救援車載鉆機鉆具自動擰卸系統(tǒng)研制及應(yīng)用

李旺年 王賀劍 田宏亮

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710077;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)自動化學(xué)院,湖北 武漢 430074)

我國的整體能源結(jié)構(gòu)為“缺氣、少油,相對富 煤”,隨著我國煤炭資源開采規(guī)模、強度和深度逐步增加,其所面臨的瓦斯、水害和沖擊地壓等自然災(zāi)害類型、災(zāi)害發(fā)生強度趨向多樣化和復(fù)雜化[1-3]。一旦發(fā)生重大災(zāi)害事故,就會導(dǎo)致礦井井筒、巷道發(fā)生破壞,主要安全通道被堵塞,作業(yè)人員被困井下,為了成功挽救被困人員,通常先在地面施工小直徑生命保障孔輸送給養(yǎng),再通過地面大直徑救援孔來構(gòu)建逃生通道完成轉(zhuǎn)運的方式營救被困人員[4-6]。

地面大直徑救援孔不同于常規(guī)大直徑鉆孔,不但要求施工工期要短,而且施工過程中不能對井下被救人員造成2 次傷害[7]。因此,大直徑救援孔必須圍繞安全和高效為中心,通過工藝技術(shù)的創(chuàng)新和配套裝備的改進提高鉆進效率和提供安全保障[8-9]。目前,用于地面應(yīng)急救援的國內(nèi)外車載鉆機有:德國寶峨的RB 系列,美國雪姆公司的TXD 系列,西安研究院的ZMK 系列,北京天和眾邦的CMD 系列等[10-13]。

地面大直徑救援孔的鉆進過程中需要在短時間內(nèi)重復(fù)完成大量的鉆具擰卸工作[14-16],但上述救援車載鉆機的自動擰卸系統(tǒng)存在的問題為:與鉆機給進系統(tǒng)固定連接,整機質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸偏大,致使鉆機通行重量超重且運輸高度超限;卸扣裝置卸扣能力較弱、擰卸困難,無法滿足多種規(guī)格鉆具的擰卸任務(wù)及傳統(tǒng)鉆進和液壓吊卡鉆進2 種工藝要求;采用手動操作對扣及上卸扣,自動化程度較低。

針對上述問題,在分析救援車載鉆機起下鉆施工工藝流程的基礎(chǔ)上,結(jié)合救援車載鉆機鉆桿快速對中、夾持和自動擰卸等關(guān)鍵技術(shù)問題,研究的鉆具自動擰卸系統(tǒng)可以滿足多種規(guī)格的鉆具快速上卸,實現(xiàn)一鍵自動擰卸鉆具,減輕工人勞動強度,提高鉆具擰卸效率。

1 鉆具自動擰卸系統(tǒng)總體方案

鉆具自動擰卸系統(tǒng)主要依據(jù)ZMK5550TZJ120/50 型救援車載鉆機施工800 mm 大直徑救援孔施工工藝進行設(shè)計與開發(fā),該鉆孔首先通過127 mm 鉆桿配套346 mm 牙輪鉆頭進行先導(dǎo)孔施工,然后通過178 mm 雙壁鉆桿配套850 mm 集束式潛孔錘施工大直徑鉆孔。鉆機最大輸出扭矩50 kN·m,根據(jù)施工工藝所采用的鉆具技術(shù)規(guī)格及鉆機性能參數(shù),確定鉆具自動擰卸系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 鉆具自動擰卸系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Parameters of drilling tool screw-off system

如圖1 所示,該鉆具自動擰卸系統(tǒng)主要包括大開口液壓孔口裝置、鉆具自動擰卸裝置、液壓卡盤等3大部件。其中孔口裝置包含U 型平臺底座、U 型平臺焊接體、擴展平臺和液壓支腿等部分,孔口裝置最大通孔直徑920 mm,滿足850 mm 集束潛孔錘的下鉆要求。

圖1 鉆具自動擰卸系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of drilling tool screw-off system

