（机械电子工程专业论文）潜孔钻机凿岩过程自动防卡液压控制方案研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 。自动防卡控制是潜孔钻机凿岩过程的一个关键控制技术，它直接 影响机器的性能指标。而现有潜孔钻机的自动防卡控制不甚理想。本 文针对潜孔钻机现有防卡控制方案的缺点和不足，提出了潜孔钻机凿 岩过程综合自动防卡液压控制新方案，并通过仿真和实验进行验证。 本文首先阐述了防卡控制方案在国内外的研究与应用现状，在总 结了研究现状的基础上指出了研究过程中所存在的问题。并针对这些 问题，在分析了潜孔钻机卡钻机理的基础上，提出了利用推进压力突 然下降的信号控制推进机构回退来预防溶洞卡钻，利用回转压力的缓 变信号无级控制推进机构推进力来预防缓变卡钻，利用回转压力的突 变信号控制推进机构回退来预防和处理裂隙卡钻的潜孔钻机凿岩过 程综合自动防卡液压控制新方案，并对其控制规则进行了理论研究。 本文利用a m e s i m 液压仿真软件建立了防卡液压控制系统的仿真 模型，并利用h t e s i m 进行了仿真，得出了潜孔钻机凿岩过程发生卡钻 时推进压力的变化曲线，其变化过程与理论研究是一致的，验证了防 卡方案的可行性。最后，实验部分提出了负载和卡钻模拟方案，并测 量出了潜孔钻机凿岩过程发生卡钻时推进压力的变化曲线，其变化过 程与理论研究和仿真研究是一致的，进一步验证了防卡方案的可行 性。 关键词潜孔钻机，防卡钻，液压控制方案，a m e s i m 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a n t i - j a m m i n ga u t o m a t i cc o n t r o l i sac r i t i c a l t e c h n o l o g yo ft h e r o c k - d r i l l i n go fd o w n - t h e h o l ed r i l l ，a n da f f e c t i n gt h eq u a l i t yi n d e xo f s y s t e ms t r a i g h t l y a n dt h ec u r r e n tc o n t r o lp r o j e c t sa r en o ti d e a l a i m i n g a tt h ed e f i c i e n c i e so ft h ec u r r e n tc o n t r o lp r o j e c t s ，t h en e wa n t i - j a m m i n g a u t o m a t i ch y d r a u l i cc o n t r o lp r o j e c ti sp r o p o s e d ，a n di t sf e a s i b i l i t yi s v e r i f i e db ys i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s f i r s t l y ，t h ea c t u a l i t yo fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fa n t i - ja m m i n g c o n t r o lp r o je c ti se x p o u n d e d ，a n dt h ep r o b l e m si nr e s e a r c ha r ep o i n t e do u t b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x i s t i n gp r o b l e m sa n dr o c k - d r i l l i n gja m m i n g m e c h a n i s m ，t h en e wr o c k - d r i l l i n ga n t i - j a m m i n ga u t o m a t i ch y d r a u l i c c o n t r o lp r o je c ti sp r o p o s e d ，i nw h i c ht h ep r o p u l s i o nf o rr e t u r na r ee x e r t e d b ys u d d e nf a l ls i g n a l so ft h ef e e d i n gp r e s s u r e ，t h es t e p l e s sf e e d i n gf o r c e r e g u l a t e db ys l o w l yc h a n g i n gs i g n a l so ft h er o t a t i o np r e s s u r ea n dt h e p r o p u l s i o nf o rr e t u ma r ee x e a e db yc r i t i c a lr o t a t i o