井下智能瓦斯钻机自动续接装置结构设计及控制.pdf

学校代码10112 密 级 硕 士 学 位 论 文 （专（专 业业 学学 位）位） 论文题目 井下智能瓦斯钻机自动续接装置结构设计及控制 英文题目 作者姓名 马帅 学 号 2017520067 专业领域 动力工程 研究方向 智能瓦斯钻机 指导教师 郭文亮 教授 校外导师 于向东 高级工程师 论文提交日期2020 年 06 月 Structure Design and Control of the Automatic Connection Device of the Underground Intelligent Gas Drilling Machine 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含其他个人或集体已发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解太原理工大学有关保留、 使 用学位论文的规定 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版；允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密 论文作者签名 签字日期 年 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含其他个人或集体已发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任 签字日期 年 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解太原理工大学有关保留、 使 用学位论文的规定 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版；允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密 □ 在 年解密后适用本授权书 不保密 导师签名 月 日 签字日期 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含其他个人或集体已发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任 月 日 本学位论文作者和指导教师完全了解太原理工大学有关保留、 使 用学位论文的规定 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版；允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影 年解密后适用本授权书 年 月 日 硕士学术学位、硕士非工程类专业学位 学位论文答辩信息表 论文题目 井下智能瓦斯钻机自动续接装置结构设计及控制 课题来源* 省科技厅项目 论文答辩日期 2020 年 6 月 6 日 答辩秘书 陈洪胜 学位论文答辩委员会成员 姓名 职称 博导/硕导 工作单位 答辩委员 会主席 王时英 教授 硕导 机械与运载工程 学院 答辩委员1 张杰 副教授 硕导 机械与运载工程 学院 答辩委员2 刘润爱 副教授 硕导 机械与运载工程 学院 *课题来源可填国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、国家社 科基金项目、教育部人文社科项目、国家其他部委项目、省科技厅项目、 省教育厅项目、企事业单位委托项目、其他 摘要 I 摘 要 我国井下瓦斯钻机的自动化、智能化程度不高，人工干预多、工人劳 动量大、安全性不高一直是瓦斯钻机面临的难题。更加自动化、更高效、 更安全的瓦斯钻探设备呼之欲出。瓦斯钻机自动接续装置是瓦斯钻机中的 核心模块，它在钻杆的自动装卸中起着重要作用，钻杆的自动装卸可大大 减少工人的工作量，在实现自动化的同时也提高钻进的效率，提高工人工 作的安全性。 本文首先研究了两款典型的煤矿瓦斯钻机，重点分析了钻杆（自动）续 接装置在每种钻机上的功能与结构。研究了传统的液压卡盘工作形式；研 究了机械式自动换杆装置钳式双夹持器。它们均能实现一定程度的自动化， 但自动化程度不高。研究了瓦斯钻机的智能控制系统，研究表明当前的瓦 斯钻机多采用 PLC 控制技术实现自动控制，技术也较成熟；提出将深度学 习与瓦斯钻机的视觉系统相结合，以解决瓦斯钻机自动移机、智能选择钻 进点与锚固点的问题。 设计了一种新型的瓦斯钻机自动续接前动力头装置，该装置可完成钻 杆的自动装卸功能。 借助有限元分析软件 ANSYS 对该装置进行力学性能分 析；对钻杆夹柱的疲劳寿命分析得出它的疲劳寿命在一百万次以上，得出 钻杆夹柱不会发生疲劳破坏；对动力头的控制参数进行研究，对前、后动 力头协同工作时的控制参数进行研究。在钻杆转速为 50r/min 的情况下，得 出后动力头转速与前进速度的关系、调速齿轮的转速与夹紧钻杆用时的关 系。 提出一种改进结构的钻杆接头形式，它从新型的六方接头改进而来。 这种改进设计继承了六方接头可正反转的优势，同时能实现自动化拆卸， 使得钻杆的拆卸大大简化且使用方便。基于该改进结构设计一种专门应用 于改进接头的自动对中及拆卸装置，该装置能完成两钻杆的自动对中并拆 卸。介绍了该拆卸装置的结构构造、工作原理。根据实际受力情况对自动 对中及拆卸装置进行力学性能分析，结果表明该结构力学性能满足实际要 求。研究了自动对中及拆卸装置的控制参数，得出了同步齿轮、压柱齿轮、 内筒各时间段的转速图及相应参数。 基于 PLC 控制技术设计了瓦斯钻机智能控制系统。 研究了钻杆库控制、 前后动力头控制中的输入输出量，在编程层面研究了使用步进梯形程序处 理的技巧。研究了瓦斯钻机的通讯系统，包括有线通讯（RS232、RS485） 太原理工大学硕士学位论文 II 和无线通讯 （无线电台） ， 在编程层面研究了三种通讯方式 （自由通讯方式、 MODBUS 通讯方式、EASY LINK 通讯） ，并在实战中比较它们的优缺点。 设计了瓦斯钻机的深度学习网络，提出将深度学习技术应用于瓦斯钻机， 解决瓦斯钻机井下自动定位、自动选择锚固点、自动选择钻进点的问题， 建立瓦斯钻机的深信度网络模型，对该模型运用对比散度方法进行训练。 