Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc điều khiển hợp lý chế độ khoan nhằm giảm độ rung cho máy khoan xoay cầu trong công nghiệp khai thác mỏ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:182

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án nhằm đề xuất cấu trúc điều khiển hợp lý chế độ khoan kết hợp với các thuật toán điều khiển tiên tiến và hiện đại nhằm mục tiêu giảm độ rung cho máy khoan xoay cầu trong công nghiệp khai thác mỏ. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc điều khiển hợp lý chế độ khoan nhằm giảm độ rung cho máy khoan xoay cầu trong công nghiệp khai thác mỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT Lê Ngọc Dùng NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỢP LÝ CHẾ ĐỘ KHOAN NHẰM GIẢM ĐỘ RUNG CHO MÁY KHOAN XOAY CẦU TRONG CÔNG NGHIỆP KHAI THÁC MỎ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT Lê Ngọc Dùng NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỢP LÝ CHẾ ĐỘ KHOAN NHẰM GIẢM ĐỘ RUNG CHO MÁY KHOAN XOAY CẦU TRONG CÔNG NGHIỆP KHAI THÁC MỎ Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9520216 Người hướng dẫn khoa học: 1. TS ĐẶNG VĂN CHÍ 2. TS PHẠM CÔNG HÒA Hà Nội - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu sử dụng trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn khai thác mỏ của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Người cam đoan Lê Ngọc Dùng
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin được chân thành cảm ơn TS. Đặng Văn Chí và TS. Phạm Công Hòa đã quan tâm, định hướng nghiên cứu, hướng dẫn tận tình NCS trong suốt thời gian thực hiện bản luận án này. Tác giả xin cảm ơn về những lời khuyên bổ ích và ý kiến đóng góp trong công tác chuyên môn của TS. Nguyễn Chí Tình, PGS.TS. Nguyễn Đức Khoát, PGS.TS. Khổng Cao Phong, Quý Thầy, Cô trong Bộ môn Tự động hóa, Khoa Cơ điện, Phòng đào tạo sau đại học Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Đặc biệt là sự giúp đỡ của Lãnh đạo Công ty cổ phần than Cao Sơn giành cho NCS trong quá trình tìm hiểu công nghệ khoan, cung cấp các tài liệu tham khảo liên quan tới luận án và hỗ trợ khảo sát đo số liệu tại khai trường. Tác giả xin được cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Công nghệ Đồng Nai, Gia đình và bạn bè đồng nghiệp đã không ngừng động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi để NCS hoàn thành bản luận án này. Tác giả luận án Lê Ngọc Dùng
MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY KHOAN XOAY CẦU 6 1.1.Giới thiệu về máy khoan xoay cầu 6 1.2.Tình hình sử dụng máy khoan xoay cầu tại các đơn vị khai thác mỏ của Việt Nam. 8 1.3.Tổng quan về hệ thống điều khiển máy khoan xoay cầu ở Việt Nam 8 1.3.1. Sơ đồ kênh tạo áp lực trục 9 1.3.2. Truyền động quay ty trên máy khoan CБШ– 250 và 250T 11 1.4. Tổng quan các nghiên cứu về hệ thống điều khiển máy khoan xoay cầu trên thế giới 12 1.5. Nhận xét 17 Chương 2. