朱秀梅 韓松峰

（徐州徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州221004）

1 概述

煤層氣、淺層頁(yè)巖氣、地?zé)?、深層地下水等上千米的資源開(kāi)采用鉆井設(shè)備應(yīng)用廣泛，該類設(shè)備體積龐大，目前主要有車載與撬裝兩種形式。撬裝形式鉆機(jī)鉆架、動(dòng)力、工作裝置等為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，需現(xiàn)場(chǎng)安裝，現(xiàn)場(chǎng)搭建及準(zhǔn)備工作工作量大，且轉(zhuǎn)場(chǎng)需多臺(tái)板車進(jìn)行搬運(yùn)，搬家成本高。車載鉆機(jī)采用專用汽車底盤(pán)，鉆架、動(dòng)力及主要工作裝置都在一輛車上，集成度高，車輛開(kāi)到施工場(chǎng)地，定位后可自行調(diào)整到工作狀態(tài)，能快速開(kāi)展施工作業(yè)，尤其在救援鉆井施工中，節(jié)省了寶貴時(shí)間，目前已獲得廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有車載鉆機(jī)一般采用液壓控制，基本所有的操作均由液壓手柄完成，可靠性高，但液壓控制一般為單點(diǎn)控制，操作手柄數(shù)量多，操作順序錯(cuò)誤或誤操作極易對(duì)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)人員造成傷害。且多數(shù)鉆機(jī)的控制手柄全部布置在簡(jiǎn)易的露天式操作臺(tái)上，機(jī)手操作環(huán)境惡劣。為提高鉆機(jī)操作的安全性及舒適性，本文提出了一種帶操作室且電液結(jié)合控制的車載鉆機(jī)及控制系統(tǒng)。

2 車載鉆機(jī)組成

車載鉆機(jī)按照功能模塊包括底盤(pán)1、鉆架4、頂驅(qū)5、工具卷?yè)P(yáng)2、卸扣大鉗9、操作室8 及動(dòng)力與控制系統(tǒng)3，如圖1 所示。其中底盤(pán)1 是鉆機(jī)運(yùn)輸?shù)妮d體，鉆架4 通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸固定在底盤(pán)后端的支架7 上，可以在油缸6 的作用下旋轉(zhuǎn)到豎直狀態(tài)；頂驅(qū)裝置5 在油缸及鋼絲繩的提拉作用下沿鉆架4 上下運(yùn)動(dòng)；工具卷?yè)P(yáng)2及上卸扣裝置9 固定于鉆塔一側(cè)，與頂驅(qū)4 配合使用完成換桿操作；封閉操作室8 固定在底盤(pán)1 的后端，鉆架豎起后的所有操作均在所述操作室8 內(nèi)進(jìn)行。

圖1 車載鉆機(jī)組成示意圖

底盤(pán)1 采用的是全地面越野底盤(pán)，獨(dú)有的油氣懸掛系統(tǒng)，運(yùn)輸時(shí)有良好的緩沖和減震作用，減少運(yùn)行過(guò)程中崎嶇路面造成的沖擊及搖晃，提高車輛的平順性和乘坐舒適性。同時(shí)越野底盤(pán)的多輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可組合成多種轉(zhuǎn)向模式，大大減少整車轉(zhuǎn)彎直徑，提高整車機(jī)動(dòng)性和通過(guò)性，適用于狹窄區(qū)域的轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)。底盤(pán)有四個(gè)支腿，前后各2 個(gè)，工作前伸出并調(diào)平支撐整車重量，并承擔(dān)工作過(guò)程中鉆具帶來(lái)的部分載荷。其中后支腿11 采用橫向伸縮結(jié)構(gòu)，使兩支腿橫向跨距由小于車寬增大到遠(yuǎn)大于車寬，這就有效提高了整車的穩(wěn)定性，使鉆機(jī)能抵抗更大的風(fēng)載，及有效應(yīng)對(duì)井內(nèi)鉆具振動(dòng)沖擊造成的整車晃動(dòng)。

操作室8 通過(guò)回轉(zhuǎn)軸承鉸接于底盤(pán)后部的支架7 上，運(yùn)輸時(shí)固定于車輛的最后端，工作前，先將操作室8 旋轉(zhuǎn)一定角度并用銷軸固定，再豎起鉆架4，如圖2 所示，使操作室內(nèi)的操作手能正對(duì)鉆架工作臺(tái)區(qū)域，達(dá)到最佳的操作視線。

