Luận án tiến sĩ nghiên cứu đề xuất cấu trúc điều khiển hợp lý chế độ khoan nhằm

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. Nguyễn Đức Khoát, PGS. 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.Giới thiệu về máy khoan xoay cầu 6 1.Tình hình sử dụng máy khoan xoay cầu tại các đơn vị khai thác mỏ của Việt Nam.Tổng quan về hệ thống điều khiển máy khoan xoay cầu ở Việt Nam 8 1.

Sơ đồ kênh tạo áp lực trục 9 1. Truyền động quay ty trên máy khoan CБШ– 250 và 250T 11 1. Tổng quan các nghiên cứu về hệ thống điều khiển máy khoan xoay cầu trên thế giới 12 1. Nhận xét 17 Chương 2.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CỨNG ĐẤT ĐÁ ĐẾN RUNG ĐỘNG CỦA MÁY KHOAN XOAY CẦU 19 2. Ảnh hưởng của độ cứng đất đá đến các chế độ khoan 19 2. Các thông số của quá trình khoan 19 2. Rung động trong quá trình khoan 21 2.

Nguyên nhân dẫn đến rung động 22 2. Phân tích rung động 23 2. Thực nghiệm đo rung động 24 2. Xác định vị trí đo và đối tượng đo 24 2.

Chọn thiết bị đo độ rung 25 2. Ghi và thu thập dữ liệu rung động 27 2. Nghiên cứu rung động máy trong quá trình khoan 29 2. Ảnh hưởng của điều kiện địa chất, tính chất cơ lý của đất đá 29 2.

Ứng dụng FFT để phân tích phổ rung động máy khoan 30 2. Xây dựng quan hệ thông số quá trình khoan với tín hiệu rung động 48 2. Quan hệ tín hiệu rung trục Y với thông số quá trình khoan 49 2. Quan hệ tín hiệu rung trục Z với thông số quá trình khoan 53 2.

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. Nghiên cứu xây dựng mô hình toán cho động lực học của hệ thống điều khiển máy khoan xoay cầu 58 3. Ý nghĩa của việc xây dựng mô hình toán cho máy khoan xoay cầu 58 3.

Hệ thống điều khiển kênh quay ty và mô hình toán 59 3. Hệ thống điều khiển lực ấn ty khoan và mô hình toán 76 3. Mô hình toán động lực học của hệ thống điều khiển máy khoan 86 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. Hệ thống điều khiển giảm rung đề xuất cho máy khoan xoay cầu 89 4. Hệ thống điều khiển tốc độ quay ty khoan của máy khoan xoay cầu 92 4. Xây dựng bộ nhận dạng biên độ và tần số rung động ứng dụng mạng nơron nhân tạo 92 4.

Thiết kế bộ điều khiển bù mờ α cho kênh quay ty 108 4. Sơ đồ điều khiển kênh quay ty ứng dụng bộ bù mờ 112 4. Đề xuất hệ thống điều khiển cho kênh điều khiển lực ấn ty khoan 112 4. Thiết kế bộ bù mờ u cho kênh điều khiển lực ấn ty khoan 113 4.

Sơ đồ điều khiển lực ấn ty khoan ứng dụng bộ bù mờ 117 4. Tối ưu lực ấn ty khoan 117 4. Hệ thống điều khiển cho máy khoan xoay cầu và kết quả mô phỏng 119 4. Hệ thống điều khiển giảm rung cho máy khoan xoay cầu 119 4.

Các kết quả mô phỏng 120 4. 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. Số lượng máy khoan xoay cầu đang được sử dụng tại 6 công ty. Mức cho phép gia tốc rung toàn thân ở các dãi tần số ốc ta.

Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy khoan CБШ-250T. Trích lược số liệu ghi độ rung dạng bảng cơ sở dữ liệu Excel. Phổ tần FFT của trục Y tại độ sâu 3m - 6m -10m -13m. Phổ tần FFT của trục Z tại độ sâu 3m - 6m - 10m - 13m.

Thông số quá trình khoan và tín hiệu rung trục Y. Thông số quá trình khoan và tín hiệu rung trục Z. Bộ dữ liệu vào – ra của mạng. Kết quả điều khiển giảm rung của hệ thống.

