电动螺旋钻机下钻自动控制方法研究

电动螺旋钻机下钻自动控制方法研究

曹少东

身份证号码:371002196408186035

摘要

电动螺旋钻机在我国得到迅速发展，但由于其施工对象是在岩土中钻孔，其负载是逐渐增大，且一旦停钻将是带载启动，由于控制方法的限制，在施工过程中经常遇到卡钻埋钻现象，给电动螺旋钻机的发展造成了阻碍，也影响了电网负荷的稳定。在此情况下，本论文主要研究提出了电动螺旋钻机下钻自动控制的新方法。

关键词：螺旋钻机，电动螺旋钻机，岩土，PLC,变频器，动力头，卷扬机，电机，钻具

1绪论

1.1电动螺旋钻机结构施工原理

电动螺旋钻机属于工程机械桩工类用电动机驱动的一种螺旋钻机。其主要组成：包括桩架和螺旋钻具、控制装置、操作台和动力源。桩架包括立柱、斜撑、平台、底盘、配重、滑轮组和行走装置。

控制装置主要包括钻具旋转控制装置和钻具升降控制装置，及其它机构控制装置等。操作台是在驾驶室内用于对各机构实施控制的工作台。

螺旋钻机的工作原理是在施工时通过钻具旋转和钻具升降控制钻具的螺旋叶片钻入岩土中，并将岩土挤压、钻出、或提出形成桩孔，然后灌注成桩等。

1.2电动螺旋钻机施工存在的问题

在用发动机动力驱动的螺旋钻机中，将发动机动力转换成液压动力驱动钻具旋转和升降，由于液压动力有在零速输出最大转矩的特性，使其在施工中占据了优势，在卡钻和埋钻时，以零速大扭矩启动，可避免或减少了卡钻埋钻。

而电动螺旋钻机在遇到卡钻情况时，在无变频器时，需要提供大电流高速直接启动，由于带负载启动电流剧增，造成电压降大，启动困难，有时通过频繁正反转，卡钻可能解决。有的卡钻未能消除造成埋钻不能启动，操作人员强行平凡启动轻则造成变压器烧毁，重则造成整个电盘烧毁，并损耗了大量电能。所以存在较大的隐患。操作人员要有熟练地操作技能，需始终观察电流表，当电流增大时停止下钻，当电流减少时再下钻，反复操作，稍一疏忽或疲劳，就会造成电流太大而卡钻或埋钻。当然也可以将电机驱动转换成液压驱动，如中南大学硕士学位论文“长螺旋钻机全液压自动钻进系统的研究”所述。由于电液转换损失较大电能，所以没有得到广泛应用。

1.3电动螺旋钻机的现状与展望

虽然电动螺旋钻机存在上述不足，但它可直接利用绿色能源，且施工中无空气污染噪音低等，在我国和日本得到了广泛应用。随着技术不断进步和钻机性能的不断提高，电动螺旋钻机有取代用化石能源的发动机驱动的螺旋钻机的趋势。

针对以上所述，克服电动螺旋钻机容易卡钻和埋钻并造成大量的电能损耗的不足，将对其应用发展，和人类的节能减排具有深远的影响和意义。

2市场电动螺旋钻机下钻常用控制方法

在电动螺旋钻机上，控制钻具钻孔的一个是钻具旋转机构（行业内常称为动力头），一个是控制钻具升降的卷扬机构。动力头上的电机称为钻具电机，卷扬机上的电机称为卷扬机电机。这两个机构配合工作的过程如下：

当卷扬机放绳使动力头带动钻具钻入地下，阻力增加，当钻具电机电流超过允许上限时（一般取电机额定电流的80%~90%），我们就必须停止下钻，使阻力不要增加太快，因为卷扬机下放是阻力增加的主要原因，所以电动螺旋钻机是根据钻具电机的电流大小来控制卷扬机电机的下放的。当土体液化程度增加时，阻力减小，使钻具电机电流小于允许下限时，此时可以启动卷扬电机放绳下钻，当电流再次超过允许上限时再停止下放钻进。

这种控制是在没有使用变频器时通用的人工控制方法。

3 有变频器的改进控制方法

由于变频器的普及应用，电动螺旋钻机的钻具电机加装了变频器，在发生卡钻事故时，可以低速启动，且不造成过大压降对电网产生冲击。取得了有益效果。

上述提到的上下限是操作人员根据电机额定电流和经验得出的，记在脑中的数据，通过人手操作实现控制，这样的控制还是加进了人的因素，易造成卡钻埋钻。

4 电动螺旋钻机自动控制方法研究

4.1电动螺旋钻机现有方法的不足

通过控制理论分析其控制过程如下：

人脑中的钻具电机电流上下限→根据观察电流表判断控制卷扬机电机的启停→控制动力头下降和停止→控制钻具电机电流

这个控制过程存在的不足：

①在控制过程中是通过人的观察判断进行的信号传递和控制。人的反应和耐力是有限的，持续的工作会造成疲劳，影响系统的稳定性和可靠性。②当卷扬机电机停止后，钻具电机电流没有降下来时，无法继续控制。

