露天液壓鑿巖鉆車防卡方法的研究

伍榮偉

（蘭州理工大學 機電學院，甘肅 蘭州 730030）

露天液壓鑿巖鉆車防卡方法的研究

伍榮偉

（蘭州理工大學 機電學院，甘肅 蘭州 730030）

介紹了鑿巖過程中的卡釬形式以及液壓鉆車常用的幾種防卡釬方法，對利用新技術(shù)設(shè)計防卡釬系統(tǒng)進行了探討。

卡釬形式；電液比例技術(shù)；新型防卡

0 前言

全液壓鑿巖鉆車經(jīng)歷了由無防卡釬系統(tǒng)到有防卡釬系統(tǒng)的歷程,為適應(yīng)爆破工藝水平對鑿巖技術(shù)在孔直度與作業(yè)效率方面的要求，出現(xiàn)了新的液壓防卡釬方法，本文討論了防卡釬過程中的共性問題，并介紹了幾種新型防卡釬方式。

1 卡釬形式

在鑿巖過程中，常見的卡釬形式有三種。

1.1 溶洞卡鉆

當鉆頭突然鑿入溶洞時，由溶洞內(nèi)的碎石將鉆頭卡死而引起的卡鉆。此類卡鉆反應(yīng)至液壓系統(tǒng)中，首先表現(xiàn)為推進壓力和回轉(zhuǎn)壓力突然下降，然后才表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)壓力和推進壓力突然升高至其最大值。

1.2 緩變卡鉆

因排渣不暢或巖石性質(zhì)不均等原因而引起的卡鉆。反應(yīng)至液壓系統(tǒng)中，表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)壓力和推進壓力超出正常值并逐漸升高直至達到最大值。由于這種卡鉆是逐漸發(fā)生的，故稱為“緩變卡鉆”。

1.3 裂隙卡鉆

因鉆頭突然鑿入裂隙而產(chǎn)生的卡鉆。反應(yīng)至液壓系統(tǒng)中，表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)壓力和推進壓力突然升高至最大值[2]。

2 常用防卡釬方法

在鑿巖鉆車技術(shù)的發(fā)展過程中，出現(xiàn)過許多防卡釬方法，常見并有效的有以下幾種。

2.1 推進油路設(shè)置液控防卡釬閥

如圖1所示該系統(tǒng)的防卡釬原理為推進油路中設(shè)置一個二位四通閥3,稱防卡閥.防卡閥端部有一條液控油路與4相連接,在4的另外兩條油路中有一條與推進油躍起相連接,另一條是液控油路,與轉(zhuǎn)釬油路連接,當產(chǎn)生卡釬動作趨勢時,轉(zhuǎn)釬油壓立即升高，超過額定壓力時，防卡釬閥及時換向，使鑿巖機退回。直至轉(zhuǎn)釬油壓力降低到正常值時，防卡釬閥自動恢復到正常推進。這種防卡釬方式反應(yīng)靈敏、動作迅速、性能可靠，在防卡釬退回過程中，與鑿巖沖擊系統(tǒng)相連的油路使鑿巖機自動處于輕沖擊狀態(tài)。但液控閥隨轉(zhuǎn)釬壓力的變化會產(chǎn)生壓力沖擊，閥芯磨損快，容易發(fā)生元件故障，并且隨轉(zhuǎn)釬壓力的上升，推進力不能自動降低。

2.2 轉(zhuǎn)釬油路設(shè)置壓力繼電器

在轉(zhuǎn)釬油路中設(shè)置壓力繼電器能克服液控閥的弱點，并且工作可靠、安全，根據(jù)推進油缸的流量大小可以采用電磁換向閥和電液控制換向閥兩種類型的推進閥，能更好的滿足現(xiàn)場實際使用要求。如圖2所示推進油缸為小流量，采用電磁閥換向。其基本原理是在轉(zhuǎn)釬壓力上升到壓力繼電器6的額定值時，繼電器發(fā)出電信號，推進電磁換向閥8換為反向推進，同時沖擊液控換向閥5換向，鑿巖機自動處于輕沖擊狀態(tài)。轉(zhuǎn)釬壓力正常時，推進與沖擊恢復正常工況。

圖1 液控防卡釬系統(tǒng)

