石安政，毋焱磊，王響東

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司設(shè)備分公司，河南洛陽 471009）

0 引言

鉆爆法機(jī)械化修建方法因其適應(yīng)性強(qiáng)、優(yōu)質(zhì)高效、安全等優(yōu)勢，仍然是長大山嶺隧道開挖的主要方法之一［1－2］。液壓鑿巖機(jī)是鑿巖臺(tái)車、錨桿臺(tái)車等鉆爆法施工機(jī)械化配套設(shè)備的核心工作部件，廣泛應(yīng)用于鉆爆法隧道施工?！翱ㄢF”是鑿巖機(jī)鉆孔作業(yè)時(shí)的常見故障之一，一旦發(fā)生卡釬，不僅要耗費(fèi)大量時(shí)間處理，嚴(yán)重時(shí)甚至需要舍棄釬桿和鉆頭，預(yù)防和處理卡釬是鑿巖作業(yè)中的重要環(huán)節(jié)［3－4］，因此多數(shù)的鑿巖設(shè)備上都配備防卡釬系統(tǒng)，常用的防卡釬方案大部分采用液壓系統(tǒng)防卡的方式，控制過程較為機(jī)械刻板，要么只能被動(dòng)處理卡釬無法主動(dòng)預(yù)防，且防卡參數(shù)是調(diào)定的只適用于一種巖石性質(zhì)而無法適應(yīng)巖層的變化，或者可能誤判，因“假消除”而出現(xiàn)反復(fù)后退和推進(jìn)的現(xiàn)象，還有的防卡釬系統(tǒng)使用專用的防卡閥進(jìn)行控制限制較多，少部分電氣防卡釬系統(tǒng)也主要以處理卡釬為主［5－6］?？ㄢF現(xiàn)象對(duì)于鑿巖作業(yè)十分不利，防卡釬一直是人們十分關(guān)注的問題，基于此，本文研究了一種新型智能防卡釬系統(tǒng)，能夠自動(dòng)結(jié)合實(shí)際工況設(shè)定防卡釬參數(shù)，準(zhǔn)確判定卡釬及卡釬形式，應(yīng)用電液比例控制技術(shù)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)鑿巖機(jī)工作參數(shù)。液壓鑿巖機(jī)是爆破開挖和錨桿支護(hù)等工序中主要的鑿巖鉆孔設(shè)備，應(yīng)用非常廣泛，有效預(yù)防卡釬能夠避免因處理卡釬造成時(shí)間浪費(fèi)和物資損耗，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，對(duì)于相關(guān)機(jī)械設(shè)備的智能化研究也有著重要意義。

1 智能防卡釬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增強(qiáng)防卡釬系統(tǒng)對(duì)不同巖石的適應(yīng)性，切實(shí)解決鑿巖機(jī)卡釬的問題，針對(duì)現(xiàn)有防卡釬系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)了一種新型智能防卡釬系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：（1）滿足“以預(yù)防為主，處理為輔”的核心防卡釬理念，盡量保證系統(tǒng)簡潔，減少專用元件的使用；（2）采用電液比例控制技術(shù)，可獨(dú)立無級(jí)調(diào)節(jié)鑿巖機(jī)各動(dòng)作的參數(shù)，在電控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下相互配合，保證穩(wěn)定鑿巖；（3）更深入地研究卡釬的機(jī)理，采用科學(xué)的方法運(yùn)算和處理采集到的數(shù)據(jù)，通過每種卡釬的不同表現(xiàn)特征準(zhǔn)確判定，使防卡釬系統(tǒng)能快速響應(yīng)各種卡釬工況，執(zhí)行有效的防卡措施。

1.1 智能防卡釬系統(tǒng)液壓部分組成和原理

智能防卡釬系統(tǒng)液壓部分原理如圖1所示。推進(jìn)、轉(zhuǎn)釬和沖擊分別由1個(gè)單獨(dú)的負(fù)載敏感變量泵提供動(dòng)力，泵的出口壓力隨負(fù)載壓力變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，減少能量的損耗。正常鑿巖時(shí)，根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定電比例溢流閥3、4和8的工作壓力分別確定鑿巖機(jī)各動(dòng)作的最大系統(tǒng)壓力，設(shè)定電比例換向閥2、6和電比例節(jié)流閥7的開口調(diào)節(jié)鑿巖機(jī)各動(dòng)作的流量。

