煤矿坑道钻机状态监测与故障诊断技术研究现状及展望

煤矿坑道钻机自动化和智能化程度的提高、作业范围和应用场景的扩展,使其系统复杂性和工作环境恶劣程度随之增加,对煤矿坑道钻机可靠性提出新的挑战。为有效降低因钻机故障带来的安全风险,提升钻机全寿命周期的任务品质,煤矿坑道钻机状态监测与故障诊断技术应运而生。首先从钻机状态参数采集、数据处理、诊断方法、系统应用等四个方面对煤矿坑道钻机关键系统状态监测和故障诊断技术研究现状进行总结分析,然后在故障预测与健康管理(prognostics and health management, PHM)技术基本概念的基础上根据集中式与分布式结合的方式提出了坑道钻机PHM技术框架,最后对煤矿坑道钻机PHM技术发展趋势进行展望,旨在为新一代煤矿坑道钻机及相关煤矿机械装备PHM技术的研究开展提供参考和借鉴。

煤矿井下坑道钻机自动卸杆装置研究

煤矿坑道钻孔施工工具有较大的危险性,具体表现为孔位较高、开孔角度大等特征,因此在装卸钻杆过程中存在较大的困难,尤其是在操作不当的情况下,就会引发安全隐患,严重威胁施工人员的身心健康。由此对煤矿井下坑道钻机自动卸杆装置进行研究设计,使其控制系统更加科学合理。这种装置结构可以通过智能控制器进行操作,因此可以更好地适应各种复杂的地质施工条件,不需要人工也能完成钻孔作业,钻孔效率得到保证,作业安全性自然也得以提高,将会成为未来作业中一种重要的形式。

煤矿用全液压坑道钻机的设计

煤矿用全液压坑道钻机是煤矿开采中非常重要的设备之一,首先分析了其主要作用和功能,然后根据实际应用分析了其各部分的组成结构和主要技术指标,然后重点分析了全液压坑道钻机的设计和优化研究方案。使该设备可以安全有效地支持长距离钻孔抽放瓦斯。

矿用回转钻机离线式随钻测斜系统

针对矿用回转钻机打钻过程中无法直接测量孔底钻具姿态数据和绘制钻孔轨迹的问题,基于随钻测斜原理和离线式数据同步方法,开发了一种矿用回转钻机离线式随钻测斜系统。该系统由探管、同步仪和上位机软件组成。探管通过三轴加速度传感器和三轴磁阻传感器分别测量重力场和地磁场,以采集钻杆姿态;同步仪通过按键采集钻孔和钻杆编号,并根据钻杆姿态数据进行有效测点筛选;上位机软件通过测点递推算法绘制钻孔2D或3D轨迹图。功能测试结果表明:该系统测量的总地磁场矢量模长接近真实值50~60μT,总重力加速度矢量模长接近1g,经传感器校正算法校正后的倾角最大偏差为1°,方位角最大偏差为5°。井下测试结果表明:对于已成钻孔,该系统绘制的钻孔轨迹与实际轨迹基本相同;对于钻进钻孔,孔口轨迹易受钻机本身的磁干扰而出现偏差,导致整条钻孔轨迹偏差较大,应保持钻机距离孔口3m以上。

基于T-S模糊故障树的煤矿坑道钻机液压动力系统故障诊断研究

针对煤矿坑道钻机液压动力系统复杂化带来系统中各元件间逻辑关系模糊、失效形式多态性及故障概率获取困难等问题,克服传统故障树在复杂机电液装备故障诊断分析中的局限性,实现及时准确获取设备故障信息,发现故障原因并采取措施,提出一种基于T-S模糊故障树煤矿坑道钻机液压动力系统的故障诊断方法。以ZDY25000LK型钻机液压动力系统为研究对象,对系统的层次结构进行分析,以T-S模糊故障树描述系统的性能变量,进行分析建树。根据质心距离相似度的度量法对专家评估的底事件模糊概率进行修正,求解顶事件在不同故障程度时发生概率的梯形模糊数。通过T-S概率重要度分析,确定各底事件的重要度排序,指出在不同故障程度时液压动力系统的薄弱环节。结果表明:部件级到系统级事件发生严重故障的概率呈递增趋势,系统中多个部件发生轻微故障时,系统发生严重故障的可能性较大。各事件的故障程度对上级事件发生的贡献度不同,根据重要度排序锁定故障位置并判断故障原因。当液压动力系统出现严重故障时,根据重要度分析结果,应优先排查安全阀工作情况、油泵内部磨损情况及内部串油情况。该方法实现在不同故障程度时系统中薄弱环节的快速定位,在鄂尔多斯淮河能源唐家会煤矿的工程试验中得到验证,为提高煤矿坑道钻机的可靠性提供了参考依据。

