一種全液壓露天鉆機的鑿巖保護功能介紹

王曉輝，李衛杰

（天水風動機械有限公司，甘肅天水741020）

1 引言

露天鉆機的鉆孔基本原理是：由鑿巖機產生沖擊和回轉兩種運動，通過鉆桿、連接套等組成的鉆具鏈將這兩種運動傳遞給鉆頭；沖擊動作使巖石破碎，而回轉作用將破碎巖石磨成更小的顆粒；同時通過高壓空氣將巖石顆粒快速吹出而成孔。用戶對鉆機的要求一般體現在下面幾個方面：（1）盡可能高的鑿巖速度和成孔要求；（2）排渣充分及時，保證鉆孔過程平滑順暢不卡鉆；（3）節省鉆具和較高的整機耐用度。

瑞典AtlasCopco公司生產的ROC D7是目前世界上較為先進的一種全液壓露天鉆機，適用于露天礦山生產、建筑工程中的土石方開挖、采石場取料及邊坡處理等各項工作，其鉆孔孔徑范圍φ64－φ115mm［1］。因其具有復雜地層的安全鉆進性能而深受用戶歡迎。

ROC D7鉆機的控制系統中設計了回轉壓力控制推進、自動防卡鉆系統、沖渣壓力自動調節、緩沖壓力控制沖擊、低壓開孔等各種保護功能［2］。這樣可確保該機在遇到鉆進困難時，控制系統會根據回轉壓力、推進壓力和緩沖壓力等的變化，自動調整推進壓力及沖擊壓力，進行低壓沖擊，甚至推進返回，這樣就大大提高了鉆具使用壽命，降低了卡鉆、丟失鉆具的風險，節省鉆具，提高成孔率，降低了鑿巖成本。

2 鑿巖保護功能介紹

2.1 回轉壓力控制推進（RPC-F）

由于巖層內部構造復雜，在鉆進過程中，當巖層變化使鉆機的回轉阻力增大，導致回轉速度大幅度下降而回轉壓力升高，使鑿速下降，反之，當推進壓力變小時，鉆頭頂緊巖石的壓力不足，沖擊能量不能完全傳遞到巖石，使得鑿速變慢，鉆具損耗加大。而ROC D7控制系統中設計RPC-F功能，使推進壓力和回轉速度根據巖層軟硬自動調節，提高了鉆機在不同巖層中的鑿速，延長鉆具的使用壽命，并有初步防止卡鉆的發生的功能。

RPC-F(Rotation Pressure Controlled Feed)的意思是回轉壓力控制推進，在鉆孔過程中，由于巖層的變化，如果回轉壓力升高，超過RPC-F先導閥的設定值（約5 MPa），該閥閥芯將被推動，控制推進壓力的先導油就會部分通過RPC-F閥的節流腔從低推進壓力溢流閥流出，推進壓力和推進速度相應降低。根據回轉壓力超過RPC-F閥設定值的程度不同，RPC-F閥的閥芯在關閉和全開位置之間變動，使推進壓力在高推進壓力（約7MPa）和低推進壓力（約4 MPa）之間平滑過渡，使回轉壓力保持在一個相對穩定的數值，從而提高了鉆機適應復雜巖層的能力。

2.2 自動防卡鉆系統

在鉆進過程中，如果因巖層構造復雜而使回轉壓力升高，RPC-F功能不能解決則回轉壓力繼續升高，可能導致回轉停止，鉆具卡在巖層中進退不得，便形成卡鉆。可能導致卡鉆的因素有以下幾種：巖層有裂縫或空隙，導致鉆頭順縫隙鑿入，使鉆孔偏斜；空壓機氣壓和排氣量不夠，巖粉不能正常排出；巖層太破碎夾帶大量沙土，巖渣掉落回填鉆具周圍；潮濕的巖層，巖粉粘結導致排粉不暢；推進壓力設定過高或回轉速度設定過快與沖擊功率不匹配等。卡鉆嚴重妨害鉆孔工作的進行，也易導致鉆具丟失。鑒于實際鉆進過程中可能發生的上述情況，ROC D7控制系統中設計了自動防卡鉆保護系統。如果RPC-F功能啟動后，回轉的情況沒有改善，回轉壓力繼續升高，自動防卡鉆系統就會啟動，來防止卡鉆情況的發生，該部分功能由液壓系統和氣動系統雙重控制。

圖1中當回轉壓力高過另外一個防卡鉆控制閥的設定壓力（約8 MPa）后，該閥將先導壓力油供給B134壓力開關，B134壓力開關觸發，通過PLC控制Y109防卡電磁閥換向，使推進油缸縮回，回轉阻力減小，回轉壓力降低，低于防卡鉆控制閥設定值（約8 MPa）后推進可以繼續向前推進，這樣卡鉆現象將不會繼續發展，如此多次循環使鉆具逐漸通過易卡鉆巖層。

圖1 回轉壓力控制推進

防卡鉆的另一重功能在氣動系統中實現：圖2中如果鉆孔時沖渣排氣不暢，節流閥前后的壓力差就會下降，下降超過壓力開關B142的額定值時，B142觸發，B142通過PLC控制Y109防卡電磁閥換向，使推進油缸倒退，等沖渣排氣暢通后推進油缸繼續向前推進，這樣多次循環而避免卡鉆。

