双闭环液压盘式刹车自动化优化技术研究

随着钻探要求的不断提高,液压盘式刹车的自动化技术得到了广泛的应用。响应特性和微调特性是液压盘式刹车工艺特性的两个重要方面,液压盘式刹车在制动时具有一定的延迟特性,压力的调节具有强烈的非线性。针对液压盘式刹车工艺的特点,提出了采用外环控制悬重、油压内环PID镇定的双闭环PID算法对其制动特性进行优化,使制动压力和悬重得到精确镇定,并将此技术应用到恒钻压自动送钻系统中。室内实验和现场试验结果表明:这种优化使基于液压盘式刹车的自动送钻系统达到了较好的应用效果,同时,室内实验还为自动送钻的现场试验提供了准备平台,也为其他刹车自动化技术的开发和优化提供了有效的参考。     

潜孔钻机回转液压系统键合图模型的仿真研究

考虑到液压系统建模的特点,选择了利用功率键合图法建立潜孔钻机回转液压系统的键合图模型,根据键合图变量间的逻辑关系,得到了系统的数学模型.在此基础上,利用MATLAB提供的Simulink软件包对数学模型进行了动态仿真,得到了泵的流量阶跃响应曲线和不同负载作用下马达进口压力曲线,仿真结果分析表明所建立模型的正确性,这为潜孔钻机回转液压系统的性能评估和优化设计提供了一个新的途径.     

盾构机刀盘回转系统恒功率自适应控制

为提高盾构机刀盘回转系统的工作效率和系统稳定性,采用简化刀盘回转液压系统模型,建立刀盘回转液压系统数学模型.分析了刀盘回转载荷,确定了液压系统负载扭矩计算模型.采用变论域方法建立基于变论域模糊PID的刀盘回转液压系统自适应控制算法.对刀盘扭矩施加线性变载荷和随机载荷进行控制系统的仿真实例研究.研究结果表明:在掘进系统刀盘扭矩增加时,所提出的控制系统可随时调整刀盘旋转速度以实现系统总功率的平衡,并可降低刀盘转速调整过程的超调量和调整时间.研究结论为盾构机刀盘回转液压系统的设计和改进提供了理论依据.     

钻机闭环测控系统的设计

为克服以往钻机液压系统的性能缺陷,满足大功率钻进以及复杂钻进控制的需要,设计并建立了钻进控制模拟试验台,实现了钻进参数的检测、纪录与控制.采用改进的增量型PID(Proportional Integral and Differential)和Fuzzy-PID复合控制算法,实现了钻压和转速的闭环反馈控制,提高了控制系统...     

非零开口的阀控非对称缸系统不变性补偿控制

针对比例控非对称缸正反方向运动响应不一致的问题,建立了非零开口的阀控非对称缸系统的线性负载流量模型,根据数学模型分析了系统的负载流量特性,定义了非对称系统的基本状态,并将其设为非对称系统的不变结构.提出了融合负载、结构、非对称叠合量等影响因素的不变性补偿控制方法,将系统的任意非对称状态通过不变性补偿控制等价于基本状态,使得非对称系统得到对称的负载流量特性.实验结果表明:通过不变性补偿控制,比例阀控非对称缸系统在阀线性区域,非对称系统负载压力不超过泵压的1/2时,负载流量与基本状态时的负载流量误差不超过11%;非对称系统在基于不变性补偿的基础上,采用统一的比例-积分-微分(PID)控制器,使得正反向运动响应能达到基本一致.     

钻机意外掉电及发电机并车突然解列的改进方案

ZJ30DB电动钻机的绞车、转盘均采用变频电机单独驱动。钻机运行过程中,会出现盘刹液压站系统意外掉电,导致绞车盘刹系统不能实现自动刹车。如果司钻反应过慢或采取措施不及时,就会发生设备下砸倒挂事故,严重威胁钻台作业人员的人身安全。本文主要针对上述情况讨论解决司控操作系统功能完善与盘刹系统的互锁问题,提出改进的技术方案。     

永1-平1井清水河组钻井液技术

永1-平1井是永进油田的第一口超深水平井,主探侏罗系西山窑组,兼探三工河组及白垩系底部清水河组含油气情况。清水河组地层复杂,沿用聚磺混油钻井液体系,施工中发生卡钻事故。通过优选KCl-聚磺混油封堵钻井液体系,侧钻中采用钻井液密度径向力学支撑及物化封堵防塌、井眼净化及润滑防卡技术,配合相应的钻井液现场维护处理工艺,施工中钻井液体系流变性及沉降稳定性好,润滑能力强,解决了清水河组的井壁失稳问题;钻进中井壁稳定;起下钻畅通无阻,无复杂事故发生,顺利穿过清水河组。     

