潛孔鉆機(jī)接卸桿方式分析

汪鵬程

(安徽銅冠機(jī)械股份有限公司，安徽 銅陵 244061)

潛孔鉆機(jī)主要用于地下礦山及隧道、水利等巖土工程中進(jìn)行全方位大直徑深孔鑿巖。潛孔鉆機(jī)鑿巖過程中，沖擊器緊挨鉆頭潛入孔底，工作時，沖擊器釋放風(fēng)能，驅(qū)動鉆頭對巖石進(jìn)行沖擊[1]。沖擊器上方聯(lián)接若干鉆桿，鉆桿之間通過錐形螺紋相互聯(lián)接，隨著鉆桿持續(xù)推進(jìn)，鉆孔不斷深入，需要頻繁進(jìn)行接卸桿。

1 傳統(tǒng)的液壓接卸桿過程

1.1 接桿過程

聯(lián)接鉆桿時，先打開卸桿器座上方卡爪，搬運(yùn)另一根鉆桿(待接鉆桿)置于卸桿器上，使得上下兩鉆桿同心，回轉(zhuǎn)頭主軸和待接鉆桿同心。操作導(dǎo)軌上回轉(zhuǎn)頭馬達(dá)作正向回轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時操作導(dǎo)軌推進(jìn)油缸運(yùn)動，使得回轉(zhuǎn)頭馬達(dá)自由緩慢下移(如圖1所示)，完成鉆桿和鉆桿的對接、鉆桿和馬達(dá)主軸的對接。

1.2 卸桿過程

操作推進(jìn)油缸，將回轉(zhuǎn)頭馬達(dá)上提，使得待拆卸的鉆桿從炮孔露出，提至兩鉆桿聯(lián)接面可分別被卸桿器的上、下夾緊缸夾緊的位置(如圖2所示)，并予以分別夾緊，驅(qū)動卸桿油缸，上、下夾緊缸可相對轉(zhuǎn)動一定的角度，實(shí)現(xiàn)對兩根鉆桿間螺紋聯(lián)接的擰松[2]，只松開上夾緊缸，操作回轉(zhuǎn)頭馬達(dá)反轉(zhuǎn)，至兩鉆桿螺紋完全脫開，至此兩鉆桿已分離。

操作上夾緊缸，再次夾緊待拆卸鉆桿，回轉(zhuǎn)頭反轉(zhuǎn)，松開待拆卸鉆桿和回轉(zhuǎn)頭主軸聯(lián)接螺紋，操作推進(jìn)油缸，將回轉(zhuǎn)頭上提至導(dǎo)軌頂部，此時松開上夾緊缸，鉆桿即可取下。

圖1 潛孔鉆機(jī)正在安裝鉆桿Fig.1 DTH drill rig installing drill pipe1—回轉(zhuǎn)頭馬達(dá)；2—回轉(zhuǎn)頭主軸；3—鉆頭；4—沖擊器；5—卸桿器總成；6—待接鉆桿；7—導(dǎo)軌；8—回轉(zhuǎn)頭滑架

圖2 潛孔鉆機(jī)上提鉆桿準(zhǔn)備拆卸兩鉆桿聯(lián)接螺紋Fig.2 Lifting the drill pipe on the DTH drill rig in order to disassemble the two drill pipe connecting threads1—回轉(zhuǎn)頭主軸；2—待拆卸鉆桿；3—卸桿器；4—沖擊器(或鉆桿)

卸桿器總成如圖3所示。其中卸桿器下座、底板是和導(dǎo)軌固定聯(lián)接，不能運(yùn)動。而上方的一對夾緊油缸可在卸桿缸驅(qū)動下繞卸桿器軸線轉(zhuǎn)動，用以擰開鉆桿螺紋。

圖3 卸桿器總成Fig.3 Unloading rod assembly1—卸桿器上座；2—上夾緊油缸(兩只)；3—卸桿缸；4—下夾緊油缸(兩只)；5—底板；6—卸桿器下座

1.3 設(shè)置浮動，避免手動接卸桿過程對鉆具螺紋的損壞

接卸桿過程中，當(dāng)回轉(zhuǎn)頭馬達(dá)旋緊或松開鉆具螺紋時，兩對接的鉆具在軸線方向必然產(chǎn)生相對位移，并且鉆具相對轉(zhuǎn)動一圈，鉆具前進(jìn)或后退一個螺距。

手動操作接卸桿，由于推進(jìn)速度無法控制，鉆具螺紋承受推進(jìn)油缸剛性傳遞力的影響，相互擠壓而容易損壞。如果在接卸鉆具螺紋的時候，只有回轉(zhuǎn)頭的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，鉆具的前進(jìn)或后退運(yùn)動處于自由移動狀態(tài)(即浮動)[3]，根據(jù)鉆具螺紋相互咬合的需要自動補(bǔ)償軸線位移，就能避免鉆具螺紋的損壞。實(shí)現(xiàn)鉆具浮動狀態(tài)主要是通過將推進(jìn)油缸的無桿腔和有桿腔液壓油聯(lián)通來實(shí)現(xiàn)的。如圖4所示。

