PDC钻头高频感应焊接温度自动控制系统的开发及应用

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金刚石钻进是钻探工程中一种比较先进的钻进方法。但是金刚石钻头上聚晶金刚石复合片PDC(Polycrystalline Diamond Compact)中聚晶金刚石层的热稳定失效温度为700℃,超过失效温度,金刚石层与硬质合金衬底易分层,并且金刚石层易崩刃,金刚石层的耐磨性也将因石墨化而下降。因此,焊接过程中PDC金刚石层的温度要控制在700℃以下,并要求焊接后PDC与钻头钢体间有足够的抗剪强度,以使PDC能在井下长期工作不失效。长期以来,PDC与钻头体间的连接大都采用高频感应—火焰钎焊相结合的焊接技术,这套方法不能对焊接温度及焊接时间进行自动控制,而是由焊接技术人员凭经验及熟练程度来操作,焊接质量具有很大的随意性,从而影响钻头的使用寿命。 本论文以西安科技大学地质钻探实验室的GP30—C3型高频感应加热设备为研究对象,与西安展宏自动化发展有限公司合作开发,采用日本岛电公司生产的FP93模糊自整定PID温控仪、光纤温度传感器等对原有的高频感应加热系统进行了数字化改造,实现了焊接温度的闭环控制,并采用VB语言编程实现了PC机对下位机温控仪的远程监控(限于实验室模拟)。此控制系统投入现场以来,经过反复的调试,控温精度可达±10℃,完全满足PDC钻头的焊接工艺要求。 感应加热系统是一个大滞后、非线性、时变的比较复杂的系统,用一般的PID控制会导致控制作用不及时,引起系统的超调和振荡,难以获得良好的控制效果。本论文采用Fuzzy控制和PID控制并联对系统进行控制,根据被控温差大小对两种算法进行切换。实践表明,这种算法既能保证控制系统的稳定性,又可获得高的控制精度。本论文还对Fuzzy自整定+PID控制算法的原理进行了细致的研究。 在完成控制系统的开发之后,我们又利用此系统对影响PDC钻头焊接性能的焊接温度、升温速度以及保温时间这三相因素进行了科学周密的正交试验研究。一方面考核了系统的可靠性,另一方面还摸索出了优化的焊接工艺参数组合。
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