姚亞峰,姚寧平,彭 濤
煤礦井下鉆機變幅機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望
姚亞峰1,2,姚寧平2,彭 濤2
(1. 煤炭科學研究總院,北京 100013;2. 中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)
鉆機變幅機構(gòu)用于調(diào)節(jié)鉆孔的開孔參數(shù),即方位角、傾角和高度。針對不同種類鉆機變幅機構(gòu)的結(jié)構(gòu)差異性及煤礦井下鉆孔的施工特點,總結(jié)了煤礦井下鉆機變幅機構(gòu)對開孔參數(shù)的調(diào)整要求,提出了煤礦井下鉆機變幅機構(gòu)的研究目標,即能夠快速準確地調(diào)節(jié)鉆孔開孔參數(shù)及保障鉆機施工的穩(wěn)定性。總結(jié)出煤礦井下鉆機變幅機構(gòu)具有外形尺寸小、參數(shù)調(diào)節(jié)范圍較大、施工時需要穩(wěn)固可靠、調(diào)節(jié)過程自動化程度高的總體特點。對目前煤礦井下鉆機幾種常見變幅機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點、輔助穩(wěn)固方式、控制方法、適用范圍及存在的優(yōu)缺點進行分析,提出了煤礦井下鉆機向鉆孔機器人發(fā)展過程中變幅機構(gòu)在結(jié)構(gòu)和控制方法方面的研究方向,建議重點從關節(jié)自動鎖緊裝置開發(fā)、變幅機構(gòu)結(jié)構(gòu)適應自動加卸鉆桿模式的需求、鉆孔開孔參數(shù)智能調(diào)節(jié)、開孔參數(shù)與底盤調(diào)平及機身穩(wěn)固的協(xié)調(diào)控制等方面開展研究工作。研究成果為煤礦井下鉆機裝備智能化提供了研究思路。
煤礦井下;變幅機構(gòu);鉆機;智能化;穩(wěn)固系統(tǒng)
鉆機按照目的和用途可分為石油天然氣開發(fā)鉆機、煤礦井下鉆機、工程施工鉆機、水文水井鉆機、地質(zhì)勘查鉆機等[1-3]。鉆機變幅機構(gòu)(也稱機架)的主要用途是用于調(diào)節(jié)鉆孔的方位角、傾角和高度等開孔參數(shù)[4-5],不同種類鉆機的變幅機構(gòu)有很大差異。石油天然氣開發(fā)鉆機、水文水井鉆機及地質(zhì)勘查鉆機主要用于施工垂直于地面的鉆孔或與地面夾角很小的鉆孔,其變幅機構(gòu)(也稱機架)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)參數(shù)小、穩(wěn)定性高。對于工程施工鉆機中的多功能工程鉆機來說,主要用于巖石爆破孔、管棚鉆孔、錨固孔等小直徑淺孔施工,對變幅機構(gòu)的開孔參數(shù)要求范圍很大[6-10]。這類鉆機變幅機構(gòu)較復雜、外形尺寸較大、施工時依靠變幅機構(gòu)上安裝的給進機身頂緊地面,不需要輔助穩(wěn)固。
煤礦井下鉆機主要用于瓦斯抽采、地質(zhì)勘探、探放水、防滅火、注漿等鉆孔的施工[11-12],以常見的瓦斯抽采鉆孔為例,根據(jù)布置方式,主要分為本煤層(順層)鉆孔、高位鉆孔和穿層鉆孔[13-14]。本煤層鉆孔施工時鉆孔傾角和方位角調(diào)節(jié)范圍較小,高度則由煤層的厚度決定,變化范圍較大。高位鉆孔主要在專用鉆場中施工,對開孔參數(shù)調(diào)節(jié)范圍要求較小。對于穿層鉆孔來說,開孔參數(shù)調(diào)節(jié)范圍很大、結(jié)構(gòu)型式多樣。其他類型的鉆孔與瓦斯抽采鉆孔一樣,根據(jù)施工方式的不同,對鉆機變幅機構(gòu)的參數(shù)要求也各不相同。因此,變幅機構(gòu)的性能直接影響鉆機的適用范圍和施工性能,快速準確地調(diào)節(jié)鉆孔開孔參數(shù)及保障鉆機施工的穩(wěn)定性是煤礦井下鉆機變幅機構(gòu)研究的目標,這有助于減輕工人勞動強度、減少鉆孔輔助時間、提高施工的安全性。
不同于地面施工鉆機,煤礦井下鉆機用于在煤礦巷道內(nèi)施工,其結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)受到巷道尺寸、鉆孔類型、鉆探工藝等限制[15],且不同結(jié)構(gòu)的變幅機構(gòu)各有其適應性。因此,煤礦井下鉆機變幅機構(gòu)具有以下總體特點:
