全液壓智能鑿巖臺車防卡控制系統(tǒng)研究

龍國強(qiáng)，張 玲，劉海燕，李德喜，黎忠言，朱敏基

（湖南有色重型機(jī)器有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410205）

0 前 言

在鉆孔施工過程中，由于巖石狀態(tài)的不確定性，其中存在的溶洞、裂隙及巖石性質(zhì)不均等會不可避免地形成卡鉆區(qū)，導(dǎo)致卡鉆?？ㄣ@是鉆孔過程中比較常見的問題，一旦發(fā)生卡鉆故障，將降低工作效率，造成鉆具損壞，嚴(yán)重時卡鉆故障無法消除，向前無法鉆進(jìn)，向后無法提鉆，只能放棄已鉆進(jìn)孔內(nèi)的鉆具，增加施工的直接成本。因此，長期以來國內(nèi)外對卡鉆理論及防卡方案做了很多的理論分析，在鉆機(jī)的防卡桿功能控制方面也做了大量的研究與實(shí)驗(yàn)，目的都是為了找到一種合理、有效、可靠的防卡控制方法，對卡鉆事故進(jìn)行預(yù)防和處理。CSY50型采礦鑿巖臺車中應(yīng)用的PLC控制系統(tǒng)，將鑿巖臺車的防卡功能由以往單純液控或繼電器控制，提升至智能化程序控制的先進(jìn)平臺，通過對各種卡鉆機(jī)理的分析，利用設(shè)定的程序在卡鉆初始階段對推進(jìn)、沖擊進(jìn)行分別控制，在鉆孔過程中達(dá)到卡鉆事故預(yù)防和處理的目的，現(xiàn)場使用效果良好。本文針對CSY50型液壓鑿巖臺車防卡系統(tǒng)進(jìn)行具體的介紹與分析。

1 鉆機(jī)卡鉆原理

（1）因排渣不暢而引起的卡鉆。其產(chǎn)生原因?yàn)榭變?nèi)積渣未能排出，鉆頭積渣越來越多，最終導(dǎo)致了鉆頭卡死的情況。

（2）鉆頭偏載引起的卡鉆。這類卡鉆一般是由于鉆頭進(jìn)入性質(zhì)不均的巖石帶，或鉆頭出現(xiàn)損壞時，鉆頭因徑向受力不均而偏移原來的方向，使炮孔彎曲，阻力矩隨鉆頭的繼續(xù)鑿入而逐漸增大，最終導(dǎo)致了卡鉆。

（3）溶洞或裂縫卡鉆。此類卡鉆一般會使推進(jìn)或回轉(zhuǎn)阻力產(chǎn)生突變，鉆頭通過此類地形時其排渣所需的氣壓或水壓也會下降，使得排渣困難。另外破碎下來的巖渣通常會在溶洞或裂縫處聚集，形成會卡住鉆頭的“栓子”使鉆頭不能回退，形成很難處理的卡鉆現(xiàn)象。

分析以上卡鉆故障表現(xiàn)形式可看出，當(dāng)鉆機(jī)所能提供的轉(zhuǎn)動力矩不能超過巖孔對回轉(zhuǎn)鉆具阻力矩時，就會發(fā)生卡鉆，鑿巖過程中阻力矩是巖石對鉆具旋轉(zhuǎn)所形成的反作用力，可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動阻力矩主要有：鉆頭齒與孔底巖石摩擦所形成的摩擦阻力矩；兩次沖擊巖瘤的剪切阻力矩；鉆具外緣與鉆孔壁間的摩擦力所形成的分布阻力矩。這些阻力矩都是形成卡鉆的主要原因，而如何控制這些阻力矩、避免產(chǎn)生卡鉆故障，成為了目前對防卡理論研究的主題。

