煤矿钻机自动防卡钻电液控制系统研究

李东民，朱士明，赵元志，王 通，钟佩思，夏尚飞

(1.山东科技大学 a.智能装备学院，山东 泰安 271019；b.机械电子工程学院；c.先进制造技术研究中心，山东 青岛 266590;2.枣庄职业学院 山东 枣庄 277800)

中国松软煤层分布较多，约占煤炭总产量的42%，松软煤层强度低、瓦斯解吸速度快、瓦斯含量相对较高，属煤与瓦斯突出体[1]。瓦斯治理是降低和杜绝瓦斯类事故发生的根本措施，而瓦斯治理的关键在于瓦斯抽采钻孔的施工。钻机在钻孔施工中易发生卡钻事故，卡钻处理时间长，成本高，甚至需要填井侧钻，这极大降低了施工效率[2]。卡钻处理不当，还会损坏钻机，甚至威胁到工人人身安全，因此有必要进行煤矿钻机自动防卡钻的研究。

瑞典Atlas Copco公司的Simba261钻机[3]，当回转压力超过某一压力值时，推进机构回退，以此消除卡钻现象。加拿大生产CD360钻机[4]，当回转压力升高时，手动调节给进压力使推进力减小，从而预防卡钻。孙永兴等[5]通过优化钻杆结构和钻井液性能制定了防卡钻措施，并进行了现场应用。湖南山河智能机械股份有限公司生产的SWDB165钻机[6]，在给进系统上设置减压阀，当有卡钻趋势时，由施工人员调节减压阀使给进系统压力下降，实现预防卡钻。文献[7]提出利用回转压力信号控制给进系统，采用给进力自动控制的防卡钻方案。综上所述，现有方案在一定程度上可避免卡钻事故的发生，但还存在以下问题：一是卡钻的解决大多依靠施工人员的经验以及操作水平，自动化水平低；二是防卡钻方案没有考虑钻机给进力与回转压力的自适应控制，防卡钻效果差。

为提高钻机防卡钻自动化水平，增强防卡钻效果，结合现场施工经验，基于LUDV系统，采用人群搜索算法，建立以PID与信号选择器相结合的控制器，提出了煤矿钻机自动防卡钻电液控制系统。该系统可实现回转动力的自适应变化，避免回转动力不足引发的卡钻，降低了系统能量损失。控制器实时监测回转压力信号，控制电液伺服阀阀芯运动，实现给进力的自适应变化；同时系统可根据回转压力自动判别卡钻程度，并自动采取相应的防卡钻措施，增强了防卡钻的效果。通过AMESim软件进行系统仿真试验，验证了自动防卡钻电液控制系统的可行性。

1 自动防卡钻系统

1.1 钻机结构

以ZDY3200S型全液压煤矿钻机为研究对象，其结构如图1所示，主要由动力头、给进装置、夹持装置、机架组成。

动力头为钻机提供回转动力，结构主要包括液压马达、卡盘和减速箱；给进装置实现动力头沿机身导轨的往复移动，结构主要包括液压缸和拖板。夹持器固定在给进装置前端，用于夹持孔内钻具。机架用于安装给进装置和固定钻机，由立柱、支撑油缸及支撑杆等组成。

1—动力头；2—给进装置；3—夹持装置；4—机架图1 钻机结构Fig.1 Drilling rig structure

1.2 卡钻机理

结合现场施工经验，卡钻主要原因可概括如下：

1)排渣不畅引起的卡钻。钻机在松软煤层钻进时，钻渣易在钻杆内部和表面沉积，导致排渣不畅[8]。当回转动力未能克服钻渣给钻杆的阻力时，便会发生卡钻。

2)裂隙卡钻。松软煤层是地质构造的产物，主要由断层和层滑等运动形成[9]，因此在松软煤层形成过程中易出现裂隙。当钻头进入不规则裂隙时，极易被裂隙内细小的岩石卡死，造成卡钻事故。

1.3 控制器

1.3.1 PID控制器

在自动防卡钻电液控制系统中，PID控制器用于回转压力的控制。控制器设定值为22 MPa，输入值为油压传感器实时反馈的回转压力值，偏差值为设定值减去输入值，PID控制器以偏差值为输入信号，在对偏差进行比例、积分、微分运算后输出控制信号。当回转压力超过设定值22 MPa时，PID控制器通过3种不同形式的控制作用消除系统偏差，抑制回转压力持续上升[10]。

1.3.2 信号选择器

图2 信号选择器Fig.2 Signal selector

信号选择器可以在两个或多个输入信号中自动选择期望信号[11]，信号选择器原理如图2所示。当命令信号(端口2的输入信号)大于或等于用户设定值时，信号选择器将从端口1输出端口3的信号值；当命令信号低于设定值时，信号选择器将输出端口4的信号值。

在自动防卡钻电液控制系统中，信号选择器用于给进系统的控制，用户设定值为零，端口2的输入信号为回转压力值与设定压力值的偏差信号。当偏差为正值或零时，信号选择器将从端口1输出端口3的信号值；当偏差为负值时，信号选择器将输出端口4的信号值。端口3控制给进机构前进，端口4控制给进机构回退。