①由于煤礦巷道斷面尺寸小、巷道中一般布置有運輸軌道、風筒等設施,對于移動設備的體積要求高,鉆機變幅機構(gòu)的結(jié)構(gòu)發(fā)展受到尺寸和重量的限制;
②在碎軟煤層鉆孔時容易發(fā)生卡埋鉆現(xiàn)象,鉆孔過程中經(jīng)常需要處理孔內(nèi)事故,鉆機的起拔力相對較大,為了保障變幅機構(gòu)的穩(wěn)定性,常常增加穩(wěn)固裝置實現(xiàn)可靠穩(wěn)固;
③同一個巷道中施工的鉆機往往需要施工前探孔和順層孔兩種類型的鉆孔,有時一種鉆機還需要在不同巷道內(nèi)施工,因此,對于鉆機來說,變幅機構(gòu)應能滿足多種鉆孔需求,參數(shù)調(diào)節(jié)范圍較大;
④穿層鉆孔施工時開孔參數(shù)調(diào)節(jié)頻繁,而井下施工環(huán)境差,為了減輕工人勞動強度,提高施工效率,要求變幅機構(gòu)調(diào)節(jié)過程中人工干預少,調(diào)節(jié)過程自動化程度高。
早期大量應用于煤礦井下施工的鉆機為分體式鉆機,要求鉆機尺寸小、重量輕,便于人工搬遷運輸。鉆機采用分體式結(jié)構(gòu),包括主機、泵站和操縱臺3部分,變幅機構(gòu)設計在主機中,采用油缸四連桿機構(gòu),如圖1所示。變幅機構(gòu)無法調(diào)節(jié)開孔方位角,只能依靠人工擺動主機方向?qū)崿F(xiàn);傾角調(diào)節(jié)范圍為-90°~90°,但是在±90°調(diào)節(jié)時需要人工調(diào)轉(zhuǎn)機身實現(xiàn)。由于立柱強度有限,鉆孔高度調(diào)節(jié)范圍也較小。這種變幅機構(gòu)在參數(shù)調(diào)節(jié)時需要松開緊固螺栓,利用油缸配合導鏈或人工調(diào)節(jié)機身傾角和高度,到達設計的開孔位置后再緊固螺栓。施工時主機需要用4個專用的液壓支柱壓緊底座進行穩(wěn)固。因此,這種變幅機構(gòu)存在工人勞動強度大、調(diào)節(jié)時間長的缺點。該變幅機構(gòu)采用機械鎖死,配合穩(wěn)固可靠的單體液壓支柱,可適合各種能力的鉆機。
1—底座;2—立柱;3—機身;4—橫梁;5—油缸;6—斜撐
隨著煤礦井下履帶式鉆機的普及,機構(gòu)質(zhì)量不再是重要的影響因素,雙油缸多自由度變幅機構(gòu)也得到了快速應用,結(jié)構(gòu)如圖2所示。轉(zhuǎn)盤安裝在履帶式鉆機車體上,轉(zhuǎn)盤上安裝轉(zhuǎn)臺,大臂的下部鉸接于轉(zhuǎn)臺上,大臂和轉(zhuǎn)臺之間鉸接油缸Ⅰ,油缸Ⅰ、大臂與轉(zhuǎn)臺構(gòu)成第一個曲柄搖塊機構(gòu)。托架的下部鉸接于大臂的上部,托架與大臂之間鉸接油缸Ⅱ,油缸Ⅱ、托架、大臂構(gòu)成另一個曲柄搖塊機構(gòu)。利用兩個曲柄遙塊機構(gòu)可實現(xiàn)機身傾角和高度的變化,利用轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)機身方位角的變化,機身傾角調(diào)節(jié)范圍-90°~90°,方位角調(diào)節(jié)范圍-90°~90°,高度調(diào)節(jié)1.1 m。該變幅機構(gòu)調(diào)節(jié)時僅依靠液控或電控手柄控制多路換向閥實現(xiàn),具有調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)過程無需輔助吊裝也無需人工擰卸螺栓、自動化程度高的特點。由于主要依靠兩組油缸固定機身,該變幅機構(gòu)在使用時還需要撐緊安裝在機身兩端的前后穩(wěn)固裝置,提升機構(gòu)的穩(wěn)定性。該變幅機構(gòu)適用于常規(guī)能力的鉆機,鉆機能力為1 900~6 500 N·m。
1—轉(zhuǎn)盤;2—油缸Ⅰ;3—后穩(wěn)固裝置;4—托架;5—機身;6—大臂;7—油缸Ⅱ;8—轉(zhuǎn)臺;9—前穩(wěn)固裝置
針對穿層孔設計中需要在鉆場中施工密集型多排多列鉆孔,在該變幅機構(gòu)的基礎上,升級了滑移式雙油缸多自由度變幅機構(gòu),如圖3所示,在轉(zhuǎn)盤下方和車體之間增加平移裝置,使用時依靠該平移裝置實現(xiàn)變幅機構(gòu)整體滑移,可大幅提高這種特殊需求鉆孔的施工效率。
