CN112196575A

CN112196575A - 一种水平钻机自动控制方法

Info

Publication number: CN112196575A
Application number: CN202011390507.4A
Authority: CN
Inventors: 刘飞香; 邹今检; 龚文忠; 侯昆洲; 邵济舟; 任赛楠; 刘宏亮
Original assignee: China Railway Construction Heavy Industry Group Co Ltd
Current assignee: China Railway Construction Heavy Industry Group Co Ltd
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2021-01-08
Anticipated expiration: 2040-12-02
Also published as: CN112196575B

Abstract

本发明提供一种水平钻机自动控制方法，包括钻机推进控制和切割器旋转控制；首先启动水平钻机，切割器保持转速ω，推进油缸保持推进力F，同时检测实时的切割器扭矩T和水平钻机推进速度V，将参数T和V分别与通过大数据分析得到的临界值进行比较，确定其所在范围对应的控制策略，然后通过PLC控制器对切割器转速ω以及推进油缸的推进力F做出相应调整，在整个推进过程中，水平钻机通过推进油缸的伸出缩回与推进油缸上前、后插销的伸缩动作的交替配合不断前进，直至达到预定推进行程，最后水平钻机退回换杆，结束作业或进入下一次自动推进过程。本发明实现对水平钻机作业状态的高精准调控，提高了作业效率，延长设备使用寿命。

Description

一种水平钻机自动控制方法

技术领域

本发明涉及地质工程技术领域，特别地，涉及一种水平钻机自动控制方法。

背景技术

钻机是一种用于带动钻具在地下钻进并获取实物地质资料的机械设备，常被用于地质勘探或矿产资源（含固体矿、液体矿、气体矿等）开发领域，通过获取地层内部的岩芯、矿心、岩屑、气态样、液态样等，以探明地下地质和矿产资源等情况。

目前，钻机在使用时大多采用垂直向下顶进的钻进方式，而水平钻进的案例罕有，就算有也均为短距离简单作业，对于长距离（千米级及以上）水平钻机技术的发展较为滞后。但随着如今大力发展高海拔地区的高原隧道和铁路施工建设，利用水平钻机提前探测地质情况的实际需求正逐渐增加。

目前水平钻机的控制主要以人工操作为主，自动化程度偏低，操作精度受工人本身的技术水平影响较大，难以保证作业质量稳定，而且人工操作的方式也不适用于高寒高海拔的恶劣环境，影响施工效率。

同时现有的垂直钻机控制方法并不适用于水平钻机，因为钻机在垂直作业时受到重力作用，钻进方向与重力方向相同，所以不需要考虑对钻机进行推进控制。而水平钻机的动力则完全依靠推进油缸，推进力不足会造成冲击器、钻头和岩石之间发生不规则碰撞，降低钻孔速度，推进力过大则会产生较大回转阻力，加剧钻头震动，降低钻孔速率，同时加速钻头磨损，减少设备使用寿命，增加施工成本。

因此，急需设计一种水平钻机自动控制方法以确保作业时能实现对推进油缸参数及切割器参数的最优选择和精准调控，使钻机能始终按照预定路线前进并适应各种复杂的地质环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可根据实时反馈数据对水平钻机的工作状态进行优化调整且调控精度高的控制方法，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种水平钻机自动控制方法，包括钻机推进控制和切割器旋转控制，其中，钻机推进控制包括自动推进模式和推进换步模式。所述自动控制方法具体包括如下步骤：

步骤1）启动水平钻机，预设推进油缸的初始推进力为F₀，切割器的初始转速为ω₀，水平钻机的目标推进距离为K，水平钻机完成一次推进过程的推进距离为S，水平钻机经过n次推进后的总推进距离为SS=n*S，设置初始n=0，SS=0。

步骤2）水平钻机进入自动推进模式：

步骤2.1）通过PLC控制器判断是否达到预定推进行程，水平钻机在当次推进过程中的已推进距离为Y=i*X，其中，X为推进油缸的最大行程距离，i为推进油缸在当次推进过程中的换步次数，设置初始i=0，Y=0，若Y<S，则执行下一步骤，若Y=S，则水平钻机进入回退换杆模式，执行步骤4）；

