基于推进压差和回转压力变化的钻孔参数自动匹配系统设计

刘在政, 廖金军, 胡 骞

(中国铁建重工集团有限公司， 湖南 长沙 410100)

0 引言

随着国家基础设施建设规模不断扩大，山岭隧道工程也越来越多，面临的岩层情况更加复杂多样。凿岩台车作为钻爆法施工的核心设备，其冲击回转凿岩参数的匹配已经成为影响钻进效率的重要因素[1]。19世纪60年代初，Rinehart等[2]通过冲击玻璃试验，总结出不同冲击参数对玻璃裂纹生长的影响规律，特别对凿碎玻璃时的钻具前进速度进行了详细研究；Cavanough等[3]研究了不同推进压力对钻进速度的最优化控制，以钻进速度最大、钻孔偏斜最小为目标，得出了推进压力与钻进速度、旋转压力之间的相互影响规律； 祝效华等[4]对活塞、钻头与岩石之间的仿真模型进行分析，得出了相同岩石特性下，转头转速、冲击功以及冲击频率等因素对钻头破岩效果的影响； 陈时平[5]在液压凿岩系统配置研究中提出，应根据不同的破岩条件选择合适的凿岩参数和钎具，以达到较优的整体性能，对于提升液压凿岩系统的整体性能具有一定的指导意义； 冯琳[6]以多功能钻机为研究对象，研究了多功能钻机钻进效率与凿岩参数之间的匹配关系。

上述研究对提升凿岩台车钻孔效率起到了一定的作用，但都偏向于研究凿岩钻具对破岩效果的影响，或者是单纯研究凿岩参数对破岩效果的影响，没有在结合破岩机制的基础上对凿岩参数的自动匹配进行深入探讨。为促进凿岩台车最大限度地发挥工作性能，提高凿岩台车钻孔质量和钻孔破岩的效率，本文分析不同的冲击能量、钻头回转压力、钻进速度、推进力大小等因素对钻进效率的影响，得到最优钻进状态下凿岩参数的匹配关系，在此基础上，设计一种能根据不同岩层自动匹配出最佳凿岩工作参数的系统，并以某型凿岩台车为对象，验证该系统的可行性。

1 冲击回转凿岩建模仿真

典型的凿岩钻孔均采用钻头冲击-回转复合运动来实现，其中冲击运动凿碎岩石，回转运动保证每次冲击运动都能凿到新的岩石。因此，冲击回转凿岩系统包含冲击器、钻杆、钻头和岩石，其中冲击器能提供冲击-回转复合运动，钻杆将这种复合运动传递到钻头；另外，还需要对冲击器施加稳定的推进力，以保证钻头与岩石的良好接触。为量化分析冲击压力、推进力和推进速度之间的内在联系，需对冲击回转凿岩系统进行建模分析。

1.1 模型建立

冲击器的内部结构复杂，其中主要输出冲击力的结构是冲击活塞，因此，直接定义冲击活塞的输出就能模拟冲击器的输出，钻头回转动作则直接加在钻杆上即可。仿真模型如图1所示，模型中包含冲击活塞、钻杆、钻头、岩石4部分，略去凿岩机壳体和回转机构。对钻头和冲击活塞的细小结构进行简化处理，并细化岩石与钻头接触部分的网格，冲击活塞、钻杆、钻头和岩石都采用8节点的Solid164单元。

图1 冲击回转凿岩系统仿真模型

1.2 凿岩过程仿真结果分析

仿真计算的初始化条件为： 冲击活塞、钻杆和钻头采用弹性模量为206 GPa的线弹性本构模型，泊松比为0.3，密度为7.8 g/cm3，所采用的钻头为φ45 mm常用球齿钻头，球齿直径为5 mm。

仿真计算的边界条件为： 钻杆与冲击活塞之间的接触为面对面的自动接触，在钻杆尾部施加推进力以及绕其轴线方向的转速和转矩； 钻头与岩石之间设定为侵蚀接触，以确保后续的单元与钻头形成连续接触； 岩石底部的约束为固定约束，岩石模型中，不与钻头接触的另外5个面都设定为无反射边界。

通过对冲击活塞施加不同的打击初速度来改变冲击能量，以相同钻进速度为目标，以岩石的硬度、损伤性能参数和冲击能量为变量，进行正交仿真[7-9]，可得到破岩过程中的影响因素曲线，如图2所示。

图2 不同岩石等级下破岩所需的冲击压力曲线

Fig. 2 Curve of impact pressure required for rock breaking under different rock grades

由图2可知，为了维持同样的钻进速度，岩石等级与冲击压力呈正相关，随着岩石等级增加，所需的冲击压力逐渐加大。因此，施工时要根据岩层情况选择冲击压力： 岩层较软时，采用低冲击压力，能够有效防止卡钎； 岩层较硬时，采用高冲击压力，能够有效提高凿岩效率。但是，只有在岩石足够硬的情况下，每次冲击所产生的能量才能被充分利用[10-11]，因此，在岩石比较软的情况下，必须降低冲击压力(冲击功率)，才能避免凿岩机提供的能量消耗在自身缓冲机构中[12]。

