分離式螺旋鉆具截割與輸送協(xié)同優(yōu)化研究

張 強(qiáng) ，劉 偉 ，張潤(rùn)鑫 ，李寶岐 ，顧頡穎

（1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院, 山東 青島 266000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 阜新 123000）

0 引 言

螺旋鉆機(jī)作為礦山生產(chǎn)的重要設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于井下瓦斯抽放、區(qū)域卸壓、極薄煤層與露天礦端幫開(kāi)采等領(lǐng)域[1-3]。隨著煤礦智能化發(fā)展，提高煤機(jī)裝備自動(dòng)化水平與設(shè)備工作效率已成為大勢(shì)所趨，降低煤機(jī)裝備開(kāi)采能耗已成為推進(jìn)綠色礦山建設(shè)的必然要求。鉆具作為鉆機(jī)高效開(kāi)采的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，為提高鉆具的截割與輸送性能，降低鉆具截割輸送能耗，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[4]建立了鉆具輸送量和輸送能耗數(shù)學(xué)模型，以提高輸送量并降低輸送能耗為目標(biāo)，對(duì)鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的正確性；文獻(xiàn)[5]以螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)速度為變量，以輸煤生產(chǎn)率最大和能耗最低為目標(biāo)，利用遺傳算法和螞蟻算法的混合算法對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解，有效提高了螺旋鉆桿的輸煤效率；文獻(xiàn)[6]以鉆桿重量最輕為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)螺旋鉆桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，降低鉆桿重量的同時(shí)提高了鉆桿的強(qiáng)度；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種定心螺旋鉆頭，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤進(jìn)行二次切削，提高了鉆頭的切削性能；文獻(xiàn)[8]將螺桿輸送長(zhǎng)度作為變量考慮到螺桿輸送能耗模型中，以螺旋輸送總能耗最小、輸送效率最大化為目標(biāo)，對(duì)螺桿的螺距、轉(zhuǎn)速和輸送長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化，有效提高螺桿輸送性能；文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)多鉆頭并行鉆采時(shí)，鉆頭間的相互作用可以改善各鉆頭的截割性能，并指出鉆具性能優(yōu)化過(guò)程中，鉆頭和鉆桿各自優(yōu)化結(jié)果均會(huì)存在一個(gè)最優(yōu)轉(zhuǎn)速，鉆具轉(zhuǎn)速的優(yōu)化結(jié)果存在一定的局限性。其主要原因在于截割鉆頭與螺旋葉片通過(guò)焊接的方式進(jìn)行連接，兩者在驅(qū)動(dòng)電機(jī)下同步轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給轉(zhuǎn)速優(yōu)化結(jié)果帶來(lái)了局限性。為解決螺旋鉆具截割轉(zhuǎn)速與輸送轉(zhuǎn)速不匹配問(wèn)題，提高鉆具開(kāi)采效率，降低鉆具開(kāi)采能耗，提出一種新型分離式螺旋鉆具及其截割與輸送過(guò)程協(xié)同控制策略，為螺旋鉆機(jī)綠色開(kāi)采提供參考。

1 分離式鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

分離式鉆具將截割鉆頭與螺旋鉆桿進(jìn)行分離，分別利用獨(dú)立的控制系統(tǒng)對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。如圖1 所示，分離式鉆具是在傳統(tǒng)鉆具基礎(chǔ)上的改進(jìn)，通過(guò)增加內(nèi)桿的方式將截割鉆頭與螺旋鉆桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分離。內(nèi)桿限制在螺旋鉆桿內(nèi)與桿軸線同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)桿一端與截割鉆頭連接，一端與截割電機(jī)連接，截割驅(qū)動(dòng)力通過(guò)內(nèi)桿傳遞到截割鉆頭，而該過(guò)程中螺旋鉆桿不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋鉆桿的驅(qū)動(dòng)力由單獨(dú)的輸送電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)截割鉆頭與螺旋鉆桿間的運(yùn)動(dòng)分離。

圖1 分離式鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意Fig.1 Schematic design of separate drilling tool structure

多鉆桿拼接時(shí)，相鄰內(nèi)桿間通過(guò)聯(lián)軸器傳遞動(dòng)力，相鄰螺旋鉆桿通過(guò)端蓋間的配合傳遞動(dòng)力，從而解決分離式鉆具加裝鉆桿后動(dòng)力傳遞連續(xù)性問(wèn)題。如圖2 所示，新型分離式鉆具使用過(guò)程中的控制單元包括進(jìn)給速度控制、截割轉(zhuǎn)速控制與輸送轉(zhuǎn)速控制，鉆具推進(jìn)過(guò)程中，截割鉆頭與螺旋鉆桿保持相同的進(jìn)給速度。