2.3 鑿巖機緩沖壓力控制沖擊壓力

圖2 沖渣壓力自動調節

在鉆進過程中，沖擊能量通過釬尾、鉆桿傳遞給鉆頭來破碎巖石，鑿巖機緩沖機構的作用是將反沖能量通過蓄能器柔化轉換成液壓能被吸收，也可將吸收能量存貯用于下一次沖擊，而避免對鉆具產生剛性的沖擊。

因為ROCD7鉆機所配的COP1838鑿巖機的獨特設計，緩沖壓力直接反映了鉆頭的頂緊程度,鉆頭頂緊巖石，緩沖壓力增大，沖擊能量能夠很好地傳遞到巖石，破碎效果好；鉆頭沒有頂緊巖石，緩沖壓力較小，沖擊能量不能完全傳遞到巖石，破碎效果差，沖擊能量被鉆具吸收，鉆具損耗大。因此該鉆機控制系統中設計緩沖壓力控制沖擊壓力功能。

緩沖系統由1號泵通過一個節流閥供油。緩沖壓力是由鑿巖機里的一個減振活塞的節流腔產生的，鉆頭頂緊力越大，減振活塞往內壓得越多，節流腔減小，緩沖壓力增大，反之緩沖壓力減小。也就是說在鉆孔時，緩沖壓力的大小直接反映了鉆頭的頂緊程度。在釬尾不受力處于浮動位置時，調整節流閥使得鑿巖機緩沖壓力略大于3.5 MPa。在沖擊回路里（見圖3），當緩沖壓力低于3.5 MPa或高于12 MPa時，邏輯閥I或邏輯閥J動作，沖擊先導油路切斷，沖擊停止。這種狀況表明緩沖回路不正常需要檢查，此時不允許沖擊而起到保護鑿巖機的作用。需要說明的是，在不鉆孔時由于緩沖壓力的設定大于3.5 MPa，所以此時鑿巖機可以打空錘包括重錘，會對鑿巖機釬尾造成傷害，這種操作主要用于卸鉆桿，應當盡量避免。

圖3 緩沖壓力控制沖擊

在正常鉆進過程中，根據緩沖壓力的大小實現低壓沖擊和高壓沖擊的自由轉換（轉換值初步設定為5 MPa），這樣降低了能量損耗并延長鑿巖機和鉆具的壽命。圖4中控制正向回轉的先導油將邏輯閥D打開，而此時邏輯閥C不動作。高低壓沖擊取決于邏輯閥A是否動作。當巖石較硬，鉆頭頂緊力大，緩沖壓力高于5MPa，邏輯閥A關閉，進行高壓沖擊，當巖石很軟或有空洞時，推進壓力和鉆頭頂緊程度下降，于是緩沖壓力也下降，低于5MPa時，邏輯閥A打開，自動轉換為低壓沖擊。

圖4 旋轉壓力控制推進和緩沖壓力控制高低沖擊

這也是ROC D7鉆機相對于以前機型的“推進壓力控制沖擊”功能［3］改進的一個方面，由于推進機構傳動的原因，推進壓力并不能很直接地反映鉆頭的頂緊程度，譬如說由于某種原因導致推進不暢時，實際鉆頭對巖石的頂緊力很小，此時推進壓力卻可能比較高，因而不能減小沖擊壓力起到保護鑿巖機和鉆具的作用。而緩沖壓力直接反映了鉆頭的頂緊程度，因此“緩沖壓力控制沖擊壓力”相對“推進壓力控制沖擊壓力”有更直接更可靠的保護能力。

另外該部分液壓系統設計還具備了這樣一個功能：在鉆孔開始時，打開低壓沖擊開關，邏輯閥C和邏輯閥E同時動作，邏輯閥A此時不能被觸發，沖擊壓力必然為低壓，推進壓力油通過邏輯閥E打開低壓溢流閥，所以推進壓力也為低壓。該功能主要用于開孔，為鉆鑿深孔打下良好的基礎，避免鉆鑿深孔時出現偏斜，提高了深孔成孔率。

綜上所述，由于緩沖壓力控制沖擊壓力的功能，使該鉆機具備了以下特點：能量損耗小，鑿巖機和鉆具使用壽命長，對于釬尾的保護作用尤其明顯；沖擊和推進兩個動作能夠根據巖石狀況較好的自動匹配，較高的鑿巖效率；良好的深孔成孔率。

3 國內用戶使用情況

通過對向家壩、溪洛渡、官地等水電站建設工地，神華寧煤露天煤礦生產工地鉆孔設備的調研，用戶反映ROCD7鉆機操作靈活方便，鑿孔速度快，鉆具消耗低，有效地減少了卡鉆等情況的發生，自動調節能力強，適應環境能力強，工作范圍廣，生產效率高。至2008年國內約有ROCD7鉆機350臺左右，尤其近幾年在礦山鑿孔設備中的占有比例大幅增加。而國內鑿巖設備生產行業在全液壓露天鉆機方面由于技術不成熟，發展比較緩慢，故障率過高，礦山采用國產全液壓鉆車較少。

[1]AtlasCopco.ROCD7產品宣傳樣本[Z].

[2]阿特拉斯D系列鉆機操作說明書[Z].

[3]宋肅慶.全液壓露天鉆車的推進力自動調節系統[J].鑿巖機械氣動工具，1999，（3）.