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.
2.

TS ĐẶNG VĂN CHÍ
TS PHẠM CƠNG HỊA

Hà Nội - 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 tơi 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
Cơng Hịa 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 cơng tác chun mơn của TS.
Nguyễn Chí Tình, PGS.TS. Nguyễn Đức Khốt, PGS.TS. Khổng Cao Phong,
Q Thầy, Cơ trong Bộ mơn 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 q trình tìm hiểu cơng
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 Cơng 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

MỞ ĐẦU
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY
KHOAN XOAY CẦU
1.1. Giới thiệu về máy khoan xoay cầu
1.2. Tình hình sử dụng máy khoan xoay cầu tại các đơn vị khai thác mỏ của
Việt Nam.
1.3. Tổng quan về hệ thống điều khiển máy khoan xoay cầu ở Việt Nam
1.3.1. Sơ đồ kênh tạo áp lực trục
1.3.2. Truyền động quay ty trên máy khoan CБШ– 250 và 250T
1.4.
Tổng quan các nghiên cứu về hệ thống điều khiển
trên thế giới
1.5.
Nhận xét
Chương 2. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CỨNG ĐẤT ĐÁ
ĐẾN RUNG ĐỘNG CỦA MÁY KHOAN
2.1. Ảnh hưởng của độ cứng đất đá đến các chế độ khoan
2.2.
Các thơng số của q trình khoan
2.3.
Rung động trong q trình khoan
2.3.1. Nguyên nhân dẫn đến rung động

2.3.2. Phân tích rung động
2.4.
Thực nghiệm đo rung động
2.4.1. Xác định vị trí đo và đối tượng đo
2.4.2. Chọn thiết bị đo độ rung
2.4.3. Ghi và thu thập dữ liệu rung động
2.5.
Nghiên cứu rung động máy trong quá trình khoan
2.5.1. Ảnh hưởng của điều kiện địa chất, tính chất cơ lý của đất đá
2.5.2. Ứng dụng FFT để phân tích phổ rung động máy khoan
2.6.
Xây dựng quan hệ thơng số q trình khoan với tí
2.6.1. Quan hệ tín hiệu rung trục Y với thơng số q trình khoan
2.6.2. Quan hệ tín hiệu rung trục Z với thơng số q trình khoan
2.7.
Nhận xét


Chương 3. MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY
VÀ ÁP LỰC TRỤC TRÊN MÁY KHOAN XOAY CẦU
3.1. Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn cho động lực học của hệ thống
điều khiển máy khoan xoay cầu
3.1.1. Ý nghĩa của việc xây dựng mơ hình tốn cho máy khoan xoay cầu 58
3.1.2. Hệ thống điều khiển kênh quay ty và mơ hình tốn
3.1.3. Hệ thống điều khiển lực ấn ty khoan và mơ hình tốn
3.2. Mơ hình tốn động lực học của hệ thống điều khiển máy khoan
3.3.
Nhận xét
Chương 4. NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỢP
LÝ CHẾ ĐỘ KHOAN NHẰM GIẢM ĐỘ

KHOAN XOAY CẦU
4.1.
Hệ thống điều khiển giảm rung đề xuất cho máy k
4.2.
Hệ thống điều khiển tốc độ quay ty khoan của má
4.2.1. Xây dựng bộ nhận dạng biên độ và tần số rung động ứng dụng
mạng nơron nhân tạo
4.2.2. Thiết kế bộ điều khiển bù mờ α cho kênh quay ty
4.2.3. Sơ đồ điều khiển kênh quay ty ứng dụng bộ bù mờ
4.3.
Đề xuất hệ thống điều khiển cho kênh điều khiển
4.3.1. Thiết kế bộ bù mờ u cho kênh điều khiển lực ấn ty khoan

