（机械设计及理论专业论文）潜孔钻机智能防卡钻系统的研究.pdf

长沙矿山研究院硕士学位论文 摘要 潜孔钻机在凿岩过程中经常发生卡钻事故，严重影响了凿岩效率 和潜孔钻机智能化的实现。在这种矛盾下，本文开展了对潜孔钻机智 能防卡钻系统的研究。 在对钻进过程进行受力分析和运动分析的基础上，对卡钻发生的 原因进行了力学解释，根据钻机的钻进状态和卡钻时液压系统的特征 对卡钻进行了分类，为控制液压系统防止和处理四类卡钻提供了理论 基础；为实现对卡钻的控制，设计了一个推进和回转压力单独电控可 调、推进和回转速度单独电控可调，且与负载匹配的节能液压系统， 并采用功率键合图对其推进液压系统进行了动态分析；首次提出了先 判别卡钻类型，后根据卡钻类型处理卡钻的方法，并在此思想的指导 下建立了面向钻进过程实时监测的卡钻判别方法和四类卡钻的处理 方法；采用c a n b u s 技术和模块设计思想设计了实现卡钻实时判别和 处理的智能防卡钻模块，与主控制器独立，使其在它类型潜孔钻机的 应用也非常方便，具有很好的通用性。 、 以上的综合研究，形成了一个比较完备的防卡钻控制体系。c a n 智能防卡钻模块的设计使其能迅速移植并应用于采用机电液一体化 技术和c a n b u s 技术的潜孔钻机。因此，文章具有一定理论意义和工 程实用价值。 关键字：卡钻机理，凿岩效率，智能防卡钻系统，功率键合图，仿真 长沙矿山研究院硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t j a m m i n g a c c i d e n t so f t e n a p p e a r e d i n d r i l l i n g ，w h i c h m a k e r o c k - d r i l l i n ge f f i c i e n c yb a d l yr e d u c e da n dp r e v e n td e v e l o p i n gi n t e l l i g e n t d r i l l i nt h i sc o n d i t i o n ，t h er e s e a r c ho na n t i - j a m m i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o l s y s t e mi sp u tu pi nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do na n a l y s i so ff o r c ea n dm o v e m e n tf o rd r i l l i n gc o u r s e ，t h e m e c h a n i c se x p l a n a t i o nt oj a m m i n gi s g o t t h em e t h o d so fi d e n t i f y i n g ja m m i n gt y p e sa r eb u i l tu p ，w h i c hs u p p l yt h et h e o r yf o rc o n t o l l i n g h y d r a u l i cs y s t e mt op r o v e n tj a m m i n ga n dm a n a g ej a m m i n g i no r d e rt o r e a l i z i n gt h ec o n t r o lo fj a m m i n g ，ah y d r a u l i cs y s t e mi sd e s i g n e d i nt h i s s y s t e m ，t h ef e e dp r e s s u r ea n dt h er o t a t o r yp r e s s u r ec a nb ea d j u s t e d s e p a r a t e l y , t h ef e e dv e l o c i t ya n dt h er o t a t o r yv e l o c i t yc a r lb ea d j u s t e d s e p a r a t e l ya n dt h eo u t p u te n e r g ys u i t st ot h el o a d t h ed y n a m i cf e a t u r e f o rf e e d i n gp a r to f h y d r a u l i cs y s t e mi sg a i n e db yu s i n gb o n dg r a p h t h e m e t h o do fd e a l i n gw i t hj a m m i n ga c c i d e n ta c c o r d i n gt oi t st y p ei sp u t f o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e t h es c h e m e sf o ri d e n t i f ya n dm