一種全液壓露天鉆機(jī)鉆孔保護(hù)功能ding

1、一種全液壓露天鉆機(jī)的鑿巖保護(hù)功能介紹王曉輝，李衛(wèi)杰（天水風(fēng)動機(jī)械有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，甘肅 天水 741020）摘要 ：本文重點(diǎn)介紹了目前世界上一種較為先進(jìn)的全液壓露天鉆機(jī)的鑿巖保護(hù)功能，該鉆機(jī)在控制系統(tǒng)中配備了回轉(zhuǎn)壓力控制推進(jìn)、自動防卡鉆系統(tǒng)、沖渣壓力自動調(diào)節(jié)、緩沖壓力控制沖擊等幾種保護(hù)功能，使該鉆機(jī)在使用中具有鉆具損耗小，卡鉆、丟失鉆具的風(fēng)險(xiǎn)小，勞動強(qiáng)度低，生產(chǎn)效率高，節(jié)省鑿巖成本等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)壓力；緩沖壓力；沖擊；防卡釬；沖渣壓力1、引言露天鉆機(jī)的鉆孔基本原理是：由鑿巖機(jī)產(chǎn)生沖擊和回轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動，通過鉆桿、連接套等組成的鉆具鏈將這兩種運(yùn)動傳遞給鉆頭；沖擊動作使巖石破碎，而回轉(zhuǎn)作用將

2、破碎巖石磨成更小的顆粒；同時通過高壓空氣將巖石顆粒快速吹出而成孔。用戶對鉆機(jī)的要求一般體現(xiàn)在下面幾個方面：(1)盡可能高的鑿巖速度和成孔要求；(2)排渣充分及時，保證鉆孔過程平滑順暢不卡鉆；(3)節(jié)省鉆具和較高的整機(jī)耐用度。瑞典Atlas Copco公司生產(chǎn)的ROC D7 是目前世界上較為先進(jìn)的一種全液壓露天鉆機(jī)，適用于露天礦山生產(chǎn)、建筑工程中的土石方開挖、采石場取料及邊坡處理等各項(xiàng)工作，其鉆孔孔徑范圍64115mm 。1因其具有復(fù)雜地層的安全鉆進(jìn)性能而深受用戶歡迎。 ROC D7鉆機(jī)的控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)壓力控制推進(jìn)、自動防卡鉆系統(tǒng)、沖渣壓力自動調(diào)節(jié)、緩沖壓力控制沖擊、低壓開孔等各種保護(hù)功能

3、。2這樣就可以確保該機(jī)在遇到鉆進(jìn)困難時，控制系統(tǒng)會根據(jù)回轉(zhuǎn)壓力、推進(jìn)壓力和緩沖壓力等的變化，自動調(diào)整推進(jìn)壓力及沖擊壓力，進(jìn)行低壓沖擊，甚至推進(jìn)返回，這樣就大大提高了鉆具使用壽命，降低了卡鉆、丟失鉆具的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省鉆具，提高成孔率，降低了鑿巖成本。2、鑿巖保護(hù)功能介紹2.1回轉(zhuǎn)壓力控制推進(jìn)（RPC-F）由于巖層內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)巖層變化使鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)阻力增大，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)速度大幅度下降而回轉(zhuǎn)壓力升高，使鑿速下降，反之，當(dāng)推進(jìn)壓力變小時，鉆頭頂緊巖石的壓力不足，沖擊能量不能完全傳遞到巖石，使得鑿速變慢，鉆具損耗加大。而ROC D7控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)RPC-F功能，使推進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)速度根據(jù)巖層軟硬自

4、動調(diào)節(jié)，提高了鉆機(jī)在不同巖層中的鑿速，延長鉆具的使用壽命，并有初步防止卡鉆的發(fā)生的功能。RPC-F(Rotation Pressure Controlled Feed) 的意思是回轉(zhuǎn)壓力控制推進(jìn)動作（見圖 4），在鉆孔過程中，由于巖層的變化，如果回轉(zhuǎn)壓力升高，超過RPC-F先導(dǎo)閥的設(shè)定值（約5 MPa），該閥閥芯將被推動，控制推進(jìn)壓力的先導(dǎo)油就會部分通過 RPC-F 閥的節(jié)流腔從低推進(jìn)壓力溢流閥流出，推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度相應(yīng)降低。根據(jù)回轉(zhuǎn)壓力超過RPC-F 閥設(shè)定值的程度不同，RPC-F 閥的閥芯在關(guān)閉和全開位置之間變動，使推進(jìn)壓力在高推進(jìn)壓力（約7MPa）和低推進(jìn)壓力（約4 MPa）之間平滑過

