基于推進壓差和回轉壓力變化的鉆孔參數自動匹配系統設計

劉在政, 廖金軍, 胡 騫

(中國鐵建重工集團有限公司， 湖南 長沙 410100)

0 引言

隨著國家基礎設施建設規模不斷擴大，山嶺隧道工程也越來越多，面臨的巖層情況更加復雜多樣。鑿巖臺車作為鉆爆法施工的核心設備，其沖擊回轉鑿巖參數的匹配已經成為影響鉆進效率的重要因素[1]。19世紀60年代初，Rinehart等[2]通過沖擊玻璃試驗，總結出不同沖擊參數對玻璃裂紋生長的影響規律，特別對鑿碎玻璃時的鉆具前進速度進行了詳細研究；Cavanough等[3]研究了不同推進壓力對鉆進速度的最優化控制，以鉆進速度最大、鉆孔偏斜最小為目標，得出了推進壓力與鉆進速度、旋轉壓力之間的相互影響規律； 祝效華等[4]對活塞、鉆頭與巖石之間的仿真模型進行分析，得出了相同巖石特性下，轉頭轉速、沖擊功以及沖擊頻率等因素對鉆頭破巖效果的影響； 陳時平[5]在液壓鑿巖系統配置研究中提出，應根據不同的破巖條件選擇合適的鑿巖參數和釬具，以達到較優的整體性能，對于提升液壓鑿巖系統的整體性能具有一定的指導意義； 馮琳[6]以多功能鉆機為研究對象，研究了多功能鉆機鉆進效率與鑿巖參數之間的匹配關系。

上述研究對提升鑿巖臺車鉆孔效率起到了一定的作用，但都偏向于研究鑿巖鉆具對破巖效果的影響，或者是單純研究鑿巖參數對破巖效果的影響，沒有在結合破巖機制的基礎上對鑿巖參數的自動匹配進行深入探討。為促進鑿巖臺車最大限度地發揮工作性能，提高鑿巖臺車鉆孔質量和鉆孔破巖的效率，本文分析不同的沖擊能量、鉆頭回轉壓力、鉆進速度、推進力大小等因素對鉆進效率的影響，得到最優鉆進狀態下鑿巖參數的匹配關系，在此基礎上，設計一種能根據不同巖層自動匹配出最佳鑿巖工作參數的系統，并以某型鑿巖臺車為對象，驗證該系統的可行性。

1 沖擊回轉鑿巖建模仿真

典型的鑿巖鉆孔均采用鉆頭沖擊-回轉復合運動來實現，其中沖擊運動鑿碎巖石，回轉運動保證每次沖擊運動都能鑿到新的巖石。因此，沖擊回轉鑿巖系統包含沖擊器、鉆桿、鉆頭和巖石，其中沖擊器能提供沖擊-回轉復合運動，鉆桿將這種復合運動傳遞到鉆頭；另外，還需要對沖擊器施加穩定的推進力，以保證鉆頭與巖石的良好接觸。為量化分析沖擊壓力、推進力和推進速度之間的內在聯系，需對沖擊回轉鑿巖系統進行建模分析。

1.1 模型建立

沖擊器的內部結構復雜，其中主要輸出沖擊力的結構是沖擊活塞，因此，直接定義沖擊活塞的輸出就能模擬沖擊器的輸出，鉆頭回轉動作則直接加在鉆桿上即可。仿真模型如圖1所示，模型中包含沖擊活塞、鉆桿、鉆頭、巖石4部分，略去鑿巖機殼體和回轉機構。對鉆頭和沖擊活塞的細小結構進行簡化處理，并細化巖石與鉆頭接觸部分的網格，沖擊活塞、鉆桿、鉆頭和巖石都采用8節點的Solid164單元。

圖1 沖擊回轉鑿巖系統仿真模型

1.2 鑿巖過程仿真結果分析

仿真計算的初始化條件為： 沖擊活塞、鉆桿和鉆頭采用彈性模量為206 GPa的線彈性本構模型，泊松比為0.3，密度為7.8 g/cm3，所采用的鉆頭為φ45 mm常用球齒鉆頭，球齒直徑為5 mm。