2 CSY50鑿巖臺車防卡特點(diǎn)

CSY50是湖南有色重型機(jī)器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的新型智能化液壓鑿巖臺車（如圖1所示），主要適應(yīng)用于分段采礦法中扇形斷面中深炮孔施工。該機(jī)有結(jié)構(gòu)精巧、場地適應(yīng)能力強(qiáng)、操作方便、施工安全、高效低噪、智能化程度高等特點(diǎn)。該類鉆機(jī)使用特點(diǎn)與防卡技術(shù)應(yīng)用較多的潛孔鉆機(jī)相比，工作原理以及卡鉆的特點(diǎn)也有所不同，其中對卡鉆影響較大的有兩個方面。

2.1 沖擊做功的方式不同

從鉆孔原理上來看，潛孔鉆機(jī)沖擊能產(chǎn)生在鉆桿前端，沖擊能直接作用于潛孔鉆頭上，鉆桿起導(dǎo)向和傳遞推進(jìn)力與回轉(zhuǎn)力的作用。而鑿巖類鉆機(jī)沖擊功產(chǎn)生在鉆桿尾部，鉆桿除了要傳遞推進(jìn)力與回轉(zhuǎn)力之外還要傳遞沖擊能，在鉆桿上產(chǎn)生的應(yīng)力會比潛孔鉆機(jī)鉆桿復(fù)雜得多，因此隨著鉆桿數(shù)量的增加，更容易產(chǎn)生鉆桿發(fā)彈、壓桿彎曲等現(xiàn)象。除了導(dǎo)致沖擊能量損失外，還會比潛孔鉆機(jī)更容易導(dǎo)致鉆頭偏載與鉆孔偏斜，最終引發(fā)卡鉆。

圖1 現(xiàn)場施工示意

2.2 排渣的方式不同

在鉆鑿設(shè)備鉆孔過程中，排渣是極其重要的，也是引發(fā)卡鉆的主要原因。潛孔鉆機(jī)是靠潛孔沖擊器做功后排出的高速氣流來進(jìn)行排渣，液壓鑿巖類鉆機(jī)是靠獨(dú)立的水泵從空心鉆桿中注水沖洗排渣。在潛孔鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，排渣不暢會引起氣流排出壓力增大，使得沖擊器用于做功的氣壓差會減小，從而也導(dǎo)致鉆頭破碎巖石的速度放緩，這樣會在一定程度上對卡鉆有所緩和。而注水排渣的鑿巖鉆機(jī)，在排渣水壓增大或水量不足不能正常沖洗排渣的情況下，其鉆進(jìn)能力不但不會變小，鉆齒與巖石接觸面因少了水流的“潤滑”使得破碎巖石的能力還會增強(qiáng)。而且CSY50鉆機(jī)工作時在2.5英寸的鉆頭上作用的單次沖擊能達(dá)到300J，比一般中、高氣壓潛孔沖擊器以及大多數(shù)的鑿巖鉆機(jī)對巖石的沖擊應(yīng)力都要大，所以一旦發(fā)生上述情況，卡鉆程度將很快惡化。

因此，對CSY50鉆機(jī)防卡功能不但要求能夠在卡鉆發(fā)生之初能夠準(zhǔn)確判斷、快速做出反應(yīng)，還應(yīng)合理、有效地調(diào)整工作參數(shù)，以滿足該鉆機(jī)工況條件差、鉆進(jìn)速度快、穿孔精度高的要求。