钻锚机器人人机安全避碰方法

为解决快速掘进系统中钻锚机器人无法实时监测辅助人员的运动,导致钻机与辅助人员可能发生非期望碰撞的问题,从钻锚机器人控制系统角度出发,提出一种钻锚机器人人机安全避碰方法。首先,基于深度视觉实时获取人体骨骼点图构建辅助人员球扫掠凸体碰撞检测模型,基于钻锚机器人三维模型构建钻机球扫掠凸体碰撞检测模型,并使用深度视觉传感器与钻机行程及角度传感器获取的数据实时更新辅助人员和钻机的碰撞检测模型;其次,针对钻锚作业中多人多钻机的碰撞检测,使用基于层次包围盒的碰撞检测方法在粗略的碰撞检测阶段实时检测与辅助人员距离最近的钻机及最短距离,当最短距离小于安全阈值时进入精细碰撞检测阶段实时计算辅助人员与该钻机的最短距离;然后,在钻机末端建立基于人工势场的虚拟排斥力,当钻机与辅助人员的最短距离小于安全阈值时,钻机末端产生虚拟排斥力,钻机进行避碰运动;最后,通过钻锚机器人人机安全实验验证了该方法的有效性和安全性。结果表明:在钻锚作业中钻机与辅助人员最近距离为0.10 m,大于发生碰撞的最短距离,所提方法可以确保钻机不与辅助人员发生非期望碰撞。     

基于Amesim的新型防卡钎液压系统的性能分析

针对现有凿岩设备在应对溶洞和裂缝卡钎工况时系统响应过慢而无法有效防卡钎的问题,在对现有液压防卡钎控制方案分析的基础上,提出了一种具有快速响应特征的自动防溶洞及裂缝卡钎、以及推进到位自动回退功能的新型凿岩液压控制方案。借助AMEsim仿真,对节流口、防卡阀等关键元器件参数进行了优化,使系统从理论上获得了最快的响应速度。现场试验结果表明,钎头打入裂缝中后,推进油缸换向响应时间约为0.6 s;钎头打入溶洞时,推进油缸换向响应时间约为0.5 s,该新控制方案能快速有效预防卡钎事故、稳定可靠。该设计思路和方法对其他同类设备的液压系统设计有一定的参考价值。     

基于ISSA-SVM的钻井卡钻事故预测

为预防钻井过程中卡钻事故的发生,通过提出了一种改进麻雀搜索算法(improved sparrow search algorithm, ISSA)优化支持向量机(support vector machines, SVM)的预测模型方法(ISSA-SVM),在发现者位置更新公式中引入一种改进的自适应非线性惯性递减权重;在警戒者位置更新公式中引入莱维飞行策略。利用主成分分析法(principal component analysis, PCA)对外国某大型油田的实测钻井数据进行降维处理,并利用惩罚参数和核参数进行卡钻事故的预测。实验结果表明：ISSA-SVM的预测准确率高达85.185 2%,且收敛速度更快,可见ISSA-SVM可有效预测钻井卡钻事故。     

石油钻机综合性测试实验装置研制

为更新改造石油机械实验室的旧设备,研制了新的石油钻机加载装置及自动送钻控制装置和配套测试仪器;设计和开发了一系列与机械工程测试技术、电液自动控制技术、交流变频技术、可编程控制器、传感器应用技术及信号处理技术相关的实验项目;为实验教学和科研创造了良好的工作条件和试验平台,并在实验教学和科研工作的实际使用中取得了较好的效果。     

负载力矩对旋转阀转速的影响分析及转速控制研究

旋转阀的转速控制关系到钻井液压力信号的产生。旋转阀负载力矩随旋转角的变化规律是影响转速控制的关键。根据旋转阀转子的受力情况分析了旋转阀负载力矩的组成及影响因素。通过理论分析结合计算流体力学(CFD)仿真分析建立了负载力矩的计算模型。研究表明,旋转阀负载力矩随旋转角呈严重的非线性变化,负载力矩与钻井液流量的平方有关,与钻井液密度呈线性关系,与钻井液黏度无关。负载力矩的非线性特性对旋转阀转速产生严重影响。基于负载力矩的计算模型,采用负载力矩的前馈补偿进行旋转阀转速控制系统的线性化校正,通过转速负反馈形成PID(比例-积分-微分)闭环实现旋转阀转速的快速随动控制。MATLAB/Simulink仿真结果表明,旋转阀转速闭环控制系统具有快速跟随调相脉冲变化的能力;同时对流量测量误差及负载力矩计算模型偏差产生的干扰影响具有较强的抑制作用,可以满足对32 Hz的压力载波进行相移键控(PSK)调制,实现16 bit/s的数据传输速率。     

旋挖钻机调桅机构动态特性的一体化建模分析

为一体化表达旋挖钻机调桅机构内在的复杂动态特性,提高调桅机构起升过程中关键零部件及其相关液压系统的性能平顺性.首先采用牛顿-欧拉方法建立调桅机构的动力学模型,然后基于功率键合图理论建立调桅机构的液压系统模型,通过改变调桅机构安装位置参数对其起升过程动态特性的影响分析与比对,从而得出一组优化的安装位置参数供设计人员选择参考.该机械-液压系统一体化建模方法为旋挖钻机调桅系统可靠设计提供了一定的理论依据.     

