舒慧建，吳海林，李勇濤

（1．衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 衢州324000；2.浙江開(kāi)山釬具有限公司，浙江 衢州324000；3.浙江開(kāi)山重工股份有限公司，浙江 衢州324000）

1 引言

采礦業(yè)是支撐國(guó)家工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性關(guān)鍵行業(yè)。潛孔鉆車(chē)是目前礦山爆破孔鉆鑿的主流設(shè)備，鉆車(chē)推進(jìn)和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)是整車(chē)的核心，關(guān)系到整機(jī)鉆鑿爆破孔的效率和質(zhì)量。同時(shí)，推進(jìn)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)也是接卸扣系統(tǒng)的重要組成部分，如何設(shè)計(jì)好接卸扣系統(tǒng)，關(guān)系到接卸扣效率以及鉆桿螺紋的防護(hù)。本文在普通潛孔鉆車(chē)推進(jìn)/回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出一種柔性接卸扣液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，旨在避免鉆桿螺紋在接卸扣過(guò)程中的重度磕碰，降低鉆桿螺紋的磨損，提高其使用壽命，減少螺紋失效造成的鉆孔事故。該方案的提出具有十分重要的實(shí)踐意義。

2 研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外鑿巖鉆車(chē)螺紋保護(hù)方案中，常采用的技術(shù)方案有三種：

方案一，在回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭與鉆桿之間增設(shè)鉆桿浮動(dòng)接頭，該方案需要增加推進(jìn)梁長(zhǎng)度，井下狹窄作業(yè)空間及現(xiàn)有產(chǎn)品的升級(jí)改進(jìn)較為困難，同時(shí)浮動(dòng)接頭是機(jī)械結(jié)構(gòu)，必定存在磨損、漏氣、斷裂等現(xiàn)象，會(huì)增加使用成本。

方案二，在推進(jìn)液壓回路中使用具有H 型中位機(jī)功能的換向閥以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的液壓浮動(dòng)，該方案在潛孔鉆車(chē)中并不常見(jiàn)，因?yàn)殚y置于中位時(shí)，推進(jìn)油缸大、小腔通過(guò)閥連通，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)推進(jìn)回路的液壓浮動(dòng)，但在鉆鑿豎直孔時(shí)因回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭及鉆桿的重力作用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭在推進(jìn)梁上的靜置保持。當(dāng)接扣方向與重力方向相反時(shí)，無(wú)法控制動(dòng)力頭運(yùn)行，操作并不方便。

方案三，通過(guò)采用變量泵加比例閥控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)與回轉(zhuǎn)速度的匹配，該技術(shù)方案目前主要應(yīng)用于全液壓頂錘式鉆車(chē)上，市場(chǎng)上運(yùn)用該技術(shù)方案的潛孔鉆車(chē)幾乎沒(méi)有，即使在國(guó)外老牌的鉆車(chē)生產(chǎn)企業(yè)如安百拓（原：阿特拉斯·科普柯）、山特維克、古河等品牌潛孔鉆車(chē)產(chǎn)品中也未見(jiàn)采用該技術(shù)方案。其原因是目前普通潛孔鉆車(chē)普遍使用齒輪泵定量系統(tǒng)，該方案設(shè)計(jì)困難。同時(shí)，潛孔鉆桿螺紋主要采用石油鉆桿標(biāo)準(zhǔn)，相比頂錘式全液壓沖擊釬桿螺紋，其螺距小很多，實(shí)際使用中回轉(zhuǎn)/推進(jìn)速度匹配困難。

3 螺紋受損原因分析

造成鉆桿螺紋在工程實(shí)際使用中失效的原因非常復(fù)雜，主要原因有鉆孔環(huán)境條件、鉆桿質(zhì)量、操作工技能、鉆孔參數(shù)、鉆車(chē)技術(shù)水平等。由于潛孔鉆車(chē)在作業(yè)過(guò)程中需要頻繁進(jìn)行接卸扣作業(yè)，接卸扣造成的螺紋受損的情況尤為普遍，其原因主要有: 機(jī)械接卸扣時(shí)螺紋間的高速?zèng)_擊、鉆車(chē)回轉(zhuǎn)/推進(jìn)速度及壓力的不匹配、螺紋過(guò)度磨損等。