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CỨNG ĐẤT ĐÁ ĐẾN RUNG ĐỘNG CỦA MÁY KHOAN XOAY CẦU 19 2.1. Ảnh hưởng của độ cứng đất đá đến các chế độ khoan 19 2.2. Các thông số của quá trình khoan 19 2.3. Rung động trong quá trình khoan 21 2.3.1. Nguyên nhân dẫn đến rung động 22 2.3.2. Phân tích rung động 23 2.4. Thực nghiệm đo rung động 24 2.4.1. Xác định vị trí đo và đối tượng đo 24 2.4.2. Chọn thiết bị đo độ rung 25 2.4.3. Ghi và thu thập dữ liệu rung động 27 2.5. Nghiên cứu rung động máy trong quá trình khoan 29 2.5.1. Ảnh hưởng của điều kiện địa chất, tính chất cơ lý của đất đá 29 2.5.2. Ứng dụng FFT để phân tích phổ rung động máy khoan 30 2.6. Xây dựng quan hệ thông số quá trình khoan với tín hiệu rung động 48 2.6.1. Quan hệ tín hiệu rung trục Y với thông số quá trình khoan 49 2.6.2. Quan hệ tín hiệu rung trục Z với thông số quá trình khoan 53 2.7. Nhận xét 56
Chương 3. MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY VÀ ÁP LỰC TRỤC TRÊN MÁY KHOAN XOAY CẦU 58 3.1. Nghiên cứu xây dựng mô hình toán cho động lực học của hệ thống điều khiển máy khoan xoay cầu 58 3.1.1. Ý nghĩa của việc xây dựng mô hình toán cho máy khoan xoay cầu 58 3.1.2. Hệ thống điều khiển kênh quay ty và mô hình toán 59 3.1.3. Hệ thống điều khiển lực ấn ty khoan và mô hình toán 76 3.2. Mô hình toán động lực học của hệ thống điều khiển máy khoan 86 3.3. Nhận xét 87 Chương 4. NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỢP LÝ CHẾ ĐỘ KHOAN NHẰM GIẢM ĐỘ RUNG CHO MÁY KHOAN XOAY CẦU 89 4.1. Hệ thống điều khiển giảm rung đề xuất cho máy khoan xoay cầu 89 4.2. Hệ thống điều khiển tốc độ quay ty khoan của máy khoan xoay cầu 92 4.2.1. Xây dựng bộ nhận dạng biên độ và tần số rung động ứng dụng mạng nơron nhân tạo 92 4.2.2. Thiết kế bộ điều khiển bù mờ α cho kênh quay ty 108 4.2.3. Sơ đồ điều khiển kênh quay ty ứng dụng bộ bù mờ 112 4.3. Đề xuất hệ thống điều khiển cho kênh điều khiển lực ấn ty khoan 112 4.3.1. Thiết kế bộ bù mờ u cho kênh điều khiển lực ấn ty khoan 113 4.3.2. Sơ đồ điều khiển lực ấn ty khoan ứng dụng bộ bù mờ 117 4.3.3. Tối ưu lực ấn ty khoan 117 4.4. Hệ thống điều khiển cho máy khoan xoay cầu và kết quả mô phỏng 119 4.4.1. Hệ thống điều khiển giảm rung cho máy khoan xoay cầu 119 4.4.2. Các kết quả mô phỏng 120 4.5. Nhận xét 126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 PHỤ LỤC 135
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu, chữ viết tắt Mô tả 1 n Tốc độ quay ty khoan 2 F Lực ấn ty khoan 3 fc Độ cứng đá khoan 4 freq Tần số của tín hiệu rung động 5 Iư Dòng điện phần ứng động cơ khoan 6 Ic Dòng điện cắt của động cơ khoan 7 Id Dòng điện dừng của động cơ khoan 8 Udk Điện áp điều khiển 9 vk Tốc độ khoan 10 𝛼 Góc mở của thyristor 11 ANN Artificial Neural Network 12 BBĐ Bộ biến đổi 13 CBA Cảm biến điện áp 14 ĐC Động cơ 15 ĐK Điều khiển 16 HTĐK Hệ thống điều khiển 17 HC Hiệu chỉnh 18 KĐT Khuyếch đại tổng 19 KĐTH Khuyếch đại tín hiệu 20 NI National Instruments 21 TĐĐ Truyền động điện 22 FFT Fast Fourier Transform 23 THKĐ Tổng hợp - Khuyếch đại 24 MWD Measure while drilling 25 XP Xung pha
DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Số lượng máy khoan xoay cầu đang được sử dụng tại 6 công ty ..... 8 Bảng 2.1. Mức cho phép gia tốc rung toàn thân ở các dãi tần số ốc ta........... 21 Bảng 2.2. Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy khoan CБШ-250T ............ 25 Bảng 2.3. Trích lược số liệu ghi độ rung dạng bảng cơ sở dữ liệu Excel ....... 29 Bảng 2.4. Phổ tần FFT của trục Y tại độ sâu 3m - 6m -10m -13m................. 43 Bảng 2.5. Phổ tần FFT của trục Z tại độ sâu 3m - 6m - 10m - 13m ............... 44 Bảng 2.6. Thông số quá trình khoan và tín hiệu rung trục Y.......................... 49 Bảng 2.7. Thông số quá trình khoan và tín hiệu rung trục Z .......................... 53 Bảng 4.1. Bộ dữ liệu vào – ra của mạng ....................................................... 103 Bảng 4.2. Kết quả điều khiển giảm rung của hệ thống ................................. 122
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Cấu tạo của máy khoan xoay cầu 6 Hình 1.2. Sơ đồ kênh tạo áp lực trục máy khoan CБШ-250 và CБШ-250T 9 Hình 1.3. Điều chỉnh lực ấn ty khoan sử dụng van giảm áp kiểu bi 10 Hình 1.4. Sơ đồ khối truyền động quay ty máy CБШ-250 và CБШ-250T 11 Hình 1.5. Hệ thống điều khiển tự động khoan xoay 13 Hình 1.6. Bộ điều khiển tự động cho hệ thống khoan 14 Hình 1.7. Bộ điều khiển tự động của hệ thống khoan 15 Hình 1.8. Sơ đồ hồi quy GP lai và cách tiếp cận nhận dạng đá tự động 16 Hình 2.1. Hướng rung động quy ước gắn trên thiết bị NI-MyRIO 23 Hình 2.2. Ảnh chụp máy khoan CБШ-250T trên Mỏ than Cao Sơn 24 Hình 2.3. Card_NI myRIO-1900 26 Hình 2.4. Giám sát, ghi số liệu trên giao diện LabVIEW 28 Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý xác định tần số dao động máy khoan 34 Hình 2.6. Đồ thị biên độ rung trục X 35 Hình 2.7. Đồ thị phổ FFT trục X 35 Hình 2.8. Đồ thị biên độ rung trục Y 35 Hình 2.9. Đồ thị phổ FFT trục Y 36 Hình 2.10. Đồ thị biên độ rung trục Z 36 Hình 2.11. Đồ thị phổ FFT trục Z 36 Hình 2.12. Đồ thị biên độ rung trên 3 trục X, Y, Z 37 Hình 2.13. Đồ thị phổ FFT trên 3 trục X, Y, Z 37 Hình 2.14. Đồ thị biên độ rung trục X 38 Hình 2.15. Đồ thị phổ FFT trục X 39 Hình 2.16. Đồ thị biên độ rung trục Y 39 Hình 2.17. Đồ thị phổ FFT trục Y 39
Hình 2.18. Biên độ rung trên trục Z 40 Hình 2.19. Đồ thị phổ FFT trục Z 40 Hình 2.20. Đồ thị biên độ rung trên 3 trục X, Y, Z 40 Hình 2.21. Đồ thị phổ FFT trên 3 trục X, Y, Z 41 Hình 2.22. Giá trị đo (time) tổng quát trục X 45 Hình 2.23. FFT phổ biên độ (spectrum) tổng quát trục X 46 Hình 2.24. FFT phổ pha tổng quát trục X 46 Hình 2.25. Giá trị đo (time) tổng quát trục Y 46 Hình 2.26. FFT phổ biên độ (spectrum) - pha (phase) tổng quát trục Y 47 Hình 2.27. Giá trị đo (time)-FFT phổ biên độ (spectrum) tổng quát trục Z 47 Hình 2.28. FFT phổ pha (phase) tổng quát trục Z 48 Hình 2.29. Quan hệ freq - n 50 Hình 2.30. Quan hệ Freq – F 50 Hình 2.31. Quan hệ freq – fc 51 Hình 2.32. Quan hệ n – fc 51 Hình 2.33. Quan hệ F – fc 51 Hình 2.34. Quan hệ Amplitude - n 52 Hình 2.35. Quan hệ Amplitude – F 52 Hình 2.36. Quan hệ n – F 52 Hình 2.37. Quan hệ freq - n 54 Hình 2.38. Quan hệ freq - F 54 Hình 2.39. Quan hệ freq – fc 54 Hình 2.40. Quan hệ n – f 55 Hình 2.41. Quan hệ F – fc 55 Hình 2.42. Quan hệ Amplitude - n 55 Hình 2.43. Quan hệ Amplitude – F 56 Hình 2.44. Quan hệ n – F 56