鉆具自動擰卸裝置包含旋扣鉗、沖扣鉗、夾緊鉗和滑車總成,具備手動操作和自動控制2 種模式。采用液壓驅(qū)動、計算機自動控制實現(xiàn)鉆具接箍位置的精確判別,具有鉆具快速旋扣、定扭矩上扣、大扭矩崩扣及鉗體自動伸縮等功能,可以實現(xiàn)鉆具擰卸一鍵式操作。

液壓卡盤采用鑄鋼結(jié)構(gòu),可以在孔口裝置上快速安裝和拆卸,通過更換不同規(guī)格的卡瓦組件滿足多規(guī)格鉆具的夾持和通過,最大通過鉆具直徑254 mm。

2 大開口液壓孔口裝置設(shè)計

2.1 機械系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)與鉆機主機快速安裝,孔口裝置采用模塊化設(shè)計。鉆機與孔口裝置通過井口定位銷快速連接,U 型平臺底座和U 型平臺焊接體通過4 個帶有自鎖功能的液壓缸連接,可以進行U 型平臺高度調(diào)節(jié);U型平臺水平面下方安裝雙軸傾角傳感器,可以實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)孔口裝置的水平度;整個機械框架采用型鋼焊接,具有較高的強度和剛度,可以滿足孔內(nèi)鉆具承載和不同工況的起下鉆施工要求。

2.2 機械結(jié)構(gòu)仿真

孔口裝置作為鉆具給進起拔的主要承力部件,需要保證鉆機頻繁給進起拔時的穩(wěn)定,設(shè)計最大承載力為1 500 kN,其性能和可靠性直接影響施工效率和孔口安全。如圖2 所示,使用ABQUS 軟件進行有限元分析,依據(jù)實際工況進行了載荷施加和約束設(shè)置。首次仿真結(jié)果顯示,實際最大等效應(yīng)力為470 MPa 左右,最大形變量為13.53 mm,超出了許用應(yīng)力范圍,存在安全隱患。通過對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化后,重新仿真結(jié)果顯示,實際的最大等效應(yīng)力值為306 MPa,最大變形量為3.8 mm。優(yōu)化后的最大應(yīng)力和最大形變量明顯下降,滿足使用要求。

圖2 孔口裝置應(yīng)力及應(yīng)變云圖Fig.2 The stress and strain nephogram of the wellhead device

2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

如圖3 所示,孔口裝置采用4 支腿結(jié)構(gòu),雙作用液壓缸與U 型平臺底座和U 型平臺焊接體相連接,恒壓變量泵泵出的壓力油通過2 個相同的分流集流閥經(jīng)由四聯(lián)比例閥控制對應(yīng)的液壓缸。U 型平臺升到設(shè)定高度前,比例閥的閥芯處于開啟狀態(tài),各液壓缸同步快速上升。當(dāng)U 型平臺達(dá)到預(yù)定位置附近時,比例閥的各閥芯根據(jù)控制器設(shè)定程序獨立動作,分別控制進入油缸無桿腔的流量,直至達(dá)到設(shè)定位置。

圖3 孔口裝置液壓系統(tǒng)原理Fig.3 Hydraulic schematic diagram of the wellhead device

2.4 電控系統(tǒng)設(shè)計

如圖4 所示,孔口裝置調(diào)平系統(tǒng)由檢測系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)3 部分組成。檢測系統(tǒng)的傳感器采用壓力傳感器和雙軸傾角傳感器,傾角傳感器用來檢測井口平臺的水平度,其檢測值是系統(tǒng)判斷是否進行調(diào)平的依據(jù);壓力傳感器用于檢測各支腿有無虛腿及壓力是否過大,進而調(diào)節(jié)相應(yīng)電磁閥的開口大小。執(zhí)行機構(gòu)采用4個帶有自鎖功能的液壓支腿,將其對稱布置在井口平臺的兩側(cè),通過各液壓缸的上下動作帶動支腿上下伸縮,實現(xiàn)井口平臺的調(diào)平;控制系統(tǒng)以移動車輛用控制器為核心,采用模糊PID 算法進行液壓缸姿態(tài)控制,實現(xiàn)井口平臺的自動升降和調(diào)平。

