全液压智能凿岩台车防卡控制系统研究

龙国强，张 玲，刘海燕，李德喜，黎忠言，朱敏基

（湖南有色重型机器有限责任公司， 湖南 长沙 410205）

0 前 言

在钻孔施工过程中，由于岩石状态的不确定性，其中存在的溶洞、裂隙及岩石性质不均等会不可避免地形成卡钻区，导致卡钻。卡钻是钻孔过程中比较常见的问题，一旦发生卡钻故障，将降低工作效率，造成钻具损坏，严重时卡钻故障无法消除，向前无法钻进，向后无法提钻，只能放弃已钻进孔内的钻具，增加施工的直接成本。因此，长期以来国内外对卡钻理论及防卡方案做了很多的理论分析，在钻机的防卡杆功能控制方面也做了大量的研究与实验，目的都是为了找到一种合理、有效、可靠的防卡控制方法，对卡钻事故进行预防和处理。CSY50型采矿凿岩台车中应用的PLC控制系统，将凿岩台车的防卡功能由以往单纯液控或继电器控制，提升至智能化程序控制的先进平台，通过对各种卡钻机理的分析，利用设定的程序在卡钻初始阶段对推进、冲击进行分别控制，在钻孔过程中达到卡钻事故预防和处理的目的，现场使用效果良好。本文针对CSY50型液压凿岩台车防卡系统进行具体的介绍与分析。

1 钻机卡钻原理

（1）因排渣不畅而引起的卡钻。其产生原因为孔内积渣未能排出，钻头积渣越来越多，最终导致了钻头卡死的情况。

（2）钻头偏载引起的卡钻。这类卡钻一般是由于钻头进入性质不均的岩石带，或钻头出现损坏时，钻头因径向受力不均而偏移原来的方向，使炮孔弯曲，阻力矩随钻头的继续凿入而逐渐增大，最终导致了卡钻。

（3）溶洞或裂缝卡钻。此类卡钻一般会使推进或回转阻力产生突变，钻头通过此类地形时其排渣所需的气压或水压也会下降，使得排渣困难。另外破碎下来的岩渣通常会在溶洞或裂缝处聚集，形成会卡住钻头的“栓子”使钻头不能回退，形成很难处理的卡钻现象。

分析以上卡钻故障表现形式可看出，当钻机所能提供的转动力矩不能超过岩孔对回转钻具阻力矩时，就会发生卡钻，凿岩过程中阻力矩是岩石对钻具旋转所形成的反作用力，可能产生转动阻力矩主要有：钻头齿与孔底岩石摩擦所形成的摩擦阻力矩；两次冲击岩瘤的剪切阻力矩；钻具外缘与钻孔壁间的摩擦力所形成的分布阻力矩。这些阻力矩都是形成卡钻的主要原因，而如何控制这些阻力矩、避免产生卡钻故障，成为了目前对防卡理论研究的主题。

2 CSY50凿岩台车防卡特点

CSY50是湖南有色重型机器有限责任公司生产的新型智能化液压凿岩台车（如图1所示），主要适应用于分段采矿法中扇形断面中深炮孔施工。该机有结构精巧、场地适应能力强、操作方便、施工安全、高效低噪、智能化程度高等特点。该类钻机使用特点与防卡技术应用较多的潜孔钻机相比，工作原理以及卡钻的特点也有所不同，其中对卡钻影响较大的有两个方面。

2.1 冲击做功的方式不同

从钻孔原理上来看，潜孔钻机冲击能产生在钻杆前端，冲击能直接作用于潜孔钻头上，钻杆起导向和传递推进力与回转力的作用。而凿岩类钻机冲击功产生在钻杆尾部，钻杆除了要传递推进力与回转力之外还要传递冲击能，在钻杆上产生的应力会比潜孔钻机钻杆复杂得多，因此随着钻杆数量的增加，更容易产生钻杆发弹、压杆弯曲等现象。除了导致冲击能量损失外，还会比潜孔钻机更容易导致钻头偏载与钻孔偏斜，最终引发卡钻。

图1 现场施工示意

2.2 排渣的方式不同

在钻凿设备钻孔过程中，排渣是极其重要的，也是引发卡钻的主要原因。潜孔钻机是靠潜孔冲击器做功后排出的高速气流来进行排渣，液压凿岩类钻机是靠独立的水泵从空心钻杆中注水冲洗排渣。在潜孔钻机钻进过程中，排渣不畅会引起气流排出压力增大，使得冲击器用于做功的气压差会减小，从而也导致钻头破碎岩石的速度放缓，这样会在一定程度上对卡钻有所缓和。而注水排渣的凿岩钻机，在排渣水压增大或水量不足不能正常冲洗排渣的情况下，其钻进能力不但不会变小，钻齿与岩石接触面因少了水流的“润滑”使得破碎岩石的能力还会增强。而且CSY50钻机工作时在2.5英寸的钻头上作用的单次冲击能达到300J，比一般中、高气压潜孔冲击器以及大多数的凿岩钻机对岩石的冲击应力都要大，所以一旦发生上述情况，卡钻程度将很快恶化。

因此，对CSY50钻机防卡功能不但要求能够在卡钻发生之初能够准确判断、快速做出反应，还应合理、有效地调整工作参数，以满足该钻机工况条件差、钻进速度快、穿孔精度高的要求。