Hình 3.1. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống 59 Hình 3.2. Đặc tính tĩnh của hệ thống 61 Hình 3.3. Sơ đồ khối của hệ thống TĐĐ 62 Hình 3.4. Quan hệ giữa điện áp điều khiển và góc mở  64 Hình 3.5. Sơ đồ khối mô tả hệ thống kênh quay ty ở chế độ tĩnh 65 Hình 3.6. Đặc tính tĩnh hệ thống TĐĐ khi Udk = 24V 66 Hình 3.7. Đặc tính tĩnh hệ thống TĐĐ khi Udk=12V 66 Hình 3.8. Sơ đồ mạch KĐTH tín hiệu điều khiển kích thích 67 Hình 3.9. Sơ đồ mô phỏng hệ thống TĐĐ ở chế độ tĩnh theo kênh kích từ 69 Hình 3.10. Đặc tính tĩnh hệ thống TĐĐ 70 Hình 3.11. Sơ đồ cấu trúc động cơ quay ty khoan 72 Hình 3.12. Sơ đồ mô phỏng điều khiển kênh quay ty ở chế độ động 73 Hình 3.13. Mô men và tốc độ động cơ khi khởi động với tải định mức 73 Hình 3.14. Dòng điện Iu, tốc độ động cơ khi Mc vượt 2 lần định mức 74 Hình 3.15. Mô men và tốc độ động cơ khi Udk = 12V 74 Hình 3.16. Mô men và tốc độ động cơ khi Mc = 100 (Nm) 75 Hình 3.17. Khi tải Mc ngẫu nhiên 75 Hình 3.18. Tốc độ động cơ và dòng điện Iu khi tải Mc ngẫu nhiên 76 Hình 3.19. Cơ cấu đẩy đối xứng tạo lực ấn ty khoan 77 Hình 3.20. Sơ đồ khối điều khiển lực ấn ty khoan 78 Hình 3.21. Sơ đồ nguyên lý Van tỷ lệ 79 Hình 3.22. Sơ đồ mô tả phương trình toán của van 82 Hình 3.23. Kết quả mô phỏng với điện áp điều khiển van là 12V 82 Hình 3.24. Sơ đồ mô phỏng điều khiển van tiết lưu 83 Hình 3.25. Đáp ứng của Van đối với điện áp đặt là 12v 83 Hình 3.26. Sơ đồ mô phỏng xi lanh thủy lực và khối subsystem 85 Hình 3.27. Sơ đồ mô phỏng mạch điều khiển lực ấn ty khoan 85
Hình 3.28. Khi thay đổi Udk_Van = 24v 86 Hình 3.29. Khi thay đổi Udk_Van = 12v 86 Hình 3.30. Sơ đồ mô phỏng điều khiển của hệ thống máy khoan 87 Hình 4.1. Sơ đồ khối bộ nhận dạng tín hiệu rung động dùng mạng nơron 90 Hình 4.2. Hệ thống điều khiển giảm rung đề xuất cho máy khoan xoay cầu 91 Hình 4.3. Hệ thống điều khiển tốc độ quay ty khoan 92 Hình 4.4. Cấu trúc một mạng nơron 93 Hình 4.5. Mô hình phần tử xử lý (nơron thứ i) 93 Hình 4.6. Mô hình toán học tổng quát của mạng nơron 95 Hình 4.7. Mạng nơron truyền thẳng ba lớp 97 Hình 4.8. Cấu trúc rút gọn 3 lớp của mạng 104 Hình 4.9. Cấu trúc rút gọn lớp vào của mạng 104 Hình 4.10. Cấu trúc lớp vào của mạng 105 Hình 4.11. Cấu trúc lớp ẩn của mạng 105 Hình 4.12. Cấu trúc lớp ra của mạng 106 Hình 4.13. Hiển thị sai lệch trong quá trình huấn luyện mạng 106 Hình 4.14. Sai lệch trong quá trình huấn luyện mạng - tần số rung freq 107 Hình 4.15. Sai lệch trong quá trình huấn luyện mạng - biên độ rung A 107 Hình 4.16. Sơ đồ cấu trúc cho bộ điều khiển mờ 108 Hình 4.17. định nghĩa tập mờ Tansof 109 Hình 4.18. định nghĩa tập mờ BiendoA 109 Hình 4.19. định nghĩa tập mờ Alpha 110 Hình 4.20. định nghĩa tập mờ BuAlpha 110 Hình 4.21. Quan hệ giữa các biến đầu vào và tham số đầu ra 111 Hình 4.22. Kênh quay ty khoan sử dụng bộ điều khiển bù mờ 112 Hình 4.23. Sơ đồ điều khiển đề xuất cho kênh điều khiển lực ấn ty khoan 112 Hình 4.24. Sơ đồ cấu trúc cho bộ điều khiển bù mờ u 113
