基于推進(jìn)壓差和回轉(zhuǎn)壓力變化的鉆孔參數(shù)自動(dòng)匹配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉在政, 廖金軍, 胡 騫

(中國鐵建重工集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410100)

0 引言

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，山嶺隧道工程也越來越多，面臨的巖層情況更加復(fù)雜多樣。鑿巖臺車作為鉆爆法施工的核心設(shè)備，其沖擊回轉(zhuǎn)鑿巖參數(shù)的匹配已經(jīng)成為影響鉆進(jìn)效率的重要因素[1]。19世紀(jì)60年代初，Rinehart等[2]通過沖擊玻璃試驗(yàn)，總結(jié)出不同沖擊參數(shù)對玻璃裂紋生長的影響規(guī)律，特別對鑿碎玻璃時(shí)的鉆具前進(jìn)速度進(jìn)行了詳細(xì)研究；Cavanough等[3]研究了不同推進(jìn)壓力對鉆進(jìn)速度的最優(yōu)化控制，以鉆進(jìn)速度最大、鉆孔偏斜最小為目標(biāo)，得出了推進(jìn)壓力與鉆進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)壓力之間的相互影響規(guī)律； 祝效華等[4]對活塞、鉆頭與巖石之間的仿真模型進(jìn)行分析，得出了相同巖石特性下，轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速、沖擊功以及沖擊頻率等因素對鉆頭破巖效果的影響； 陳時(shí)平[5]在液壓鑿巖系統(tǒng)配置研究中提出，應(yīng)根據(jù)不同的破巖條件選擇合適的鑿巖參數(shù)和釬具，以達(dá)到較優(yōu)的整體性能，對于提升液壓鑿巖系統(tǒng)的整體性能具有一定的指導(dǎo)意義； 馮琳[6]以多功能鉆機(jī)為研究對象，研究了多功能鉆機(jī)鉆進(jìn)效率與鑿巖參數(shù)之間的匹配關(guān)系。

上述研究對提升鑿巖臺車鉆孔效率起到了一定的作用，但都偏向于研究鑿巖鉆具對破巖效果的影響，或者是單純研究鑿巖參數(shù)對破巖效果的影響，沒有在結(jié)合破巖機(jī)制的基礎(chǔ)上對鑿巖參數(shù)的自動(dòng)匹配進(jìn)行深入探討。為促進(jìn)鑿巖臺車最大限度地發(fā)揮工作性能，提高鑿巖臺車鉆孔質(zhì)量和鉆孔破巖的效率，本文分析不同的沖擊能量、鉆頭回轉(zhuǎn)壓力、鉆進(jìn)速度、推進(jìn)力大小等因素對鉆進(jìn)效率的影響，得到最優(yōu)鉆進(jìn)狀態(tài)下鑿巖參數(shù)的匹配關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種能根據(jù)不同巖層自動(dòng)匹配出最佳鑿巖工作參數(shù)的系統(tǒng)，并以某型鑿巖臺車為對象，驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性。

1 沖擊回轉(zhuǎn)鑿巖建模仿真

典型的鑿巖鉆孔均采用鉆頭沖擊-回轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，其中沖擊運(yùn)動(dòng)鑿碎巖石，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)保證每次沖擊運(yùn)動(dòng)都能鑿到新的巖石。因此，沖擊回轉(zhuǎn)鑿巖系統(tǒng)包含沖擊器、鉆桿、鉆頭和巖石，其中沖擊器能提供沖擊-回轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)，鉆桿將這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)傳遞到鉆頭；另外，還需要對沖擊器施加穩(wěn)定的推進(jìn)力，以保證鉆頭與巖石的良好接觸。為量化分析沖擊壓力、推進(jìn)力和推進(jìn)速度之間的內(nèi)在聯(lián)系，需對沖擊回轉(zhuǎn)鑿巖系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。