关键关键词词自动化控制；深度学习；力学特性；结构设计；自动拆卸；前动 力头 ABSTRACT III ABSTRACT The automation and intelligence degree of underground gas drilling rig in China is not advanced enough, which caused much manual intervention, overuse of labor and low safety. More automated, efficient and safe gas drillers are on the way. The automatic connection device of gas drill is the core module of gas drill, which plays an important role in the automatic loading and unloading of drill pipe. The automatic loading and unloading of drill pipe can greatly reduce the workload of workers, and improve the efficiency of drilling and safety of workers while realizing automation. In this paper, two typical coal mine gas drilling rigs are studied firstly, and the function and structure of drill pipe automatic connection device on each kind of drilling rig are analyzed emphatically. The traditional working of hydraulic chuck has been studied. This paper studies the mechanical automatic rod changing device clamp type double gripper. They can achieve a degree of automation, but not a high degree of automation. The intelligent control system of gas drilling rig is studied. The research shows that the current gas drilling rig adopts PLC control technology to realize automatic control and the technology is mature. Deep learning is combined with the visual system of the gas drill to solve the problem of automatic moving of the gas drill and intelligent selection of drilling point and anchorage point. A new type of automatic connecting front power head device for gas drilling machine is designed. The mechanical properties of the device were analyzed by the finite element analysis software ANSYS. The fatigue life of drill pipe clamping column is more than one million times, that means the fatigue failure of drill pipe clamping column will not occur. The control parameters of the power head are studied, and the control parameters of the front and rear power heads are studied. Under the condition that the drill pipe speed is 50r/min, the relationship between the speed of the rear power head and the forward speed、 the speed of the speed regulating gear and the time of clamping drill pipe are obtained. 太原理工大学硕士学位论文 IV A new type of drill pipe joint with improved structure is proposed. This improved design inherits the advantages of the hexagon joint rotating forward and backward, this drill pipe can realize automatic disassembly, making the disassembly of drill pipe greatly simplified and easy to use. Based on the improved structure, an automatic alignment and disassembly device is designed which is specially used for the improved joint. The device can complete the automatic alignment and disassembly of two drill pipes. The structure and working principle of the disassembly device are introduced. The mechanical properties of the automatic aligning and disassembling device are analyzed according to the actual force condition. The results show that the mechanical properties of the structure meet the actual requirements. The control parameters of the automatic alignment and disassembly device are studied, and the speed graphs and corresponding