煤礦鉆機自動防卡鉆電液控制系統研究

李東民，朱士明，趙元志，王 通，鐘佩思，夏尚飛

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

中國松軟煤層分布較多，約占煤炭總產量的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生的根本措施，而瓦斯治理的關鍵在于瓦斯抽采鉆孔的施工。鉆機在鉆孔施工中易發生卡鉆事故，卡鉆處理時間長，成本高，甚至需要填井側鉆，這極大降低了施工效率[2]。卡鉆處理不當，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]，當回轉壓力超過某一壓力值時，推進機構回退，以此消除卡鉆現象。加拿大生產CD360鉆機[4]，當回轉壓力升高時，手動調節給進壓力使推進力減小，從而預防卡鉆。孫永興等[5]通過優化鉆桿結構和鉆井液性能制定了防卡鉆措施，并進行了現場應用。湖南山河智能機械股份有限公司生產的SWDB165鉆機[6]，在給進系統上設置減壓閥，當有卡鉆趨勢時，由施工人員調節減壓閥使給進系統壓力下降，實現預防卡鉆。文獻[7]提出利用回轉壓力信號控制給進系統，采用給進力自動控制的防卡鉆方案。綜上所述，現有方案在一定程度上可避免卡鉆事故的發生，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壓力的自適應控制，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，結合現場施工經驗，基于LUDV系統，采用人群搜索算法，建立以PID與信號選擇器相結合的控制器，提出了煤礦鉆機自動防卡鉆電液控制系統。該系統可實現回轉動力的自適應變化，避免回轉動力不足引發的卡鉆，降低了系統能量損失。控制器實時監測回轉壓力信號，控制電液伺服閥閥芯運動，實現給進力的自適應變化；同時系統可根據回轉壓力自動判別卡鉆程度，并自動采取相應的防卡鉆措施，增強了防卡鉆的效果。通過AMESim軟件進行系統仿真試驗，驗證了自動防卡鉆電液控制系統的可行性。

1 自動防卡鉆系統

1.1 鉆機結構

以ZDY3200S型全液壓煤礦鉆機為研究對象，其結構如圖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動力，結構主要包括液壓馬達、卡盤和減速箱；給進裝置實現動力頭沿機身導軌的往復移動，結構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 鉆機結構Fig.1 Drilling rig structure

1.2 卡鉆機理

結合現場施工經驗，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，鉆渣易在鉆桿內部和表面沉積，導致排渣不暢[8]。當回轉動力未能克服鉆渣給鉆桿的阻力時，便會發生卡鉆。

2)裂隙卡鉆。松軟煤層是地質構造的產物，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裂隙。當鉆頭進入不規則裂隙時，極易被裂隙內細小的巖石卡死，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中，PID控制器用于回轉壓力的控制。控制器設定值為22 MPa，輸入值為油壓傳感器實時反饋的回轉壓力值，偏差值為設定值減去輸入值，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。當回轉壓力超過設定值22 MPa時，PID控制器通過3種不同形式的控制作用消除系統偏差，抑制回轉壓力持續上升[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中，信號選擇器用于給進系統的控制，用戶設定值為零，端口2的輸入信號為回轉壓力值與設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控制給進機構前進，端口4控制給進機構回退。

1.4 自動防卡鉆方案

鉆機自動防卡鉆液壓控制系統原理如圖3所示。

1—液壓泵；2—溢流閥；3—變量缸；4—節流閥；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，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流閥節流口面積大小有關。二是反饋至負載敏感泵的變量機構，使泵出口壓力跟隨負載壓力變化，實現回轉壓力的自適應控制，提高系統工作效率，避免發生卡鉆事故。

基于信號選擇器和PID建立的防卡鉆控制系統，將回轉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回路的電液伺服閥閥芯移動，實現回轉壓力和給進力的自適應控制。當回轉壓力達到設定值K2(2)時，回轉壓力信號經減法器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定值K2(2)以下，鉆機恢復鉆進；若回轉壓力持續升高，此時回轉壓力信號經減法器3(1)后產生偏差，該偏差經PID進行比例、積分和微分運算后輸出控制信號，該信號經增益5(1)放大后控制電液伺服閥閥芯移動，使回轉壓力維持在設定值K2(1)，避免壓力過高損傷鉆機，同時又能保持較大的回轉動力來克服外負載阻力，實現自動防卡鉆控制。其原理如圖4所示。