取岩石抗压强度为122.23 MPa，弹性模量为46.31 GPa，泊松比为0.3，抗拉强度为9.5 MPa，密度为 2.63 g/cm3。为充分利用冲击能量破岩，以冲击压力、推进力作为变量，以钻杆刚好不发生弯曲为目标，进行正交仿真，可得到凿岩过程中冲击压力与对应推进力的关系曲线，如图3所示。

由图3可知，推进力必须与冲击压力相匹配，随着冲击压力增大，所需的推进压力也要相应增加。在钻头类型和钻孔直径一定的前提下，现场应根据不同的岩石等级，调整合适的冲击压力，并调节推进力使钻头与孔底始终保持良好接触，这样才能达到最优钻进速度。

图3 冲击压力与对应推进力关系曲线

Fig. 3 Curve of relationship between impact pressure and propulsion pressure

2 钻孔参数自动匹配控制系统

2.1 基于推进压差的冲击压力自动匹配控制系统

由仿真结果可知，为获得较好的钻进效果，冲击压力要与岩石硬度呈明显的正相关，且在冲击压力由低到高逐渐增加的过程中，推进力也应随之增加。

欲同时满足上述要求，需考虑在台车实际钻孔过程中推进油缸两腔压差与岩石硬度的关系： 当岩石硬度提高时，钻头单次侵入度减小，推进阻力增大，推进油缸大腔压力上升，而小腔压力基本不变，导致推进油缸两腔压差增大； 当岩石硬度降低时，钻头单次侵入度增大，推进阻力减小，推进油缸大腔压力下降，导致推进油缸两腔压差减小。因此，只需建立推进油缸大腔-小腔压差与冲击压力之间的变化关系即可。

基于推进压差的冲击压力自动匹配原理如图4所示。图4中，1#阀为2位3通的液控调压阀，其左右液控腔的压力分别来自推进油缸大腔A1和小腔A2，当推进油缸两腔压差发生变化时，1#阀可稳定在左右两位间的任意位置。V3口为冲击压力先导控制油口，控制油经3#减压阀输入到1#阀V1口，再从V2口经2#溢流阀流回油箱。V3口的压力输出处在V1口和V2口的压力之间： 1#阀越接近左位，V3口的压力就越接近V2口的压力； 1#阀越接近右位，V3口的压力就越接近V1口的压力。因此，推进油缸两腔压差越大，V3口的压力pv3就越接近3#阀的设定压力pv1，即高冲压力； 推进油缸两腔压差越小，pv3的压力就越接近2#阀的设定压力pv2，即低冲压力。

将2#溢流阀压力设定为10 MPa，3#减压阀压力设定为15 MPa，对所设计阀组进行实地测试,可得推进油缸两腔压差(pA1-pA2)与V3口的压力(pv3)之间的关系曲线，如图5所示。由图5可知，pA1-pA2处于1.5～4.5 MPa时，与pv3之间具有良好的线性关系，压差大于4.5 MPa之后，pv3的增加非常缓慢。分析现场情况可知，遇到硬岩后，pA1-pA2的值基本接近4.5 MPa，再增大推进压差只会造成钻杆弯曲变形，若要进一步增大pv3的值，只需将高冲压力pv1调高即可。

1#—压力调节阀; 2#—低冲溢流阀; 3#—高冲减压阀。

图4基于推进压差的冲击压力自动匹配液压控制系统原理图

Fig. 4 Sketch of working principle of impact pressure automatic matching hydraulic control system based on propulsion pressure difference

图5推进油缸两腔压差(pA1-pA2)与V3口压力(pv3)之间的实测关系曲线

Fig. 5 Curve of relationship between pressure difference of two cavities of thrust cylinder (pA1-pA2) and pressure of valve port V3(pv3)

为保证凿岩机正常凿岩的效率，同时又能在岩层出现空洞时快速改变冲击压力，可调节1#压力调节阀的弹簧，使正常凿岩时凿岩机刚好能达到高冲压力。一旦钻进过程中推进压差出现变化，1#阀芯在压差作用下产生位移，就能实现冲击压力的自动调整。

2.2 基于回转压力的预防卡钎系统

在台车钻孔过程中，由于岩层突变或排渣不畅，时常发生卡钎。虽然导致卡钎的原因有很多，但是在即将发生卡钎时钻杆回转转矩都会增大[13]。为避免进一步卡钎，应立刻降低钻孔速度，如果回转转矩逐步减小，就可逐步增大钻孔速度； 如果回转转矩仍然增大，则应当快速回退钻杆至低回转负载区[14]。因此，需要建立回转负载与推进油缸换向之间的联系。