parameters of the synchronous gear, the pressure column gear and the inner cylinder are obtained. The intelligent control system of gas drill is designed based on PLC control technology. The and output in the control of drill pipe bank and front and rear power head are studied. This paper studies the communication system of gas drill, including wired communication RS232, RS485 and wireless communication radio station, and studies three communication modes free communication mode, MODBUS communication mode and EASY LINK communication mode at the programming level, and compares their advantages and disadvantages in actual combat. The deep learning network of the gas drill is designed, and the deep learning technology is applied to the gas drill to solve the problems of automatic positioning, automatic selection of anchor point and automatic selection of drilling point of the gas drill. Key Words Automatic Control; Deep Learning; Mechanical Properties; Structural Design; Automatic Disassembly; Front Power Head 目录 V 目 录 摘 要 .................................................................. I ABSTRACT .............................................................. III 第一章 绪论 ............................................................. 1 1.1 课题来源以及研究意义 ............................................... 1 1.2 研究背景 ........................................................... 1 1.3 国内研究现状 ....................................................... 3 1.4 国外研究现状 ....................................................... 6 1.5 本文研究内容 ....................................................... 6 1.6 本文研究方法以及解决的实际问题 ..................................... 7 第二章 自动续接装置及控制系统分析 ....................................... 9 2.1 自动续接装置结构分析 ............................................... 9 2.1.1 ZYWL4000SY 型远程控制钻机 ................................... 9 2.1.2 ZDY 系列钻机 .................................................. 12 2.2 液压卡盘、夹持器相关研究 .......................................... 13 2.2.1 液压卡盘研究 ................................................... 13 2.2.2 钳式双夹持器研究 ............................................... 16 2.2.3 钻具研究 ....................................................... 16 2.3 智能控制系统分析 .................................................. 18 2.3.1 基于 PLC 的钻机智能控制系统研究 ................................ 18 2.3.2 深度学习在瓦斯钻机上的应用研究 ................................. 20 2.4 本章小结 .......................................................... 21 第三章 自动续接前动力头设计及分析 ...................................... 23 3.1 自动续接前动力头设计 .............................................. 23 3.1.1 前动力头结构设计 ............................................... 23 3.1.2 前动力头工作原理分析 ........................................... 26 3.2 自动续接前动力头力学性能分析 ...................................... 27 3.2.1 整机的力学性能分析 ............................................. 28 3.2.2 钻杆夹柱的疲劳寿命分析 ......................................... 30 3.3 动力头控制参数研究 ................................................ 