Hình 4.25. Định nghĩa tập mờ Tansof 114 Hình 4.26. Định nghĩa tập mờ BiendoA 114 Hình 4.27. Định nghĩa tập mờ Udk 115 Hình 4.28. Định nghĩa tập mờ BuUdk 115 Hình 4.29. Quan hệ giữa các biến đầu vào và tham số đầu ra 116 Hình 4.30. Kênh điều khiển lực ấn ty khoan ứng dụng bộ bù mờ 117 Hình 4.31. Lưu đồ thuật toán điều chỉnh tối ưu lực ấn ty khoan 118 Hình 4.33. Sơ đồ khối điều khiển tối ưu lực ấn ty khoan 119 Hình 4.34. Sơ đồ điều khiển giảm rung của hệ thống 120 Hình 4.35. Kết quả điều khiển giảm rung ở độ sâu khoan 1m 120 Hình 4.36. Kết quả điều khiển giảm rung ở độ sâu khoan 6,5m 121 Hình 4.37. Kết quả điều khiển giảm rung ở độ sâu khoan 13m 121 Hình 4.38. Sơ đồ điều khiển giảm rung khi mô men cản thay đổi 123 Hình 4.39. Mô men cản Mc và kết quả điều chỉnh tốc độ n, lực ấn ty F 124 Hình 4.40. Tín hiệu rung và kết quả điều khiển khi Mc thay đổi 124 Hình 4.41. Mô men cản Mc và kết quả điều chỉnh tốc độ n cùng lực ấn F 125 Hình 4.42. Tín hiệu rung và kết quả điều khiển khi Mc thay đổi lớn 125
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Trong ngành công nghiệp khai thác khoáng sản nói chung và khai thác mỏ lộ thiên nói riêng. Công tác khoan thăm dò và khoan nổ mìn chiếm một tỉ trọng lớn trong toàn bộ khối lượng công việc khai thác. Vì vậy năng suất và sản lượng khai thác phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng và hiệu quả hoạt động của công tác khoan. Đặc thù trong công tác khoan ở Việt Nam là máy khoan luôn làm việc và tiếp xúc trong môi trường với các điều kiện địa chất khác nhau, tính chất cơ lý, độ cứng đất đá thay đổi phức tạp. Đây là những nguyên nhân tiềm ẩn gây ra các rung động cho máy, một mặt ảnh hưởng đến sức khỏe của người vận hành, mặt khác nó là nguyên nhân phá hỏng các kết cấu cơ khí, giảm tuổi thọ cho máy, cho mũi khoan và năng suất khoan. Để giảm thiểu sự rung động trong quá trình khoan, nâng cao chất lượng và cải thiện hiệu quả hoạt động trong công tác khoan. Trên Thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu cho đối tượng với nhiều loại máy khoan khác nhau. Nghiên cứu về tác động của môi trường khai thác, sự ảnh hưởng của các điều kiện địa chất, ứng dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến và hiện đại, các hệ thống điều khiển thông minh… bước đầu cũng đã được triển khai trong thực tiễn sản xuất. Tuy nhiên việc nghiên cứu tìm giải pháp kỹ thuật phù hợp trong điều kiện Việt Nam hiện nay tác giả chưa thấy có một đề tài hoặc công trình khoa học nào đề cập được đầy đủ và hoàn thiện. 2. Tính cấp thiết của đề tài Máy khoan xoay cầu là một trong những thiết bị được sử dụng nhiều trong công tác khai thác mỏ, đặc biệt là trên các mỏ lộ thiên. Các thiết bị khoan thường sử dụng là các loại máy khoan xoay cầu CБШ-200 hoặc CБШ-250T của Liên Xô cũ và của Liên Bang Nga sau này. Trong quá trình vận hành, khi
2 gặp các nền đất đá có độ cứng với các điều kiện địa chất khác nhau. Người điều khiển theo kinh nghiệm sẽ phải chủ động điều chỉnh bằng tay các thông số của chế độ khoan như tốc độ, áp lực trục… cho phù hợp. Mục đích để giảm độ rung lắc, đảm bảo sức khỏe người vận hành, giảm sự phá hỏng đến các kết cấu cơ khí và đảm bảo năng suất khoan. Hiện nay ở Việt Nam chưa có một công trình khoa học nào nghiên cứu chi tiết và đầy đủ sự ảnh hưởng của các yếu tố địa chất, độ cứng đất đá đến độ rung trên máy khoan xoay cầu để có thể đưa ra được cấu trúc điều khiển hợp lý cùng thuật toán điều khiển tiên tiến và hiện đại nhằm giảm độ rung cho máy. Vì vậy đề tài luận án: “Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc điều khiển hợp lý chế độ khoan nhằm giảm độ rung cho máy khoan xoay cầu trong công nghiệp khai thác mỏ” đặt ra đang là vấn đề mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và đáp ứng các yêu cầu thực tiễn trong ngành công nghiệp khai thác mỏ. 3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Dựa trên những thông tin về điều kiện địa chất, độ cứng đất đá và độ rung của máy. Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc điều khiển hợp lý chế độ khoan kết hợp với các thuật toán điều khiển tiên tiến và hiện đại nhằm mục tiêu giảm độ rung cho máy khoan xoay cầu trong công nghiệp khai thác mỏ. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu các hệ thống điều khiển, điều chỉnh thông số các chế độ khoan trên máy khoan xoay cầu. Nghiên cứu về độ cứng đất đá, điều kiện địa chất tác động đến độ rung động của máy khoan xoay cầu đang làm việc trên các công trường khai thác Mỏ lộ thiên. 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu phân tích các tài liệu, bài báo, các công trình khoa học đã công bố trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực đề tài nhằm xác định chắc chắn nhiệm vụ và mục tiêu đặt ra.
3 Khảo sát thực tế, đo đạc số liệu về rung động trên máy khoan xoay cầu. Thu thập các tài liệu kỹ thuật liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các hệ thống truyền động, các hệ thống điều khiển trên máy khoan xoay cầu. Nghiên cứu mô hình hóa đối tượng bằng các công cụ mô phỏng hiện đại nhằm đánh giá và khẳng định kết quả nghiên cứu của đề tài. 6. Ý nghĩa khoa học của luận án Trên cơ sở thu thập các thông tin đo về độ rung trên máy khoan. Đề xuất cấu trúc điều khiển hợp lý chế độ khoan kết hợp với các thuật toán điều khiển tiên tiến và hiện đại nhằm giảm độ rung cho máy khoan trong điều kiện địa chất và độ cứng đất đá thay đổi. 7. Ý nghĩa thực tiễn của luận án Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để các đơn vị trong lĩnh vực khai thác Mỏ có thể dùng làm tài liệu tham khảo, đào tạo vận hành. Đề xuất những giải pháp kỹ thuật phù hợp trong điều kiện địa chất, độ cứng đất đá thay đổi. Có thể ứng dụng các kết quả nghiên cứu để cải tiến hệ thống điều khiển, cài đặt các thuật toán điều khiển tiên tiến và hiện đại nhằm giảm rung động cho thiết bị, nâng cao tuổi thọ cho máy. Đồng thời đảm bảo sức khỏe cho người vận hành, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu suất làm việc cho máy khoan. 8. Luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án Luận điểm bảo vệ: Trong điều kiện địa chất, độ cứng đất đá thay đổi, để giảm rung động và duy trì hiệu suất làm việc của máy khoan, ngoài việc lựa chọn máy khoan, mũi khoan và công nghệ khoan phù hợp thì cần thiết phải đáp ứng các yêu cầu sau: 1. Người vận hành cần có kinh nghiệm thực tế để điều chỉnh các thông số chế độ khoan sao cho hợp lý gồm tốc độ quay ty khoan và lực ấn ty khoan.
