周 俊，劉 忠※，熊中剛，王 罡，龔東昌，張明勛，高站偉，郭艷軍

（1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004；3.國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司，拉薩 850010；4.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，成都 610095）

0 引言

工程建設(shè)的鉆爆法機(jī)械化修建方法因適應(yīng)性強(qiáng)、高效安全、安全等優(yōu)勢(shì)，仍為隧道建設(shè)、基礎(chǔ)建設(shè)和礦山開(kāi)采等領(lǐng)域采用的施工方法[1-4]。而液壓鑿巖機(jī)是鉆爆法施工核心的工作部件，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)。

液壓鑿巖裝備在進(jìn)行鉆鑿掘進(jìn)施工時(shí)，由于施工現(xiàn)場(chǎng)巖石物理特性多變易造成鑿巖機(jī)釬桿（釬頭）卡滯等非正常工況，液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)輸出的最大回轉(zhuǎn)力小于鉆鑿孔作用于釬桿的回轉(zhuǎn)阻力，導(dǎo)致鑿巖機(jī)釬頭卡死在鉆鑿孔內(nèi)，局部破碎失效，進(jìn)而導(dǎo)致鑿巖掘進(jìn)工作無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行?！翱ㄢF”問(wèn)題是鑿巖機(jī)在鉆孔施工過(guò)程常見(jiàn)的故障之一，卡釬分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。其中，第Ⅰ類“卡釬”為溶洞卡釬，其產(chǎn)生的原因是鑿巖機(jī)釬桿突然鑿入到溶洞使釬桿卡死，反映到鑿巖機(jī)系統(tǒng)上的表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)壓力急劇降低又急劇上升；第II類“卡釬”為緩變卡釬，主要是由于鑿巖時(shí)諸如排渣不通暢等技術(shù)問(wèn)題所導(dǎo)致的，表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)回路的壓力持續(xù)并緩慢爬升；第III類“卡釬”為裂縫卡釬，產(chǎn)生原因是鑿巖機(jī)釬桿的鉆頭突然入裂縫造成，表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)回路的壓力迅速升高[5-8]。在液壓鑿巖掘進(jìn)施工時(shí)，會(huì)面臨復(fù)雜溶巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)工場(chǎng)，液壓鑿巖機(jī)（鉆機(jī)）常常發(fā)生卡釬故障，其中溶洞卡釬（Ⅰ類）較為常見(jiàn)。圖1 所示為典型溶洞卡釬（Ⅰ類）的巖石物理狀態(tài)。溶洞卡釬時(shí)鑿巖系統(tǒng)壓力變化如圖2所示。由于溶洞（Ⅰ類）卡釬工況發(fā)生時(shí)間短暫，在這種情況下，鑿巖機(jī)釬頭即將到達(dá)巖石空腔，巖石對(duì)鑿巖機(jī)的反作用推進(jìn)阻力、回轉(zhuǎn)阻力迅速減低，此時(shí)由于鑿巖機(jī)所受到的推進(jìn)阻力降低，致使釬頭的推進(jìn)速度突然加快，在鑿巖機(jī)釬頭的沖擊下導(dǎo)致孔洞塌陷及一系列復(fù)雜因素引起的釬桿鉆鑿偏斜等，進(jìn)一步誘發(fā)釬頭推進(jìn)、回轉(zhuǎn)阻力的劇增。溶洞（Ⅰ類）卡釬現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)壓力pz、推進(jìn)壓力pt出現(xiàn)突變，急劇下降又急劇爬升，這種情況使得溶洞卡釬（Ⅰ類）的工況危害變得極為嚴(yán)重，導(dǎo)致鑿巖機(jī)工作時(shí)釬桿或鉆鑿孔廢棄，造成裝備鑿巖效率低下、釬桿（釬頭）報(bào)廢等損失。因此，分析溶洞卡釬特征，研究設(shè)計(jì)防卡釬液壓系統(tǒng)對(duì)提高液壓鑿巖施工效率、預(yù)防事故發(fā)生尤為重要[9-12]。