4.3.2. Sơ đồ điều khiển lực ấn ty khoan ứng dụng bộ bù mờ
4.3.3. Tối ưu lực ấn ty khoan
4.4.
Hệ thống điều khiển cho máy khoan xoay cầu và k
4.4.1. Hệ thống điều khiển giảm rung cho máy khoan xoay cầu
4.4.2. Các kết quả mô phỏng
4.5.
Nhận xét
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TTKý hiệu, chữ viết tắt
1


n

2

F

3

fc

4

freq

5

Iư

6

Ic

7

Id

8

Udk


9

vk

10
11

ANN

12

BBĐ

13

CBA

14

ĐC

15

ĐK

16

HTĐK


17

HC

18

KĐT

19

KĐTH

20

NI

21

TĐĐ

22

FFT

23

THKĐ

24


MWD

25

XP


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. Thơng số q trình khoan và tín hiệu rung trục Y..........................49
Bảng 2.7. Thơng số q 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
Hình 1.2. Sơ đồ kênh tạo áp lực trục máy khoan CБШ-250 và CБШ-250T
Hình 1.3. Điều chỉnh lực ấn ty khoan sử dụng van giảm áp kiểu bi
Hình 1.4. Sơ đồ khối truyền động quay ty máy CБШ-250 và CБШ-250T
Hình 1.5. Hệ thống điều khiển tự động khoan xoay
Hình 1.6. Bộ điều khiển tự động cho hệ thống khoan
Hình 1.7. Bộ điều khiển tự động của hệ thống khoan

Hình 1.8. Sơ đồ hồi quy GP lai và cách tiếp cận nhận dạng đá tự động
Hình 2.1. Hướng rung động quy ước gắn trên thiết bị NI-MyRIO
Hình 2.2. Ảnh chụp máy khoan CБШ-250T trên Mỏ than Cao Sơn
Hình 2.3. Card_NI myRIO-1900
Hình 2.4. Giám sát, ghi số liệu trên giao diện LabVIEW
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý xác định tần số dao động máy khoan
Hình 2.6. Đồ thị biên độ rung trục X
Hình 2.7. Đồ thị phổ FFT trục X
Hình 2.8. Đồ thị biên độ rung trục Y
Hình 2.9. Đồ thị phổ FFT trục Y
Hình 2.10. Đồ thị biên độ rung trục Z
Hình 2.11. Đồ thị phổ FFT trục Z
Hình 2.12. Đồ thị biên độ rung trên 3 trục X, Y, Z
Hình 2.13. Đồ thị phổ FFT trên 3 trục X, Y, Z
Hình 2.14. Đồ thị biên độ rung trục X
Hình 2.15. Đồ thị phổ FFT trục X
Hình 2.16. Đồ thị biên độ rung trục Y
Hình 2.17. Đồ thị phổ FFT trục Y


Hình 2.18. Biên độ rung trên trục Z
Hình 2.19. Đồ thị phổ FFT trục Z
Hình 2.20. Đồ thị biên độ rung trên 3 trục X, Y, Z
Hình 2.21. Đồ thị phổ FFT trên 3 trục X, Y, Z
Hình 2.22. Giá trị đo (time) tổng quát trục X
Hình 2.23. FFT phổ biên độ (spectrum) tổng quát trục X
Hình 2.24. FFT phổ pha tổng quát trục X
Hình 2.25. Giá trị đo (time) tổng quát trục Y
Hình 2.26. FFT phổ biên độ (spectrum) - pha (phase) tổng quát trục Y
Hình 2.27. Giá trị đo (time)-FFT phổ biên độ (spectrum) tổng quát trục Z

Hình 2.28. FFT phổ pha (phase) tổng quát trục Z
Hình 2.29. Quan hệ freq - n
Hình 2.30. Quan hệ Freq – F
Hình 2.31. Quan hệ freq – fc
Hình 2.32. Quan hệ n – fc
Hình 2.33. Quan hệ F – fc
Hình 2.34. Quan hệ Amplitude - n
Hình 2.35. Quan hệ Amplitude – F
Hình 2.36. Quan hệ n – F
Hình 2.37. Quan hệ freq - n
Hình 2.38. Quan hệ freq - F
Hình 2.39. Quan hệ freq – fc
Hình 2.40. Quan hệ n – f
Hình 2.41. Quan hệ F – fc
Hình 2.42. Quan hệ Amplitude - n
Hình 2.43. Quan hệ Amplitude – F
Hình 2.44. Quan hệ n – F


