牙輪鉆機(jī)工作參數(shù)獲取方法研究現(xiàn)狀

衣 瑛

（鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114051）

由于鉆機(jī)鉆探工作位于地下，具有一定的隱蔽性，不能及時觀察工作狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)過程中可能存在的問題，然而操作人員在地面上無法及時獲取到鉆機(jī)實際運行的情況以及鉆機(jī)的各項工作參數(shù)，無法有效控制鉆進(jìn)的質(zhì)量和鉆進(jìn)的速率，直接影響到鉆探成本和鉆探工作的效率。因此采用智能監(jiān)測的手段，及時通過傳感器獲取各個工作參數(shù)，對提高鉆機(jī)效率是必不可少的。

鉆機(jī)傳統(tǒng)的工作狀態(tài)顯示大多通過壓力計、溫度表等儀器儀表顯示出來，指針化顯示不直觀且無法對工作狀態(tài)進(jìn)行保存記錄,多有不便。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,傳感器的精度不斷提升并且價格較低，使用方便，因此鉆機(jī)和傳感器結(jié)合便可遠(yuǎn)程顯示鉆機(jī)工作狀態(tài)，通過對鉆機(jī)工作數(shù)據(jù)的分析便可對鉆機(jī)進(jìn)行鉆探優(yōu)化，對鉆機(jī)的主要狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、泵量、鉆速等[8]，因此在鉆機(jī)相應(yīng)位置上安置對應(yīng)傳感器，并將檢測到的數(shù)據(jù)通過電信號的形式傳輸?shù)街鳈C(jī)上進(jìn)行處理，以便后續(xù)對鉆機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。

1 鉆壓參數(shù)

鉆進(jìn)過程中鉆頭在鉆壓作用下破碎地表進(jìn)入地下，鉆壓的大小直接決定了鉆頭鉆進(jìn)地下的深度，在鉆機(jī)所有工作參數(shù)中，鉆壓對鉆速的影響是最直接、最顯著的。鉆壓過大時將會對鉆柱和鉆頭造成損壞，扭矩過大時甚至?xí)斐蔁@等安全事故，因此對鉆壓參數(shù)的檢測和控制就顯得尤為重要。

喬曉華等人提到鉆壓力不是鉆機(jī)對井底的正壓力，其正壓力等于鉆壓力與孔底傾角余弦的乘積[1]。而對于大直徑鉆機(jī)的鉆壓力喬曉華等人通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)有以下幾種常用的計算方法：第一種是根據(jù)刀刃單位面積上受到的鉆壓強來計算鉆壓，其中鉆壓強應(yīng)該大于巖石強度；第二種是根據(jù)刀刃單位鉆進(jìn)面積上受到的壓力來計算鉆壓；第三種是根據(jù)每把刀具上受到的壓力來間接計算鉆壓力，在運用上述計算方法時還應(yīng)該考慮到大直徑鉆機(jī)中心刀的楔入阻力等。

但是由于鉆機(jī)鉆桿柱在工作時受震動影響較大，很容易對傳感器的精度造成影響，并且會使傳感器的使用壽命減少，因此一般不在鉆柱上直接安裝壓力傳感器來檢測鉆壓，而是結(jié)合鉆機(jī)的特點，多采用間接測量或通過計算的方式來得出最終的鉆壓值。例如王珂在自控鉆進(jìn)試驗臺參數(shù)檢測與控制技術(shù)實驗研究[2]中通過油缸壓力與鉆桿重量之間的關(guān)系間接得出鉆壓，即在給進(jìn)液壓油缸的上腔和下腔分別安裝壓力傳感器，油缸進(jìn)出口的壓力值通過傳感器檢測得到，結(jié)合相關(guān)面積壓強公式即可計算出鉆壓值，其中油缸上下腔的有效截面積可以經(jīng)過實際測量得出，在計算實際作用在鉆頭上的壓力時還應(yīng)該考慮到鉆具于孔壁的摩擦力等因素，液壓油腔內(nèi)安裝的壓力傳感器應(yīng)該考慮到體積、靈敏度、穩(wěn)定性等問題。

2 轉(zhuǎn)速參數(shù)