np r e s s u r e t h ec o n t r o l r u l ei sa n a l y z e du n d e rt h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no ft h ea n t i - j a m m i n g f e e d i n gp r e s s u r ea n dr o t a t i o np r e s s u r e t h e n ，t h em o d e lo ft h ea n t i - j a m m i n gc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e d a n ds i m u l a t e db yu s i n ga m e s i m t h e n ，t h ec u r v e so ft h ef e e d i n g p r e s s u r eo ft h er o c k - d r i l l i n gj a m m i n gp r o c e s sa r eo b t a i n e db ys i m u l a t i o n , t h er e s u l t sa r ea c c o r d a n c ew i t ht h e o r yr e s e a r c h , v e r i f i n gt h ef e a s i b i l i t yo f t h en e wa n t i - j a m m i n gc o n t r o lp r o j e c t l a s t l y ，t h es i m u l a t ep r o j e c to fl o a d a n dj a m m i n gi sp r o p o s e d , a n dt h ec u r v e so ft h ef e e d i n gp r e s s u r eo ft h e r o c k - d r i l l i n gj a m m i n gp r o c e s sa r eo b t a i n e db ye x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t s a r ea c c o r d a n c ew i t ht h e o r ya n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h ，f u r t h e rv e r i f i n gt h e f e a s i b i l i t yo ft h en e wa n t i - j a m m i n gc o n t r o lp r o j e c t k e yw o r d sd o w n t h e - h o l ed r i l l ，a n t i - j a m m i n g ，h y d r a u l i cc o n t r o l p r o j e c t ，a m e s i m i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：森差置日期：_ 2 理l 年上月翊 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：垄! 萎叠导师签名壹嘘鏖日期：兰堡里昼年上月丝日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 潜孔钻机是钻凿矿物和岩石的一种工程机械，是由冲击器潜入孔内，直接冲 击钻头，而回转机构在孔外，带动钻杆旋转，向岩石钻进的设备【。它主要用于 露天矿山开采，建筑基础开挖，水利、电站、建材、交通及国防建设等多种工程 中的凿岩钻孔。它是凿岩机械的一种，是目前钻凿炮孔作业广为使用的凿岩机械 之一，与常见的凿岩机相比，具有钻孔深、钻孔直径大、钻孔效率高、适用范围 广等特点，是当前通用的大型凿岩钻孔设备【1 1 5 1 。 一 迄今为止，凿岩爆破是实施岩石破碎的主要方法，破碎岩石首先需要在岩( 矿) 石中钻凿按爆破要求设计的炮孔。目前采用机械破碎岩石钻孔的方法，主要有三 种类型【2 j ，分别是( 1 ) 冲击一旋转破碎岩石钻孔，它是采用冲击载荷和转动钻具 一定角度，并施加合理的推力来破碎岩石。适合在中硬、坚硬的岩石中钻孔。此 类钻孔设备有潜孔钻机和凿岩机等。( 2 ) 旋转破碎岩石钻孔，它是采用旋转式多 刃钻具切割岩石，同时施加较大的推力破碎岩石。适应在磨蚀性小及中硬以下的 岩石中钻孔。此类钻孔设备有电钻和旋转钻机。( 3 ) 旋转一冲击破碎岩石钻孔， 又称为碾压破碎钻孔，它是施加很大的轴压( 一般大于3 0 0 k n ) 给钻头，同时旋转 滚齿传递冲击和压入力，滚齿压入岩石的作用比冲击作用大，通过旋转一冲击破 碎岩石。此类穿孔设备最典型的是牙轮钻机。 随着科学技术的发展，理论与实践证明，在地下采矿与天井掘进中，采用大 直径深炮孔装药进行爆破，能取得较好的效果。