Hình 3.1. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống
Hình 3.2. Đặc tính tĩnh của hệ thống
Hình 3.3. Sơ đồ khối của hệ thống TĐĐ
Hình 3.4. Quan hệ giữa điện áp điều khiển và góc mở 
Hình 3.5. Sơ đồ khối mô tả hệ thống kênh quay ty ở chế độ tĩnh
Hình 3.6. Đặc tính tĩnh hệ thống TĐĐ khi Udk = 24V
Hình 3.7. Đặc tính tĩnh hệ thống TĐĐ khi Udk=12V
Hình 3.8. Sơ đồ mạch KĐTH tín hiệu điều khiển kích thích
Hình 3.9. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống TĐĐ ở chế độ tĩnh theo kênh kích từ
Hình 3.10. Đặc tính tĩnh hệ thống TĐĐ
Hình 3.11. Sơ đồ cấu trúc động cơ quay ty khoan

Hình 3.12. Sơ đồ mơ phỏng điều khiển kênh quay ty ở chế độ động
Hình 3.13. Mô men và tốc độ động cơ khi khởi động với tải định mức
Hình 3.14. Dịng điện Iu, tốc độ động cơ khi Mc vượt 2 lần định mức
Hình 3.15. Mô men và tốc độ động cơ khi Udk = 12V
Hình 3.16. Mơ men và tốc độ động cơ khi Mc = 100 (Nm)
Hình 3.17. Khi tải Mc ngẫu nhiên
Hình 3.18. Tốc độ động cơ và dịng điện Iu khi tải Mc ngẫu nhiên
Hình 3.19. Cơ cấu đẩy đối xứng tạo lực ấn ty khoan
Hình 3.20. Sơ đồ khối điều khiển lực ấn ty khoan
Hình 3.21. Sơ đồ nguyên lý Van tỷ lệ
Hình 3.22. Sơ đồ mơ tả phương trình tốn của van
Hình 3.23. Kết quả mơ phỏng với điện áp điều khiển van là 12V
Hình 3.24. Sơ đồ mơ phỏng điều khiển van tiết lưu
Hình 3.25. Đáp ứng của Van đối với điện áp đặt là 12v
Hình 3.26. Sơ đồ mô phỏng xi lanh thủy lực và khối subsystem
Hình 3.27. Sơ đồ mơ phỏng mạch điều khiển lực ấn ty khoan


Hình 3.28. Khi thay đổi Udk_Van = 24v
Hình 3.29. Khi thay đổi Udk_Van = 12v
Hình 3.30. Sơ đồ mơ phỏng điều khiển của hệ thống máy khoan
Hình 4.1. Sơ đồ khối bộ nhận dạng tín hiệu rung động dùng mạng nơron
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
Hình 4.4. Cấu trúc một mạng nơron
Hình 4.5. Mơ hình phần tử xử lý (nơron thứ i)
Hình 4.6. Mơ hình tốn học tổng qt của mạng nơron
Hình 4.7. Mạng nơron truyền thẳng ba lớp
Hình 4.8. Cấu trúc rút gọn 3 lớp của mạng
Hình 4.9. Cấu trúc rút gọn lớp vào của mạng

Hình 4.10. Cấu trúc lớp vào của mạng
Hình 4.11. Cấu trúc lớp ẩn của mạng
Hình 4.12. Cấu trúc lớp ra của mạng
Hình 4.13. Hiển thị sai lệch trong quá trình huấn luyện mạng
Hình 4.14. Sai lệch trong quá trình huấn luyện mạng - tần số rung freq
Hình 4.15. Sai lệch trong quá trình huấn luyện mạng - biên độ rung A
Hình 4.16. Sơ đồ cấu trúc cho bộ điều khiển mờ
Hình 4.17. định nghĩa tập mờ Tansof
Hình 4.18. định nghĩa tập mờ BiendoA
Hình 4.19. định nghĩa tập mờ Alpha
Hình 4.20. định nghĩa tập mờ BuAlpha
Hình 4.21. Quan hệ giữa các biến đầu vào và tham số đầu ra
Hình 4.22. Kênh quay ty khoan sử dụng bộ điều khiển bù mờ
Hình 4.23. Sơ đồ điều khiển đề xuất cho kênh điều khiển lực ấn ty khoan
Hình 4.24. Sơ đồ cấu trúc cho bộ điều khiển bù mờ u


