潜孔钻机接卸杆方式分析

汪鹏程

(安徽铜冠机械股份有限公司，安徽 铜陵 244061)

潜孔钻机主要用于地下矿山及隧道、水利等岩土工程中进行全方位大直径深孔凿岩。潜孔钻机凿岩过程中，冲击器紧挨钻头潜入孔底，工作时，冲击器释放风能，驱动钻头对岩石进行冲击[1]。冲击器上方联接若干钻杆，钻杆之间通过锥形螺纹相互联接，随着钻杆持续推进，钻孔不断深入，需要频繁进行接卸杆。

1 传统的液压接卸杆过程

1.1 接杆过程

联接钻杆时，先打开卸杆器座上方卡爪，搬运另一根钻杆(待接钻杆)置于卸杆器上，使得上下两钻杆同心，回转头主轴和待接钻杆同心。操作导轨上回转头马达作正向回转运动，同时操作导轨推进油缸运动，使得回转头马达自由缓慢下移(如图1所示)，完成钻杆和钻杆的对接、钻杆和马达主轴的对接。

1.2 卸杆过程

操作推进油缸，将回转头马达上提，使得待拆卸的钻杆从炮孔露出，提至两钻杆联接面可分别被卸杆器的上、下夹紧缸夹紧的位置(如图2所示)，并予以分别夹紧，驱动卸杆油缸，上、下夹紧缸可相对转动一定的角度，实现对两根钻杆间螺纹联接的拧松[2]，只松开上夹紧缸，操作回转头马达反转，至两钻杆螺纹完全脱开，至此两钻杆已分离。

操作上夹紧缸，再次夹紧待拆卸钻杆，回转头反转，松开待拆卸钻杆和回转头主轴联接螺纹，操作推进油缸，将回转头上提至导轨顶部，此时松开上夹紧缸，钻杆即可取下。

图1 潜孔钻机正在安装钻杆Fig.1 DTH drill rig installing drill pipe1—回转头马达；2—回转头主轴；3—钻头；4—冲击器；5—卸杆器总成；6—待接钻杆；7—导轨；8—回转头滑架

图2 潜孔钻机上提钻杆准备拆卸两钻杆联接螺纹Fig.2 Lifting the drill pipe on the DTH drill rig in order to disassemble the two drill pipe connecting threads1—回转头主轴；2—待拆卸钻杆；3—卸杆器；4—冲击器(或钻杆)

卸杆器总成如图3所示。其中卸杆器下座、底板是和导轨固定联接，不能运动。而上方的一对夹紧油缸可在卸杆缸驱动下绕卸杆器轴线转动，用以拧开钻杆螺纹。

图3 卸杆器总成Fig.3 Unloading rod assembly1—卸杆器上座；2—上夹紧油缸(两只)；3—卸杆缸；4—下夹紧油缸(两只)；5—底板；6—卸杆器下座

1.3 设置浮动，避免手动接卸杆过程对钻具螺纹的损坏

接卸杆过程中，当回转头马达旋紧或松开钻具螺纹时，两对接的钻具在轴线方向必然产生相对位移，并且钻具相对转动一圈，钻具前进或后退一个螺距。

手动操作接卸杆，由于推进速度无法控制，钻具螺纹承受推进油缸刚性传递力的影响，相互挤压而容易损坏。如果在接卸钻具螺纹的时候，只有回转头的回转运动，钻具的前进或后退运动处于自由移动状态(即浮动)[3]，根据钻具螺纹相互咬合的需要自动补偿轴线位移，就能避免钻具螺纹的损坏。实现钻具浮动状态主要是通过将推进油缸的无杆腔和有杆腔液压油联通来实现的。如图4所示。

图4 推进液压系统控制方式Fig.4 Advancing hydraulic system control

电磁阀2用来切换推进油缸的运动方向。在接卸钻杆螺纹时，切换电磁阀1(见图4)，使得推进油缸的有杆腔和无杆腔导通，推进油缸处于浮动状态，不考虑重力和摩擦阻力，没有作用力作用在钻具上，联接在回转头上的钻具在导轨方向上处于完全自由运动状态。当导轨上回转头马达回转时，钻具对接的螺纹会根据螺纹旋向产生的轴线运动自由旋紧或脱开，不会损伤螺纹。

2 先进的比例接卸杆方式

采用电液比例控制和PLC编程控制技术，通过参数化设置，使得钻具进行螺纹联接时，钻具转速与轴向位移为一恒定值，即与钻具螺距相同，钻具相对转动一圈，钻具前进或后退一个螺距，从而避免损伤钻具的螺纹[4]。其实施过程如下：

如液压系统(见图5)所示，采用双联电液比例负荷敏感变量泵，对钻机推进系统的回转头马达1和推进油缸2分别供油，比例方向阀4是一种能按照输入的电气信号连续地、按比例地对油液的流量进行远距离控制的阀[5]，通过将推进和回转的工作流量输入到PLC控制器中处理，以此控制液压系统的推进运动和回转运动的比例关系，达到每推进钻杆的一个螺距的时间值应与正回转一周的时间相同，完成接卸杆的全过程。

在钻机远控操作台上装有液晶显示屏，以实现液压系统压力等数据的人机对话功能，比例接卸杆控制方框图如图6所示。接卸杆时，采用同一手柄操作，即操作该手柄时，接卸杆实为推进和回转两功能的组合动作，此速度预先设定在PLC内部，退屏后即锁定参数。

2.1 接杆参数设定

进入显示器界面，设置正回转最大流量值，并记下回转头正回转每转时间；再设置推进速度，并观察推进螺距的时间值应与正回转一周的时间相同。两功能速度应同步即可避免拉损螺牙，接杆/卸杆两速度值与手柄摆动角度大小有关。如操作接杆可根据右手柄向左摆动角度的大小来决定接杆时的正回转/推进速度，退出屏幕即锁定参数。向左摆动手柄至终端为最大速度值。

2.2 卸杆参数设定

进入显示器密码界面，设置反回转最大流量值并记下回转头反回转每转时间；再设置后退速度，并观察后退一个螺距的时间值应与反回转一周的时间相同。两功能速度应同步即可避免拉损螺牙，接杆/卸杆两速度值与手柄摆动角度大小有关。如操作接杆可根据右手柄向右摆动角度的大小来决定接杆时的反回转/后退速度，退出屏幕即锁定参数。向右摆动手柄至终端为最大速度值。

图5 比例接卸杆液压控制系统Fig.5 Proportional connection bar hydraulic control system1—回转头马达；2—推进油缸；3—电磁换向阀；4—比例电磁阀；5—节流阀；6—比例溢流阀；7—变量泵

图6 比例接卸杆控制方框图Fig.6 Proportional connection bar block diagram

3 结论

传统的液压操作接卸杆过程中，虽然采用了浮动控制，但由于回转头和钻具等受到重力等因素的影响，接卸螺纹时，还是有一定程度的螺纹损伤。而且回转和推进由手柄分别控制，操作过程复杂，劳动强度大。

比例接卸杆解决钻具相互咬合的钻具螺纹损伤问题，并能够免去频繁复杂的卡杆、拆卸、松紧螺纹、浮动及推进和回转操作过程，提高了钻机的自动化程度，减少了操作人员的劳动强度。钻机各功能参数的调整采用半固化形式，在需要调整时，只需要用计算机调整程序中的赋值，在平时各参数又不会被随意更改，减少误操作带来的故障，提高设备的可靠性。比例接卸杆在潜孔钻机上的应用具有重要意义。