一种全液压露天钻机的凿岩保护功能介绍

王晓辉，李卫杰

（天水风动机械有限公司，甘肃天水741020）

1 引言

露天钻机的钻孔基本原理是：由凿岩机产生冲击和回转两种运动，通过钻杆、连接套等组成的钻具链将这两种运动传递给钻头；冲击动作使岩石破碎，而回转作用将破碎岩石磨成更小的颗粒；同时通过高压空气将岩石颗粒快速吹出而成孔。用户对钻机的要求一般体现在下面几个方面：（1）尽可能高的凿岩速度和成孔要求；（2）排渣充分及时，保证钻孔过程平滑顺畅不卡钻；（3）节省钻具和较高的整机耐用度。

瑞典AtlasCopco公司生产的ROC D7是目前世界上较为先进的一种全液压露天钻机，适用于露天矿山生产、建筑工程中的土石方开挖、采石场取料及边坡处理等各项工作，其钻孔孔径范围φ64－φ115mm［1］。因其具有复杂地层的安全钻进性能而深受用户欢迎。

ROC D7钻机的控制系统中设计了回转压力控制推进、自动防卡钻系统、冲渣压力自动调节、缓冲压力控制冲击、低压开孔等各种保护功能［2］。这样可确保该机在遇到钻进困难时，控制系统会根据回转压力、推进压力和缓冲压力等的变化，自动调整推进压力及冲击压力，进行低压冲击，甚至推进返回，这样就大大提高了钻具使用寿命，降低了卡钻、丢失钻具的风险，节省钻具，提高成孔率，降低了凿岩成本。

2 凿岩保护功能介绍

2.1 回转压力控制推进（RPC-F）

由于岩层内部构造复杂，在钻进过程中，当岩层变化使钻机的回转阻力增大，导致回转速度大幅度下降而回转压力升高，使凿速下降，反之，当推进压力变小时，钻头顶紧岩石的压力不足，冲击能量不能完全传递到岩石，使得凿速变慢，钻具损耗加大。而ROC D7控制系统中设计RPC-F功能，使推进压力和回转速度根据岩层软硬自动调节，提高了钻机在不同岩层中的凿速，延长钻具的使用寿命，并有初步防止卡钻的发生的功能。

RPC-F(Rotation Pressure Controlled Feed)的意思是回转压力控制推进，在钻孔过程中，由于岩层的变化，如果回转压力升高，超过RPC-F先导阀的设定值（约5 MPa），该阀阀芯将被推动，控制推进压力的先导油就会部分通过RPC-F阀的节流腔从低推进压力溢流阀流出，推进压力和推进速度相应降低。根据回转压力超过RPC-F阀设定值的程度不同，RPC-F阀的阀芯在关闭和全开位置之间变动，使推进压力在高推进压力（约7MPa）和低推进压力（约4 MPa）之间平滑过渡，使回转压力保持在一个相对稳定的数值，从而提高了钻机适应复杂岩层的能力。

2.2 自动防卡钻系统

在钻进过程中，如果因岩层构造复杂而使回转压力升高，RPC-F功能不能解决则回转压力继续升高，可能导致回转停止，钻具卡在岩层中进退不得，便形成卡钻。可能导致卡钻的因素有以下几种：岩层有裂缝或空隙，导致钻头顺缝隙凿入，使钻孔偏斜；空压机气压和排气量不够，岩粉不能正常排出；岩层太破碎夹带大量沙土，岩渣掉落回填钻具周围；潮湿的岩层，岩粉粘结导致排粉不畅；推进压力设定过高或回转速度设定过快与冲击功率不匹配等。卡钻严重妨害钻孔工作的进行，也易导致钻具丢失。鉴于实际钻进过程中可能发生的上述情况，ROC D7控制系统中设计了自动防卡钻保护系统。如果RPC-F功能启动后，回转的情况没有改善，回转压力继续升高，自动防卡钻系统就会启动，来防止卡钻情况的发生，该部分功能由液压系统和气动系统双重控制。

图1中当回转压力高过另外一个防卡钻控制阀的设定压力（约8 MPa）后，该阀将先导压力油供给B134压力开关，B134压力开关触发，通过PLC控制Y109防卡电磁阀换向，使推进油缸缩回，回转阻力减小，回转压力降低，低于防卡钻控制阀设定值（约8 MPa）后推进可以继续向前推进，这样卡钻现象将不会继续发展，如此多次循环使钻具逐渐通过易卡钻岩层。

图1 回转压力控制推进

防卡钻的另一重功能在气动系统中实现：图2中如果钻孔时冲渣排气不畅，节流阀前后的压力差就会下降，下降超过压力开关B142的额定值时，B142触发，B142通过PLC控制Y109防卡电磁阀换向，使推进油缸倒退，等冲渣排气畅通后推进油缸继续向前推进，这样多次循环而避免卡钻。

