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 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
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 thơng số q trình khoan với tín hiệu rung động 48
2.6.1. Quan hệ tín hiệu rung trục Y với thơng số q trình khoan
49
2.6.2. Quan hệ tín hiệu rung trục Z với thơng số q trình khoan
53
2.7. Nhận xét
56



Chương 3. MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY
VÀ ÁP LỰC TRỤC TRÊN MÁY KHOAN XOAY CẦU
58
3.1. Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn cho động lực học của hệ thống
điều khiển máy khoan xoay cầu
58
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
59
3.1.3. Hệ thống điều khiển lực ấn ty khoan và mơ hình tốn
76
3.2. Mơ hình tốn 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
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 lực ấn ty khoan

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 kết quả mô phỏng
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

108
112
112
113
117
117
119
119
120
126
128
129
130
135


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT

1

Ký hiệu, chữ viết tắt
n

Mô tả
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


Dịng 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. 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

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 mơ 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 mơ 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. Dịng 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. Mơ 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 dịng 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 mơ tả phương trình tốn của van

82

Hình 3.23. Kết quả mơ phỏng với điện áp điều khiển van là 12V

82

Hình 3.24. Sơ đồ mơ 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 mơ 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 mơ 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. Mơ hình phần tử xử lý (nơron thứ i)

93

Hình 4.6. Mơ hình tốn học tổng qt 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 tốn 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 mơ men cản thay đổi

123

Hình 4.39. Mơ 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. Mơ 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 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, ngồi 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 ngồi 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

Số lượng máy khoan

1

Công ty cổ phần than Hà Tu

06

2

Công ty cổ phần Than Núi Béo

02

3

Công ty cổ phần than Cọc Sáu – Vinacomin


13

4

Công ty cổ phần than Cao sơn – Vinacomin

17

5

Công ty cổ phần than Đèo Nai – Vinacomin

04

6

Mỏ tuyển đồng sinh quyển Lào Cai

03

Tổng cộng

45

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, công 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 thông 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