软煤高转速螺旋钻进防卡钻液压系统研究

软煤高转速螺旋钻进防卡钻液压系统研究

中国的软煤炭资源总量约占煤炭总量的42%。针对松软煤层高速螺旋钻进中易发生卡钻的问题,结合现场处理卡钻的工艺方法,设计了防卡钻液压系统方案,并通过分析和仿真优选出适合软煤钻进的防卡钻液压系统1主缸压钻及故障排除及高压系统设计1.1回转超压给进转化液压系统软煤钻进时,如果发现回转压力较高,说明排粉不利,应减少进给速度,待排粉顺畅后,回转压力下降再增大给进速度,继续钻进,针对钻进中的问题,设计了回转超压给进减压液压系统方案,回转超压给进减压液压系统原理如图1。回转超压给进减压液压系统工作原理为:将软煤钻进系统中的回转压力作为液控压力控制溢流阀4的开启与闭合。正常钻进时,回转马达的回转压力小于溢流阀4的开启压力,给进油缸正常工作,软煤高速螺旋钻机正常钻进。若遇到孔底卡钻时,回转压力迅速上升并大于溢流阀4的开启压力,给进回路的给进速度无级降低,给进力减小,当回转压力下降到小于溢流阀4的开启压力时,给进回路恢复正常,钻机正常钻进此液压系统的缺点是:给进回路的给进油缸可以无级调速但无法实现后退,若遇到卡、埋钻严重时,自救效果不太好。因此不太适合过于碎软地层。1.2回转压力正常钻进时,针对回转超压给进减压液压系统的不足,设计了回转超压给进回退液压系统,回转超压给进回退液压系统原理如图2,工作原理为:给进回路的泵的高压油经过溢流阀9和换向阀8后,再经减压阀后降为给进端液控压力,对液控换向阀的右端施压,回转回路的泵压经过溢流阀2和换向阀3后的回转压力作为液控换向阀的另一端的阀芯施压端。正常钻进时回转压力小于给进端的液控压力,液控换向阀右位工作。遇到卡钻工况时回转压力上升到大于给进端液控压力,液控换向阀阀芯换向,左位工作,给进油缸从给进转化为起拔,当回转压力小于给进端液控压力时,给进油缸又从起拔再恢复为给进位。这样就实现了通过回转压力变化自动控制给进油缸的给进起拔,可显著减少钻进时的卡钻事故1.3压给进回退系统回转超压给进回退液压系统的实现方法简单,反应快,但容易有假消除现象,同时系统抗压力波动效果较差。因此改进为回转超压给进回退抗波动液压系统,回转超压给进回退液压系统原理如图3。其工作原理:钻机钻进时回转压力作为液控压力对液控换向阀的阀芯一端施加压力,溢流阀8、调速阀调定液控换向阀另一端的压力。回转压力小于溢流阀8的开启压力,钻进正常钻进;遇到卡钻工况时回转压力大于溢流阀8的设定压力时换向阀换向,给进缸后退,回转压力恢复正常时继续钻进。其中调速阀7内部由定差减压阀与节流阀串联的组合阀。节流阀用来调节流量,定差减压阀自动补偿负载变化影响,使节流阀前后压差为定值,可消除负载变化对流量的影响。2压系统的工作原理将上述3种方案进行对比,现有回转超压给进回退抗波动方案防卡钻技术比较完备,效果好,但该方案元件多,能耗大,系统复杂。因此,在实现回转超压后给进回退的基础上,应尽量采用简单而又节能的方案。将螺纹插装阀与回转超压后给进回退思路相结合设计防卡钻液压系统,软煤钻机防卡钻液压系统原理如图4。其工作原理为:当正转压力超过直动换向阀阀芯的设定压力后,直动换向阀换向,并将正转压力作用在液控换向阀的左侧,使液控换向阀换向实现给进油缸的从给进转化为起拔,此时钻机开始退钻杆扫孔排除过多煤粉,正转压力也随之逐渐降低,当压力低于直动换向阀的弹簧力时,直动换向阀的阀芯关闭,液控换向阀的弹簧将阀芯推回原位,给进油缸再次换向,钻机开始正常钻进。在这个过程中,设定1个预警压力,当回转压力超过设定值时,表明有卡、埋钻的危险,此时液压系统采用超压远程控制推动液控阀换向,自动将给进动作切换为起拔动作,钻杆由正常钻进变为回退扫孔排渣,可有效减少卡、埋钻事故发生直动方向阀和液控换向阀采用螺纹插装阀设计在液压阀块中,这些螺纹插装阀都采用锥面密封,密封性好、可靠性高。该防卡钻液压系统具有液压自动控制,防止卡钻和正常钻进自动转化;控制压力可调节,适合不同煤层;螺纹插装阀反馈迅速,可靠性高等特点。3防卡钻孔系统的模拟和试验3.1防卡钻液压系统动作特性分析为了验证防卡钻液压系统的动作特性,通过AMESim软件进行建模仿真,将图4的钻机防卡钻液压系统进行了简化,直接将动力源接在液控换向阀上,将手动换向阀3和手动换向阀8省去,将直动换向阀的正转压力作为输入信号,分为3个阶段:0～2s时,输入压力0～20MPa;2～7s时,输入压力20～25MPa;7～10s时,25～10MPa;设定当正转压力大于20MPa,认为孔内有卡钻事故。防卡钻液压系统动作特性曲线如图5。由图5可得:该系统回转压力在2s达到20MPa时,给进油缸的方向从给进转化为起拔,同时待回转压力下降至20MPa后,给进油缸由从起拔换位给进的变化过程。仿真表明液压系统动作满足实际需求3.2截止阀块的工作过程为了验证防卡钻液压系统的功能,在钻机正转回路中安装截止阀,模拟卡钻工况,通过关闭截止阀,建立回转压力测试防卡钻液压系统的反应能力和阀芯动作。操作钻机正转手柄和给进手柄,逐渐关闭截止阀,回转压力迅速升高,此时给进油缸由给进迅速转化为起拔,随后再模拟扫孔已消除卡钻工况,慢慢打开截止阀,回转压力降低,给进油缸又恢复给进动作。阀块测试过程表明该液压系统动作与理论设计相同。防卡钻液压系统已成功应用在中煤科工西安院生产的系列软煤高速螺旋钻机ZDY2200LR、ZDY3000LG和ZDY6000LR中,通过现场应用验证了系统具有反应灵敏,安全可靠,能自动预防和处理各种卡、埋钻问题等特点,提高了系列软煤钻机的防卡钻能力。4基于amesim的防卡钻液压系统建模针对软煤高速螺旋钻进中的卡、埋钻问题,通过分析卡钻事故处理的工艺方法,设计了3种防卡钻方案,并结合螺纹插装阀技术,设计出适合软煤高速螺