a n a g ef o u r j a m m i n gt y p e sa r eb u i l tb yo n - l i n em o n i t o ri nd r i l l i n g ；t h ea n t i - j a m m i n g i n t e l l i g e n tm o d u l ef o rj a m m i n gi d e n t i f y i n ga n dm a n a g i n go n - l i n ei s d e s i g n e db ys y n t h e s i z e dc a n b u st e c h n o l o g ya n dm e t h o do fm o d u l e d e s i g n i ts e p a r a t e sf r o mm a i nc o n t r o l l e rf o m i n gas e l f - g o v e r n e dm o d u l e ， w h i c hr e d u c e st h ea s s i g n m e n tm a n a g i n go fm a i np r o c e s s o ra n dc a nb e i i 长沙矿山研究院硕士学位论文 a b s t r a c t e a s i l yu s e di no t h e rd t h d r i l l s t h e s y n t h e t i c a l l ys t u d yp r e s e n t e da b o v ee s t a b l i s h e da na n t i - ja m m i n g c o n t r o ls y s t e m t h ed e s i g n e dc a na n t i - ja m m i n gi n t e l l i g e n tm o d u l e m a k e si t a p p l i e di nd t hd r i l lw i t hi n t e g r a t e dm e c h a n i c ，e l e c t r i ca n d h y d r a u l i ct e c h n o l o g ya n dc a n b u st e c h n o l o g y , w h i c hp r o v i d e sw i t h s o m et h e o r e t i cs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n g o r i e n t e dv a l u e k e yw o r d s ： r o c k - d r i l l i n gj a m m i n gm e c h a n i s m ，r o c k - d r i l l i n g e f f i c i e n c y , r o c k - d r i l l i n ga n t i - ja m m i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m ，p o w e r b o n dg r a p h ，s i m u l a t i o n i 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 包含为获得长沙矿山研究院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壶论文中作了明 确的说明。 储獬审醐：逊啦膛日 关于学位论文使用授权说明 本人了解长沙矿山研究院有关保留、使用学位论文的规定，即： 学院有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学院可以公布 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。 作者签名导师签邀日期逊呦笾日 长沙矿山研究院硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 潜孔钻机主要用于矿山开采，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。v c r 法和地下大直径深孔柱状包台阶爆破采矿 法的蓬勃发展，使咖1 6 5 r a m 孔径的炮孔成了最佳炮孔直径，促进了工作范围为 巾1 0 0 - - 一1 7 0 m m 潜孔钻机的发展，使潜孔钻机成为目前钻凿炮孔作业广为使用的 凿岩机械叭堋1 。与常见的凿岩机相比：它具有钻孔深、钻孔直径大、钻孔效率 高、适应范围广等特点，是当前通用的大型凿岩钻孔设备叫 0 7 1 。目前，在深孔 梯段爆破、大孔径深孔预裂爆破、光面爆破、市政及矿山基建施工、露天矿山削 顶及开采、交通建设的修边护坡、锚索孔及灌浆孔等的凿岩作业中都有应用，且 在不断发展嗍。 根据( 工程机械“十一五”发展规划) 预测，化工原料和建筑材料是“十 一五 期间发展的重点。