露天液压凿岩钻车防卡方法的研究

伍荣伟

（兰州理工大学 机电学院，甘肃 兰州 730030）

露天液压凿岩钻车防卡方法的研究

伍荣伟

（兰州理工大学 机电学院，甘肃 兰州 730030）

介绍了凿岩过程中的卡钎形式以及液压钻车常用的几种防卡钎方法，对利用新技术设计防卡钎系统进行了探讨。

卡钎形式；电液比例技术；新型防卡

0 前言

全液压凿岩钻车经历了由无防卡钎系统到有防卡钎系统的历程,为适应爆破工艺水平对凿岩技术在孔直度与作业效率方面的要求，出现了新的液压防卡钎方法，本文讨论了防卡钎过程中的共性问题，并介绍了几种新型防卡钎方式。

1 卡钎形式

在凿岩过程中，常见的卡钎形式有三种。

1.1 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。此类卡钻反应至液压系统中，首先表现为推进压力和回转压力突然下降，然后才表现为回转压力和推进压力突然升高至其最大值。

1.2 缓变卡钻

因排渣不畅或岩石性质不均等原因而引起的卡钻。反应至液压系统中，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。由于这种卡钻是逐渐发生的，故称为“缓变卡钻”。

1.3 裂隙卡钻

因钻头突然凿入裂隙而产生的卡钻。反应至液压系统中，表现为回转压力和推进压力突然升高至最大值[2]。

2 常用防卡钎方法

在凿岩钻车技术的发展过程中，出现过许多防卡钎方法，常见并有效的有以下几种。

2.1 推进油路设置液控防卡钎阀

如图1所示该系统的防卡钎原理为推进油路中设置一个二位四通阀3,称防卡阀.防卡阀端部有一条液控油路与4相连接,在4的另外两条油路中有一条与推进油跃起相连接,另一条是液控油路,与转钎油路连接,当产生卡钎动作趋势时,转钎油压立即升高，超过额定压力时，防卡钎阀及时换向，使凿岩机退回。直至转钎油压力降低到正常值时，防卡钎阀自动恢复到正常推进。这种防卡钎方式反应灵敏、动作迅速、性能可靠，在防卡钎退回过程中，与凿岩冲击系统相连的油路使凿岩机自动处于轻冲击状态。但液控阀随转钎压力的变化会产生压力冲击，阀芯磨损快，容易发生元件故障，并且随转钎压力的上升，推进力不能自动降低。

2.2 转钎油路设置压力继电器

在转钎油路中设置压力继电器能克服液控阀的弱点，并且工作可靠、安全，根据推进油缸的流量大小可以采用电磁换向阀和电液控制换向阀两种类型的推进阀，能更好的满足现场实际使用要求。如图2所示推进油缸为小流量，采用电磁阀换向。其基本原理是在转钎压力上升到压力继电器6的额定值时，继电器发出电信号，推进电磁换向阀8换为反向推进，同时冲击液控换向阀5换向，凿岩机自动处于轻冲击状态。转钎压力正常时，推进与冲击恢复正常工况。

图1 液控防卡钎系统

如图3所示推进油缸为大流量缸，采用液控减压阀换向，正常推进时先导电磁阀3得到信号，推进减压阀2换向，如果转钎油路压力继电器发出电信号，先导电磁阀4得到电信号，推进减压阀5换向，同时先导电磁阀3断电，减压阀2恢复到原来位置，推进油缸反向推进，其余动作原理与图2相同。

图2 压力继电器防卡钎系统

2.3 推进油路与转钎油路串联

如图4所示，这种防卡钎系统结构简单，反应速度快，适用液压油马达推进回路。其动作原理：正常凿岩时推进油马达3的压力油经转钎液压马达4后回到油箱，推进油路与转钎油路串联。当转钎液压马达油压超过平衡阀切换工作位置，此时转钎液压马达4停止转动，而推进液压马达3自动反转，退回钎杆。当转钎压力降低后，平衡阀恢复原位，凿岩机恢复正常凿岩推进与回转。缺点是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。

