全液壓智能鑿巖臺車防卡控制系統研究

龍國強，張 玲，劉海燕，李德喜，黎忠言，朱敏基

（湖南有色重型機器有限責任公司， 湖南 長沙 410205）

0 前 言

在鉆孔施工過程中，由于巖石狀態的不確定性，其中存在的溶洞、裂隙及巖石性質不均等會不可避免地形成卡鉆區，導致卡鉆。卡鉆是鉆孔過程中比較常見的問題，一旦發生卡鉆故障，將降低工作效率，造成鉆具損壞，嚴重時卡鉆故障無法消除，向前無法鉆進，向后無法提鉆，只能放棄已鉆進孔內的鉆具，增加施工的直接成本。因此，長期以來國內外對卡鉆理論及防卡方案做了很多的理論分析，在鉆機的防卡桿功能控制方面也做了大量的研究與實驗，目的都是為了找到一種合理、有效、可靠的防卡控制方法，對卡鉆事故進行預防和處理。CSY50型采礦鑿巖臺車中應用的PLC控制系統，將鑿巖臺車的防卡功能由以往單純液控或繼電器控制，提升至智能化程序控制的先進平臺，通過對各種卡鉆機理的分析，利用設定的程序在卡鉆初始階段對推進、沖擊進行分別控制，在鉆孔過程中達到卡鉆事故預防和處理的目的，現場使用效果良好。本文針對CSY50型液壓鑿巖臺車防卡系統進行具體的介紹與分析。

1 鉆機卡鉆原理

（1）因排渣不暢而引起的卡鉆。其產生原因為孔內積渣未能排出，鉆頭積渣越來越多，最終導致了鉆頭卡死的情況。

（2）鉆頭偏載引起的卡鉆。這類卡鉆一般是由于鉆頭進入性質不均的巖石帶，或鉆頭出現損壞時，鉆頭因徑向受力不均而偏移原來的方向，使炮孔彎曲，阻力矩隨鉆頭的繼續鑿入而逐漸增大，最終導致了卡鉆。

（3）溶洞或裂縫卡鉆。此類卡鉆一般會使推進或回轉阻力產生突變，鉆頭通過此類地形時其排渣所需的氣壓或水壓也會下降，使得排渣困難。另外破碎下來的巖渣通常會在溶洞或裂縫處聚集，形成會卡住鉆頭的“栓子”使鉆頭不能回退，形成很難處理的卡鉆現象。

分析以上卡鉆故障表現形式可看出，當鉆機所能提供的轉動力矩不能超過巖孔對回轉鉆具阻力矩時，就會發生卡鉆，鑿巖過程中阻力矩是巖石對鉆具旋轉所形成的反作用力，可能產生轉動阻力矩主要有：鉆頭齒與孔底巖石摩擦所形成的摩擦阻力矩；兩次沖擊巖瘤的剪切阻力矩；鉆具外緣與鉆孔壁間的摩擦力所形成的分布阻力矩。這些阻力矩都是形成卡鉆的主要原因，而如何控制這些阻力矩、避免產生卡鉆故障，成為了目前對防卡理論研究的主題。

2 CSY50鑿巖臺車防卡特點

CSY50是湖南有色重型機器有限責任公司生產的新型智能化液壓鑿巖臺車（如圖1所示），主要適應用于分段采礦法中扇形斷面中深炮孔施工。該機有結構精巧、場地適應能力強、操作方便、施工安全、高效低噪、智能化程度高等特點。該類鉆機使用特點與防卡技術應用較多的潛孔鉆機相比，工作原理以及卡鉆的特點也有所不同，其中對卡鉆影響較大的有兩個方面。

2.1 沖擊做功的方式不同

從鉆孔原理上來看，潛孔鉆機沖擊能產生在鉆桿前端，沖擊能直接作用于潛孔鉆頭上，鉆桿起導向和傳遞推進力與回轉力的作用。而鑿巖類鉆機沖擊功產生在鉆桿尾部，鉆桿除了要傳遞推進力與回轉力之外還要傳遞沖擊能，在鉆桿上產生的應力會比潛孔鉆機鉆桿復雜得多，因此隨著鉆桿數量的增加，更容易產生鉆桿發彈、壓桿彎曲等現象。除了導致沖擊能量損失外，還會比潛孔鉆機更容易導致鉆頭偏載與鉆孔偏斜，最終引發卡鉆。

