Phát triển hệ thống tự động điều chỉnh chế độ khoan trên máy khoan xoay cầu СБШ 250
NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY VÀ LỰC ẤN MŨI KHOAN TRÊN MÁY KHOAN XOAY CẦU СБШ-250МН PHẠM THANH LIÊM Viện Khoa học Công nghệ Mỏ -Vinacomin HÀ THỊ CHÚC Trường Đại học Mỏ - Địa Chất E-mail: phamthanhliem1982@gmail.com Công tác khoan phục vụ nổ mìn khai thác mỏ lộ thiên công đoạn quan trọng, ảnh hưởng đến sản lượng bốc xúc đất đá Khoan trình phức tạp có nhiều tham số cơng nghệ máy ảnh hưởng đến trình khoan Trong trình khoan, cần giám sát điều chỉnh ba thơng số là: Tốc độ quay mũi khoan, lực ấn mũi khoan lượng khí nén chất lỏng để loại bỏ đất đá vỡ khỏi gương khoan Lượng khí nén chất lỏng xả vào gương khoan thường đủ để đảm bảo làm gương khoan Do đó, q trình khoan cịn hai thơng số cần kiểm sốt là: Tốc độ quay mũi khoan (n) lực ấn (F n) (xem H 1) [1] Hiện nay, mỏ lộ thiên Việt Nam, đặc biệt vùng Quảng Ninh, điều kiện địa chất mỏ phức tạp, tính chất lý độ cứng đất đá thay đổi với biên độ rộng Đó nguyên nhân gây rung động mạnh choòng khoan Trên số máy khoan hệ nhà sản xuất đưa cảm biến đo độ rung trực tiếp vào hệ thống điều khiển Thông tin độ rung tức thời hay độ rung trung bình choòng khoan sử dụng phản hồi gián tiếp độ cứng đất đá trình khoan để kiểm sốt thơng số tối ưu hóa suất khoan [1-4, 6] Nghiên cứu thiết lập Hệ thống điều khiển tự động tốc độ quay lực ấn choòng khoan máy khoan СБШ-250МН việc làm cấp thiết Kết cấu khí cấu chấp hành máy khoan СБШ-250МН Sơ đồ nguyên lý сơ cấu công tác máy khoan СБШ-250МН mô tả H.1 [4, 5] Mũi khoan làm việc theo hai chế: Chuyển động quay nén thủy lực [1] Chuyển động quay thực động điện chiều Tốc độ quay động điều chỉnh hệ thống điều khiển ТПЕ-200-460-Y2.1 Tốc độ truyền qua hộp giảm tốc (có tỷ số truyền 1:16/187) đến gối đỡ (4) khớp nối (3) Lực nén thực bơm thủy lực đưa chất lỏng vào xi lanh (7) Lực xilanh thủy lực (7) giảm bốn lần đưa đến gối đỡ (4) hệ thống ròng rọc nhân hệ thống nâng hạ Trong H.2 mô tả sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển chế độ vận hành với chức phần tử H.1 Sơ đồ động học cấu công tác máy khoan СБШ250МН - động điện chiều; hộp giảm tốc; - khớp nối; gối đỡ; - hệ thống ròng rọc cấu nâng; - choòng khoan; 7- xi lanh thủy lực đẩy; - cấu khóa hãm H.2 Sở đồ cấu trúc hệ thống điều khiển máy khoan СБШ-250МН МС – chỉnh lưu cầu pha; МС В – chỉnh lưu cầu pha kích từ; M – động điện chiều; – bơm thủy lực; – thơng tin; – tín hiệu điều khiển; liên kết khí Tốc độ quay, mơ men xoay lực ấn choòng khoan thực động chiều, điều khiển hai hệ thống chỉnh lưu cầu pha МС МС В Góc nghiêng cần khoan thực xi lanh thủy lực (1) Lực ấn choòng khoan thực nhờ xi lanh thủy lực (2) Để đảm bảo điều khiển hiệu trình phá hủy đất đá mỏ, sử dụng bloc thông tin-đo lường với giúp đỡ cảm biến phù hợp, nhạy cảm với сác thông số đặc trưng máy khoan: - điện áp; - dòng điện; 3, 4, - nhiệt độ; 5, - chuyển vị tuyến tính; - góc mở cần khoan; - áp suất thủy lực; 10 - on/off Các tín hiệu thông tin ghi lại xử lý bloc thơng tin-đo lường, có khả mở rộng Mặt khác, để đánh giá trạng thái làm việc