3 CSY50钻机智能防卡原理

上文中提到的三种转动阻力矩是卡钻故障的主要原因，通过对钻具在孔内的受力情况分析，可以通过以下两种方式减小转动阻力矩。

（1）如上文所述，摩擦阻力矩、剪切阻力矩的大小与钻齿受推进力在岩面产生的接触摩擦成正比，即推进力变大，回转阻力矩也会变大，反之则变小。因此可以在卡钻过程初期，利用钻机主动减小其推进压力，控制回转阻力过度升高而引发的卡钻。此类防卡的关键在于判断回转压力变化，有很多的控制理论与应用方案，一般是通过检测回转压力上升信号，来使压力继电器或者防卡阀动作，使推进系统减少推进力或产生回退，来降低此类转动阻力矩，防止卡钻。而这种压力继电器控制的防卡系统，一般只能是对推进压力进行分段控制，即当回转达到某一压力值，相应地把推进压力降低到某一压力值，属于“硬”特性防卡，防卡效果也有其自身的局限性。而在系统中设置防卡杆阀，虽然可以通过判断回转压力来连续的控制推进，达到一定的“软”特性效果，但也会因其受环境、介质以及自身的响应频率、机械磨损等因素影响，使得其控制精度和使用的可靠性不高。

（2）因为冲击力的增大，使钻头齿尖破碎的岩坑增大，导致剪切阻力矩、分布阻力矩的增大，此时需要通过减小冲击力，来降低此类阻力矩，但在一般钻机中降低冲击力是很难做到的，如潜孔钻机只能通过迅速降低冲击气压才会有作用。部分进口液压凿岩台车也只是通过液压控制或电液控制，控制方式与上述控制推进的原理一样，对冲击油路进行压力调节，使其溢流来达到降低冲击压力目的，这种方式同样也会有控制反应时间长、可靠性不高、溢流损失大的缺点。

3.1 智能防卡系统液压部分的组成和控制原理

针对上述防卡特点，结合实际工况，综合各种防卡杆的优点，CSY50机型采用了先进的比例控制液压系统，通过压力变送器检测到回转压力信号，由PLC进行判断和逻辑分析，通过比例阀来合理地调节推进压力和冲击压力，液压控制原理如图2所示。

图中推进、回转、冲击三种工况分别由两变量泵供油，回转单独设置一泵，这是为了避免在回转压力增大时，冲击或推进压力随之增大，产生恶性循环。回转工况由变量泵①、比例换向阀③和比例溢流阀④组成的负载敏感系统供油，其可以通过PLC对两比例阀的赋值来控制其回转的速度和回转最高压力。冲击工况也由另一负载敏感系统供油，由比例溢流阀控制其压力大小。而推进工况因工作时推进所需流量很小，所需压力也低于冲击压力，与冲击共用了一个泵供油，通过比例减压阀⑤来控制推进压力的大小。

图2 防卡系统液压控制原理

3.2 智能防卡系统控制原理

智能防卡系统的控制原理，是通过采集钻机液压系统的冲击、回转、推进的压力信号来进行分析和处理的，其主要功能如图3所示。

图3 智能防卡系统控制原理示意

（1）对采集到的回转压力数据进行过滤、分析、判断卡钻类型。通过对采集单位时间内的压力参数变化，计算其平均值，对钻进过程中压力脉动引起的假卡钻现象进行过滤。对连续上升的卡钻信号进行分析，与在各种不同岩石条件下设定的参数进行对比，判断是否进入卡钻处理程序。

（2）根据卡钻类型，发出警报，并自动采取合适的处理方式。根据卡钻的条件、程度不同需要采取不同的方式来应对，这样才能在避免卡钻的同时最大程度地保证钻孔效率，在一般情况下如果防卡压力设置过低，会使得频繁地减小推进压力，导致钻孔速度变慢，如果设置过高又会增大卡钻的风险，因此为保证合理的防卡，该防卡系统特性如图4所示。

图4 防卡控制曲线

图中，Pt为工作时的推进压力，Pi为冲击压力，Ptz、Piz为推进、冲击压力渐变与突变过程的分界点，压力系数为压力值随回转压力变化的斜率。

第一阶段，当回转压力开始超过最大正常工作压力点Pr1时，冲击压力将按一定的比例缓慢变小，如果回转压力恢复正常，冲击压力也即恢复正常，此时其它参数均无变化。如果回转压力在冲击压力缓慢变小后还继续上升，达到Pr2压力值，控制系统将开始减小推进压力。

第二阶段，如果遇到更加复杂的情况，回转阻力还是继续上升，从曲线图中可以看出当回转压力超过Pr3或Pr4后，凿岩冲击压力和推进压力将快速下降，推进压力下降到一定值后，凿岩冲击器会因自重而后退，直到回转压力再次变小，推进压力又会上升，有时遇到如破碎带裂隙等极端情况时，这种变化会反复多次，直至穿过该岩层。

（3）数字化参数显示与调节。数字化参数显示与调节功能（如图5所示）使该系统更具灵活性，在现场使用中，通过在防卡系统中设置不同的压力变化点来应对不同岩石情况。还可以通过调节冲击、推进压力系数来调定其变化快慢程度，如在破碎带严重的地带，可以将此变化系数加大，使其反应更加灵敏。

图5 数字化设置界面

4 结 论

结合目前已有的防卡钻方案以及具体现场使用情况，设计了CSY50机型的防卡系统。利用程序控制，按不同卡钻条件，采用不同比例地降低推进压力和冲击压力的方法，有效防止多种类型的卡钻。该机独特的PLC智能控制自动防卡杆技术，以其先进的控制技术、有效地防卡方式和高可靠性和灵敏度，相比其它防卡系统有着明显优势。在现场使用以来，体现出了其优异的性能，大大提高了该钻机复杂地形的适应能力，使卡钻难题得到了很好的解决。

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