1.1 模型建立

沖擊器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中主要輸出沖擊力的結(jié)構(gòu)是沖擊活塞，因此，直接定義沖擊活塞的輸出就能模擬沖擊器的輸出，鉆頭回轉(zhuǎn)動(dòng)作則直接加在鉆桿上即可。仿真模型如圖1所示，模型中包含沖擊活塞、鉆桿、鉆頭、巖石4部分，略去鑿巖機(jī)殼體和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。對鉆頭和沖擊活塞的細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，并細(xì)化巖石與鉆頭接觸部分的網(wǎng)格，沖擊活塞、鉆桿、鉆頭和巖石都采用8節(jié)點(diǎn)的Solid164單元。

圖1 沖擊回轉(zhuǎn)鑿巖系統(tǒng)仿真模型

1.2 鑿巖過程仿真結(jié)果分析

仿真計(jì)算的初始化條件為： 沖擊活塞、鉆桿和鉆頭采用彈性模量為206 GPa的線彈性本構(gòu)模型，泊松比為0.3，密度為7.8 g/cm3，所采用的鉆頭為φ45 mm常用球齒鉆頭，球齒直徑為5 mm。

仿真計(jì)算的邊界條件為： 鉆桿與沖擊活塞之間的接觸為面對面的自動(dòng)接觸，在鉆桿尾部施加推進(jìn)力以及繞其軸線方向的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩； 鉆頭與巖石之間設(shè)定為侵蝕接觸，以確保后續(xù)的單元與鉆頭形成連續(xù)接觸； 巖石底部的約束為固定約束，巖石模型中，不與鉆頭接觸的另外5個(gè)面都設(shè)定為無反射邊界。

通過對沖擊活塞施加不同的打擊初速度來改變沖擊能量，以相同鉆進(jìn)速度為目標(biāo)，以巖石的硬度、損傷性能參數(shù)和沖擊能量為變量，進(jìn)行正交仿真[7-9]，可得到破巖過程中的影響因素曲線，如圖2所示。

圖2 不同巖石等級下破巖所需的沖擊壓力曲線

Fig. 2 Curve of impact pressure required for rock breaking under different rock grades

由圖2可知，為了維持同樣的鉆進(jìn)速度，巖石等級與沖擊壓力呈正相關(guān)，隨著巖石等級增加，所需的沖擊壓力逐漸加大。因此，施工時(shí)要根據(jù)巖層情況選擇沖擊壓力： 巖層較軟時(shí)，采用低沖擊壓力，能夠有效防止卡釬； 巖層較硬時(shí)，采用高沖擊壓力，能夠有效提高鑿巖效率。但是，只有在巖石足夠硬的情況下，每次沖擊所產(chǎn)生的能量才能被充分利用[10-11]，因此，在巖石比較軟的情況下，必須降低沖擊壓力(沖擊功率)，才能避免鑿巖機(jī)提供的能量消耗在自身緩沖機(jī)構(gòu)中[12]。

取巖石抗壓強(qiáng)度為122.23 MPa，彈性模量為46.31 GPa，泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度為9.5 MPa，密度為 2.63 g/cm3。為充分利用沖擊能量破巖，以沖擊壓力、推進(jìn)力作為變量，以鉆桿剛好不發(fā)生彎曲為目標(biāo)，進(jìn)行正交仿真，可得到鑿巖過程中沖擊壓力與對應(yīng)推進(jìn)力的關(guān)系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，推進(jìn)力必須與沖擊壓力相匹配，隨著沖擊壓力增大，所需的推進(jìn)壓力也要相應(yīng)增加。在鉆頭類型和鉆孔直徑一定的前提下，現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)不同的巖石等級，調(diào)整合適的沖擊壓力，并調(diào)節(jié)推進(jìn)力使鉆頭與孔底始終保持良好接觸，這樣才能達(dá)到最優(yōu)鉆進(jìn)速度。

圖3 沖擊壓力與對應(yīng)推進(jìn)力關(guān)系曲線

Fig. 3 Curve of relationship between impact pressure and propulsion pressure

2 鉆孔參數(shù)自動(dòng)匹配控制系統(tǒng)

2.1 基于推進(jìn)壓差的沖擊壓力自動(dòng)匹配控制系統(tǒng)

由仿真結(jié)果可知，為獲得較好的鉆進(jìn)效果，沖擊壓力要與巖石硬度呈明顯的正相關(guān)，且在沖擊壓力由低到高逐漸增加的過程中，推進(jìn)力也應(yīng)隨之增加。