1.4 自动防卡钻方案

钻机自动防卡钻液压控制系统原理如图3所示。

1—液压泵；2—溢流阀；3—变量缸；4—节流阀；5—压力补偿阀；6—梭阀；7—电液伺服阀；8—油箱；9—液压缸；10—液压马达图3 自动防卡钻原理图Fig.3 Schematic diagram of automatic anti-sticking

基于LUDV建立的液压系统，将最高负载压力反馈至两处[12]：一是反馈至压力补偿阀，使回转与给进回路的压力补偿阀阀芯同步移动，阀口通流面积保持一致，使各支路流量仅与节流阀节流口面积大小有关。二是反馈至负载敏感泵的变量机构，使泵出口压力跟随负载压力变化，实现回转压力的自适应控制，提高系统工作效率，避免发生卡钻事故。

基于信号选择器和PID建立的防卡钻控制系统，将回转压力信号实时反馈至信号选择器和PID控制器，进而控制给进和回转回路的电液伺服阀阀芯移动，实现回转压力和给进力的自适应控制。当回转压力达到设定值K2(2)时，回转压力信号经减法器3(2)后输出的信号为正值，因此信号选择器输出端口3的信号，该信号经增益5(2)放大后控制电液伺服阀换向，使钻机回退；若回退过程中压力下降至设定值K2(2)以下，钻机恢复钻进；若回转压力持续升高，此时回转压力信号经减法器3(1)后产生偏差，该偏差经PID进行比例、积分和微分运算后输出控制信号，该信号经增益5(1)放大后控制电液伺服阀阀芯移动，使回转压力维持在设定值K2(1)，避免压力过高损伤钻机，同时又能保持较大的回转动力来克服外负载阻力，实现自动防卡钻控制。其原理如图4所示。

1—油压传感器；2—设定值；3—减法器；4—PID控制器；5—增益；6—信号选择器图4 控制系统原理图Fig.4 Schematic diagram of control system

2 SOA-PID算法

钻机回转系统采用PID控制，控制器性能主要取决于参数设置，采用人群搜索算法[13]进行PID参数整定，使PID具有响应快和鲁棒性好等优点。

2.1 定义种群

令种群Q中搜寻者个体数为S，由于需整定PID控制器的3个参数，因此系统维数W=3，该种群Q用S×W的矩阵表示为

(1)

2.2 确定适应度函数

采用误差绝对值的时间积分性能指标作为最小目标函数，并引入控制输出量的平方项，同时为避免系统产生过大超调，加入惩罚系数，适应度函数为

(2)

式中：e(t)为信号输入量和输出量的误差值；u(t)为PID控制器输出量；ω1、ω2为加权值，取值区间为[0，1]；ω3为惩罚系数，且ω3>>ω1。这里取ω1=0.99，ω2=0.01，ω3=100。

2.3 搜索步长的确定

SOA采用高斯隶属度函数来表示搜索步长的模糊变量，即

(3)

式中：μA(x)为高斯隶属度函数，x为输入变量，δ、μ均为隶属度函数参数。

设定μmin，故μA取值范围为[0.0111，1]。

根据不确定推理可求得步长

(4)

式中：αij为j维空间的搜索步长，δij为高斯隶属度参数，uij为j维空间目标函数i隶属度。

2.4 搜索方向的确定

人群搜索算法对人的利己行为、利他行为和预动行为进行分析建模，确定搜索方向。

dij=sign(ωdij,pro+φ1dij,ego+φ2dij,alt)，

(5)

式中：ω为惯性权值，φ1、φ2为[0，1]常数，sign()为符号函数，di,ego为利己方向，di,alt为利他方向，di,pro为预动方向。

2.5 个体位置的更新

确定的步长及搜索方向之后，可进行相应的位置更新，如式(6)(7)所示。

Δxij(t+1)=αij(t)dij(t)，

(6)

xij(t+1)=xij(t)+Δxij(t+1)。

(7)

SOA按照以上流程实现对PID参数整定。

2.6 SOA整定PID参数结果

设种群规模为30，最大迭代次数为500，KP、KI、KD3个参数搜索范围为[0，120]，仿真结果如图5、6所示。

图5 适应度函数曲线Fig.5 The curve of fitness function

图6 PID参数整定结果Fig.6 Optimization results of PID control parameters

由图5、6可知，人群搜索算法在迭代了97次之后收敛，最终产生1组PID控制器参数最优解：KP=19.1930、KI=0、KD=4.063 9。

3 建模与分析

AMESim可以解决绝大部分液压工程的仿真问题，它提供了从流体力学到液压传动到伺服系统的完整解决方案[14]。

3.1 负载敏感泵模型

利用AMESim中的液压库(hydraulic)以及液压元件设计库(hydraulic component design)对负载敏感泵进行建模，模型如图7所示。最高负载压力反馈至LS口与泵出口压力比较，并通过变量缸的阀芯位移信号去控制泵斜盘摆角的大小和方向，进而使泵出口压力与最高负载压力同步变化[15]。