mũi khoan phá hủy đất đá cần bổ xung tín hiệu độ cứng đất đá bị phá hủy Điều khiển chế quay ấn đẩy choòng khoan Sơ đồ chức hệ thống điều khiển quay giới thiệu H.3 Đường kẻ đậm rõ mối liên hệ thơng qua tín hiệu làm việc mạch lực, đường kẻ mảnh rõ mối liên hệ tín hiệu liên động [1, 4] H.3 Sơ đồ chức hệ thống điều khiển động quay choòng khoan K1 - aptomat đầu vào; Q1 - khởi động từ tổng; L1…L3 - cuồn cảm đầu vào; ТА máy biến dòng; ДТ - cảm biến dòng điện; РТ - điều chỉnh dòng điện; ДН - cảm biến điện áp; СУР - khuếch đại tổng điều chỉnh; МС - cầu chỉnh lưu pha; СИФУ - hệ thống điều chỉnh xung pha; М - động điện chiều; Q3 - khởi động từ cấp điện cho kích từ; МС В - cầu chỉnh lưu kích từ; СУВ - khuếch đại tổng mạch kích từ; СИФУВ - hệ thống điều khiển xung pha mạch kích từ Vịng quay chng khoan q trình hoạt động máy khoan СБШ250МН điều khiển động điện chiều M, cuộn dây kích từ kết nối đến đầu chỉnh lưu cầu pha МС Tốc độ động điện phụ thuộc vào điện áp đầu cầu chỉnh lưu МС, điện áp định điều khiển СИФУ Cuộn dây kích từ nối đến đầu chỉnh lưu cầu pha МС В Chiều quay chng khoan mơ-men quay điều khiển kích từ động chiều М Người vận hành đặt tốc độ quay từ bàn điều khiển Căn vào giá trị đặt tốc độ tín hiệu phản hồi điện áp từ cảm biến điện áp ДН, СУР trừ sai lệch điều khiển Kết tính tốn tín hiệu điều khiển tốc độ đưa đến điều khiển dòng Để đảm bảo động chiều hoạt động với công suất không lớn công suất danh định, РТ lấy tín hiệu phản hồi từ ДТ kết hợp với tín hiệu điều khiển tốc độ nhận từ СУР để tính tốn góc mở α Góc điều khiển α tương ứng với điện áp đầu chỉnh lưu МС Người vận hành đặt dịng kích từ từ bàn điều khiển Căn vào giá trị đặt dòng điện dòng điện phản hồi từ cảm biến ДТ, khuếch đại СУВ đưa tín hiệu điều khiển góc α đến điều khiển СИФУВ Góc mở anpha tương ứng với điện áp đầu chỉnh lưu pha МС В Điện áp thay đổi tuyến tinh với dịng điện cuộn kích từ Chiều quay động điện chiều cuộn kích từ, lựa chọn từ bàn điều khiển tác động vào cuộn dây kích từ Chiều cuộn kích từ điều khiển khởi động từ Các khối chức H.3 thực nhiệm vụ sau: Bloc điều chỉnh dòng điện РT điều chỉnh khơng tuyến tính Nó thực chức điều chỉnh số PI để điều chỉnh dịng điện, ngồi cịn đảm bảo: ∗ Nhanh chóng hạn chế dịng điện mức giá trị danh định (giá trị đặt trước có thay đổi đột ngột tải tốc độ nào); ∗ Nhanh chóng phát xung tín hiệu vào PT bị giảm hẳn theo góc tỷ lệ tương ứng với giá trị tín hiệu vào; ∗ Ổn định làm việc cấu truyền động chế độ dòng điện cấp liên tục chế độ không cấp liên tục ∗ Hệ thống điều khiển xung pha СИФУ tập hợp kênh điều khiển cho thyristor hoạt động Hệ thống có kênh với chức sau: • Tạo xung điều khiển dịch pha theo tín hiệu điều khiển Tại đầu kênh СИФУ có xung điều khiển đến thyristor với độ dài xung 400µs, lệch chúng 60o điện; • Hạn chế tín hiệu vào giá trị lớn nhỏ (bằng góc mở lớn nhỏ thyristor αmax, αmin) với mục đích thực giới hạn yêu cầu thay đổi pha điều khiển xung; • Khuếch đại tạo hình xung điều khiển đảm bảo cho việc đóng mở thyrirtor H.