煤礦鉆機(jī)自動(dòng)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

摘要：由于松軟煤層地質(zhì)條件復(fù)雜多變，鉆機(jī)在鉆孔施工時(shí)，經(jīng)常發(fā)生卡鉆事故，這極大降低了工作效率，并嚴(yán)重威脅到工人人身安全。為解決以上問(wèn)題，分析了引起卡鉆的各影響因素，采用鉆機(jī)回轉(zhuǎn)壓力表示卡鉆狀態(tài)，并設(shè)置回轉(zhuǎn)壓力卡鉆閾值。根據(jù)鉆機(jī)工作原理與卡鉆機(jī)理，建立基于負(fù)載流量獨(dú)立分配系統(tǒng)（LUDV）的防卡鉆液壓回路;采用PID與信號(hào)選擇器建立自動(dòng)防卡鉆控制器，并采用人群搜索算法（SOA）整定PID參數(shù)。采用AMESim進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明：回轉(zhuǎn)壓力達(dá)到20 MPa時(shí)，鉆機(jī)自動(dòng)回退;達(dá)到22 MPa時(shí)，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)壓力維持穩(wěn)定，保持較大的回轉(zhuǎn)動(dòng)力克服外負(fù)載阻力，避免發(fā)生卡鉆事故，驗(yàn)證了自動(dòng)防卡鉆電液控制系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：煤礦鉆機(jī);LUDV;卡鉆;人群搜索算法;AMESim

中圖分類號(hào)：

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1000-582X（2022）02-114-11

Abstract： ? Due to the complex and changeable geological conditions of the soft coal seam， sticking accidents often occur during the drilling construction of the drilling rig， which greatly reduces the work efficiency and seriously threatens the personal safety of workers. To solve these problems， an automatic anti-sticking electro-hydraulic control system is proposed. By analyzing the influencing factors of sticking， the rotary pressure of drilling rig is used to describe the state of sticking， and the threshold of slewing pressure sticking is set. According to the working principle of drilling rig and sticking mechanism， the anti-sticking hydraulic circuit based on the load flow independent distribution system（LUDV） is established. The automatic anti-sticking controller is established by PID and signal selector， and the seeker optimization algorithm（SOA） is used to adjust PID parameters. The system simulation test is carried out with AMESim. The results show that when the rotary pressure reaches 20 MPa， the drilling rig automatically pulls back; when the rotary pressure reaches 22 MPa， the drilling rig slewing pressure remains stable and a large slewing power is maintained to overcome the external load resistance and avoid sticking accidents， verifying the effectiveness of the automatic anti-sticking electro-hydraulic control system.

Keywords： ?coal mine drilling rig; LUDV; rig sticking accident; SOA; AMESim

中國(guó)松軟煤層分布較多，約占煤炭總產(chǎn)量的42%，松軟煤層強(qiáng)度低、瓦斯解吸速度快、瓦斯含量相對(duì)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(jī)在鉆孔施工中易發(fā)生卡鉆事故，卡鉆處理時(shí)間長(zhǎng)，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(dāng)，還會(huì)損壞鉆機(jī)，甚至威脅到工人人身安全，因此有必要進(jìn)行煤礦鉆機(jī)自動(dòng)防卡鉆的研究。