图7 负载敏感泵模型Fig.7 Load sensitive pump model

3.2 压力补偿阀模型

利用液压元件设计库对压力补偿阀进行建模，模型如图8所示。最高负载压力同时反馈至给进和回转回路的压力补偿阀弹簧腔，并与泵出口压力比较，进而控制压力补偿阀节流口面积大小[16]。

图8 压力补偿阀模型Fig.8 Pressure compensation valve model

3.3 防卡钻系统模型

以ZDY3200S钻机为研究对象，除默认参数外，钻机主要参数如表1所示。

表1 ZDY3200S钻机主要参数Table 1 ZDY3200S main parameters of drilling rig

钻机液压系统额定工作压力为21 MPa，考虑液压系统油液泄漏等问题，当传感器监测到回转压力为20 MPa时，钻机有发生卡钻的趋势，信号选择器控制钻机回退；若回退过程中回转压力下降至20 MPa时，钻机恢复正常钻进；若回退过程中回转压力继续升高并超过22 MPa时，PID控制器抑制回转压力持续升高，同时钻机保持回退，尝试解决卡钻问题。

钻机给进、回退以及回转压力的控制是由控制系统实现的，除默认参数外，控制系统主要参数如表2所示。

表2 控制系统主要参数Table 2 Main parameters of control system

按照以上参数的设定，利用AMESim搭建如图9所示的模型。

图9 防卡钻系统模型Fig.9 Model of anti-sticking system

3.4 负载信号

ZDY3200S钻机额定扭矩为3 200 N·m，当工作扭矩超过3 200 N·m时，有发生卡钻的趋势。为完整模拟钻机从开始工作到卡钻再到恢复工作的整个过程，施加如图10所示的负载信号。0～2 s为钻机启动状态，2～5 s为正常工作状态，5～8 s为发生卡钻状态，8～11 s为钻机空载状态，11～15 s为正常工作状态。

仿真时间设置为15 s，通讯间隔时间为0.01 s。

图10 负载信号Fig.10 Load signal

3.5 回转压力和泵出口压力分析

如图11所示，0～2 s为钻机启动阶段，此时外负载及系统压力较小，液压油泄漏及节流口压力损失几乎为零，因此回转压力几乎等于泵出口压力。2 s以后，泵出口压力与外负载同步变化。由卡钻机理1可知，当回转动力无法克服钻渣给钻杆的阻力时，便会发生卡钻。LUDV采用负载敏感泵，泵出口压力与外负载变化相一致[17]，实现回转动力的自适应变化；5～8 s，钻机排渣不畅，外负载增大时，回转阻力增大，因此负载敏感泵斜盘摆角增大，泵输出流量和压力增大，回转动力增强，以此预防和解决排渣不畅引起的卡钻。

图11 回转压力和泵出口压力曲线Fig.11 Rotary pressure and pump outlet pressure curve

3.6 回转压力和给进速度分析

如图12所示，LUDV可保持两个或多个执行机构同步协调变化[18]，因此在启动阶段0～2 s，当回转压力升高时，推进速度同步升高，提高了施工效率；2～5 s为正常工作阶段，回转压力恒定，推进速度也保持匀速。

如图10所示，5～8 s外负载持续升高，油压传感器实时反馈压力信号至信号选择器，由于信号选择器设定值为0，当回转压力超过20 MPa时，经减法器输出的信号为正值，因此信号选择器输出端口3的信号值，该信号经增益放大后控制电液伺服阀换向，使给进机构回退，以此尝试解决卡钻问题。

如图12中6～8 s所示，若回退过程中由于裂隙摩擦阻力较大或受裂隙中岩石或煤渣影响，钻机仍未解决卡钻问题，回转压力继续升高，油压传感器实时将回转压力信号反馈至PID控制器，回转压力信号经减法器后产生偏差，该偏差经比例、积分和微分运算后输出控制信号，该信号经增益放大后控制电液伺服阀阀芯移动，使回转压力维持在22 MPa，避免回转压力持续升高损坏钻机，同时保持较大的回转动力克服外负载阻力。

如图12中8～11 s所示，当解除卡钻后，由于回退过程中钻机空载，因此回转压力迅速下降，当回转压力下降至20 MPa，钻机开始给进，给进速度从负值变为正值。11～15 s，钻机恢复正常工作。

图12 回转压力和给进速度曲线Fig.12 Rotary pressure and feed speed curve

4 结 论

1)针对钻机在松软煤层钻孔施工时的卡钻问题，通过分析卡钻机理，建立自动防卡钻控制器，采用LUDV、人群搜索算法等技术，提出了煤矿钻机自动防卡钻电液控制系统。该系统实时监测钻机工况，自动判别卡钻程度，并自动采取相应的防卡钻措施，实现了给进力和回转动力的自适应变化，提高了防卡钻的自动化水平，增强了防卡钻效果，降低了系统能量损耗。研究内容为后续煤矿钻机的系统优化提供了新思路，为解决钻机在松软煤层中的卡钻问题提供了新方法。

2)钻机在防卡钻控制过程中，控制器需对输入信号迅速响应。采用人群搜索算法整定PID参数，为参数设置提供了科学依据，提高了控制器鲁棒性以及快速响应性，在工程上具有一定实用性。