溶洞（Ⅰ類）防卡釬液壓系統設計與仿真研究*

周 俊，劉 忠※，熊中剛，王 罡，龔東昌，張明勛，高站偉，郭艷軍

（1.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林 541004；2.桂林航天工業學院機電工程學院，廣西桂林 541004；3.國網西藏電力有限公司，拉薩 850010；4.四川電力設計咨詢有限責任公司，成都 610095）

0 引言

工程建設的鉆爆法機械化修建方法因適應性強、高效安全、安全等優勢，仍為隧道建設、基礎建設和礦山開采等領域采用的施工方法[1-4]。而液壓鑿巖機是鉆爆法施工核心的工作部件，廣泛應用于工程建設。

液壓鑿巖裝備在進行鉆鑿掘進施工時，由于施工現場巖石物理特性多變易造成鑿巖機釬桿（釬頭）卡滯等非正常工況，液壓鑿巖機回轉機構輸出的最大回轉力小于鉆鑿孔作用于釬桿的回轉阻力，導致鑿巖機釬頭卡死在鉆鑿孔內，局部破碎失效，進而導致鑿巖掘進工作無法繼續進行。“卡釬”問題是鑿巖機在鉆孔施工過程常見的故障之一，卡釬分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。其中，第Ⅰ類“卡釬”為溶洞卡釬，其產生的原因是鑿巖機釬桿突然鑿入到溶洞使釬桿卡死，反映到鑿巖機系統上的表現為回轉壓力急劇降低又急劇上升；第II類“卡釬”為緩變卡釬，主要是由于鑿巖時諸如排渣不通暢等技術問題所導致的，表現為回轉回路的壓力持續并緩慢爬升；第III類“卡釬”為裂縫卡釬，產生原因是鑿巖機釬桿的鉆頭突然入裂縫造成，表現為回轉回路的壓力迅速升高[5-8]。在液壓鑿巖掘進施工時，會面臨復雜溶巖地質結構工場，液壓鑿巖機（鉆機）常常發生卡釬故障，其中溶洞卡釬（Ⅰ類）較為常見。圖1 所示為典型溶洞卡釬（Ⅰ類）的巖石物理狀態。溶洞卡釬時鑿巖系統壓力變化如圖2所示。由于溶洞（Ⅰ類）卡釬工況發生時間短暫，在這種情況下，鑿巖機釬頭即將到達巖石空腔，巖石對鑿巖機的反作用推進阻力、回轉阻力迅速減低，此時由于鑿巖機所受到的推進阻力降低，致使釬頭的推進速度突然加快，在鑿巖機釬頭的沖擊下導致孔洞塌陷及一系列復雜因素引起的釬桿鉆鑿偏斜等，進一步誘發釬頭推進、回轉阻力的劇增。溶洞（Ⅰ類）卡釬現象發生時，鑿巖機的回轉壓力pz、推進壓力pt出現突變，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重，導致鑿巖機工作時釬桿或鉆鑿孔廢棄，造成裝備鑿巖效率低下、釬桿（釬頭）報廢等損失。因此，分析溶洞卡釬特征，研究設計防卡釬液壓系統對提高液壓鑿巖施工效率、預防事故發生尤為重要[9-12]。

圖1 溶洞卡釬示意

圖2 卡釬時鑿巖系統壓力變化

針對第Ⅰ類“卡釬”，國內外研究學者做了如下研究：石安政等[9]為了防止第Ⅰ類“卡釬”提出智能防“卡釬”系統，通過調節系統參數來適應不同工況，達到防“卡釬”的目的。何禹帆等[13]提出了恒功率系統，控制釬桿扭矩和釬桿轉速。回轉壓力上升時，推進系統排量減小，暫緩推進速度但不改變系統的推進壓力，避免卡釬情況的發生。張明明[14]提出一種硬巖鉆機系統防卡釬和防空打設計方案，通過比例控制油缸壓力流量從而達到防“卡釬”的效果。劉在政等[15]研究了自適應鉆孔參數液壓控制系統，可隨著回轉壓力變化，系統可辨識出“卡釬”狀態，調整系統參數來防止鑿巖機“卡釬”。