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

2 SOA-PID算法

鉆機回轉系統采用PID控制，控制器性能主要取決于參數設置，采用人群搜索算法[13]進行PID參數整定，使PID具有響應快和魯棒性好等優點。

2.1 定義種群

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

(1)

2.2 確定適應度函數

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

(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為加權值，取值區間為[0，1]；ω3為懲罰系數，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，x為輸入變量，δ、μ均為隸屬度函數參數。

設定μmin，故μA取值范圍為[0.0111，1]。

根據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，uij為j維空間目標函數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為慣性權值，φ1、φ2為[0，1]常數，sign()為符號函數，di,ego為利己方向，di,alt為利他方向，di,pro為預動方向。

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按照以上流程實現對PID參數整定。

2.6 SOA整定PID參數結果

設種群規模為30，最大迭代次數為500，KP、KI、KD3個參數搜索范圍為[0，120]，仿真結果如圖5、6所示。

圖5 適應度函數曲線Fig.5 The curve of fitness function

圖6 PID參數整定結果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，最終產生1組PID控制器參數最優解：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到液壓傳動到伺服系統的完整解決方案[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 防卡鉆系統模型

以ZDY3200S鉆機為研究對象，除默認參數外，鉆機主要參數如表1所示。

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

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

鉆機給進、回退以及回轉壓力的控制是由控制系統實現的，除默認參數外，控制系統主要參數如表2所示。

表2 控制系統主要參數Table 2 Main parameters of control system

按照以上參數的設定，利用AMESim搭建如圖9所示的模型。

圖9 防卡鉆系統模型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，2～5 s為正常工作狀態，5～8 s為發生卡鉆狀態，8～11 s為鉆機空載狀態，11～15 s為正常工作狀態。

仿真時間設置為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，此時外負載及系統壓力較小，液壓油泄漏及節流口壓力損失幾乎為零，因此回轉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，當回轉動力無法克服鉆渣給鉆桿的阻力時，便會發生卡鉆。LUDV采用負載敏感泵，泵出口壓力與外負載變化相一致[17]，實現回轉動力的自適應變化；5～8 s，鉆機排渣不暢，外負載增大時，回轉阻力增大，因此負載敏感泵斜盤擺角增大，泵輸出流量和壓力增大，回轉動力增強，以此預防和解決排渣不暢引起的卡鉆。

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

3.6 回轉壓力和給進速度分析

如圖12所示，LUDV可保持兩個或多個執行機構同步協調變化[18]，因此在啟動階段0～2 s，當回轉壓力升高時，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，由于信號選擇器設定值為0，當回轉壓力超過20 MPa時，經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，該信號經增益放大后控制電液伺服閥換向，使給進機構回退，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，回轉壓力繼續升高，油壓傳感器實時將回轉壓力信號反饋至PID控制器，回轉壓力信號經減法器后產生偏差，該偏差經比例、積分和微分運算后輸出控制信號，該信號經增益放大后控制電液伺服閥閥芯移動，使回轉壓力維持在22 MPa，避免回轉壓力持續升高損壞鉆機，同時保持較大的回轉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，因此回轉壓力迅速下降，當回轉壓力下降至20 MPa，鉆機開始給進，給進速度從負值變為正值。11～15 s，鉆機恢復正常工作。

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

4 結 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，提出了煤礦鉆機自動防卡鉆電液控制系統。該系統實時監測鉆機工況，自動判別卡鉆程度，并自動采取相應的防卡鉆措施，實現了給進力和回轉動力的自適應變化，提高了防卡鉆的自動化水平，增強了防卡鉆效果，降低了系統能量損耗。研究內容為后續煤礦鉆機的系統優化提供了新思路，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。采用人群搜索算法整定PID參數，為參數設置提供了科學依據，提高了控制器魯棒性以及快速響應性，在工程上具有一定實用性。