仿真計算的邊界條件為： 鉆桿與沖擊活塞之間的接觸為面對面的自動接觸，在鉆桿尾部施加推進力以及繞其軸線方向的轉速和轉矩； 鉆頭與巖石之間設定為侵蝕接觸，以確保后續的單元與鉆頭形成連續接觸； 巖石底部的約束為固定約束，巖石模型中，不與鉆頭接觸的另外5個面都設定為無反射邊界。

通過對沖擊活塞施加不同的打擊初速度來改變沖擊能量，以相同鉆進速度為目標，以巖石的硬度、損傷性能參數和沖擊能量為變量，進行正交仿真[7-9]，可得到破巖過程中的影響因素曲線，如圖2所示。

圖2 不同巖石等級下破巖所需的沖擊壓力曲線

Fig. 2 Curve of impact pressure required for rock breaking under different rock grades

由圖2可知，為了維持同樣的鉆進速度，巖石等級與沖擊壓力呈正相關，隨著巖石等級增加，所需的沖擊壓力逐漸加大。因此，施工時要根據巖層情況選擇沖擊壓力： 巖層較軟時，采用低沖擊壓力，能夠有效防止卡釬； 巖層較硬時，采用高沖擊壓力，能夠有效提高鑿巖效率。但是，只有在巖石足夠硬的情況下，每次沖擊所產生的能量才能被充分利用[10-11]，因此，在巖石比較軟的情況下，必須降低沖擊壓力(沖擊功率)，才能避免鑿巖機提供的能量消耗在自身緩沖機構中[12]。

取巖石抗壓強度為122.23 MPa，彈性模量為46.31 GPa，泊松比為0.3，抗拉強度為9.5 MPa，密度為 2.63 g/cm3。為充分利用沖擊能量破巖，以沖擊壓力、推進力作為變量，以鉆桿剛好不發生彎曲為目標，進行正交仿真，可得到鑿巖過程中沖擊壓力與對應推進力的關系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，推進力必須與沖擊壓力相匹配，隨著沖擊壓力增大，所需的推進壓力也要相應增加。在鉆頭類型和鉆孔直徑一定的前提下，現場應根據不同的巖石等級，調整合適的沖擊壓力，并調節推進力使鉆頭與孔底始終保持良好接觸，這樣才能達到最優鉆進速度。

圖3 沖擊壓力與對應推進力關系曲線

Fig. 3 Curve of relationship between impact pressure and propulsion pressure

2 鉆孔參數自動匹配控制系統

2.1 基于推進壓差的沖擊壓力自動匹配控制系統

由仿真結果可知，為獲得較好的鉆進效果，沖擊壓力要與巖石硬度呈明顯的正相關，且在沖擊壓力由低到高逐漸增加的過程中，推進力也應隨之增加。

欲同時滿足上述要求，需考慮在臺車實際鉆孔過程中推進油缸兩腔壓差與巖石硬度的關系： 當巖石硬度提高時，鉆頭單次侵入度減小，推進阻力增大，推進油缸大腔壓力上升，而小腔壓力基本不變，導致推進油缸兩腔壓差增大； 當巖石硬度降低時，鉆頭單次侵入度增大，推進阻力減小，推進油缸大腔壓力下降，導致推進油缸兩腔壓差減小。因此，只需建立推進油缸大腔-小腔壓差與沖擊壓力之間的變化關系即可。

基于推進壓差的沖擊壓力自動匹配原理如圖4所示。圖4中，1#閥為2位3通的液控調壓閥，其左右液控腔的壓力分別來自推進油缸大腔A1和小腔A2，當推進油缸兩腔壓差發生變化時，1#閥可穩定在左右兩位間的任意位置。V3口為沖擊壓力先導控制油口，控制油經3#減壓閥輸入到1#閥V1口，再從V2口經2#溢流閥流回油箱。V3口的壓力輸出處在V1口和V2口的壓力之間： 1#閥越接近左位，V3口的壓力就越接近V2口的壓力； 1#閥越接近右位，V3口的壓力就越接近V1口的壓力。因此，推進油缸兩腔壓差越大，V3口的壓力pv3就越接近3#閥的設定壓力pv1，即高沖壓力； 推進油缸兩腔壓差越小，pv3的壓力就越接近2#閥的設定壓力pv2，即低沖壓力。

