复杂工况车载钻机电液系统动态特性及控制方法研究

论文摘要

国产车载钻机的研发处于起步阶段,功能上满足使用要求,但是存在电液控制系统动态性能研究不足和钻进操作过于依赖钻工经验的问题。本文从电液控制系统和控制策略两方面开展研究。(1)研究了回转和给进两大关键回路在正常钻进、扫孔钻进、上卸扣、起下钻及强力起拔等复杂工况负载特性,以动态负载特性的驱动和控制要求为设计准则,开发了车载钻机电液系统。(2)建立了回转回路和给进回路的动力学分析模型,通过AMESim软件分析了回转回路在空载快速启停、带载启停、卡钻及在波动负载等复杂工况下的动态特性,得到了回转系统压力响应时间:空载启动压力响应时间0.3s,带载启动压力响应时间0.9s;空载停止和带载停止压力响应时间0.2~0.3s;通过仿真分析,优选了回转马达补油管路的通径(32mm);分析了给进回路在空载快速下放和提升、带载提升和下放以及冲击负载等复杂工况的动态响应,针对快速下放工况中M7阀与管路防爆阀流量匹配的难题,提出了降低防爆阀开启先导压力的系统优化方案。(3)测试了回转回路和给进回路启动、停止和阶跃载荷等典型工况的动态特性,获取了系统的时域特征。回转系统系统启动压力响应时间在0.23s~0.94s之间,正反转稳定压力分别为11.77MPa和11.23MPa,稳定后压力波动幅度0.12MPa,说明回转回路的响应快、跟随性好、超调量小,验证了仿真结果的正确性。测试分析了给进回路快速下放、快速提升和慢速下放等工况的动态特性,通过提高M7阀先导控制弹簧刚度的方式降低主阀芯反应速度,优化了与管路防爆阀的匹配特性,使空载快速下放工况的工作压力由28MPa下降为7MPa,提高了运行效率和稳定性。(4)针对钻进过程中钻压和转速控制依赖司钻经验的局限性,采用神经网络技术提取钻压和转速智能控制中工况判别特征,获取输入值与输出值之间的连接矩阵,通过学习钻进过程7个主要监控参数与3个与钻压和转速相关的控制信号之间的映射关系,建立了BP神经网络钻压和转速控制方案。(5)型式试验结果显示,ZMK5530TZJ100型全液压车载钻机技术参数达到了设计要求;该钻机工业性试验在晋城寺河矿完成L形钻孔一个,最大孔深1675.39m,电液控制系统运行可靠。本文一方面通过仿真模拟和试验的方法,揭示车载主要回路复杂工况下动态特性,达到优化系统的目的;另一方面以历史钻井数据为基础,通过神经网络技术对数据进行提取和分析,实现钻压和转速的自适应控制。

论文目录

摘要

abstract

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外车载钻机研究现状

1.2.2 国内车载钻机及相关技术研究现状

1.2.3 车载钻机应用及技术发展趋势

1.2.4 液压系统动态特性研究现状

1.2.5 钻探设备控制策略

1.3 主要研究内容

第2章主要工作系统典型工况负载特性分析及设计

2.1 回转系统常见工况及负载特性

2.1.1 车载钻机回转系统典型结构

2.1.2 回转系统常见工况及要求

2.1.3 回转系统负载特性分析

2.1.4 回转系统设计要求

2.1.5 回转系统初步设计

2.2 给进回路常见工况及负载特性

2.2.1 车载钻机给进系统典型结构

2.2.2 给进系统常见工况及要求

2.2.3 给进系统负载特性分析

2.2.4 给进系统设计要求

2.2.5 给进系统初步设计

2.3 辅助及安全保护回路设计

2.3.1 辅助回路设计

2.3.2 安全保护回路设计

2.4 液压系统参数计算及系统集成

2.4.1 总体技术参数

2.4.2 回转回路液压系统计算与选型

2.4.3 给进回路液压系统计算与选型

2.4.4 整机液压系统集成

2.5 电控系统设计

2.6 ZMK5530TZJ100 型全液压车载钻机

2.7 本章小结

第3章电液系统动态性能仿真研究

3.1 分析软件简介

3.2 关键元件建模

3.2.1 A11VO130DRS液压泵建模

3.2.2 负载敏感阀换向阀建模

3.3 回转回路动态性能仿真分析

3.3.1 回转回路系统建模

3.3.2 回转系统转动惯量计算

3.3.3 回转回路空载启动动态分析

3.3.4 回转回路空载停止动态分析

3.3.5 回转回路带载启动动态分析

3.3.6 回转回路带载停止动态分析

3.3.7 回转回路在波动负载工况下动态分析

3.3.8 补油回路参数分析

3.4 给进回路动态性能仿真分析

3.4.1 给进回路系统建模

3.4.2 快速给进系统参数确定

3.4.3 给进回路空载快速下放动态特性

3.4.4 给进回路空载快速提升动态特性

3.4.5 给进回路带载快速下放动态特性

3.4.6 给进回路带载快速提升动态特性

3.4.7 给进回路在冲击载荷下动态特性

3.5 本章小结

第4章电液系统动态性能试验研究

4.1 测试系统简介

4.2 回转回路动态性能测试

4.3 给进回路动态性能测试

4.3.1 快速下放工况

4.3.2 空载快速提升

4.3.3 慢速下降

4.4 本章小结

第5章车载钻机钻压与转速控制方法研究

5.1 钻进参数控制的输入参数选取

5.2 基于BP神经网络钻压和转速控制策略研究

5.2.1 车载钻机钻压和转速控制基本原理

5.2.2 基于BP神经网络算法的钻压和转速控制硬件设计

5.2.3 钻压和转速控制硬件及监控点统计

5.2.4 基于BP神经网络的钻压和转速控制策略

5.3 钻压和转速BP神经网络控制算法的实现

5.3.1 BP算法的基本原理

5.3.2 BP神经网络输入和输出样本的准备

5.3.3 BP神经网络训练、验证和测试

5.4 本章小结

第6章整机型式试验与现场应用

6.1 型式试验

6.2 现场试验

6.2.1 试验场地位置及条件

6.2.2 钻孔情况

6.2.3 施工情况

6.2.4 典型工况动态测试数据分析

6.3 本章小结

第7章结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 常江华

导师: 田宏亮,殷新胜

关键词: 车载钻机,电液系统,压力响应时间,负载特性,钻压自适应控制,神经网络

来源: 煤炭科学研究总院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业,矿业工程

单位: 煤炭科学研究总院

分类号: P634.31

总页数: 159

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