大小[16]。

圖8 壓力補償閥模型Fig.8 Pressure compensation valve model

3.3 防卡鉆系統(tǒng)模型

以ZDY3200S鉆機為研究對象，除默認參數(shù)外，鉆機主要參數(shù)如表1所示。

表1 ZDY3200S鉆機主要參數(shù)Table 1 ZDY3200S main parameters of drilling rig

鉆機液壓系統(tǒng)額定工作壓力為21 MPa，考慮液壓系統(tǒng)油液泄漏等問題，當傳感器監(jiān)測到回轉(zhuǎn)壓力為20 MPa時，鉆機有發(fā)生卡鉆的趨勢，信號選擇器控制鉆機回退；若回退過程中回轉(zhuǎn)壓力下降至20 MPa時，鉆機恢復(fù)正常鉆進；若回退過程中回轉(zhuǎn)壓力繼續(xù)升高并超過22 MPa時，PID控制器抑制回轉(zhuǎn)壓力持續(xù)升高，同時鉆機保持回退，嘗試解決卡鉆問題。

鉆機給進、回退以及回轉(zhuǎn)壓力的控制是由控制系統(tǒng)實現(xiàn)的，除默認參數(shù)外，控制系統(tǒng)主要參數(shù)如表2所示。

表2 控制系統(tǒng)主要參數(shù)Table 2 Main parameters of control system

按照以上參數(shù)的設(shè)定，利用AMESim搭建如圖9所示的模型。

圖9 防卡鉆系統(tǒng)模型Fig.9 Model of anti-sticking system

3.4 負載信號

ZDY3200S鉆機額定扭矩為3 200 N·m，當工作扭矩超過3 200 N·m時，有發(fā)生卡鉆的趨勢。為完整模擬鉆機從開始工作到卡鉆再到恢復(fù)工作的整個過程，施加如圖10所示的負載信號。0～2 s為鉆機啟動狀態(tài)，2～5 s為正常工作狀態(tài)，5～8 s為發(fā)生卡鉆狀態(tài)，8～11 s為鉆機空載狀態(tài)，11～15 s為正常工作狀態(tài)。

仿真時間設(shè)置為15 s，通訊間隔時間為0.01 s。

圖10 負載信號Fig.10 Load signal

3.5 回轉(zhuǎn)壓力和泵出口壓力分析

如圖11所示，0～2 s為鉆機啟動階段，此時外負載及系統(tǒng)壓力較小，液壓油泄漏及節(jié)流口壓力損失幾乎為零，因此回轉(zhuǎn)壓力幾乎等于泵出口壓力。2 s以后，泵出口壓力與外負載同步變化。由卡鉆機理1可知，當回轉(zhuǎn)動力無法克服鉆渣給鉆桿的阻力時，便會發(fā)生卡鉆。LUDV采用負載敏感泵，泵出口壓力與外負載變化相一致[17]，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)動力的自適應(yīng)變化；5～8 s，鉆機排渣不暢，外負載增大時，回轉(zhuǎn)阻力增大，因此負載敏感泵斜盤擺角增大，泵輸出流量和壓力增大，回轉(zhuǎn)動力增強，以此預(yù)防和解決排渣不暢引起的卡鉆。

圖11 回轉(zhuǎn)壓力和泵出口壓力曲線Fig.11 Rotary pressure and pump outlet pressure curve

3.6 回轉(zhuǎn)壓力和給進速度分析

如圖12所示，LUDV可保持兩個或多個執(zhí)行機構(gòu)同步協(xié)調(diào)變化[18]，因此在啟動階段0～2 s，當回轉(zhuǎn)壓力升高時，推進速度同步升高，提高了施工效率；2～5 s為正常工作階段，回轉(zhuǎn)壓力恒定，推進速度也保持勻速。

如圖10所示，5～8 s外負載持續(xù)升高，油壓傳感器實時反饋壓力信號至信號選擇器，由于信號選擇器設(shè)定值為0，當回轉(zhuǎn)壓力超過20 MPa時，經(jīng)減法器輸出的信號為正值，因此信號選擇器輸出端口3的信號值，該信號經(jīng)增益放大后控制電液伺服閥換向，使給進機構(gòu)回退，以此嘗試解決卡鉆問題。

如圖12中6～8 s所示，若回退過程中由于裂隙摩擦阻力較大或受裂隙中巖石或煤渣影響，鉆機仍未解決卡鉆問題，回轉(zhuǎn)壓力繼續(xù)升高，油壓傳感器實時將回轉(zhuǎn)壓力信號反饋至PID控制器，回轉(zhuǎn)壓力信號經(jīng)減法器后產(chǎn)生偏差，該偏差經(jīng)比例、積分和微分運算后輸出控制信號，該信號經(jīng)增益放大后控制電液伺服閥閥芯移動，使回轉(zhuǎn)壓力維持在22 MPa，避免回轉(zhuǎn)壓力持續(xù)升高損壞鉆機，同時保持較大的回轉(zhuǎn)動力克服外負載阻力。

如圖12中8～11 s所示，當解除卡鉆后，由于回退過程中鉆機空載，因此回轉(zhuǎn)壓力迅速下降，當回轉(zhuǎn)壓力下降至20 MPa，鉆機開始給進，給進速度從負值變?yōu)檎怠?1～15 s，鉆機恢復(fù)正常工作。

圖12 回轉(zhuǎn)壓力和給進速度曲線Fig.12 Rotary pressure and feed speed curve

4 結(jié) 論

1)針對鉆機在松軟煤層鉆孔施工時的卡鉆問題，通過分析卡鉆機理，建立自動防卡鉆控制器，采用LUDV、人群搜索算法等技術(shù)，提出了煤礦鉆機自動防卡鉆電液控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時監(jiān)測鉆機工況，自動判別卡鉆程度，并自動采取相應(yīng)的防卡鉆措施，實現(xiàn)了給進力和回轉(zhuǎn)動力的自適應(yīng)變化，提高了防卡鉆的自動化水平，增強了防卡鉆效果，降低了系統(tǒng)能量損耗。研究內(nèi)容為后續(xù)煤礦鉆機的系統(tǒng)優(yōu)化提供了新思路，為解決鉆機在松軟煤層中的卡鉆問題提供了新方法。

2)鉆機在防卡鉆控制過程中，控制器需對輸入信號迅速響應(yīng)。采用人群搜索算法整定PID參數(shù)，為參數(shù)設(shè)置提供了科學(xué)依據(jù)，提高了控制器魯棒性以及快速響應(yīng)性，在工程上具有一定實用性。