鉆機(jī)轉(zhuǎn)速直接關(guān)系到鉆進(jìn)效率和功率消耗，不同的地質(zhì)和鉆進(jìn)方法有著不同的轉(zhuǎn)速要求，適宜的轉(zhuǎn)速可以有效的控制鉆探成本和鉆探時間，在鉆進(jìn)過程中因地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在差異，操作人員需要隨時掌握和調(diào)整動力頭的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對鉆機(jī)設(shè)備的精準(zhǔn)控制和優(yōu)化，因而對鉆機(jī)轉(zhuǎn)速的實時準(zhǔn)確監(jiān)測是必不可少的，測量轉(zhuǎn)速主要有兩種常用的測量手段，一種是采用測速發(fā)電機(jī)直接和電機(jī)接觸，另一種是不和電機(jī)直接接觸的接近開關(guān)式測速。測速發(fā)電機(jī)可以直接輸出電信號并且電信號的強弱與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，其廣泛應(yīng)用于各種速度控制系統(tǒng)；而接近開關(guān)測量較方便，無需與待測物直接接觸，只要運動部件處于檢測距離內(nèi)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，相對安全且價格較低。測速發(fā)電機(jī)相對于接近開關(guān)而言成本較高，安裝困難而且需要預(yù)留一定的安裝空間，且電機(jī)上的電壓一般較高，存在一定的危險性，因此先擇接近開關(guān)是比較合適的，現(xiàn)在國內(nèi)外也普遍選擇使用接近開關(guān)的方式測量轉(zhuǎn)速。

例如張恒春在設(shè)計的智能化多功能實驗臺鉆進(jìn)參數(shù)檢測與控制系統(tǒng)[3]中測量動力頭的轉(zhuǎn)速則采用了電感式接近開關(guān)，張恒春在使用接近開關(guān)測量轉(zhuǎn)速時，先在待測軸上安裝了M個金屬感應(yīng)點，將接近開關(guān)安裝在一旁，當(dāng)待測軸旋轉(zhuǎn)時接近開關(guān)通過感應(yīng)金屬感應(yīng)點即可輸出相應(yīng)脈沖，將脈沖數(shù)結(jié)合相應(yīng)的計算公式就可得出待測軸轉(zhuǎn)速。杜江等人[11]自行設(shè)計了一個自定齒數(shù)的同步轉(zhuǎn)動齒輪，并將此齒輪安裝在動力頭主軸上，通過有源電磁感應(yīng)式數(shù)字傳感器實現(xiàn)了對動力頭轉(zhuǎn)速的檢測。有源電磁感應(yīng)式數(shù)字傳感器與齒輪留有一定的安裝間隙，傳感器供電電壓為常用的5～24V，較容易獲得，該傳感器輸出信號可直接與數(shù)字計數(shù)器直接相連接，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)計算和傳輸。吳海峰采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來對鉆機(jī)主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測進(jìn)而檢測鉆機(jī)轉(zhuǎn)速[13]，霍爾傳感器是開關(guān)型傳感器，吳海峰在使用霍爾傳感器檢測主軸轉(zhuǎn)速時為提高檢測的準(zhǔn)確性，在鉆機(jī)主軸上安置一個磁鋼，鉆機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)時磁鋼就會跟著轉(zhuǎn)動，霍爾傳感器檢測磁鋼時就會產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過處理將脈沖信號轉(zhuǎn)化成電信號并將信號輸出到微處理器進(jìn)行處理以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的檢測。

3 扭矩參數(shù)

扭矩可以實時反映鉆進(jìn)工況，是需要重點檢測的工作參數(shù)，可以通過檢測瞬時扭矩的變化結(jié)合一定的經(jīng)驗來估測鉆進(jìn)過程中可能發(fā)生的事故，例如出現(xiàn)卡鉆和鉆頭打滑等現(xiàn)象。常規(guī)扭矩檢測通過安裝在轉(zhuǎn)盤驅(qū)動鏈條的扭矩傳感器將扭矩轉(zhuǎn)換成電信號來檢測，但是液壓型鉆機(jī)沒有鏈條傳動裝置，因此可以通過測量液壓馬達(dá)間接測量扭矩，扭矩計算公式為：