如圖3所示推進油缸為大流量缸，采用液控減壓閥換向，正常推進時先導電磁閥3得到信號，推進減壓閥2換向，如果轉(zhuǎn)釬油路壓力繼電器發(fā)出電信號，先導電磁閥4得到電信號，推進減壓閥5換向，同時先導電磁閥3斷電，減壓閥2恢復到原來位置，推進油缸反向推進，其余動作原理與圖2相同。

圖2 壓力繼電器防卡釬系統(tǒng)

2.3 推進油路與轉(zhuǎn)釬油路串聯(lián)

如圖4所示，這種防卡釬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)速度快，適用液壓油馬達推進回路。其動作原理：正常鑿巖時推進油馬達3的壓力油經(jīng)轉(zhuǎn)釬液壓馬達4后回到油箱，推進油路與轉(zhuǎn)釬油路串聯(lián)。當轉(zhuǎn)釬液壓馬達油壓超過平衡閥切換工作位置，此時轉(zhuǎn)釬液壓馬達4停止轉(zhuǎn)動，而推進液壓馬達3自動反轉(zhuǎn)，退回釬桿。當轉(zhuǎn)釬壓力降低后，平衡閥恢復原位，鑿巖機恢復正常鑿巖推進與回轉(zhuǎn)。缺點是容易出現(xiàn)防卡閥過早關(guān)閉的 “假消除”現(xiàn)象，適應(yīng)油馬達推進回路。

圖3 推進油缸控制換向

圖4 推進轉(zhuǎn)釬油路串聯(lián)防卡釬系統(tǒng)

上述各種防卡釬方法，都是利用卡釬時轉(zhuǎn)釬壓力升高超過調(diào)定的防卡釬壓力信號來控制鑿巖機自動退回和輕沖擊，實現(xiàn)自動防卡釬。這些方法為防止鑿巖過程中的防卡起了較大作用，但由于防卡釬溢流閥的壓力是調(diào)定的，只有轉(zhuǎn)釬壓力達到調(diào)定壓力時溢流閥才開啟。而巖石的性質(zhì)不一樣，卡釬的轉(zhuǎn)釬壓力值也不一樣，一種調(diào)定壓力只對應(yīng)一種巖石這限制了鉆車鑿巖作業(yè)的范圍，如果壓力值設(shè)置過大，則經(jīng)常會發(fā)生電磁閥換向后，釬桿已經(jīng)卡死，轉(zhuǎn)釬壓力很難下降，鑿巖機不能后退。如果調(diào)定壓力設(shè)置過低，則電磁換向閥頻繁換向，鑿巖機頻繁后退，嚴重影響穿孔速度和作業(yè)效率。近年來新設(shè)計的防卡釬系統(tǒng)則避免了這種情況[2-6]。

3 新型防卡釬系統(tǒng)工作原理

新型防卡釬系統(tǒng)都是利用推進壓力突然下降的信號控制推進機構(gòu)回退來預防溶洞卡鉆，利用回轉(zhuǎn)壓力的緩變信號無級控制推進機構(gòu)推進力來預防緩變卡鉆，利用回轉(zhuǎn)壓力的突變信號控制推進機構(gòu)回退來預防和處理裂隙卡鉆[9]。

新型防卡釬系統(tǒng)主要有下面的功能：①當轉(zhuǎn)釬油壓力上升等比例降低推進壓力。②轉(zhuǎn)釬壓力上升到一定值時推進轉(zhuǎn)為低壓推進，正常沖擊壓力轉(zhuǎn)為低壓沖擊，轉(zhuǎn)釬壓力下降后推進壓力恢復正常推進壓力與正常沖擊壓力。③在壓力繼續(xù)上升時，推進改為回退，當轉(zhuǎn)釬壓力下降又改為低壓推進與低壓沖擊，轉(zhuǎn)釬壓力下降為正常值范圍內(nèi)，系統(tǒng)恢復為正常推進與沖擊。④當推進壓力突然降低，系統(tǒng)改為后退，沖擊改為輕沖擊。

①②的功能用于防緩變卡鉆，③的功能用于防裂隙卡鉆，④的功能用于防溶洞卡鉆。

下面介紹幾種新防卡釬方法。

3.1 以專用防卡釬閥為基礎(chǔ)使用繼電器作為感應(yīng)的系統(tǒng)