瑞典Atlas Copco公司的Simba261鉆機(jī)[3]，當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力超過(guò)某一壓力值時(shí)，推進(jìn)機(jī)構(gòu)回退，以此消除卡鉆現(xiàn)象。加拿大生產(chǎn)CD360鉆機(jī)[4]，當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力升高時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)給進(jìn)壓力使推進(jìn)力減小，從而預(yù)防卡鉆。孫永興等[5]通過(guò)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(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。湖南山河智能機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的SWDB165鉆機(jī)[6]，在給進(jìn)系統(tǒng)上設(shè)置減壓閥，當(dāng)有卡鉆趨勢(shì)時(shí)，由施工人員調(diào)節(jié)減壓閥使給進(jìn)系統(tǒng)壓力下降，實(shí)現(xiàn)預(yù)防卡鉆。文獻(xiàn)[7]提出利用回轉(zhuǎn)壓力信號(hào)控制給進(jìn)系統(tǒng)，采用給進(jìn)力自動(dòng)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(wèn)題：一是卡鉆的解決大多依靠施工人員的經(jīng)驗(yàn)以及操作水平，自動(dòng)化水平低;二是防卡鉆方案沒有考慮鉆機(jī)給進(jìn)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(jī)防卡鉆自動(dòng)化水平，增強(qiáng)防卡鉆效果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，基于LUDV系統(tǒng)，采用人群搜索算法，建立以PID與信號(hào)選擇器相結(jié)合的控制器，提出了煤礦鉆機(jī)自動(dòng)防卡鉆電液控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)動(dòng)力的自適應(yīng)變化，避免回轉(zhuǎn)動(dòng)力不足引發(fā)的卡鉆，降低了系統(tǒng)能量損失。控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回轉(zhuǎn)壓力信號(hào)，控制電液伺服閥閥芯運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)給進(jìn)力的自適應(yīng)變化;同時(shí)系統(tǒng)可根據(jù)回轉(zhuǎn)壓力自動(dòng)判別卡鉆程度，并自動(dòng)采取相應(yīng)的防卡鉆措施，增強(qiáng)了防卡鉆的效果。通過(guò)AMESim軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了自動(dòng)防卡鉆電液控制系統(tǒng)的可行性。

1 自動(dòng)防卡鉆系統(tǒng)

1.1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

以ZDY3200S型全液壓煤礦鉆機(jī)為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由動(dòng)力頭、給進(jìn)裝置、夾持裝置、機(jī)架組成。

1.2 卡鉆機(jī)理

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

1）排渣不暢引起的卡鉆。鉆機(jī)在松軟煤層鉆進(jìn)時(shí)，鉆渣易在鉆桿內(nèi)部和表面沉積，導(dǎo)致排渣不暢[8]。當(dāng)回轉(zhuǎn)動(dòng)力未能克服鉆渣給鉆桿的阻力時(shí)，便會(huì)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(yùn)動(dòng)形成[9]，因此在松軟煤層形成過(guò)程中易出現(xiàn)裂隙。當(dāng)鉆頭進(jìn)入不規(guī)則裂隙時(shí)，極易被裂隙內(nèi)細(xì)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(dòng)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(shí)時(shí)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(hào)，在對(duì)偏差進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后輸出控制信號(hào)。當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力超過(guò)設(shè)定值22 MPa時(shí)，PID控制器通過(guò)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(hào)選擇器

信號(hào)選擇器可以在兩個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)中自動(dòng)選擇期望信號(hào)[11]，信號(hào)選擇器原理如圖2所示。當(dāng)命令信號(hào)（端口2的輸入信號(hào)）大于或等于用戶設(shè)定值時(shí)，信號(hào)選擇器將從端口1輸出端口3的信號(hào)值;當(dāng)命令信號(hào)低于設(shè)定值時(shí)，信號(hào)選擇器將輸出端口4的信號(hào)值。

在自動(dòng)防卡鉆電液控制系統(tǒng)中，信號(hào)選擇器用于給進(jìn)系統(tǒng)的控制，用戶設(shè)定值為零，端口2的輸入信號(hào)為回轉(zhuǎn)壓力值與設(shè)定壓力值的偏差信號(hào)。當(dāng)偏差為正值或零時(shí)，信號(hào)選擇器將從端口1輸出端口3的信號(hào)值;當(dāng)偏差為負(fù)值時(shí)，信號(hào)選擇器將輸出端口4的信號(hào)值。端口3控制給進(jìn)機(jī)構(gòu)前進(jìn)，端口4控制給進(jìn)機(jī)構(gòu)回退。