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển lực ấn mũi khoan K1 - aptomat đầu vào; Q1 - khởi động từ tổng; ТА - máy biến dòng; ДТ - cảm biến dịng điện; М - động khơng đồng pha Sơ đồ chức hệ thống điều khiển lực ấn mũi khoan giới thiệu H.4 [1, 4] Tốc độ quay động M điều khiển khởi động từ Q1 Động điện hoạt động kéo máy bơm thủy lực hoạt động, cung cấp lực nén 30 Xi lanh thủy lực (2) lên xuống điều khiển cách thay đổi chiều quay động điện M Đánh giá hệ thống điều khiển chế độ khoan Qua phân tích hệ thống điều khiển tốc độ lực ấn chng khoan thấy hệ thống có nhiều ưu điểm, cụ thể là: ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ Hệ thống điều khiển hông phức tạp Vận hành đơn giản, người công nhân sau đào tạo vận hành máy khoan nhanh chóng; Tăng tốc hạn chế giá trị mô-men khởi động động điện tốc độ nào; Điều chỉnh tốc độ động theo hàm số tín hiệu yêu cầu; Ổn định tốc độ giới hạn từ tới định mức; Tự động điều chỉnh từ thơng động cách điều chỉnh dịng điện cuộn dây kích từ để tăng hay giảm tốc độ động nhằm sử dụng hết công suất hệ truyền động Cùng với ưu điểm kể trên, hệ thống có nhược điểm sau: Người vận hành làm việc hồn tồn thụ động Trong q trình điều khiển máy, họ không nhận cách mũi khoan qua lớp đá với độ cứng khác để thay đổi chế độ khoan hợp lý; Tốc độ quay khoan không điều khiển tự động, tốc độ không phù hợp với độ cứng đất đá lỗ khoan; Cần nghiên cứu bổ sung cảm biến gián tiếp thể độ cứng đất đá lỗ khoan qua độ rung choòng khoan; Do điều khiển cấp tốc độ khác nên áp lực tạo xi lanh thủy lực (2) thay đổi không liên tục; Để thực việc điều khiển mềm tiết kiệm lượng cần sử dụng biến tần thay cho khởi động từ để điều khiển động Vì lý trên, chúng tơi đề xuất hệ thống tích hợp điều khiển tốc độ quay lực ấn chng khoan có sơ đồ cấu trúc mơ tả hình H.5 [2; 4; 6] H.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động điều khiển Trong hệ thống điều khiển tự động có thêm cảm biến rung động ДВ cảm biến tốc độ quay mũi khoan ДС Вloc phân tích rung động tốc độ quay АВиС nhận tín hiệu đo từ hai cảm biến chuyển thành tín hiệu phản hồi đến điều khiển trí tuệ nhân tạo УИИ Từ tín hiệu phản hồi thu được, điều khiển trí tuệ nhân tạo tính tốn phát tín hiệu đến hai điều chỉnh tốc độ quay РСВ điều chỉnh lực ấn choòng khoan РСП Bộ điều khiển thực chức sau: ∗ ∗ ∗ Đo rung động tốc độ khoan, tính tốn điều khiển tốc độ quay lực ấn choòng khoan; Đảm bảo thực chức cần thiết hệ thống trước đó; Giảm thời gian phản ứng để điều khiển tốc độ quay lực ấn choòng khoan Kết luận Nghiên cứu thiết lập hệ thống điều khiển tự động tốc độ quay lực ấn lên choòng khoan máy khoan đưa kết luận sau: ∗ Đo rung động choòng khoan cách tiếp cận để gián tiếp xác định độ cứng đất đá khu vực khoan mỏ lộ thiên; ∗ Nghiên cứu xác định độ cứng đất đá khu vực khoan mỏ lộ thiên qua rung động choòng khoan hệ thống điều khiển máy khoan thích ứng với độ cứng đất đá hồn tồn cần thiết để nâng cao hiệu cơng nghệ khoan TÀI LIỆU THAM KHẢO Тхао Нго Дык Исследование и разработка системы автоматизации процессов бурения скважин для взрывной разработки месторождений полезных ископаемых: Дис…канд.техн.наук; Московский ордена Трудового Красного Знамени Горный Институт, Москва, 1971 – 147 с Кантович Л.