虽然矿山开发总量增加有限，但是随着向规模化、集约 化发展，大型石材矿山行业将得到快速发展，这些势必促进矿山企业更新开采设 备，以提高自己的机械化水平。( 工程机械“十一五 发展规划) 在重点发展领 域和重点产品中指出，在潜孔钻机领域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。这对潜孔钻机的进一步发展提供 了重大机遇。 在各种凿岩设备中，卡钻是影响凿岩效率和凿岩质量的一个重要因素。在潜 孔钻机钻孔凿岩实践中，经常发生卡钻事故，特别是在诱偏岩层钻进。由于矿体 存在断层、节理裂隙、软弱面，钻具自身性能不稳定，凿岩工操作水平低，原始 资料不准确，回采、凿岩顺序安排不合理等客观条件的复杂性和主观因素的共同 作用，不可避免地造成了卡钻，使凿岩工作不能正常进行 1 0 l l 】。卡钻发生时， 处理该现象要花很长时间，这大大降低了凿岩设备的使用效率，同时加大了钻孔 成本。在中、深孔凿岩时，较严重的卡钻现象可能导致某些钻具的报废，即通常 所说的“埋钻”事故，造成上万元的损失。因此，采用一种合理的、有效的防卡 钻系统对凿岩设备有十分重大的意义。国内外对液压凿岩台车防卡钻进行了很多 研究，并已用于生产实践。但是，对于潜孔钻机卡钻的研究却不多【1 2 】。 1 1 国内外潜孔钻机的发展现状 1 1 1 国外潜孔钻机的发展现状 1 9 3 2 年美国英格索兰公司发明了潜孔冲击器，2 0 世纪4 0 年代开始在矿山使 用，获得了显著的凿岩效果。到6 0 年代初期，国外露天矿已经普遍使用潜孔钻 长沙矿山研究院硕士学位论文 第一章绪论 机，其中澳大利亚发展最快，前苏联和瑞典也有很高的制造和使用水平。但由于 当时钻机是支架式的，应用不变，效率很低，故未得到广泛推广。7 0 年代初期， 开始认识到地下矿山采用大直径深孔落矿，是大幅度提高劳动生产率和降低成本 的有效方法，才开始改装和研制适用于地下应用的自行式潜孔钻机、钻具和配套 设备，从而促进了地下大直径深孔采矿的迅速发展和不断完善。 目前国外大多数露天潜孔钻机普遍采用中高风压n 。如英格索兰的 c m 3 4 1 、c m 3 5 1 、c z 2 0 0 ，阿特拉斯科普柯的r o c 4 0 0 系列、r o c 4 6 0 系列的部分 产品，日本古河的p c r 一2 0 0 一d h 型钻机等。 半液压潜孔钻机也得到了广泛的应用叭聃儿1 4 】 屿3 。英格索兰的x z 2 0 0 钻机、 阿特拉斯科普柯的r o c l 8 钻机是较为典型的半液压潜孔钻机，其特点是只有凿 岩部分的冲击器采用高风压动力，其它全为液压。这样对空压机的参数要求显著 降低，只要求它能提供足够压力和排量的压缩空气即可。回转、推进、行走和摆 幅动作等全部由内燃机提供液压驱动力。 水压潜孔钻车开始研发应用并取得了良好的效果n 3 h 1 4 3 。瑞典卢基公司为了 解决钻孔深度加大后，保证钻孔精度，其下属g d r i l l 开发公司研制了w a s s a r a 水力潜孔冲击器，于1 9 9 0 年在卢基公司马尔姆贝里耶矿试验，装于a m v 钻车上， 至1 9 9 2 年4 月中旬己钻进了1 0 万米，试验成功后，该公司与a t l a s c o p c o 公司 合作，研制了配w a s s a r a 水力潜孔冲击器的s i m b a w 4 6 9 型遥控钻车，在基律纳铁 矿试验取得了很好效果，并于1 9 9 8 年在该矿推广，且从采矿凿岩扩展到平巷掘 进钻凿2 5 4 m m 的水平掏槽孔。加拿大的两个矿山也在试验用s i m b aw 4 6 9 型水 力潜孔冲击钻车凿岩，在地面钻孔也有应用，现在由s a n d v i k 凿岩工具股份有限 公司负责推广。另外，w a s s a r a 水力潜孔冲击器所用高压水，8 0 可循环使用。 a t l a sc o p c o 公司在5 0 年代生产较简单的r o c 4 0 3 a 、r o c 4 0 4 ab v b 2 5 一i 0 型 潜孔钻车，到6 0 7 0 年代发展生产了r o c 3 0 4 、3 0 6 ，r o c 6 0 4 、6 0 6 潜孔钻车。近 几年又推出了r o c 4 0 3 a ，4 0 4 a ，4 0 4 a 、4 0 5 a 气动潜孔钻车及r o c 4 3 0 h 系列、 r o c 9 3 6 h c 系柴油一液压履带式潜孔钻车。其中，瑞典阿特拉斯科普柯公司生产 了r o c 3 0 6 ，p r o m e c m l 7 7 型、s i m b a 2 6 1 型、s i m b a 2 6 9 型潜孔钻机。该公司最新生 产的潜孔钻车有r o c 4 0 0 a 系列，r o c 4 3 0 h 系列，r o c 9 3 6 h c 系列以及r o t a m e c l 3 0 c 型潜孔或回转钻进履带式钻车等，共4 种型式1 0 种规格印2 m 0 3 1 。 除了a t l a sc o p c o 公司，现在国外生产的地下自行式大直径潜孔钻机的厂家 和型号有：美国英格索兰公司c m m - 1 型和c m m - 2 型、t r w 米申公司6 2 0 0 - u 型、加德泓丹佛公司i t h 型、乔依公司a m c - i d e 型、加拿大连续采矿系统公 司c d 3 6 0 型、c d 9 0 型。