圖1 現場施工示意

2.2 排渣的方式不同

在鉆鑿設備鉆孔過程中，排渣是極其重要的，也是引發卡鉆的主要原因。潛孔鉆機是靠潛孔沖擊器做功后排出的高速氣流來進行排渣，液壓鑿巖類鉆機是靠獨立的水泵從空心鉆桿中注水沖洗排渣。在潛孔鉆機鉆進過程中，排渣不暢會引起氣流排出壓力增大，使得沖擊器用于做功的氣壓差會減小，從而也導致鉆頭破碎巖石的速度放緩，這樣會在一定程度上對卡鉆有所緩和。而注水排渣的鑿巖鉆機，在排渣水壓增大或水量不足不能正常沖洗排渣的情況下，其鉆進能力不但不會變小，鉆齒與巖石接觸面因少了水流的“潤滑”使得破碎巖石的能力還會增強。而且CSY50鉆機工作時在2.5英寸的鉆頭上作用的單次沖擊能達到300J，比一般中、高氣壓潛孔沖擊器以及大多數的鑿巖鉆機對巖石的沖擊應力都要大，所以一旦發生上述情況，卡鉆程度將很快惡化。

因此，對CSY50鉆機防卡功能不但要求能夠在卡鉆發生之初能夠準確判斷、快速做出反應，還應合理、有效地調整工作參數，以滿足該鉆機工況條件差、鉆進速度快、穿孔精度高的要求。

3 CSY50鉆機智能防卡原理

上文中提到的三種轉動阻力矩是卡鉆故障的主要原因，通過對鉆具在孔內的受力情況分析，可以通過以下兩種方式減小轉動阻力矩。

（1）如上文所述，摩擦阻力矩、剪切阻力矩的大小與鉆齒受推進力在巖面產生的接觸摩擦成正比，即推進力變大，回轉阻力矩也會變大，反之則變小。因此可以在卡鉆過程初期，利用鉆機主動減小其推進壓力，控制回轉阻力過度升高而引發的卡鉆。此類防卡的關鍵在于判斷回轉壓力變化，有很多的控制理論與應用方案，一般是通過檢測回轉壓力上升信號，來使壓力繼電器或者防卡閥動作，使推進系統減少推進力或產生回退，來降低此類轉動阻力矩，防止卡鉆。而這種壓力繼電器控制的防卡系統，一般只能是對推進壓力進行分段控制，即當回轉達到某一壓力值，相應地把推進壓力降低到某一壓力值，屬于“硬”特性防卡，防卡效果也有其自身的局限性。而在系統中設置防卡桿閥，雖然可以通過判斷回轉壓力來連續的控制推進，達到一定的“軟”特性效果，但也會因其受環境、介質以及自身的響應頻率、機械磨損等因素影響，使得其控制精度和使用的可靠性不高。

（2）因為沖擊力的增大，使鉆頭齒尖破碎的巖坑增大，導致剪切阻力矩、分布阻力矩的增大，此時需要通過減小沖擊力，來降低此類阻力矩，但在一般鉆機中降低沖擊力是很難做到的，如潛孔鉆機只能通過迅速降低沖擊氣壓才會有作用。部分進口液壓鑿巖臺車也只是通過液壓控制或電液控制，控制方式與上述控制推進的原理一樣，對沖擊油路進行壓力調節，使其溢流來達到降低沖擊壓力目的，這種方式同樣也會有控制反應時間長、可靠性不高、溢流損失大的缺點。

3.1 智能防卡系統液壓部分的組成和控制原理

針對上述防卡特點，結合實際工況，綜合各種防卡桿的優點，CSY50機型采用了先進的比例控制液壓系統，通過壓力變送器檢測到回轉壓力信號，由PLC進行判斷和邏輯分析，通過比例閥來合理地調節推進壓力和沖擊壓力，液壓控制原理如圖2所示。

圖中推進、回轉、沖擊三種工況分別由兩變量泵供油，回轉單獨設置一泵，這是為了避免在回轉壓力增大時，沖擊或推進壓力隨之增大，產生惡性循環。回轉工況由變量泵①、比例換向閥③和比例溢流閥④組成的負載敏感系統供油，其可以通過PLC對兩比例閥的賦值來控制其回轉的速度和回轉最高壓力。沖擊工況也由另一負載敏感系統供油，由比例溢流閥控制其壓力大小。而推進工況因工作時推進所需流量很小，所需壓力也低于沖擊壓力，與沖擊共用了一個泵供油，通過比例減壓閥⑤來控制推進壓力的大小。

