地质钻机定点钻孔加载稳定性评价方法

第３期　黄子斋，等：地质钻机定点钻孔加载稳定性评价方法　持一定的钻进速度．　２加载性能数学模型　２．１加载性能模糊化数学模型　施工过程中钻进速度或是加载力变化是分析　钻进系统性能的关键．影响性能的因素较多，最主　要的因素是系统设计的匹配以及系统磨损而导致　的泄漏等．这些因素使钻进系统无法处于优良性能　区间运行，不能满足较高的施工要求［６］．　加载性能分析时并不能精确判定某一状态为　优良还是较差．对工况要求的满足问题因施工设计　的差异有所不同，一般的性能描述方法是“０，１”的　关系，即满足或不满足．在实际应用中，性能对要求　的符合程度具有较大的模糊性，取值可在０～１之　间．另外，过渡区间的描述具有较大的模糊性，准确　定义较困难，所以运用模糊理论的研究方法更加符　合实际　一　．　可设载荷稳定状态的固有特性为模糊量，令Ａ　（０，＋Ｏ０）为模糊子集；用　Ａ（　）表示固有载荷　稳定状态的模糊子集Ａ的隶属函数，则该载荷稳　定状态的模糊性能概率Ｒ可由式（１）确定：　～　ｒ∞～　Ｒ＝Ｉ　＾（　）。　’　（　）ｄｘ　（１）　√０　式中：ｆ。（　）为系统工作Ｈｏ小时后随　变化的压　力分布函数．　２．２隶属函数的分析与确定　如图４所示，静载荷处在Ⅲ区（体积破碎区）　时，载荷与钻进速度可视为成线性比例关系，即若　设定某一钻进速度，其必定有且只有唯一对应的载　荷．由此，根据模糊数学理论，建立钻进载荷变化对　系统性能影响的模糊化关系，运用待定系数法确定　该隶属函数　（　）．由于其优良线性特性，可选取　三角型分布形式为性能模糊隶属函数．　当静载荷值为Ｆ。时，钻进速度达到最佳速度　。，此时成孔质量最好，加载性能为最佳状态，记为　１．实际工程中很难较精确得到最优加载力Ｆｏ，可　采用节点法解决：一般情况下工程设计方将预先给　出一个较优加载力范围（Ｆ　～Ｆｚ），其相对应的加　载系统压力为（Ｐ　～Ｐｚ）．确定（Ｐ　～ｐ２）为钻进性　能的优良压力范围，并设定为优良性能区间的两个　过渡模糊点．设优良性能区间隶属度应不小于　“０．９”，即得到“大约０．９”的节点．一般情况下：　’ｏ≠（Ｆ１＋Ｆ２）／２　（２）　Ｆ。不一定是（Ｆ　～Ｆ　）的中点值，所以隶属函数还　不能确定，需要其他条件．　因此，以“跨越点”——隶属度为“０．５”的点，其　对应的加载系统压力值为（Ｐ。，Ｐ　）．设定钻进速度　由预设状态“相”变化到速度改变且稳定“相”的相　邻两相的中间值为“大约Ｏ．５”的节点［８］，如图４中　的分布曲线１所示．可在未确定隶属度为１的Ｆ０　节点的情况下，得到性能三角型分布的模糊隶属函　数．三角型分布模糊隶属函数并不是固定不变，需　要为适应不同地层的施工要求预设相应的最优加　载范围（Ｆ　～Ｆ　）．随着其对应的最佳载荷值Ｆ０的　不断增大，隶属函数也在不断变化，如图４中曲线　１，２，３所示．但其ａ　，　ｚ临界点所确定的压力区间　则基本处于第Ⅲ区的压力范围内．　

图４隶属函数分布曲线　Ｆｉｇ．４　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　已知（Ｐ　，Ｐｚ，Ｐ。，Ｐ　），由此可得到隶属函数　