圖1 智能防卡釬系統(tǒng)液壓部分簡圖

在自動(dòng)防卡釬時(shí)，由電氣控制系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)釬壓力和推進(jìn)壓力，經(jīng)過運(yùn)算處理的結(jié)果判定是否有卡釬跡象或卡釬。若出現(xiàn)卡釬趨勢或已卡釬時(shí)，調(diào)節(jié)電比例溢流閥改變泵的出口壓力，調(diào)節(jié)電比例換向閥或電比例節(jié)流閥改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方向或速度，提前預(yù)防卡釬或處理卡釬故障。如自動(dòng)防卡未解決問題，則需要人工操作相應(yīng)的電控手柄或旋鈕調(diào)節(jié)電比例閥的參數(shù)進(jìn)行輔助處理。

1.2 智能防卡釬系電氣控制部分組成和原理

智能防卡釬系統(tǒng)的電氣控制主要通過采集和處理轉(zhuǎn)釬壓力和推進(jìn)壓力實(shí)現(xiàn)預(yù)防和處理卡釬，其主要功能如下：（1）實(shí)時(shí)檢測液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)釬壓力和推進(jìn)壓力；（2）對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，根據(jù)結(jié)果判定是否卡釬，明確卡釬形式；（3）根據(jù)系統(tǒng)判定的卡釬類型進(jìn)行執(zhí)行相應(yīng)的防卡釬或處理卡釬的措施，無法通過系統(tǒng)自動(dòng)處理解決，將卡釬故障在上位機(jī)顯示并語音播報(bào)提醒，由人工操作解決故障。

ST語言是IEC 61131－3標(biāo)準(zhǔn)中支持的語言，是可編程控制器常用的編程語言之一，符合該標(biāo)準(zhǔn)的PLC機(jī)型均可識(shí)別并運(yùn)行ST語言編寫的控制程序，故ST語言同時(shí)滿足程序移植的復(fù)制性與通用可識(shí)性的特征［7］。其程序結(jié)構(gòu)風(fēng)格與PASCAL語言相似，語句和關(guān)鍵詞都符合高級(jí)語言的規(guī)定，因此常用于編寫較為復(fù)雜的控制邏輯和算法。

為了精準(zhǔn)地識(shí)別卡釬，提高防卡釬的精度和效率，本文研究的新型智能防卡釬系統(tǒng)使用ST語言編程，基于最小二乘法擬合液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)釬壓力和推進(jìn)壓力隨時(shí)間變化的函數(shù)，能快速判斷鑿巖機(jī)是否卡釬以及卡釬類型。智能防卡釬系統(tǒng)的電氣控制部分組成如圖2所示，可編程控制器是電氣控制的核心部件，數(shù)據(jù)處理和鑿巖各動(dòng)作的控制都由控制器執(zhí)行和調(diào)節(jié)。

圖2 智能防卡釬系統(tǒng)電氣控制部分組成

2 智能防卡釬系統(tǒng)控制方法

2.1 鑿巖機(jī)防卡釬方法

在鉆孔過程中，鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)所受的阻力矩Mz主要有鉆頭端部與孔底巖石之間的摩擦阻力矩M1，兩次沖擊間剪切巖瘤的阻力矩M2，鉆頭外緣與孔壁間巖粉摩擦力所形成的分布阻力矩M3。因此總阻力矩為［8－9］：

推進(jìn)系統(tǒng)作用是使鉆頭與巖石充分接觸，由此可知增加鑿巖機(jī)推進(jìn)壓力Pt和推進(jìn)速度會(huì)使鉆頭端部對(duì)孔底的壓力增大和回轉(zhuǎn)切削的巖瘤更大導(dǎo)致M1和M2急劇升高，從式（1）可以看出，這將使鑿巖機(jī)的轉(zhuǎn)釬阻力矩Mz增加。同時(shí)，當(dāng)鑿巖機(jī)處于重沖擊狀態(tài)時(shí)，沖擊破碎的巖渣更大，使M2和M3增大，最終也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)釬阻力矩Mz增大?；诖朔治觯ㄟ^調(diào)節(jié)鑿巖機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的工作參數(shù)，調(diào)控鑿巖機(jī)轉(zhuǎn)釬阻力矩的大小，是自動(dòng)防卡釬的基本思路。而在必要的時(shí)候，采取輕沖擊的方式鑿巖，也能有效預(yù)防卡釬故障的發(fā)生。

鑿巖機(jī)鉆孔時(shí)，扭轉(zhuǎn)阻力矩可表述為［9］：

式中：Mz為第一次沖擊接觸時(shí)間內(nèi)釬桿受阻變形的扭矩；G為扭切彈性模量；Wn為抗扭截面模量；R為釬桿半徑；n為馬達(dá)轉(zhuǎn)速；l為釬桿長度；t為第一次沖擊應(yīng)力波的接觸時(shí)間。