英格索兰生产的c m 3 4 1 型中风压钻机、c m 3 1 5 型高风 压钻机、m z 2 0 0 型半液压钻机等产品，以及日本古河、芬兰汤姆诺克等生产的 2 长沙矿山研究院硕士学位论文 第一章绪论 高风压钻机和全液压钻机。在露天钻车市场上，山特维克汤姆洛克( s a n d v i k t a m r o c k ) 公司和阿特拉斯科普柯( a t l a sc o p c o ) 公司的橙色和黄色钻车占主导 地位。 1 1 2 国内潜孔钻机的发展现状 我国对潜孔钻机的研究起步较晚，现露天潜孔钻机已有多种机型及其配套设 备，而应用于地下潜孔凿岩的钻机早期仅有y q - - 1 0 0 型钻架，钻孔直径1 0 5 m m ， 钻孔每台班6 , - , 7 m 1 6 l 。8 0 年代开始试验大直径采矿法以来，由于国内没有相应 的地下大直径深孔凿岩设备，我国先后从瑞典、美国、加拿大引进了r o c 3 0 6 、 p r o m e e m l7 7 、s i m b a 2 6 1 、c m m - 1 、c m m _ 2 、c d - 3 6 0 、c d - 9 0 等类型的许多 潜孔钻机及其配套设备。随着大直径深孔采矿方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，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 ) 2 0 余台，该钻机在我国大直径深孔采矿初期阶段发挥了重大作 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，不能满足现代化生产的需求，已被淘汰使用。上个世纪末，长 沙矿山研究院研制了k q l 0 0 轻便型潜孔钻机，m g l 0 0 d 潜孔钻机。后又与铜陵 公司合作推出了t 1 5 0 高气压环形潜孔钻机。近期，又研制了c s l 0 0 d 高气压环 形潜孔钻机、c s l 0 0 l 高气压潜孔钻机和c s l 6 5 e 露天潜孔钻机。这些都已通过 部级鉴定，并已开始产业化。这些成果不是照搬国外技术，在机构上有所创新， 形成了一套独具特色的理论研究和设计方法。 不仅如此，国内几家凿岩机械制造企业也为我国钻凿设备的发展做出了一定 的努力。随着市场化逐步推进，有些企业因为体制上的束缚，技术创新严重滞后， 产品性能难以得到提升，高档次的国产液压凿岩设备始终没能形成大气候，这种 影响一直延续至今。同时，我国凿岩机械市场受到进口产品的严重冲击，在众多 的重点工程中，国外设备几乎一统天下。在国外潜孔钻机的应用中，半液压潜孔 钻机应用非常广泛，而国内应用很少。随着对效率和采矿自动化水平要求的提高， 未来该类钻机在国内的市场潜力很大。因此，立足自身的技术实力，大力发展智 能一体化半液压潜孔钻机具有非常巨大的战略意义 1 7 1 1 8 】。要发展这些设备，提 高它的自动化和智能化程度，提高凿岩效率，提高钻机防卡钻能力非常重要刚。 长沙矿山研究院硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外钻机防卡钻的研究现状 1 2 1 国外钻机防卡钻的研究现状 回转压力控制推进方向 a t l a sc o p c o 生产了采用在推进回路串联液控换向阀防止卡钻的全液压钻车 【2 l 】。应用它时，只要先导阀的调定压力得当，就可起到预防卡钻的作用。但其 防卡钻反应的快速性受到限制并且只能针对特定的岩层起作用，不能跟随岩石的 力学性质变化。 a t l a sc o p c o 还生产了采用在转钎油路设置压力继电器和电磁换向阀防止卡 钻的r o c 8 1 2 h c 型和r o c 8 4 2 h c 型全液压露天钻车。其防卡钻原理图见图1 1 瞄1 。正常凿岩时，回转压力低于压力继电器6 的动作压力，此时，压力继电器 不动作，推进油路上的二位四通电磁换向阀3 处于右位，使推进马达4 正转，钻 机正常钻进。卡钻时，回转压力达到压力继电器6 的调定压力后，压力继电器动 作，使电磁阀3 得电换向，推进马达4 反转，钻机回退。瑞典a l i m a k 公司以及 日本古河也同样在其全液压钻车上采用了该方法防止卡钻。这种方法具有自动消 除卡钻的功能，只要压力继电器的调定压力选择适当，也可以起到预防卡钻的功 能。但是，该防卡过程包括压力继电器动作、电信号传递、电磁阀换向等，其信 号反馈过程较多。加之电磁换向阀亦为滑阀结构，限制了该控制系统防卡反应快 速性的提高。同时，产生推进控制的振荡严重时导致不能凿岩，在潮湿的环境中 故障率较高，可靠性相对较低 2 3 1 。 1 、5 溢流阀2 、二位二通电磁换向阀3 、二位四通电磁换向阀 4 、推进马达6 、压力继电器7 、回转马达 图1 - 1r o c 型露天液压钻车防卡钻原理 回转油压控制推进力和推进方向 芬兰t a m r o c k 公司的露天液压钻车采用了推进油路与转钎油路串联，并设置 专用换向阀的方法，它利用推进和回转油压共同控制推进力和推进方向，其防卡 4 长沙矿山研究院硕士学位论文第一章绪论 钻原理图见图1 2 。正常凿岩时，回转压力低于防卡阀4 的调定压力。推进压力 油经减压阀后进入推进马达1 的正转进油腔，钻机正常推进。这时，推进油路和 回转油路串联，使回转油压成为推进马达l 的背压。发生卡钻时，回转压力升高。 在此过程中，推进马达1 的背压也随着升高，而推进马达的进油压力由减压阀3 调定不变，从而使推进马达进出口压差减少，推进力减小。当回转油压升高到防 卡阀4 的调定压力时，防卡阀动作，使推进油路卸荷，推进马达在回转油压作用 下反转，钻机回退。英格索兰生产的c m 6 9 5 d 钻机配备了目前最先进的专利 “i n t e l s e n s e 液压控制系统，。该系统也是采用该法完成防卡钻控制【2 4 】。这种防 卡钻方法可以使推进压力无级降低，最后停止推进，乃至自动返回。但是，这种 方法可能产生卡钻“假消除 现象，造成振荡。 1 、推进马达2 、回转马达3 、减压阀4 、防卡阀 图1 - 2 推进油路与转钎油路串联防卡钻原理图 回转压力控制推进流量 法国e i c os e c o m a 公司在其所生产的液压钻车中采用了控制变量泵流量的方 法防止卡钻。其防卡钻原理如图1 3 所示。它是利用回转油压p z 控制推进液压 泵2 的输出流量，使推进速度随卡钻回转压力升高而降低，最终停止推进。这种 方法利用回转压力控制推进液压泵的输出流量，使推进功率随卡钻时回转油压的 升高而降低，最终停止推进。它的液压控制系统简单，但是防卡反应快速性差， 而且只能起到延缓卡钻的目的，不能自动消除卡钻圈。 1 、回转马达2 、推进液压泵3 、p z 回转油压4 、p t 推进油压 图1 - 3e i c os e c o m a 公司液压钻车的防卡钻原理 5 长沙矿山研究院硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 国内钻机防卡钻的研究现状 在国内，c g j 2 5 2 y 型中深孔全液压钻车采用了在推进回路串联液控换向阀 的方法防止卡钻。国产k z l 1 2 0 型露天液压钻车采用了在推进油路和回转油路 串联，并设置专用防卡阀的方法防止卡钻【2 l 2 5 】。同时也进行了一些有别于国外 的防卡钻方法研究。 推进压力控制推进方向结合回转压力控制推进压力和推进方向 中南大学研发了二路反馈三级防卡钻系统【2 6 j ，它采用推进压力控制推进方 向结合回转压力单级控制推进压力和推进方向的方法防止卡钻。其防卡钻原理见 图1 - 4 。其中h x f l ，h x f 2 为换向阀，用于控制推进液压缸的进油方向。 j l f l - 、, j l f 4 为节流阀；腰1 忸4 为顺序阀；p c 七，p f l ，p f 2 为相应口的控制 压力。当遇到溶洞时，由于推进压力突然下降，节流阀j l f l 前后压差突然增大， 在此压差作用下，x f l 打开，控制压力p r 。经x f l 至h x f l 的液控口，使换向阀 h x f l 换向，钻机处于回退状态。当钻机运行于回转压力超过正常值( x f 2 调定 值) 但未达到灯3 的防卡钻调定压力时，在回转压力p ，的作用下，x f 2 打开， 减压阀历的遥控口通过j l f 2 的节流回油箱，推进压力降低。当回转压力升高超 过x f 3 的调定值时，x f 3 打开，控制油p r ，经x f 3 至换向阀h x f 2 的液控1 2 1 ， h x f 2 换向，钻机回退。此法是以预防卡钻为主，处理卡钻为辅的一种方法，它 对于溶洞卡钎和排渣卡钎，该系统能很好地预防。该系统结构复杂，是一种纯液 压控制方式。它对卡钻的类型不能有效而快速地识别，并且无法跟随岩石性质的 变化，准确性较差1 2 7 1 。 回油 进油 图1 - 4 二路反馈三级防卡钻液压控制系统 回转油压控制推进、回转速度 桂林冶金机械总厂生产的y c t i i 型全液压钻车采用恒功率变量泵防卡钻 系统，它是用回转油压控制推进、回转速度的方法防止卡钻【2 3 1 。其卡钻原理见 图1 5 。回转系统采用恒功率变量泵6 ，其输出功率一定，出口压力及流量成反 6 长沙矿山研究院硕士学位论文第一章绪论 比自动变化。推进系统采用液控恒压变量泵4 ，其远程液控口与回转油路连通。 当要出现卡钻现象时，回转压力增大，回转马达8 输出扭矩增大，对岩石扭矩增 大，起到硬性解除卡钻危险因素的作用；同时，反馈的回转油压使恒压变量泵的 排量减小，从而降低推进速度或暂停推进；回转恒功率泵的排量随回转油压的上 升自动减小，回转马达转速降低，配合处理卡钻事故。这是一种能随时自动地调 节与卡钻因素有关的各参数的液压系统，利用回转油压来控制回转和推进的流量 以得到与之适应的回转速度和推进速度。但是，它只能对卡钻进行预防处理，处 理卡钻还得手工操作。 甜 1 、推进油缸2 、三位四通换向阀3 、推进溢流阀4 、恒压变量泵 5 、溢流阀6 、恒功率变量泵7 、换向阀8 、液压马达 图1 - 5 恒功率变量泵防卡钻液压控制系统 回转压力无级控制推进压力及推进方向 1 9 9 7 年，由中南大学与广西华锡集团铜坑锡矿协作研制的q l z l 6 5 潜孔钻 机采用了推进压力无级调节控制的纯液压控制方法进行防卡钻控制。其防卡钻原 理见图1 - 6 。正常凿岩时，推进压力无级调节防卡阀f k f 关闭。当出现卡钻先兆， 即回转压力p ：稍增大时，防卡阀f k f 起节流减压作用，p ：，无级降低，减压阀 册输出压力p 。