Ａ（　）：　

／ｌ　Ａ（　）　０＜　≤ａ１，　０，　、　

５２≤　＜∞　

ａ１＜　≤ｐ０（３）——，　＜　≤　Ｌ　Ｊ　Ｐ０——ａ１　

ａ９一　，　０＜　＜　２一ｐ０　‘　

其中，由直线方程　：　＝——　（４）　ｐ１一ｐ３　

式中：　为曲线１上ａ　Ｐｏ段斜率．　可得：　ａｌ＝（９ｐ３—５ｐ１）／４　（５）　同理可得：　ａ２＝（９ｐ４—５ｐ２）／４　（６）　可计算得出：　Ｐｏ＝（５ｐｌ—Ｐ３）／４＝（５ｐ２一Ｐ４）／４（７）　将式（４）一（７）带入式（３），整理得节点法模糊　

隶属函数　Ａ（　）：　中国工程机械学报　第１２卷　Ａ（　）＝　０，　２（　一Ｐ３）　１　５（ｐｌ—Ｐ３）　２　

二　＋　．　５（ｐ４一Ｐ２）　２　

０＜　≤ａ１，　２≤　＜∞　

ａ１＜　≤Ｐ０　（８）　

ｐｏ＜　＜ａ２　由式（８）可知，在节点法所确定的隶属函数中，　参数仅有（Ｐ　，Ｐｚ，Ｐｓ，Ｐ　），该方法使计算大大简　化，并且更为重要的是其参数值也较容易得到．　２．３对样本数据的概率分布处理　要描述某工作时期钻进载荷的稳定性是否满　足此次施工工况的要求，应选取相应的试验钻孔时　间区间．样本设计及数据的采集方案为：　（１）在岩土钻机液压钻进系统无故障维修条　件下工作Ｈ。小时后，进行时长为ｔ的压力信号数　据采集．测压点位于加载油缸的进出油口，以减小　管路损失和干扰，确保数据的有效可靠．　（２）根据实际情况及数据采集设备的要求确　定采样频率Ｍ．　（３）采用多样本数据方法，提高样本准确性．　在同一施工地点，选取相邻的ｎ个施工孔进行数据　采集，得到　组样本数据Ｓ，建立压力波动图，如图　５所示．压力波动图可以直观地表示出样本数据的　异常情况以及可初步辨别样本的有效性．　名　＼　寻ｊ　铎　业　ｊＩｌｊ《　４００　３５０　３００　２５０　２０ＨＤ　１５０　１００　０５０　０００　０　２００　４００　６００　８００　１　０００　样本采集数量／次　图５钻进压力波动图　Ｆｉｇ．５　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｄｒｉｌｌ　仅根据压力波动图是无法进行实际操作的，要得　到可进行计算的分布函数　（　），需要运用数理统计　学方法对样本数据进行数据处理．其具体方法如下：　（１）频数计算．结合ｎ个数据样本制作ｎ行矩　阵，其中ｎ组样本空间数据个数应一致，对矩阵进　行频数计算，以频数图的方式表示出来．　（２）参数估计．由频数图初步估计样本数据近　似服从某一分布规律形式．经过统计计算得到分布　函数的参数估计以及置信水平下的参数置信区间．　（３）对计算得到的分布函数的参数作某种假　设，根据样本观察值，检验假设是否正确以及决定　是否接受假设．　如果“假设结果”为“不能拒绝假设”，所估计的　分布函数参数则具有较高的合理性，进而得到分布　函数的计算表达式，即所测时间节点处的系统压力　波动的分布函数．厂　（　）．　以图５样本数据为例，其经过数据处理可得到一　个样本矩阵｜ｓ（　），每组有２　ｏｏｏ个数据，共１０组：　

Ｓ（　）＝　１　２７０　１　２１６　１　１６５　・・・　１　２２０　１　１８９　１　２１７　１　３２４　１　２３７　１　２６３　１　１５９　１　２０２　１　１９３　１　２２８　１　３０３　１　２１９　１　２３０　１　２４１　１　２５５　１　３０３　１　２１９　●　１　１８３　１　３２１　１　２１７　・・・　１　２３７　

表１计算值　Ｔａｂ．１　Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　

名称　数值　均值　方差口　均值置信区间　方差置信区间　

１　２２８．４　３４．９４４　１　２２５．３～１　２２８．９　３４．６Ｏ～３５．２９　

图６为其频数图．根据图６可初步确定，分布　函数ｆ。（　）大致服从正态分布．由此，将所得数据　即数据矩阵按正态分布的计算方法进行参数估计．　运用ＭＡＴＬＡＢ软件计算得到数据样本矩阵的均值　