3 CSY50鉆機(jī)智能防卡原理

上文中提到的三種轉(zhuǎn)動阻力矩是卡鉆故障的主要原因，通過對鉆具在孔內(nèi)的受力情況分析，可以通過以下兩種方式減小轉(zhuǎn)動阻力矩。

（1）如上文所述，摩擦阻力矩、剪切阻力矩的大小與鉆齒受推進(jìn)力在巖面產(chǎn)生的接觸摩擦成正比，即推進(jìn)力變大，回轉(zhuǎn)阻力矩也會變大，反之則變小。因此可以在卡鉆過程初期，利用鉆機(jī)主動減小其推進(jìn)壓力，控制回轉(zhuǎn)阻力過度升高而引發(fā)的卡鉆。此類防卡的關(guān)鍵在于判斷回轉(zhuǎn)壓力變化，有很多的控制理論與應(yīng)用方案，一般是通過檢測回轉(zhuǎn)壓力上升信號，來使壓力繼電器或者防卡閥動作，使推進(jìn)系統(tǒng)減少推進(jìn)力或產(chǎn)生回退，來降低此類轉(zhuǎn)動阻力矩，防止卡鉆。而這種壓力繼電器控制的防卡系統(tǒng)，一般只能是對推進(jìn)壓力進(jìn)行分段控制，即當(dāng)回轉(zhuǎn)達(dá)到某一壓力值，相應(yīng)地把推進(jìn)壓力降低到某一壓力值，屬于“硬”特性防卡，防卡效果也有其自身的局限性。而在系統(tǒng)中設(shè)置防卡桿閥，雖然可以通過判斷回轉(zhuǎn)壓力來連續(xù)的控制推進(jìn)，達(dá)到一定的“軟”特性效果，但也會因其受環(huán)境、介質(zhì)以及自身的響應(yīng)頻率、機(jī)械磨損等因素影響，使得其控制精度和使用的可靠性不高。

（2）因?yàn)闆_擊力的增大，使鉆頭齒尖破碎的巖坑增大，導(dǎo)致剪切阻力矩、分布阻力矩的增大，此時需要通過減小沖擊力，來降低此類阻力矩，但在一般鉆機(jī)中降低沖擊力是很難做到的，如潛孔鉆機(jī)只能通過迅速降低沖擊氣壓才會有作用。部分進(jìn)口液壓鑿巖臺車也只是通過液壓控制或電液控制，控制方式與上述控制推進(jìn)的原理一樣，對沖擊油路進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，使其溢流來達(dá)到降低沖擊壓力目的，這種方式同樣也會有控制反應(yīng)時間長、可靠性不高、溢流損失大的缺點(diǎn)。

3.1 智能防卡系統(tǒng)液壓部分的組成和控制原理

針對上述防卡特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工況，綜合各種防卡桿的優(yōu)點(diǎn)，CSY50機(jī)型采用了先進(jìn)的比例控制液壓系統(tǒng)，通過壓力變送器檢測到回轉(zhuǎn)壓力信號，由PLC進(jìn)行判斷和邏輯分析，通過比例閥來合理地調(diào)節(jié)推進(jìn)壓力和沖擊壓力，液壓控制原理如圖2所示。

圖中推進(jìn)、回轉(zhuǎn)、沖擊三種工況分別由兩變量泵供油，回轉(zhuǎn)單獨(dú)設(shè)置一泵，這是為了避免在回轉(zhuǎn)壓力增大時，沖擊或推進(jìn)壓力隨之增大，產(chǎn)生惡性循環(huán)。回轉(zhuǎn)工況由變量泵①、比例換向閥③和比例溢流閥④組成的負(fù)載敏感系統(tǒng)供油，其可以通過PLC對兩比例閥的賦值來控制其回轉(zhuǎn)的速度和回轉(zhuǎn)最高壓力。沖擊工況也由另一負(fù)載敏感系統(tǒng)供油，由比例溢流閥控制其壓力大小。而推進(jìn)工況因工作時推進(jìn)所需流量很小，所需壓力也低于沖擊壓力，與沖擊共用了一個泵供油，通過比例減壓閥⑤來控制推進(jìn)壓力的大小。

圖2 防卡系統(tǒng)液壓控制原理

3.2 智能防卡系統(tǒng)控制原理

智能防卡系統(tǒng)的控制原理，是通過采集鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的沖擊、回轉(zhuǎn)、推進(jìn)的壓力信號來進(jìn)行分析和處理的，其主要功能如圖3所示。