Hình 4.25. Định nghĩa tập mờ Tansof
Hình 4.26. Định nghĩa tập mờ BiendoA
Hình 4.27. Định nghĩa tập mờ Udk
Hình 4.28. Định nghĩa tập mờ BuUdk
Hình 4.29. Quan hệ giữa các biến đầu vào và tham số đầu ra
Hình 4.30. Kênh điều khiển lực ấn ty khoan ứng dụng bộ bù mờ
Hình 4.31. Lưu đồ thuật tốn điều chỉnh tối ưu lực ấn ty khoan
Hình 4.33. Sơ đồ khối điều khiển tối ưu lực ấn ty khoan
Hình 4.34. Sơ đồ điều khiển giảm rung của hệ thống
Hình 4.35. Kết quả điều khiển giảm rung ở độ sâu khoan 1m
Hình 4.36. Kết quả điều khiển giảm rung ở độ sâu khoan 6,5m
Hình 4.37. Kết quả điều khiển giảm rung ở độ sâu khoan 13m
Hình 4.38. Sơ đồ điều khiển giảm rung khi mơ men cản thay đổi

Hình 4.39. Mơ men cản Mc và kết quả điều chỉnh tốc độ n, lực ấn ty F
Hình 4.40. Tín hiệu rung và kết quả điều khiển khi Mc thay đổi
Hình 4.41. Mơ men cản Mc và kết quả điều chỉnh tốc độ n cùng lực ấn F
Hình 4.42. Tín hiệu rung và kết quả điều khiển khi Mc thay đổi lớn


1

MỞ ĐẦU
1.

Đặt vấn đề
Trong ngành cơng nghiệp khai thác khống sản nói chung và khai thác

mỏ lộ thiên nói riêng. Cơng tác khoan thăm dị và khoan nổ mìn chiếm một tỉ
trọng lớn trong tồn bộ khối lượng cơng 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 cơng tác khoan. Trên Thế giới đã có
nhiều cơng 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 cơng
trình khoa học nào đề cập được đầy đủ và hồn 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 cơng 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 cơng trình khoa học đã

cơng bố trong và ngồi 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 mơ hình hóa đối tượng bằng các cơng cụ mơ 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: Mơ 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 tốn 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 mơ hình hóa hệ thống điều khiển cho phép đánh giá, rút ra những kết luận
về tính sát thực của mơ 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 cơng 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% tồn bộ khối lượng cơng 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 hồ.
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


-

Ngun 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 thơng
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].


8

1.2. Tình hình sử dụng máy khoan xoay cầu tại các đơn vị khai thác mỏ
của Việt Nam [5].
Kết quả khảo sát tình hình máy khoan tại 6 mỏ khai thác lộ thiên cho
thấy số lượng máy khoan xoay cầu đang sử dụng chiếm đa số. Tuy nhiên các
máy đều có thời gian sử dụng đã lâu nên tình trạng thiết bị khơng cịn tốt. Các
máy khoan vận hành bằng tay và theo cảm nhận của người điều khiển, các bộ
điều khiển của các máy tương đối cũ, bị hư hỏng và đã trãi qua nhiều lần bảo
dưỡng, sửa chữa. Kết hợp với điều kiện địa chất, tự nhiên của các mỏ cũng
tương đối phức tạp, độ kiên cố đất đá cao, phân bố không đồng đều, nhiều khu
vực phân lớp mạnh là yếu tố gây khó khăn trong cơng tác khoan, hiệu suất

làm việc của các máy giảm dần và điện năng tiêu thụ tăng lên.
Thống kê số lượng máy khoan xoay cầu đang được sử dụng tại 6 công ty
khai thác mỏ như bảng 1.1.
Bảng 1.1. Số lượng máy khoan xoay cầu đang được sử dụng tại 6 công ty
STT