4.2针对上述不足提出新的自动控制方法

为了消除人为因素对控制过程的不利影响，采用了可编程控制器和钻具电机变频器与卷扬机电机变频器。其控制过程如下：

控制过程A：PLC控制器中的钻具电机电流上下限→根据钻具电机变频器反馈电流→控制卷扬机的下放速度V(V≠0时)→控制动力头下降速度→控制钻具电机电流

控制过程B：PLC控制器中的钻具电机电流上下限→根据钻具电机变频器反馈电流→卷扬机电机速度V(V=0时)→控制钻具电机转速→控制钻具电机电流

这两个过程的转换，要符合实际运行规律，根据实际情况总结出如下12个工况。

⑴当钻机钻进时，钻具电机由钻具变频器供电达到最高工作转速；⑵当钻进深度增加时，阻力增大钻具电机电流增加；⑶当钻具电机电流超过允许上限时，PLC控制器输出控制信号给卷扬机变频器，调整降低卷扬机电机转速，使钻具电机电流降低；⑷当电机电流小于允许上限时，PLC控制器停止输出信号给卷扬机变频器调整并保持工作；⑸当阻力减小钻具电机电流降低，且电流低于允许下限时，PLC控制器输出控制信号给卷扬机变频器，调整提高卷扬机电机转速，使钻具电机电流提高；⑹当电机电流大于允许下限时，PLC控制器停止输出信号给卷扬机变频器停止调整并保持工作；⑺当卷扬机电机转速下降到零时，PLC控制器输出控制信号给钻具变频器，调整降低钻具电机的转速；⑻当钻具电机电流降低，且电流低于允许下限值时，PLC控制器停止输出给钻具变频器降速信号，并保持速度工作；⑼当钻具变频器调整输出频率低于钻具变频器输出最大转矩频率时，PLC控制器停止输出降速信号给钻具变频器，并发出报警信号；⑽当钻机钻到预定深度时，PLC控制器输出控制信号给卷扬机变频器停止下钻，PLC控制器输出控制信号给钻具变频器将钻具转速控制在可输出最大转矩的最低转速；⑾当控制台给出提钻信号时，PLC控制器控制卷扬机电机保持以额定电流提升；⑿当钻具被提升至预定高度，PLC控制器即停止输出信号。

根据上面的工况可以设计出程序的转折条件和转折点，为程序控制提供了详尽的依据。并且在卷扬机电机停止后，钻具电机电流没有降下来时，降低了钻具电机速度，当钻具电机电流降低，且电流低于允许下限值时，PLC控制器停止输出给钻具变频器降速信号，并保持速度工作；是为了触发第⑸个工况，实现控制的连续性。

4.3实际运用出现的问题和改进

设计时根据电流的增减量来调整降速升速的量，在使用时出现调整反应不及时，偶有卡钻现象。经分析，调整量是根据已知数据调整的是过时数据，而下面岩土层是未知的数据，根据已知调未知，可能出现较大的偏差，造成卡钻。为了解决这个问题，经过多次试验后采取分别设定降速步长和增速步长的方案，同样的电流变化量，在降速时降速幅度大，增速时幅度小，经过试验将增速步长设定为5，减速步长设定为100取得了良好的控制效果。

5 全文总结

根据上面的分析，得到了螺旋钻机自动控制的方案，通过控制主卷扬电机速度和钻具电机速度能实现钻具电机电流的连续检测和控制，控制钻具电机电流在正常范围内钻进施工，有效防止了卡钻、埋钻事故的发生，为电动螺旋钻机推广使用提供了保障。

参考文献：

[1]于建池,曹少东. PLC控制变频桩机[P]. 中国专利: 2010105514658,2012-12-26.

[2]增广锡.国外钻机自动送钻装置的现状及其在我国的发展前景[J]石油钻采机械(第13卷，第二期，1985年4月)，1985(2):20-24

[3]张国山,丛万生.ZJ90/6750DB钻机自动送钻控制系统设计方案[J]电器传动自动化(2010年第32卷第2期第29页)，2010,32(2):29-32

[4]刘丹.长螺旋钻机全液压自动钻进系统的研究[D].长沙:中南大学，20070101