欲同時(shí)滿足上述要求，需考慮在臺車實(shí)際鉆孔過程中推進(jìn)油缸兩腔壓差與巖石硬度的關(guān)系： 當(dāng)巖石硬度提高時(shí)，鉆頭單次侵入度減小，推進(jìn)阻力增大，推進(jìn)油缸大腔壓力上升，而小腔壓力基本不變，導(dǎo)致推進(jìn)油缸兩腔壓差增大； 當(dāng)巖石硬度降低時(shí)，鉆頭單次侵入度增大，推進(jìn)阻力減小，推進(jìn)油缸大腔壓力下降，導(dǎo)致推進(jìn)油缸兩腔壓差減小。因此，只需建立推進(jìn)油缸大腔-小腔壓差與沖擊壓力之間的變化關(guān)系即可。

基于推進(jìn)壓差的沖擊壓力自動(dòng)匹配原理如圖4所示。圖4中，1#閥為2位3通的液控調(diào)壓閥，其左右液控腔的壓力分別來自推進(jìn)油缸大腔A1和小腔A2，當(dāng)推進(jìn)油缸兩腔壓差發(fā)生變化時(shí)，1#閥可穩(wěn)定在左右兩位間的任意位置。V3口為沖擊壓力先導(dǎo)控制油口，控制油經(jīng)3#減壓閥輸入到1#閥V1口，再從V2口經(jīng)2#溢流閥流回油箱。V3口的壓力輸出處在V1口和V2口的壓力之間： 1#閥越接近左位，V3口的壓力就越接近V2口的壓力； 1#閥越接近右位，V3口的壓力就越接近V1口的壓力。因此，推進(jìn)油缸兩腔壓差越大，V3口的壓力pv3就越接近3#閥的設(shè)定壓力pv1，即高沖壓力； 推進(jìn)油缸兩腔壓差越小，pv3的壓力就越接近2#閥的設(shè)定壓力pv2，即低沖壓力。

將2#溢流閥壓力設(shè)定為10 MPa，3#減壓閥壓力設(shè)定為15 MPa，對所設(shè)計(jì)閥組進(jìn)行實(shí)地測試,可得推進(jìn)油缸兩腔壓差(pA1-pA2)與V3口的壓力(pv3)之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。由圖5可知，pA1-pA2處于1.5～4.5 MPa時(shí)，與pv3之間具有良好的線性關(guān)系，壓差大于4.5 MPa之后，pv3的增加非常緩慢。分析現(xiàn)場情況可知，遇到硬巖后，pA1-pA2的值基本接近4.5 MPa，再增大推進(jìn)壓差只會造成鉆桿彎曲變形，若要進(jìn)一步增大pv3的值，只需將高沖壓力pv1調(diào)高即可。

1#—壓力調(diào)節(jié)閥; 2#—低沖溢流閥; 3#—高沖減壓閥。

圖4基于推進(jìn)壓差的沖擊壓力自動(dòng)匹配液壓控制系統(tǒng)原理圖

Fig. 4 Sketch of working principle of impact pressure automatic matching hydraulic control system based on propulsion pressure difference

圖5推進(jìn)油缸兩腔壓差(pA1-pA2)與V3口壓力(pv3)之間的實(shí)測關(guān)系曲線

Fig. 5 Curve of relationship between pressure difference of two cavities of thrust cylinder (pA1-pA2) and pressure of valve port V3(pv3)

為保證鑿巖機(jī)正常鑿巖的效率，同時(shí)又能在巖層出現(xiàn)空洞時(shí)快速改變沖擊壓力，可調(diào)節(jié)1#壓力調(diào)節(jié)閥的彈簧，使正常鑿巖時(shí)鑿巖機(jī)剛好能達(dá)到高沖壓力。一旦鉆進(jìn)過程中推進(jìn)壓差出現(xiàn)變化，1#閥芯在壓差作用下產(chǎn)生位移，就能實(shí)現(xiàn)沖擊壓力的自動(dòng)調(diào)整。

