伍榮偉

（蘭州理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

露天液壓鑿巖鉆車(chē)防卡方法的研究

伍榮偉

（蘭州理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

介紹了鑿巖過(guò)程中的卡釬形式以及液壓鉆車(chē)常用的幾種防卡釬方法，對(duì)利用新技術(shù)設(shè)計(jì)防卡釬系統(tǒng)進(jìn)行了探討。

卡釬形式；電液比例技術(shù)；新型防卡

0 前言

全液壓鑿巖鉆車(chē)經(jīng)歷了由無(wú)防卡釬系統(tǒng)到有防卡釬系統(tǒng)的歷程,為適應(yīng)爆破工藝水平對(duì)鑿巖技術(shù)在孔直度與作業(yè)效率方面的要求，出現(xiàn)了新的液壓防卡釬方法，本文討論了防卡釬過(guò)程中的共性問(wèn)題，并介紹了幾種新型防卡釬方式。

1 卡釬形式

在鑿巖過(guò)程中，常見(jiàn)的卡釬形式有三種。

1.1 溶洞卡鉆

當(dāng)鉆頭突然鑿入溶洞時(shí)，由溶洞內(nèi)的碎石將鉆頭卡死而引起的卡鉆。此類(lèi)卡鉆反應(yīng)至液壓系統(tǒng)中，首先表現(xiàn)為推進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)壓力突然下降，然后才表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)壓力和推進(jìn)壓力突然升高至其最大值。

1.2 緩變卡鉆

因排渣不暢或巖石性質(zhì)不均等原因而引起的卡鉆。反應(yīng)至液壓系統(tǒng)中，表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)壓力和推進(jìn)壓力超出正常值并逐漸升高直至達(dá)到最大值。由于這種卡鉆是逐漸發(fā)生的，故稱(chēng)為“緩變卡鉆”。

1.3 裂隙卡鉆

因鉆頭突然鑿入裂隙而產(chǎn)生的卡鉆。反應(yīng)至液壓系統(tǒng)中，表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)壓力和推進(jìn)壓力突然升高至最大值[2]。

2 常用防卡釬方法

在鑿巖鉆車(chē)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)許多防卡釬方法，常見(jiàn)并有效的有以下幾種。

2.1 推進(jìn)油路設(shè)置液控防卡釬閥

如圖1所示該系統(tǒng)的防卡釬原理為推進(jìn)油路中設(shè)置一個(gè)二位四通閥3,稱(chēng)防卡閥.防卡閥端部有一條液控油路與4相連接,在4的另外兩條油路中有一條與推進(jìn)油躍起相連接,另一條是液控油路,與轉(zhuǎn)釬油路連接,當(dāng)產(chǎn)生卡釬動(dòng)作趨勢(shì)時(shí),轉(zhuǎn)釬油壓立即升高，超過(guò)額定壓力時(shí)，防卡釬閥及時(shí)換向，使鑿巖機(jī)退回。直至轉(zhuǎn)釬油壓力降低到正常值時(shí)，防卡釬閥自動(dòng)恢復(fù)到正常推進(jìn)。這種防卡釬方式反應(yīng)靈敏、動(dòng)作迅速、性能可靠，在防卡釬退回過(guò)程中，與鑿巖沖擊系統(tǒng)相連的油路使鑿巖機(jī)自動(dòng)處于輕沖擊狀態(tài)。但液控閥隨轉(zhuǎn)釬壓力的變化會(huì)產(chǎn)生壓力沖擊，閥芯磨損快，容易發(fā)生元件故障，并且隨轉(zhuǎn)釬壓力的上升，推進(jìn)力不能自動(dòng)降低。

2.2 轉(zhuǎn)釬油路設(shè)置壓力繼電器

在轉(zhuǎn)釬油路中設(shè)置壓力繼電器能克服液控閥的弱點(diǎn)，并且工作可靠、安全，根據(jù)推進(jìn)油缸的流量大小可以采用電磁換向閥和電液控制換向閥兩種類(lèi)型的推進(jìn)閥，能更好的滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用要求。如圖2所示推進(jìn)油缸為小流量，采用電磁閥換向。其基本原理是在轉(zhuǎn)釬壓力上升到壓力繼電器6的額定值時(shí)，繼電器發(fā)出電信號(hào)，推進(jìn)電磁換向閥8換為反向推進(jìn)，同時(shí)沖擊液控?fù)Q向閥5換向，鑿巖機(jī)自動(dòng)處于輕沖擊狀態(tài)。轉(zhuǎn)釬壓力正常時(shí)，推進(jìn)與沖擊恢復(fù)正常工況。

圖1 液控防卡釬系統(tǒng)

如圖3所示推進(jìn)油缸為大流量缸，采用液控減壓閥換向，正常推進(jìn)時(shí)先導(dǎo)電磁閥3得到信號(hào)，推進(jìn)減壓閥2換向，如果轉(zhuǎn)釬油路壓力繼電器發(fā)出電信號(hào)，先導(dǎo)電磁閥4得到電信號(hào)，推進(jìn)減壓閥5換向，同時(shí)先導(dǎo)電磁閥3斷電，減壓閥2恢復(fù)到原來(lái)位置，推進(jìn)油缸反向推進(jìn)，其余動(dòng)作原理與圖2相同。