圖2 分離式鉆具協(xié)同控制策略Fig.2 Separate drilling tool cooperative control strategy

對(duì)于螺旋鉆機(jī)，鉆具單位時(shí)間的開(kāi)采體積與鉆具的進(jìn)給速度成正相關(guān)，鉆具的單位時(shí)間的輸送能力與螺旋鉆桿的轉(zhuǎn)速成正相關(guān)。而螺旋鉆具的進(jìn)給速度普遍較低[10-11]，當(dāng)截割鉆頭單位時(shí)間截割的煤巖體積低于螺旋鉆桿單位時(shí)間的輸送能力，將導(dǎo)致螺旋鉆桿做一定的無(wú)效功造成能耗浪費(fèi)；當(dāng)截割鉆頭單位時(shí)間截割的煤巖體積高于螺旋鉆桿單位時(shí)間的輸送能力，將導(dǎo)致截割的煤巖不能及時(shí)輸送出鉆孔在螺旋鉆桿內(nèi)堆積，嚴(yán)重影響鉆具的使用安全，尋求截割鉆頭與螺旋鉆桿間的鉆速合理分配，對(duì)減少鉆具無(wú)效做功，降低鉆具開(kāi)采能耗有著重要影響。

2 鉆具截割與輸送能耗分析

2.1 鉆頭截割比能耗分析

分離式鉆具依靠其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，將鉆頭截割過(guò)程與鉆桿輸送過(guò)程由原來(lái)的整體同步分割為2 個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)，因此，鉆具整體的開(kāi)采能耗可分解成鉆頭截割能量消耗與鉆桿輸送能量消耗2部分。

由于截割鉆頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜很難通過(guò)準(zhǔn)確的數(shù)理方程對(duì)煤巖截割過(guò)程進(jìn)行定量描述，通過(guò)離散元數(shù)值模擬的方法對(duì)鉆頭截割能耗進(jìn)行仿真分析。參考LC-QH-12 型露天礦螺旋采煤機(jī)鉆具尺寸建立等比例鉆頭三維模型（圖3），所建鉆具直徑1 200 mm，鉆頭葉片螺距1 000 mm。為研究煤巖硬度、截割轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度對(duì)鉆頭截割能耗的影響規(guī)律，通過(guò)EDEM 建立3 種不同硬度的模擬煤壁進(jìn)行鉆具截割模擬，所建煤壁的煤巖屬性見(jiàn)表1[12]。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Coal rock property parameters

圖3 螺旋鉆具離散元截割模型Fig.3 Discrete element cut-off model for auger drilling tools

煤巖顆粒的接觸參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 煤巖顆粒的接觸參數(shù)Table 2 Contact parameters of coal rock particles

煤巖顆粒間黏結(jié)鍵參數(shù)由下式進(jìn)行估算[13]：

式中：kn與ks分別為法向剛度和切向剛度系數(shù)，N/m2；r為顆粒半徑，m； μ為泊松比；E為截割煤壁的彈性模量，Pa； σ為法向極限應(yīng)力，Pa； τ為切向極限應(yīng)力，Pa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）；C為黏聚力，Pa。

所建煤壁中煤巖顆粒直徑均為20 mm，鉆具材料默認(rèn)金屬鋼，導(dǎo)入鉆頭三維模型后進(jìn)行截割模擬。

針對(duì)煤巖硬度、鉆頭截割轉(zhuǎn)速與鉆頭進(jìn)給速度3 個(gè)影響因素共計(jì)建立27 組離散元截割模型，鉆具鉆采深度均為0.75 m，模擬完成后提取各工況下鉆具的截割扭矩并計(jì)算不同工況下的扭矩均值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同仿真方案對(duì)應(yīng)的截割扭矩Table 3 Cut-off torque for different simulation scenarios

根據(jù)不同仿真模型截割扭矩T與鉆頭轉(zhuǎn)速n1的關(guān)系計(jì)算不同工況下鉆頭的截割功率Pc：

計(jì)算完成后，以鉆頭截割功率Pc為函數(shù)響應(yīng)，以截割轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度v與煤巖硬度f(wàn)為變量建立多元回歸函數(shù)，得到關(guān)于鉆頭截割功率的回歸關(guān)系：