步骤2.2）PLC控制器控制切割器以上一时刻的转速ω继续旋转，推进油缸以上一时刻的推进力F继续向前伸出推进；

步骤2.3）检测当前的切割器扭矩T以及水平钻机的推进速度V，将两个参数分别与预设好的临界值进行比较，并通过PLC控制器对切割器转速ω以及推进油缸的推进力F做出对应调整；

步骤2.4）由PLC控制器实时记录推进油缸的伸出行程L₁，若0<L₁<X，则水平钻机继续自动推进模式，返回步骤2.1），若L₁=X，则水平钻机进入推进换步模式，执行下一步骤。

步骤3）水平钻机进入推进换步模式：

步骤3.1）PLC控制器控制切割器停止转动，推进油缸停止推进；

步骤3.2）PLC控制器控制推进油缸向前缩回，并实时记录推进油缸的缩回行程L₂，若0<L₂<X，则推进油缸继续缩回，若L₂=X，则水平钻机的推进换步模式结束，记录i=i+1，返回步骤2.1）。

步骤4）水平钻机进入回退换杆模式：PLC控制器控制切割器停止转动，推进油缸停止推进，水平钻机在推进油缸的带动下向后退，直至已回退距离Z与已推进距离Y相等。

步骤5）此时水平钻机完成一次推进过程，记录n=n+1，若SS<K，则由PLC控制器控制水平钻机装入新钻杆，检测新钻杆安装到位后返回步骤2），水平钻机继续下一次自动推进，若SS=K，则水平钻机自动控制停止，结束作业。

优选地，所述步骤2.3）具体包括如下过程：

①当0<T<T₁时，切割器扭矩T较小，根据P=ω*T，提高切割器转速ω；

（这里的P=ω*T采用最大恒功率调速，效率最大，当T较小时，在当前ω转速下达不到最大功率，因此，增大转速ω，P会继续增大直到最大功率，确保ω*T是一个最大恒定值。）

此时，若0<V<V₁，水平钻机的推进速度V较慢，根据P=F*V，增大推进油缸的推进力F，对比继续掘进时间t后的推进速度，若仍小于V₁，则判断可能出现切割器异常磨损或外套管卡住的情况，水平钻机发出异常警报并暂时停止自动钻进；

若V₁<V<V₂，水平钻机的推进速度V较慢，判断钻进环境为硬岩地质情况，增大推进油缸的推进力F；

若V₂<V<V₃，判断水平钻机处于正常钻进状态，保持当前推进力F不变；

若V>V₃，水平钻机的推进速度V较快，为了配合水平钻机的正常出渣，减小推进油缸的推进力F。

②当T₁<T<T₂时，切割器扭矩T处于正常作业状态，保持当前转速ω不变；

此时，若0<V<V₁，水平钻机的推进速度V较慢，增大推进油缸的推进力F，对比继续掘进时间t后的推进速度，若仍小于V₁，则判断可能出现切割器异常磨损或外套管卡住的情况，水平钻机发出异常警报并暂时停止自动钻进；

若V₁<V<V₂，水平钻机的推进速度V较慢，判断钻进环境为偏硬岩地质情况，增大推进油缸的推进力F；

③当T₂<T<T₃时，切割器扭矩T较大，降低切割器转速ω；

此时，若0<V<V₁，水平钻机的推进速度V较慢，为防止切割器卡机，增大推进油缸的推进力F，对比继续掘进时间t后的推进速度，若仍小于V₁，则判断前方围岩可能出现塌陷的情况，水平钻机发出围岩异常警报并自动停止钻进；