4 2. Nâng cao và cải tiến chất lượng của các bộ điều khiển, điều chỉnh truyền động sao cho chúng thích nghi với sự thay đổi liên tục của môi trường đáp ứng được mục tiêu giảm rung so với hệ thống điều khiển hiện tại. Những điểm mới của luận án: 1. Xây dựng Bộ dữ liệu cụ thể về ảnh hưởng do tính chất cơ lý của đất đá đến độ rung của máy khoan xoay cầu. 2. Ứng dụng mạng Neural để xây dựng bộ nhận dạng độ rung máy khoan xoay cầu trong điều kiện thiếu nguồn dữ kiện. 3. Đề xuất cấu trúc điều khiển giảm độ rung cho máy khoan xoay cầu thông qua bộ điều khiển bù mờ. 9. Bố cục của luận án Bố cục của luận án được trình bày trong 182 trang bao gồm: - Phần mục lục, danh mục các bảng biểu gồm 10 bảng biểu, danh mục các hình vẽ gồm 124 hình vẽ các chữ viết tắt. - Phần mở đầu của luận án: tính cấp thiết, mục tiêu nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, phương pháp nghiên cứu, luận điểm bảo vệ và các điểm mới của luận án. - Nội dung luận án gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển trên máy khoan xoay cầu Nội dung của chương này là nghiên cứu tổng quan về các hệ thống điều khiển của máy khoan xoay cầu trong ngành khai thác mỏ ở Việt Nam và trên Thế giới. Thực trạng sử dụng máy khoan xoay cầu tại một số mỏ khai thác của nước ta và việc nghiên cứu đề xuất xây dựng hệ thống điều khiển tự động các thông số, chế độ khoan phù hợp với độ cứng đất đá, giảm được độ rung cho máy khoan xoay cầu là nhiệm vụ cần thiết. Chương 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng đất đá đến rung động của máy khoan xoay cầu
5 Nội dung của chương này là khảo sát các yếu tố về địa hình, địa chất, độ cứng đất đá thực tế ảnh hưởng đến công tác khoan của máy khoan xoay cầu tại khai trường sản xuất, với số liệu của tín hiệu rung động thu thập được, ứng dụng FFT để nghiên cứu, phân tích mối quan hệ giữa các điều kiện về địa chất, tính chất cơ lý, độ cứng đất đá và phổ sóng rung động theo 3 trục x,y,z. Chương 3: Mô hình hóa hệ thống điều khiển tốc độ quay và áp lực trục trên máy khoan xoay cầu Nghiên cứu, thiết lập các phương trình toán và các phương trình động lực học cho hệ thống điều khiển tốc độ quay và áp lực trục. Sử dụng các công cụ mô phỏng để giải quyết bài toán và xây dựng các đặc tính cần quan tâm, là cơ sở để đề xuất hệ thống điều khiển mới có chế độ khoan hợp lý phù hợp với điều kiện về địa chất và độ cứng đất đá khoan. Chương 4: Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc điều khiển hợp lý chế độ khoan nhằm giảm độ rung cho máy khoan xoay cầu Mục tiêu của chương này là nghiên cứu đề xuất cấu trúc điều khiển hợp lý chế độ khoan, kết hợp với các thuật toán điều khiển tiên tiến và hiện đại nhằm giảm độ rung cho máy khoan xoay cầu. Kết quả nghiên cứu cơ sở lý thuyết, qua việc mô hình hóa hệ thống điều khiển cho phép đánh giá, rút ra những kết luận về tính sát thực của mô hình. Khẳng định hướng nghiên cứu đúng đắn của đề tài, đáp ứng yêu cầu cấp thiết trong thực tiễn vận hành máy khoan xoay cầu. - Phần kết luận chung của luận án và kiến nghị. - Danh mục các công trình nghiên cứu khoa học của NCS có liên quan tới luận án, tài liệu tham khảo và các phụ lục.