由式（2）可以看出，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)釬速度n也是一種有效預(yù)防卡釬的方法。

2.2 最小二乘法求解轉(zhuǎn)釬壓力P z和推進(jìn)壓力P t擬合函數(shù)

研究表明，液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)釬壓力Pz和Pt推進(jìn)壓力能夠反映鑿巖機(jī)轉(zhuǎn)釬阻力矩和推進(jìn)力的變化［10－11］。本文研究的智能防卡釬系統(tǒng)監(jiān)控液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)釬壓力和推進(jìn)壓力，將采集的數(shù)據(jù)在可編程控制器中進(jìn)行處理和計(jì)算得到轉(zhuǎn)釬壓力Pz和Pt推進(jìn)壓力的變化率，判定鑿巖機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)地根據(jù)油壓的變化控制鑿巖機(jī)轉(zhuǎn)釬、推進(jìn)和沖擊等動(dòng)作的壓力和流量參數(shù)。本文主要以可編程控制器作為邏輯單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，以不受測量采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與分布方式限制的最小二乘法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)由可編程控制器為控制核心的防卡釬系統(tǒng)。

在工程技術(shù)應(yīng)用中，根據(jù)線性回歸理論，用曲線擬合的最小二乘法是處理數(shù)據(jù)進(jìn)行求解計(jì)算的基本方法，其原則是使擬合誤差的平方和最?。?2］。對(duì)于一組觀測數(shù)據(jù)（xi，yi），i＝0，1，2，3，…，m，要求找到一個(gè)函數(shù)y＝f（x），使得擬合結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差最小，通常使實(shí)際觀測數(shù)據(jù)相對(duì)于擬合結(jié)果偏差的平方和最小，即

由此可知，當(dāng)S?2值最小時(shí)，每一個(gè)偏差的絕對(duì)值都很小，能夠保證擬合結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的偏差最小。

在鑿巖機(jī)正常鉆進(jìn)過程中，轉(zhuǎn)釬壓力Pz和推進(jìn)壓力Pt可以看作是一個(gè)隨時(shí)間變化的線性函數(shù)，出現(xiàn)卡釬時(shí)，則是一個(gè)連續(xù)的分段函數(shù)，每一段都可以看作是線性函數(shù)。設(shè)檢測到一組轉(zhuǎn)釬壓力隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)（xi，yzi），i＝0，1，2，3，…，m滿足的原型函數(shù)是yz＝Pz（x）＝azx＋bz，可以看出求解出參數(shù)az和bz就能得到轉(zhuǎn)釬壓力隨時(shí)間變化的函數(shù)，將yz代入式（3）中得到轉(zhuǎn)釬壓力的殘差方程：

根據(jù)多元微分取最值的知識(shí)，當(dāng)

時(shí)Sz2取得最小值，整理式（5）得：

求解az和bz得：

同理，假設(shè)推進(jìn)壓力隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)滿足原型函數(shù)yt＝Pt（x）＝atx＋bt，則有：

使用結(jié)構(gòu)化文本（ST）語言編程實(shí)現(xiàn)最小二乘法擬合轉(zhuǎn)釬壓力Pz和推進(jìn)壓力Pt隨時(shí)間變化的響應(yīng)函數(shù)，就是求解擬合函數(shù)的a和b的值，其編程代碼如圖3所示，其中x＿i是時(shí)間集合，y＿i是隨時(shí)間變化的轉(zhuǎn)釬壓力Pz或推進(jìn)壓力Pt集合，m是采集數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。對(duì)于線性函數(shù)而言，其參數(shù)a為其斜率，即擬合函數(shù)的參數(shù)a就是轉(zhuǎn)釬壓力Pz和推進(jìn)壓力Pt的變化率。