122 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1. Cấu tạo của máy khoan xoay cầu 6 Hình 1. Sơ đồ kênh tạo áp lực trục máy khoan CБШ-250 và CБШ-250T 9 Hình 1. Điều chỉnh lực ấn ty khoan sử dụng van giảm áp kiểu bi 10 Hình 1.

Sơ đồ khối truyền động quay ty máy CБШ-250 và CБШ-250T 11 Hình 1. Hệ thống điều khiển tự động khoan xoay 13 Hình 1. Bộ điều khiển tự động cho hệ thống khoan 14 Hình 1. Bộ điều khiển tự động của hệ thống khoan 15 Hình 1.

Sơ đồ hồi quy GP lai và cách tiếp cận nhận dạng đá tự động 16 Hình 2. Hướng rung động quy ước gắn trên thiết bị NI-MyRIO 23 Hình 2. Ảnh chụp máy khoan CБШ-250T trên Mỏ than Cao Sơn 24 Hình 2. Card_NI myRIO-1900 26 Hình 2.

Giám sát, ghi số liệu trên giao diện LabVIEW 28 Hình 2. Sơ đồ nguyên lý xác định tần số dao động máy khoan 34 Hình 2. Đồ thị biên độ rung trục X 35 Hình 2. Đồ thị phổ FFT trục X 35 Hình 2.

Đồ thị biên độ rung trục Y 35 Hình 2. Đồ thị phổ FFT trục Y 36 Hình 2. Đồ thị biên độ rung trục Z 36 Hình 2. Đồ thị phổ FFT trục Z 36 Hình 2.

Đồ thị biên độ rung trên 3 trục X, Y, Z 37 Hình 2. Đồ thị phổ FFT trên 3 trục X, Y, Z 37 Hình 2. Đồ thị biên độ rung trục X 38 Hình 2. Đồ thị phổ FFT trục X 39 Hình 2.

Đồ thị biên độ rung trục Y 39 Hình 2. Đồ thị phổ FFT trục Y 39 Hình 2. Biên độ rung trên trục Z 40 Hình 2. Đồ thị phổ FFT trục Z 40 Hình 2.

Đồ thị biên độ rung trên 3 trục X, Y, Z 40 Hình 2. Đồ thị phổ FFT trên 3 trục X, Y, Z 41 Hình 2. Giá trị đo (time) tổng quát trục X 45 Hình 2. FFT phổ biên độ (spectrum) tổng quát trục X 46 Hình 2.

FFT phổ pha tổng quát trục X 46 Hình 2. Giá trị đo (time) tổng quát trục Y 46 Hình 2. FFT phổ biên độ (spectrum) - pha (phase) tổng quát trục Y 47 Hình 2. Giá trị đo (time)-FFT phổ biên độ (spectrum) tổng quát trục Z 47 Hình 2.

FFT phổ pha (phase) tổng quát trục Z 48 Hình 2. Quan hệ freq - n 50 Hình 2. Quan hệ Freq – F 50 Hình 2. Quan hệ freq – fc 51 Hình 2.

Quan hệ n – fc 51 Hình 2. Quan hệ F – fc 51 Hình 2. Quan hệ Amplitude - n 52 Hình 2. Quan hệ Amplitude – F 52 Hình 2.

Quan hệ n – F 52 Hình 2. Quan hệ freq - n 54 Hình 2. Quan hệ freq - F 54 Hình 2. Quan hệ freq – fc 54 Hình 2.

Quan hệ n – f 55 Hình 2. Quan hệ F – fc 55 Hình 2. Quan hệ Amplitude - n 55 Hình 2. Quan hệ Amplitude – F 56 Hình 2.

Quan hệ n – F 56 Hình 3. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống 59 Hình 3. Đặc tính tĩnh của hệ thống 61 Hình 3. Sơ đồ khối của hệ thống TĐĐ 62 Hình 3.

Quan hệ giữa điện áp điều khiển và góc mở  64 Hình 3. Sơ đồ khối mô tả hệ thống kênh quay ty ở chế độ tĩnh 65 Hình 3. Đặc tính tĩnh hệ thống TĐĐ khi Udk = 24V 66 Hình 3. Đặc tính tĩnh hệ thống TĐĐ khi Udk=12V 66 Hình 3.

Sơ đồ mạch KĐTH tín hiệu điều khiển kích thích 67 Hình 3.