圖1 溶洞卡釬示意

圖2 卡釬時(shí)鑿巖系統(tǒng)壓力變化

針對(duì)第Ⅰ類“卡釬”，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者做了如下研究：石安政等[9]為了防止第Ⅰ類“卡釬”提出智能防“卡釬”系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)來(lái)適應(yīng)不同工況，達(dá)到防“卡釬”的目的。何禹帆等[13]提出了恒功率系統(tǒng)，控制釬桿扭矩和釬桿轉(zhuǎn)速?；剞D(zhuǎn)壓力上升時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)排量減小，暫緩?fù)七M(jìn)速度但不改變系統(tǒng)的推進(jìn)壓力，避免卡釬情況的發(fā)生。張明明[14]提出一種硬巖鉆機(jī)系統(tǒng)防卡釬和防空打設(shè)計(jì)方案，通過(guò)比例控制油缸壓力流量從而達(dá)到防“卡釬”的效果。劉在政等[15]研究了自適應(yīng)鉆孔參數(shù)液壓控制系統(tǒng)，可隨著回轉(zhuǎn)壓力變化，系統(tǒng)可辨識(shí)出“卡釬”狀態(tài)，調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)來(lái)防止鑿巖機(jī)“卡釬”。

綜上所述，本文針對(duì)溶洞（Ⅰ類）卡釬的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種防溶洞（Ⅰ類）卡釬液壓控制系統(tǒng)，根據(jù)回路壓力變化識(shí)別出卡釬的狀態(tài)，通過(guò)控制流量開(kāi)控制推進(jìn)速度，從而達(dá)到防卡釬的目的。

1 液壓鑿巖機(jī)沖擊鑿巖工作原理

液壓鑿巖機(jī)的具體沖擊鑿巖過(guò)程如圖3所示。

液壓鑿巖機(jī)是一種利用液壓力將能量轉(zhuǎn)化為沖擊力，通過(guò)應(yīng)力波傳遞的能量來(lái)破碎巖石，從而進(jìn)行鑿巖作業(yè)的設(shè)備[16-18]。液壓鑿巖機(jī)的工作步驟分為3 步。（1）液壓系統(tǒng)提供液壓能量：液壓鑿巖機(jī)通過(guò)液壓系統(tǒng)提供液壓能量，液壓系統(tǒng)由液壓泵、液壓油箱、液壓閥等組成；液壓泵將液壓油從油箱中抽出，并通過(guò)液壓閥控制流量和壓力；之后液壓能經(jīng)過(guò)管道被傳遞到鑿巖機(jī)，鑿巖機(jī)內(nèi)部有一個(gè)沖擊活塞和鑿頭，液壓能量通過(guò)液壓缸將沖擊活塞向前推動(dòng)，不斷撞擊釬尾進(jìn)而帶動(dòng)鑿頭進(jìn)行沖擊。（2）沖擊過(guò)程：當(dāng)液壓缸推動(dòng)活塞和鑿頭向前時(shí)，液壓能量轉(zhuǎn)化為沖擊力，沖擊力使鑿頭瞬間向巖石施加巨大的沖擊力，引起應(yīng)力波的產(chǎn)生,產(chǎn)生的沖擊力會(huì)引起巖石中的壓縮波傳遞，壓縮波是一種縱波，沿著巖石傳播，并導(dǎo)致巖石發(fā)生壓縮和收縮，從而引起應(yīng)力集中和裂紋的形成，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生剪切波傳遞到巖石中。剪切波是一種橫波，它會(huì)使巖石發(fā)生剪切和滑動(dòng)，導(dǎo)致巖石的破碎和破裂，通過(guò)以上能量的傳遞，實(shí)現(xiàn)破碎和破裂巖石。（3）沖擊能量釋放：沖擊完成后，液壓缸回收沖擊活塞和鑿頭，釋放沖擊能量，最后再通過(guò)釬頭的旋轉(zhuǎn)作用，再次對(duì)新的巖石面進(jìn)行鑿進(jìn)，這個(gè)過(guò)程通常通過(guò)液壓閥控制，以確保鑿巖機(jī)的穩(wěn)定和安全。

需要注意的是，在沖擊鑿巖工作中，液壓鑿巖機(jī)通常會(huì)根據(jù)不同的巖石類型和工作要求，調(diào)整沖擊能量的大小和頻率。較硬的巖石需要更大的沖擊能量，而鑿巖機(jī)開(kāi)始工作階段外表面較軟的巖石則只需要較小的沖擊能量[19]?？偨Y(jié)而言，液壓鑿巖機(jī)通過(guò)利用液壓能量將其轉(zhuǎn)化為沖擊力，從而進(jìn)行鑿巖作業(yè)，這種工作原理能夠有效地破碎和破裂巖石，提高鑿巖效率。

2 防卡釬液壓控制系統(tǒng)

