《大型非开挖水平定向钻机全生命周期关键技术研究》

该项目属于市政工程、钻井工程领域,并涉及机电工程、通信工程、计算机技术及传感检测技术等交叉学科。

大型非开挖钻机是“西气东输”“南水北调”等国家战略工程以及重要城市地下管线工程的核心装备,但其关键技术长期被西方国家垄断,迫切需要研发具有自主知识产权的大型非开挖钻机。

自2009年以来,中国地质大学(武汉)联合中国非开挖钻机行业的领军企业(无锡市钻通工程机械有限公司),依托设立在中国地质大学(武汉)的中美联合非开挖工程研究中心、武汉市非开挖工程技术研究中心以及设立在无锡市钻通工程机械有限公司的江苏省非开挖装备工程技术中心等平台,在国家自然科学基金及无锡市科技局等多个项目的资助下,对大型非开挖钻机全生命周期的设计制造、导向施工、监控决策和售后培训等关键技术进行了全方位的深入研究,攻克了大型非开挖钻机数字化设计、精确导向控制、工况智能监控及虚拟实训等多方面的技术难题,取得了系列创新成果。

(1)创新性提出全三维非开挖钻机零部件与整机的数字化设计方法,实现非开挖钻机的三维自动化零部件建模与整机装配,解决了大型非开挖钻机无设计理论支撑和关键经验数据参考的难题。建立精确计算定向钻进回拖力的修正模型和算法,为非开挖钻机设计提供准确计算的依据;提出关键零部件的三维自动设计流程和方法,解决了动力头、夹持器等关键零部件在工况约束下的几何定义和自动装配协调的难题;开发了非开挖钻机三维数字化设计系统软件,提高了设计的准确性,缩短了设计周期,实现了“所想即所得”,减少了对设计人员的经验依赖性,保证了设计质量的鲁棒性。

(2)首次提出变步长钻进深度区间智能控向算法,建立精确导向几何与数理模型,研制基于机器视觉的智能导向系统,解决了长距离定向钻进难以精确导向的难题。根据影响定向钻进轨迹的关键因素,建立精确导向的最大偏斜幅值、最优控制点、区间控向等模型;提出基于泰勒展开式的适于随钻测量的工具面角实时解析最优算法,提高工具面角的芯片解算效率;提出基于双电磁感应原理的钻进深度随钻实时检测方法,为变步长钻进深度区间法智能控向算法提供重要的基础数据;研制了基于机器视觉的智能导向系统,实现精确导向智能控制决策。

(3)研制非开挖钻机智能远程监控系统,对非开挖钻机施工工况参数进行实时远程监控,实现远程辅助决策与主动维保,解决了施工现场无法及时发现与解决非显性问题的难题。提出基于微处理器的分布式非开挖钻机工况参数实时监控系统,全面监测非开挖钻机工况信息、钻进深度信息、触电报警;根据预设轨迹和精确导向技术,电控子系统输出精确可控电流,自动调整液压控制元件工作参数,实现智能钻进,并提高施工人员和设备安全性;开发基于无线移动网络的远程数据传输和非开挖钻机数据分析决策系统,实现远程辅助决策及主动维护与保养,确保设备与工程施工安全。

(4)首次提出非开挖钻机虚拟实训的概念,研发具有多维沉浸感的多类型软硬件系统平台,解决了应用大型非开挖钻机实训费时费力且安全隐患大的难题。建立了高真实感、多维沉浸感的钻机模型及工作场景,提升了虚拟实训系统的逼真度与沉浸效果;构建完备的非开挖钻机渐进式培训体系,开发钻机结构认知、钻机操作及钻进施工的三大实训模块;发布桌面式、虚实结合式、头盔式三种实训版本,完善了非开挖钻机虚拟实训系统的交互手段。

项目代表性成果授权发明专利11项,授权实用新型专利24项,登记软件著作权10项,发表代表性SCI/EI论文9篇,发表核心期刊论文6篇,自主设计和制造了国内首台400吨大型非开挖钻机,其后又陆续研发了500吨、600吨等多个型号的大型非开挖钻机,并将其共性技术应用到中小型钻机上,得到国内外同行专家及使用单位的高度评价与认可,总体技术水平达到国内领先、国际先进水平。产品在湖北、江苏、上海、广东等20多个省市以及韩国、印度等20多个国家得到推广应用,应用该成果设计生产的非开挖钻机占国内同类产品的30%份额,直接经济效益达8.69亿元,配套技术所带来的社会、经济与生态效益更为显著,至少为数百亿计的管线铺设工程提供了装备和技术保障,每月至少节省1600余万元培训与维护费用。

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