大直径深孔采矿的基本特点是【5 l ： 采矿工程量少，凿岩爆破成本低，作业安全和矿石破碎均匀、大块率低，总的采 矿成本低和效率高。显然，气腿式凿岩机已不能满足大直径深孔采矿的要求。重 型导轨式凿岩机虽经接杆能钻凿较深的孔，但随着钻孔的加深，钻杆质量加大， 能量传递效率降低，钻进速度逐渐下降，所以也不适合大直径深孔采矿工艺的要 求。在发展大直径深孔采矿方法的过程中，主要采用潜孔钻机和牙轮钻机两种类 型的钻机钻凿大直径深孔。潜孔钻机的破碎原理与传统的凿岩机一样，不同的是 潜孔钻机的冲击机构一潜孔冲击器装于钻杆的前端，潜入孔底，活塞直接冲击钻 头，且随钻孔的延伸，不断推进1 3 2 】。因此，潜孔钻机的钻杆不传递冲击能，故冲 击能量损失小，可打更深的孔。在探索究竟采用何种类型钻机更为合适的实践中， 有些矿山试验牙轮钻机未获得成功，用潜孔钻机钻凿大直径深孔，穿孔速度快、 中南大学硕士学位论文第一章绪论 台班效率高、采矿总成本较低；有些矿山并用两种类型钻机凿岩。经过多年的实 践，现已大致制定潜孔钻机和牙轮钻机凿岩的工作范围，1 0 0 - - - 1 7 0 咖n 的炮孔适用 于潜孔钻机凿岩，1 7 0 - 2 0 0 m m 以上的炮孔则用牙轮钻机凿岩，而1 6 5 r a m 孔径的炮 孔则被认为是大直径深孔采矿法球状药包爆破的最佳孔径【3 5 】。 1 2 潜孔钻机的发展 1 2 1 国外潜孔钻机的发展 国外潜孔凿岩始于1 9 3 2 年，首先使用于地下矿山钻凿深孔十余年后，露天 矿山开始采用潜孔凿岩。到六十年代初期，国外露天矿已经普遍使用潜孔钻机， 其中澳大利亚发展最快，至1 9 6 5 年他们已经完全实现了露天凿岩作业潜孔化。到 七十年代初期，国外对潜孔钻机作了大量研制工作，广泛用于采矿、采石、水电、 交通、勘探、锚固等施工作业。由于采用高风压潜孔冲击器及其球齿钻头，使炮 孔偏斜和寿命过低两个问题有所缓解，所以潜孔钻机在井下大直径深孔作业中又 获得了新的发展1 7 s 】。七十年代后期到八十年代初期发展起来一种新工艺 右 凿大直径深孔、装填柱状药包进行阶段空场采矿或漏斗爆破垂直后退式采矿它 成功地运用了高效率自行式潜孔钻机、冲击器、柱齿钻头以及高风压凿岩、高密 度、高爆速和高容积威力爆药及微差爆破技术。加拿大国际金属公司首先用 巾1 6 5 m m 大直径深孔采矿法回采矿柱取得成功，运用和发展了利文斯顿球状药包 漏斗爆破理论，演变球状药包垂直后退式采矿法，即v c r 法同时，继v c r 法的蓬 勃发展之后，地下大直径深孔柱状药包台阶爆破采矿法也得到了广泛的应用和发 展【2 棚。 在凿岩设备的研究开发方面，国际上有几个企业走在行业的前列，它们分别 是：瑞典的a t l a s 、芬兰的t a m r o c k 、美国的i n g a s o l lr a n d 、日本古河等，它们 均推出不同品牌和系列的一体化潜孔钻机。其中瑞典的a t l a s - c o p c o 公司和芬兰 的t a m r o c k 公司生产的液压凿岩设备占全球产量一半以上。现阿特拉斯已收购英 格索兰，山特维克已收购塔姆洛克，这些公司的产品经过几十年或上百年的积累、 改进与发展，已达到了一个非常高的水平，无论是从设计、选材还是制造水平来 说，都是非常好的【9 j 。 国际几家凿岩设备产业“巨头一生产潜孔钻机的型号见表1 - 1 1 9 1 1 2 2 国内潜孔钻机的发展 国内潜孔钻机的发展较晚。到五十年代末期，我国从苏联引进了一批b a - 1 0 0 型( 后经我国改型为y 卜1 0 0 型) 井下潜孔钻机及m - 1 9 0 0 型潜孔冲击器，于是潜 2 中南人学硕士学位论文第一章绪论 表i - i 国际著名凿岩设备制造商生产的潜孔钻机型号 气动式潜孔钻机曩_ 臂架式潜孔钻机匪l 钻塔式潜孔钻机 孔凿岩在我国北方很多矿山得到迅速推广，当时主要用它钻凿1 0 0 - il o m m 的 深孔。六十年代初，露天潜孔钻机在我国中、小露天矿获得进一步应用和推广， 主要用于钻凿1 5 0 m 孔径、6 - - 1 2 m 深的炮孔【l 川。到了七十年代，我国露天矿 使用的潜孔钻机占全部钻机机械的6 0 - - - 7 0 。但这些潜孔钻机由于钻孔直径和 钻孔深度均较小，孔斜率也无法控制，不能满足大直径深孔采矿工艺的要求。所 以，我国从八十年代开始试验大直径深孔采矿法以来由于国内没有相应的地下 中南大学硕+ 学位论文 第一章绪论 大直径深孔凿岩设备，只好从国外进口，先后从瑞典、美国、加拿大引进了r o c 3 0 6 、 p r o m e c m l 7 7 、s i m b a 2 6 1 、c m - m 2 、c d 一3 6 0 、c d - 9 0 等类型的多台潜孔钻机及其配 套设备。进口钻机不仅耗费了大量的外汇，而且其备品备件昂贵，供货不及时， 影响正常生产，加大了地下矿山生产成本。随着大直径深孔采矿法在我国的推广 和应用，为了解决凿岩设备依赖进口的局面，我国进行了一些研究工作，在钻具 方面已有自己的系列产品，对钻机的研究一直发展缓慢，主要以仿制为主。