基于AMESim潜孔钻机推进力控制系统研究与仿真分析

摘要：设计了一种新型潜孔钻机推进力自适应控制液压系统,并通过液压系统仿真软件AMESim对系统做了系统分析和仿真,验证了系统的有效性。采用模糊控制,能够快速有效自动调节潜孔钻机的推进压力,使之与钻机回转压力相匹配,从而达到潜孔钻机的快速钻进和防卡钻的双重功效。

　　关键词：潜孔钻机;推进压力控制;AMESim;系统仿真

　　

　　潜孔钻机是钻凿矿物和岩石的一种工程机械,是冶金、煤炭、化工、地质甚至军事等部门生产中重要的施工设备。潜孔钻机推进系统的性能直接决定着整机的工作效率。钻机在开孔时要求以小推进力推进;钻孔过程中由于接卸钻杆,钻杆质量的变化会导致钻头轴压力的变化,因此要求推进力应和钻杆数量相匹配,保持合理的钻头轴压力;在钻孔过程中所遇岩层不同,如软岩、粘土、硬岩、裂隙、空洞等,所需推进力的大小应有所不同。目前国内的潜孔钻机钻孔过程推进力大多未加控制,均为恒推力推进,不能根据钻杆数量变化调节推进力,更不能根据岩层性质的变化而实时控制推进力,因而钻孔精度低,钻孔偏斜大,卡钻故障频发[ 1 ]。通过对潜孔钻机钻孔工作参数和工作状态相关信息的分析,提出利用电液比例技术和模糊控制技术,实现潜孔凿岩推进系统的闭环控制,从而使钻机钻孔过程中实现岩层自动感应控制。

　　

　　1 潜孔钻机推进系统工作原理

　　

　　液压原理图如图1所示。液压油经换向阀1、比例减压阀2、推进油缸4至背压阀3和液动换向阀1回油箱。在凿岩过程中随钻杆数量变化或所遇岩层性质不同,将会引起回转系统压力的变化,推进速度、推进器的振动幅值和振动频率也会发生变化。这些信息将经传感器反馈给控制器,控制器通过控制比例减压阀输入电压,调节推进系统的推进力。推进器的推进力、钻头轴压力及回转阻力可用式( 1)表示。

　　

　　a) 推进器的推进力FT :

　　图1推进系统液压原理图

式中: PT ———推进器的推进压力;

　　PTb ———推进器的推进背压力;

　　AT ———推进器油压有效作用面积。

　　

　　b) 钻头对孔底的轴压力Fd :

式中: n ———孔内钻杆数;

　　W1———推进器移动部件、冲击器自重;

　　W2———每根钻杆自重。

　　

　　c) 回转马达的回转阻力MZ :

式中: k———岩石性质影响系数;

　　h———钻孔深度。

　　

　　从式(2)可知钻头轴压力Fd 会随钻杆质量增大而增大,轴压力过大会造成回转不稳定产生飘移,使钻杆发生偏斜[1 ]。又由式(3)知轴压力增大时回转阻力MZ 增大,经压力传感器检测回转系统压力并传输给控制器,通过负反馈控制,调节比例阀输入电压, 减小推进力FT , 使轴压力Fd 减小,重新趋于稳定;当遇到溶洞时,推进阻力突然减小,推进加速度将瞬时增大、回转阻力降低。控制系统通过对加速度和回转压力的检测,及时减小推进力FT ,防止推进速度增加过大,以致卡钻;在钻孔过程中若进入粘土或硬岩层时,推进速度、振动幅值和振动频率会发生较大变化,同时值也发生变化, 由式( 3)知回转阻力也将同时发生改变。根据对这些信息的采集与处理,控制器会将推进力控制在最佳值。另外在开孔时,要求以小推进力推进,需通过控制比例减压阀的输入电压从而控制推进力。