圖3 智能防卡系統(tǒng)控制原理示意

（1）對采集到的回轉(zhuǎn)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、分析、判斷卡鉆類型。通過對采集單位時間內(nèi)的壓力參數(shù)變化，計(jì)算其平均值，對鉆進(jìn)過程中壓力脈動引起的假卡鉆現(xiàn)象進(jìn)行過濾。對連續(xù)上升的卡鉆信號進(jìn)行分析，與在各種不同巖石條件下設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對比，判斷是否進(jìn)入卡鉆處理程序。

（2）根據(jù)卡鉆類型，發(fā)出警報(bào)，并自動采取合適的處理方式。根據(jù)卡鉆的條件、程度不同需要采取不同的方式來應(yīng)對，這樣才能在避免卡鉆的同時最大程度地保證鉆孔效率，在一般情況下如果防卡壓力設(shè)置過低，會使得頻繁地減小推進(jìn)壓力，導(dǎo)致鉆孔速度變慢，如果設(shè)置過高又會增大卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)，因此為保證合理的防卡，該防卡系統(tǒng)特性如圖4所示。

圖4 防卡控制曲線

圖中，Pt為工作時的推進(jìn)壓力，Pi為沖擊壓力，Ptz、Piz為推進(jìn)、沖擊壓力漸變與突變過程的分界點(diǎn)，壓力系數(shù)為壓力值隨回轉(zhuǎn)壓力變化的斜率。

第一階段，當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力開始超過最大正常工作壓力點(diǎn)Pr1時，沖擊壓力將按一定的比例緩慢變小，如果回轉(zhuǎn)壓力恢復(fù)正常，沖擊壓力也即恢復(fù)正常，此時其它參數(shù)均無變化。如果回轉(zhuǎn)壓力在沖擊壓力緩慢變小后還繼續(xù)上升，達(dá)到Pr2壓力值，控制系統(tǒng)將開始減小推進(jìn)壓力。

第二階段，如果遇到更加復(fù)雜的情況，回轉(zhuǎn)阻力還是繼續(xù)上升，從曲線圖中可以看出當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力超過Pr3或Pr4后，鑿巖沖擊壓力和推進(jìn)壓力將快速下降，推進(jìn)壓力下降到一定值后，鑿巖沖擊器會因自重而后退，直到回轉(zhuǎn)壓力再次變小，推進(jìn)壓力又會上升，有時遇到如破碎帶裂隙等極端情況時，這種變化會反復(fù)多次，直至穿過該巖層。

（3）數(shù)字化參數(shù)顯示與調(diào)節(jié)。數(shù)字化參數(shù)顯示與調(diào)節(jié)功能（如圖5所示）使該系統(tǒng)更具靈活性，在現(xiàn)場使用中，通過在防卡系統(tǒng)中設(shè)置不同的壓力變化點(diǎn)來應(yīng)對不同巖石情況。還可以通過調(diào)節(jié)沖擊、推進(jìn)壓力系數(shù)來調(diào)定其變化快慢程度，如在破碎帶嚴(yán)重的地帶，可以將此變化系數(shù)加大，使其反應(yīng)更加靈敏。

圖5 數(shù)字化設(shè)置界面

4 結(jié) 論

結(jié)合目前已有的防卡鉆方案以及具體現(xiàn)場使用情況，設(shè)計(jì)了CSY50機(jī)型的防卡系統(tǒng)。利用程序控制，按不同卡鉆條件，采用不同比例地降低推進(jìn)壓力和沖擊壓力的方法，有效防止多種類型的卡鉆。該機(jī)獨(dú)特的PLC智能控制自動防卡桿技術(shù)，以其先進(jìn)的控制技術(shù)、有效地防卡方式和高可靠性和靈敏度，相比其它防卡系統(tǒng)有著明顯優(yōu)勢。在現(xiàn)場使用以來，體現(xiàn)出了其優(yōu)異的性能，大大提高了該鉆機(jī)復(fù)雜地形的適應(yīng)能力，使卡鉆難題得到了很好的解決。

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