随之减小。如p ：继续升高到一定程度，顺序阀x f 被打开，造成 p ：。减低，使得h d 液压泵产生轻推的压力和流量。当最终发生卡钻，升高到最 大值p ：使得f k f 进入顺序阀开启状态，p 垃通过防卡阀去换向阀h x f 右遥控1 2 1 ， 由于p 蛇大于p h ，换向阀换向回退。这种防卡钻方法使推进压力随回转压力的变 化而无级变化，能有效地预防卡钻【2 8 】。这种防卡钻方法结构比较复杂，且防卡 阀的结构限制了推进压力随回转压力变化的范围，这对其在不同岩石凿岩破碎造 成了阻力。 7 长沙矿山研究院硕士学位论文 第一章绪论 二 i l p k l ) 俨 一1 p k 图卜6 推进压力无级调节防卡钻系统 此外，由长沙矿山研究院研制的c s l 0 0 d ，c s l 0 0 l 潜孔钻机采用比例溢流 阀调压的方法预防卡钻。这种方法系统结构简单，但是对不同的岩层都得调整设 定值，不能适应多种岩石的破碎凿岩。 然而，到目前为止，对卡钻的处理还停留在纯液压控制上，很难对潜孔钻机 的卡钻事故进行有效的实时处理，对卡钻的处理功能非常有限。 1 3 课题任务及研究意义 1 3 1 课题任务 潜孔钻机的智能化要求钻机能对各种钻进状态下的卡钻事故进行自动处理， 这是目前的钻机防卡钻系统所不能实现的。本文首次在国内外提出了通过实时监 测推进和回转压力对卡钻进行判别，针对卡钻类型利用控制器对卡钻进行处理的 先判别后处理的潜孔钻机智能防卡钻方法。主要完成以下的研究任务： 1 潜孔钻机卡钻机理分析。对影响潜孔钻机卡钻的因素进行探讨，从钻进 运动和受力分析上对卡钻事故发生进行力学解释，同时对卡钻进行分类，为先判 别后处理的卡钻事故处理方法提供理论基础； 2 潜孔钻机节能防卡钻液压系统的研究。设计一个满足推进和回转回路相 独立、推进和回转压力电控可调、推进和回转速度电控可调的节能液压系统。为 确定推进回路能快速反应卡钻的控制信息，采用功率键合图和s i m u l i n k 对推进 液压系统部分进行动态分析，以保证卡钻处理的快速性； 3 智能防卡钻控制的研究。根据液压系统在卡钻时的变化特征建立利用推进 压力的压差变化进行溶洞卡钻判别，利用回转压力压差变化进行裂隙卡钻判别， 利用回转压力极值进行缓慢卡钻和提钻卡钻判别的四类卡钻判别方法；在先判别 后根据卡钻类型处理卡钻思想指导下，建立了四类卡钻的处理方法。 8 一 、i、 一 竖一。 一 j 一 一 i _ 工 长沙矿山研究院硕士学位论文第一章绪论 4 c a n 智能防卡钻模块的设计。在模块设计指导下，设计c a n 模块实现对 卡钻的控制。 1 3 2 课题意义 一体化液压智能潜孔钻机是国家十一五的发展重点。开展对卡钻的研究有利 于提高钻机的智能化程度，提高凿岩效率，降低钻具的报废率，有效降低凿岩爆 破成本。因此对它的研究有重要意义。本文研究的智能防卡钻控制系统不仅使卡 钻现象得到有效地自动处理，同时使其与负载自动匹配，从而降低了能耗，是一 套节能系统。 由前面分析可知，要保证钻孔速度，提高凿岩效率，降低凿岩成本，必须有 效地预防和处理卡钻故障。智能液压一体化液压潜孔钻机在市场上占有很大份 额。因而根据市场需求发展智能一体化液压潜孔钻机十分必要。要实现钻机的智 能化必须使它能自动地处理卡钻故障，智能防卡研究是钻机智能化进程的一个重 要过程。 9 长沙矿山研究院硕士学位论文 第二章卡钻机理分析 第二章卡钻机理分析 潜孔钻机采用的是冲击回转凿岩，对其钻进过程进行受力分析，能较好的说 明卡钻事故发生的原因，确定对其发生的预防和处理方法。本章主要说明卡钻发 生的原因，并通过对钻进状态和钻进的力学分析对卡钻的发生进行力学解释。同 时，根据钻进方向和卡钻时液压系统的变化特征对卡钻进行分类。 2 1 卡钻事故的影响因素 潜孔钻机在钻进或回退过程中，当在推进器提供的最大推进力f m 。，和回转头 提供的回转扭矩m 。下，钻具在孔内长时间不能自由活动的现象形成的事故称 为卡钻事故。卡钻事故的发生有其主观原因和客观原因。就潜孔钻机本身而言， 造成卡钻的主要原因可分为钻孔弯曲、排渣不畅和孔口落石三种。 ( 一) 钻孔弯曲 1 发生钻孔弯曲时，钻具在孔内将产生一个偏转角，使得钻具的回转运动变为 偏心回转运动。这就造成钻具在一个周期内所要切削的岩石体积增大，使得钻具 回转的阻力矩增大。同时，在弯曲发生的支点处，支点将对钻具施加一钻进阻力 和回转阻力矩。在钻孔弯曲的情况下继续钻进，推进阻力和回转阻力矩不断增大， 最终造成回转阻力矩大与回转头所能提供的回转力矩，钻具不能自由运动，造成 卡钻事故。 造成钻孔弯曲的客观因素主要是岩石各向异性和软硬互层等地质因素【3 们。 岩石的各向异性 某些具有层理、片理等构造特征的岩石，其可钻性具有明显的各向异性。层 理是岩石性质沿垂直方向的一种层状构造。片理是岩石沿平行平面分裂为薄片的 能力。层理和片理将引起岩石的各向异性。如图2 1 所示，钻头沿垂直于岩层方 向钻进的岩石破碎效率最高，而平行于层理的方向，效率最低，倾斜方向的破岩 效率居中。因此，在倾斜岩层中钻进时，极易产生钻孔向垂直于层面的方向弯曲 ( 俗称顶层进) 。同时钻头在岩层片理和层理的作用下，产生偏离钻孔中心的旋 转，也是造成孔斜的重要原因。 