先后 仿制了r o c 3 0 6 ( 国产型号d q l 5 0 3 ) 二十余台，该钻机在我国大直径深孔采矿初 级阶段发挥了重要作用，但由于该钻机主要工作机构用气压驱动，使钻机工作效 率不高，定位稳定性差，钻孔精度低，不能满足现代生产的要求，已淘汰使用； 九十年代初期，又对加拿大八十年代产品c d - 3 6 0 钻机进行了仿制( 国产型号 d q 3 6 0 ) ，由于种种原因，该号钻机一直未投入使用b5 9 1 。 针对我国潜孔钻机的发展现状，中国有色金属工业总公司( 现有色金属工业 局) 在1 9 9 6 年下达。大直径深孔潜孔钻机研究一的科研课题( 9 6 k - 0 2 - 0 9 ) ，并 将该项研究列入“九五一攻关计划目前，根据工程机械。十一五一发展规划 市场发展预测：化工原料和建筑材料是。十一五? 期间发展的重点，这些矿山开 发虽然总量增加有限，但是随着向规模化、集约化发展，主要是关闭小水泥厂等， 发展大型石材矿山，都要提高机械化水平，需要对开采设备进行更新。其在重点 发展领域和重点产品中指出：潜孔钻机要优先发展高气压和半液压产品，以满足 金属、水泥矿山推广大直径深孔采矿法的需求【9 1 2 0 0 3 年，湖南山河智能机械股份有限公司在广泛调研、对比分析国外产品 的基础上，立项开发s w d a l 6 5 高性能一体化液压潜孔钻机，填补国内空白，经工 业化实用，产品性能达到国际先进水平。2 0 0 4 年，根据市场需要，又相继开发 了以内燃为动力的s w d b l 6 5 、s w i ) b 1 2 0 迅速开拓市场，在湖北、重庆、安徽等 工程中使用s w d 系列一体化液压潜孔钻机是目前国内最先进的一体化液压潜孔 钻机，具有高效的高气压潜孔钻进系统，便于高精度、高效率的爆破孔钻凿【1 4 5 1 1 3 防卡方案的研究与应用现状 冲击、推进、回转和排渣是潜孔钻机凿岩工作的四个基本环节。潜孔钻机的 凿岩原理为间歇冲击岩石，连续回转。其过程为由推进机构推进钻具( 依次包括 钻杆、冲击器和钻头) ，使钻头与孔底岩石紧密地接触，由冲击器间歇冲击钻头， 并由钻头间歇冲击岩石，同时回转机构使钻具连续回转1 3 2 l 。防卡设备为推进、回 转机构的一部分，其作用是当潜孔钻机凿岩过程中出现卡钻或有卡钻趋势时，防 卡设备能够控制推进、回转压力相应变化，使潜孔钻机能够预防和处理卡钻现象， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 并使凿岩钻孔作业顺利进行。 防卡包括两方面内容【3 2 l ：其一是预防卡钻，即卡钻尚未完全发生却有卡钻的 前兆，这时通过防卡设施，使卡钻事故消除在萌芽状态；其二是消除卡钻，即卡 钻事故已经发生，这时通过防卡设施，使卡钻事故得以消除。 本文研究的是潜孔钻机凿岩过程自动防卡方案，虽然凿岩机的凿岩过程与潜 孔钻机的凿岩过程有所不同，但凿岩机的一些防卡思路是非常值得借鉴和学习 的，所以本文对凿岩机的防卡方案也做一些介绍。 1 3 1 凿岩机防卡方案的研究与应用现状 凿岩机在凿岩过程中经常会产生卡钻问题，影响凿岩机的正常钻进工作，降 低生产效率。遇此情况，液压系统应有一定的防卡设施，使卡钻故障能迅速排除。 目前国内外各种液压凿岩机控制系统，防卡的基本方案有如下两种【1 6 - 2 0 ：一 种是利用回转马达的工作压力为反馈控制信号，当该压力升高超过某一压力时， 系统自动使凿岩机改为轻推和轻冲，甚至使凿岩机回退和停冲，直至当回转压力 下降至低于防卡压力时，凿岩机恢复正常重推进和重冲击，由此实现自动防卡； 另一种是当回转压力超过其正常值时，由回转压力升高信号控制推进压力，使推 进压力随回转压力的升高而无级降低，由此实现自动防卡。 基于上述防卡策略，国内外现有凿岩机的防卡回路多种多样，效果也不尽相 同。下面对几种有代表性的方案做一些分析比较。 ( 1 ) 推进回路设置液控防卡阀 图1 - 1 液控防卡回路 l 一推进油缸2 一回转马达3 一液控防卡阀4 一液控换向阀 如图卜l 所示回路 2 4 - 2 6 , 3 2 , 3 3 】，防卡阀3 端部有一条液控回路与液控阀4 相连接， 液控阀4 的另外两条回路有一条与推进回路相连接，另一条是液控回路，与回转 回路相连接。当出现卡钻时，回转压力立即升高，超过额定压力时，防卡阀3 及 时换向，使凿岩机回退，直至回转压力降低到正常值时，防卡阀复位，凿岩机自 5 中南大学硕七学位论文第一章绪论 动恢复到正常推进。 这种防卡回路在防卡回退过程中，与凿岩冲击系统相连，凿岩机自动处于轻 冲击状态。但液控阀随着回转压力的变化产生压力冲击，阀芯磨损快，容易发生 元件故障；且由于液控阀为滑阀，结构上滑阀阀芯有一段密封长度，因而其换向 时问的缩短将受到结构的限制，影响防卡的反应快速性。对于突然卡钻等过程仍 可能导致钻头断齿或钻杆扭断。 ( 2 ) 回转回路设置压力继电器 t 图1 - 2 压力继电器防卡回路 i 一冲击器马达2 一推进马达3 一回转马达一压力继电器 5 一电磁换向阀6 一电桃向阀7 一溢流阀8 一溢流阀 如图卜2 所示回路【2 1 2 7 ，2 0 , 3 2 , 3 3 1 ，正常凿岩时，回转压力低于压力继电器4 的动 作压力，推进回路的电磁换向阀5 处于右位，电磁换向阀6 处于下位，冲击压力由 调定压力较高的溢流阀8 调定。卡钻时，回转压力上升到压力继电器5 的调定压力， 压力继电器动作，使电磁换向阀5 、6 换向这时，推进马达2 反转，带动凿岩机 回退；同时，冲击压力切换为由调定压力较低的溢流阀7 调定，使之处于轻冲击 状态。