图3 推进油缸控制换向

图4 推进转钎油路串联防卡钎系统

上述各种防卡钎方法，都是利用卡钎时转钎压力升高超过调定的防卡钎压力信号来控制凿岩机自动退回和轻冲击，实现自动防卡钎。这些方法为防止凿岩过程中的防卡起了较大作用，但由于防卡钎溢流阀的压力是调定的，只有转钎压力达到调定压力时溢流阀才开启。而岩石的性质不一样，卡钎的转钎压力值也不一样，一种调定压力只对应一种岩石这限制了钻车凿岩作业的范围，如果压力值设置过大，则经常会发生电磁阀换向后，钎杆已经卡死，转钎压力很难下降，凿岩机不能后退。如果调定压力设置过低，则电磁换向阀频繁换向，凿岩机频繁后退，严重影响穿孔速度和作业效率。近年来新设计的防卡钎系统则避免了这种情况[2-6]。

3 新型防卡钎系统工作原理

新型防卡钎系统都是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[9]。

新型防卡钎系统主要有下面的功能：①当转钎油压力上升等比例降低推进压力。②转钎压力上升到一定值时推进转为低压推进，正常冲击压力转为低压冲击，转钎压力下降后推进压力恢复正常推进压力与正常冲击压力。③在压力继续上升时，推进改为回退，当转钎压力下降又改为低压推进与低压冲击，转钎压力下降为正常值范围内，系统恢复为正常推进与冲击。④当推进压力突然降低，系统改为后退，冲击改为轻冲击。

①②的功能用于防缓变卡钻，③的功能用于防裂隙卡钻，④的功能用于防溶洞卡钻。

下面介绍几种新防卡钎方法。

3.1 以专用防卡钎阀为基础使用继电器作为感应的系统

液压油从钻机推进阀组被引向阀组10,对于钻机推进回路,阀组10包括两个电磁阀和两个减压阀。电磁阀Y12是防卡系统中的一部分，当电磁阀起动时，它将使推进反向，它由以下两个信号启动：（a）回转回路中的压力开关（如果转钎压力超过一定值）。（b）冲洗压气回路中的流量开关（流量小有卡钎的危险）。

两个减压阀分别调节高低推进压力。从高推进压力转换到低推进压力是通过电磁阀Y13实现的。液压油从阀组10通过RPC-F阀到达推进马达（向下推进），RPC-F阀由回转回路中的压力控制，并在最大压力和最小压力间调节推进压力峰值，最大和最小压力是在两个前面提到过的减压阀上调定的。采用这种方法，推进力随转钎压力变化，转钎扭矩基本保持不变。压力开关F27传感推进回路中的压力信号，如果推进压力低于开关的调定压力，冲击机构回路中的电磁阀Y14动作，使低冲击压力被接通，这就避免了在有洞穴或疏松岩层中钻孔时损坏钻杆设备[6]。

图5

3.2 以电液比例技术为基础的程序控制防卡钎系统

在转钎系统中装有压力传感器1，在推进回路中装有压力开关2。压力传感器1将转钎系统中的压力变化传给控制器，压力开关2将推进压力过低信息传给控制器，控制器根据这两种信号判断凿岩系统状态，并随机调整比例电磁减压阀输出压力，降低或提高推进压力，同时泵7的输出压力也相应进行调整。电磁换向阀4是防卡钎的自动回退阀。

图6

4 结论

现代的防卡钎理论都是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，只是实现方式不同，有必要将新液压技术运用在防卡钎系统中，以真正实现凿岩过程自动化，笔者认为，用电磁比例阀与控制器结合代替专用防卡钎阀与高低压变化阀组将是今后凿岩钻机的发展方向，因为电液比例技术是沟通液压与自动控制的桥梁。

[1]陈玉凡.矿山机械钻孔机械部分[M].北京冶金工业出版社，1981.

[2]胡均平.液压凿岩过程计算机控制系统研究[D].长沙：中南大学，1995.

[3]周志鸿，马飞，张文明等.地下凿岩设备[M].北京:冶金工业出版社，2004.

[4]吴万荣.地下大直径潜孔钻机液压控制系统及凿岩技术研究[D].长沙：中南大学，1999.

[5]赵存权.对一种液压钻车自动防卡钎系统的分析[J].凿岩机械气动工具，1997，(2)：17-20.

[6]曾华林.一种液压凿岩设备的防卡钎液压系统[J].矿山机械，1999，(3)：21-24.

[7]胡均平，杨襄璧，吴万荣.凿岩过程推进压力反馈防卡钎计算机控制[J].中国有色金属学报，1998，8(2)：364-367.

[8]李东明.液压凿岩设备的防卡杆装置探讨[J].矿冶研究与开发，1996，16(2)：26-28.

[9]赵宏强，李美香，高斌.潜孔钻机凿岩过程自动防卡钻理论与方案研究[J].机械科学与技术,2008,6.

TD421.2+4 文献标识码：A