圖4 井口平臺自動調(diào)平控制系統(tǒng)Fig.4 Leveling control system of the wellhead platform

3 鉆具自動擰卸裝置設(shè)計

3.1 機械系統(tǒng)設(shè)計

如圖5 所示,結(jié)合大直徑救援孔的實際需要,在鉆具自動擰卸裝置的設(shè)計中,沖扣鉗和夾緊鉗采用油缸杠桿增力式結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)寬度較小,平臺占地空間較小,符合緊湊型頂驅(qū)的中心高要求。

圖5 鉆具自動擰卸裝置Fig.5 Drilling tool automatic screw-off device

滑車總成采用平行雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),既能實現(xiàn)卸扣鉗整體前后移動,也可以實現(xiàn)旋扣鉗單獨移動,完成鉆具對中。沖扣鉗和夾緊鉗內(nèi)部設(shè)有成對的“V”形牙板,分別通過各自的增力油缸夾緊鉆具。鉆具上扣時,由夾緊鉗夾緊液壓缸夾緊孔內(nèi)鉆具,再由旋扣鉗采用液壓缸夾緊鉆具,并通過4 個旋扣液壓馬達(dá)帶動摩擦輪實現(xiàn)快速旋扣,再通過沖扣鉗進行緊扣;鉆具卸扣時,由沖扣鉗完成崩扣,再通過旋扣馬達(dá)帶動摩擦輪實現(xiàn)快速脫扣;旋扣時旋扣鉗可沿垂直方向運動,補償鉆具旋扣時垂直位移,彈簧復(fù)位。

3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)救援車載鉆機鉆具擰卸需求,進行液壓系統(tǒng)設(shè)計及元件選型。根據(jù)自動擰卸裝置卸扣鉗、旋扣鉗及滑車總成的性能要求,計算旋扣液壓馬達(dá)與各油缸所需流量及壓力,確定整個液壓系統(tǒng)所需流量及壓力,完成液壓閥組的選型。

如圖6 所示,液壓系統(tǒng)主要包括卸扣鉗液壓系統(tǒng)、旋扣鉗液壓系統(tǒng)和滑車總車液壓系統(tǒng)。卸扣鉗液壓系統(tǒng)是由夾緊鉗液壓缸夾緊/松開、沖扣鉗液壓缸夾緊/松開、沖扣液壓缸沖扣/復(fù)位3 個液壓分系統(tǒng)組成。在夾緊鉗夾緊和沖扣鉗夾緊過程中要求夾緊力保持穩(wěn)定,在2 個系統(tǒng)中分別采用壓力可調(diào)雙向平衡閥控制,根據(jù)使用工況要求,可調(diào)節(jié)夾緊力;沖扣液壓缸沖扣/復(fù)位液壓系統(tǒng)要求液壓缸伸縮平穩(wěn)、位置精準(zhǔn)、沖扣速度快,系統(tǒng)采用磁致伸縮油缸設(shè)計。旋扣鉗液壓系統(tǒng)中采用4 個帶有制動器的液壓擺線馬達(dá),4 個馬達(dá)采用并聯(lián)油路設(shè)計。滑車總成液壓系統(tǒng)采用控制閥對各液壓缸進行單獨控制,實現(xiàn)卸扣裝置整體的水平和垂直運動。

圖6 鉆具自動擰卸裝置液壓系統(tǒng)原理Fig.6 Hydraulic schematic diagram of the drilling tool automatic screwing and unloading device

3.3 電控系統(tǒng)設(shè)計

如圖7 所示,鉆具自動擰卸裝置控制系統(tǒng)主要由專用控制器、顯示屏、執(zhí)行機構(gòu)及多種傳感器組成。控制器是控制核心,接收和發(fā)送傳感器信號及發(fā)布指令。液壓缸設(shè)置多種類型傳感器,檢測液壓缸的位置、壓力等參數(shù),確保執(zhí)行機構(gòu)精確、可靠工作。

