軟煤高轉(zhuǎn)速螺旋鉆進(jìn)防卡鉆液壓系統(tǒng)研究

軟煤高轉(zhuǎn)速螺旋鉆進(jìn)防卡鉆液壓系統(tǒng)研究

中國的軟煤炭資源總量約占煤炭總量的42%。針對松軟煤層高速螺旋鉆進(jìn)中易發(fā)生卡鉆的問題,結(jié)合現(xiàn)場處理卡鉆的工藝方法,設(shè)計(jì)了防卡鉆液壓系統(tǒng)方案,并通過分析和仿真優(yōu)選出適合軟煤鉆進(jìn)的防卡鉆液壓系統(tǒng)1主缸壓鉆及故障排除及高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1回轉(zhuǎn)超壓給進(jìn)轉(zhuǎn)化液壓系統(tǒng)軟煤鉆進(jìn)時(shí),如果發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)壓力較高,說明排粉不利,應(yīng)減少進(jìn)給速度,待排粉順暢后,回轉(zhuǎn)壓力下降再增大給進(jìn)速度,繼續(xù)鉆進(jìn),針對鉆進(jìn)中的問題,設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)超壓給進(jìn)減壓液壓系統(tǒng)方案,回轉(zhuǎn)超壓給進(jìn)減壓液壓系統(tǒng)原理如圖1?；剞D(zhuǎn)超壓給進(jìn)減壓液壓系統(tǒng)工作原理為:將軟煤鉆進(jìn)系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)壓力作為液控壓力控制溢流閥4的開啟與閉合。正常鉆進(jìn)時(shí),回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)壓力小于溢流閥4的開啟壓力,給進(jìn)油缸正常工作,軟煤高速螺旋鉆機(jī)正常鉆進(jìn)。若遇到孔底卡鉆時(shí),回轉(zhuǎn)壓力迅速上升并大于溢流閥4的開啟壓力,給進(jìn)回路的給進(jìn)速度無級降低,給進(jìn)力減小,當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力下降到小于溢流閥4的開啟壓力時(shí),給進(jìn)回路恢復(fù)正常,鉆機(jī)正常鉆進(jìn)此液壓系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:給進(jìn)回路的給進(jìn)油缸可以無級調(diào)速但無法實(shí)現(xiàn)后退,若遇到卡、埋鉆嚴(yán)重時(shí),自救效果不太好。因此不太適合過于碎軟地層。1.2回轉(zhuǎn)壓力正常鉆進(jìn)時(shí),針對回轉(zhuǎn)超壓給進(jìn)減壓液壓系統(tǒng)的不足,設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)超壓給進(jìn)回退液壓系統(tǒng),回轉(zhuǎn)超壓給進(jìn)回退液壓系統(tǒng)原理如圖2,工作原理為:給進(jìn)回路的泵的高壓油經(jīng)過溢流閥9和換向閥8后,再經(jīng)減壓閥后降為給進(jìn)端液控壓力,對液控?fù)Q向閥的右端施壓,回轉(zhuǎn)回路的泵壓經(jīng)過溢流閥2和換向閥3后的回轉(zhuǎn)壓力作為液控?fù)Q向閥的另一端的閥芯施壓端。正常鉆進(jìn)時(shí)回轉(zhuǎn)壓力小于給進(jìn)端的液控壓力,液控?fù)Q向閥右位工作。遇到卡鉆工況時(shí)回轉(zhuǎn)壓力上升到大于給進(jìn)端液控壓力,液控?fù)Q向閥閥芯換向,左位工作,給進(jìn)油缸從給進(jìn)轉(zhuǎn)化為起拔,當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力小于給進(jìn)端液控壓力時(shí),給進(jìn)油缸又從起拔再恢復(fù)為給進(jìn)位。這樣就實(shí)現(xiàn)了通過回轉(zhuǎn)壓力變化自動(dòng)控制給進(jìn)油缸的給進(jìn)起拔,可顯著減少鉆進(jìn)時(shí)的卡鉆事故1.3壓給進(jìn)回退系統(tǒng)回轉(zhuǎn)超壓給進(jìn)回退液壓系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法簡單,反應(yīng)快,但容易有假消除現(xiàn)象,同時(shí)系統(tǒng)抗壓力波動(dòng)效果較差。因此改進(jìn)為回轉(zhuǎn)超壓給進(jìn)回退抗波動(dòng)液壓系統(tǒng),回轉(zhuǎn)超壓給進(jìn)回退液壓系統(tǒng)原理如圖3。其工作原理:鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)回轉(zhuǎn)壓力作為液控壓力對液控?fù)Q向閥的閥芯一端施加壓力,溢流閥8、調(diào)速閥調(diào)定液控?fù)Q向閥另一端的壓力。回轉(zhuǎn)壓力小于溢流閥8的開啟壓力,鉆進(jìn)正常鉆進(jìn);遇到卡鉆工況時(shí)回轉(zhuǎn)壓力大于溢流閥8的設(shè)定壓力時(shí)換向閥換向,給進(jìn)缸后退,回轉(zhuǎn)壓力恢復(fù)正常時(shí)繼續(xù)鉆進(jìn)。其中調(diào)速閥7內(nèi)部由定差減壓閥與節(jié)流閥串聯(lián)的組合閥。