i 0 长沙矿山研究院硕士学位论文 第二章卡钻机理分析 图2 - 1 在各向异性岩层中钻进示意图 钻孔弯曲程度与岩石各向异性强弱和钻孔遇层角的大小有关。所谓钻孔遇层 角就是钻孔轴线与其在层面上的正投影的夹角。岩石各向异性越强，则钻孔弯曲 程度也越大。 软硬互层 。 钻孔以锐角穿过软硬层界面，从软岩进入硬岩时，由于软、硬部分抗破碎阻 力的不同，使钻孔朝着垂直层面的方向弯曲；而从硬岩进入软岩时，则钻具轴线 有偏离层面法线的趋势。但由于上方孔壁较硬，限制了钻具偏倒，结果基本保持 着原来的方向；钻孔通过硬岩进入软岩又从软岩进入硬岩时，最终还是沿层面法 线方向延伸。 钻孔遇层角存在着临界值吼吲。吼= 9 0 - - a r c t g f ，f 为摩擦系数。当钻孔遇 层角目超过吼时，钻孔顶层进；当钻孔遇层角口低于吼时，钻孔将沿硬岩的层面 下滑( 俗称顺层跑) 。 钻头以锐角穿过软硬层界面时( 图2 2 ) ，孔底软、硬岩层对钻头底唇的反作 用力是不同的。软岩反作用力小，硬岩反作用力大。因而产生了一个作用于钻头 底唇的倾倒力矩m ，使钻具在孔内偏倒。 9 3 必= 詈( 仃。一盯一) ( r 2 一掌2 ) 2 ( 2 一1 ) j 式中：口丑、盯 一硬、软岩的抗压入阻力，n m 2 ；i 卜全面钻头半径，m ： 亡孔底软、硬岩层接触面的x 坐标，m 。 图2 - 2 钻头底唇阻力的分布及倾角力矩计算图 长沙矿山研究院硕士学位论文第二章卡钻机理分析 另外，钻进含有卵石、砾石或漂石的岩层时，钻孔延伸受到岩石硬块的阻碍， 钻孔朝着容易通过的地方偏斜。钻孔遇到大的裂隙、交角又不大时，孔身往往沿 裂隙面的方向延伸。斜孔穿过较厚的松散岩石或溶洞及老窟窿时，钻孔朝着竖直 方向偏斜。 ( 二) 排渣不畅 排渣不畅时，未被排出的岩渣返回孔底，包围冲击器和底部钻杆，相当于 对钻具下端施加了一固定约束。严重时，约束反力和反力矩增大，造成钻具不能 自由转动，出现卡钻。 要将岩屑排出孔内，气体的流量和压力必须满足一定关系。 气体的流量的确定 岩屑能被正常的排出孔内要求气体的流量必须满足下式： q 等( d 2 一d 2 ) v ( 2 - 2 ) 式中：q 一所需气体流量；一上返速度不均匀系数：d 钻孔直径；d 一 钻杆外径；，孔内气固二相流的上返流速。 孔内气固二相流的上返流速v 必须大于质量最大的岩屑在气固二相流中的沉 降速度，即： 1 ，= v o + 甜( 2 3 ) 式中：v 0 一气固二相流使岩屑处于悬浮状态的临界速度，或岩屑在气固二 相流中的等速沉降速度，m s ；”一岩屑的上升速度，可取材= ( 0 1 0 3 ) v 。，钻 孔越深，钻进速度越高，“值越大。 假定岩屑为球形，其重力为g ，岩屑在气固二相流中的浮力为p ，球形岩屑 在气固二相流中的沉降阻力为尺。当g p 时，岩屑下降，速度逐渐增大，r 值 也随之增大。当r 值达到足以使作用在岩屑上的三种力保持平衡时，即r = g p 时，岩屑将以恒速1 i d 下降。 = 4 9 6 ( p - p ) ，= k i 万( p p - p ) 。( 2 4 ) 式中：6 一为岩屑的直径，m ；p s 一岩屑的密度，堙m 3 ；p 气固二相流 的密度，堙m 3 ；七岩屑的形状系数，圆形岩屑为4 - 4 5 ，不规则形状的岩屑 为2 5 - - , 4 。 气固二相流压力能的确定 气固二相流必须具有一定的压力能，其主要用来克服所遇到的以下各种压力 损失：钻杆内压力损失p 。；接头中的压力损失p ：；通过钻头流动的压力 损失p ，；孔底压力损失p 。；通过钻杆和孔壁环形间隙的压力损失p ，。岩屑 1 2 长沙矿山研究院硕士学位论文第二章卡钻机理分析 能够上返，必须满足： p p l - i - p 2 - i - p 3 + p 4 - i - p 5 ( 2 - 5 ) 只有当气固二相流满足上述流量和压力的关系，及式( 2 2 ) 、( 2 5 ) 时，岩屑才 能被正常排出。 ( - - ) 孔口落石 当孔口岩石落入孔内，卡在孔壁和钻杆直径较小处时，相当于在钻杆和孔 壁之间加了一定位销，在钻杆上施加了一很大的侧阻力和回转力矩，造成钻具不 能自由转动，出现卡钻事故。为避免此类现象的发生，必须加强孔口的护理。 2 2 卡钻事故的力学解释 潜孔钻机采用的是冲击回转凿岩。其系统结构如图2 - 3 所示，液压马达输出 扭矩，通过推进器把扭矩传到钻杆上，钻杆再把扭矩传到钻头上，实现回转钻进。 气动冲击器将冲击能量传到钻头上，实现冲击钻进。回转钻进和冲击钻进相配合， 进行岩石破碎。 对潜孔钻机钻进过程进行受力分析和运动分析，能从根本上解释发生卡钻事 故的力学原因。 ；：卜j 图2 - 3 潜孔钻机钻孔系统结构图 2 3 1 钻进过程的受力状态分析 图2 - 4 钻进过程的受力状态图 潜孔钻进钻凿竖直孔时，其受力状态见图2 - 4 。 钻进过程中，孔底受如下的轴向力：钻具及自重g ；岩石对下滑部件的摩擦 阻力t ，与钻具相对岩石的相对滑动速度有关，其关系见钻进过程的运动分析； 卡在孔壁与钻具间的岩石对钻具的阻力艮y ；冲击器的反跳力r - 及调压力q ，孔 1 3 长沙矿山研究院硕士学位论文第二章卡钻机理分析 底轴压力p 。由稳定时受力平衡有： ym ：0 ，即t ：m z 其中，丁一潜孔钻机回转马达提供的力矩， 力矩，n m 。 