32 太原理工大学硕士学位论文 VI 3.3.1 前、后动力头的控制参数研究 ...................................... 32 3.3.2 前动力头控制参数研究 ............................................ 35 3.4 本章小结 ........................................................... 37 第四章 自动对中及拆卸装置设计分析 ....................................... 39 4.1 六方接头的改进设计 ................................................. 39 4.1.1 原六方接头结构介绍 .............................................. 39 4.1.2 结构改进设计 .................................................... 40 4.2 自动对中及拆卸装置结构设计 ......................................... 41 4.2.1 自动对中及拆卸装置结构设计 ...................................... 41 4.2.2 自动对中及拆卸装置工作原理分析 .................................. 44 4.3 自动对中及拆卸装置力学性能分析 ..................................... 45 4.4 自动对中及拆卸装置控制参数研究 ..................................... 48 4.5 本章小结 ........................................................... 51 第五章 智能瓦斯钻机控制系统的设计 ....................................... 53 5.1 样机的智能控制基于 PLC 控制技术 ................................. 53 5.1.1 控制系统的建立 .................................................. 54 5.1.2 通迅研究 ........................................................ 56 5.2 深度学习网络设计 ................................................... 58 5.2.1 建立深信度网络模型 .............................................. 59 5.2.2 深信度网络模型的训练 ............................................ 61 5.3 本章小结 ........................................................... 62 第六章 总结与展望 ....................................................... 63 6.1 总结 ............................................................... 63 6.2 展望 ............................................................... 64 参考文献 ................................................................. 65 攻读学位期间取得的研究成果 ............................................... 67 致 谢 ................................................................. 68 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题来源以及研究意义 国务院 2015 年 5 月印发的中国智造 2025文件中提出了一项战略任务着力发 展智能装备与智能产品，培育新型生产制造方式，机器代人，将人力更好的从繁重的劳 动中解放出来。目前，我国在多个制造领域拥有较高的自动化水平，如电子消费产品流 水线生产，但我国井下矿用机械的自动化程度普遍不高，人机协作较为普遍。井下瓦斯 抽采钻机作为矿用钻机的一份子，其自动化、智能化急需进一步提高。矿用机械的自动 化、智能化一直是煤矿领域的短板[1,2]。 目前国内的中煤科工集团重庆研究院、中煤科工集团西安研究院等已有自动化程度 较高的钻机，本文在研究前人的科研成果基础上提出一种新型瓦斯钻机自动续接前动力 头装置、自动对中/拆卸装置，提出将深度学习技术与瓦斯钻机相结合。瓦斯钻机在钻进 的过程中实时采集环境数据，通过深度学习，指导其进一步钻探工作。井下瓦斯钻机的 自动续接、智能钻进能从根本上将工人从繁重、重复的劳动中解放出来，更合理的人力 分配带来的是更安全、更高效的生产。 1.2 研究背景 我国煤矿瓦斯事故多发， 据统计， 近5年瓦斯事故起数占煤矿重大事故的60以上， 死亡超千人。这为家庭带来巨大痛苦、为社会带来巨大损失。全国各地几乎每月均有煤 矿瓦斯事故发生，教训惨痛，值得我们深刻反思。表 1.1 列举了近期全国各地瓦斯安全 事故。 表 1.1 全国各地近期瓦斯事故 Tab. 1.1 Recent gas accidents across the country 事件名称 事故时间 事发地点 事故伤亡 事故原因 贵州三甲煤矿事故 2019-12-25 贵州省织金县 7 人死亡 瓦斯突出 贵州省安龙县煤矿 事故 2019-12-17 贵州省安龙县 16 人死亡 瓦斯突出 11.18 平遥煤矿瓦斯 爆炸事故 2019-11-18 山西省晋中市平 遥县 15 人遇难，9 人受 伤 违规开采，瓦 斯溢出致爆炸 太原理工大学硕士学位论文 2 表 1.1 续表 Tab. 1.1 Continued table 事件名称 事故时间 事发地点 事故伤亡 事故原因 陕西大佛寺事故 2019-10-22 陕西省咸阳市 4 人死亡，1 人受伤 瓦斯窒息 观音山煤矿事故 2019-10-19 云南省 2 人死亡，1 人受伤 瓦斯突出 徐矿集团新疆赛尔 能源三矿事件 2019-09-28 新疆 4 人死亡，1 人受伤 瓦斯爆炸 瓦斯抽采作为预防井下瓦斯事故最根本的措施，在减少井下瓦斯事故上作用重大， 瓦斯抽采的安全性、抽采效率是这一课题中需要攻克的关键技术。