以鉆具截割比能耗Hw對(duì)鉆具開(kāi)采經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，截割比能耗反映了鉆具開(kāi)采1 m3煤巖過(guò)程中的能量損耗，對(duì)于煤礦企業(yè)來(lái)說(shuō)，截割比能耗越小煤巖開(kāi)采成本越低，開(kāi)采經(jīng)濟(jì)性越好，截割比能耗的評(píng)價(jià)模型如下：

式中：t為鉆頭截割時(shí)間，s；Vc為所截煤巖體積，m3；R為鉆頭鉆具半徑，m。

2.2 鉆桿輸送比能耗分析

鉆桿輸送物料過(guò)程中物料相對(duì)鉆桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化較小，對(duì)物料過(guò)程進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，可以通過(guò)建立鉆桿輸送物料阻力模型求解來(lái)估算鉆桿輸送功率，再根據(jù)輸送阻力與輸送物料的體積關(guān)系計(jì)算鉆桿輸送物料時(shí)的能耗數(shù)值。

如圖4 所示，當(dāng)不考慮葉片摩擦?xí)r，螺旋面A點(diǎn)的圓周速度vb=πn2r/30沿螺旋面方向，n2為鉆桿轉(zhuǎn)速，絕對(duì)速度v0=vbsin α沿法線方向，由于物料與葉片間的摩擦因數(shù) μ，使物料絕對(duì)速度vs方向偏離法向一個(gè)摩擦角 φ，對(duì)絕對(duì)速度vs進(jìn)行分解可得到顆粒的圓周速度vc和軸向速度va[14]：

圖4 物料運(yùn)動(dòng)速度分解Fig.4 Decomposition of particle motion velocity

根據(jù)物料速度的矢量關(guān)系可得出：

物料圓周速度vc和軸向速度va分別為

其中：

式中： α為螺旋升角，（°）；S為螺距，m。

將上述各式代入式(9)可得軸向速度va：

式中：ra為鉆桿外徑R與導(dǎo)桿直徑r的均值，m。

如圖5 所示，螺旋鉆桿輸送物料過(guò)程中，鉆桿需克服物料輸送過(guò)程中各種阻力，所需克服的阻力主要包括物料與孔壁的摩擦力、物料與葉片的摩擦力、物料提升阻力以及軸承摩擦阻力[15-17]：

圖5 螺旋葉片輸送示意Fig.5 Schematic of spiral blade conveying

根據(jù)鉆桿受力Fi與物料間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度vi的關(guān)系，可以計(jì)算鉆桿用于克服阻力Fi的輸送功率Pi：

1）克服物料與孔壁的摩擦功率P1：

其中，k0為阻力修正系數(shù)，對(duì)于磨磋性塊狀物料，取k0=1.2 ～1.6，F(xiàn)L為單位長(zhǎng)度的物料與孔壁的摩擦阻力，N/m。

其中：

其中：F為單位長(zhǎng)度物料對(duì)鉆孔的壓力，N/m；L為鉆采深度，m；fa為物料與孔壁的等效摩擦因數(shù)； β為輸送傾角，(°)；Fd為單位長(zhǎng)度物料對(duì)孔壁底部的線壓力，N/m；Fc為單位長(zhǎng)度物料對(duì)孔壁側(cè)邊的線壓力，N/m。

式中：Ac為物料輸送過(guò)程中的橫截面積，m2；h為物料層高度，m； γ為物料容積密度，kg/m3。

物料橫截面積Ac隨單位時(shí)間輸送的物料體積發(fā)生變化，單位時(shí)間輸送的物料越多，物料橫截面積越大，物料對(duì)應(yīng)的圓心角 θc越大，如圖6 所示，物料截面積與對(duì)應(yīng)圓心角的幾何關(guān)系如下：