將2#溢流閥壓力設定為10 MPa，3#減壓閥壓力設定為15 MPa，對所設計閥組進行實地測試,可得推進油缸兩腔壓差(pA1-pA2)與V3口的壓力(pv3)之間的關系曲線，如圖5所示。由圖5可知，pA1-pA2處于1.5～4.5 MPa時，與pv3之間具有良好的線性關系，壓差大于4.5 MPa之后，pv3的增加非常緩慢。分析現場情況可知，遇到硬巖后，pA1-pA2的值基本接近4.5 MPa，再增大推進壓差只會造成鉆桿彎曲變形，若要進一步增大pv3的值，只需將高沖壓力pv1調高即可。

1#—壓力調節閥; 2#—低沖溢流閥; 3#—高沖減壓閥。

圖4基于推進壓差的沖擊壓力自動匹配液壓控制系統原理圖

Fig. 4 Sketch of working principle of impact pressure automatic matching hydraulic control system based on propulsion pressure difference

圖5推進油缸兩腔壓差(pA1-pA2)與V3口壓力(pv3)之間的實測關系曲線

Fig. 5 Curve of relationship between pressure difference of two cavities of thrust cylinder (pA1-pA2) and pressure of valve port V3(pv3)

為保證鑿巖機正常鑿巖的效率，同時又能在巖層出現空洞時快速改變沖擊壓力，可調節1#壓力調節閥的彈簧，使正常鑿巖時鑿巖機剛好能達到高沖壓力。一旦鉆進過程中推進壓差出現變化，1#閥芯在壓差作用下產生位移，就能實現沖擊壓力的自動調整。

2.2 基于回轉壓力的預防卡釬系統

在臺車鉆孔過程中，由于巖層突變或排渣不暢，時常發生卡釬。雖然導致卡釬的原因有很多，但是在即將發生卡釬時鉆桿回轉轉矩都會增大[13]。為避免進一步卡釬，應立刻降低鉆孔速度，如果回轉轉矩逐步減小，就可逐步增大鉆孔速度； 如果回轉轉矩仍然增大，則應當快速回退鉆桿至低回轉負載區[14]。因此，需要建立回轉負載與推進油缸換向之間的聯系。

基于回轉壓力的預防卡釬系統原理如圖6所示。圖6中，1#閥為3位5通換向閥，默認工作位在右位，右端彈簧機械復位，左邊液控換向腔經4#單向節流閥與回轉馬達進油連通； 右邊有彈簧腔和FS腔2部分，其中彈簧腔的壓力來自2#減壓閥，FS腔經4#單向節流閥與回轉進油連通，同時分出一路與水流監測常閉開關閥連通。當鑿巖進水流量偏小時，水流監測開關閥就會打開，導致FS腔快速泄壓。

1#—防卡釬換向閥; 2#—減壓閥; 3#—固定節流閥; 4#—單向節流閥。

圖6基于回轉壓力的預防卡釬液壓控制系統原理圖

Fig. 6 Sketch of working principle of drill jamming prevention hydraulic control system based on rotary pressure

對于1#防卡釬換向閥：

FFS+F簧=F左。

(1)

式中：FFS為FS腔油液作用力；F簧為彈簧腔油液作用力，其大小可通過調節2#減壓閥改變；F左為左腔油液作用力。

FFS與F簧之和為閥芯右端受到的力，F左為閥芯左端受到的力。正常工作狀態下，閥芯左右兩端的力相等，閥芯不動； 當即將發生卡釬時，進入回轉馬達的壓力就會增大，此時F左也會增大，從而推動閥芯向右運動，調低進入推進油缸大腔的進油流量，降低鉆桿前進速度。如果回轉負載逐步減小，在彈簧的作用下，閥芯會逐漸復位，逐步恢復鉆孔速度； 如果回轉負載依然增大，閥芯就會進一步向右換向，直至停止推進油缸大腔進油，甚至換向為小腔進油、大腔回油，使鉆桿快速回退，避免卡釬。當鑿巖進水流量偏小時，會觸發水流監測開關閥打開，使FS腔快速泄壓，導致FFS瞬間減小，閥芯迅速換向，使鉆桿快速回退，避免缺水鉆孔并保護釬具。