圖2 防卡系統液壓控制原理

3.2 智能防卡系統控制原理

智能防卡系統的控制原理，是通過采集鉆機液壓系統的沖擊、回轉、推進的壓力信號來進行分析和處理的，其主要功能如圖3所示。

圖3 智能防卡系統控制原理示意

（1）對采集到的回轉壓力數據進行過濾、分析、判斷卡鉆類型。通過對采集單位時間內的壓力參數變化，計算其平均值，對鉆進過程中壓力脈動引起的假卡鉆現象進行過濾。對連續上升的卡鉆信號進行分析，與在各種不同巖石條件下設定的參數進行對比，判斷是否進入卡鉆處理程序。

（2）根據卡鉆類型，發出警報，并自動采取合適的處理方式。根據卡鉆的條件、程度不同需要采取不同的方式來應對，這樣才能在避免卡鉆的同時最大程度地保證鉆孔效率，在一般情況下如果防卡壓力設置過低，會使得頻繁地減小推進壓力，導致鉆孔速度變慢，如果設置過高又會增大卡鉆的風險，因此為保證合理的防卡，該防卡系統特性如圖4所示。

圖4 防卡控制曲線

圖中，Pt為工作時的推進壓力，Pi為沖擊壓力，Ptz、Piz為推進、沖擊壓力漸變與突變過程的分界點，壓力系數為壓力值隨回轉壓力變化的斜率。

第一階段，當回轉壓力開始超過最大正常工作壓力點Pr1時，沖擊壓力將按一定的比例緩慢變小，如果回轉壓力恢復正常，沖擊壓力也即恢復正常，此時其它參數均無變化。如果回轉壓力在沖擊壓力緩慢變小后還繼續上升，達到Pr2壓力值，控制系統將開始減小推進壓力。

第二階段，如果遇到更加復雜的情況，回轉阻力還是繼續上升，從曲線圖中可以看出當回轉壓力超過Pr3或Pr4后，鑿巖沖擊壓力和推進壓力將快速下降，推進壓力下降到一定值后，鑿巖沖擊器會因自重而后退，直到回轉壓力再次變小，推進壓力又會上升，有時遇到如破碎帶裂隙等極端情況時，這種變化會反復多次，直至穿過該巖層。

（3）數字化參數顯示與調節。數字化參數顯示與調節功能（如圖5所示）使該系統更具靈活性，在現場使用中，通過在防卡系統中設置不同的壓力變化點來應對不同巖石情況。還可以通過調節沖擊、推進壓力系數來調定其變化快慢程度，如在破碎帶嚴重的地帶，可以將此變化系數加大，使其反應更加靈敏。

圖5 數字化設置界面

4 結 論

結合目前已有的防卡鉆方案以及具體現場使用情況，設計了CSY50機型的防卡系統。利用程序控制，按不同卡鉆條件，采用不同比例地降低推進壓力和沖擊壓力的方法，有效防止多種類型的卡鉆。該機獨特的PLC智能控制自動防卡桿技術，以其先進的控制技術、有效地防卡方式和高可靠性和靈敏度，相比其它防卡系統有著明顯優勢。在現場使用以來，體現出了其優異的性能，大大提高了該鉆機復雜地形的適應能力，使卡鉆難題得到了很好的解決。

［1］ 李東明.液壓鑿巖設備的防卡桿裝置探討［J］.礦業研究與開發，1996，16（2）.

［2］ 吳萬榮.潛孔鉆機鑿巖過程自動防卡鉆控制［J］.中國機械工程，2002（6）.

［3］ 趙宏強.潛孔鉆機鑿巖過程自動防卡鉆理論與方安研究［J］.機械科學與技術，2008（6）.

［4］ 羅春雷.液壓鑿巖鉆車新型防卡系統研究［J］.鑿巖機械氣動工具，2002（3）.

［5］ 郭 勇.潛孔鉆機智能防卡釬系統的研究［J］.鑿巖機械氣動工具，2007（1）.

［6］ 楊光照.鑿巖臺車卡鉆問題的排除方法［J］.維修與改進，2009（4）.

［7］ 陶照園，劉 暉，王福堅.智能鉆機軟特性自動防卡技術研究與設計［J］.礦業研究與開發，2011，31（5）：71－73，77.