圖6 物料圓心角示意Fig.6 Schematic of material rounding angle

鉆桿物料截面積Ac與對(duì)應(yīng)圓心角 θc的幾何關(guān)系呈分段函數(shù)變化：

當(dāng)0 ≤θc≤θs時(shí)：

當(dāng)θs≤θc≤π時(shí)：

當(dāng)π ≤θc≤2π-θs時(shí)：

當(dāng)2π-θs≤θc≤2π時(shí)：

其中：h為物料橫截面的高度，m；r為鉆桿導(dǎo)桿的直徑，m； θs為相切圓心角，rad； θp為鉆桿導(dǎo)桿的圓心角，rad。

物料橫截面的高度h與圓心角 θc的幾何關(guān)系：

相切圓心角 θs、導(dǎo)桿的圓心角 θp與鉆桿的幾何關(guān)系：

如圖7 所示，隨著物料圓心角 θc增大，物料橫截面積Ac不斷增大，變化速率先增大后減小。

圖7 物料截面積與圓心角函數(shù)關(guān)系Fig.7 Material cross-sectional area as a function of circular angle

根據(jù)物料截面積Ac與物料圓心角 θc的變化關(guān)系，可通過(guò)物料圓心角的變化來(lái)確定單位長(zhǎng)度物料對(duì)鉆孔的壓力F，進(jìn)一步計(jì)算可得克服物料與孔壁的摩擦功率P1：

2）克服物料與葉片的摩擦功率P2：

式中：fb為物料與葉片的摩擦因數(shù)。

3）克服物料提升高度功率P3：

4）克服軸承摩擦功率P4：

對(duì)于軸承的摩擦阻力，主要是由螺旋體質(zhì)量引起：

式中：fc為軸承摩擦因數(shù)；G為每節(jié)螺旋體質(zhì)量，kg；ds軸承平均直徑，m；N鉆桿節(jié)數(shù)。

鉆桿克服上述能量消耗所需電機(jī)功率Ps：

式中：Ks為修正系數(shù)。

鉆桿輸送比能耗Sn數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：Vs為輸送體積，m3。

鉆具單位時(shí)間開(kāi)采能力與鉆頭進(jìn)給速度呈正相關(guān)，而鉆桿輸送能力與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，如圖8 所示，鉆具進(jìn)給速度2 m/min 條件下，鉆桿較低鉆速就能滿足輸送要求，即鉆桿單位時(shí)間輸送的煤巖體積高于鉆頭單位時(shí)間截割的煤巖體積。

圖8 轉(zhuǎn)速對(duì)鉆具截割與輸送能力的影響Fig.8 Effect of rotating speed on cutting and conveying capacity of drill tool

由于截割后的煤巖由壓緊密實(shí)狀態(tài)到松散狀態(tài)過(guò)程中體積會(huì)增大，為避免物料輸送過(guò)程發(fā)生堵塞，需要通過(guò)提高鉆桿鉆速的方式增加鉆桿輸送容錯(cuò)能力。但當(dāng)鉆桿輸送能力遠(yuǎn)高于鉆頭截割能力時(shí)就會(huì)造成鉆桿無(wú)用功消耗量增加，不利于鉆具的輸送節(jié)能。鉆桿實(shí)際工作過(guò)程中，增加轉(zhuǎn)速能夠有效提高輸送能力，但鉆頭單位時(shí)間截割煤量不隨鉆桿轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，因此，鉆具進(jìn)給速度確定工況下，鉆桿鉆速增至一定值時(shí)，鉆桿單位時(shí)間輸送量將不再發(fā)生變化。

進(jìn)給速度1.0 m/min 時(shí)，由于鉆桿輸送能力飽和，鉆桿單位時(shí)間輸送煤巖體積將不隨鉆速增加、鉆采深度增加而發(fā)生變化，見(jiàn)表4。而隨著鉆桿轉(zhuǎn)速增加鉆桿單位時(shí)間的輸送功率增大，鉆桿輸送比能耗增大，且鉆采深度越大輸送比能耗越大。

表4 不同工況鉆桿轉(zhuǎn)速與輸送比能耗關(guān)系Table 4 Relationship between drill pipe speed and specific energy consumption under different working conditions

3 基于多目標(biāo)優(yōu)化的鉆具協(xié)同控制模型

分離式鉆具工作過(guò)程中，截割鉆頭先將煤巖體進(jìn)行截割，破碎后的煤巖在螺旋鉆桿作用下進(jìn)行輸送，鉆頭與鉆桿間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)鉆具內(nèi)的煤巖輸送狀態(tài)相互影響，鉆頭單位時(shí)間截割煤巖體積若高于鉆桿單位時(shí)間的輸送能力，會(huì)增加鉆桿堵轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，鉆桿單位時(shí)間輸送能力遠(yuǎn)高于鉆頭單位時(shí)間截割的煤巖體積將造成鉆桿能耗浪費(fèi)。