1—滑移裝置;2—雙油缸多自由度變幅機構(gòu)
大采高多自由度變幅機構(gòu)主要應用于煤礦井下掘進面超前探、掘進面爆破、本煤層多層瓦斯抽采等鉆孔的施工,具有鉆孔傾角和鉆孔高度調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)過程自動化程度高的特點。鉆孔高度調(diào)節(jié)范圍可達0.8~3.5 m,鉆孔傾角調(diào)節(jié)范圍-90°~90°,方位角調(diào)節(jié)范圍-90°~90°。該變幅機構(gòu)(圖4)結(jié)構(gòu)原理為:連接架Ⅰ與調(diào)角油缸及一級臂組成第一個曲柄搖塊機構(gòu),主要用于調(diào)節(jié)傾角;一級臂上面安裝有二級臂,依靠平移油缸使二級臂沿一級臂滑移,主要實現(xiàn)高度調(diào)節(jié);擺角油缸安裝在二級臂上,并通過四連桿機構(gòu)、連接架Ⅱ、回轉(zhuǎn)油缸、轉(zhuǎn)盤連接機身,利用擺角油缸通過四連桿機構(gòu)調(diào)平機身,便于鉆孔傾角的調(diào)節(jié),利用回轉(zhuǎn)油缸調(diào)節(jié)鉆孔傾角,利用轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)鉆孔的方位角。機身的前后端安裝前后穩(wěn)固油缸,提高鉆機施工時的穩(wěn)定性。由于該機構(gòu)活動關節(jié)多,機身穩(wěn)固主要依靠前后穩(wěn)固裝置輔助,因此,該類型變幅機構(gòu)適合于能力較小的鉆機,目前鉆機最大能力為3 200 N·m。
1—連接架Ⅰ;2—調(diào)角油缸;3—一級臂;4—平移油缸;5—二級臂;6—擺角油缸;7—后穩(wěn)固裝置;8—四連桿機構(gòu);9—連接架Ⅱ;10—機身;11—回轉(zhuǎn)油缸;12—轉(zhuǎn)盤;13—前穩(wěn)固裝置
該變幅機構(gòu)(圖5)參數(shù)調(diào)節(jié)范圍為傾角-90°~ 90°,方位角-90°~90°,開孔高度0.65 m。轉(zhuǎn)盤Ⅰ固定在鉆機的履帶車體上,用于調(diào)節(jié)方位角;在轉(zhuǎn)盤Ⅰ上安裝有兩個立柱,立柱上通過轉(zhuǎn)盤Ⅱ安裝機身,通過舉升油缸升降機身來調(diào)節(jié)開孔高度,通過轉(zhuǎn)盤Ⅱ調(diào)節(jié)鉆孔傾角。立柱上安裝有上穩(wěn)固裝置,機身前后還安裝有前后穩(wěn)固裝置,因此,該變幅機構(gòu)穩(wěn)定性較好,開孔參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大,能滿足各種鉆孔的需求。由于鉆孔傾角在正負轉(zhuǎn)換時機身的一側(cè)會與車體干涉,因此,一次傾角調(diào)節(jié)范圍有限,在正負傾角轉(zhuǎn)換時需要調(diào)轉(zhuǎn)機身安裝。目前該變幅機構(gòu)主要適合3 500~4 500 N·m的履帶式鉆機。
1—轉(zhuǎn)盤Ⅰ;2—前穩(wěn)固裝置;3—機身;4—舉升油缸;5—立柱;6—上穩(wěn)固裝置;7—機身;8—后穩(wěn)固裝置;9—轉(zhuǎn)盤Ⅱ
該變幅機構(gòu)的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍為:鉆孔高度范圍0.73~1.63 m,鉆孔傾角–90°~90°。如圖6所示,連接架和斜撐油缸固定在鉆機的履帶車體上,連接架另一端固定有立柱,通過斜撐油缸調(diào)節(jié)立柱角度,立柱上安裝升降油缸、轉(zhuǎn)盤和機身,通過升降油缸調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤高度,從而調(diào)節(jié)機身高度,利用轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)機身傾角。為保障鉆孔施工時轉(zhuǎn)盤的穩(wěn)定性,在轉(zhuǎn)盤內(nèi)圈安裝有制動裝置。立柱上安裝有上穩(wěn)固裝置,機身前后安裝有前后穩(wěn)固裝置,因此,該變幅機構(gòu)的穩(wěn)定性也較高。在鉆機施工時,由于變幅機構(gòu)的立柱固定,鉆孔的方位角不能通過變幅機構(gòu)調(diào)節(jié),需要調(diào)節(jié)時必須移動履帶車體,因此,該變幅機構(gòu)主要適用于全斷面穿層或本煤層順槽鉆孔施工。通過在變幅機構(gòu)控制系統(tǒng)中增加電控元件,可實現(xiàn)遙控器控制變幅機構(gòu)的動作,提高安全性。目前該變幅機構(gòu)常用的鉆機能力為4 500~6 500 N·m。
