[发明专利]一种锚杆钻机推进回转系统及其协同自适应控制方法

说明书

本发明公开了一种锚杆钻机推进回转系统及其协同自适应控制方法，以提高锚护速度和钻孔质量，首先，为抑制钻机系统非线性，增强钻进过程鲁棒性，对推进系统和回转系统单回路实施自抗扰控制。其次，给出一种基于钻机随钻信息的岩石硬度系数获取方法。最后，采用复合控制方式，根据预估的岩石硬度系数，确定钻机当次钻进的最优推进力和最优旋转速度，进而实现锚杆回转与推进系统的协同动作；在预估围岩硬度系数与实际值存在差异时，根据回转压力的低频滤波值，自适应调整最优推进力，增强锚杆钻机的自适应能力。

技术领域

本发明涉及一种锚杆钻机推进回转系统及其协同自适应控制方法，属于工程机械自动控制技术领域。

背景技术

锚杆钻机是岩土锚固工程施工中的关键设备之一，其设备性能直接决定了整个工程的进度和质量。锚杆钻机主要由两部分组成，包括推进系统与回转系统。其中，推进系统通过施加推进力，使钻头与孔底岩石接触紧密，再通过回转系统产生旋转转矩，切割岩石，二者共同作用，可以达到有效破碎岩石的目的。由此可以看出，推进系统与回转系统的性能共同决定了锚杆钻机的钻孔质量和钻进效率。因此，本专利通过锚杆钻机推进系统与回转系统的协同控制，达到提高锚固速度与锚固质量的目的。

目前，锚杆钻机的控制主要是依赖于通过工作人员经验，通过人工手动调节钻机推进力和回转速度。但是，由于缺乏对钻进围岩性状的了解，容易导致钻孔质量差，甚至出现别杆、断杆等故障。因此，迫切需要根据钻进过程采集的各类信息，估计钻进围岩性状，通过自适应协调控制锚杆钻机推进力和回转速度，实现锚杆钻机的自动化控制。

针对锚杆钻机推进和回转系统的控制，文献(Zhijian HU,Peng S,Geng L.ModelAnalysis on Electro-hydraulic Proportional Control for Rotary Drilling Systemof Engineering Geological Drilling Rig[J].Machine ToolHydraulics,2009,13(6),12-16.)明确指出推进力和切削转速是钻机回转钻进的重要控制参数，并采用比例调压泵，实现推进系统控制；通过比例排量控制泵调节负载流量，进而控制钻机回转系统转速。但是，该控制方式要求推进系统与回转系统采用不同油路，对设备要求较高。

文献(Feifei L V,Cuihua XU.Dynamic Performance Study on Drilling RigFeeding System controlled by Constant Pressure Variable Pump[J].CoalEngineering,2013,45(8),89-92)提出采用连续变排量泵，实现对推进回路的直接控制。虽然直接泵控方式的油源效率高，但是电机-泵机构存在较大惯性，导致控制作用缓慢，甚至钻机在一些复杂工况下的损坏。

专利(唐漪崑.一种矿井钻机智能化控制系统[P].CN 1O7339094A，2017.08.31)通过预设钻机转速阈值，对钻机的转速和转矩实施逻辑控制。该方法在一定程度上实现了钻机转速调整，但不能根据钻进围岩自适应调整钻机转速，无法实现钻机效率的最大化。

文献(李爱厚，王婧，吴万荣，等.基于AMESim潜孔钻机推进力控制系统研究与仿真分析[J].机械制造与自动化,2009,38(2):170-173.)根据采集到的回转马达进口处压力信号，通过模糊控制器，实时调节推进回路中的电液比例溢流阀出口压力，实现潜孔钻机推进回转的自适应控制，有效避免了卡钻故障。

专利(王东升，林宏武，郭勇，李泽杰.凿岩钻机回转推进电液控制方法及其控制回路[P]，CN 1O4389579 A，2014.10.31)同样是根据回转压力判定围岩性状，进而控制推进力。但是，由于推进力的变化会影响回转压力，所以通过回转压力近似反映孔内岩石性状变化程度会存在较大误差。