試驗(yàn)反井鉆機(jī)智能控制關(guān)鍵技術(shù)研究

陳 云，劉志強(qiáng)，涂 偉

1寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏銀川 753001

2北京中煤礦山工程有限公司 北京 100013

在礦井建設(shè)、水電和其他地下工程建設(shè)中，進(jìn)出口通道、通風(fēng)井、電纜和管路通道等多為豎井和斜井。采用吊罐法、木垛法和爬罐法進(jìn)行豎井和斜井施工，都需要人員進(jìn)入施工面完成鉆孔、裝藥、放炮、危石處理和臨時(shí)支護(hù)作業(yè)，工作環(huán)境差、施工效率低，部分施工面有害氣體對(duì)人傷害較大。采用反井鉆機(jī)進(jìn)行豎井和斜井施工，設(shè)備安裝在地面，操作人員在地面操作，采取由上向下導(dǎo)孔、從下向上擴(kuò)孔的施工工藝，解決了施工過(guò)程中人員的安全問(wèn)題[1-3]。

1962 年，美國(guó)羅賓斯公司正式研制出第1 臺(tái)有鉆桿的反井鉆機(jī)，并成功應(yīng)用。隨后德國(guó)、芬蘭、日本、蘇聯(lián)等國(guó)相繼研制出多種類(lèi)型的反井鉆機(jī)。反井鉆機(jī)發(fā)展到今天，已具備施工井深為1 000 m、直徑為6 m 的能力，設(shè)備主要以電液控為主，部分功能實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)反井鉆機(jī)的廠家主要有徐工機(jī)械、北京中煤礦山公司、湖南創(chuàng)遠(yuǎn)高新、寧夏天地奔牛集團(tuán)公司、常州劍飛機(jī)械等，生產(chǎn)的反井鉆機(jī)鉆井深度達(dá)600 m，鉆井直徑為5 m，主要有液控和電液控2 種控制類(lèi)型，自動(dòng)化、智能化水平非常低[4]。

1 結(jié)構(gòu)及主要功能

1.1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

為促進(jìn)國(guó)內(nèi)鉆井裝備的技術(shù)發(fā)展，提高鉆井裝備的能力和自動(dòng)化、智能化水平，寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司立項(xiàng)研究千米級(jí)大直徑智能化反井鉆機(jī)，并列入寧夏重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的重大項(xiàng)目，加快該裝備的研發(fā)進(jìn)度。

作為試驗(yàn)的反井鉆機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，鉆井最大深度為1 000 m，最大擴(kuò)孔直徑為7 m，導(dǎo)孔直徑為0.425 m，適應(yīng)巖石抗壓強(qiáng)度小于200 MPa 的鉆井，擴(kuò)孔拉力為20 000 kN，轉(zhuǎn)矩為1 000 kN·m。

圖1 試驗(yàn)反井鉆機(jī)主機(jī)Fig.1 Main engine of trial raise boring machine

該試驗(yàn)反井鉆機(jī)動(dòng)力頭采用變頻電動(dòng)機(jī)+多級(jí)行星減速器驅(qū)動(dòng)，4 組變頻電動(dòng)機(jī)取代了傳統(tǒng)的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式。導(dǎo)孔采用1 組變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩級(jí)行星減速器傳遞轉(zhuǎn)矩；擴(kuò)孔采用3 組變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)三級(jí)行星減速器和1 組導(dǎo)孔變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)行星減速器共同傳遞轉(zhuǎn)矩。

1.2 主要功能

施工過(guò)程中，試驗(yàn)反井鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化：

（1）鉆桿輸送裝置自動(dòng)輸送鉆桿；

（2）導(dǎo)孔增加鉆桿過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；

（3）擴(kuò)孔減少鉆桿過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；

（4）導(dǎo)孔和擴(kuò)孔切換時(shí)，動(dòng)力頭擴(kuò)孔減速器脫開(kāi)和嚙合自動(dòng)控制；

（5）反井鉆機(jī)工作過(guò)程中，關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)。

2 智能控制要求

國(guó)產(chǎn)反井鉆機(jī)主要有液控和電液控2 種形式，動(dòng)力頭采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，裝卸和輸送鉆桿自動(dòng)化程度低，工作效率較低。新研制的試驗(yàn)反井鉆機(jī)為提高工作效率，裝卸和輸送鉆桿、導(dǎo)擴(kuò)孔高低速切換等功能全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化，提高了鉆井工作效率[5-6]。