3.1 螺紋接觸時(shí)的高速?zèng)_擊

潛孔鉆車(chē)在完成鉆孔作業(yè)后需要將孔底的鉆桿逐根提升出孔口進(jìn)行拆卸作業(yè)，回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭在液壓執(zhí)行元件的帶動(dòng)下快速接近孔口鉆桿，此時(shí)，如果動(dòng)力頭不提前減速，兩根鉆桿的內(nèi)、外螺紋會(huì)以極高的速度碰撞接觸，活動(dòng)鉆桿的速度會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)降到零，由沖量定理可知，鉆桿螺紋承受的沖擊力將非常大。由于該過(guò)程中發(fā)生的碰撞為剛性碰撞，且碰撞時(shí)長(zhǎng)通常為百分之幾秒，螺紋間承受的沖擊力極大，其中沖擊力的大小可通過(guò)公式（1）計(jì)算。同時(shí)，在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)生的偏心碰撞，易造成鉆桿螺紋的磕碰損傷加劇。

式中 F——沖擊力

m——質(zhì)量

Δv——速度變化量

t——碰撞時(shí)長(zhǎng)

因此，降低螺紋接觸時(shí)的相對(duì)速度能夠有效地降低螺紋接觸時(shí)的沖擊力。

3.2 回轉(zhuǎn)/推進(jìn)速度及壓力的不匹配

目前國(guó)內(nèi)礦山使用的潛孔鉆車(chē)的接卸扣過(guò)程普遍依賴(lài)人工作業(yè)，難以實(shí)現(xiàn)鉆桿螺紋在接卸扣過(guò)程中的回轉(zhuǎn)與推進(jìn)速度的匹配。同時(shí)，由于推進(jìn)壓力已設(shè)定（通常為鑿巖最大壓力），造成摩擦力大，加劇鉆桿的磨損，降低鉆桿的使用壽命。著名學(xué)者Archard 研究認(rèn)為，材料間的磨損量可以通過(guò)下式計(jì)算得出[1]

式中 W——材料的磨損量

K——磨損系數(shù)

s——滑動(dòng)距離

P——正壓力

Pm——材料的流壓力（近似于材料硬度）

圖1 中，有

圖1 鉆桿螺紋受力圖

式中 F內(nèi)螺紋——內(nèi)螺紋的軸向受力

Fn——外力Fs/n的法向分力

Ft——外力Fs/n的切向分力

α——螺紋的螺旋角

目前市面上大量使用的潛孔鉆車(chē)并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的接卸扣系統(tǒng)，普遍通過(guò)操作工人操縱潛孔鉆車(chē)的推進(jìn)、 回轉(zhuǎn)閥來(lái)控制動(dòng)力頭運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)，接扣時(shí)推進(jìn)壓力的最大值等同于潛孔鉆車(chē)鉆孔時(shí)的最大推進(jìn)力，卸扣時(shí)的提升力則等同于潛孔鉆車(chē)的最大提升力，以此過(guò)高的壓力設(shè)定會(huì)導(dǎo)致接卸扣過(guò)程中螺紋的磨損加劇，極大地縮短鉆具的使用壽命。因此，在接卸扣過(guò)程中降低推進(jìn)軸壓力可以有效減小螺紋磨損。