、方差　及口＝０．０５的置信区间，如表ｌ所示．其　中ａ＝０．０５为一般置信区问标准，在解决实际工程　问题时，往往由设计者根据实际需要进行调整，一　般为０．０８～０．Ｏ１之问．进行方差为未知条件下均值　的假设验证，检验结果布尔变量ｈ＝０，表示不拒　绝零假设，即提出均值为１２２８．４的假设是合理的；　

７０　６０　５０　４０　簿３Ｏ　鞫　

Ｏ　８　器　８　戛兽高科荨甓器磊　苫　器导　Ｎ　Ｎ　Ｎ　∞∞∞∞　ＨＨ　Ｈ　ＨＨＨＨＨ　－一　ＨＨ＿＿ＨＨ　样本采集数量／次　

图６数据频数图　Ｆｉｇ．６　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｈａｒｔ　ｆｏｒ　ｄａｔａ　

０　２　７　７　１　１　；｛！ｊ　

１上１上，上１上１上　１　第３期　黄子斋，等：地质钻机定点钻孔加载稳定性评价方法　ａ＝０．０５的置信区间为［１　２２５．３，１　２２８．９３完全包　括１　２２８．４，精度较高；ｓｉｇ＝１，≥０．５，不能拒绝零假　设．因此，某型钻机使用时间约为１　８００　ｈ，后其钻　进系统的压力波动分布函数为　

（　）＝　ｅ一（　—　）　＝　Ｊ２ｎ　

１　———二—一ｅ一（　一　。。・　）ｚ／２ｘ３４．９“（１０）　

２７ｃ　Ｘ　５．９１１　

３算例计算　某型钻机使用时间约为１　８００　ｈ，对某农业水　库坝体进行钻孔加固施工．孔深约２０　ｍ，倾角２５。，　成孑Ｌ垂直精度≤±５。．须评定定点钻孔加载载荷稳　定性是否处于优良状态，对其样孔试验钻孔进行数　据采样．已知参数为使用时间Ｈ。＝１　８００　ｈ；压力　值Ｐ１＝１７．５　ＭＰａ；压力值Ｐ２＝１９．２　ＭＰａ；压力值　Ｐ３＝１５．８　ＭＰａ；压力值Ｐ４＝２２．７　ＭＰａ；单次采样　时间Ｔ≈２０　ｍｉｎ；采集组数ｎ＝１０．　压力传感器输出电流为４－－－２０　ｍＡ，压力量程为　０～６０．０　ＭＰａ，分辨率为１２位，输入范围为Ｏ～２０　ｍＡ，　输出值０￣４０９　６，最高采样频率５００　Ｈｚ．转化公式为　ｐ／叫＝６０　ＭＰａ／４０９　６　（１１）　式中：叫为压力值，Ｐ为采集卡输出值．　将（ｐｌ，ｐ２，ｐ３，ｐ４）＝（１　１９４，１　１３１，ｌ　０７９，１　５４９）　代人（３）～（１０）式，然后代人式（１），联合分段积分　可得：　～　Ｉ∞～　、　ｌ　一（　１　２２８．４）　Ｒ＝Ｉ　Ａ（　）———二—一ｅ　ｄｘ　（１２）　。　￣／２７ｒ　Ｘ　５．９１１　

计算得Ｒ＝０．９２０　３．即载荷性能此时处于优　良性能状态的概率为０．９２０　３．工况要求性能优良　概率高于０．９０，即满足．因此该型钻机钻进加载系　统在使用约１　８００　ｈ后，其性能状态对于所要完成　的施工工况可视作满足要求．　

４　结　论　（１）地质钻机定点钻孔的载荷稳定性是一个　相对性问题，受钻机工作寿命、地质条件以及工况　要求等因素影响，其计算模型应体现该因素的实时　性．其次，模糊分析法解决了钻进系统是否处于优　良性能这一模糊概念的数值量化问题．由已知数据　确定隶属函数，不需要知道隶属函数的极值条件，　大大简化了计算．　