1—斜撐油缸;2—連接架;3—后穩(wěn)固裝置;4—機身;5—升降油缸;6—上穩(wěn)固裝置;7—立柱;8—制動裝置;9—轉(zhuǎn)盤;10—前穩(wěn)固裝置
隨著煤礦井下鉆機機械化、自動化水平的不斷提高,鉆機變幅機構(gòu)也逐漸從人工輔助調(diào)節(jié)發(fā)展到無需人工干預的全液壓或遙控控制,同時穩(wěn)固系統(tǒng)也逐漸集成于變幅機構(gòu)中,通過穩(wěn)固系統(tǒng)的加入不斷提高變幅機構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。伴隨著煤礦智能化開采模式的不斷發(fā)展,國家煤礦安全監(jiān)察局也在《煤礦機器人研發(fā)目錄》中指出了防突、探水、防沖等鉆孔機器人的需求和定位,這也就指明了鉆機向機器人化快速發(fā)展的趨勢。由于現(xiàn)有鉆機變幅機構(gòu)的調(diào)節(jié)已經(jīng)發(fā)展到無需人工干預階段,這也為鉆孔機器人的變幅機構(gòu)提供了良好的基礎,基于此,鉆孔機器人變幅機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及控制方法可從以下幾個方向開展重點研究。
關節(jié)機器人適合于工業(yè)領域的多種機械自動化作業(yè),例如裝配、噴漆、焊接等,由于關節(jié)機器人具有負載較低、運動頻繁等特點,其關節(jié)是依靠伺服電機制動鎖死的,同時在受到大的外力或振動時又具有柔性控制以防止損壞[16-19]。鉆孔機器人的變幅機構(gòu)調(diào)節(jié)完開孔參數(shù)后,在施工過程中一直處于靜止狀態(tài),且施工過程時間較長,不同于工業(yè)關節(jié)機器人的工作模式。由于鉆孔機器人的變幅機構(gòu)具有鉆孔施工時負載沖擊大、長時間處于靜止狀態(tài)等特點,因此,應朝著提高自身剛度、不需要柔性控制方向發(fā)展。同時受鉆孔機器人施工環(huán)境所限,在煤層或復雜巖層巷道中施工,遇到地層壓力釋放時,常常導致穩(wěn)固系統(tǒng)失穩(wěn),此時對變幅機構(gòu)的關節(jié)處零件損傷較大,僅依靠穩(wěn)固系統(tǒng)提升穩(wěn)定性是不夠的。為了適應鉆孔機器人施工時對變幅機構(gòu)產(chǎn)生的振動、沖擊、強力起拔等高負荷,變幅機構(gòu)的關節(jié)處應設計自動鎖緊裝置,確保在鉆孔施工時變幅機構(gòu)的穩(wěn)定性,為機器人鉆孔施工時鉆孔參數(shù)的準確性提供保障。
鉆孔機器人的智能化鉆進主要可分解為自動加卸鉆桿和自適應鉆進兩大部分,現(xiàn)有鉆機的變幅機構(gòu)設計以人工加卸鉆桿的模式為基礎,結(jié)構(gòu)上很難適應智能化鉆進的需求。當前自動加卸鉆桿系統(tǒng)的研究集中在整體式加卸鉆桿裝置和分體式加卸鉆桿車兩種模式,其中整體式加卸鉆桿裝置是指加卸鉆桿裝置集中在鉆機本體上,鉆桿的補充依靠吊臂機器人或其他裝置實現(xiàn)。分體式加卸鉆桿車是指加卸鉆桿裝置和鉆桿儲存裝置等集成在獨立的車體上。由于兩種加卸鉆桿模式對變幅機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)范圍、自由度要求差異很大,應針對不同的自動加卸鉆桿模式,設計不同結(jié)構(gòu)的鉆機變幅機構(gòu),才能更好地發(fā)揮自動加卸鉆桿系統(tǒng)的效率。
鉆孔機器人施工過程中為盡量避免人工干預,要求變幅機構(gòu)的控制系統(tǒng)能夠根據(jù)鉆孔施工規(guī)劃設計來自主調(diào)整好鉆孔姿態(tài),等待鉆進指令。鉆孔姿態(tài)調(diào)整的核心是對開孔方位角、傾角及高度的參數(shù)檢測和反饋控制。由于變幅機構(gòu)承載著鉆孔機器人的關鍵部件,如給進機身、動力頭、夾持器等,這部分結(jié)構(gòu)重量大、運動慣性大,這需要在姿態(tài)調(diào)整路徑規(guī)劃、多傳感器數(shù)據(jù)融合控制算法、運動過程中的速度加速度控制等方面展開研究,以快速準確地控制鉆孔機器人變幅機構(gòu)達到設計的鉆孔參數(shù)。