我国煤矿坑道钻探装备技术进展与展望

煤矿坑道钻探装备技术在发展过程中受到诸多不利条件的限制,导致新技术发展滞后,随着我国煤矿大力推进智能化建设,给煤矿坑道钻探装备技术带来了革命性的发展机遇。通过分析国外坑道钻探装备的技术特点和发展状况,以及国内坑道钻探装备技术的3个阶段发展,包括初级阶段的分体式钻机与稳定组合钻具轨迹控制方法,蓬勃发展阶段的履带式钻机、定向钻进装备技术及松软煤层钻进技术,新发展阶段的自动化和智能化装备技术,提出了今后我国煤矿智能化发展阶段钻探装备技术需要解决的关键问题,为推进钻探装备技术智能化水平的提高提供支撑。

煤矿坑道钻机自动加卸钻杆装置的研发

针对煤矿坑道钻机人工加卸钻杆安全性差、劳动强度大等现状,分析了煤矿坑道钻机自动加卸钻杆系统发展中的问题,开发了基于防爆PLC控制的自动加卸钻杆装置。该装置采用转轮式结构,利用机械手从转轮式杆仓中抓取钻杆,整个操作过程由手持式遥控器完成。该装置安装在钻机给进机身上,可以随机身进行变幅调角。测试结果表明,该装置具有适合各种倾角方位的钻孔、巷道适应性强、操作方便快捷、安全性高等特点,为煤矿坑道钻机的自动化升级提供了有效的技术支撑。

煤矿坑道定向钻机钻进参数监测系统设计

针对全液压坑道定向钻机在钻进施工中参数实时显示和集中存储等方面存在的不足,设计了煤矿坑道定向钻机钻进参数监测系统。该系统采用分布式设计,通过CAN总线实现数据的传输和通信,能实时显示钻进速度、钻进/起拔压力、转速、转矩、水泵流量和压力等钻探施工参数,并通过防爆计算机进行数据传输和集中存储,便于钻探参数的分析和调整,结合压力传感器、流量传感器等可实现定向钻进施工的精确测量与控制。现场应用结果表明,该系统可配套多种定向钻机使用,能实时、准确地监测并显示定向钻机运行的各种钻进参数。该系统的设计为后续实现煤矿坑道定向钻机的"机-电-液"一体化控制和故障诊断奠定了基础。

我国煤矿坑道钻机研究现状及发展趋势

介绍了常规煤矿坑道钻机的研究现状,探讨了定向钻进、远程自动控制等新技术在煤矿坑道钻机研制过程中的应用,指出了我国煤矿坑道钻机的发展趋势。根据国内煤矿坑道钻机及其相关技术的发展,构建智能化钻探工作面,全面提高煤矿坑道钻机的适应性和可靠性,对于确保煤矿安全、高效生产具有非常重要的意义。

ZDY4300LP型履带钻机的研制

研制了ZDY4300LP型整体式履带钻机。采用新型结构设计,使得钻机仰俯角调节范围为-50°^+60°,水平开孔高度调节范围为1.35~1.85 m,方位角调节范围为-90°^+90°;为提高钻机打钻效率,设计给进装置的行程为0.95 m;同时考虑到煤矿井下特殊的施工环境,设计了座椅、工具箱以及机车灯组件等配套附件。工业性试验表明,此款钻机具有调角方便快捷、运输方便、操作简便等特点,是一款可满足多种施工需要的新型履带钻机。

煤矿井下坑道钻机电液控制系统的设计

为了缩短煤矿井下坑道钻机电控程序调试周期、方便程序开发人员调试程序、同时更好地展示电液控制钻机的动作,设计了一种煤矿井下坑道钻机电液控制系统。研究了无线遥控模块、电液控制器模块、钻机模拟实验台和智能控制算法四大模块的融合,实现对钻机模拟实验台状态参数和遥控器输入参数的读取和解析,以及对钻机行走、稳固、姿态调整、钻具装卸和钻进过程的远程遥控控制。该系统最大程度还原了煤矿井下坑道钻机的真实动作和工况特点,电液控制程序的调试可预先在钻机模拟实验台上进行,缩短了程序开发调试时间,提升了程序开发人员的工作效率,增加了实验室内钻机工况和动作展示的直观性。