2.2 基于回轉(zhuǎn)壓力的預(yù)防卡釬系統(tǒng)

在臺車鉆孔過程中，由于巖層突變或排渣不暢，時(shí)常發(fā)生卡釬。雖然導(dǎo)致卡釬的原因有很多，但是在即將發(fā)生卡釬時(shí)鉆桿回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩都會增大[13]。為避免進(jìn)一步卡釬，應(yīng)立刻降低鉆孔速度，如果回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩逐步減小，就可逐步增大鉆孔速度； 如果回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩仍然增大，則應(yīng)當(dāng)快速回退鉆桿至低回轉(zhuǎn)負(fù)載區(qū)[14]。因此，需要建立回轉(zhuǎn)負(fù)載與推進(jìn)油缸換向之間的聯(lián)系。

基于回轉(zhuǎn)壓力的預(yù)防卡釬系統(tǒng)原理如圖6所示。圖6中，1#閥為3位5通換向閥，默認(rèn)工作位在右位，右端彈簧機(jī)械復(fù)位，左邊液控?fù)Q向腔經(jīng)4#單向節(jié)流閥與回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)油連通； 右邊有彈簧腔和FS腔2部分，其中彈簧腔的壓力來自2#減壓閥，F(xiàn)S腔經(jīng)4#單向節(jié)流閥與回轉(zhuǎn)進(jìn)油連通，同時(shí)分出一路與水流監(jiān)測常閉開關(guān)閥連通。當(dāng)鑿巖進(jìn)水流量偏小時(shí)，水流監(jiān)測開關(guān)閥就會打開，導(dǎo)致FS腔快速泄壓。

1#—防卡釬換向閥; 2#—減壓閥; 3#—固定節(jié)流閥; 4#—單向節(jié)流閥。

圖6基于回轉(zhuǎn)壓力的預(yù)防卡釬液壓控制系統(tǒng)原理圖

Fig. 6 Sketch of working principle of drill jamming prevention hydraulic control system based on rotary pressure

對于1#防卡釬換向閥：

FFS+F簧=F左。

(1)

式中：FFS為FS腔油液作用力；F簧為彈簧腔油液作用力，其大小可通過調(diào)節(jié)2#減壓閥改變；F左為左腔油液作用力。

FFS與F簧之和為閥芯右端受到的力，F(xiàn)左為閥芯左端受到的力。正常工作狀態(tài)下，閥芯左右兩端的力相等，閥芯不動(dòng)； 當(dāng)即將發(fā)生卡釬時(shí)，進(jìn)入回轉(zhuǎn)馬達(dá)的壓力就會增大，此時(shí)F左也會增大，從而推動(dòng)閥芯向右運(yùn)動(dòng)，調(diào)低進(jìn)入推進(jìn)油缸大腔的進(jìn)油流量，降低鉆桿前進(jìn)速度。如果回轉(zhuǎn)負(fù)載逐步減小，在彈簧的作用下，閥芯會逐漸復(fù)位，逐步恢復(fù)鉆孔速度； 如果回轉(zhuǎn)負(fù)載依然增大，閥芯就會進(jìn)一步向右換向，直至停止推進(jìn)油缸大腔進(jìn)油，甚至換向?yàn)樾∏贿M(jìn)油、大腔回油，使鉆桿快速回退，避免卡釬。當(dāng)鑿巖進(jìn)水流量偏小時(shí)，會觸發(fā)水流監(jiān)測開關(guān)閥打開，使FS腔快速泄壓，導(dǎo)致FFS瞬間減小，閥芯迅速換向，使鉆桿快速回退，避免缺水鉆孔并保護(hù)釬具。

將2#減壓閥壓力設(shè)定為7.5 MPa，對所設(shè)計(jì)的閥組進(jìn)行實(shí)地測試，可得推進(jìn)油缸大腔進(jìn)油流量與回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)油壓力關(guān)系曲線，如圖7所示。由圖7可知，隨著回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)油壓力逐漸增大到9.5 MPa，推進(jìn)油缸大腔進(jìn)油流量開始下降，此時(shí)閥芯開始換向； 當(dāng)壓力進(jìn)一步增大時(shí)，流量快速下降到0，此時(shí)閥芯處于中位，停止推進(jìn)； 當(dāng)壓力再增大時(shí)，流量變?yōu)樨?fù)值，說明閥芯已經(jīng)換向，推進(jìn)油缸變?yōu)樾∏贿M(jìn)油、大腔回油。