若V₁<V<V₂，水平钻机的推进速度V较慢，判断钻进环境为软岩地质情况，减小推进油缸的推进力F；

若V>V₃，水平钻机的推进速度V较快，为了配合水平钻机的正常出渣，减小推进油缸的推进力F；

④当T>T₃时，判断切割器扭矩T异常，可能存在切割器卡机情况，水平钻机发出切割器卡机异常警报并自动停止钻进。

优选地，所述步骤4）具体包括如下过程：

步骤4.1）PLC控制器控制切割器停止转动，推进油缸停止推进；

步骤4.2）通过PLC控制器判断是否达到预定回退行程，水平钻机在当次回退过程中的已回退距离为Z=j*X，其中，X为推进油缸的最大行程距离，j为推进油缸在当次回退过程中的换步次数，设置初始j=0，Z=0，若Z<Y，则执行下一步骤，若Z=Y，则水平钻机的回退换杆模式结束，执行步骤5）；

步骤4.3）PLC控制器控制推进油缸向后缩回，并实时记录推进油缸的缩回行程L₂，若0<L₂<X，则推进油缸继续缩回，若L₂=X，则推进油缸进行回退换步，即推进油缸接着向后伸出，PLC控制器实时记录推进油缸的伸出行程L₁，若0<L₁<X，则推进油缸继续伸出，若L₁=X，则回退换步结束，记录j=j+1，返回步骤4.2）。

优选地，在推进油缸靠近钻杆的一侧设有前插销而远离钻杆的一侧设有后插销，在钻杆的外套管上沿钻机推进方向间隔均匀地设置多个插销孔，推进油缸的最大行程距离X是相邻插销孔之间距离d的整数倍；

当推进油缸向前伸出的距离达到最大行程X时，PLC控制器控制前插销伸出与对应插销孔固定，同时后插销从对应插销孔中缩回，传感器检测插销动作到位后，推进油缸缩回以带动自身整体向前插销方向移动，当推进油缸完全缩回时，后插销正好移动到另一插销孔的对应位置处，PLC控制器控制后插销插入插销孔中固定，同时缩回前插销，传感器检测插销动作到位后，推进油缸继续向前伸出，重复上述过程实现水平钻机不断前进；

当推进油缸向后伸出的距离达到最大行程X时，PLC控制器控制后插销伸出与对应插销孔固定，同时前插销从对应插销孔中缩回，传感器检测插销动作到位后，推进油缸缩回以带动自身整体向后插销方向移动，当推进油缸完全缩回时，前插销正好移动到另一插销孔的对应位置处，PLC控制器控制前插销插入插销孔中固定，同时缩回后插销，传感器检测插销动作到位后，推进油缸继续向后伸出，重复上述过程实现水平钻机不断后退。

优选地，还包括大数据分析过程；通过对隧道掘进机的历史掘进数据以及专家经验数据进行整理分析，得到切割器扭矩的范围边界值T₁、T₂和T3以及水平钻机推进速度的范围边界值V₁、V₂和V₃，再通过进一步数据挖掘得到在上述范围内对应的水平钻机控制策略，用于在步骤2.3）中对推进力F和切割器转速ω进行数值调整。

优选地，所述钻机推进控制采用双油缸驱动。

本发明提供的技术方案至少具有如下有益效果：

1、本发明基于海量的历史TBM掘进数据及专家经验数据构建数据库，根据推进力、推进速度、切割器速度和切割器扭矩等参数值之间的关系进行大数据分析，进而实现围岩识别，分析出适应于不同岩层地质情况下的推进力大小，实时对推进油缸和切割器的工作状态进行检测，并根据反馈回来的检测值调整推进力F和切割器转速ω，实现对水平钻机推进过程的最优控制。

2、本发明实现了对水平钻机作业时的自动控制，降低了人工操作所带来的不确定性，保证作业质量，提升作业效率，特别适用于高海拔高严寒地区的水平钻进施工。

3、本发明的钻机推进控制采用双油缸驱动，且在推进油缸的前后分别设置前插销和后插销，在钻杆的外套管上还配套设有多个间隔均匀的插销孔，通过前、后插销在不同插销孔内交错插入和取出以及伸缩杆的交替伸缩配合实现钻机前进或退出，操作简单，作业精度可控。