通過(guò)分析截割與輸送的煤巖體積變化，獲取鉆頭與鉆桿間的內(nèi)在聯(lián)系，建立分離式鉆具協(xié)同優(yōu)化數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)現(xiàn)鉆具高效開(kāi)采有著重要意義。如圖9 所示，截割鉆頭前方煤巖未破碎前處于緊密狀態(tài)，被截割破碎后煤巖由緊密狀態(tài)變化為松散狀態(tài)。

圖9 煤巖狀態(tài)變化示意Fig.9 Diagram of coal and rock state change

煤巖截割前緊實(shí)狀態(tài)圖10a，截割破碎后的松散煤巖圖10b 通過(guò)鉆桿進(jìn)行輸送，松散的煤巖在螺旋鉆桿的輸送作用下，輸送煤巖的軸向距離增大，橫截面積降低，煤巖截面積變化如圖10 所示。

圖10 煤巖截面變化示意Fig.10 Diagram of coal and rock cross section change

當(dāng)截割鉆頭以v勻速向前推進(jìn)， Δt時(shí)間內(nèi)推進(jìn)距離為Δl1=vΔt，鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中煤巖軸向移動(dòng)距離為Δl2=vaΔt，由質(zhì)量守恒定律[18-19]：

式中：Ad為鉆頭截割面積，m2； ρ為物料壓實(shí)密度，kg/m3； γ為物料容積密度，kg/m3。

整理得：

當(dāng)鉆頭進(jìn)給速度不變，鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)速度不發(fā)生變化時(shí)，鉆桿上輸送煤巖的橫截面積不變。

聯(lián)立式(31)與式(17)—式(20)建立鉆具運(yùn)動(dòng)參數(shù)與物料圓心角之間的函數(shù)關(guān)系 θc的集合：

根據(jù)物料圓心角 θc可計(jì)算鉆桿輸送煤巖時(shí)的各項(xiàng)能耗。聯(lián)立鉆頭截割能耗模型與鉆桿輸送能耗模型，以鉆頭截割比能耗Hw與鉆桿輸送比能耗Sn最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)：

式中：K1為截割比能耗權(quán)重系數(shù)；K2為螺旋葉片輸送比能耗權(quán)重系數(shù)。

取K1與K2權(quán)值：

分別以截割電機(jī)功率、鉆具進(jìn)給速度調(diào)整范圍、煤巖填充率、截割電機(jī)與輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍及物料輸送圓心角為約束條件：

1) 電機(jī)功率約束。鉆頭截割與鉆桿輸送過(guò)程相對(duì)獨(dú)立，動(dòng)力傳遞效率與煤巖硬度不變條件下鉆頭最佳截割參數(shù)不隨鉆采深度的增加發(fā)生變化，而鉆桿輸送最佳轉(zhuǎn)速會(huì)隨鉆采深度的增加不斷變化。因此，鉆具電機(jī)功率約束策略上保持鉆頭恒功率截割，而根據(jù)開(kāi)采工況不斷調(diào)整鉆桿的輸送功率，始終保持鉆桿輸送能力與鉆頭開(kāi)采能力相匹配。

隨著鉆采深度的增加鉆桿連接數(shù)量不斷增加，鉆桿傳動(dòng)的機(jī)械效率逐漸降低，機(jī)械傳遞效率與鉆桿節(jié)數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

式中： ηL為相鄰鉆桿間的機(jī)械傳遞效率；m為鉆桿聯(lián)接節(jié)數(shù)；l為每節(jié)鉆桿長(zhǎng)度，m。

當(dāng)電機(jī)額定功率Pd不變時(shí)，隨著鉆桿連接數(shù)量的增加，鉆頭與鉆桿的實(shí)際功率均下降，即：

2) 電機(jī)轉(zhuǎn)速約束。大口徑螺旋鉆機(jī)實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中通常通過(guò)降低鉆具轉(zhuǎn)速的方式提高鉆具的截割能力，另一方面大口徑鉆具高速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)劇烈的振動(dòng)，因此螺旋鉆機(jī)通常旋轉(zhuǎn)速度較低：

3) 推進(jìn)速度約束。螺旋鉆具由推進(jìn)油缸推動(dòng)鉆具向煤巖層截割，該過(guò)程推進(jìn)油缸需提供足夠的推進(jìn)力，通常推移速度不宜過(guò)大：

