救援車載鉆機鉆具自動擰卸系統研制及應用

李旺年 王賀劍 田宏亮

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710077;2.中國地質大學(武漢)自動化學院,湖北 武漢 430074)

我國的整體能源結構為“缺氣、少油,相對富 煤”,隨著我國煤炭資源開采規模、強度和深度逐步增加,其所面臨的瓦斯、水害和沖擊地壓等自然災害類型、災害發生強度趨向多樣化和復雜化[1-3]。一旦發生重大災害事故,就會導致礦井井筒、巷道發生破壞,主要安全通道被堵塞,作業人員被困井下,為了成功挽救被困人員,通常先在地面施工小直徑生命保障孔輸送給養,再通過地面大直徑救援孔來構建逃生通道完成轉運的方式營救被困人員[4-6]。

地面大直徑救援孔不同于常規大直徑鉆孔,不但要求施工工期要短,而且施工過程中不能對井下被救人員造成2 次傷害[7]。因此,大直徑救援孔必須圍繞安全和高效為中心,通過工藝技術的創新和配套裝備的改進提高鉆進效率和提供安全保障[8-9]。目前,用于地面應急救援的國內外車載鉆機有:德國寶峨的RB 系列,美國雪姆公司的TXD 系列,西安研究院的ZMK 系列,北京天和眾邦的CMD 系列等[10-13]。

地面大直徑救援孔的鉆進過程中需要在短時間內重復完成大量的鉆具擰卸工作[14-16],但上述救援車載鉆機的自動擰卸系統存在的問題為:與鉆機給進系統固定連接,整機質量和結構尺寸偏大,致使鉆機通行重量超重且運輸高度超限;卸扣裝置卸扣能力較弱、擰卸困難,無法滿足多種規格鉆具的擰卸任務及傳統鉆進和液壓吊卡鉆進2 種工藝要求;采用手動操作對扣及上卸扣,自動化程度較低。

針對上述問題,在分析救援車載鉆機起下鉆施工工藝流程的基礎上,結合救援車載鉆機鉆桿快速對中、夾持和自動擰卸等關鍵技術問題,研究的鉆具自動擰卸系統可以滿足多種規格的鉆具快速上卸,實現一鍵自動擰卸鉆具,減輕工人勞動強度,提高鉆具擰卸效率。

1 鉆具自動擰卸系統總體方案

鉆具自動擰卸系統主要依據ZMK5550TZJ120/50 型救援車載鉆機施工800 mm 大直徑救援孔施工工藝進行設計與開發,該鉆孔首先通過127 mm 鉆桿配套346 mm 牙輪鉆頭進行先導孔施工,然后通過178 mm 雙壁鉆桿配套850 mm 集束式潛孔錘施工大直徑鉆孔。鉆機最大輸出扭矩50 kN·m,根據施工工藝所采用的鉆具技術規格及鉆機性能參數,確定鉆具自動擰卸系統的主要技術參數如表1。

表1 鉆具自動擰卸系統主要參數Table 1 Parameters of drilling tool screw-off system

如圖1 所示,該鉆具自動擰卸系統主要包括大開口液壓孔口裝置、鉆具自動擰卸裝置、液壓卡盤等3大部件。其中孔口裝置包含U 型平臺底座、U 型平臺焊接體、擴展平臺和液壓支腿等部分,孔口裝置最大通孔直徑920 mm,滿足850 mm 集束潛孔錘的下鉆要求。

圖1 鉆具自動擰卸系統總體方案Fig.1 Overall scheme of drilling tool screw-off system

鉆具自動擰卸裝置包含旋扣鉗、沖扣鉗、夾緊鉗和滑車總成,具備手動操作和自動控制2 種模式。采用液壓驅動、計算機自動控制實現鉆具接箍位置的精確判別,具有鉆具快速旋扣、定扭矩上扣、大扭矩崩扣及鉗體自動伸縮等功能,可以實現鉆具擰卸一鍵式操作。

液壓卡盤采用鑄鋼結構,可以在孔口裝置上快速安裝和拆卸,通過更換不同規格的卡瓦組件滿足多規格鉆具的夾持和通過,最大通過鉆具直徑254 mm。

2 大開口液壓孔口裝置設計

2.1 機械系統設計

為實現與鉆機主機快速安裝,孔口裝置采用模塊化設計。鉆機與孔口裝置通過井口定位銷快速連接,U 型平臺底座和U 型平臺焊接體通過4 個帶有自鎖功能的液壓缸連接,可以進行U 型平臺高度調節;U型平臺水平面下方安裝雙軸傾角傳感器,可以實時監測和調節孔口裝置的水平度;整個機械框架采用型鋼焊接,具有較高的強度和剛度,可以滿足孔內鉆具承載和不同工況的起下鉆施工要求。