卡钻消除后，回转压力下降到压力继电器4 的复位压力时，压力继电器复 位，电磁换向阀5 、6 失电，分别恢复至右位和下位凿岩机恢复正常凿岩状态 瑞典a t l a sc o p c o 公司生产的1 1 0 c 8 1 2 型全液压露天钻车液压系统就是采 用了这种方案【3 2 l 。 这种防卡回路的防卡过程包括压力继电器动作、电信号传递和电磁阀换向 等，步骤较多。压力继电器不能适应潮湿、高温和尘土飞扬的环境。 ( 3 ) 推进回路与回转回路串联，设置防卡阀 如图卜3 所示回路 2 2 , 2 3 , 3 0 , 3 2 , 3 3 l ，正常凿岩时，回转压力低于防卡阀4 的调定压 力。推进回路由泵6 的压力油经减压后进入推进马达2 的正转进油腔，其回油与泵 7 的压力油合并进入回转马达3 ，使回转压力成为推进马达2 的背压，推进与回转 问构成串联回路，回转压力升高时，由于推进马达的进油压力由减压阀5 调定基 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图卜3 推进与回转串联回路设防卡阀 l 一冲击器2 一推进马达3 一回转马达4 一防卡阀 5 一减压阀6 一冲击推进泵7 一回转泵 本不变，因而推进马达进、出油口间压力差减小，使推进减速。发生卡钻时，回 转压力升高到防卡阀4 的调定压力，防卡阀动作，使推进进油路卸荷。同时，推 进马达在泵7 的压油作用下反转，使凿岩机回退。另外，由于防卡阀4 卸荷后，减 压阀5 的出口油压远远低于其调定压力，此时减压阀相当于节流阀，通过该阀的 流量增加，从而使冲击回路的压力也相应降低，进行轻冲。当卡钻消除，回转压 力降到低于防卡阀4 的调定压力时，防卡阀复位，推进马达恢复正转，重又正常 凿岩。 这种防卡回路结构简单，反应速度较快。但容易出现防卡阀过早关闭的( 假 消除) 现象。适应油马达推进回路。 ( 4 ) 计算机控制凿岩过程自动防卡 计算机通过在线测试和监视推进压力或速度，可以预防控制溶洞卡钻 2 8 , 3 1 , 3 2 , 3 4 , 3 5 1 。如果推进压力突然降低或推进速度突然增大，则可以判定为钻头凿入溶洞， 首先自动使凿岩机轻推轻冲击慢速推进，钻头在此状态下可较容易地穿越溶洞卡 钻区；如果在轻推轻冲击慢速推进过程中，出现回转压力超过防卡压力，再使凿 岩机回退。 计算机通过在线测试和监视回转压力，当其超出正常值时，利用回转压力逐 渐升高信号控制压力无级下降，凿岩机在此状态下可较容易地穿越缓慢卡钻。对 于突然卡钻( 裂隙卡钻) ，表现为回转压力和推进压力突然升高至最大值。由于 此类卡钻是因裂隙引起，卡钻出现时，炮孔与钻杆之间的岩渣和碎石少，凿岩机 回退时，钻头容易拔出。钻头拔出后，回转压力下降，凿岩机再次推进，如此使 钻头穿越该卡钻区。 计算机控制凿岩过程自动防卡，无论是在控制系统构成上，还是在防卡控制 方式和防卡能力上，都是纯液压控制自动防卡钻无法相比的。但这种控制系统复 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 杂，还必须有比例阀等电控元件，对于环境恶劣的井下，可靠性差，维护水平要 求较高。 1 3 2 潜孔钻机防卡方案的研究与应用现状 大直径深孔凿岩，一般认为钻孔直径较大，不易出现卡钻，所以早期的潜孔 钻机均不具备防卡性能，但随着大直径深孔采矿法的推广与应用，逐渐认识到， 由于岩体构造与岩石性质的多变性，经常会遇到卡钻情况，有些卡钻很难处理， 影响了穿孔速度、降低了台班进尺在八十年代末，人们开始研究潜孔钻机钻孔 的防卡问题，相继国外部分钻机出现了防卡功能【4 ，5 l 。 目前国内外各种液压潜孔钻机控制系统，防卡的基本方案有如下两种【5 】：一 种是利用回转马达的工作压力为反馈控制信号，当该压力升高超过某一压力时， 系统自动使潜孔钻机回退，直至当回转压力下降至低于防卡压力时，潜孔钻机恢 复正常推进，由此实现自动防卡；另一种是当回转压力超过其正常值时人工调 节推进压力，使推进压力降低，由此实现防卡 基于上述防卡策略，对国内外现有液压潜孔钻机的防卡方案做一些分析。 ( 1 ) 回转回路设置压力继电器 在回转回路上设置压力继电器，利用回传压力控制压力继电器的通断，当回 转压力升高超过某一压力( 卡钻临界压力) 时，压力继电器动作，从而控制推进 回路的换向阀，使推进机构回退，使钻头脱离孔底实现强吹排渣当回转压力下 图卜4s w d b l 6 5 潜孔钻机防卡回路 l 一推进马达2 一回转马达3 一压力继电器4 一液控多路阀5 一回转泵 6 一推进泵7 一液控多路阀8 一减压阀 一远程调压阀1 0 一压力表 l 中南大学硕十学位论文第一章绪论 降至低于设置的卡钻临界回转压力时，推进机构恢复正常推进，钻头重新接触孔 底凿岩 3 6 - 4 0 。由此实现自动防卡。 如瑞典a t l a sc o p c o 公司的s i m b a 2 6 1 钻机自动防卡方案就是采用压力继电 器，利用卡钻时回转压力升高超过某一压力( 卡钻临界回转压力) 时压力继电器 动作，再由压力继电器控制推进回路的电磁换向阀，使推进机构回退，冲击器处 于强吹排渣状态。