綜上所述，本文針對溶洞（Ⅰ類）卡釬的問題，設計一種防溶洞（Ⅰ類）卡釬液壓控制系統，根據回路壓力變化識別出卡釬的狀態，通過控制流量開控制推進速度，從而達到防卡釬的目的。

1 液壓鑿巖機沖擊鑿巖工作原理

液壓鑿巖機的具體沖擊鑿巖過程如圖3所示。

液壓鑿巖機是一種利用液壓力將能量轉化為沖擊力，通過應力波傳遞的能量來破碎巖石，從而進行鑿巖作業的設備[16-18]。液壓鑿巖機的工作步驟分為3 步。（1）液壓系統提供液壓能量：液壓鑿巖機通過液壓系統提供液壓能量，液壓系統由液壓泵、液壓油箱、液壓閥等組成；液壓泵將液壓油從油箱中抽出，并通過液壓閥控制流量和壓力；之后液壓能經過管道被傳遞到鑿巖機，鑿巖機內部有一個沖擊活塞和鑿頭，液壓能量通過液壓缸將沖擊活塞向前推動，不斷撞擊釬尾進而帶動鑿頭進行沖擊。（2）沖擊過程：當液壓缸推動活塞和鑿頭向前時，液壓能量轉化為沖擊力，沖擊力使鑿頭瞬間向巖石施加巨大的沖擊力，引起應力波的產生,產生的沖擊力會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，并導致巖石發生壓縮和收縮，從而引起應力集中和裂紋的形成，同時還會產生剪切波傳遞到巖石中。剪切波是一種橫波，它會使巖石發生剪切和滑動，導致巖石的破碎和破裂，通過以上能量的傳遞，實現破碎和破裂巖石。（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，最后再通過釬頭的旋轉作用，再次對新的巖石面進行鑿進，這個過程通常通過液壓閥控制，以確保鑿巖機的穩定和安全。

需要注意的是，在沖擊鑿巖工作中，液壓鑿巖機通常會根據不同的巖石類型和工作要求，調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，而鑿巖機開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]。總結而言，液壓鑿巖機通過利用液壓能量將其轉化為沖擊力，從而進行鑿巖作業，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

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

圖3 液壓鑿巖機沖擊鑿巖示意

沖擊壓力pc上升，超過防卡閥調壓彈簧的預緊力，防卡閥處于右位機能，液壓鑿巖機進行重沖擊。當鑿巖機執行轉鑿工作遇到溶洞（Ⅰ類）卡釬工況時，回轉壓力pz降低，防卡閥開啟換向壓力大于沖擊壓力pc，防卡閥復位，液壓鑿巖機又切換至輕沖擊工況，此時液壓鑿巖機以小沖擊能、低頻率的鉆鑿輸出慢慢通過溶洞區，從而避免溶洞（Ⅰ類）卡釬狀況的發生。在通過溶洞區后，回轉壓力pz恢復正常，液壓鑿巖機切換到重沖擊工況。

圖4 溶洞（Ⅰ類）卡釬液壓系統原理

3 防卡釬系統仿真研究

3.1 防卡釬液壓系統建模

根據防卡閥的結構原理及液壓系統原理，構建如圖5 所示的防卡閥仿真模型，以及如圖6 所示的溶洞（Ⅰ類）防卡釬系統的仿真模型。

圖5 防卡閥仿真模型

3.2 防卡釬系統的仿真研究

液壓鑿巖機工作時分為輕沖擊和重沖擊兩種工況，其中，輕沖擊是指鑿巖機剛開始鉆鑿巖石需選擇的沖擊力度，重沖擊是指鑿巖機穩定鉆鑿巖石時需選擇的沖擊力度。根據仿真系統的負載曲線，設置在輕沖擊下的沖擊負載和重沖擊下的鑿巖負載，以清楚地描述其輕、重沖擊的負載工況。因此，初始鑿孔采用輕沖擊以適應溶洞卡釬工況，正常鑿巖掘進采用重沖擊。如圖6 所示，利用節流閥1 來調節回轉系統的壓力和流量，根據防溶洞（Ⅰ類）卡釬液壓系統原理，節流閥2和3分別用于調節控制輕沖擊和重沖擊的工況。