圖4 推進(jìn)液壓系統(tǒng)控制方式Fig.4 Advancing hydraulic system control

電磁閥2用來切換推進(jìn)油缸的運(yùn)動方向。在接卸鉆桿螺紋時，切換電磁閥1(見圖4)，使得推進(jìn)油缸的有桿腔和無桿腔導(dǎo)通，推進(jìn)油缸處于浮動狀態(tài)，不考慮重力和摩擦阻力，沒有作用力作用在鉆具上，聯(lián)接在回轉(zhuǎn)頭上的鉆具在導(dǎo)軌方向上處于完全自由運(yùn)動狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)軌上回轉(zhuǎn)頭馬達(dá)回轉(zhuǎn)時，鉆具對接的螺紋會根據(jù)螺紋旋向產(chǎn)生的軸線運(yùn)動自由旋緊或脫開，不會損傷螺紋。

2 先進(jìn)的比例接卸桿方式

采用電液比例控制和PLC編程控制技術(shù)，通過參數(shù)化設(shè)置，使得鉆具進(jìn)行螺紋聯(lián)接時，鉆具轉(zhuǎn)速與軸向位移為一恒定值，即與鉆具螺距相同，鉆具相對轉(zhuǎn)動一圈，鉆具前進(jìn)或后退一個螺距，從而避免損傷鉆具的螺紋[4]。其實(shí)施過程如下：

如液壓系統(tǒng)(見圖5)所示，采用雙聯(lián)電液比例負(fù)荷敏感變量泵，對鉆機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)頭馬達(dá)1和推進(jìn)油缸2分別供油，比例方向閥4是一種能按照輸入的電氣信號連續(xù)地、按比例地對油液的流量進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制的閥[5]，通過將推進(jìn)和回轉(zhuǎn)的工作流量輸入到PLC控制器中處理，以此控制液壓系統(tǒng)的推進(jìn)運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動的比例關(guān)系，達(dá)到每推進(jìn)鉆桿的一個螺距的時間值應(yīng)與正回轉(zhuǎn)一周的時間相同，完成接卸桿的全過程。

在鉆機(jī)遠(yuǎn)控操作臺上裝有液晶顯示屏，以實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力等數(shù)據(jù)的人機(jī)對話功能，比例接卸桿控制方框圖如圖6所示。接卸桿時，采用同一手柄操作，即操作該手柄時，接卸桿實(shí)為推進(jìn)和回轉(zhuǎn)兩功能的組合動作，此速度預(yù)先設(shè)定在PLC內(nèi)部，退屏后即鎖定參數(shù)。

2.1 接桿參數(shù)設(shè)定

進(jìn)入顯示器界面，設(shè)置正回轉(zhuǎn)最大流量值，并記下回轉(zhuǎn)頭正回轉(zhuǎn)每轉(zhuǎn)時間；再設(shè)置推進(jìn)速度，并觀察推進(jìn)螺距的時間值應(yīng)與正回轉(zhuǎn)一周的時間相同。兩功能速度應(yīng)同步即可避免拉損螺牙，接桿/卸桿兩速度值與手柄擺動角度大小有關(guān)。如操作接桿可根據(jù)右手柄向左擺動角度的大小來決定接桿時的正回轉(zhuǎn)/推進(jìn)速度，退出屏幕即鎖定參數(shù)。向左擺動手柄至終端為最大速度值。

2.2 卸桿參數(shù)設(shè)定

進(jìn)入顯示器密碼界面，設(shè)置反回轉(zhuǎn)最大流量值并記下回轉(zhuǎn)頭反回轉(zhuǎn)每轉(zhuǎn)時間；再設(shè)置后退速度，并觀察后退一個螺距的時間值應(yīng)與反回轉(zhuǎn)一周的時間相同。兩功能速度應(yīng)同步即可避免拉損螺牙，接桿/卸桿兩速度值與手柄擺動角度大小有關(guān)。如操作接桿可根據(jù)右手柄向右擺動角度的大小來決定接桿時的反回轉(zhuǎn)/后退速度，退出屏幕即鎖定參數(shù)。向右擺動手柄至終端為最大速度值。

圖5 比例接卸桿液壓控制系統(tǒng)Fig.5 Proportional connection bar hydraulic control system1—回轉(zhuǎn)頭馬達(dá)；2—推進(jìn)油缸；3—電磁換向閥；4—比例電磁閥；5—節(jié)流閥；6—比例溢流閥；7—變量泵

圖6 比例接卸桿控制方框圖Fig.6 Proportional connection bar block diagram

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的液壓操作接卸桿過程中，雖然采用了浮動控制，但由于回轉(zhuǎn)頭和鉆具等受到重力等因素的影響，接卸螺紋時，還是有一定程度的螺紋損傷。而且回轉(zhuǎn)和推進(jìn)由手柄分別控制，操作過程復(fù)雜，勞動強(qiáng)度大。

比例接卸桿解決鉆具相互咬合的鉆具螺紋損傷問題，并能夠免去頻繁復(fù)雜的卡桿、拆卸、松緊螺紋、浮動及推進(jìn)和回轉(zhuǎn)操作過程，提高了鉆機(jī)的自動化程度，減少了操作人員的勞動強(qiáng)度。鉆機(jī)各功能參數(shù)的調(diào)整采用半固化形式，在需要調(diào)整時，只需要用計算機(jī)調(diào)整程序中的賦值，在平時各參數(shù)又不會被隨意更改，減少誤操作帶來的故障，提高設(shè)備的可靠性。比例接卸桿在潛孔鉆機(jī)上的應(yīng)用具有重要意義。