4) 填充系數(shù)約束。鉆桿輸送物料過(guò)程中物料的填充系數(shù)不超過(guò)許用最大填充系數(shù) [ψ]：

即物料圓心角 θc不超過(guò) π，物料橫截面積Ac不超過(guò)π(R2-r2)/2：

5) 鉆桿輸送能力約束。為保證鉆桿內(nèi)輸送物料不發(fā)生堵塞，鉆桿輸送能力要高于鉆頭截割能力，確保鉆頭截割的煤巖能夠及時(shí)輸送：

4 分離式鉆具協(xié)同控制能耗分析示例

以鉆頭截割比能耗與鉆桿輸送比能耗最小為目標(biāo)建立了分離式鉆具協(xié)同優(yōu)化模型，所建協(xié)同優(yōu)化數(shù)型中優(yōu)化參數(shù)包括鉆頭轉(zhuǎn)速、輸送轉(zhuǎn)速與鉆具進(jìn)給速度，輸入?yún)?shù)包括煤巖硬度、鉆采深度與開(kāi)采傾角。其中，煤巖硬度、鉆采深度與開(kāi)采傾角作為開(kāi)采工況已知條件。協(xié)同優(yōu)化模型根據(jù)已知開(kāi)采工況去優(yōu)化鉆頭與鉆桿的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

選擇多種工況對(duì)分離式鉆具協(xié)同優(yōu)化效果與傳統(tǒng)鉆具的優(yōu)化效果進(jìn)行對(duì)比，其中傳統(tǒng)鉆具優(yōu)化模型中鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆桿鉆速一致，模型優(yōu)化目標(biāo)與約束條件均與分離式協(xié)同優(yōu)化模型一致。對(duì)硬度f(wàn)=1.49 的均質(zhì)煤層水平截割工況進(jìn)行優(yōu)化分析，其中，鉆頭初始轉(zhuǎn)速45 r/min，鉆具初始進(jìn)給速度1 m/min，模型其余參數(shù)如下：

分離式鉆具機(jī)械傳動(dòng)損失包括內(nèi)桿與內(nèi)桿的機(jī)械傳動(dòng)損失以及鉆桿與鉆桿的機(jī)械傳動(dòng)損失，而傳統(tǒng)鉆具的機(jī)械損失只包含鉆桿與鉆桿間的機(jī)械傳動(dòng)損失，當(dāng)分離式鉆具的截割電機(jī)額定功率130 kW，輸送電機(jī)額定功率20 kW；取傳統(tǒng)鉆具截割電機(jī)額定功率150 kW 時(shí)，2 種鉆具額定功率下的功率損失計(jì)算如下：

式中：P′為傳統(tǒng)鉆具損失功率，kW；PEe為電機(jī)額定功率，kW；P′′分離式鉆具功率損失，kW；PE、Pe分為截割電機(jī)與輸送電機(jī)額定功率，kW。

鉆采深度相同時(shí)，2 種鉆具額定功率工作時(shí)機(jī)械傳動(dòng)損耗功率相同，由于鉆桿輸送功率可以隨輸送負(fù)載不斷調(diào)整，相同工況下分離式鉆具機(jī)械傳統(tǒng)損失會(huì)略低于傳統(tǒng)鉆具。

為研究分離式鉆具協(xié)同控制效果，分別對(duì)10、30 與50 m 鉆深工況進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果分析，利用鉆具協(xié)同控制模型對(duì)傳統(tǒng)鉆具與分離式鉆具截割參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其中，傳統(tǒng)鉆具優(yōu)化模型中鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆桿轉(zhuǎn)速保持一致，截割與輸送總功率低于150 kW，分離式鉆具的截割電機(jī)功率不超過(guò)130 kW，輸送電機(jī)功率不超過(guò)20 kW。利用遺傳算法對(duì)模型優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行求解，遺傳算法求解中群體大小設(shè)置20，交叉概率設(shè)置0.4，變異概率設(shè)置0.01，遺傳算法終止迭代次數(shù)設(shè)置50 次，新型鉆具鉆采10 m 時(shí)遺傳算法收斂曲線如圖11 所示，采用遺傳算法求解鉆具優(yōu)化參數(shù)具有良好的收斂性。