4、本发明根据切割器扭矩、推进速度与不同临界值间的大小关系选择对应的控制策略，使切割器及钻机工况与实际作业地层匹配，当扭矩过大时还可报警，有利于保护钻头，延长设备使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明实施例1中水平钻机的结构示意图；

图2是图1中推进系统部分的结构示意图；

图3是本发明实施例1中水平钻机自动控制方法的流程简图；

图4是图3中自动推进模式、推进换步模式和退回换杆模式的详细流程图。

图5是本发明实施例1中大数据分析的示意图；

其中：1钻头，2钻杆，3推进油缸，4前插销，5后插销，6插销孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参见图1和图2，本实施例中的水平钻机包括沿钻机推进方向从前往后依次设置的钻头1、钻杆2和推进系统，所述推进系统包括推进油缸3，在推进油缸3靠近钻杆的一侧设有前插销4而远离钻杆的一侧设有后插销5，在钻杆的外套管上沿钻机推进方向间隔均匀地设置多个插销孔6，推进油缸的最大行程距离X是相邻插销孔之间距离d的整数倍。本实施例中的推进油缸采用了步进推进和步进回退的移动方式，通过前插销4、后插销5和推进油缸3的交替动作配合来推动钻机前进。

参见图3和图4，一种用于上述水平钻机的自动控制方法，包括钻机推进控制和切割器旋转控制，其中，钻机推进控制包括自动推进模式和推进换步模式。具体步骤如下：

步骤2）水平钻机进入自动推进模式：

步骤2.1）通过PLC控制器判断是否达到预定推进行程，水平钻机在当次推进过程中的已推进距离为Y=i*X，其中，X为推进油缸的最大行程距离，i为推进油缸在当次推进过程中的换步次数，设置初始i=0，Y=0，若Y<S，则执行下一步骤，若Y=S，则水平钻机进入回退换杆模式，执行步骤4）。

步骤2.2）控制器控制后插销伸出，前插销缩回，传感器检测前、后插销是否动作到位，PLC控制器控制切割器以上一时刻的转速ω继续旋转，推进油缸以上一时刻的推进力F继续向前伸出推进。

步骤2.3）检测当前的切割器扭矩T以及水平钻机的推进速度V，将两个参数分别与预设好的临界值进行比较，并通过PLC控制器对切割器转速ω以及推进油缸的推进力F做出如下调整：

③当T₂<T<T₃时，切割器扭矩T较大，降低切割器转速ω；

步骤3）水平钻机进入推进换步模式：

步骤3.1）PLC控制器控制切割器停止转动，推进油缸停止推进。

步骤3.2）PLC控制器控制前插销伸出与对应插销孔固定，同时后插销从对应插销孔中缩回，传感器检测插销动作到位后，PLC控制器控制推进油缸以恒定速度向前缩回，进而带动油缸整体向前插销方向移动，实时记录推进油缸的缩回行程L₂，若0<L₂<X，则推进油缸继续缩回，若L₂=X，则水平钻机的推进换步模式结束，此时推进油缸完全缩回且后插销正好移动到另一插销孔的对应位置处，记录i=i+1，返回步骤2.1）。

步骤4）水平钻机进入回退换杆模式：

步骤4.1）PLC控制器控制切割器停止转动，推进油缸停止推进。

步骤4.2）通过PLC控制器判断是否达到预定回退行程，水平钻机在当次回退过程中的已回退距离为Z=j*X，其中，X为推进油缸的最大行程距离，j为推进油缸在当次回退过程中的换步次数，设置初始j=0，Z=0，若Z<Y，则执行下一步骤，若Z=Y，则水平钻机的回退换杆模式结束，执行步骤5）。