对煤矿坑道钻机给进油缸座失效的分析

以应用于煤矿井下一种钻机的给进油缸座断裂这一实际情况为背景,应用ABAQUS有限元分析软件对油缸座进行三维建模和静力学分析,得到了油缸座在钻机给进和起拔工况下应力分布图,对其断裂原因进行了分析。并提出了对油缸座安全使用的改进方案,总结了零件选材的规律,为今后类似产品的设计提供了一定的参考价值。

煤矿坑道钻机自适应钻进系统分析与研究

针对煤矿复杂地层瓦斯抽采施工难度大,对司钻人员经验依赖性高的现状,对煤矿瓦斯抽采钻机的控制系统进行了深入研究,设计了钻进自适应控制系统。针对该系统的特点以转速和钻压为基础建立了数学模型,利用拉格朗日乘数法求优算法得出钻进参数的最优解。以PLC控制系统和电液控制比例系统为平台,以最优解为控制参数,使得钻进速度达到最大化,满足高效钻探施工的要求。

近水平坑道钻机给进机身工况下性能仿真分析

煤矿坑道钻机给进机身是钻机的主要执行机构,进行性能仿真分析是设计的关键步骤。利用三维建模软件和仿真分析软件对机身在3种不同工况下的受力情况进行静力学分析,并定义模态分析的边界条件,提取了机身在垂直钻进初始位置时的固有频率和振型,验证了设计合理性和可靠性,为机身结构设计和优化提供了依据。

煤矿坑道钻机用快速起下钻装置研制

针对煤矿坑道钻机起下钻过程耗用时间长,人工劳动强度大,机械化程度低等问题,研制了煤矿坑道钻机用快速起下钻装置。介绍了快速起下钻装置的方案制定,详细叙述了夹紧承托装置、吊装装置和钻杆架的设计过程,并简述了快速起钻和快速下钻的工艺流程。工业性试验中快速起下钻装置起下钻总进尺15 624 m,起下钻速度是单根钻杆起下钻速度的3.3倍左右,性能可靠,稳定高效,满足了钻孔施工过程中快速起下钻的功能要求。

ZDY2-1000LF型探放水钻机的研制及应用

为提高煤矿巷道掘进工作面探放水等探测孔的施工效率,研制了ZDY2-1000LF型探放水钻机。介绍了钻机的设计思路、结构组成及液压系统特点。型式试验和现场工业性试验表明,钻机体积小、结构安全可靠,满足设计及煤矿巷道掘进工作面超前探施工要求,为煤矿安全高效掘进提供了可靠的装备保障。

煤矿坑道钻机模拟实验台及关键技术

为了准确呈现煤矿井下坑道钻机的结构和工作状况,缩短煤矿井下坑道钻机电液控制程序调试周期,在分析现有多变幅履带钻机的基础上,研制了煤矿井下坑道钻机模拟实验台。重点介绍了钻机模拟实验台整体设计、调角装置设计计算和铰轴式给进装置设计要点等。该钻机模拟实验台可为煤矿井下坑道钻机电液控制程序预先调试提供平台,加快钻机电液控制程序的调试进程。

ZDY4000LD(A)型履带式全液压定向钻机的设计

ZDY4000LD(A)型履带式全液压定向钻机是一款面向狭窄巷道而设计的装备,主要用于中深孔的瓦斯抽采、探放水及顶底板注浆等钻孔施工。介绍了该钻机的设计思路,包括总体方案、关键结构、液压系统和外观造型设计,详细描述了关键结构部件和液压系统。该钻机具有结构简单,操作方便,巷道适应性强的特点,通过结构设计的优化,提高了钻机机身的调角度范围及给进行程,改善了钻机的工艺适应性。

煤矿坑道钻机液压过滤系统研究

全液压煤矿坑道钻机液压系统抗污染能力对钻机性能有着重要作用。针对坑道钻机液压过滤系统,通过对比分析液压油部分过滤系统缺点,提出钻机液压油全过滤解决方案;采用液压系统动态分析与试验相结合方法,分析液压系统泄油过滤回路参数匹配性,并通过试验验证参数设置合理性。结果表明,通过合理匹配旁通阀参数,泄油滤油器完全堵塞,泄油压力也不会超过限值;解决了液压系统泄油增加过滤系统易导致泄油压力过大的难题。

煤矿坑道钻机操纵台加工工艺及工装设计

针对煤矿坑道钻机操纵台在生产加工中存在的问题,分析了钻机操纵台加工工艺,设计了一套煤矿坑道钻机操纵台加工工装。该工装结构简单、使用方便、稳定可靠,能够有效解决钻机操纵台加工精度问题,提高钻机操纵台加工生产效率,同时对于钻机操纵台生产标准化具有非常重要的意义。