瓦斯抽采在提高井下 作业安全性的同时收集了瓦斯气体，这将为缓解我国能源紧缺、有效改善我国能源结构 做出贡献。 目前我国瓦斯抽采还大量存在人机协作的现象，通常在装卸一根钻杆的过程中需要 2-3 名工人参与，工人的工作量大、任务繁重，工作环境恶劣，安全性很难保障。同时 应对钻探过程中的机械故障，工人只能依靠经验来处理，不可避免会因为认知因素造成 安全事故。 传统的钻探装备自动化程度不高， 智能化程度低； 同时钻探效率较低， 卡钻、 丢钻、喷孔等时有发生[3]。 中煤科工集团西安研究院研发的 ZDY850LK 煤矿巷道用远控钻机可以实现钻杆自 动装卸、钻机状态监测、远程操作控制。其钻机主机包括夹持器、卸扣器、进给装置和 动力头，核心部件为夹持器与卸扣器，夹持器负责为钻杆提供旋转扭矩，卸扣器负责在 退回钻杆时分离两根钻杆的连接。控制系统采用 CAN 总线通信技术，由远程端、钻机 端和上位机三部分组成。该机型按照既定程序运行，在 2016 年 1 月 4 日至 2016 年 2 月 1 日于中煤科工集团西安研究院有限公司智能钻探装备及煤层气钻机生产基地成功完成 工业性试验。该机型的研发为井下智能瓦斯钻机的问世奠定了基础[4,5]。 瓦斯钻机的自动化、智能化控制一直是该领域的研究重点。目前国内有采用 PLC 技术搭建的瓦斯抽采钻机控制系统，硬件上采用西门子 PLC、各种传感器、HMI、摄像 仪、工控机等；有线通信采用井下防爆交换机和地面交换机组成以太网实现，无线通信 由无线通信基站组成的以太网实现。研究数据表明采用 PLC 技术搭建的自动化控制系 统已投入实际应用， 且运行良好[6-8]， 如重庆能源集团石壕煤矿所采用的瓦斯抽采钻机。 以矿用本质安全兼隔爆型液压控制器为核心，搭建换杆装置的控制系统。该系统基 于 CAN 总线技术可实现远程遥控自动装卸钻杆，目前已应用于 ZDY4000LR 型钻机。 室内试验结果表明，操作人员能够在距钻机 15m 的范围内控制钻机运行，且成功完成 20 根钻杆的自动换杆动作。 智能控制器广泛应用于工程机械的电液控制系统， 其集成度、 适应性、计算能力均高于传统 PLC，而功耗低于传统 PLC。 2016 年 8 月至 2016 年 10 月， 中煤科工集团重庆研究院有限公司在谢桥矿-720m 东 绪论 3 翼4煤底板轨道巷开机测试其新型产品ZYWL-4000SY型钻机[9-12]， 测试结果达到预期， 该钻机能完成远距离操控，自动钻孔。该钻机集机、电、液于一体，WiFi 无线通信，操 作人员可在距钻机 50m 范围内遥控钻机自动钻孔。 在钻进过程中工人只需完成除渣及向 钻杆箱内补给钻杆的工作，相比传统钻机工人的劳动量大大减少。 近年来中煤科工集团重庆研究院、 西安研究院等都致力于研发无人化智能瓦斯钻机， 且取得了一定的成绩。井下瓦斯钻机的发展过程从智能化程度上可以大致分为全自动钻 机、智能化钻机和钻孔机器人。全自动钻机可实现钻机设备在既定的动作指令下的自动 运行，钻进过程无需人的干预，工人无需井下繁重的体力劳动，但全自动钻机缺少环境 传感器，缺少实时反馈及应对反馈的措施，且施工现场仍有人值守；智能化钻机具备多 个参数自适应调节的能力，可根据施工现场钻探工况自主调节动力头扭矩、钻进速度、 钻孔姿态等参数，但移机、锚固等复杂工作仍需人工干预；钻孔机器人阶段是瓦斯抽采 钻机的高级阶段，其能够根据井下环境自主导航选择合适钻孔点、锚固点，依据自身情 况确定各个钻进参数，在钻进过程中实时感知环境变化，调节自身参数并不断学习。我 国自 20 世纪 90 年代开始传统钻机的自动化改造，经过二十多年的努力，我国已初步实 现了全自动钻机的研发，自动装卸钻杆、全自动钻进、智能防卡钻等关键技术取得关键 性突破。我国的智能化钻机尚处于起步阶段，依据大数据、深度学习、计算机技术，我 国的智能化钻机研制任重道远且前景广阔[13-17]。 煤炭行业要实现智能化转型， 离不开瓦斯抽采钻机的创新， 国家对此非常重视， “十 三五” 规划强调煤炭行业机器代人、 无人化值守、 智能作业。 在经费支持上也不余遗力， 在 863 计划的支持下中南大学 2000 年研发 JSZY2-90M 型号钻机且通过验收。 1.3 国内研究现状 我国井下瓦斯钻机研制的主要力量集中于中煤科工集团重庆研究院与中煤科工集 团西安研究院，较具代表性的产品为重庆研究院研制的 ZYWL-4000SY 型全自动钻机。 该钻机集机、电、液于一体，电液联合驱动，可实现 50m 内一键自动钻孔。拥有很高的 自动化程度， 借助各种传感器可感知钻进过程中的环境变化， 从而自适应调节钻机速度， 在应对卡钻、抱钻方面表现也较好。该钻机能有效提高钻探效率，提升钻探安全性，减 小工人劳动量。ZYWL-4000SY 型钻机的动力头由柱塞马达、转速传感器、水辫、减速 箱等组成，转速传感器实时测量钻杆转速并将数据传回控制中心。其控制系统基于自适 应调控及人工智能原理可实现自动钻机拆卸的过程，如机械手靠近钻杆的过程为一个变 速过程，当机械手距离钻杆较远时运行速度较快，而靠近钻杆时速度较慢。其自动控制 网络原理如下图 Fig.1-1 The principle diagram of the automatic control network ZYWL-4000SY 型全自动钻机的技术参数见表 表 1.2 Tab. 1.2 Technical parameters of 参数 额定转速（r/min） 额定转矩（Nm） 4000 进给力（kN） 起拔力（kN） 钻孔倾角 最大遥控距离（m） 通过能力 20 中煤科工集团西安研究院研发的 设计的钻机，其三个突出优点为自动装卸、状态监控、远程操控。 通信由光纤有线连接，理论通信距离为 所不同的是在前、 后动力头之间设置卸扣器， 卸扣器可实现两钻杆之间的接合与拆卸 （针 对于螺旋钻杆） 。ZDY850LK 型钻机的基本技术参数见表 表 1.3 Tab. 1.3 Technical parameters of ZDY850LK drilling machine 参数 钻孔深度/m 钻孔直径/mm 太原理工大学硕士学位论文 4 图1-1 自动控制网络原理图 The principle diagram of the automatic control network 型全自动钻机的技术参数见表 1.2 ZYWL-4000SY 型钻机技术参数表 Technical parameters of ZYWL-4000SY drilling rig 数值 参数 70-220 电机功率（kW） 4000-700 邮箱容积（L） 130 钻杆箱容量（根） 190 主车中路（kg） 4000 0-90 主车尺寸（mm） 2450 x1300 x19