2.3 凿岩机缓冲压力控制冲击压力

图2 冲渣压力自动调节

在钻进过程中，冲击能量通过钎尾、钻杆传递给钻头来破碎岩石，凿岩机缓冲机构的作用是将反冲能量通过蓄能器柔化转换成液压能被吸收，也可将吸收能量存贮用于下一次冲击，而避免对钻具产生刚性的冲击。

因为ROCD7钻机所配的COP1838凿岩机的独特设计，缓冲压力直接反映了钻头的顶紧程度,钻头顶紧岩石，缓冲压力增大，冲击能量能够很好地传递到岩石，破碎效果好；钻头没有顶紧岩石，缓冲压力较小，冲击能量不能完全传递到岩石，破碎效果差，冲击能量被钻具吸收，钻具损耗大。因此该钻机控制系统中设计缓冲压力控制冲击压力功能。

缓冲系统由1号泵通过一个节流阀供油。缓冲压力是由凿岩机里的一个减振活塞的节流腔产生的，钻头顶紧力越大，减振活塞往内压得越多，节流腔减小，缓冲压力增大，反之缓冲压力减小。也就是说在钻孔时，缓冲压力的大小直接反映了钻头的顶紧程度。在钎尾不受力处于浮动位置时，调整节流阀使得凿岩机缓冲压力略大于3.5 MPa。在冲击回路里（见图3），当缓冲压力低于3.5 MPa或高于12 MPa时，逻辑阀I或逻辑阀J动作，冲击先导油路切断，冲击停止。这种状况表明缓冲回路不正常需要检查，此时不允许冲击而起到保护凿岩机的作用。需要说明的是，在不钻孔时由于缓冲压力的设定大于3.5 MPa，所以此时凿岩机可以打空锤包括重锤，会对凿岩机钎尾造成伤害，这种操作主要用于卸钻杆，应当尽量避免。

图3 缓冲压力控制冲击

在正常钻进过程中，根据缓冲压力的大小实现低压冲击和高压冲击的自由转换（转换值初步设定为5 MPa），这样降低了能量损耗并延长凿岩机和钻具的寿命。图4中控制正向回转的先导油将逻辑阀D打开，而此时逻辑阀C不动作。高低压冲击取决于逻辑阀A是否动作。当岩石较硬，钻头顶紧力大，缓冲压力高于5MPa，逻辑阀A关闭，进行高压冲击，当岩石很软或有空洞时，推进压力和钻头顶紧程度下降，于是缓冲压力也下降，低于5MPa时，逻辑阀A打开，自动转换为低压冲击。

图4 旋转压力控制推进和缓冲压力控制高低冲击

这也是ROC D7钻机相对于以前机型的“推进压力控制冲击”功能［3］改进的一个方面，由于推进机构传动的原因，推进压力并不能很直接地反映钻头的顶紧程度，譬如说由于某种原因导致推进不畅时，实际钻头对岩石的顶紧力很小，此时推进压力却可能比较高，因而不能减小冲击压力起到保护凿岩机和钻具的作用。而缓冲压力直接反映了钻头的顶紧程度，因此“缓冲压力控制冲击压力”相对“推进压力控制冲击压力”有更直接更可靠的保护能力。

另外该部分液压系统设计还具备了这样一个功能：在钻孔开始时，打开低压冲击开关，逻辑阀C和逻辑阀E同时动作，逻辑阀A此时不能被触发，冲击压力必然为低压，推进压力油通过逻辑阀E打开低压溢流阀，所以推进压力也为低压。该功能主要用于开孔，为钻凿深孔打下良好的基础，避免钻凿深孔时出现偏斜，提高了深孔成孔率。

综上所述，由于缓冲压力控制冲击压力的功能，使该钻机具备了以下特点：能量损耗小，凿岩机和钻具使用寿命长，对于钎尾的保护作用尤其明显；冲击和推进两个动作能够根据岩石状况较好的自动匹配，较高的凿岩效率；良好的深孔成孔率。

3 国内用户使用情况

通过对向家坝、溪洛渡、官地等水电站建设工地，神华宁煤露天煤矿生产工地钻孔设备的调研，用户反映ROCD7钻机操作灵活方便，凿孔速度快，钻具消耗低，有效地减少了卡钻等情况的发生，自动调节能力强，适应环境能力强，工作范围广，生产效率高。至2008年国内约有ROCD7钻机350台左右，尤其近几年在矿山凿孔设备中的占有比例大幅增加。而国内凿岩设备生产行业在全液压露天钻机方面由于技术不成熟，发展比较缓慢，故障率过高，矿山采用国产全液压钻车较少。

[1]AtlasCopco.ROCD7产品宣传样本[Z].

[2]阿特拉斯D系列钻机操作说明书[Z].

[3]宋肃庆.全液压露天钻车的推进力自动调节系统[J].凿岩机械气动工具，1999，（3）.