基于回转压力的预防卡钎系统原理如图6所示。图6中，1#阀为3位5通换向阀，默认工作位在右位，右端弹簧机械复位，左边液控换向腔经4#单向节流阀与回转马达进油连通； 右边有弹簧腔和FS腔2部分，其中弹簧腔的压力来自2#减压阀，FS腔经4#单向节流阀与回转进油连通，同时分出一路与水流监测常闭开关阀连通。当凿岩进水流量偏小时，水流监测开关阀就会打开，导致FS腔快速泄压。

1#—防卡钎换向阀; 2#—减压阀; 3#—固定节流阀; 4#—单向节流阀。

图6基于回转压力的预防卡钎液压控制系统原理图

Fig. 6 Sketch of working principle of drill jamming prevention hydraulic control system based on rotary pressure

对于1#防卡钎换向阀：

FFS+F簧=F左。

(1)

式中：FFS为FS腔油液作用力；F簧为弹簧腔油液作用力，其大小可通过调节2#减压阀改变；F左为左腔油液作用力。

FFS与F簧之和为阀芯右端受到的力，F左为阀芯左端受到的力。正常工作状态下，阀芯左右两端的力相等，阀芯不动； 当即将发生卡钎时，进入回转马达的压力就会增大，此时F左也会增大，从而推动阀芯向右运动，调低进入推进油缸大腔的进油流量，降低钻杆前进速度。如果回转负载逐步减小，在弹簧的作用下，阀芯会逐渐复位，逐步恢复钻孔速度； 如果回转负载依然增大，阀芯就会进一步向右换向，直至停止推进油缸大腔进油，甚至换向为小腔进油、大腔回油，使钻杆快速回退，避免卡钎。当凿岩进水流量偏小时，会触发水流监测开关阀打开，使FS腔快速泄压，导致FFS瞬间减小，阀芯迅速换向，使钻杆快速回退，避免缺水钻孔并保护钎具。

将2#减压阀压力设定为7.5 MPa，对所设计的阀组进行实地测试，可得推进油缸大腔进油流量与回转马达进油压力关系曲线，如图7所示。由图7可知，随着回转马达进油压力逐渐增大到9.5 MPa，推进油缸大腔进油流量开始下降，此时阀芯开始换向； 当压力进一步增大时，流量快速下降到0，此时阀芯处于中位，停止推进； 当压力再增大时，流量变为负值，说明阀芯已经换向，推进油缸变为小腔进油、大腔回油。

图7推进油缸大腔进油流量与回转马达进油压力的关系曲线

Fig. 7 Curve of relationship between oil inlet flow of large cavity of thrust cylinder and oil pressure of rotary motor

随着减压阀设定值的不同，阀芯换向的压力就会不同，因此可以根据不同岩层情况进行卡钎压力的调整，增强其适应性。

3 实际钻孔过程中参数匹配关系测试

将所设计的钻孔参数自动匹配控制系统用于某型凿岩台车，实测钻孔凿岩过程中的冲击压力、推进压力、回转压力等参数。钻孔围岩等级为Ⅱ—Ⅲ，钻头直径为45 mm，钻孔速度为2.5～3 m/min。钻孔过程中各主要钻孔参数的变化情况如图8所示。

(a) 钻孔过程中各压力变化曲线

(b) 即将卡钎状态下各压力变化曲线

图8(a)示出钻孔过程中各压力的变化情况。由图8(a)可知： 正常钻孔过程中，推进油缸小腔压力基本不变，冲击压力与推进油缸大腔压力具有非常好的跟随性； 随着推进压差的不断增大，冲击压力由低冲9.5 MPa上升至高冲16.5 MPa； 在推进压差出现拐点时，冲击压力也紧随着出现拐点，说明系统响应情况良好。

图8(b)示出钻孔过程中即将卡钎状态下各压力的变化情况。由图8(b)可知： 一旦回转压力出现突然增大的情况，推进油缸大腔压力就会立即减小，冲击压力也会随之下降，当回转压力达到15 MPa时，甚至会出现小腔压力增大、大腔压力减小的现象。这说明为了避免卡钎，在钻孔过程中出现了推进油缸停止推进并开始回退的情况。

4 结论与讨论

1)凿岩速度与冲击压力、推进压力和回转压力的关系十分紧密，需根据岩层情况选择冲击压力。岩层较软时，采用低冲击压力，能够有效防止卡钎； 岩层较硬时，采用高冲击压力，能够有效提高凿岩效率。推进力必须与冲击压力相匹配，调整合适的推进力使钻头与孔底始终保持良好接触，才能达到最优钻进速度。

2)基于推进压差的冲击压力自动匹配系统能保证冲击压力与推进油缸大腔压力具有很好的跟随性，且能保证系统具有良好的响应速度； 随着回转压力增大，预防卡钎系统可判别卡钎状态，并准确做出减缓钻孔速度、停止推进、开始回退等响应动作。

3)本文仅对凿岩工作过程中推进力、冲击压力和回转压力等主要工作参数的匹配系统进行研究，后续工作中，将对包括回转速度、水气排渣等参数的自动匹配系统作进一步研究。