当卡钻现象消除后，推进机构恢复正常推进，钻头重新接触孔 底凿岩。 再如湖南山河智能机械股份有限公司的s w d b l 6 5 潜孔钻机自动防卡方案，其 防卡回路如图卜4 所示。其控制原理为：推进回路和回转回路采用独立供油方式。 当回转压力升高超过某一压力( 卡钻临界回转压力) 时压力继电器3 动作，则多 路阀供油回路中的推进控制部分的电磁换向阀换向，使x 1 通高压油，液控多路 阀7 换向，推进马达l 反转，推进机构回退，冲击器处于强吹排渣状态。当卡钻 现象消除后，推进机构恢复正常推进，钻头重新接触孔底凿岩。由此实现自动消 除卡钻功能。 这种防卡方案实际上是一种自动处理卡钻的方法，对溶洞卡钻和缓变卡钻难 以预防。 ( 2 ) 调节系统压力来控制推进力 加拿大生产的c d 3 6 0 潜孔钻机【4 0 j ，推进力的改变靠调节推进供油系统的压力 来实现，即当回转压力升高时，调节推进供油系统的压力来使推进力减小，从而 预防卡钻。 这种防卡控制方式受操作员责任心、工作态度的影响，而且其调压阀易损。 ( 3 ) 采用减压阀人工调节推进压力来控制推进力 如瑞典a t l a sc 0 1 ) c o 公司的s i m b a 2 6 1 潜孔钻机【4 l ，4 2 1 ，在操作台上设置调节 手柄，来调节推进回路上设置的比例减压阀，从而调节推进机构的推进压力。 再如湖南山河智能机械股份有限公司的s w d b l 6 5 潜孔钻机自动防卡方案，其 防卡回路如图1 - 4 所示，在推进回路上设置减压阀。当有卡钻趋势时，推进压力 升高，压力表l o 上的数值增大，由操作员调节远程调压阀9 的调定值，进而使 减压阀8 的出口压力下降，推进压力下降，由此实现预防卡钻。 显然，这种防卡控制方式易受操作员的责任心、工作技能和态度的影响。 1 4 本文研究意义及研究内容 由于岩石状态的不确定性，岩石中存在溶洞、裂隙及岩石性质不均等易引起 卡钻的卡钻区是不可避免的。对于传统的气动凿岩，由于穿孔推进速度很慢，钻 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 头进入卡钻区后，通过人工控制一般还是较易穿越卡钻区避免卡钻。但对于现 代化的液压凿岩技术，由于一般都是采用机械化凿岩，其穿孔推进速度较气动凿 岩要快很多，在这种情况下，若无自动防卡措施。钻头一旦进入卡钻区，则很容 易出现卡钻，使潜孔钻机既不能转动，又不能推进和后退，凿岩穿孔因此而无法 继续进行。较轻度的卡钻，还可以设法人工将钻头、冲击器和钻杆拔出来，而严 重的卡钻，钻头、冲击器和钻杆将无法拔出，造成很大的浪费。且潜孔钻机凿岩 时卡钻现象的出现，影响钻机钻孔速度和钻孔效率。所以潜孔钻机设置自动防卡 功能是非常有必要的。 由1 3 2 节的分析可知，潜孔钻机现有自动防卡方案是利用回转压力超过卡 钻临界回转压力这一信号来进行防卡控制，由于岩石状态及炮孔内岩石破碎状态 的不确定性，正常回转压力需有一个较大的工作范围卡钻临界回转压力必须大 于等于最大正常回转压力值，即卡钻临界回转压力必须是出现卡钻情况时回转压 力才能达到的值由此可见，上述自动防卡方案实际上是一种自动处理卡钻方法。 由于裂隙卡钻是一种突然发生的卡钻，即一旦发生裂隙卡钻就表示钻头已被卡 死，由上述自动防卡方案可处理此类卡钻。而溶洞卡钻和缓变卡钻有一个卡钻过 程，是先有卡钻趋势然后再发生卡钻现象，又由于上述自动防卡方案实际上是一 种自动处理卡钻方法，所以，上述自动防卡方案难以预防此二类卡钻，特别是难 以预防溶洞卡钻如果潜孔钻机只有处理卡钻的功能，而没有预防卡钻的功能， 会使本来可以预防的卡钻更加难以处理，并将极大地增加机器设备的负担，使设 备容易出故障，而且将增加处理卡钻的时间，影响机器的效率所以，为了潜孔 钻机在凿岩过程中能够预防和处理各类卡钻现象并使凿岩钻孔作业顺利进行，研 究一种综合预防和处理各类卡钻的自动防卡方案是非常有意义的 本文写作思路及主要研究内容如下： ( 1 ) 现有防卡方案分析。在查阅国内外相关文献的基础上，分析国内外潜 孔钻机的发展及防卡方案的研究与应用现状，并指出防卡方案研究过程中存在的 问题及本文的研究意义。 ( 2 ) 自动防卡液压控制方案研究与设计在分析现有潜孔钻机凿岩过程防 卡控制方案和潜孔钻机凿岩过程卡钻机理的基础上，提出潜孔钻机凿岩过程综合 自动防卡液压控制新方案。并对防卡阀的防卡控制原理，油泵的防卡控制原理以 及防卡控制规则进行理论研究。 ( 3 ) 防卡液压控制系统的模型建立介绍液压系统建模的基本方法，然后 确定a m e s i m 作为本文的建模及仿真软件，并运用a m e s i m 对防卡液压控制系统 中的各个设备进行分析和建模，并在此基础上建立防卡液压控制系统的仿真模 型 i o 中南大学硕十学位论文第一章绪论 ( 4 ) 仿真及结果分析。计算并确定防卡控制系统模型的仿真参数，并进行 仿真，得出凿岩过程中发生卡钻时的推进压力的变化曲线。并对仿真结果进行分 析。 ( 5 ) 实验及结果分析。介绍实验设备，然后根据实验条件确定负载和卡钻 模拟方案，得出凿岩过程中发生卡钻时的推进压力的变化曲线。并对实验结果进 行分析。 1 5 本章小结 本章在查阅了国内外相关文献的基础上，对国内外潜孔钻机的发展及防卡方 案的研究与应用现状进行了论述。