圖2 壓力繼電器防卡釬系統(tǒng)

2.3 推進(jìn)油路與轉(zhuǎn)釬油路串聯(lián)

如圖4所示，這種防卡釬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快，適用液壓油馬達(dá)推進(jìn)回路。其動(dòng)作原理：正常鑿巖時(shí)推進(jìn)油馬達(dá)3的壓力油經(jīng)轉(zhuǎn)釬液壓馬達(dá)4后回到油箱，推進(jìn)油路與轉(zhuǎn)釬油路串聯(lián)。當(dāng)轉(zhuǎn)釬液壓馬達(dá)油壓超過(guò)平衡閥切換工作位置，此時(shí)轉(zhuǎn)釬液壓馬達(dá)4停止轉(zhuǎn)動(dòng)，而推進(jìn)液壓馬達(dá)3自動(dòng)反轉(zhuǎn)，退回釬桿。當(dāng)轉(zhuǎn)釬壓力降低后，平衡閥恢復(fù)原位，鑿巖機(jī)恢復(fù)正常鑿巖推進(jìn)與回轉(zhuǎn)。缺點(diǎn)是容易出現(xiàn)防卡閥過(guò)早關(guān)閉的 “假消除”現(xiàn)象，適應(yīng)油馬達(dá)推進(jìn)回路。

圖3 推進(jìn)油缸控制換向

圖4 推進(jìn)轉(zhuǎn)釬油路串聯(lián)防卡釬系統(tǒng)

上述各種防卡釬方法，都是利用卡釬時(shí)轉(zhuǎn)釬壓力升高超過(guò)調(diào)定的防卡釬壓力信號(hào)來(lái)控制鑿巖機(jī)自動(dòng)退回和輕沖擊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防卡釬。這些方法為防止鑿巖過(guò)程中的防卡起了較大作用，但由于防卡釬溢流閥的壓力是調(diào)定的，只有轉(zhuǎn)釬壓力達(dá)到調(diào)定壓力時(shí)溢流閥才開(kāi)啟。而巖石的性質(zhì)不一樣，卡釬的轉(zhuǎn)釬壓力值也不一樣，一種調(diào)定壓力只對(duì)應(yīng)一種巖石這限制了鉆車(chē)鑿巖作業(yè)的范圍，如果壓力值設(shè)置過(guò)大，則經(jīng)常會(huì)發(fā)生電磁閥換向后，釬桿已經(jīng)卡死，轉(zhuǎn)釬壓力很難下降，鑿巖機(jī)不能后退。如果調(diào)定壓力設(shè)置過(guò)低，則電磁換向閥頻繁換向，鑿巖機(jī)頻繁后退，嚴(yán)重影響穿孔速度和作業(yè)效率。近年來(lái)新設(shè)計(jì)的防卡釬系統(tǒng)則避免了這種情況[2-6]。

3 新型防卡釬系統(tǒng)工作原理

新型防卡釬系統(tǒng)都是利用推進(jìn)壓力突然下降的信號(hào)控制推進(jìn)機(jī)構(gòu)回退來(lái)預(yù)防溶洞卡鉆，利用回轉(zhuǎn)壓力的緩變信號(hào)無(wú)級(jí)控制推進(jìn)機(jī)構(gòu)推進(jìn)力來(lái)預(yù)防緩變卡鉆，利用回轉(zhuǎn)壓力的突變信號(hào)控制推進(jìn)機(jī)構(gòu)回退來(lái)預(yù)防和處理裂隙卡鉆[9]。

新型防卡釬系統(tǒng)主要有下面的功能：①當(dāng)轉(zhuǎn)釬油壓力上升等比例降低推進(jìn)壓力。②轉(zhuǎn)釬壓力上升到一定值時(shí)推進(jìn)轉(zhuǎn)為低壓推進(jìn)，正常沖擊壓力轉(zhuǎn)為低壓沖擊，轉(zhuǎn)釬壓力下降后推進(jìn)壓力恢復(fù)正常推進(jìn)壓力與正常沖擊壓力。③在壓力繼續(xù)上升時(shí)，推進(jìn)改為回退，當(dāng)轉(zhuǎn)釬壓力下降又改為低壓推進(jìn)與低壓沖擊，轉(zhuǎn)釬壓力下降為正常值范圍內(nèi)，系統(tǒng)恢復(fù)為正常推進(jìn)與沖擊。④當(dāng)推進(jìn)壓力突然降低，系統(tǒng)改為后退，沖擊改為輕沖擊。

①②的功能用于防緩變卡鉆，③的功能用于防裂隙卡鉆，④的功能用于防溶洞卡鉆。

下面介紹幾種新防卡釬方法。

3.1 以專(zhuān)用防卡釬閥為基礎(chǔ)使用繼電器作為感應(yīng)的系統(tǒng)