1.4 自動(dòng)防卡鉆方案

鉆機(jī)自動(dòng)防卡鉆液壓控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

基于LUDV建立的液壓系統(tǒng)，將最高負(fù)載壓力反饋至兩處[12]：一是反饋至壓力補(bǔ)償閥，使回轉(zhuǎn)與給進(jìn)回路的壓力補(bǔ)償閥閥芯同步移動(dòng)，閥口通流面積保持一致，使各支路流量?jī)H與節(jié)流閥節(jié)流口面積大小有關(guān)。二是反饋至負(fù)載敏感泵的變量機(jī)構(gòu)，使泵出口壓力跟隨負(fù)載壓力變化，實(shí)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(hào)選擇器和PID建立的防卡鉆控制系統(tǒng)，將回轉(zhuǎn)壓力信號(hào)實(shí)時(shí)反饋至信號(hào)選擇器和PID控制器，進(jìn)而控制給進(jìn)和回轉(zhuǎn)回路的電液伺服閥閥芯移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)壓力和給進(jìn)力的自適應(yīng)控制。當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力達(dá)到設(shè)定值K2（2）時(shí)，回轉(zhuǎn)壓力信號(hào)經(jīng)減法器3（2）后輸出的信號(hào)為正值，因此信號(hào)選擇器輸出端口3的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)增益5（2）放大后控制電液伺服閥換向，使鉆機(jī)回退;若回退過(guò)程中壓力下降至設(shè)定值K2（2）以下，鉆機(jī)恢復(fù)鉆進(jìn);若回轉(zhuǎn)壓力持續(xù)升高，此時(shí)回轉(zhuǎn)壓力信號(hào)經(jīng)減法器3（1）后產(chǎn)生偏差，該偏差經(jīng)PID進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算后輸出控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)增益5（1）放大后控制電液伺服閥閥芯移動(dòng)，使回轉(zhuǎn)壓力維持在設(shè)定值K2（1），避免壓力過(guò)高損傷鉆機(jī)，同時(shí)又能保持較大的回轉(zhuǎn)動(dòng)力來(lái)克服外負(fù)載阻力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防卡鉆控制。其原理如圖4所示。

2 SOA-PID算法

鉆機(jī)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(jìn)行PID參數(shù)整定，使PID具有響應(yīng)快和魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 定義種群

令種群Q中搜尋者個(gè)體數(shù)為S，由于需整定PID控制器的3個(gè)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

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(wèn)題，它提供了從流體力學(xué)到液壓傳動(dòng)到伺服系統(tǒng)的完整解決方案[14]。

3.1 負(fù)載敏感泵模型

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

3.2 壓力補(bǔ)償閥模型

利用液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)對(duì)壓力補(bǔ)償閥進(jìn)行建模，模型如圖8所示。最高負(fù)載壓力同時(shí)反饋至給進(jìn)和回轉(zhuǎn)回路的壓力補(bǔ)償閥彈簧腔，并與泵出口壓力比較，進(jìn)而控制壓力補(bǔ)償閥節(jié)流口面積大小[16]。

3.3 防卡鉆系統(tǒng)模型

以ZDY3200S鉆機(jī)為研究對(duì)象，除默認(rèn)參數(shù)外，鉆機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

鉆機(jī)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(wèn)題，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到回轉(zhuǎn)壓力為20 MPa時(shí)，鉆機(jī)有發(fā)生卡鉆的趨勢(shì)，信號(hào)選擇器控制鉆機(jī)回退;若回退過(guò)程中回轉(zhuǎn)壓力下降至20 MPa時(shí)，鉆機(jī)恢復(fù)正常鉆進(jìn);若回退過(guò)程中回轉(zhuǎn)壓力繼續(xù)升高并超過(guò)22 MPa時(shí)，PID控制器抑制回轉(zhuǎn)壓力持續(xù)升高，同時(shí)鉆機(jī)保持回退，嘗試解決卡鉆問(wèn)題。

鉆機(jī)給進(jìn)、回退以及回轉(zhuǎn)壓力的控制是由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，除默認(rèn)參數(shù)外，控制系統(tǒng)主要參數(shù)如表2所示。

3.4 負(fù)載信號(hào)