將2#減壓閥壓力設定為7.5 MPa，對所設計的閥組進行實地測試，可得推進油缸大腔進油流量與回轉馬達進油壓力關系曲線，如圖7所示。由圖7可知，隨著回轉馬達進油壓力逐漸增大到9.5 MPa，推進油缸大腔進油流量開始下降，此時閥芯開始換向； 當壓力進一步增大時，流量快速下降到0，此時閥芯處于中位，停止推進； 當壓力再增大時，流量變為負值，說明閥芯已經換向，推進油缸變為小腔進油、大腔回油。

圖7推進油缸大腔進油流量與回轉馬達進油壓力的關系曲線

Fig. 7 Curve of relationship between oil inlet flow of large cavity of thrust cylinder and oil pressure of rotary motor

隨著減壓閥設定值的不同，閥芯換向的壓力就會不同，因此可以根據不同巖層情況進行卡釬壓力的調整，增強其適應性。

3 實際鉆孔過程中參數匹配關系測試

將所設計的鉆孔參數自動匹配控制系統用于某型鑿巖臺車，實測鉆孔鑿巖過程中的沖擊壓力、推進壓力、回轉壓力等參數。鉆孔圍巖等級為Ⅱ—Ⅲ，鉆頭直徑為45 mm，鉆孔速度為2.5～3 m/min。鉆孔過程中各主要鉆孔參數的變化情況如圖8所示。

(a) 鉆孔過程中各壓力變化曲線

(b) 即將卡釬狀態下各壓力變化曲線

圖8(a)示出鉆孔過程中各壓力的變化情況。由圖8(a)可知： 正常鉆孔過程中，推進油缸小腔壓力基本不變，沖擊壓力與推進油缸大腔壓力具有非常好的跟隨性； 隨著推進壓差的不斷增大，沖擊壓力由低沖9.5 MPa上升至高沖16.5 MPa； 在推進壓差出現拐點時，沖擊壓力也緊隨著出現拐點，說明系統響應情況良好。

圖8(b)示出鉆孔過程中即將卡釬狀態下各壓力的變化情況。由圖8(b)可知： 一旦回轉壓力出現突然增大的情況，推進油缸大腔壓力就會立即減小，沖擊壓力也會隨之下降，當回轉壓力達到15 MPa時，甚至會出現小腔壓力增大、大腔壓力減小的現象。這說明為了避免卡釬，在鉆孔過程中出現了推進油缸停止推進并開始回退的情況。

4 結論與討論

1)鑿巖速度與沖擊壓力、推進壓力和回轉壓力的關系十分緊密，需根據巖層情況選擇沖擊壓力。巖層較軟時，采用低沖擊壓力，能夠有效防止卡釬； 巖層較硬時，采用高沖擊壓力，能夠有效提高鑿巖效率。推進力必須與沖擊壓力相匹配，調整合適的推進力使鉆頭與孔底始終保持良好接觸，才能達到最優鉆進速度。

2)基于推進壓差的沖擊壓力自動匹配系統能保證沖擊壓力與推進油缸大腔壓力具有很好的跟隨性，且能保證系統具有良好的響應速度； 隨著回轉壓力增大，預防卡釬系統可判別卡釬狀態，并準確做出減緩鉆孔速度、停止推進、開始回退等響應動作。

3)本文僅對鑿巖工作過程中推進力、沖擊壓力和回轉壓力等主要工作參數的匹配系統進行研究，后續工作中，將對包括回轉速度、水氣排渣等參數的自動匹配系統作進一步研究。