液壓油從鉆機(jī)推進(jìn)閥組被引向閥組10,對(duì)于鉆機(jī)推進(jìn)回路,閥組10包括兩個(gè)電磁閥和兩個(gè)減壓閥。電磁閥Y12是防卡系統(tǒng)中的一部分，當(dāng)電磁閥起動(dòng)時(shí)，它將使推進(jìn)反向，它由以下兩個(gè)信號(hào)啟動(dòng)：（a）回轉(zhuǎn)回路中的壓力開(kāi)關(guān)（如果轉(zhuǎn)釬壓力超過(guò)一定值）。（b）沖洗壓氣回路中的流量開(kāi)關(guān)（流量小有卡釬的危險(xiǎn)）。

兩個(gè)減壓閥分別調(diào)節(jié)高低推進(jìn)壓力。從高推進(jìn)壓力轉(zhuǎn)換到低推進(jìn)壓力是通過(guò)電磁閥Y13實(shí)現(xiàn)的。液壓油從閥組10通過(guò)RPC-F閥到達(dá)推進(jìn)馬達(dá)（向下推進(jìn)），RPC-F閥由回轉(zhuǎn)回路中的壓力控制，并在最大壓力和最小壓力間調(diào)節(jié)推進(jìn)壓力峰值，最大和最小壓力是在兩個(gè)前面提到過(guò)的減壓閥上調(diào)定的。采用這種方法，推進(jìn)力隨轉(zhuǎn)釬壓力變化，轉(zhuǎn)釬扭矩基本保持不變。壓力開(kāi)關(guān)F27傳感推進(jìn)回路中的壓力信號(hào)，如果推進(jìn)壓力低于開(kāi)關(guān)的調(diào)定壓力，沖擊機(jī)構(gòu)回路中的電磁閥Y14動(dòng)作，使低沖擊壓力被接通，這就避免了在有洞穴或疏松巖層中鉆孔時(shí)損壞鉆桿設(shè)備[6]。

圖5

3.2 以電液比例技術(shù)為基礎(chǔ)的程序控制防卡釬系統(tǒng)

在轉(zhuǎn)釬系統(tǒng)中裝有壓力傳感器1，在推進(jìn)回路中裝有壓力開(kāi)關(guān)2。壓力傳感器1將轉(zhuǎn)釬系統(tǒng)中的壓力變化傳給控制器，壓力開(kāi)關(guān)2將推進(jìn)壓力過(guò)低信息傳給控制器，控制器根據(jù)這兩種信號(hào)判斷鑿巖系統(tǒng)狀態(tài)，并隨機(jī)調(diào)整比例電磁減壓閥輸出壓力，降低或提高推進(jìn)壓力，同時(shí)泵7的輸出壓力也相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。電磁換向閥4是防卡釬的自動(dòng)回退閥。

圖6

4 結(jié)論

現(xiàn)代的防卡釬理論都是利用推進(jìn)壓力突然下降的信號(hào)控制推進(jìn)機(jī)構(gòu)回退來(lái)預(yù)防溶洞卡鉆，利用回轉(zhuǎn)壓力的緩變信號(hào)無(wú)級(jí)控制推進(jìn)機(jī)構(gòu)推進(jìn)力來(lái)預(yù)防緩變卡鉆，利用回轉(zhuǎn)壓力的突變信號(hào)控制推進(jìn)機(jī)構(gòu)回退來(lái)預(yù)防和處理裂隙卡鉆，只是實(shí)現(xiàn)方式不同，有必要將新液壓技術(shù)運(yùn)用在防卡釬系統(tǒng)中，以真正實(shí)現(xiàn)鑿巖過(guò)程自動(dòng)化，筆者認(rèn)為，用電磁比例閥與控制器結(jié)合代替專(zhuān)用防卡釬閥與高低壓變化閥組將是今后鑿巖鉆機(jī)的發(fā)展方向，因?yàn)殡娨罕壤夹g(shù)是溝通液壓與自動(dòng)控制的橋梁。

[1]陳玉凡.礦山機(jī)械鉆孔機(jī)械部分[M].北京冶金工業(yè)出版社，1981.

[2]胡均平.液壓鑿巖過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，1995.

[3]周志鴻，馬飛，張文明等.地下鑿巖設(shè)備[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2004.

[4]吳萬(wàn)榮.地下大直徑潛孔鉆機(jī)液壓控制系統(tǒng)及鑿巖技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，1999.

[5]趙存權(quán).對(duì)一種液壓鉆車(chē)自動(dòng)防卡釬系統(tǒng)的分析[J].鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，1997，(2)：17-20.

[6]曾華林.一種液壓鑿巖設(shè)備的防卡釬液壓系統(tǒng)[J].礦山機(jī)械，1999，(3)：21-24.

[7]胡均平，楊襄璧，吳萬(wàn)榮.鑿巖過(guò)程推進(jìn)壓力反饋防卡釬計(jì)算機(jī)控制[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1998，8(2)：364-367.

[8]李東明.液壓鑿巖設(shè)備的防卡桿裝置探討[J].礦冶研究與開(kāi)發(fā)，1996，16(2)：26-28.

[9]趙宏強(qiáng)，李美香，高斌.潛孔鉆機(jī)鑿巖過(guò)程自動(dòng)防卡鉆理論與方案研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2008,6.

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