4 柔性接卸扣系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

潛孔鉆車(chē)推進(jìn)/回轉(zhuǎn)壓力控制的柔性接卸扣系統(tǒng)在普通潛孔鉆車(chē)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制推進(jìn)系統(tǒng)壓力以及速度來(lái)有效避免螺紋接卸扣的高速?zèng)_擊及回轉(zhuǎn)/推進(jìn)速度及壓力參數(shù)不匹配等問(wèn)題，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2 所示。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：在卸扣過(guò)程中，回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭高速接近被接鉆桿，通過(guò)推進(jìn)導(dǎo)軌前端設(shè)置的接近傳開(kāi)關(guān)控制兩位兩通電磁閥3 得電，電磁閥3 右位動(dòng)作，推進(jìn)油路節(jié)流閥2 作用，此時(shí)通向推進(jìn)油缸的油路被節(jié)流，推進(jìn)油缸速度減慢，回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭減速后與待接鉆桿接合，避免螺紋間的高速?zèng)_擊。與此同時(shí)，接卸扣壓力閥組6 的電磁閥得電，此時(shí)推進(jìn)系統(tǒng)的最大壓力由先導(dǎo)溢流閥6 設(shè)定，主溢流閥4 控制推進(jìn)油路的最大工作壓力。閥6 壓力的設(shè)定原則是使得油缸的軸向力僅用于補(bǔ)償推進(jìn)結(jié)構(gòu)的摩擦力損失以及動(dòng)力頭的重力，使得推進(jìn)油缸的最大壓力僅用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭作軸向移動(dòng)。此時(shí)鉆桿內(nèi)、外螺紋在動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)動(dòng)作下，其軸線移動(dòng)方向作自適應(yīng)的低壓浮動(dòng)，有效減低軸向正壓力，降低螺紋間的摩擦力。

圖2 柔性接卸扣系統(tǒng)液壓系統(tǒng)圖

5 新舊方案建模及參數(shù)設(shè)置

5.1 普通鉆車(chē)接卸扣系統(tǒng)

普通潛孔鉆車(chē)接卸扣功能一般共用鉆車(chē)鑿巖作業(yè)的推進(jìn)/回轉(zhuǎn)功能，系統(tǒng)主要由液壓及機(jī)械結(jié)構(gòu)兩部分組成，其中液壓系統(tǒng)由液壓泵、推進(jìn)油缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、推進(jìn)閥、回轉(zhuǎn)閥、溢流閥等液壓元件組成，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括鋼絲繩滑輪組件、動(dòng)力頭滑板、鉆桿、鉆桿內(nèi)外接頭、回轉(zhuǎn)減速器等。系統(tǒng)由液壓執(zhí)行元件帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)潛孔鉆車(chē)的推進(jìn)/回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。普通鉆車(chē)接卸扣系統(tǒng)的建模如圖3 所示，液壓系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)主要參數(shù)設(shè)定如表1、表2 所示。

圖3 普通潛孔鉆車(chē)接卸扣系統(tǒng)

表1 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)定

表2 機(jī)械結(jié)構(gòu)主要參數(shù)設(shè)定

5.2 柔性接卸扣系統(tǒng)

柔性接卸扣系統(tǒng)在普通鉆車(chē)系統(tǒng)組成及參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上增設(shè)液壓控制元件以及監(jiān)控動(dòng)力頭位置傳感器。在推進(jìn)液壓回路中設(shè)置節(jié)流閥、兩位兩通控制閥、邏輯控制單元、先導(dǎo)式溢流閥及控制閥組。通過(guò)控制推進(jìn)油路的流量及壓力繼而控制執(zhí)行元件推進(jìn)油缸的速度及推進(jìn)壓力。柔性接卸扣系統(tǒng)主要新增參數(shù)如表3 所示，技術(shù)方案如圖4 所示。

圖4 柔性接卸扣系統(tǒng)

表3 柔性接卸扣系統(tǒng)新增主要參數(shù)設(shè)定

6 新舊系統(tǒng)方案對(duì)比計(jì)算

本文對(duì)普通液壓系統(tǒng)以及裝備有柔性接卸扣系統(tǒng)的潛孔鉆車(chē)作了對(duì)比計(jì)算分析，模型仿真運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為6 s，計(jì)算單步時(shí)間間隔設(shè)置為0.01 s。結(jié)果如圖5 所示。

