一种用于地质勘探钻机的全数字控制系统

韩大龙

（西安市西工大高商科技有限公司，陕西 西安 710072）

1 概述

随着全球地下矿产资源的不断开发利用，矿产资源的保有储量在逐年减少，世界各国都在加大投资力度，积极寻找新的地下矿产资源。我国人均矿产资源占有量只有世界人均资源占有量的58% 左右，某些矿产资源供给面临短缺，有的已成为制约经济发展的瓶颈。在目前我国15万个矿山企业中，有相当一部分大、中型矿山到了中晚期，可采量与储量锐减，新增储量青黄不接，对经济发展和社会稳定造成很大压力。党中央、国务院已经认识到上述严重的形势，相继制定了“危机矿山接替资源勘探规划”、“加强地质工作的决定”等措施，并拨20亿元的地质勘查专项基金，以推进地下矿产资源的勘探速度。从目前地质找矿探测技术的发展现状看，利用钻探取心（样）方法确定地下矿产资源的品位、埋深、最终的储量等信息在未来相当长的时期内仍是不可替代的技术手段。我国地质找矿钻探装备被认为比较落后，难以满足国家对加速地质矿产资源的勘探开发的要求，所以从用户到到国家都认为应该开发先进的地质勘探装备。

钻机是寻找地下资源必须的设备，目前全球地质勘探取心（样）钻机基本上可以分为两大类型：一类是以机械传动为主，液压传动作为夹紧和给进辅助动作，并通过固定的机上主动钻杆向孔内钻头提供动力的钻机。这就是人们常说的立轴式钻机（Spindledril1）；另一类是主传动及其他所有辅助动作都是采用液压传动方式完成的全液压钻机，也就是人们常说的全液压动力头钻机或液压顶驱式钻（all－hydraulicoperated drill or top－drive hydraulic head dril1）。目前，没有人能非常准确地统计出世界上两种钻机正在应用的数量，但两种钻机在全球地质勘探施工中都在非常广泛地应用。

中国地质岩心钻探施工市场机械传动立轴钻机开动数量约占96～97%左右，液压驱动钻机约占3～4% 左右。目前，工业发达国家以及非洲（非洲国家的钻探设备主要靠进口）及南美地区地质钻探施工大部分采用液压传动钻机，除中国外，亚洲地区机械传动立轴钻机应用也较广泛。究竟哪种钻机是高效节能钻机呢？只有通过理论分析、按照实事求是和科学观点，通过实践的检验才能证明哪种钻机是高效节能的钻机。机械立轴钻机诞生于19世纪末。中国地质钻探工作者对机械传动立轴钻机非常熟悉，目前中国是世界上开动机械传动立轴钻机数量最多的国家。初步估算，2007年中国开动立轴钻机超过5000台套。现有机械传动立轴钻机的主要优点是传动效率高（能量利用率可超过90%）、制造及使用成本低、实用可靠、便于维修等。现有的机械传动立轴钻机主要缺点是钻进过程中，给进行程、油泵压力、温度、泥浆泵压力、卷扬机拉力等数据没有数字监控，操作全凭熟练技工经验来执行，在一定速度下钻杆转矩不可控，不能根据井下实际情况在线无极调节速度、转矩，并存在有井下断钻杆事故隐患。

2006年国务院4号文“关于加强地质工作的决定”第四项第17条关于推进地质科技进步 中明确指出：“要提高现有地质装备利用率，增强矿产资源勘查核心技术和关键装备的自主研发能力”。

结合我国地质钻探市场的实际发展状况，领会国家对地质装备自主研发的迫切希望，对中国地质钻探工作者都非常熟悉的机械传动立轴钻机进行数字化改造，进一步提高机械传动立轴钻机的操作方便性、可靠性及使用效率，就是我们的当务之急！

2 数字化机械传动立轴钻机控制系统组成

该钻机控制系统主要由以下几个部分组成：

（1）主传动用45kW 直流电动机Z4－180－21；

（2）欧陆全数字直流电机驱动器590C／0110／500；

（3）卷扬机用45kW 直流电动机Z4－160－22；

（4）10.4英寸彩色触摸屏（台湾威纶）；

（5）西门子S7－200可编程控制器

（6）30kW 泥浆泵用软启动器 GRC－2000；

（7）泥浆泵压力传感器、油泵用压力传感器、温度传感器、卷扬机用拉力传感器、给进行程传感器等；

（8）模块组合式电气控制柜。由驱动控制柜、中央控制柜、泥浆泵控制柜三部分组成，便于运输、搬运；

（9）液压控制按钮操作系统。将油压操作手柄改为按钮、电磁阀操作；

（10）人工智能操作软件。将各种检测数据和预存的操作经验数据在系统中进行比较，及时发出各种提示信息和报警信号。

图1

控制系统具有手动和自动控制方式。手动操作时推拉控制柜上的操作手柄即可调节钻机速度和转矩。自动控制方式，需在彩色触摸屏上设定钻机速度和转矩值，钻机将自动运行，遇有故障时，自动停机报警。

图2 数字化机械传动立轴钻机控制系统

3 数字化机械传动立轴钻机控制系统控制原理

利用欧陆直流电机驱动器的转矩控制功能，对主传动45kW直流电动机的速度和转矩进行分别控制。按照计算公式：

式中：P—功率，kW；

n—转速，rpm。

45kW转速为1500rpm电机的额定输出转矩应为：

立轴钻机机械变速箱分为三档，即高、中、低档，对应的速度和转矩分别为950rpm、429Nm；600rpm、715Nm和85rpm、5047Nm。

在每一个速度段，钻杆的速度和转矩可以无极调节。例如在低速档，钻杆的速度可以用操作手柄在0～85rpm之间调节，转矩可以在0～5047Nm之间调节。每一个机械档位，对应一个该档位应有的转矩报警值。所有操作数值和报警值均在彩色触摸屏上设置和显示。

泥浆泵的压力、油泵的压力、温度，进给行程累加值，卷扬机拉力值同样实时在触摸屏上显示，以便操作人员随时掌握井下状况。虽然，主传动直流电动机功率为45kW，但是，根据井下情况可以随时无极调节，因此，其消耗的有效功率并不是45kW！在山东苍山县铁矿试验点进行的实测显示，电机实际消耗功率大约在30kW，实测转矩为186Nm。因此，实际功率为186×1500／9550＝29.2kW）。这样的话，在整个钻探过程中，数字化机械传动立轴钻机消耗 的功率为：29.2＋7.5＋15＝51.7kW。相对于全液压动力头钻机配备总功率132kW来说，数字化机械传动立轴钻机基本达到了节能减排的目的。

图3 数字化机械传动立轴钻机在山东现场

数字化机械传动立轴钻机控制系统，具有数据存储功能，当任一故障发生时，可编程控制器将连续存储故障数据，至到故障消失。方便事后查找故障原因，杜绝类似故障的再次发生。

由西工大高商科技有限公司与山东聚龙液压机械有限公司联合研制的数字化机械传动立轴钻机经过实地打钻过程的检验，符合国家自主研发地质关键装备和节能减排设备的要求，目前已开始推广应用。