水平定向钻智能化研究探讨

2007-08-17 02:52:34

水平定向钻智能化研究探讨
摘要：本文以水平定向钻机为研究对象，对其智能化控制技术研究的必要性、研究内容、研究的可行性进行了探讨，为其它工程机械智能化控制技术的研究提供参考依据。
关键词：定向钻机智能化
１?智能化控制技术研究的必要性
水平定向钻是非开挖机械的重要组成部分，国内水平定向钻产品虽初具规模，但与国际名牌水平定向钻机相比，其智能化水平还存在较大的差距。为了赶超国际先进水平，创造水平定向钻机的国产品牌，必须提升国产水平定向钻机的智能控制技术，提高与国外名牌产品的竞争力。达到高新技术产品产业化的规模，促进形成若干个具有一定技术实力和生产能力的基地；研制开发一批社会效益明显、需求相对集中、面向地下管线工程建设与维护应用的实用型智能化非开挖定向钻机施工装备，积极推进其商品化的进程。实现我国非开挖产品开发及其实用化技术的跨越式发展，促进我国非开挖领域的技术积累和成果转化，为正在形成并迅猛发展的地下管线非开挖技术市场提供我国拥有自主知识产权的关键技术和支撑条件。同时也为传统机械产品结构更新提供技术支持，为新世纪工程机械的持续发展积累技术储备。
水平定向钻智能化研究项目的开展具有很大意义，主要包括以下几个方面：
１）对提高我国制造与自动化技术水平、增强我国装备制造业的技术创新能力、促进传统制造行业的技术改造与产业升级、加快我国经济结构战略性调整、走新型工业化发展道路具有重要的意义。
２）为研究开发基础技术、单元产品和系统装备，掌握战略必争装备关键技术及竞争前核心技术，增强自主设计与制造重大关键设备的能力，提升制造业基础装备的水平，取得一批具有自主知识产权的创新成果，推动制造业信息化工程的发展，实现机器人技术与自动化工艺装备的跨越式发展具有重要意义。
３）提高我国非开挖定向钻机的技术水平，替代进口，为非开挖技术的推广应用提供更有效的基础设备。为开发其它非开挖技术产品打下良好的基础，有助于此类产品形成规模产业。
２．主要研究内容
１）智能定位导向仪
智能定位导向仪是一套完整的信息系统。它包括智能型的无线抗干扰双频探头发射装置，手提液晶显示仪及远距离同步显示器，探测深度一般为１０～１６Ｍ，可连续显示钻头的深度、面向角、温度，电池状况等信息的采集、处理及显示，以保证施工的顺利完成。
在广泛收集各类直接的和间接的倾角、面向角、深度、温度传感器技术资料的基础上，对无线信号场进行理论和实测分析，研制相应的发射与接收系统、优化信号处理电路的逻辑设计，采用军品级元器件和先进的电路加工制作工艺来提高抗干扰性，通过大量的实验和调试获得尽可能低的信号衰减率，使仪器具有高精度、高稳定性、高响应速率和高性价比及耐高温、抗强震的使用可靠性。
２）远程控制紧急停机技术
研究钻遇电力、通讯等原有地下设施的预警系统，开发由跟踪探测仪向钻机远程发送紧急停机控制信号和控制钻机紧急制动的技术，使非开挖导向钻进新增重要的安全施工自动化、智能化技术措施。
３）定向钻进规划软件
研究随钻三维地下轨迹跟踪软件技术，全面分析各种地层土性、导向强度等参数，开发全视角动态显示非开挖导向钻进已成轨迹、计算机智能预测待钻轨迹和快速规划全程导向钻孔优选方案的机器人智能设计系统。
４）自动钻进的专用控制器及控制技术
制作专用ＰＬＣ控制器，控制钻机实现自动钻进，自动回拖、自动施放地锚和钻机行进时的高质量无级变速和转向控制。
５）防触电安全保护技术
主要研究触电保护系统及其相关配套检测仪。
６）智能故障诊断技术
故障诊断装置通过循回检测的方式检测发动机、液压系统、控制系统、泥浆系统的３０余个技术参数，来判断钻机的工作是否正常，在出现故障时及时控制停机，给出故障号码，防止对钻机造成较大的破坏。
３．我国现有技术基础分析
３．１非开挖定向钻机行业技术基础
１）建立了我国自己的非开挖装备设计与研制基地，初步具备了全方位研制、开发各类非开挖施工装备的能力，并开发出了一定数量和规格的作业装备。这些基地包括河北廊坊勘探技术研究所、原地矿部中地装备集团技术中心、徐工集团、中联重科、宣化英格索兰公司、北京煤矿机械厂、山东探矿机械厂、重庆探矿机械厂、石油物探局装备制造厂、河南畅通电信管道工程有限公司，以及部分高校科研院所，如清华大学、中国地质大学、重庆大学（含原重庆建筑大学）、吉林大学、煤炭科学研究院上海分院、上海市政工程研究院、浙江大学等。
２）涌现出一批地下管线非开挖施工企业。据不完全统计，由于环境保护意识的加强，在北京、上海、天津、深圳、广州、成都、南京等地组建的非开挖专业建设公司约１００家。这些企业目前虽然面临着市场运作不完善，缺少应有的技术标准规范、没有定额可循，投资规模普遍较小，受资金的限制等困难，但由于其高技术含量，项目市场回报率一般维持在工程总额度的３０％左右。从项目性质看，上述企业已初步涉足非开挖技术的各个领域，并积累了较好的施工经验，为今后的进一步发展打下了良好基础。
３．２非开挖定向钻机智能控制技术基础
１）在非开挖无线导向仪方面，一些高等院校已从事该类仪器的研究多年，设计的传感器系统能较精确地检测钻头倾角、钻具面向角、钻头垂直深度和钻头温度，研发的无线信号发收系统能实现从地下到地面的信号传递，并能将信号远距离发送给钻机；开发出的钻孔三维轨迹模拟软件已能用于设计导向钻进轨迹。
２）国家８６３科技计划执行以来，积累了大量高科技成果，尤其是自动化装备领域所建的产业化基地，为非开挖定向钻机的技术开发与应用提供了有利的基础条件。
３）现代工况监视与故障诊断技术己在保障机器设备的安全运行、预防事故方面起到了关键性的指导作用，取得了显著的经济效益和社会效益。对美国、日本、德国和法国工程机械的发展趋势的调研表明：除对工程机械各功能部件进一步完善外，广泛采用了实时电子监控和故障诊断系统，实现对单台机械主要功能部件的状态监控和故障自诊断，乃至整机的集中控制与诊断，已成为工程机械发展的主要方向。
４．结束语
与发达国家相比，我国非开挖技术产业发展还存在很多问题。在装备研发方面，目前主要是投入的力度不够，缺乏产业规划和研发的系统组织。此外前期研制的装备主要集中在简易的中小型定向钻机、气动矛和气动锤三大类。而对于大型高技术含量的智能型定向钻机、导向仪和自动化程度较高的探地雷达装备基本没有涉足。因此，利用我国现有的高新技术成果，开发研究非开挖定向设备及应用技术，实现国产化，将为我国城市地下管线工程施工现代化提供技术支持，为国家的现代化建设和西部大开发提供急需的一种技术手段，对加快我国基础建设速度具有重大意义。

原作者：徐工研究院张忠海　张宏　杨满江　张启君
来源：徐州工程机械杂志