式中：Vg表示動力頭馬達(dá)排量；Δp表示動力頭馬達(dá)進(jìn)出油口壓力值；ηmh表示動力頭總機(jī)械效率，取0.9～0.93；id表示動力頭總減速比。

通過上式可知，只需要通過傳感器測量動力頭馬達(dá)進(jìn)出油口壓力值就可以測出扭矩。

方俊通過對鉆機(jī)構(gòu)造研究分析發(fā)現(xiàn)全液壓動力頭鉆機(jī)是通過動力頭液壓馬達(dá)做功帶動鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)動，總功率中除了摩擦損耗等，液壓馬達(dá)的功率就等于回轉(zhuǎn)器的功率，因此通過研究鉆機(jī)扭矩和鉆機(jī)功率、鉆機(jī)轉(zhuǎn)速之間存在的關(guān)系，再通過檢測鉆機(jī)功率和鉆機(jī)轉(zhuǎn)速就可以間接計算出鉆進(jìn)過程中的扭矩[4]。朱秀梅[5]等人提到的動力頭扭矩計算公式是通過計算馬達(dá)壓力、馬達(dá)個數(shù)、馬達(dá)排量、傳動效率和傳動系統(tǒng)減速比之間的關(guān)系最終得出動力頭的扭矩。

紀(jì)珍從等人采用的是使用霍爾電流變送器來對扭矩進(jìn)行檢測，為了減少溫漂對扭矩測量精度的影響[12]，他們在原有電路基礎(chǔ)上增添了補償電路對整體進(jìn)行控制，從而確保測量精度。一般鉆機(jī)設(shè)備都較大，其使用的電動機(jī)也需要較高的額定電流和額定電壓，若采用接觸性測量轉(zhuǎn)速容易發(fā)生危險且相應(yīng)設(shè)備價昂貴，采用霍爾電流變送器進(jìn)行非接觸測量，可以確保測量安全性，且其精度較高、價格低廉。測量結(jié)果經(jīng)過霍爾電流變送器內(nèi)部電路處理后，將輸出一個處于0～5V的低電壓，使其輸出信號可以轉(zhuǎn)換成為微處理器可處理的數(shù)字信號。

4 鉆速參數(shù)

鉆速是指單位時間內(nèi)鉆頭的鉆進(jìn)速度，鉆速是反映鉆進(jìn)效率的重要指標(biāo)之一，對掌控孔內(nèi)的工作狀況和結(jié)合數(shù)據(jù)優(yōu)化鉆機(jī)起到十分重要的作用，因此對鉆速的檢測是很有必要的。鉆井工程中，通常采用把線速度轉(zhuǎn)換成角速度的方式來檢測鉆速，常用的檢測傳感器有測速發(fā)電機(jī)、磁電脈沖鉆速傳感器、光電式傳感器等[3]。

沈璟璟等人通過測量動力頭的位置來實現(xiàn)對鉆頭的鉆進(jìn)位移檢測，其采用激光測距傳感器來測量動力頭的移動距離[6]，激光具有很好的直線性和導(dǎo)向性，可以實現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量，在測距方面有很廣的應(yīng)用。沈璟璟等人將激光測距儀安裝在鉆機(jī)動力頭導(dǎo)軌的尾部，使激光發(fā)射與接收鏡面正對著動力頭，激光測距儀不斷的發(fā)送接收激光信號，通過計算便可得出動力頭移動距離，設(shè)每相鄰2次測得的距離為S1、S2，鉆進(jìn)位移公式為：

可以根據(jù)鉆進(jìn)位移與時間的關(guān)系計算得出鉆速，鉆速公式為：

其中S為鉆進(jìn)位移；t為測距時間間隔，可以由軟件計時獲得。

吳海峰對鉆速參數(shù)的獲取采用了光柵編碼器，光柵編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置構(gòu)成[13]。測量時首先將光柵式位移傳感器安裝在同步帶輪軸上，同步帶將動力頭移動的位移轉(zhuǎn)換成光柵增量編碼器測量的角位移，光柵增量編碼器根據(jù)一定的關(guān)系將角位移換算成動力頭的線位移，時間可以采用軟件編程的方式獲得，這樣便可計算出動力頭的鉆進(jìn)速度即鉆速。

5 油路油溫參數(shù)