液壓鑿巖施工時(shí)，由于溶洞的形狀和表面通常是不規(guī)則的，存在凹凸不平的部分，液壓鑿巖沖擊頭在這些不規(guī)則表面上前后沖擊時(shí)容易發(fā)生溶洞卡釬的狀況[20]。基于溶洞（I類）卡釬工況產(chǎn)生時(shí)，鑿巖機(jī)系統(tǒng)的變化情況，設(shè)計(jì)如圖4 所示的溶洞（Ⅰ類）卡釬液壓控制系統(tǒng)原理，發(fā)生溶洞（Ⅰ類）卡釬時(shí)，其防卡策略是采用沖擊能量較小、頻率較低的鑿巖狀態(tài)，逐漸穿越溶洞區(qū)域，以避免溶洞（Ⅰ類）卡釬工況，在液壓鑿巖鉆鑿施工時(shí)，鑿巖系統(tǒng)分為重沖擊和輕沖擊兩種工作狀態(tài)。如圖4 所示，針對(duì)溶洞（Ⅰ類）卡釬狀況，在防卡釬液壓控制系統(tǒng)中專門(mén)設(shè)計(jì)了液控防卡閥。

圖3 液壓鑿巖機(jī)沖擊鑿巖示意

沖擊壓力pc上升，超過(guò)防卡閥調(diào)壓彈簧的預(yù)緊力，防卡閥處于右位機(jī)能，液壓鑿巖機(jī)進(jìn)行重沖擊。當(dāng)鑿巖機(jī)執(zhí)行轉(zhuǎn)鑿工作遇到溶洞（Ⅰ類）卡釬工況時(shí)，回轉(zhuǎn)壓力pz降低，防卡閥開(kāi)啟換向壓力大于沖擊壓力pc，防卡閥復(fù)位，液壓鑿巖機(jī)又切換至輕沖擊工況，此時(shí)液壓鑿巖機(jī)以小沖擊能、低頻率的鉆鑿輸出慢慢通過(guò)溶洞區(qū)，從而避免溶洞（Ⅰ類）卡釬狀況的發(fā)生。在通過(guò)溶洞區(qū)后，回轉(zhuǎn)壓力pz恢復(fù)正常，液壓鑿巖機(jī)切換到重沖擊工況。

圖4 溶洞（Ⅰ類）卡釬液壓系統(tǒng)原理

3 防卡釬系統(tǒng)仿真研究

3.1 防卡釬液壓系統(tǒng)建模

根據(jù)防卡閥的結(jié)構(gòu)原理及液壓系統(tǒng)原理，構(gòu)建如圖5 所示的防卡閥仿真模型，以及如圖6 所示的溶洞（Ⅰ類）防卡釬系統(tǒng)的仿真模型。

圖5 防卡閥仿真模型

3.2 防卡釬系統(tǒng)的仿真研究

液壓鑿巖機(jī)工作時(shí)分為輕沖擊和重沖擊兩種工況，其中，輕沖擊是指鑿巖機(jī)剛開(kāi)始鉆鑿巖石需選擇的沖擊力度，重沖擊是指鑿巖機(jī)穩(wěn)定鉆鑿巖石時(shí)需選擇的沖擊力度。根據(jù)仿真系統(tǒng)的負(fù)載曲線，設(shè)置在輕沖擊下的沖擊負(fù)載和重沖擊下的鑿巖負(fù)載，以清楚地描述其輕、重沖擊的負(fù)載工況。因此，初始鑿孔采用輕沖擊以適應(yīng)溶洞卡釬工況，正常鑿巖掘進(jìn)采用重沖擊。如圖6 所示，利用節(jié)流閥1 來(lái)調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的壓力和流量，根據(jù)防溶洞（Ⅰ類）卡釬液壓系統(tǒng)原理，節(jié)流閥2和3分別用于調(diào)節(jié)控制輕沖擊和重沖擊的工況。

圖6 溶洞（Ⅰ類）防卡釬液壓系統(tǒng)仿真模型

當(dāng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥1的阻尼孔時(shí)，回轉(zhuǎn)液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)流量隨著壓力的變化如圖7所示。根據(jù)仿真結(jié)果，整理出如表1所示的數(shù)據(jù)，得出回轉(zhuǎn)壓力與節(jié)流孔直徑和流量的關(guān)系。

圖7 不同回轉(zhuǎn)壓力下鑿巖系統(tǒng)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)流量曲線