2.1 鉆桿自動(dòng)輸送

鉆桿裝卸整個(gè)工作過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。試驗(yàn)反井鉆機(jī)鉆桿長(zhǎng)2 m，導(dǎo)孔過(guò)程中每鉆進(jìn)2 m 需增加1 根鉆桿。鉆桿輸送裝置自動(dòng)從反井鉆機(jī)旁的鉆桿放置架上抓取1 根鉆桿，輸送到反井鉆機(jī)動(dòng)力頭下方，鉆桿上端連接錐螺紋與動(dòng)力頭輸出軸中心對(duì)正，鉆桿下端連接錐螺紋和與其連接的鉆桿錐螺紋中心對(duì)正。鉆桿安裝在反井鉆機(jī)上后，鉆桿輸送裝置松開(kāi)鉆桿，返回到初始位置。

試驗(yàn)反井鉆機(jī)擴(kuò)孔過(guò)程中每進(jìn)給2 m，需減少 1根鉆桿，鉆桿輸送裝置自動(dòng)抓緊鉆桿，將其輸送到鉆桿放置架上。

2.2 導(dǎo)孔增加鉆桿過(guò)程自動(dòng)控制

試驗(yàn)反井鉆機(jī)導(dǎo)孔時(shí)，推力液壓缸將動(dòng)力頭每向下推進(jìn)2 m，需增加1 根鉆桿。增加鉆桿時(shí)，反井鉆機(jī)動(dòng)力頭輸出主軸與已連接的鉆桿自動(dòng)脫開(kāi)，推力液壓缸伸至最大行程，鉆桿輸送裝置將鉆桿輸送到動(dòng)力頭下方，鉆桿與動(dòng)力頭輸出主軸對(duì)正，鉆桿兩端的錐螺紋分別于上端的動(dòng)力頭主軸和下端的鉆桿錐螺紋連接。鉆桿安裝過(guò)程涉及到與動(dòng)力頭主軸連接的鉆桿定位、螺紋脫開(kāi)、新增鉆桿對(duì)正、鉆桿兩端螺紋的連接和預(yù)擰緊等過(guò)程，全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

2.3 擴(kuò)孔減少鉆桿過(guò)程自動(dòng)控制

試驗(yàn)反井鉆機(jī)擴(kuò)孔時(shí)，推力液壓缸將動(dòng)力頭每向上推進(jìn)2 m，需減少1 根鉆桿。減少鉆桿時(shí)，反井鉆機(jī)首先將動(dòng)力頭下方連接的第2 根鉆桿固定，再將與動(dòng)力頭連接的第1 根鉆桿兩端的螺紋脫開(kāi)，由鉆桿輸送裝置輸送到鉆桿放置架上，然后動(dòng)力頭輸出主軸與固定的第2 根鉆桿連接，進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)。整個(gè)鉆桿拆卸過(guò)程全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

2.4 導(dǎo)孔和擴(kuò)孔切換時(shí)動(dòng)力頭擴(kuò)孔減速器脫開(kāi)和嚙合控制

試驗(yàn)反井鉆機(jī)動(dòng)力頭輸入功率為 4×160 kW，鉆機(jī)導(dǎo)孔采用高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩，擴(kuò)孔采用低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩。導(dǎo)孔采用1 部變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其他3 部變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的行星減速器與動(dòng)力頭輸入軸的嚙合花鍵脫開(kāi)；擴(kuò)孔采用4 部變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。導(dǎo)孔過(guò)程中裝鉆桿時(shí)，經(jīng)常需要低速大轉(zhuǎn)矩脫開(kāi)螺紋連接，因此3 部擴(kuò)孔用變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的行星減速器與動(dòng)力頭輸入軸經(jīng)常需要切換。為提高工作效率，導(dǎo)擴(kuò)孔功能切換過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，快速完成。

2.5 反井鉆機(jī)工作過(guò)程中關(guān)鍵部件自動(dòng)保護(hù)