И Обоснование и выбор параметров вращательно-подающего механизма карьерного бурового станка // Л.И Кантович, С.В Козлов, Р.О Муминов // Горный информационно-аналитический бюллетень М 2011 № С 225-229 Lê Ngọc Dùng; Đặng Văn Chí Ứng dụng neural network fuzzy logic để thiết kế điều khiển bù mờ cho hệ thống điều khiển tốc độ quay nhằm giảm rung máy khoan xoay cầu CBШ-250T Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Mỏ Hà Nội Số 2; 2020; Phạm Anh Hải Nghiên cứu ứng dụng thiết bị điều khiển điện kiểu cho thiết bị khai thác mỏ lộ thiên Báo cáo tổng kết đề tài, Viện KHCN Mỏ - Vinacomin, Hà Nội 2016 – 120c Шигин А.О Буровые станки для открытых горных работ: станки типа СБШ-250: учебно-методическое пособие для самостоятельных работ А О Шигин Электрон дан – Красноярск: Сиб федер ун-т, 2013 19 с Url: https://ru.bok.cc/book/3604085/fa1113 Хамзаев А.А Разработка наиболее эффективной схемы управления привода вращателя бурового станка СБШ-250 МН-32, в условиях карьера «Мурунтау» // А.А Хамзаев, М.Э Хайдарова // Молодой ученый., Казань: 2016 - №14 - С 195 199 Url: https://moluch.ru/archive/118/32862/ Шигин А.О Методология проектирования адаптивных вращательно-подающих органов буровых станков и технологий их применения в сложноструктурных породных массивах / А.О Шигин, А.В Гилев, А.А Шигина / Сетевое научное издание – М.: Академия Естествознания, 2017 – 265 c Url: https://monographies.ru/en/book/view?id=692 Từ khóa: Máy khoan xoay cầu, tốc độ quay choòng khoan, lực ấn choòng khoan, hệ thống tự động điều khiển Ngày nhận bài: 01/05/2020; Ngày gửi phản biện: 01/05/2020; Ngày nhận phản biện: 08/05/2020; Ngày chấp nhận đăng: /05/2020 SUMMARY: The СБШ-250МН drilling machine are widely used at the open-pit mines of Vinacomin Group since the 50s of the last century with the original control system of the manufacturer The rotation speed and force on the drill bit are completely controlled depending on the skill level of the operator However, the rock on the mining site has a wide range of hardness, so the operator must regularly change the rotation speed and the force on the drill bit Due to the above factors, drilling productivity is not high The paper presents some research results of setting up the new automatic system to control the rotation speed and the force on the drill bit in accordance with the hardness of the rock to overcome existing shortcomings on the drilling machines ... «Мурунтау» // А.А Хамзаев, М.Э Хайдарова // Молодой ученый., Казань: 2 016 - ? ?14 - С 19 5 19 9 Url: https://moluch.ru/archive /11 8/32862/ Шигин А.О Методология проектирования адаптивных вращательно-подающих... самостоятельных работ А О Шигин Электрон дан – Красноярск: Сиб федер ун-т, 2 013 19 с Url: https://ru.bok.cc/book/3604085/fa 111 3 Хамзаев А.А Разработка наиболее эффективной схемы управления привода... mảnh rõ mối liên hệ tín hiệu liên động [1, 4] H.3 Sơ đồ chức hệ thống điều khiển động quay choòng khoan K1 - aptomat đầu vào; Q1 - khởi động từ tổng; L1…L3 - cuồn cảm đầu vào; ТА máy biến dòng;