传统立轴岩心钻机的智能升级

　　摘要:传统立轴钻机在深孔作业时性能得不到保证，卡瓦打滑、钻压和扭矩无法控制等等，容易发生孔内事故，导致平均台月效率低、安全系数下降等诸多弊端。为了解决以上问题，本文介绍了在传统立轴钻机的基础上智能升级、优化性能,部分控制及反馈参数的计算。

　　关键词:立轴;钻机;钻压;效率;智能

　　机械工程师评职知识：机械维修相关论文发表指导

　　机械维修人员评职称发表论文篇数是和级别密切相关的，评中级一般需要发表1-2篇省级刊物论文，评高级需要发表国家级，甚至是核心级论文。而且这也是评职时必不可少的资料，如果评职人员没有任何的学术经历，那么也是可以发表论文的。

　　0引言

　　立轴式岩心钻机在我国自20世纪60年代研制成功以来,一直是我国地质钻探的主要机型,其特点是机械效率高,制造成本较低,钻机拆卸方便,操作和维护保养简单等。但传统立轴钻机也有其不足之处,例如:给进行程短,需要经常停机倒杆;随着孔深的增加，液压卡盘夹持力不够;抱闸式卷扬提升力不够,劳动强度大;转速调整范围窄,不能无级变速;工作时平稳性差，导致钻头寿命短，孔内事故隐患多等。因此，立轴钻机，特别是大型立轴钻机在深孔作业时存在效率低、劳动强度大、安全系数低、成孔率低等问题。为了解决这些问题，在保持立轴钻机优势的前提下，在传统立轴钻机的基础上进行性能升级，增加智能化功能。

　　1传统立轴钻机的常用结构

　　这是目前立轴式钻机上最常用的一种结构,其工作原理是:通过操纵(变速箱和分动箱)的挡位来实现钻机转速的调节，通常设定6个左右的挡位，实现定速输出;通过操纵液压阀来调节钻机的给进压力、计算钻具的总重量并调节给进液压缸的压力来实现对钻压的控制，液压压力表反馈给进液压缸的压力,计算得出钻压;通过操纵闸带手把来实现卷扬机的升降控制。这种钻机操纵方式的缺点是:①操纵繁琐，有时需要多人同时操作;②机械手柄式操纵，劳动强度大;③钻压和扭矩无法精确控制;④数据反馈精度低，无法准确判断孔内情况，容易发生操作失误，造成孔内事故;⑤操作人员与执行元件近距离接触，安全性差;⑥噪声大,操作环境恶劣。

　　2传统立轴钻机的智能升级

　　2.1电气化提升钻机性能

　　国内的变频电驱动技术已经应用在石油钻机上，且已比较成熟,将其应用到岩心钻探，应用到传统立轴钻机上，可以解决立轴钻机的一些性能问题。变频电驱动技术的优点在于速度可以精确控制，只要选择适当的电机参数和传动比，就会有足够稳定的输出性能;而抱闸式卷扬是通过抱闸传扭和制动，抱闸的摩擦力由变化的摩擦系数和人工施加的压力决定，所以应用变频电驱动卷扬可以克服抱闸式卷扬能力不够、易失控等缺点,而且可以大大减轻劳动强度。传统立轴钻机另一个不足是液压卡盘打滑失控，引入变频电驱动卷扬后，也可以解决这个问题。

　　利用变频电驱动卷扬直接拖放钻具,摘去卡瓦,通过一个传扭套，将旋转扭矩从原来的立轴传到主动钻杆,即将原来的回转器变成一台小转盘。钻机回转器仍然利用原来的传动系统，将动力端升级为变频电驱动,配合常用与特殊情况下的几个变速箱挡位,实现无级调速和精准的扭矩控制。岩心钻机所需的性能基本可以实现!但动力分配还存在问题。传统立轴钻机只有一台电机，不能同时驱动回转和卷扬，因此，要增加一台送钻电机。

　　要使整个钻机作业安全稳定的运转，还需要总体控制系统的支持，以及部分执行元件的配合，比如卷扬要增加液压控制单元和安全制动元件，要达到精确控制，还要有反馈功能，要使用各种传感器，将信号反馈到控制系统等等。

　　2.2计算控制及反馈参数

　　2.2.1钻进参数

　　为减少孔底事故的发生,必须掌握各种钻进参数并加以控制，重要的参数主要包括给进速度、钻压、回转速度和扭矩等。

　　2.2.2给进速度计算

　　由于是通过送钻电机驱动卷扬实现给进!送钻速度由卷扬滚筒旋转速度和滚筒上钢丝绳一周的长度决定，而滚筒上钢丝绳一周的长度是随钢丝绳缠绕层数的不同而变化的!所以需要使用正确的算法以获取比较准确的送钻速度。假设大钩最低位置高度为“0”，编码器计数为“0”,此时滚筒上钢丝绳一周长度为I,钢丝绳每增加一层的长度差为!(由钢丝绳直径决定)。

　　2.2.3钻压计算

　　钻压的计算方法通常是通过检测死绳端的拉力F再乘以绳数A获得钩载值-，钻具悬空时钩载-1和钻进时钩载-2的差值即是理论钻压-0。

　　2.2.4扭矩计算

　　钻进扭矩参数获得相对比较困难，虽然有检测扭矩的传感器，但在钻机上安装扭矩的传感器是不太现实的，我们仅能根据变频器计算的输出扭矩及机械传动比来推算。

　　2.2.5控制方式

　　通过这些钻机参数的计算和反馈，由变频控制中心集中接收处理，通过矢量闭环控制钻机的扭矩、回转速度、钻压、送钻速度等,程序逻辑保护不过载;再增配摄像头等监控设备实时观察井场及钻塔二层台的情况，参数和图像反馈显示到司钻房内进行集中化操控管理，避免不必要的钻机作业事故。控制中心可读取钻机作业各项参数，为以后作业提供数字化参考依据,为改进钻机钻进工艺提供有力的数据支撑。此外,司钻房电控操作大幅度降低了操作人员的劳动强度。

　　3结论

　　经过XY-8型钻机的电气化改造厂内试验，钻机各项性能输出稳定，卷扬提升力、卡瓦夹持力、钻压控制、转速输出、扭矩控制等可以精准控制和反馈，下一步将完成生产试验,跟踪完善设计，进一步解决传统立轴钻机在深孔作业时存在的各种问题。