2.2 機械結構仿真

孔口裝置作為鉆具給進起拔的主要承力部件,需要保證鉆機頻繁給進起拔時的穩定,設計最大承載力為1 500 kN,其性能和可靠性直接影響施工效率和孔口安全。如圖2 所示,使用ABQUS 軟件進行有限元分析,依據實際工況進行了載荷施加和約束設置。首次仿真結果顯示,實際最大等效應力為470 MPa 左右,最大形變量為13.53 mm,超出了許用應力范圍,存在安全隱患。通過對結構進行優化后,重新仿真結果顯示,實際的最大等效應力值為306 MPa,最大變形量為3.8 mm。優化后的最大應力和最大形變量明顯下降,滿足使用要求。

圖2 孔口裝置應力及應變云圖Fig.2 The stress and strain nephogram of the wellhead device

2.3 液壓系統設計

如圖3 所示,孔口裝置采用4 支腿結構,雙作用液壓缸與U 型平臺底座和U 型平臺焊接體相連接,恒壓變量泵泵出的壓力油通過2 個相同的分流集流閥經由四聯比例閥控制對應的液壓缸。U 型平臺升到設定高度前,比例閥的閥芯處于開啟狀態,各液壓缸同步快速上升。當U 型平臺達到預定位置附近時,比例閥的各閥芯根據控制器設定程序獨立動作,分別控制進入油缸無桿腔的流量,直至達到設定位置。

圖3 孔口裝置液壓系統原理Fig.3 Hydraulic schematic diagram of the wellhead device

2.4 電控系統設計

如圖4 所示,孔口裝置調平系統由檢測系統、執行機構和控制系統3 部分組成。檢測系統的傳感器采用壓力傳感器和雙軸傾角傳感器,傾角傳感器用來檢測井口平臺的水平度,其檢測值是系統判斷是否進行調平的依據;壓力傳感器用于檢測各支腿有無虛腿及壓力是否過大,進而調節相應電磁閥的開口大小。執行機構采用4個帶有自鎖功能的液壓支腿,將其對稱布置在井口平臺的兩側,通過各液壓缸的上下動作帶動支腿上下伸縮,實現井口平臺的調平;控制系統以移動車輛用控制器為核心,采用模糊PID 算法進行液壓缸姿態控制,實現井口平臺的自動升降和調平。

圖4 井口平臺自動調平控制系統Fig.4 Leveling control system of the wellhead platform

3 鉆具自動擰卸裝置設計

3.1 機械系統設計

如圖5 所示,結合大直徑救援孔的實際需要,在鉆具自動擰卸裝置的設計中,沖扣鉗和夾緊鉗采用油缸杠桿增力式結構,該結構寬度較小,平臺占地空間較小,符合緊湊型頂驅的中心高要求。

圖5 鉆具自動擰卸裝置Fig.5 Drilling tool automatic screw-off device

滑車總成采用平行雙導軌結構,既能實現卸扣鉗整體前后移動,也可以實現旋扣鉗單獨移動,完成鉆具對中。沖扣鉗和夾緊鉗內部設有成對的“V”形牙板,分別通過各自的增力油缸夾緊鉆具。鉆具上扣時,由夾緊鉗夾緊液壓缸夾緊孔內鉆具,再由旋扣鉗采用液壓缸夾緊鉆具,并通過4 個旋扣液壓馬達帶動摩擦輪實現快速旋扣,再通過沖扣鉗進行緊扣;鉆具卸扣時,由沖扣鉗完成崩扣,再通過旋扣馬達帶動摩擦輪實現快速脫扣;旋扣時旋扣鉗可沿垂直方向運動,補償鉆具旋扣時垂直位移,彈簧復位。

3.2 液壓系統設計

根據救援車載鉆機鉆具擰卸需求,進行液壓系統設計及元件選型。根據自動擰卸裝置卸扣鉗、旋扣鉗及滑車總成的性能要求,計算旋扣液壓馬達與各油缸所需流量及壓力,確定整個液壓系統所需流量及壓力,完成液壓閥組的選型。