圖6 溶洞（Ⅰ類）防卡釬液壓系統仿真模型

當調節節流閥1的阻尼孔時，回轉液壓回轉馬達流量隨著壓力的變化如圖7所示。根據仿真結果，整理出如表1所示的數據，得出回轉壓力與節流孔直徑和流量的關系。

圖7 不同回轉壓力下鑿巖系統回轉液壓馬達流量曲線

表1 液壓馬達流量仿真結果

由圖7及表1可知，系統回轉液壓馬達的流量受系統節流閥孔的通徑影響較大，受回轉壓力的影響較小甚至可以忽略不計。根據液壓系統理論可知，系統的流量會直接影響著回轉馬達的轉速。

當調節節流閥2的通流孔徑時，鑿巖機輕沖擊工況活塞運動速度曲線如圖8所示。根據圖8整理出如表2所示的數據，可得出鑿巖輕沖擊回轉壓力與節流孔直徑和流量的關系。當調節節流閥3的通流孔徑時，鑿巖機重沖擊工況活塞運動速度曲線如圖9所示。根據圖9整理出如表3所示的數據，可得出鑿巖重沖擊回轉壓力與節流孔直徑和流量的關系。

圖8 改變節流閥5通流孔徑時沖擊活塞的速度曲線

表2 液壓鑿巖機輕沖擊輸出參數

圖9 改變節流閥6通流孔徑時沖擊活塞的速度曲線

表3 液壓鑿巖機重沖擊輸出參數

根據圖8～9、表2～3的仿真結果可得出為保證溶洞卡釬（Ⅰ類）的防卡效果，應盡量減小輕沖擊時的沖擊能，但沖擊能過小時鑿巖機通過Ⅰ類卡釬區的時間過長；為提高液壓鑿巖機的鉆鑿速度，重沖擊時的沖擊能應盡量取大值。此時，節流閥2的通流孔徑為2.3 mm，節流閥3的通流孔徑為7.5 mm，此參數下液壓鑿巖機工作效率最高。

巖石的硬度差異會顯著影響液壓鑿巖機的旋轉扭矩，從而引起液壓鑿巖系統的旋轉壓力變化[11-12]。通過模擬溶洞卡釬（Ⅰ類）信號輸入至防卡釬液壓系統，得到如圖10 所示的仿真結果。由圖可知，液壓鑿巖機遇到溶洞卡釬（Ⅰ類）時，防卡閥的響應速度與回轉壓力下降率有關，當回轉壓力達到防卡閥的響應值，閥芯動作，防卡閥切換工位，液壓鑿巖機迅速從重沖擊變為輕沖擊工作狀態，可有效防止Ⅰ類卡釬工況的發生。

圖10 溶洞防卡釬鑿巖系統響應曲線

4 結束語

以某型液壓鑿巖機液壓系統為研究對象，針對鑿巖機第Ⅰ類“卡釬”工況產生時，鑿巖機系統的變化情況，提出了一種液壓鑿巖機的液壓控制系統和防卡釬閥，并對液壓控制系統進行防卡釬系統及部件的仿真研究，得到如下結論：

（1）作用于不同物理性質的巖石，可影響液壓鑿巖機的轉釬扭矩，引起其液壓馬達回轉壓力變化，回轉壓力變化映射釬頭遭遇溶洞卡滯狀況，基于此，將回轉壓力的變化作為反饋壓力信號來設計防卡釬系統；

（2）通過防卡釬液壓系統進入液壓鑿巖機系統的節流閥組的設計，可實現重沖擊與輕沖擊兩種工況的切換，通過仿真分析得出，輕沖擊控制節流閥2通徑為2.3 mm、重沖擊控制節流閥3通徑為7.5 mm時，液壓鑿巖機的工作效率更佳；

（3）模擬當鑿巖機遭遇第I 類“卡釬”工況時而引起的液壓系統的壓力變化，結果表明，當回轉壓力低于防卡閥預設值時，其會迅速響應動作，切換鑿巖機的沖擊狀態，預防卡釬（I類）的發生。