（２）实例计算分析验证了性能模糊化计算方　法行之有效且直观、简便．通过其性能数值，为其节　能技术改进设计提供了数据参考．采样区间、模糊　点取值、置信区间和采样组数的设定值会对最终结　果产生影响，需要在实践过程中不断完善．　（３）本文以加载力的变化情况为研究对象，该　方法对地质钻机定点钻孔载荷的稳定性提出了新　的评价模型，具有较强的可操作性，具有现实工程　意义．由于是对定点钻孔的载荷稳定性评价方法的　初步探索，在精确性上还有待于进一步研究．　

参考文献：　［１］张锐，王龙鹏，孙保山，等．基于　棚　ｍ的多变幅工程钻机负载　敏感回转回路仿真分析［Ｊ］．煤矿机械，２０１３，３４（６）：１０４—１０５．　ＺＨＡＮＧ　Ｒｕｉ，ＷＡＮＧ　Ｌｏｎｇｐｅｎｇ，ＳＵＮ　Ｂａｏｓｈａｎ，ｅｔ　ａ１．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｌｏａｄ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ－ｌｕｆｆｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｒｉｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＭＥＳｉｍ［Ｊ］．Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２０１３，３４（６）：１０４—１０５．　［２］胡志坚．钻机负载自适应液压控制系统的研究［Ｄ］．长春：吉　林大学，２００７．　ＨＵ　Ｚｈｉｊｉａｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｌｏａｄ　ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｒｉｌｌ　ｒｉｇ［Ｄ］．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ：Ｊｉｌｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００７．　［３］刘英杰，徐兵，杨华勇，等．液压系统负载传感功率匹配与比例　控制研究ＥＪ］．农业机械学报，２０１０，４１（５）：１８２—１８７．　ＬＩＵ　Ｙｉｎｇｊｉｅ，ＸＵ　Ｂｉｎｇ，ＹＡＮＧ　Ｈｕａｙｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｓｅｐａｒａｔｅ　ｍｅｔｅｒ　ｉｎ　ａｎｄ　ｓｅｐａｒａｔｅ　ｍｅｔｅｒ　ｏｕｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２０１０，４１（５）：１８２—１８７．　［４］ＭＣＭＡＮＵＳ　Ｋ　Ｊ，ＡＬＡＢＡＳＴＥＲ　Ｄ．Ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｆｏｒｃｅ　ｓｈａｋｉｎｇ　ｏｆ　ａ　ｇｒｏｕｐ　ｏｆ　ｆｏｕｒ　ｄｒｉｌｌｅｄ　ｓｈａｆｔｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｎｄ　ＧｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４，１３０（２）：１２３—１２８．　［５］鄢泰宁．岩土钻掘工程学［Ｍ］．北京：中国地质大学出版　社，２００１．　ＹＡＮ　Ｔａｉｎｉｎｇ．Ｒｏｃｋ　ａｎｄ　ｓｏｉｌ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｇｇｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ　Ｐｒｅｓｓ，２００１．　［６］ＭＣＧＲＡＹ　Ｓ．Ｓｏｉｌ　Ｎａｉｌｉｎｇ：Ｄ０Ｔｓ　ｗａｒｍ　ｕｐ　ｔｏ　ｎｅｗ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　［Ｊ］．Ｂｅｔｔｅｒ　Ｒｏａｄｓ，２００３，７３（３）：７２—７４．　［７３李士勇．工程模糊数学及应用［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学　出版社，２００４．　ＬＩ　Ｓｈｉｙｏｎｇ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｕｚｚｙ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　［Ｍ］．Ｈａｒｂｉｎ：Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｐｒｅｓｓ，２００４．　Ｅ８］程学进，董玉革，高亮．模糊可靠性分析的等效正态隶属函数　法［Ｊ］．农业机械学报，２００６，３７（４）：１１１—１１４．　ＣＨＥＮＧ　Ｘｕｅｊｉｎ，Ｄ０ＮＧ　Ｙｕｇｅ。ＧＡ０　Ｌｉａｎｇ．ｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｆｕｚｚｙ　ｔｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｎｏｒｍａｌ　ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２００６，３７（４）：１１１—１１４．