圖7 鉆具自動擰卸裝置控制系統(tǒng)Fig.7 Drilling tool automatic screwing and unloading device control system

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

鉆具自動擰卸系統(tǒng)作為ZMK5550TZJF50/120 型救援車載鉆機起下鉆的關(guān)鍵執(zhí)行機構(gòu),在寧煤梅花井煤礦副立井現(xiàn)場進行了工業(yè)性試驗。鉆機施工完成了一口孔徑830 mm、深度624.1 m 的鉆孔。施工過程中,鉆具自動擰卸系統(tǒng)配合鉆機給進系統(tǒng)、動力頭、液壓吊卡及鉆桿輸送系統(tǒng)實現(xiàn)了手、自一體快速擰卸鉆具,可滿足采用液壓吊卡起下鉆和采用頂驅(qū)加裝雙臂鉆具起下鉆2 種施工工藝。

4.1 采用液壓吊卡起下鉆工藝

為提高鉆具起下鉆作業(yè)效率,對127 mm 鉆具的起下鉆采用液壓吊卡配合鉆具自動擰卸裝置共同作業(yè),對鉆具自動擰卸裝置的旋扣鉗、夾緊鉗、沖扣鉗和滑車等執(zhí)行機構(gòu)進行參數(shù)驗證。整個施工過程完成了624 m 的鉆具起下作業(yè),與鉆桿輸送系統(tǒng)及液壓吊卡配合高效,旋扣、夾緊和沖扣等作業(yè)執(zhí)行可靠,如圖8 所示。

圖8 采用液壓吊卡起下鉆工藝現(xiàn)場試驗Fig.8 Industry testing of hydraulic elevator tripping construction technology

4.2 采用頂驅(qū)加裝雙臂鉆具起下鉆工藝

為配合178 mm 雙壁鉆桿配套850 mm 集束式潛孔錘施工大直徑鉆孔,直接采用頂驅(qū)接續(xù)雙臂鉆桿,在此過程中不需要使用旋扣鉗對鉆具進行旋扣作業(yè),對鉆具自動擰卸裝置的夾緊鉗、沖扣鉗和滑車等執(zhí)行機構(gòu)進行參數(shù)驗證。整個作業(yè)過程進行了624 m 的鉆具起下作業(yè),執(zhí)行機構(gòu)夾持、卸扣等作業(yè)安全可靠,無打滑現(xiàn)象,如圖9 所示。

圖9 采用頂驅(qū)加裝雙臂鉆具起下鉆工藝現(xiàn)場試驗Fig.9 Industry testing of top drive adding double-wall drill pipe

5 結(jié)論

(1)救援車載鉆機鉆具自動擰卸系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,分別設(shè)計了可快速集成安裝的大開口液壓孔口裝置和鉆具自動擰卸裝置,減小了鉆機的整車質(zhì)量和整機高度尺寸,提高了鉆機的機動性能,滿足公路的運輸要求。

(2)大開口液壓井口裝置與鉆機主機采用插銷式連接方式,滿足快速拆裝和自動適應(yīng)鉆機動力頭孔口中心位置,可以實現(xiàn)自動調(diào)平功能,確保鉆機起下鉆安全穩(wěn)定運行。

(3)鉆具自動擰卸裝置采用雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),進行氣舉反循環(huán)鉆進時,上部旋扣鉗可以讓開孔口中心,滿足氣盒子的通過及擰卸保護接頭的需求,可以實現(xiàn)液壓吊卡上卸鉆具和頂驅(qū)直接上卸鉆具2 種施工工藝。

(4)形成一套大通徑、結(jié)構(gòu)緊湊、具有高負(fù)荷承載力,可實現(xiàn)手、自一體化一鍵上卸扣作業(yè),滿足850 mm 集束潛孔錘起下鉆要求的鉆具自動擰卸系統(tǒng),提高了鉆具擰卸效率,為救援鉆孔的快速施工提供了可靠的裝備保障。