指出了本文的研究意义，并明确了本文的写作 思路及主要研究内容。 中南大学硕士学位论文第二章潜孔钻机凿岩过程自动防卡理论与方案研究 第二章潜子l 钻机凿岩过程自动防卡新方案研究与设计 由于岩体构造与岩石性质的多变性，潜孔钻机在凿岩过程中经常会遇到卡钻 情况。本章将通过对现有防卡控制方案和凿岩卡钻机理的分析研究，提出潜孔钻 机凿岩过程自动防卡液压控制新方案，使潜孔钻机在凿岩过程中能够预防和处理 各类卡钻现象并使凿岩钻孔作业顺利进行。 2 1 潜孔钻机凿岩卡钻机理分析 根据潜孔钻机凿岩实践经验，凿岩卡钻按其产生的原因和特征可分为如下三 种基本类型 3 2 , 3 4 1 ： 溶洞卡钻：当钻头突然凿入溶洞时，由溶洞内的碎石将钻头卡死而引起的卡 钻钻头进入溶洞后，由于突然失去岩石的推进阻力和回转阻力矩，推进力和回 转力矩会突然降低，推进速度会突然升高，出现卡钻之后，才有推进阻力和回转 阻力矩突然增加，并超过凿岩系统能提供的最大推进力和回转力矩，回转运动和 推进运动因受过大的阻力而停止，凿岩穿孔因此而无法继续进行此类卡钻反应 至液压系统中，则是首先表现为推进压力和回转压力突然下降，出现卡钻后才表 现为回转压力和推进压力突然升高至其最大值。其卡钻反应至液压系统中的特征 表现可用图2 - 1 ( a ) 表示 缓变卡钻s 因排渣不畅或岩石性质不均等原因而引起的卡钻因排渣不畅等 原因使得不能及时排出的岩渣逐渐增多，岩渣对回转运动的阻力矩逐渐增大，凿 岩穿孔推进速度也逐渐降低；当钻头进入性质不均的岩石时，钻头会因径向受力 不均而偏离原来的方向，进而使炮孔弯曲，回转阻力矩因此随钻头的继续凿入而 逐渐增大，当回转阻力矩超过凿岩系统所能提供的最大回转力矩时，回转运动停 止，凿岩穿孔因此而无法继续进行，推进运动也因无法继续凿岩穿孔而停止，推 进力也升至最大值。反应至液压系统中，则表现为回转压力和推进压力超出正常 值并逐渐升高直至达到最大值。其卡钻反应至液压系统中的特征表现可用图 2 - 1 ( b ) 表示由于这种卡钻是逐渐发生的，故称为“缓变卡钻一 裂隙卡钻：因钻头突然凿入裂隙而产生的卡钻。由于裂隙给回转运动一突然 的超过系统能提供的最大回转力矩的回转阻力矩，回转力矩突然升高至最大值。 如果凿岩系统不能立即消除这一突然增大的阻力矩，则因回转运动受阻停止，凿 岩穿孔无法进行，推进运动也因此停止，推进力达到最大值。反应至液压系统中， 1 2 中南大学硕士学位论文第二章潜孔钻机凿岩过程自动防卡理论与方案研究 则表现为回转压力和推进压力突然升高至最大值。其卡钻反应至液压系统中的特 征表现可用图2 1 ( c ) 表示。 尼 一 一 是皇尼 篮 辫 只 r 尼 扁 t 暑t 2t 5t 彳i 如屯f 时间t 船 ( a )( b ) 晟 戌 恳 焉 如t 鲞 f ( c ) 图2 - 1 卡钻反应至液压系统中的特征表现曲线图 一正常回转压力最大值一正常回转压力p z 一回转压力区 一正常推进压力p t 一推进压力区 t l 一卡钻前兆点f 2 一卡钻出现点r 3 一最大回转和推进压力点 2 2 防卡新方案的确定及其分析研究 2 2 1 防卡新方案的确定 根据对目前潜孔钻机防卡的现状及防卡能力的分析可知，现有自动防卡方案 实际上是一种自动处理卡钻方法，难以预防溶洞卡钻和缓变卡钻，特别是难以预 防溶洞卡钻。如果潜孔钻机只有处理卡钻的功能，而没有预防卡钻的功能，会使 本来可以预防的卡钻更加难以处理，并将增大机器设备的负担，使设备容易出故 障，而且将增加处理卡钻的时间，影响机器的效率。所以，为了潜孔钻机在凿岩 过程中能够预防和处理各类卡钻现象并使凿岩钻孔作业顺利进行，研究一种综合 预防和处理各类卡钻的自动防卡方案是非常有必要的。 由溶洞卡钻的特征分析可知，钻头进入溶洞至出现卡钻这一过程中，有一个 推进压力突然下降的信号，如果利用这些信号对潜孔钻机的推进状态进行控制， 则溶洞卡钻在出现之前便有可能预防之。由缓变卡钻和裂隙卡钻的特征分析可 知，这两类卡钻现象，最终都反映到回转扭矩的缓慢或突然增大，回转压力的缓 慢或突然升高上，当回转压力增加到系统所能提供的最高压力时，出现卡钻现象。 据此，本文提出如下全面预防和处理各种卡钻的综合自动防卡新方案： ( 1 ) 利用推进压力突然变化信号来对溶洞卡钻进行预防控制，首先自动使 潜孔钻机处于回退状态，如果钻头能回退，说明没有出现卡钻，钻头在回退时， 回转恢复正常，推进机构又恢复正常推进，同时，由于钻头回转换位，冲击孔边 中南大学硕士学位论文第二章潜孔钻机凿岩过程自动防卡理论与方案研究 岩石，钻头在此状态下便可较容易的穿越溶洞卡钻区。如果在推进过程中，回转 压力超过了裂隙卡钻临界回转压力，则再次使潜孔钻机回退，重复上述控制，直 至钻头穿越卡钻区，顶上孔底岩石，此后恢复正常凿岩，由此实现自动预防溶洞 卡钻控制。由于此防卡控制是利用推进压力反馈的控制，故称之为推进压力反馈 防卡控制。 ( 2 ) 当回转压力超出缓变卡钻临界回转压力时，利用回转压力逐渐升高信 号控制推进机构压力无级下降，使推进力随回转阻力矩增大而逐渐降低，潜孔钻 机在此状态下即可较容易的穿越缓变卡钻区，由此实现预防缓变卡钻控制。