試驗(yàn)反井鉆機(jī)主機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，電液控制功能比較多，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電液控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有保護(hù)功能，各功能操作都有聯(lián)動(dòng)和互鎖保護(hù)，避免使用不當(dāng)對(duì)設(shè)備造成損壞，具有電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)、動(dòng)力頭超速保護(hù)、動(dòng)力頭輸出軸與鉆桿之間的連接件浮動(dòng)套軸向浮動(dòng)間隙保護(hù)、U 形插板誤操作保護(hù)、液壓系統(tǒng)壓力保護(hù)、主副泵工作溫度保護(hù)等。

3 鉆機(jī)智能控制研究

3.1 鉆桿自動(dòng)輸送控制

試驗(yàn)反井鉆機(jī)鉆桿抓取、輸送、裝卸過(guò)程和運(yùn)動(dòng)軌跡是相對(duì)固定的，被抓取鉆桿和反井鉆機(jī)動(dòng)力頭位置不變，鉆桿輸送裝置通過(guò)二次空間旋轉(zhuǎn)完成鉆桿輸送。鉆桿輸送裝置如圖2 所示，通過(guò)液壓缸伸縮推動(dòng)鉆桿輸送裝置繞軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)一級(jí)旋轉(zhuǎn)，液壓缸內(nèi)置位移傳感器監(jiān)測(cè)液壓缸行程，判斷鉆桿輸送裝置旋轉(zhuǎn)角度；具有 180°轉(zhuǎn)角的翻轉(zhuǎn)液壓缸作為旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)二級(jí)旋轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)置角度傳感器監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)角度。鉆桿卡爪通過(guò)1 組伸縮液壓缸抓緊鉆桿，液壓缸內(nèi)置位移和壓力傳感器，監(jiān)測(cè)是否抓緊鉆桿。根據(jù)裝卸鉆桿的運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)控制鉆桿輸送裝置。

圖2 鉆桿輸送裝置Fig.2 Boring rod delivery device

鉆桿輸送裝置控制流程如圖3 所示，其控制核心有以下幾點(diǎn)。

圖3 鉆桿輸送裝置控制流程Fig.3 Control process flow of boring rod delivery device

（1）控制鉆桿卡爪的抓緊力 當(dāng)卡爪液壓缸出現(xiàn)漏油等故障，鉆桿輸送裝置自動(dòng)報(bào)警并停止工作，保證鉆桿輸送過(guò)程安全可靠。

（2）保證鉆桿中心與動(dòng)力頭輸出主軸的同軸度 裝鉆桿時(shí)，鉆桿輸送裝置位置傳感器自動(dòng)判斷鉆桿與動(dòng)力頭輸出主軸的同軸度，及時(shí)修正裝鉆桿時(shí)鉆桿輸送裝置兩級(jí)旋轉(zhuǎn)的角度；卸鉆桿時(shí)，鉆桿輸送裝置卡爪在卡住被拆鉆桿后，翻轉(zhuǎn)液壓缸根據(jù)受力微調(diào)轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)鉆桿輸送裝置與被拆鉆桿的同軸，避免鉆桿螺紋在松開(kāi)或擰緊過(guò)程中受徑向力造成螺紋損傷。

（3）卡爪液壓缸自動(dòng)鎖緊 鉆桿在輸送過(guò)程中，卡爪液壓缸自動(dòng)鎖緊，避免鉆桿滑落。

3.2 導(dǎo)孔時(shí)增加鉆桿過(guò)程控制

試驗(yàn)反井鉆機(jī)導(dǎo)孔過(guò)程中增加鉆桿的關(guān)鍵是鉆桿與動(dòng)力頭輸出端浮動(dòng)套錐螺紋的脫開(kāi)和鉆桿的固定。鉆桿上設(shè)計(jì)有四方槽，反井鉆機(jī)底座上的可伸縮U 形插板插在鉆桿的四方槽中，實(shí)現(xiàn)鉆桿軸向和徑向限位。為實(shí)現(xiàn)U 形插板和鉆桿四方槽的自動(dòng)限位固定，插板上安裝一對(duì)測(cè)距傳感器，控制與鉆桿四方槽水平方向?qū)φ屏σ簤焊孜灰苽鞲衅骱透?dòng)套軸向位置傳感器綜合監(jiān)測(cè)鉆桿四方槽與U 形插板高度方向?qū)φ瑥亩鴮?shí)現(xiàn)鉆桿限位固定。