表1 液壓馬達(dá)流量仿真結(jié)果

由圖7及表1可知，系統(tǒng)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的流量受系統(tǒng)節(jié)流閥孔的通徑影響較大，受回轉(zhuǎn)壓力的影響較小甚至可以忽略不計(jì)。根據(jù)液壓系統(tǒng)理論可知，系統(tǒng)的流量會(huì)直接影響著回轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥2的通流孔徑時(shí)，鑿巖機(jī)輕沖擊工況活塞運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖8所示。根據(jù)圖8整理出如表2所示的數(shù)據(jù)，可得出鑿巖輕沖擊回轉(zhuǎn)壓力與節(jié)流孔直徑和流量的關(guān)系。當(dāng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥3的通流孔徑時(shí)，鑿巖機(jī)重沖擊工況活塞運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖9所示。根據(jù)圖9整理出如表3所示的數(shù)據(jù)，可得出鑿巖重沖擊回轉(zhuǎn)壓力與節(jié)流孔直徑和流量的關(guān)系。

圖8 改變節(jié)流閥5通流孔徑時(shí)沖擊活塞的速度曲線

表2 液壓鑿巖機(jī)輕沖擊輸出參數(shù)

圖9 改變節(jié)流閥6通流孔徑時(shí)沖擊活塞的速度曲線

表3 液壓鑿巖機(jī)重沖擊輸出參數(shù)

根據(jù)圖8～9、表2～3的仿真結(jié)果可得出為保證溶洞卡釬（Ⅰ類）的防卡效果，應(yīng)盡量減小輕沖擊時(shí)的沖擊能，但沖擊能過(guò)小時(shí)鑿巖機(jī)通過(guò)Ⅰ類卡釬區(qū)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；為提高液壓鑿巖機(jī)的鉆鑿速度，重沖擊時(shí)的沖擊能應(yīng)盡量取大值。此時(shí)，節(jié)流閥2的通流孔徑為2.3 mm，節(jié)流閥3的通流孔徑為7.5 mm，此參數(shù)下液壓鑿巖機(jī)工作效率最高。

巖石的硬度差異會(huì)顯著影響液壓鑿巖機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩，從而引起液壓鑿巖系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)壓力變化[11-12]。通過(guò)模擬溶洞卡釬（Ⅰ類）信號(hào)輸入至防卡釬液壓系統(tǒng)，得到如圖10 所示的仿真結(jié)果。由圖可知，液壓鑿巖機(jī)遇到溶洞卡釬（Ⅰ類）時(shí)，防卡閥的響應(yīng)速度與回轉(zhuǎn)壓力下降率有關(guān)，當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力達(dá)到防卡閥的響應(yīng)值，閥芯動(dòng)作，防卡閥切換工位，液壓鑿巖機(jī)迅速?gòu)闹貨_擊變?yōu)檩p沖擊工作狀態(tài)，可有效防止Ⅰ類卡釬工況的發(fā)生。

圖10 溶洞防卡釬鑿巖系統(tǒng)響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

以某型液壓鑿巖機(jī)液壓系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)鑿巖機(jī)第Ⅰ類“卡釬”工況產(chǎn)生時(shí)，鑿巖機(jī)系統(tǒng)的變化情況，提出了一種液壓鑿巖機(jī)的液壓控制系統(tǒng)和防卡釬閥，并對(duì)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行防卡釬系統(tǒng)及部件的仿真研究，得到如下結(jié)論：

（1）作用于不同物理性質(zhì)的巖石，可影響液壓鑿巖機(jī)的轉(zhuǎn)釬扭矩，引起其液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)壓力變化，回轉(zhuǎn)壓力變化映射釬頭遭遇溶洞卡滯狀況，基于此，將回轉(zhuǎn)壓力的變化作為反饋壓力信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)防卡釬系統(tǒng)；

（2）通過(guò)防卡釬液壓系統(tǒng)進(jìn)入液壓鑿巖機(jī)系統(tǒng)的節(jié)流閥組的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)重沖擊與輕沖擊兩種工況的切換，通過(guò)仿真分析得出，輕沖擊控制節(jié)流閥2通徑為2.3 mm、重沖擊控制節(jié)流閥3通徑為7.5 mm時(shí)，液壓鑿巖機(jī)的工作效率更佳；

（3）模擬當(dāng)鑿巖機(jī)遭遇第I 類“卡釬”工況時(shí)而引起的液壓系統(tǒng)的壓力變化，結(jié)果表明，當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力低于防卡閥預(yù)設(shè)值時(shí)，其會(huì)迅速響應(yīng)動(dòng)作，切換鑿巖機(jī)的沖擊狀態(tài)，預(yù)防卡釬（I類）的發(fā)生。