節(jié)流閥用來調(diào)節(jié)流量,定差減壓閥自動(dòng)補(bǔ)償負(fù)載變化影響,使節(jié)流閥前后壓差為定值,可消除負(fù)載變化對流量的影響。2壓系統(tǒng)的工作原理將上述3種方案進(jìn)行對比,現(xiàn)有回轉(zhuǎn)超壓給進(jìn)回退抗波動(dòng)方案防卡鉆技術(shù)比較完備,效果好,但該方案元件多,能耗大,系統(tǒng)復(fù)雜。因此,在實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)超壓后給進(jìn)回退的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡量采用簡單而又節(jié)能的方案。將螺紋插裝閥與回轉(zhuǎn)超壓后給進(jìn)回退思路相結(jié)合設(shè)計(jì)防卡鉆液壓系統(tǒng),軟煤鉆機(jī)防卡鉆液壓系統(tǒng)原理如圖4。其工作原理為:當(dāng)正轉(zhuǎn)壓力超過直動(dòng)換向閥閥芯的設(shè)定壓力后,直動(dòng)換向閥換向,并將正轉(zhuǎn)壓力作用在液控?fù)Q向閥的左側(cè),使液控?fù)Q向閥換向?qū)崿F(xiàn)給進(jìn)油缸的從給進(jìn)轉(zhuǎn)化為起拔,此時(shí)鉆機(jī)開始退鉆桿掃孔排除過多煤粉,正轉(zhuǎn)壓力也隨之逐漸降低,當(dāng)壓力低于直動(dòng)換向閥的彈簧力時(shí),直動(dòng)換向閥的閥芯關(guān)閉,液控?fù)Q向閥的彈簧將閥芯推回原位,給進(jìn)油缸再次換向,鉆機(jī)開始正常鉆進(jìn)。在這個(gè)過程中,設(shè)定1個(gè)預(yù)警壓力,當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力超過設(shè)定值時(shí),表明有卡、埋鉆的危險(xiǎn),此時(shí)液壓系統(tǒng)采用超壓遠(yuǎn)程控制推動(dòng)液控閥換向,自動(dòng)將給進(jìn)動(dòng)作切換為起拔動(dòng)作,鉆桿由正常鉆進(jìn)變?yōu)榛赝藪呖着旁?可有效減少卡、埋鉆事故發(fā)生直動(dòng)方向閥和液控?fù)Q向閥采用螺紋插裝閥設(shè)計(jì)在液壓閥塊中,這些螺紋插裝閥都采用錐面密封,密封性好、可靠性高。該防卡鉆液壓系統(tǒng)具有液壓自動(dòng)控制,防止卡鉆和正常鉆進(jìn)自動(dòng)轉(zhuǎn)化;控制壓力可調(diào)節(jié),適合不同煤層;螺紋插裝閥反饋迅速,可靠性高等特點(diǎn)。3防卡鉆孔系統(tǒng)的模擬和試驗(yàn)3.1防卡鉆液壓系統(tǒng)動(dòng)作特性分析為了驗(yàn)證防卡鉆液壓系統(tǒng)的動(dòng)作特性,通過AMESim軟件進(jìn)行建模仿真,將圖4的鉆機(jī)防卡鉆液壓系統(tǒng)進(jìn)行了簡化,直接將動(dòng)力源接在液控?fù)Q向閥上,將手動(dòng)換向閥3和手動(dòng)換向閥8省去,將直動(dòng)換向閥的正轉(zhuǎn)壓力作為輸入信號,分為3個(gè)階段:0～2s時(shí),輸入壓力0～20MPa;2～7s時(shí),輸入壓力20～25MPa;7～10s時(shí),25～10MPa;設(shè)定當(dāng)正轉(zhuǎn)壓力大于20MPa,認(rèn)為孔內(nèi)有卡鉆事故。防卡鉆液壓系統(tǒng)動(dòng)作特性曲線如圖5。由圖5可得:該系統(tǒng)回轉(zhuǎn)壓力在2s達(dá)到20MPa時(shí),給進(jìn)油缸的方向從給進(jìn)轉(zhuǎn)化為起拔,同時(shí)待回轉(zhuǎn)壓力下降至20MPa后,給進(jìn)油缸由從起拔換位給進(jìn)的變化過程。仿真表明液壓系統(tǒng)動(dòng)作滿足實(shí)際需求3.2截止閥塊的工作過程為了驗(yàn)證防卡鉆液壓系統(tǒng)的功能,在鉆機(jī)正轉(zhuǎn)回路中安裝截止閥,模擬卡鉆工況,通過關(guān)閉截止閥,建立回轉(zhuǎn)壓力測試防卡鉆液壓系統(tǒng)的反應(yīng)能力和閥芯動(dòng)作。操作鉆機(jī)正轉(zhuǎn)手柄和給進(jìn)手柄,逐漸關(guān)閉截止閥,回轉(zhuǎn)壓力迅速升高,此時(shí)給進(jìn)油缸由給進(jìn)迅速轉(zhuǎn)化為起拔,隨后再模擬掃孔已消除卡鉆工況,慢慢打開截止閥,回轉(zhuǎn)壓力降低,給進(jìn)油缸又恢復(fù)給進(jìn)動(dòng)作。閥塊測試過程表明該液壓系統(tǒng)動(dòng)作與理論設(shè)計(jì)相同。防卡鉆液壓系統(tǒng)已成功應(yīng)用在中煤科工西安院生產(chǎn)的系列軟煤高速螺旋鉆機(jī)ZDY2200LR、ZDY3000LG和ZDY6000LR中,通過現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證了系統(tǒng)具有反應(yīng)靈敏,安全可靠,能自動(dòng)預(yù)防和處理各種卡、埋鉆問題等特點(diǎn),提高了系列軟煤鉆機(jī)的防卡鉆能力。4基于amesim的防卡鉆液壓系統(tǒng)建模針對軟煤高速螺旋鉆進(jìn)中的卡、埋鉆問題,通過分析卡鉆事故處理的工藝方法,設(shè)計(jì)了3種防卡鉆方案,并結(jié)合螺紋插裝閥技術(shù),設(shè)計(jì)出適合軟煤高速螺