旋挖钻机主卷扬掉钻杆问题研究

张焰明，胡堂堂ZHANG Yan-ming, HU Tang-tang(北京南车时代机车车辆机械有限公司，北京 102249)

旋挖钻机主卷扬掉钻杆问题研究

张焰明，胡堂堂
ZHANG Yan-ming, HU Tang-tang
(北京南车时代机车车辆机械有限公司，北京 102249)

[摘 要]针对旋挖钻机施工过程中常遇到的“掉钻杆”问题，基于对现场故障的调研及数据分析，从液压原理出发分析产生故障的原因，分别对主卷扬下放及提升钻杆过程中“掉钻杆”故障产生的机理进行详尽阐述，并分别给出了解决“掉钻杆”问题切实可行的措施。

[关键词]旋挖钻机；掉钻杆；主卷扬；施工；故障

1 故障描述

一台旋挖钻机在施工中，当扳动主卷扬手柄做下放动作时，钻杆以极快的速度下落砸向地面，此时即使将手柄扳向中位做停止动作，钻杆也不能停下来。当钻杆停在半空中，扳动主卷扬手柄做提升动作时，卷扬带动钻杆不但不向上提升，反而以极快的速度下落砸向地面，将手柄扳至中位仍无法停止下落。这个问题被称作“掉钻杆”，这种现象在春夏秋季节的施工中偶尔出现，但在冬季施工中经常出现，严重影响施工进度。

2 主卷扬工作原理

旋挖钻机主卷扬液压系统见图1。

2.1 主卷扬下放

向前扳动主卷扬手柄，输出控制油通向主阀的控制口右端，主阀换向至右端位置，泵输出的液压油，经BVD平衡阀A口及单向阀通向马达的A1口，马达回油经B1口通向BVD平衡阀的E口，同时来自A口的液压油控制BVD平衡阀阀芯右移，阀口开启，使E和G接通，从平衡阀B口流出，经主阀回油口流回油箱。马达转动，带动主卷扬做下放动作。由于主卷扬下放是负负载，下放时的进口压力较小，使平衡阀阀口开启的开口量较小，E口产生足够大的背压压力（E口压力远大于A1口压力），使马达产生较大的反扭矩，与钻杆的重力产生的扭矩相平衡，使钻杆以可控的速度下放，避免失速。

图1 旋挖钻机主卷扬液压系统

2.2 主卷扬提升

向后扳动主卷扬手柄，输出控制油通向主阀的控制口左端，主阀换向至左端位置，泵输出的液压油，经BVD平衡阀B口及单向阀通向马达的B1口，马达回油经A1口通向BVD平衡阀的F口，同时来自B口的液压油控制BVD平衡阀阀芯左移，阀口开启，使F和G接通，从平衡阀A口流出，经主阀回油口流回油箱。马达转动，带动主卷扬做提升动作。由于主卷扬提升钻杆是正负载，提升时的进口压力较大，使平衡阀阀口开启后的开口量为最大，阀口压力损失较小，F口的压力很小，使马达进出口的压差较大，足以使马达产生较大的扭矩提升钻杆。

3 主卷扬掉钻杆原因分析

旋挖钻机在冬季施工时，由于温度太低，液压油的粘度增大，造成BVD平衡阀的阀芯换向移动和复位速度过慢。

在进行主卷扬下放动作时，BVD平衡阀的阀芯换向迟缓，E口与G口未能迅速接通，在马达的A1口建立起较高的压力，使马达B1口与A1口压差减小，导致马达产生的反扭矩减小，不足以抵抗钻杆重力产生的扭矩，在钻杆重力的带动下快速下放，同时由于A1口压力较高，又促使平衡阀阀芯开启较大的开口，F口的压力迅速降低，产生的背压更小，甚至还会造成B1口压力小于A1口压力，致使主卷扬下降更快，近似自由落体运动。当速度达到一定时，马达A1口的压力会下降，这时BVD平衡阀的阀芯在复位弹簧的作用下应该迅速复位，减小开口量，让E口背压增高，让马达产生反扭矩进行制动。但是由于冬季施工时钻机油液粘度大造成BVD阀芯不能迅速复位，F口不能迅速建立较高的背压，马达不能产生较大的反扭矩，致使主卷扬下降加快，当主泵供油不能满足马达的需要时，马达发生吸空现象，马达柱塞腔不能充满液压油，建立不起压力，也就无法使马达产生扭矩，马达空转，在钻杆重力的带动下，以自由落体的方式直落到底，重重地砸向地面，导致“掉钻杆”现象发生。

当进行主卷扬提升动作时，BVD平衡阀的换向迟缓，E口与G口未能快速接通，在马达B1口建立较高的压力，致使溢流阀2开启，马达B1口处的液压油通过溢流阀2流向马达A1口，使A1口建立起一定的压力（经测试达到了4MPa），使马达B1口与A1口的压差减小，马达产生的提升扭矩较小，小于钻杆重力产生的扭矩，主卷扬不但不向上提升，反而在钻杆重力的带动下向下做下放动作。虽然经过较短一段时间后E口和G口完全接通，使A1口压力下降，但由于钻杆下降的惯性，B1口压力仍然较高，不能使溢流阀2关闭，仍形成一个马达B1口到马达A1口的液压油路循环，造成钻杆一直向下运动，并且速度会越来越快，直到接触地面后才停止运动。

4 解决方案

1）主卷扬下放掉钻杆解决方案 调节溢流阀3的压力，将压力从35MPa调节至15MPa。由于减小了A1口的压力，增大了B1口与A1口的压差，就可以增加马达的反扭矩，平衡钻杆重力产生的负负载扭矩。同时可减小BVD平衡阀阀芯开启的开口量，减小阀芯的复位时间和避免F口的背压较小，使马达产生足够的扭矩克服钻杆重力产生的扭矩，使主卷扬平稳下降，避免主卷扬下放失速。

2）主卷扬提升掉钻杆解决方案 调节溢流阀2的压力，将压力调节为37MPa（比系统压力高出2MPa）。避免马达的B1口压力达到系统压力时发生溢流，同时还保证主卷扬下放停止时马达产生冲击时溢流阀2能开启溢流，保护马达。由于在主卷扬提升时，溢流阀2开启压力大于系统压力，溢流阀2没有溢流，保证马达的A1口没有压力，马达B1口和A1的压差就有足够大，使马达产生的扭矩能够提起钻杆，不会产生钻杆往下掉的现象。

5 结 论

对旋挖钻机主卷扬系统的液压参数进行调整，将主卷扬下放进油路上的溢流阀的开启压力调定为15MPa，将主卷扬马达上提升进油侧的溢流阀的开启压力调定为37MPa。然后反复对旋挖钻机进行主卷扬的提升下放动作，没有出现主卷扬掉钻杆现象。

（编辑 于 洋）

［中图分类号］TU67

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366(2015)04-0082-02

［收稿日期］2015-04-07

Research of main winch rod-dropping of the rotary drilling rig