曲= 0 ，即f = q q 2 r 1 + f f + p + v c 。一g ( 2 - 6 ) n m ；m z 一钻具所承受的阻 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 钻机的回转扭矩主要用来克服钻头与孔底的摩擦力和剪切阻力、钻具与孔壁 的摩擦阻力以及由于炮孔不规则性等因素而造成的各种附加阻力。钻进过程中， 钻具所承受的阻力矩m z 主要来自：( 1 ) 剪切两次冲击间岩瘤所留下的剪切阻力 矩m ，n m ；( 2 ) 球柱齿端部与孔底岩石的摩擦所形成的摩擦阻力矩m ， n 朋：( 3 ) 钻具外缘与钻孔壁间岩粉摩擦力所形成的分布阻力矩m ，n 朋； ( 4 ) 卡在孔壁与钻具问的岩石对钻具的侧阻力b ，所造成的附加力矩m 。，还有力 矩传递中各件的摩擦等引起的阻力矩，这些在考虑动力矩的传递效率中加以估 算。由此，总阻力矩为： m z = m l + m 2 + m 3 + m 41(2-9) ( 1 ) 剪切阻力矩 活塞冲击一次钻头，单个钻刃一次剪切岩瘤的长l 为： l = 一r 1 1 r ( 2 1 0 ) 3 0 f 、 其中，力一回转马达转速，r m i n ；厂一冲击器冲击频率，h z ；i o 钻头 端面上钻刃到中心的加权半径，r t l ； r = n ；ri ni ( 2 - 1 1 ) 式中，n ；一第i 圈上的齿数；砌一i 圈齿中心到钻头中心的距离，朋；因此， m l = k l n c 气r ( 2 - 1 2 ) 其中：k 一相邻痕对岩石强度的影响系数；n 一钻刃总数；c 一单个钻刃 剪切岩石的面积，聊2 ；r 0 岩石的纯抗剪切强度( 见表2 - 1 ) ，p a 。 表2 1 不同受载方式下岩石强度表相对值【3 l 】 岩石拉伸弯曲剪切抗压( m p a ) 花岗岩 0 0 2 0 0 4 0 0 80 0 9 8 0 2 5 0 砂岩 0 0 2 0 0 5 0 0 6 0 20 1 0 1 2 2 0 5 0 0 石灰岩 0 0 4 - - 一0 1 0 0 8 0 1 0 1 5 3 0 , - - - 1 5 0 设单次冲击钻刃的侵深为，此时，岩石的最大剪切宽度为d 。则钻刃一次 剪切岩石的面积为： c = k 2 l d( 2 - 1 3 ) 对于半球齿， d = 2 r ；- ( r ；一h o ) 】l 2 ( 2 1 4 ) 1 4 长沙矿山研究院硕士学位论文第二章卡钻机理分析 其中，r s 球齿半径，m ；k ：钻刃一次剪切岩石的实际面积与理论面积 之比。 由式( 2 - 1 0 ) 、( 2 - 11 ) ，( 2 1 2 ) ，( 2 1 3 ) ，( 2 1 4 ) ，得 m 2 蠡k n n ( n i r t ，n i ) 2 气d z ( 2 - 1 5 ) 式中，k 有效凿岩系数，k = k 。k 2 ； d ：- e n i d i n i 出岩石最大剪切宽度，m ； ( 2 - 1 6 ) ( 2 ) 钻刃与孔底岩石的摩擦所形成的摩擦阻力矩m ： 该阻力矩与钻具的轴压力及钻具和岩石间的摩擦系数有关： m 22 o q r( 2 1 7 ) 其中：芦。钻刃与孔底间的摩擦系数( 见表2 2 ) ，一般取芦。= 0 3 5 ；q 一作 用于钻具上的轴压力，。 表2 - 2 岩石精摩擦系数表m 1 精摩擦系数 岩石名称 干燥的 在泥浆中 尖棱角颗粒的砂岩 0 2 1 90 1 3 5 圆棱角颗粒的砂岩 0 1 9 50 1 8 o 1 8 0 1 1 3 不均匀且粗的，尖棱角颗粒砂岩 细颗粒尖棱角硬砂岩 0 1 0 50 1 5 尖棱角粗颗粒硬砂岩 0 1 7 20 1 0 粗颗粒胶结松的砂岩 0 1 0 60 1 2 7 粗颗粒胶结松的含泥砂岩 0 1 3 50 0 8 3 中等颗粒带棱角的硬砂岩0 2 40 1 5 7 泥灰石 0 1 3 5 0 1 2 7 页岩 o 1 50 0 8 3 o 2 l 砂质粘土 0 1 0 5o 0 4 3 搬土质粘土 o 1 70 1 3 5 颗粒均匀圆细的砂岩 ( 3 ) 钻杆外缘与孔壁间的岩粉摩擦所形成的分布阻力矩m ， 钻孔时钻杆的柔性变形及偏摆与孔壁及岩粉摩擦产生阻力矩，它与岩石性 长沙矿山研究院硕士学位论文第二章卡钻机理分析 质、岩粉粒度、钻头结构、排粉状况等密切相关。 m 3 = k 3 a i + k 4 裂 删 式中：屯一比例系数，一般取k ，= 0 1 o 3 ；a 。一被排出的岩屑体积；一 埋入岩石中的钻杆每米所受的回转阻力矩；彳一凿岩破碎体积；域一所钻成孔 的直径；d ，一钻具的最大外径。 ( 4 ) 卡在孔壁与钻具间的岩石对钻具的附加力矩m 。 卡在孔壁与钻具间的岩石对钻具的附加力矩与钻具所受侧阻力和卡点处钻具 的轴径有关。 1 m 4 = 寺见畋 ( 2 - 1 9 ) 如一卡在孔壁与钻具间的岩石对钻具的侧阻力，n ；d k 一卡点处的钻具轴 径，m 。 一、 当潜孔钻机采用马达链条提升机机构时，潜孔钻机提供的回转力矩为丁，回 转速度为刀。 t = 刁。p 矿( 2 - 2 0 ) n ：叩，芒6 0 一q ( 2 - 2 1 ) vn - 叩v 荔一 其中，叩。一机械效率；a p = p 8