根據(jù)鉆桿錐螺紋頭數(shù)和螺距，通過(guò)控制變頻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和動(dòng)力頭推進(jìn)液壓缸位移以及浮動(dòng)套軸向間隙，實(shí)現(xiàn)鉆桿與浮動(dòng)套之間錐螺紋自動(dòng)脫開(kāi)。

導(dǎo)孔過(guò)程中增加鉆桿過(guò)程控制流程如圖4 所示，其中U 形插板狀態(tài)控制，以及鉆桿螺紋松緊時(shí)動(dòng)力頭輸出主軸與推力液壓缸的動(dòng)作狀態(tài)互鎖是關(guān)鍵。

圖4 導(dǎo)孔增加鉆桿過(guò)程控制流程Fig.4 Control process flow for addition of boring rod during pilot boring

3.3 擴(kuò)孔時(shí)減少鉆桿過(guò)程控制

試驗(yàn)反井鉆機(jī)導(dǎo)孔過(guò)程中動(dòng)力頭推力液壓缸每伸1 個(gè)行程，需去掉與動(dòng)力頭輸出端浮動(dòng)套連接的第1 根鉆桿，鉆桿兩端的錐螺紋通過(guò)反井鉆機(jī)自身的裝置自動(dòng)脫開(kāi)，其控制關(guān)鍵是整個(gè)鉆具的軸向限位和旋轉(zhuǎn)限位。利用插板固定被拆鉆桿和相連的整個(gè)鉆具，松開(kāi)被拆鉆桿上端與浮動(dòng)套之間連接的錐螺紋，但不脫開(kāi)，通過(guò)一套浮動(dòng)裝置將浮動(dòng)套和被拆鉆桿連接限位，整體旋轉(zhuǎn)以傳遞轉(zhuǎn)矩；插板液壓缸收縮，插板回位；解除推力液壓缸位移與主軸旋轉(zhuǎn)關(guān)聯(lián)，推力液壓缸伸出，插板定位與被拆卸鉆桿連接的鉆桿；松開(kāi) 2節(jié)鉆桿之間的螺紋；解除被拆鉆桿與主軸之間的浮動(dòng)連接；鉆桿輸送裝置將鉆桿抓至鉆桿放置架上。在鉆桿拆卸過(guò)程中涉及到插板液壓缸和浮動(dòng)裝置液壓缸控制閉鎖，推力液壓缸位移與動(dòng)力頭主軸旋轉(zhuǎn)關(guān)聯(lián)及閉鎖等控制，控制流程如圖5 所示。

圖5 擴(kuò)孔減少鉆桿過(guò)程控制流程Fig.5 Control process flow for reduction of boring rod during raise ream boring

3.4 導(dǎo)孔和擴(kuò)孔切換時(shí)動(dòng)力頭擴(kuò)孔減速器脫開(kāi)和嚙合控制

試驗(yàn)反井鉆機(jī)導(dǎo)孔轉(zhuǎn)速大約是擴(kuò)孔轉(zhuǎn)速的4 倍，導(dǎo)孔所需轉(zhuǎn)矩小，只需1 組變頻電動(dòng)機(jī)工作，另外 3組變頻電動(dòng)機(jī)+行星減速器需與動(dòng)力頭輸入軸脫開(kāi)，一旦嚙合，在導(dǎo)孔過(guò)程中3 組變頻電動(dòng)機(jī)和與其連接的行星減速器輸入軸轉(zhuǎn)速是導(dǎo)孔變頻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的 4倍，軸承等傳動(dòng)件會(huì)在短時(shí)間內(nèi)損壞。因此，反井鉆機(jī)在導(dǎo)孔和擴(kuò)孔過(guò)程中，3 組變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的行星減速器輸出軸與動(dòng)力頭輸入軸連接花鍵需脫開(kāi)或嚙合，在結(jié)構(gòu)上通過(guò)行星減速器和動(dòng)力頭輸入端連接的可伸縮導(dǎo)向連接罩筒和2 組液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖 6所示。