6 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY KHOAN XOAY CẦU 1.1. Giới thiệu về máy khoan xoay cầu Các mỏ lộ thiên sản xuất theo dòng: khoan - nổ - xúc - bốc. Khối lượng công việc khoan chiếm đến 20% toàn bộ khối lượng công việc khai thác vì vậy mà năng suất của mỏ lộ thiên phụ thuộc nhiều vào chất lượng công tác khoan. - Cấu tạo của máy khoan xoay cầu như hình 1.1 [7] CÁC BỘ PHẬN CỦA MÁY KHOAN GỒM: 1. Bộ phận di chuyển 2. Buồng máy 3. Tháp khoan 4. Cabin 5. Ty khoan 6. Mũi khoan Hình 1.1. Cấu tạo của máy khoan xoay cầu
7 Bộ phận di chuyển gồm: Hai cụm xích và sườn xích; hai trục ngang nối hai sườn xích; hai bộ truyền động riêng rẽ gồm động cơ điện, vỏ hộp giảm tốc di chuyển và phanh. Bộ phận buồng máy: là nơi chứa các thiết bị chính của máy khoan như thiết bị bơm nước tạo tia; máy biến áp điều khiển; tủ đồ nghề và bàn muội; tủ điện một chiều; tủ điều khiển xoay chiều; thiết bị làm mát máy ép hơi; trạm ép khí; trạm bơm dầu… Bộ phận tháp khoan: Dùng để gắn động cơ quay ty khoan; cơ cấu tháo lắp ty; khay ty và các ty khoan; hộp giảm tốc quay ty khoan, cơ cấu múp nối giảm chấn đàn hồi và cụm ổ bi tự lựa; hộp van trượt điều khiển thuỷ lực; hai xy lanh chính có nhiệm vụ nâng hạ dụng cụ khoan và hệ thống cáp 4 nhánh… Bộ phận Cabin: Trong đó bố trí bàn điều khiển và hệ thống chỉ báo chế độ làm việc của máy cũng như các thiết bị sưởi ấm, điều hoà. Ty khoan: mỗi ty có chiều dài 8m, mỗi máy có 4 ty Mũi khoan: sử dụng mũi khoan xoay cầu có đường kính ∅250 - Nguyên lý làm việc của máy khoan Máy khoan xoay cầu thực hiện việc khoan lỗ bằng phương pháp xoay mũi khoan và nén dọc trục lên gương khoan. Truyền động quay ty khoan được thực hiện bằng động cơ điện một chiều kích từ độc lập với hệ truyền động điện Thyristor - Động cơ một chiều. Việc tạo lực nén lên gương khoan được thực hiện thông qua hệ thống thuỷ lực và các chức năng như rút ty khoan lên và thu hồi ty khoan vào khay chứa, cân bằng máy…Đảm bảo trong quá trình hoạt động của máy các thao tác được tiến hành nhịp nhàng và độ tin cậy cao. Việc làm mát cho mũi khoan đồng thời thổi phoi khoan ra khỏi gương khoan và đưa lên trên miệng lỗ được thực hiện nhờ hỗn hợp nước - khí nén thông qua trạm nén khí trục vít. Việc đẩy phoi khoan từ miệng lỗ khoan ra ngoài theo hướng đã định được thực hiện nhờ quạt gió [14], [15].