液壓油從鉆機推進閥組被引向閥組10,對于鉆機推進回路,閥組10包括兩個電磁閥和兩個減壓閥。電磁閥Y12是防卡系統(tǒng)中的一部分，當電磁閥起動時，它將使推進反向，它由以下兩個信號啟動：（a）回轉(zhuǎn)回路中的壓力開關(guān)（如果轉(zhuǎn)釬壓力超過一定值）。（b）沖洗壓氣回路中的流量開關(guān)（流量小有卡釬的危險）。

兩個減壓閥分別調(diào)節(jié)高低推進壓力。從高推進壓力轉(zhuǎn)換到低推進壓力是通過電磁閥Y13實現(xiàn)的。液壓油從閥組10通過RPC-F閥到達推進馬達（向下推進），RPC-F閥由回轉(zhuǎn)回路中的壓力控制，并在最大壓力和最小壓力間調(diào)節(jié)推進壓力峰值，最大和最小壓力是在兩個前面提到過的減壓閥上調(diào)定的。采用這種方法，推進力隨轉(zhuǎn)釬壓力變化，轉(zhuǎn)釬扭矩基本保持不變。壓力開關(guān)F27傳感推進回路中的壓力信號，如果推進壓力低于開關(guān)的調(diào)定壓力，沖擊機構(gòu)回路中的電磁閥Y14動作，使低沖擊壓力被接通，這就避免了在有洞穴或疏松巖層中鉆孔時損壞鉆桿設(shè)備[6]。

圖5

3.2 以電液比例技術(shù)為基礎(chǔ)的程序控制防卡釬系統(tǒng)

在轉(zhuǎn)釬系統(tǒng)中裝有壓力傳感器1，在推進回路中裝有壓力開關(guān)2。壓力傳感器1將轉(zhuǎn)釬系統(tǒng)中的壓力變化傳給控制器，壓力開關(guān)2將推進壓力過低信息傳給控制器，控制器根據(jù)這兩種信號判斷鑿巖系統(tǒng)狀態(tài)，并隨機調(diào)整比例電磁減壓閥輸出壓力，降低或提高推進壓力，同時泵7的輸出壓力也相應(yīng)進行調(diào)整。電磁換向閥4是防卡釬的自動回退閥。

圖6

4 結(jié)論

現(xiàn)代的防卡釬理論都是利用推進壓力突然下降的信號控制推進機構(gòu)回退來預防溶洞卡鉆，利用回轉(zhuǎn)壓力的緩變信號無級控制推進機構(gòu)推進力來預防緩變卡鉆，利用回轉(zhuǎn)壓力的突變信號控制推進機構(gòu)回退來預防和處理裂隙卡鉆，只是實現(xiàn)方式不同，有必要將新液壓技術(shù)運用在防卡釬系統(tǒng)中，以真正實現(xiàn)鑿巖過程自動化，筆者認為，用電磁比例閥與控制器結(jié)合代替專用防卡釬閥與高低壓變化閥組將是今后鑿巖鉆機的發(fā)展方向，因為電液比例技術(shù)是溝通液壓與自動控制的橋梁。

[1]陳玉凡.礦山機械鉆孔機械部分[M].北京冶金工業(yè)出版社，1981.

[2]胡均平.液壓鑿巖過程計算機控制系統(tǒng)研究[D].長沙：中南大學，1995.

[3]周志鴻，馬飛，張文明等.地下鑿巖設(shè)備[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2004.

[4]吳萬榮.地下大直徑潛孔鉆機液壓控制系統(tǒng)及鑿巖技術(shù)研究[D].長沙：中南大學，1999.

[5]趙存權(quán).對一種液壓鉆車自動防卡釬系統(tǒng)的分析[J].鑿巖機械氣動工具，1997，(2)：17-20.

[6]曾華林.一種液壓鑿巖設(shè)備的防卡釬液壓系統(tǒng)[J].礦山機械，1999，(3)：21-24.

[7]胡均平，楊襄璧，吳萬榮.鑿巖過程推進壓力反饋防卡釬計算機控制[J].中國有色金屬學報，1998，8(2)：364-367.

[8]李東明.液壓鑿巖設(shè)備的防卡桿裝置探討[J].礦冶研究與開發(fā)，1996，16(2)：26-28.

[9]趙宏強，李美香，高斌.潛孔鉆機鑿巖過程自動防卡鉆理論與方案研究[J].機械科學與技術(shù),2008,6.

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