圖6 反井鉆機(jī)動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)部Fig.6 Drive unit of power head of raise boring machine

減速器脫開(kāi)或嚙合過(guò)程控制的核心是根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和伸縮液壓缸力的變化判斷減速器處于嚙合或脫開(kāi)狀態(tài)，進(jìn)行減速器脫開(kāi)或嚙合控制。每組可伸縮連接罩筒中2 組液壓缸安裝了位移和壓力傳感器。變頻電動(dòng)機(jī)低頻驅(qū)動(dòng)行星減速器輸出軸，控制嚙合花鍵旋轉(zhuǎn)，壓力傳感器自動(dòng)判斷嚙合花鍵是否對(duì)正；2 組液壓缸伸縮控制花鍵嚙合和脫開(kāi)，位移傳感器判斷花鍵嚙合狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)反井鉆機(jī)導(dǎo)孔和擴(kuò)孔功能狀態(tài)的切換。

試驗(yàn)反井鉆機(jī)鉆桿輸送裝置自動(dòng)控制、導(dǎo)孔時(shí)增加鉆桿過(guò)程控制、擴(kuò)孔時(shí)減少鉆桿過(guò)程控制，以及導(dǎo)孔和擴(kuò)孔切換時(shí)動(dòng)力頭擴(kuò)孔減速器脫開(kāi)和嚙合控制 4部分自動(dòng)控制過(guò)程構(gòu)成了反井鉆機(jī)鉆井施工自動(dòng)控制過(guò)程。

3.5 關(guān)鍵部件自動(dòng)保護(hù)

試驗(yàn)反井鉆機(jī)主機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電液控制功能較多，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電液控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有保護(hù)功能，各個(gè)功能操作都有聯(lián)動(dòng)和互鎖等保護(hù)，避免使用不當(dāng)對(duì)設(shè)備造成損壞。反井鉆機(jī)保護(hù)主要包括電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)、動(dòng)力頭超速保護(hù)、裝卸鉆桿過(guò)程中動(dòng)力頭輸出軸與鉆桿之間的連接件浮動(dòng)套軸向浮動(dòng)間隙保護(hù)，動(dòng)力頭輸出主軸轉(zhuǎn)速和推力液壓缸速度與鉆桿螺紋螺距之間的關(guān)聯(lián)互鎖保護(hù)、U 形插板誤操作保護(hù)、液壓系統(tǒng)壓力保護(hù)、主副泵工作溫度保護(hù)等。

3.6 鉆進(jìn)過(guò)程自動(dòng)控制

試驗(yàn)反井鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中主要功能基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用變頻驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，動(dòng)力頭輸出軸配有振動(dòng)傳感器，在鉆進(jìn)過(guò)程中遇到巖石硬度變化造成設(shè)備轉(zhuǎn)矩變化和鉆桿振動(dòng)等問(wèn)題時(shí)，控制系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)調(diào)整推力頭液壓缸推力，降低鉆具鉆進(jìn)速度，保護(hù)滾刀，減小鉆桿和導(dǎo)孔鉆頭的振幅，同時(shí)控制導(dǎo)孔偏差量和導(dǎo)孔直徑，減小鉆桿與導(dǎo)孔內(nèi)壁的間隙，避免間隙過(guò)大造成鉆桿二次震動(dòng)對(duì)整個(gè)鉆具壽命的影響，以保證后續(xù)擴(kuò)孔形成井筒的質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合鉆井施工工藝，對(duì)千米大直徑反井試驗(yàn)鉆機(jī)主要功能進(jìn)行分析，并根據(jù)試驗(yàn)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)其各項(xiàng)功能的自動(dòng)化、智能化進(jìn)行了分析研究，形成反井鉆機(jī)工作過(guò)程主要功能的自動(dòng)控制方法，縮短了反井鉆機(jī)施工輔助工作時(shí)間，降低操作人員的工作強(qiáng)度，提高了工作效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備關(guān)鍵部件的自我保護(hù)，減少反井鉆機(jī)故障，降低維護(hù)成本。