基于有限元的旋挖钻机动力装置减速器分析

对比分析几种旋挖钻机动力装置减速器的结构形式,利用SolidWorks软件建立液压驱动动力装置三维实体模型,结合Simulation软件对几种减速器结构进行有限元静力仿真分析,从理论上分析减速器在正常钻孔作业工况下应力、应变的情况,为旋挖钻机动力装置实际的开发和应用提供依据。     

动臂变幅工况下旋挖钻机工作装置的动力学特性

为研究和提高旋挖钻机工作装置的力学性能,对动臂变幅工况下工作装置的动力学特性进行分析。基于动静法建立动力学模型,在Simulink仿真平台上构建基于MATLAB函数的仿真模型并进行仿真分析。研究结果表明:动臂变幅时,无论动力头和钻杆处于钻桅的什么位置,对动臂变幅液压缸提供的主动力都没有影响;当钻桅倾角为0°时,动臂变幅液压缸提供的主动力的变化最小,当钻桅倾角为95°时,动臂变幅液压缸提供的主动力的变化最大。     

陕北油田钻具失效原因分析及对策研究

统计资料表明，陕北油田钻具失效的主要原因是钻具在井下承受的交变应力较大。从钻具、钻压和转盘转速、钻井液性能等方面优选了适合该地区安全钻进的钻具组合和工艺技术，从而降低了钻具失效事故的发生。     

环境激励下的石油钻机模态分析

针对钻机在一定转速下振动剧烈的问题,运用实验模态分析原理对ZJ70D钻机在工作状态下进行了振动测试。利用谱分析原理对环境激励下单纯利用响应信号参数识别的方法进行了研究。得出整个系统的频响函数曲线,并识别出前20阶模态频率。测试结果表明：转盘是引起钻机井架底座振动的主要原因,斜立柱是整个系统的薄弱环节,提出从转盘入手,增加转盘和方补心的同心度的方法缓解当前的振动问题。     

利用旋挖机实时钻进参数判定持力层的方法

旋挖钻机作为当前嵌岩桩成孔的一种重要的快捷施工方式,优势显著。其钻进过程中在线监控系统实时监测的随钻参数不仅仅可作为施工操作的主要依据,还可为嵌岩桩持力层的判定提供基础性数据。鉴于施工场地赋存环境的复杂性,钻进中必然导致钻进率、钻杆钻速、给进力、动力头扭矩等随钻参数的时空演化。根据采集的随钻参数数据库及理论分析,建立随钻参数随钻进深度的变化曲线,结果表明单因素变化曲线不能准确识别持力层。在此基础上,进一步提出基于多因素协同控制的持力层判定方法,建立岩体荷载强度模型进行基于随钻参数综合指标的持力层判定。采用该模型分析旋挖钻进过程中持力层岩体的强度和承载力,与地质勘测中的岩体强度测试结果对比,所判定的持力层特征符合实际。由此可见,基于随钻参数的持力层判定方法进行钻进过程中的岩层特性确定及持力层判定是可行的,可用于不同赋存环境下钻进过程中的持力层辨识。     

旋转导向钻井工具试验台主轴驱动液压系统的稳定性

旋转导向钻井工具试验台的研究与应用对旋转导向钻井工具的研制和开发具有重要意义。为实现旋转导向钻井工具试验台主轴的精确稳定旋转,设计了一种试验台主轴驱动液压系统。根据液压系统工作原理建立了该系统的数学模型,得到了输入电压与液压马达输出转速之间的传递函数;利用Routh判据和Bode图判定该系统不稳定,当给系统加入动压反馈回路适当增加系统阻尼后,系统达到了稳定性要求;通过Matlab/Simulink对该系统进行了仿真分析,分析结果表明：该系统在PID控制下,当无负载干扰时,试验台主轴转速度能被精确控制;当对系统加入0~1 500 N.m的随机负载干扰时,该系统也能快速达到稳定状态。可见该系统的控制精度达到了试验台主轴稳定旋转的设计要求,可以作为试验台主轴驱动液压系统的指导参数。     

钻机旋转件转动惯量的PC机辅助计算

钻机旋转件转动惯量的计算,是钻机设计和计算中不可缺少的环节。由于机件形状复杂和笨重,使用通常的简化计算法结果误差较大,实验法又难于进行。本文利用计算机读图确定外缘曲线坐标,并根据抛物线求积等公式编制计算程序,较好地解决了这一难题。文中给出了ZJ45J钻机某些旋转件转动惯量的计算结果。