利用 回转压力升高超过裂隙卡钻临界回转压力的信号来对裂隙卡钻及越过上述预防 溶洞卡钻、缓变卡钻控制的溶洞卡钻和缓变卡钻进行预防和处理控制，首先自动 使潜孔钻机处于回退状态，如果潜孔钻机能回退，说明没有出现卡钻，钻头在回 退时，回转恢复正常，推进机构又恢复正常推进，同时，由于钻头回转换位，冲 击孔边岩石，钻头在此状态下便可较容易的穿越卡钻区，如果在推进过程中，回 转压力超过了裂隙卡钻临界回转压力，则再次使潜孔钻机回退，重复上述控制， 直至钻头穿越卡钻区，顶上孔底岩石，此后恢复正常凿岩，由此实现自动处理裂 隙卡钻及越过上述预防溶洞卡钻、缓变卡钻控制的溶洞卡钻和缓变卡钻控制。由 于此防卡控制是利用回转压力反馈的控制，故称之为回转压力反馈防卡控制。 2 2 2 防卡新方案的控制原理分析研究 上节所述的综合自动防卡新方案，在计算机控制的液压凿岩系统中，计算机 只要测定推进参数和回转压力，通过计算分析即可实施预防各类卡钻的控制。虽 然实现起来比较容易，但控制系统复杂对于环境恶劣的井下，可靠性差，维护 水平要求较高。所以本文的综合自动防卡新方案，采用液压控制，实现自动防卡 综合自动防卡液压控制系统如图2 - 2 所示。 潜孔钻机正常凿岩时回转回路由回转泵6 的压力油经多路阀5 ，进入回转 马达2 的正转进油腔，使回转马达正转，此时回转压力低于防卡阀4 的调定压力， 压力继电器3 不动，防卡阀4 处于图2 - 2 所示位置，即防卡阀4 无压力油通过： 此时多路阀5 工作于( 2 ) 位由控制泵1 4 的油液经换向阀1 2 、控制手柄l l ，再 通过x 4 控制多路阀5 置( 2 ) 位。潜孔钻机正常凿岩时，推进回路由推进泵7 的压 力油经多路阀8 ，进入推进马达l 的正转进油腔，使推进马达正转，此时推进压 力高于压力继电器9 的调定压力，压力继电器9 不动，电磁换向阀l o 处于( 2 ) 位；此时多路阀8 工作于( 2 ) 位，由控制泵1 4 的油液经换向阀1 2 、控制手柄l l ， 再通过】( 2 控制多路阀8 置( 2 ) 位。 当钻头遇到溶洞时，推进阻力突然下降，推进压力也随之降低当推进压力 1 4 中南大学硕士学位论文第二章潜孔钻机凿岩过程自动防卡理论与方案研究 达到或低于压力继电器9 的调定闭合压力时，压力继电器9 动作，使电磁换向阀 l o 换向，即使换向阀1 0 置( 1 ) 位，此时多路阀8 的x 1 通高压油，使多路阀8 置 ( 1 ) 位，于是推进马达l 的反转进油腔通高压油，使推进马达反转，潜孔钻机回 退。回退时回转回复正常，使推进压力上升到压力继电器9 的调定值时，压力继 电器9 断电，电磁换向阀1 0 置( 2 ) 位，潜孔钻机恢复推进。凿岩作业处于潜孔钻 机反复推进和回退状态，直到凿岩作业通过这段复杂岩层。 一 ，一 、 竹 七 山 ，】 、c 啦f 埔三1 1 l 掣 籀 弘r 厂l 一i r l i l 址 1： ， a ；4 呼一 幽硼r - i p 幽 一一 删瑚 i f = i p 啦一一尊 科 7 一 薯 一= f 毛，* 吼 u rl r l - j j l l jr l - 1 二r 1 。 ： ； it a - - f 硼一 ： i 翊 - ! - 型 1 卜1 7 、 口到 、 l 。腓! o b t r廷确；jr 吒孙 - ，1 矿! ：刮 1 1 的 j 珥 夕vi j，一 广一 锄 广_ 商 ii il 当钻头由于某种原因卡钻，回转压力升高到防卡阀4 的调定压力p r o 时( 防 卡阀开始动作的压力) ，防卡阀4 开始动作，即作用在该阀阀芯f l 上的压力克服 弹簧阻力，使阀芯f i 向左移动，推进压力因泄压口a 的面积增大而减小。此时， 可分两种工况讨论如下。如果推进压力下降后，回转压力不再上升，回转力矩 和推进压力达到适当匹配，使阀芯处于某种平衡状态，则凿岩作业继续进行，直 到钻头通过这段复杂岩层后凿岩作业恢复正常状态为止。由此来预防缓变卡钻。 如果推进压力下降后，回转压力继续升高，当达到或超过压力继电器3 的调定 闭合压力时( 此时，阀芯f i 处于阀体的最左端泄压口a 的泄压面积达到最大值) ， 中南大学硕士学位论文第二章潜孔钻机凿岩过程自动防卡理论与方案研究 压力继电器3 动作，使电磁换向阀l o 换向，即使换向阀1 0 置( 1 ) 位，此时多路 阀8 的x l 通高压油，使多路阀8 置( 1 ) 位，于是推进马达l 的反转进油腔通高压 油，使推进马达反转，推进机构回退，使回转压力得以下降。若回转压力下降到 压力继电器3 的调定值时，压力继电器3 断电，电磁换向阀1 0 置( 2 ) 位，推进机 构恢复推进。凿岩作业处于推进机构反复推进和回退状态，直到凿岩作业通过这 段复杂岩层。由此来处理裂隙卡钻及越过上述预防溶洞卡钻、缓变卡钻控制的溶 洞卡钻和缓变卡钻。 该防卡系统具备预防卡钻的功能：当潜孔钻机进入溶洞，推进压力突然下降， 而此时回转压力还来不及升高，利用推进压力突然下降的信号，使压力继电器9 动作，潜孔钻机自动回退，推进压力因而升高，有效的在发生溶洞卡钻之前预防 卡钻。由于该系统采用了防卡阀，在卡钻前( 压力继电器3 动作之前) 回转压力 使推进压力成比例的减小，以达到推进力与回转扭矩匹配，即推进力与回转扭矩 成反比变化，起到预防卡钻的作用。在绝大多数情况下，可使钻头通过这段复杂 岩层，增强了凿岩设备对于复杂岩层的