對(duì)比計(jì)算結(jié)果，普通潛孔鉆車(chē)在接鉆桿時(shí)，動(dòng)力頭接扣前速度穩(wěn)定在0.452 m/s，到1.59 s時(shí)，內(nèi)、外螺紋發(fā)生碰撞接觸，經(jīng)過(guò)0.03 s 到1.62 s 時(shí)刻，螺紋的沖擊力峰值達(dá)到109721.9 N，而后螺紋間的接觸力經(jīng)過(guò)短暫的震蕩，到1.93 s 時(shí)，螺紋間的接觸力穩(wěn)定在44270 N，此時(shí)螺紋間的接觸力為液壓系統(tǒng)設(shè)定的最大推進(jìn)力。

柔性接卸扣系統(tǒng)接扣作業(yè)時(shí)，動(dòng)力頭滑板開(kāi)始同樣以0.452 m/s 的推進(jìn)速度運(yùn)行，在1.34 s時(shí)，內(nèi)、外接頭螺紋扣相距100 mm 時(shí)達(dá)到接近傳感器的設(shè)定閾值，推進(jìn)液壓系統(tǒng)中的二位兩通電磁閥受控右位動(dòng)作，推進(jìn)液壓油路經(jīng)2 mm 節(jié)流閥孔回油，推進(jìn)油缸通過(guò)滑輪系帶動(dòng)回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭作節(jié)流減速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)接卸扣壓力控制電磁閥左位動(dòng)作，推進(jìn)最大壓力降至2 bar。到1.48 s 時(shí)，動(dòng)力頭瞬時(shí)速度降至0.0238 m/s，到2.13 s 時(shí)，動(dòng)力頭速度穩(wěn)定在0.033 m/s，此后鉆桿內(nèi)接頭在動(dòng)力頭的帶動(dòng)下以此速度向鉆桿外接頭靠近，到4.16 s 時(shí)，鉆桿內(nèi)、外接頭接觸，通過(guò)觀察圖5（a）虛線，并沒(méi)有出現(xiàn)急劇升高的沖擊力波峰，說(shuō)明內(nèi)、外螺紋接觸平穩(wěn)。到4.33 s 時(shí)，鉆桿內(nèi)、外螺紋在回轉(zhuǎn)馬達(dá)的帶動(dòng)下以0.004 m/s 的速度相互旋合，有效避免螺紋間的高速碰撞。在整個(gè)接扣過(guò)程中，推進(jìn)壓力始終保持低壓，整個(gè)過(guò)程中內(nèi)、外螺紋間沒(méi)有發(fā)生沖擊碰撞，螺紋的最大接觸力為5644 N。

圖5 柔性接卸扣系統(tǒng)與普通系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

由此可以看出，柔性接卸扣系統(tǒng)能夠在接扣前降低動(dòng)力頭的運(yùn)行速度，進(jìn)而降低鉆桿內(nèi)、外螺紋在接觸過(guò)程中的沖擊力，其最大沖擊力下降94.9%。柔性系統(tǒng)在接扣過(guò)程中螺紋間的摩擦力也由普通系統(tǒng)的4424 N 降低至579 N，下降86.9%。

7 結(jié)束語(yǔ)

潛孔鉆車(chē)在進(jìn)行接卸扣作業(yè)時(shí)，裝備柔性接卸扣系統(tǒng)的鉆車(chē)與普通鉆車(chē)相比較，動(dòng)力頭速度在接扣前主動(dòng)下降92.7%，螺紋間沖擊力下降94.9%，螺紋間摩擦力下降86.9%，新系統(tǒng)可以有效保護(hù)鉆桿螺紋，提高螺紋使用壽命。本技術(shù)方案為潛孔鉆車(chē)接卸扣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供思路、依據(jù)及參考。