紀(jì)珍從等人提出對油溫進(jìn)行檢測，檢測油溫采用DS18B20傳感器，其精度為±2℃，可以較精確的對油溫進(jìn)行檢測[12]。DS18B20為集成型數(shù)字傳感器，可以直接輸出數(shù)字信號，避免了使用A/D轉(zhuǎn)換器等模數(shù)電轉(zhuǎn)換電路模塊，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計，提高了可靠性，同時由于DS18B20傳感器價格低廉，因此可以在一定程度上降低系統(tǒng)成本。由于DS18B20傳感器的封裝采用的是塑料外殼，如果直接放進(jìn)油箱和液壓油接觸，很容易造成傳感器腐蝕失效，因此可以采用導(dǎo)熱性良好的材料對其進(jìn)行密封隔離，然后再放進(jìn)油箱內(nèi)保證DS18B20傳感器的正常工作。后續(xù)可以對系統(tǒng)實時采集的油溫信息進(jìn)行保存，并設(shè)置一定的閾值范圍，當(dāng)超過閾值范圍時發(fā)出警報以免因油溫過高而造成危險。

6 泵量參數(shù)

泵量是指泵在運轉(zhuǎn)時排除的鉆井液流量，與鉆孔的直徑等有關(guān)，泵量過大或過小都有可能導(dǎo)致鉆孔事故，因此需要對泵量進(jìn)行實時監(jiān)測，以確保泵量處于合理的范圍。目前常用的測量流量的儀器包括：浮子流量計、電磁流量計等。

對流量的檢測可以直接使用流量計來進(jìn)行測量泵量，但其成本較高，也可以采用泵沖傳感器檢測泵沖次的方式來間接計算出泵量，泵沖傳感器是接近開關(guān)式傳感器，由于泵沖傳感器對金屬檢測十分靈敏，因此可以采用在傳動軸上加裝金屬感應(yīng)頭的方式來確保檢測的準(zhǔn)確性。當(dāng)金屬感應(yīng)頭旋轉(zhuǎn)到泵沖傳感器的檢測范圍之內(nèi)時就產(chǎn)生一個脈沖信號，每一個脈沖信號表示一次沖程，而泵的活塞直徑和沖程都是定值，因此可以通過這些參數(shù)計算出泥漿泵的泵量。

傳感器采集的信號都是本安信號，可以對其進(jìn)行傳輸編輯操作，將采集的信號通過隔離器等器件后傳輸?shù)轿⑻幚砥鬟M(jìn)行處理,對于鉆機(jī)的傾角和方位角則可以選擇采用加速度傳感器和磁阻傳感器進(jìn)行檢測，并且磁阻傳感器具有高帶寬、內(nèi)含低通濾波器、低噪聲放大器，穩(wěn)定性高，傳輸性好[10]。

7 發(fā)展方向

數(shù)字化鉆進(jìn)技術(shù)已經(jīng)取得了較大的發(fā)展，鉆進(jìn)過程中各項工作參數(shù)的監(jiān)測和數(shù)學(xué)模型的建立以及可能會發(fā)生的工作狀況都已經(jīng)較為成熟，但在鉆進(jìn)精確方面、故障自診斷方面和智能鉆進(jìn)自動鉆進(jìn)方面還需要進(jìn)一步的研究，需要更加精確的測量儀器，更加穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸方式，更加完善的管理系統(tǒng)。

8 結(jié)語

目前，我國數(shù)字礦山對開采、運輸、通風(fēng)、供電、排水等已經(jīng)基本實現(xiàn)了智能管理，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、操作、調(diào)度等，但是對鉆機(jī)鉆孔施工還未進(jìn)行有效監(jiān)控管理，大多還處于使用儀器儀表等傳統(tǒng)方式。使用高精度傳感器對鉆機(jī)各項工作參數(shù)的實時監(jiān)測與傳輸，對各項參數(shù)進(jìn)行細(xì)致分析與總結(jié)，以便后續(xù)的鉆機(jī)優(yōu)化，從而極大的提高鉆機(jī)鉆進(jìn)效率，有利的推進(jìn)了鉆機(jī)向智能化方向的發(fā)展進(jìn)程，提高鉆進(jìn)質(zhì)量，減少工作成本。