Tên Công ty

1

Công ty cổ phần than Hà Tu

2

Công ty cổ phần Than Núi Béo

3

Công ty cổ phần than Cọc Sáu – Vinac

4

Công ty cổ phần than Cao sơn – Vinaco

5

Công ty cổ phần than Đèo Nai – Vinac

6


Mỏ tuyển đồng sinh quyển Lào Cai
Tổng cộng

1.3. Tổng quan về hệ thống điều khiển máy khoan xoay cầu ở Việt Nam
Hiện nay các mỏ lộ thiên đang sử dụng các loại máy khoan xoay cầu như
một yếu tố của sản xuất tiên tiến. Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển trong các


9

loại máy khoan này là tận dụng đầy đủ công suất của động cơ quay ty máy khoan
đồng thời bảo đảm giá trị tốt nhất lực ấn ty khoan và tốc độ quay mũi khoan theo
độ cứng hay các tính chất khác của đất đá cần khoan [14], [15]. Trong quá khứ
các loại máy khoan СБШ - 2M, СБШ – 200 đã từng được sử dụng tại các mỏ
than của Việt Nam, ưu điểm của các loại máy này là mức độ tự động hóa cao, tuy
nhiên do đường kính khoan nhỏ nên không phù hợp với khối lượng thuốc nổ mìn
đối với đá rắn, đồng thời tải của máy khoan là ngẫu nhiên, thường xuyên gặp
phải đá rắn nứt gãy, đáp ứng của hệ thống không phù hợp qua quá trình sử dụng,
nên các loại máy này đã được loại bỏ. Hiện nay các mỏ khai thác than chủ yếu sử
dụng các loại máy khoan СБШ-250, СБШ-250T.

Hệ thống điều khiển máy khoan CБШ–250 và CБШ–250T
1.3.1. Sơ đồ kênh tạo áp lực trục [7], [14]
Đối với 2 loại máy khoan này áp lực trục được điều chỉnh bằng hệ thống
thủy lực như hình 1.2.

Hình 1.2. Sơ đồ kênh tạo áp lực trục máy khoan CБШ-250 và CБШ-250T


10


Từ sơ đồ điều khiển cho thấy dầu từ bơm phin lọc HN2 sẽ vào bơm piston
H1 để đưa dầu điều khiển mở van và dầu áp lực vào hệ thống chính, đồng thời
dầu ở hệ thống chính cũng được cung cấp bởi bơm cánh gạt HN1. Các nam châm
điện YA1, YA3, YA7, YA35 sẽ mở các van tương ứng P1, P2, P4 và P5. Dòng
dầu áp lực ở hệ thống chính sẽ qua các van P1 và van P2 đi vào khoang mặt của
hai xy lanh để dịch chuyển vị trí của piston tương ứng. Dầu từ khoang cán của
hai xy lanh qua khóa thủy lực 3M10 và van P5, qua phin lọc F2, F3 trở về thùng
chứa. Khi cần tăng cường áp lực dầu vào hệ thống chính thì nam châm điện YA5
sẽ mở van P3 để dầu từ nhánh 2 của bơm piston cung cấp bổ sung. Dịch chuyển
piston của các xi lanh U2 và U3 sẽ tác động đến hệ thống cáp và puly được bố trí
đối xứng 2 bên của bộ dẫn động khoan, tạo ra lực đẩy dụng cụ khoan tịnh tiến
theo chiều tiến của mũi khoan. Độ lớn của lực ấn lên ty khoan được điều chỉnh
bởi van giảm áp PN1 (PN1 là van giảm áp kiểu bi) để giảm hoặc tăng dầu công
tác xã về thùng chứa đồng nghĩa với việc tăng hoặc giảm lưu lượng dầu trong hệ
thống chính đi vào khoang mặt của 2 xi lanh làm thay đổi lực ấn ty khoan,
nguyên lý điều chỉnh được thể hiện trên hình 1.3.