鉆孔機器人在施工中都需要機身輔助穩(wěn)固,其一般工作步驟是:先利用下穩(wěn)固調(diào)平機器人底盤,再進行變幅機構(gòu)姿態(tài)調(diào)整,最后進行機身輔助穩(wěn)固,或者變幅機構(gòu)姿態(tài)調(diào)整和機身輔助穩(wěn)固交叉進行。在進行機身輔助穩(wěn)固過程中,由于巷道頂?shù)装宓牟黄秸?、松軟易碎,其穩(wěn)固支撐存在微小位移,這種位移會對鉆孔機器人底盤的調(diào)平及變幅機構(gòu)的開孔參數(shù)產(chǎn)生影響并放大誤差,從而影響最終的開孔參數(shù)調(diào)節(jié)精度。因此,需要在進行開孔參數(shù)調(diào)整控制時,通過監(jiān)測鉆孔機器人底盤穩(wěn)固支撐的變化,對底盤穩(wěn)固支撐進行修正控制,使鉆孔機器人底盤始終保持水平,同時要實時修正鉆孔機器人的變幅機構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)控制量,即進行開孔參數(shù)與底盤調(diào)平、機身穩(wěn)固耦合調(diào)節(jié)控制,提高最終的開孔參數(shù)調(diào)節(jié)控制精度。其控制流程如圖7所示。
圖7 開孔參數(shù)與調(diào)平、穩(wěn)固協(xié)調(diào)控制流程
a. 受煤礦井下巷道條件、鉆孔施工種類等的限制,煤礦井下鉆機的變幅機構(gòu)存在外形尺寸小、參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大、施工時需要穩(wěn)固、調(diào)節(jié)過程自動化程度要求高等突出特點。
b. 煤礦井下鉆機變幅機構(gòu)由依靠人工輔助操作逐漸發(fā)展到僅依靠液壓手柄或遙控器操作而無需人工干預,不僅顯著減輕了工人勞動強度,減少了鉆孔輔助時間,提高了施工效率,也為煤礦井下鉆機向自動化和智能化發(fā)展提供了基礎保障。
c.隨著煤礦井下鉆機向機器人化發(fā)展,變幅機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)也要適應鉆孔機器人的發(fā)展要求。變幅機構(gòu)的結(jié)構(gòu)逐漸向提高穩(wěn)定性、適應自動加卸鉆桿需求等方向發(fā)展;而變幅機構(gòu)的控制系統(tǒng)逐漸由手柄控制向智能自動調(diào)節(jié)方向發(fā)展,并與底盤調(diào)平、輔助穩(wěn)固等相關系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。
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Development situation and prospect of luffing mechanism of drilling rig in underground coal mine
YAO Yafeng1,2, YAO Ningping2, PENG Tao2
(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2.Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)
The luffing mechanism of drilling rig is used to adjust the opening parameters of the borehole, that is, azimuth angle, inclination angle, and height. According to the structural differences of different types of drilling rig and the construction characteristics of borehole in underground coal mine, this paper summarizes the adjustment requirements