步骤4.3）当推进油缸向后伸出的距离达到最大行程X时，PLC控制器控制后插销伸出与对应插销孔固定，同时前插销从对应插销孔中缩回，传感器检测插销动作到位后，PLC控制器控制推进油缸以恒定速度向后缩回，进而带动油缸整体向后插销方向移动，实时记录推进油缸的缩回行程L₂，若0<L₂<X，则推进油缸继续缩回，若L₂=X，则推进油缸进行回退换步，此时推进油缸完全缩回且前插销正好移动到另一插销孔的对应位置处，PLC控制器控制前插销伸出与对应插销孔固定，同时后插销从对应插销孔中缩回，传感器检测插销动作到位后，PLC控制器控制推进油缸以恒定速度向后伸出，LC控制器实时记录推进油缸的伸出行程L₁，若0<L₁<X，则推进油缸继续伸出，若L₁=X，则回退换步结束，记录j=j+1，返回步骤4.2）。

参见图5，本实施例还包括大数据分析过程：通过对隧道掘进机的历史掘进数据以及专家经验数据进行整理分析，得到切割器扭矩的范围边界值T₁、T₂和T3以及水平钻机推进速度的范围边界值V₁、V₂和V₃，再通过进一步数据挖掘得到在上述范围内对应的水平钻机控制策略，用于在步骤2.3）中对推进力F和切割器转速ω进行数值调整，具体的调整值可根据面临的实际情况进行选择。

在本实施例中，所述钻机推进控制采用双油缸驱动。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。在本发明的精神和原则之内，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种水平钻机自动控制方法，其特征在于，包括钻机推进控制和切割器旋转控制，其中，钻机推进控制包括自动推进模式和推进换步模式；所述自动控制方法具体包括如下步骤：

步骤1）启动水平钻机，预设推进油缸的初始推进力为F₀，切割器的初始转速为ω₀，水平钻机的目标推进距离为K，水平钻机完成一次推进过程的推进距离为S，水平钻机经过n次推进后的总推进距离为SS=n*S，设置初始n=0，SS=0；

步骤2）水平钻机进入自动推进模式：

步骤2.4）由PLC控制器实时记录推进油缸的伸出行程L₁，若0<L₁<X，则水平钻机继续自动推进模式，返回步骤2.1），若L₁=X，则水平钻机进入推进换步模式，执行下一步骤；

步骤3）水平钻机进入推进换步模式：

步骤3.2）PLC控制器控制推进油缸向前缩回，并实时记录推进油缸的缩回行程L₂，若0<L₂<X，则推进油缸继续缩回，若L₂=X，则水平钻机的推进换步模式结束，记录i=i+1，返回步骤2.1）；

步骤4）水平钻机进入回退换杆模式：PLC控制器控制切割器停止转动，推进油缸停止推进，水平钻机在推进油缸的带动下向后退，直至已回退距离Z与已推进距离Y相等；

2.根据权利要求1所述水平钻机自动控制方法，其特征在于，所述步骤2.3）具体包括如下过程：

③当T₂<T<T₃时，切割器扭矩T较大，降低切割器转速ω；

3.根据权利要求2所述水平钻机自动控制方法，其特征在于，所述步骤4）具体包括如下过程：

4.根据权利要求3所述水平钻机自动控制方法，其特征在于，在推进油缸靠近钻杆的一侧设有前插销而远离钻杆的一侧设有后插销，在钻杆的外套管上沿钻机推进方向间隔均匀地设置多个插销孔，推进油缸的最大行程距离X是相邻插销孔之间距离d的整数倍；

5.根据权利要求4所述水平钻机自动控制方法，其特征在于，还包括大数据分析过程；通过对隧道掘进机的历史掘进数据以及专家经验数据进行整理分析，得到切割器扭矩的范围边界值T₁、T₂和T3以及水平钻机推进速度的范围边界值V₁、V₂和V₃，再通过进一步数据挖掘得到在上述范围内对应的水平钻机控制策略，用于在步骤2.3）中对推进力F和切割器转速ω进行数值调整。

6.根据权利要求1~5中任意一项所述水平钻机自动控制方法，其特征在于，所述钻机推进控制采用双油缸驱动。