Hình 1.3. Điều chỉnh lực ấn ty khoan sử dụng van giảm áp kiểu bi
Áp suất của lò xo nén van bi cũng chính là áp suất đưa vào xi lanh cơng
tác. Điều chỉnh lực nén của lị xo sẽ điều chỉnh được lực ấn ty khoan, vì vậy
đối với hệ thống điều khiển này lực ấn ty khoan được điều chỉnh bằng tay.


11

1.3.2. Truyền động quay ty trên máy khoan CБШ– 250 và 250T [8], [14]
Truyền động quay ty khoan của máy khoan CБШ-250 và CБШ-250T
gồm các khối như Hình 1.4.


Hình 1.4. Sơ đồ khối truyền động quay ty máy CБШ-250 và CБШ-250T
Sơ đồ khối gồm:
-

Hệ thống điều chỉnh (1)

-

Hệ thống điều chỉnh xung theo pha (2)

-

Cầu lực MC dùng thyristor (3)

-

Nguồn điều khiển kích thích (4)

-

Bộ đảo chiều quay (5)

Ngồi ra cịn có một số thiết bị phụ trợ như cuộn kháng hạn dịng phía
đầu vào, aptomat, contactor, cơng tắc và các thiết bị đo.
Trên sơ đồ khối các đường kẻ đậm thể hiện sự liên kết qua lại của các tín
hiệu thao tác và mạch lực. Các đường kẻ mảnh thể hiện sự liên kết qua lại của
các tín hiệu hồi tiếp và khóa liên động.


12


Nguyên lý làm việc của hệ thống
Các máy khoan này sử dụng hệ thống biến đổi Thyristor – động cơ điện 1
chiều. Hệ thống truyền động quay ty sử dụng cả 2 bộ biến đổi tĩnh điều khiển
được cho mạch lực và mạch kích thích động cơ. Tốc độ quay của ĐC được điều
khiển từ bàn điều khiển, đặc tính cơ của ĐC có dạng kiểu máy xúc. Phần cơng
tác của đặc tính có độ cứng cao nhờ dùng phản hồi âm theo điện áp ĐC. Hồi tiếp
cắt nhanh theo dịng phần ứng tạo phần đặc tính mềm để bảo đảm cho hệ thống
khởi động tốt và có những phản ứng thích đáng khi tải tăng đột ngột.

Khi tải nhỏ, ĐC sẽ được tăng tốc tự động nhờ mạch liên hệ ngược theo
dòng phần ứng động cơ đưa về đầu vào của Khối tổng hợp & KĐ tín hiệu
mạch KT và đưa vào khối HTĐK xung pha. Việc tăng tốc này cho phép tận
dụng công suất của ĐC.
Điều chỉnh tốc độ ĐC được thực hiện bằng cả hai hướng:
-

Điều chỉnh điện áp đặt vào ĐC.

-

Điều chỉnh từ thơng kích thích ĐC.

Đối với 2 loại máy khoan này, Kênh tạo tốc độ quay ty do sử dụng
truyền động điện theo hệ thống bộ biến đổi Thyristor – Động cơ 1 chiều nên
việc điều chỉnh tốc độ quay ty thực hiện nhẹ nhàng với chất lượng tốt. Hệ
thống truyền động điện có tính tác động nhanh, trạng thái chuẩn bị làm việc
tốt, bền, hiệu suất cao. Tuy nhiên việc điều chỉnh tốc độ động cơ khoan bằng
hướng điều chỉnh điện áp thì người điều khiển vẫn phải thực hiện thao tác
bằng tay trên bàn điều khiển.

1.4. Tổng quan các nghiên cứu về hệ thống điều khiển máy khoan xoay
cầu trên thế giới
Hiện nay công nghệ điều khiển áp dụng cho máy khoan xoay cầu trên thế
giới đang được phát triển rất nhanh, mục tiêu hướng đến là tự động hoàn toàn