摘要:傳統立軸鉆機在深孔作業時性能得不到保證，卡瓦打滑、鉆壓和扭矩無法控制等等，容易發生孔內事故，導致平均臺月效率低、安全系數下降等諸多弊端。為了解決以上問題，本文介紹了在傳統立軸鉆機的基礎上智能升級、優化性能,部分控制及反饋參數的計算。

　　關鍵詞:立軸;鉆機;鉆壓;效率;智能

　　機械工程師評職知識：機械維修相關論文發表指導

　　機械維修人員評職稱發表論文篇數是和級別密切相關的，評中級一般需要發表1-2篇省級刊物論文，評高級需要發表國家級，甚至是核心級論文。而且這也是評職時必不可少的資料，如果評職人員沒有任何的學術經歷，那么也是可以發表論文的。

　　0引言

　　立軸式巖心鉆機在我國自20世紀60年代研制成功以來,一直是我國地質鉆探的主要機型,其特點是機械效率高,制造成本較低,鉆機拆卸方便,操作和維護保養簡單等。但傳統立軸鉆機也有其不足之處,例如:給進行程短,需要經常停機倒桿;隨著孔深的增加，液壓卡盤夾持力不夠;抱閘式卷揚提升力不夠,勞動強度大;轉速調整范圍窄,不能無級變速;工作時平穩性差，導致鉆頭壽命短，孔內事故隱患多等。因此，立軸鉆機，特別是大型立軸鉆機在深孔作業時存在效率低、勞動強度大、安全系數低、成孔率低等問題。為了解決這些問題，在保持立軸鉆機優勢的前提下，在傳統立軸鉆機的基礎上進行性能升級，增加智能化功能。

　　1傳統立軸鉆機的常用結構

　　這是目前立軸式鉆機上最常用的一種結構,其工作原理是:通過操縱(變速箱和分動箱)的擋位來實現鉆機轉速的調節，通常設定6個左右的擋位，實現定速輸出;通過操縱液壓閥來調節鉆機的給進壓力、計算鉆具的總重量并調節給進液壓缸的壓力來實現對鉆壓的控制，液壓壓力表反饋給進液壓缸的壓力,計算得出鉆壓;通過操縱閘帶手把來實現卷揚機的升降控制。這種鉆機操縱方式的缺點是:①操縱繁瑣，有時需要多人同時操作;②機械手柄式操縱，勞動強度大;③鉆壓和扭矩無法精確控制;④數據反饋精度低，無法準確判斷孔內情況，容易發生操作失誤，造成孔內事故;⑤操作人員與執行元件近距離接觸，安全性差;⑥噪聲大,操作環境惡劣。

　　2傳統立軸鉆機的智能升級

　　2.1電氣化提升鉆機性能

　　國內的變頻電驅動技術已經應用在石油鉆機上，且已比較成熟,將其應用到巖心鉆探，應用到傳統立軸鉆機上，可以解決立軸鉆機的一些性能問題。變頻電驅動技術的優點在于速度可以精確控制，只要選擇適當的電機參數和傳動比，就會有足夠穩定的輸出性能;而抱閘式卷揚是通過抱閘傳扭和制動，抱閘的摩擦力由變化的摩擦系數和人工施加的壓力決定，所以應用變頻電驅動卷揚可以克服抱閘式卷揚能力不夠、易失控等缺點,而且可以大大減輕勞動強度。傳統立軸鉆機另一個不足是液壓卡盤打滑失控，引入變頻電驅動卷揚后，也可以解決這個問題。

　　利用變頻電驅動卷揚直接拖放鉆具,摘去卡瓦,通過一個傳扭套，將旋轉扭矩從原來的立軸傳到主動鉆桿,即將原來的回轉器變成一臺小轉盤。鉆機回轉器仍然利用原來的傳動系統，將動力端升級為變頻電驅動,配合常用與特殊情況下的幾個變速箱擋位,實現無級調速和精準的扭矩控制。巖心鉆機所需的性能基本可以實現!但動力分配還存在問題。傳統立軸鉆機只有一臺電機，不能同時驅動回轉和卷揚，因此，要增加一臺送鉆電機。

　　要使整個鉆機作業安全穩定的運轉，還需要總體控制系統的支持，以及部分執行元件的配合，比如卷揚要增加液壓控制單元和安全制動元件，要達到精確控制，還要有反饋功能，要使用各種傳感器，將信號反饋到控制系統等等。

　　2.2計算控制及反饋參數

　　2.2.1鉆進參數

　　為減少孔底事故的發生,必須掌握各種鉆進參數并加以控制，重要的參數主要包括給進速度、鉆壓、回轉速度和扭矩等。

　　2.2.2給進速度計算

　　由于是通過送鉆電機驅動卷揚實現給進!送鉆速度由卷揚滾筒旋轉速度和滾筒上鋼絲繩一周的長度決定，而滾筒上鋼絲繩一周的長度是隨鋼絲繩纏繞層數的不同而變化的!所以需要使用正確的算法以獲取比較準確的送鉆速度。假設大鉤最低位置高度為“0”，編碼器計數為“0”,此時滾筒上鋼絲繩一周長度為I,鋼絲繩每增加一層的長度差為!(由鋼絲繩直徑決定)。

　　2.2.3鉆壓計算

　　鉆壓的計算方法通常是通過檢測死繩端的拉力F再乘以繩數A獲得鉤載值-，鉆具懸空時鉤載-1和鉆進時鉤載-2的差值即是理論鉆壓-0。

　　2.2.4扭矩計算

　　鉆進扭矩參數獲得相對比較困難，雖然有檢測扭矩的傳感器，但在鉆機上安裝扭矩的傳感器是不太現實的，我們僅能根據變頻器計算的輸出扭矩及機械傳動比來推算。

　　2.2.5控制方式

　　通過這些鉆機參數的計算和反饋，由變頻控制中心集中接收處理，通過矢量閉環控制鉆機的扭矩、回轉速度、鉆壓、送鉆速度等,程序邏輯保護不過載;再增配攝像頭等監控設備實時觀察井場及鉆塔二層臺的情況，參數和圖像反饋顯示到司鉆房內進行集中化操控管理，避免不必要的鉆機作業事故。控制中心可讀取鉆機作業各項參數，為以后作業提供數字化參考依據,為改進鉆機鉆進工藝提供有力的數據支撐。此外,司鉆房電控操作大幅度降低了操作人員的勞動強度。

　　3結論

　　經過XY-8型鉆機的電氣化改造廠內試驗，鉆機各項性能輸出穩定，卷揚提升力、卡瓦夾持力、鉆壓控制、轉速輸出、扭矩控制等可以精準控制和反饋，下一步將完成生產試驗,跟蹤完善設計，進一步解決傳統立軸鉆機在深孔作業時存在的各種問題。