to opening parameters and proposes the research goal, which can rapidly and accurately adjust the parameters of the borehole and safeguard the stability of drilling construction. It is concluded that the luffing mechanism of drilling rig in underground coal mine has overall characteristics of small size, large adjustment range of parameters, reliable stability in construction, and high automation in the process of adjustment. According to the analysis of structural characteristics, auxiliary stable mode, control method, applicable range, and advantages and disadvantages of several common luffing mechanisms in underground coal mine, the key research directions in terms of structure and control methods of luffing mechanism are proposed in the process of development from drilling rig to drilling robot. It is suggested that the research should focus on the development of automatic locking device of joint, demand of automatic loading and unloading drillpipes, the intelligent adjustment of opening parameters, the coordinate control of opening parameters with chassis leveling and body stability. The research results provide an approach for the equipment intellectualization of drilling rig in underground coal mine.
underground coal mine; luffing mechanism; drilling rig; intellectualization; stable system
TD41
A
10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.003
1001-1986(2020)02-0014-06
2019-11-12;
2020-01-06
國家科技重大專項任務(2016ZX05045-003-002)
National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-003-002)
姚亞峰,1979年生,男,河南長葛人,博士研究生,研究員,從事煤礦坑道鉆探技術與裝備的研究與應用. E-mail:yaoyafeng@cctegxian.com
姚亞峰,姚寧平,彭濤. 煤礦井下鉆機變幅機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2020,48(2):14–19.
YAO Yafeng,YAO Ningping,PENG Tao. Development situation and prospect of luffing mechanism of drilling rig in underground coal mine[J]. Coal Geology & Exploration,2020,48(2):14–19
(責任編輯 聶愛蘭)