如圖6 所示,液壓系統主要包括卸扣鉗液壓系統、旋扣鉗液壓系統和滑車總車液壓系統。卸扣鉗液壓系統是由夾緊鉗液壓缸夾緊/松開、沖扣鉗液壓缸夾緊/松開、沖扣液壓缸沖扣/復位3 個液壓分系統組成。在夾緊鉗夾緊和沖扣鉗夾緊過程中要求夾緊力保持穩定,在2 個系統中分別采用壓力可調雙向平衡閥控制,根據使用工況要求,可調節夾緊力;沖扣液壓缸沖扣/復位液壓系統要求液壓缸伸縮平穩、位置精準、沖扣速度快,系統采用磁致伸縮油缸設計。旋扣鉗液壓系統中采用4 個帶有制動器的液壓擺線馬達,4 個馬達采用并聯油路設計。滑車總成液壓系統采用控制閥對各液壓缸進行單獨控制,實現卸扣裝置整體的水平和垂直運動。

圖6 鉆具自動擰卸裝置液壓系統原理Fig.6 Hydraulic schematic diagram of the drilling tool automatic screwing and unloading device

3.3 電控系統設計

如圖7 所示,鉆具自動擰卸裝置控制系統主要由專用控制器、顯示屏、執行機構及多種傳感器組成。控制器是控制核心,接收和發送傳感器信號及發布指令。液壓缸設置多種類型傳感器,檢測液壓缸的位置、壓力等參數,確保執行機構精確、可靠工作。

圖7 鉆具自動擰卸裝置控制系統Fig.7 Drilling tool automatic screwing and unloading device control system

4 現場工業性試驗

鉆具自動擰卸系統作為ZMK5550TZJF50/120 型救援車載鉆機起下鉆的關鍵執行機構,在寧煤梅花井煤礦副立井現場進行了工業性試驗。鉆機施工完成了一口孔徑830 mm、深度624.1 m 的鉆孔。施工過程中,鉆具自動擰卸系統配合鉆機給進系統、動力頭、液壓吊卡及鉆桿輸送系統實現了手、自一體快速擰卸鉆具,可滿足采用液壓吊卡起下鉆和采用頂驅加裝雙臂鉆具起下鉆2 種施工工藝。

4.1 采用液壓吊卡起下鉆工藝

為提高鉆具起下鉆作業效率,對127 mm 鉆具的起下鉆采用液壓吊卡配合鉆具自動擰卸裝置共同作業,對鉆具自動擰卸裝置的旋扣鉗、夾緊鉗、沖扣鉗和滑車等執行機構進行參數驗證。整個施工過程完成了624 m 的鉆具起下作業,與鉆桿輸送系統及液壓吊卡配合高效,旋扣、夾緊和沖扣等作業執行可靠,如圖8 所示。

圖8 采用液壓吊卡起下鉆工藝現場試驗Fig.8 Industry testing of hydraulic elevator tripping construction technology

4.2 采用頂驅加裝雙臂鉆具起下鉆工藝

為配合178 mm 雙壁鉆桿配套850 mm 集束式潛孔錘施工大直徑鉆孔,直接采用頂驅接續雙臂鉆桿,在此過程中不需要使用旋扣鉗對鉆具進行旋扣作業,對鉆具自動擰卸裝置的夾緊鉗、沖扣鉗和滑車等執行機構進行參數驗證。整個作業過程進行了624 m 的鉆具起下作業,執行機構夾持、卸扣等作業安全可靠,無打滑現象,如圖9 所示。

圖9 采用頂驅加裝雙臂鉆具起下鉆工藝現場試驗Fig.9 Industry testing of top drive adding double-wall drill pipe

5 結論

(1)救援車載鉆機鉆具自動擰卸系統采用模塊化設計,分別設計了可快速集成安裝的大開口液壓孔口裝置和鉆具自動擰卸裝置,減小了鉆機的整車質量和整機高度尺寸,提高了鉆機的機動性能,滿足公路的運輸要求。

(2)大開口液壓井口裝置與鉆機主機采用插銷式連接方式,滿足快速拆裝和自動適應鉆機動力頭孔口中心位置,可以實現自動調平功能,確保鉆機起下鉆安全穩定運行。

(3)鉆具自動擰卸裝置采用雙導軌結構,進行氣舉反循環鉆進時,上部旋扣鉗可以讓開孔口中心,滿足氣盒子的通過及擰卸保護接頭的需求,可以實現液壓吊卡上卸鉆具和頂驅直接上卸鉆具2 種施工工藝。

(4)形成一套大通徑、結構緊湊、具有高負荷承載力,可實現手、自一體化一鍵上卸扣作業,滿足850 mm 集束潛孔錘起下鉆要求的鉆具自動擰卸系統,提高了鉆具擰卸效率,為救援鉆孔的快速施工提供了可靠的裝備保障。