圖11 遺傳算法收斂曲線Fig.11 Genetic algorithm convergence curve

分別對(duì)傳統(tǒng)鉆具與新型鉆具在不同鉆采深度下的鉆具工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 兩種鉆具不同鉆采深度下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Table 5 Kinematic parameter optimization results of two kinds of drill tools at different drilling depths

優(yōu)化結(jié)果顯示，裝機(jī)總功率一致下，傳統(tǒng)鉆具能夠利用裝機(jī)功率集中優(yōu)勢(shì)提高鉆具的進(jìn)給速度，增加鉆具單位時(shí)間的開(kāi)采效率，而分離式鉆具能夠通過(guò)降低鉆桿轉(zhuǎn)速的方式降低鉆桿輸送功率從而彌補(bǔ)截割電機(jī)的功率損失。

隨著鉆采深度的增加，2 種鉆具的截割比能耗與輸送比能耗均增大，其主要原因是隨著鉆采深度的增加，鉆桿連接節(jié)數(shù)增多，系統(tǒng)傳動(dòng)損耗功率增大導(dǎo)致鉆頭截割過(guò)程中的有效功率減小，另一方面，隨著鉆桿節(jié)數(shù)的增多，鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程需克服的阻力增大，鉆桿輸送過(guò)程中的有效功率比值減小，見(jiàn)表6。

表6 優(yōu)化后的鉆具性能Table 6 Optimized drill performance

相比于傳統(tǒng)鉆具，分離式鉆具擁有更好的能耗優(yōu)化結(jié)果，在鉆采深度10、30 與50 m 條件下，分離式鉆具截割比能耗優(yōu)化結(jié)果分別比傳統(tǒng)鉆具低6.92%、2.32%與1.88%，輸送比能耗分別低1.47%、3.09%與6.31%，隨著鉆采深度的增加分離式鉆具在輸送比能耗上的優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)。

5 分離式新型鉆具制備與試驗(yàn)測(cè)試分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證分離式鉆具對(duì)解決螺旋鉆具截割轉(zhuǎn)速與輸送轉(zhuǎn)速不匹配問(wèn)題的有效性，通過(guò)制備分離式新型鉆具實(shí)物模型，搭建分新型鉆具試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，以試驗(yàn)的方式進(jìn)行效果檢驗(yàn)。

根據(jù)圖1 分離式新型鉆具的設(shè)計(jì)圖紙制備鉆具實(shí)物模型，其中制備鉆具直徑200 mm，鉆具內(nèi)桿直徑65 mm，鉆桿長(zhǎng)度840 mm，葉片螺距250 mm，鉆具整體質(zhì)量10.34 kg，鉆具試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖12所示。

圖12 新型鉆具試驗(yàn)測(cè)試裝置Fig.12 New drill test device

測(cè)試裝置包括鉆頭截割電機(jī)、鉆桿輸送電機(jī)、電機(jī)變頻器、轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩-功率傳感器、截割煤倉(cāng)與信號(hào)采集系統(tǒng)。如圖13 所示，測(cè)試裝置通過(guò)螺旋鉆桿中的內(nèi)桿驅(qū)動(dòng)截割鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)；通過(guò)鏈條傳動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)；通過(guò)滾珠絲杠控制鉆桿軸向移動(dòng)，鉆頭與鉆桿的速度變化均通過(guò)變頻器控制實(shí)現(xiàn)。

圖13 試驗(yàn)測(cè)試裝置局部結(jié)構(gòu)組成Fig.13 Test device local structure composition

鉆頭最佳截割參數(shù)隨截割煤巖的硬度、電機(jī)輸送功率等因素不斷發(fā)生變化，為驗(yàn)證分離式鉆具協(xié)同優(yōu)化效果，需要建立鉆頭截割能耗模型與鉆桿輸送能耗模型，考慮試驗(yàn)周期和試驗(yàn)成本，通過(guò)向煤倉(cāng)填充煤矸模擬煤巖開(kāi)采情況，利用透明亞克力管道模擬鉆孔煤壁，對(duì)鉆頭截割管道內(nèi)煤矸與鉆桿輸送煤矸過(guò)程進(jìn)行協(xié)同試驗(yàn)研究，試驗(yàn)工況如圖14 所示。

圖14 分離式鉆具截割輸送試驗(yàn)工況Fig.14 Test condition of separated drill tool cutting and conveying