圖3 求解轉(zhuǎn)釬壓力P z和推進(jìn)壓力P t擬合函數(shù)編程

3 卡釬類型判定和防卡措施

在鑿巖作業(yè)時(shí)，液壓系統(tǒng)所能提供的最大扭轉(zhuǎn)力矩Tmax無法克服轉(zhuǎn)釬阻力矩Mz時(shí)，會(huì)出現(xiàn)卡釬現(xiàn)象，鑿巖過程中遇到卡釬，需要浪費(fèi)很多時(shí)間處理。如果能在發(fā)現(xiàn)有卡釬趨勢時(shí)就采取合理的防卡釬措施，把卡釬控制在未發(fā)生的狀態(tài)，無疑是防卡釬的最優(yōu)方式，所以對(duì)于卡釬以及卡釬的類型判定尤為重要。在正常穩(wěn)定鑿巖的過程中轉(zhuǎn)釬壓力和推進(jìn)壓力隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)斜率az和at基本為0，假設(shè)Pz和Pt的分別是轉(zhuǎn)釬壓力和推進(jìn)壓力，正常穩(wěn)定鑿巖時(shí)轉(zhuǎn)釬壓力和推進(jìn)壓力平均值分別為Pz0和Pt0。本文研究的智能防卡釬系統(tǒng)在啟動(dòng)后自動(dòng)采集液壓系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)并計(jì)算得到Pz0和Pt0的值以及轉(zhuǎn)釬壓力和推進(jìn)壓力隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)斜率，以實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的調(diào)整防卡釬參數(shù)。

根據(jù)產(chǎn)生的原因和在液壓系統(tǒng)上的表現(xiàn)特征，鑿巖機(jī)的卡釬可分為3種基本類型［13－14］，本文研究的新型智能防卡釬系統(tǒng)能針對(duì)3種卡釬類型進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷并及時(shí)預(yù)防和處理。

3.1 Ⅰ類卡釬判定和自動(dòng)防卡措施

Ⅰ類卡釬是鑿入溶洞內(nèi)，洞內(nèi)碎石或鑿巖破碎的巖渣將鉆頭卡死引起的，由于鉆頭突然進(jìn)入空洞，推進(jìn)力和轉(zhuǎn)釬力矩都突然減小，出現(xiàn)卡釬后又急劇上升，其表現(xiàn)特征如圖4所示。Ⅰ類卡釬是鉆頭在溶洞內(nèi)被巖渣卡死，而釬桿外徑比鉆頭外徑小很多，發(fā)生這種卡釬后推進(jìn)系統(tǒng)很難后退，因此這種卡釬是最不好處理的一種。

圖4 Ⅰ類卡釬表現(xiàn)特征

那么根據(jù)Ⅰ類卡釬在液壓上的表現(xiàn)特征，其判定條件為：

防Ⅰ類卡釬措施：Ⅰ類卡釬在液壓系統(tǒng)上的特征首先是轉(zhuǎn)釬壓力Pz和Pt推進(jìn)壓力突然減小，如果我們?cè)趧傔M(jìn)入溶洞內(nèi)就采取防卡措施，就能有效避免溶洞卡釬的發(fā)生。當(dāng)系統(tǒng)判定進(jìn)入溶洞即滿足式（9）時(shí)，調(diào)節(jié)電比例換向閥的開口減小推進(jìn)和轉(zhuǎn)釬的速度，調(diào)節(jié)推進(jìn)油路溢流閥減小最大推進(jìn)壓力，調(diào)節(jié)為低壓沖擊減少釬尾的空打損耗，并與低壓推進(jìn)配合在溶洞盡頭進(jìn)行開眼，當(dāng)液壓系統(tǒng)表現(xiàn)特征回到合理的范圍內(nèi)時(shí)，調(diào)節(jié)比例電磁閥逐漸恢復(fù)正常鑿巖。

3.2 Ⅱ類卡釬判定和自動(dòng)防卡措施

Ⅱ類卡釬是由于巖石性質(zhì)不均或排渣不及時(shí)導(dǎo)致釬桿偏斜，隨著鉆頭的不斷深入，釬桿偏斜程度越來越大，使轉(zhuǎn)釬壓力和推進(jìn)壓力逐漸增大，直至轉(zhuǎn)釬的最大工作壓力無法克服轉(zhuǎn)釬的阻力矩造成鉆頭卡死，其液壓系統(tǒng)表現(xiàn)特征如圖5所示。

圖5 Ⅱ類卡釬表現(xiàn)特征

令正常鑿巖時(shí)轉(zhuǎn)釬壓力與Pz0的最大偏移量為ΔPz1，則緩變卡釬油壓的臨界值Pz2為：

從防卡釬的角度，Pz2取值越小就越能減小卡釬發(fā)生的概率，另一方面Pz2過小容易誤判，導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁執(zhí)行防卡措施，不利于提高作業(yè)效率；取值過大會(huì)出現(xiàn)液壓系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)釬壓力無法解除卡釬的狀態(tài)，由此可見Pz2的取值非常關(guān)鍵。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，令ΔPzm為液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)釬壓力儲(chǔ)備量，一般按照取值是較為合理的［15］，則：