圖2 鉆機(jī)工作狀態(tài)后部示意圖

3 控制方式的實(shí)現(xiàn)

相對(duì)于現(xiàn)有的全液壓操作鉆機(jī)，本鉆機(jī)車采用了液壓控制與電氣控制相結(jié)合的控制方式，其中主動(dòng)作，包括頂驅(qū)裝置的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)操作采用液壓控制，其它，包括卸扣大鉗、工具卷?yè)P(yáng)以及輔助設(shè)備采用電氣控制。電液結(jié)合控制即保證了主動(dòng)作的可靠性，又通過(guò)電氣控制簡(jiǎn)化了操作界面，提高了操作舒適性，同時(shí)通過(guò)合理布置傳感檢測(cè)設(shè)備及控制器的控制邏輯，可有效防止誤操作帶來(lái)的設(shè)備損傷及事故，提高操作的可靠性。具體現(xiàn)方式如下：

圖3 液控系統(tǒng)原理框圖

液壓控制部分主要由液壓泵組、比例換向閥、液壓先導(dǎo)手柄及執(zhí)行元件組成。工作原理如下：機(jī)手操作液壓先導(dǎo)手柄，控制相應(yīng)的比例換向閥開(kāi)啟，先導(dǎo)手柄輸出不同的控制壓力控制比例換向閥的開(kāi)度，進(jìn)而控制進(jìn)入液壓油缸及馬達(dá)的流量，使頂驅(qū)動(dòng)力頭以不同的轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度運(yùn)動(dòng)。在頂驅(qū)及鉆塔的相應(yīng)位置還安裝有檢測(cè)力、壓力、轉(zhuǎn)速、位置等的傳感器，經(jīng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后傳送到顯示器上。

電氣控制部分主要由控制器、顯示器、電磁閥、比例電磁閥、傳感檢測(cè)設(shè)備、電氣手柄及開(kāi)關(guān)等組成。工作原理如下：電氣手柄及開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的模擬量及開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)入控制器，控制器經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)控制對(duì)應(yīng)的比例電磁閥或電磁閥，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成指定的動(dòng)作。各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如卸扣大鉗擺動(dòng)、起重臂伸縮、擺動(dòng)等位置安裝有傳感器，檢測(cè)其工作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)傳送至控制器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確的定位。同時(shí)通過(guò)控制器內(nèi)部的控制邏輯進(jìn)行運(yùn)算，可有效避免各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉?？刂破鲗⒈O(jiān)測(cè)到的各部件工作參數(shù)實(shí)時(shí)傳送至顯示器，可使操作手直觀的監(jiān)測(cè)鉆機(jī)工作參數(shù)，便于下一步的操作。在鉆機(jī)的不同位置還裝設(shè)有攝像頭，通過(guò)分屏顯示在專用的顯示器上，操作手在操作室中即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整車不同位置的監(jiān)控。

4 結(jié)論

在鉆探機(jī)械產(chǎn)品中液壓控制的可靠性最高，但隨著對(duì)設(shè)備施工安全要求的提高、自動(dòng)化、智能化是產(chǎn)品發(fā)展的必然方向。電氣控制采用傳感器、控制器等監(jiān)控設(shè)備，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控設(shè)備工作狀況，并能實(shí)現(xiàn)精確控制，通過(guò)合理的控制邏輯可實(shí)現(xiàn)系列動(dòng)作的聯(lián)動(dòng)，避免誤操作造成的設(shè)備及人員損傷，但在可靠性方面依然有提升空間。

本設(shè)備采用電液結(jié)合的控制方式，既保證了主動(dòng)作的可靠性，在電路故障的情況下依然可進(jìn)行鉆具旋轉(zhuǎn)、上下劃眼運(yùn)動(dòng)，避免了井內(nèi)卡鉆事故，又提高了輔助動(dòng)作的自動(dòng)化控制水平，提高了換桿效率，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。隨著電氣設(shè)備可靠性能的提升，全電控、智能化、無(wú)人化必將成為鉆探設(shè)備的發(fā)展方向。