通過(guò)改變鉆頭轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度多次試驗(yàn)，采集不同工況下鉆頭截割功率，當(dāng)鉆頭截割功率平穩(wěn)后，取功率平均值作為鉆頭當(dāng)前工況下的截割功率，鉆頭截割試驗(yàn)方案與功率測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 鉆頭截割試驗(yàn)與測(cè)量功率Table 7 Bit cutting test and measuring power

以鉆頭截割功率為函數(shù)響應(yīng)，以鉆頭截割轉(zhuǎn)速nt與進(jìn)給速度vt為變量進(jìn)行多元回歸擬合，得到當(dāng)前工況下鉆頭的截割功率Pt的回歸關(guān)系：

鉆桿輸送計(jì)算功率與實(shí)際測(cè)量功率偏差最大誤差為26.23%，平均誤差18.55%，通過(guò)調(diào)整功率修正系數(shù)Ks對(duì)輸送功率數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正，Ks調(diào)整為1.47。將試驗(yàn)所得當(dāng)前工況下鉆頭截割功率回歸關(guān)系替代式(5)，建立當(dāng)前鉆頭開(kāi)采工況的截割能耗模型，將分離式鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入鉆桿輸送能耗數(shù)學(xué)模型中建立當(dāng)前工況下鉆桿的輸送能耗模型，分別以截割電機(jī)功率50 W，鉆桿輸送功率18 W 為約束，以當(dāng)前工況下鉆頭截割比能耗與鉆桿輸送比能耗數(shù)值最小為目標(biāo)，利用遺傳算法對(duì)鉆頭截割鉆速、鉆桿輸送轉(zhuǎn)速以及鉆具進(jìn)給速度進(jìn)行優(yōu)化求解，得到傳統(tǒng)鉆具與分離式鉆具優(yōu)化參數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，鉆具優(yōu)化參數(shù)與對(duì)應(yīng)截割比能耗、輸送比能耗的結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 兩種鉆具截割參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與性能評(píng)價(jià)Table 8 Optimization results and performance evaluation of cutting parameters of two kinds of drill tools

對(duì)2 種鉆具優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，鉆頭與鉆桿同速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)截割與輸送實(shí)測(cè)總功率為67.81 W，與預(yù)設(shè)偏差0.3%，鉆頭與鉆桿差速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)截割與輸送實(shí)測(cè)總功率為66.17 W，與預(yù)設(shè)偏差2.7%，功率分配偏差較小，2 種鉆具試驗(yàn)結(jié)果顯示，相同工況下，分離式鉆具比傳統(tǒng)鉆具擁有更好的開(kāi)采性能，鉆頭與鉆桿協(xié)同優(yōu)化后進(jìn)給速度提高了2.98%，截割比能耗降低了5.63%，輸送比能耗降低了0.81%。

6 結(jié) 論

1）提出了新型分離式鉆具結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鉆頭截割轉(zhuǎn)速與鉆桿輸送轉(zhuǎn)速獨(dú)立控制，解決了鉆具最佳截割轉(zhuǎn)速與輸送轉(zhuǎn)速不匹配問(wèn)題。

2）通過(guò)建立鉆頭截割與鉆桿輸送協(xié)同能耗優(yōu)化模型，對(duì)鉆頭截割轉(zhuǎn)速、鉆桿輸送轉(zhuǎn)速以及鉆具進(jìn)給速度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果顯示，當(dāng)鉆具截割與輸送總功率相同時(shí)，傳統(tǒng)鉆具利用功率集中優(yōu)勢(shì)能夠提高鉆具進(jìn)給速度，增加鉆具開(kāi)采效率，而分離式鉆具能夠通過(guò)鉆頭與鉆桿運(yùn)動(dòng)參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，進(jìn)一步降低鉆具開(kāi)采比能耗，并隨著鉆采深度的增加，分離式鉆具低輸送比能耗優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)。

3）通過(guò)制造分離式鉆具實(shí)物模型，利用試驗(yàn)的方法對(duì)分離式鉆具協(xié)同優(yōu)化性能進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)鉆具新型鉆具優(yōu)化結(jié)果具有更好的節(jié)能效果，相同工況下，相比與傳統(tǒng)鉆具分離式鉆具協(xié)同優(yōu)化后進(jìn)給速度提高了2.98%，截割比能耗降低了5.63%，輸送比能耗降低了0.81%。試驗(yàn)驗(yàn)證了分離式鉆具協(xié)同優(yōu)化效果的有效性。