ZDY3200S鉆機(jī)額定扭矩為3 200 N·m，當(dāng)工作扭矩超過(guò)3 200 N·m時(shí)，有發(fā)生卡鉆的趨勢(shì)。為完整模擬鉆機(jī)從開始工作到卡鉆再到恢復(fù)工作的整個(gè)過(guò)程，施加如圖10所示的負(fù)載信號(hào)。0～2 s為鉆機(jī)啟動(dòng)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(jī)空載狀態(tài)，11～15 s為正常工作狀態(tài)。

仿真時(shí)間設(shè)置為15 s，通訊間隔時(shí)間為0.01 s。

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(jī)啟動(dòng)階段，此時(shí)外負(fù)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(fù)載同步變化。由卡鉆機(jī)理1可知，當(dāng)回轉(zhuǎn)動(dòng)力無(wú)法克服鉆渣給鉆桿的阻力時(shí)，便會(huì)發(fā)生卡鉆。LUDV采用負(fù)載敏感泵，泵出口壓力與外負(fù)載變化相一致[17]，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)動(dòng)力的自適應(yīng)變化;5～8 s，鉆機(jī)排渣不暢，外負(fù)載增大時(shí)，回轉(zhuǎn)阻力增大，因此負(fù)載敏感泵斜盤擺角增大，泵輸出流量和壓力增大，回轉(zhuǎn)動(dòng)力增強(qiáng)，以此預(yù)防和解決排渣不暢引起的卡鉆。

3.6 回轉(zhuǎn)壓力和給進(jìn)速度分析

如圖12所示，LUDV可保持兩個(gè)或多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步協(xié)調(diào)變化[18]，因此在啟動(dòng)階段0～2 s，當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力升高時(shí)，推進(jìn)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(jìn)速度也保持勻速。

如圖10所示，5～8 s外負(fù)載持續(xù)升高，油壓傳感器實(shí)時(shí)反饋壓力信號(hào)至信號(hào)選擇器，由于信號(hào)選擇器設(shè)定值為0，當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力超過(guò)20 MPa時(shí)，經(jīng)減法器輸出的信號(hào)為正值，因此信號(hào)選擇器輸出端口3的信號(hào)值，該信號(hào)經(jīng)增益放大后控制電液伺服閥換向，使給進(jìn)機(jī)構(gòu)回退，以此嘗試解決卡鉆問(wèn)題。

如圖12中6～8 s所示，若回退過(guò)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(jī)仍未解決卡鉆問(wèn)題，回轉(zhuǎn)壓力繼續(xù)升高，油壓傳感器實(shí)時(shí)將回轉(zhuǎn)壓力信號(hào)反饋至PID控制器，回轉(zhuǎn)壓力信號(hào)經(jīng)減法器后產(chǎn)生偏差，該偏差經(jīng)比例、積分和微分運(yùn)算后輸出控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)增益放大后控制電液伺服閥閥芯移動(dòng)，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(jī)，同時(shí)保持較大的回轉(zhuǎn)動(dòng)力克服外負(fù)載阻力。

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

4 結(jié) 論

1）針對(duì)鉆機(jī)在松軟煤層鉆孔施工時(shí)的卡鉆問(wèn)題，通過(guò)分析卡鉆機(jī)理，建立自動(dòng)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(jī)自動(dòng)防卡鉆電液控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆機(jī)工況，自動(dòng)判別卡鉆程度，并自動(dòng)采取相應(yīng)的防卡鉆措施，實(shí)現(xiàn)了給進(jìn)力和回轉(zhuǎn)動(dòng)力的自適應(yīng)變化，提高了防卡鉆的自動(dòng)化水平，增強(qiáng)了防卡鉆效果，降低了系統(tǒng)能量損耗。研究?jī)?nèi)容為后續(xù)煤礦鉆機(jī)的系統(tǒng)優(yōu)化提供了新思路，為解決鉆機(jī)在松軟煤層中的卡鉆問(wèn)題提供了新方法。

2）鉆機(jī)在防卡鉆控制過(guò)程中，控制器需對(duì)輸入信號(hào)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(shí)用性。

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（編輯 鄭 潔）