5、渡，使回轉(zhuǎn)壓力保持在一個相對穩(wěn)定的數(shù)值，從而提高了鉆機(jī)適應(yīng)復(fù)雜巖層的能力。在鉆進(jìn)過程中，如果因巖層構(gòu)造復(fù)雜而使回轉(zhuǎn)壓力升高，RPC-F功能不能解決則回轉(zhuǎn)壓力繼續(xù)升高，可能導(dǎo)致回轉(zhuǎn)停止，鉆具卡在巖層中進(jìn)退不得，便形成卡鉆?？赡軐?dǎo)致卡鉆的因素有以下幾種：巖層有裂縫或空隙，導(dǎo)致鉆頭順縫隙鑿入，使鉆孔偏斜；空壓機(jī)氣壓和排氣量不夠，巖粉不能正常排出；巖層太破碎夾帶大量沙土，巖渣掉落回填鉆具周圍；潮濕的巖層，巖粉粘結(jié)導(dǎo)致排粉不暢；推進(jìn)壓力設(shè)定過高或回轉(zhuǎn)速度設(shè)定過快與沖擊功率不匹配等?？ㄣ@嚴(yán)重妨害的鉆孔工作的進(jìn)行，也易導(dǎo)致鉆具丟失等損失。鑒于實(shí)際鉆進(jìn)過程中可能發(fā)生的上述情況，ROC D7控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了自動

6、防卡鉆保護(hù)系統(tǒng)。如果RPC-F功能啟動后，回轉(zhuǎn)的情況沒有改善，回轉(zhuǎn)壓力繼續(xù)升高，自動防卡鉆系統(tǒng)就會啟動，來防止卡鉆情況的發(fā)生，該部分功能由液壓系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)雙重控制。圖 1 中當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力高過另外一個防卡鉆控制閥的設(shè)定壓力（約8 MPa）后，該閥將先導(dǎo)壓力油供給B134壓力開關(guān)，B134壓力開關(guān)觸發(fā)，通過PLC控制Y109防卡電磁閥換向，使推進(jìn)油缸縮回，回轉(zhuǎn)阻力減小，回轉(zhuǎn)壓力降低，低于防卡鉆控制閥設(shè)定值（約8 MPa）后推進(jìn)可以繼續(xù)向前推進(jìn)，這樣卡鉆現(xiàn)象將不會繼續(xù)發(fā)展，如此多次循環(huán)使鉆具逐漸通過易卡鉆巖層。防卡鉆的另一重功能在氣動系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)：圖 2 中如果鉆孔時沖渣排氣不暢，節(jié)流閥前后的壓力差就

7、會下降，下降超過壓力開關(guān)B142的額定值時，B142觸發(fā)，B142通過PLC控制Y109防卡電磁閥換向，使推進(jìn)油缸倒退，等沖渣排氣暢通后推進(jìn)油缸繼續(xù)向前推進(jìn)，這樣多次循環(huán)而避免卡鉆。圖 1回轉(zhuǎn)壓力控制推進(jìn)2.3（鑿巖機(jī)）緩沖壓力控制沖擊壓力。 圖 2沖渣壓力自動調(diào)節(jié)在鉆進(jìn)過程中，沖擊能量通過釬尾、鉆桿傳遞給鉆頭來破碎巖石，鑿巖機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)的作用是將反沖能量通過蓄能器柔化轉(zhuǎn)換成液壓能被吸收，也可將吸收能量存貯用于下一次沖擊，而避免對鉆具產(chǎn)生剛性的沖擊。因?yàn)镽OC D7鉆機(jī)所配的COP1838鑿巖機(jī)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，緩沖壓力直接反映了鉆頭的頂緊程度,鉆頭頂緊巖石，緩沖壓力增大，沖擊能量能夠很好地傳遞到巖石