圖7推進(jìn)油缸大腔進(jìn)油流量與回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)油壓力的關(guān)系曲線

Fig. 7 Curve of relationship between oil inlet flow of large cavity of thrust cylinder and oil pressure of rotary motor

隨著減壓閥設(shè)定值的不同，閥芯換向的壓力就會不同，因此可以根據(jù)不同巖層情況進(jìn)行卡釬壓力的調(diào)整，增強(qiáng)其適應(yīng)性。

3 實(shí)際鉆孔過程中參數(shù)匹配關(guān)系測試

將所設(shè)計(jì)的鉆孔參數(shù)自動(dòng)匹配控制系統(tǒng)用于某型鑿巖臺車，實(shí)測鉆孔鑿巖過程中的沖擊壓力、推進(jìn)壓力、回轉(zhuǎn)壓力等參數(shù)。鉆孔圍巖等級為Ⅱ—Ⅲ，鉆頭直徑為45 mm，鉆孔速度為2.5～3 m/min。鉆孔過程中各主要鉆孔參數(shù)的變化情況如圖8所示。

(a) 鉆孔過程中各壓力變化曲線

(b) 即將卡釬狀態(tài)下各壓力變化曲線

圖8(a)示出鉆孔過程中各壓力的變化情況。由圖8(a)可知： 正常鉆孔過程中，推進(jìn)油缸小腔壓力基本不變，沖擊壓力與推進(jìn)油缸大腔壓力具有非常好的跟隨性； 隨著推進(jìn)壓差的不斷增大，沖擊壓力由低沖9.5 MPa上升至高沖16.5 MPa； 在推進(jìn)壓差出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)，沖擊壓力也緊隨著出現(xiàn)拐點(diǎn)，說明系統(tǒng)響應(yīng)情況良好。

圖8(b)示出鉆孔過程中即將卡釬狀態(tài)下各壓力的變化情況。由圖8(b)可知： 一旦回轉(zhuǎn)壓力出現(xiàn)突然增大的情況，推進(jìn)油缸大腔壓力就會立即減小，沖擊壓力也會隨之下降，當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力達(dá)到15 MPa時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)小腔壓力增大、大腔壓力減小的現(xiàn)象。這說明為了避免卡釬，在鉆孔過程中出現(xiàn)了推進(jìn)油缸停止推進(jìn)并開始回退的情況。

4 結(jié)論與討論

1)鑿巖速度與沖擊壓力、推進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)壓力的關(guān)系十分緊密，需根據(jù)巖層情況選擇沖擊壓力。巖層較軟時(shí)，采用低沖擊壓力，能夠有效防止卡釬； 巖層較硬時(shí)，采用高沖擊壓力，能夠有效提高鑿巖效率。推進(jìn)力必須與沖擊壓力相匹配，調(diào)整合適的推進(jìn)力使鉆頭與孔底始終保持良好接觸，才能達(dá)到最優(yōu)鉆進(jìn)速度。

2)基于推進(jìn)壓差的沖擊壓力自動(dòng)匹配系統(tǒng)能保證沖擊壓力與推進(jìn)油缸大腔壓力具有很好的跟隨性，且能保證系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)速度； 隨著回轉(zhuǎn)壓力增大，預(yù)防卡釬系統(tǒng)可判別卡釬狀態(tài)，并準(zhǔn)確做出減緩鉆孔速度、停止推進(jìn)、開始回退等響應(yīng)動(dòng)作。

3)本文僅對鑿巖工作過程中推進(jìn)力、沖擊壓力和回轉(zhuǎn)壓力等主要工作參數(shù)的匹配系統(tǒng)進(jìn)行研究，后續(xù)工作中，將對包括回轉(zhuǎn)速度、水氣排渣等參數(shù)的自動(dòng)匹配系統(tǒng)作進(jìn)一步研究。