根據(jù)Ⅱ類卡釬液壓系統(tǒng)的表現(xiàn)特征分析，假設(shè)在Δtz時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)釬壓力由Pz0增加至卡釬油壓的臨界值Pz2，Δtz2和Δtz3分別是正常穩(wěn)定鑿巖時(shí)轉(zhuǎn)釬壓力升至最大時(shí)的最大時(shí)間和最小時(shí)間，將式（11）帶入擬合函數(shù)中得：

整理后，可知Ⅱ類卡釬的判定條件：

防Ⅱ類卡釬措施：Ⅱ類卡釬是逐漸演變的，若盡快采取措施能很大可能規(guī)避卡釬風(fēng)險(xiǎn)，在系統(tǒng)檢測到Ⅱ類卡釬趨勢時(shí)，為了減緩轉(zhuǎn)釬壓力升高的趨勢，調(diào)節(jié)推進(jìn)和回轉(zhuǎn)的電比例換向閥開口使推進(jìn)速度和轉(zhuǎn)釬速度隨著轉(zhuǎn)釬壓力的增大而無級(jí)減小。若轉(zhuǎn)釬壓力持續(xù)升高，則緩慢回退鑿巖機(jī)，再以輕推和輕沖緩慢推進(jìn)，當(dāng)轉(zhuǎn)釬壓力回到正常狀態(tài)時(shí)，鑿巖機(jī)恢復(fù)正常鑿巖。

3.3 Ⅲ類卡釬判定和自動(dòng)防卡措施

當(dāng)鉆頭進(jìn)入巖層中的裂隙中，突然產(chǎn)生一個(gè)額外的轉(zhuǎn)釬阻力矩，若此時(shí)總轉(zhuǎn)釬阻力矩大于系統(tǒng)能提供的最大轉(zhuǎn)釬力矩，轉(zhuǎn)釬運(yùn)動(dòng)會(huì)停止，鉆頭無法繼續(xù)破巖，推進(jìn)運(yùn)動(dòng)也相繼停止，Ⅲ類卡釬液壓系統(tǒng)表現(xiàn)特征如圖6所示。

圖6 Ⅲ類卡釬表現(xiàn)特征

由式（12）可知三類卡釬的判定條件為：

防Ⅲ類卡釬的措施：發(fā)生此類卡釬時(shí)轉(zhuǎn)釬壓力階躍突變，轉(zhuǎn)釬和推進(jìn)突然停止，此時(shí)鉆頭較為容易拔出。若剛進(jìn)入裂隙時(shí)卡釬輕微，或是其它原因造成的轉(zhuǎn)釬壓力短時(shí)間突變，從作業(yè)效率的角度考慮，只需稍稍減小推進(jìn)壓力嘗試解決。若上述方式無法解除卡釬，則立刻調(diào)整推進(jìn)油路比例換向閥將釬桿回退，檢測到卡釬解除時(shí)，控制推進(jìn)速度和轉(zhuǎn)釬速度先減小后緩慢增加重新鉆進(jìn)，以避免重復(fù)卡釬，當(dāng)轉(zhuǎn)釬壓力回到正常范圍內(nèi)時(shí)，恢復(fù)正常鑿巖。

4 結(jié)束語

新型智能防卡釬系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)釬壓力和推進(jìn)壓力，采用科學(xué)的算法計(jì)算油壓隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)，根據(jù)擬合函數(shù)的斜率通過計(jì)算，自動(dòng)采集巖層對(duì)應(yīng)的鑿巖參數(shù)，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整防卡釬參數(shù)，確保能夠準(zhǔn)確及時(shí)地對(duì)卡釬和卡釬類型進(jìn)行判定。根據(jù)系統(tǒng)判斷結(jié)果執(zhí)行有效的防卡釬措施，應(yīng)用電液比例控制技術(shù)無級(jí)調(diào)節(jié)鑿巖機(jī)轉(zhuǎn)釬、推進(jìn)和沖擊等動(dòng)作的壓力和流量，能夠有效防卡的同時(shí)兼顧鑿巖效率。綜上所述，新型智能防卡釬系統(tǒng)是能夠有效預(yù)防卡釬和針對(duì)性處理卡釬的防卡新方案，系統(tǒng)簡潔，采用通用元件和符合國際標(biāo)準(zhǔn)的編程語言，新老設(shè)備都能輕松搭載，對(duì)于設(shè)備的智能化和少人化、無人化隧道施工具有積極的推動(dòng)作用。