8、，破碎效果好；鉆頭沒有頂緊巖石，緩沖壓力較小，沖擊能量不能完全傳遞到巖石，破碎效果差，沖擊能量被鉆具吸收，鉆具損耗大。因此該鉆機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)緩沖壓力控制沖擊壓力功能。緩沖系統(tǒng)由1 號泵通過一個節(jié)流閥供油。緩沖壓力是由鑿巖機(jī)里的一個減振活塞的節(jié)流腔產(chǎn)生的，鉆頭頂緊力越大，減振活塞往內(nèi)壓得越多，節(jié)流腔減小，緩沖壓力增大，反之緩沖壓力減小。也就是說在鉆孔時，緩沖壓力的大小直接反映了鉆頭的頂緊程度。在釬尾不受力處于浮動位置時，調(diào)整節(jié)流閥使得鑿巖機(jī)緩沖壓力略大于3.5 MPa。 在沖擊回路里（見圖 3），當(dāng)緩沖壓力低于3.5 MPa 或高于12 MPa時，邏輯閥I或邏輯閥J 動作，沖擊先導(dǎo)油路切斷，沖

9、擊停止。這種狀況表明緩沖回路不正常需要檢查，此時不允許沖擊而起到保護(hù)鑿巖機(jī)的作用。需要說明的是，在不鉆孔時由于緩沖壓力的設(shè)定大于3.5 MPa，所以此時鑿巖機(jī)可以打空錘包括重錘，會對鑿巖機(jī)釬尾造成傷害，這種操作主要用于卸鉆桿，應(yīng)當(dāng)盡量避免。在正常鉆進(jìn)過程中，根據(jù)緩沖壓力的大小實(shí)現(xiàn)低壓沖擊和高壓沖擊的自由轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換值初步設(shè)定為5 MPa），這樣降低了能量損耗并延長鑿巖機(jī)和鉆具的壽命。圖 4 中控制正向回轉(zhuǎn)的先導(dǎo)油將邏輯閥D 打開，而此時邏輯閥C 不動作。高低壓沖擊取決于邏輯閥A 是否動作。當(dāng)巖石較硬，鉆頭頂緊力大，緩沖壓力高于5 MPa，邏輯閥A關(guān)閉，進(jìn)行高壓沖擊，當(dāng)巖石很軟或有空洞時，推進(jìn)壓力

10、和鉆頭頂緊程度下降，于是緩沖壓力也下降，低于5MPa時，邏輯閥A打開，自動轉(zhuǎn)換為低壓沖擊。這也是ROC D7鉆機(jī)相對于以前機(jī)型的“推進(jìn)壓力控制沖擊”功能3 圖 3緩沖壓力控制沖擊 改進(jìn)的一個方面，由于推進(jìn)機(jī)構(gòu)傳動的原因，推進(jìn)壓力并不能很直接地反映鉆頭的頂緊程度，比如說由于某種原因?qū)е峦七M(jìn)不暢時，實(shí)際鉆頭對巖石的頂緊力很小，此時推進(jìn)壓力卻可能比較高，因而不能減小沖擊壓力起到保護(hù)鑿巖機(jī)和鉆具的作用。而緩沖壓力直接反映了鉆頭的頂緊程度，因此“緩沖壓力控制沖擊壓力”相對“推進(jìn)壓力控制沖擊壓力”有更直接更可靠的保護(hù)能力。另外該部分液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)還具備了這樣一個功能：在鉆孔開始時，打開低壓沖擊開關(guān)，邏輯閥C

11、和邏輯閥E同時動作，邏輯閥A此時不能被觸發(fā)，沖擊壓力必然為低壓，推進(jìn)壓力油通過邏輯閥E打開低壓溢流閥，所以推進(jìn)壓力也為低壓。該功能主要用于開孔，為鉆鑿深孔打下良好的基礎(chǔ)，避免鉆鑿深孔時出現(xiàn)偏斜，提高了深孔成孔率。綜上所述由于緩沖壓力控制沖擊壓力的功能，使該鉆機(jī)具備了以下特點(diǎn)：能量損耗小，鑿巖機(jī)和鉆具使用壽命長，對于釬尾的保護(hù)作用尤其明顯；沖擊和推進(jìn)兩個動作能夠根據(jù)巖石狀況較好的自動匹配，較高的鑿巖效率；良好的深孔成孔率。圖 4旋轉(zhuǎn)壓力控制推進(jìn)和緩沖壓力控制高低沖擊三、國內(nèi)用戶使用情況通過對向家壩、溪洛渡、官地等水電站建設(shè)工地，神華寧煤露天煤礦生產(chǎn)工地鉆孔設(shè)備的調(diào)研，用戶反映ROC D7鉆機(jī)操作靈活方便，鑿孔速度快，鉆具消耗低，有效地減少了卡鉆等情況的發(fā)生，自動調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，工作范圍廣，生產(chǎn)效率高。至2008年國內(nèi)ROC