軟煤高轉(zhuǎn)速螺旋鉆進防卡鉆液壓系統(tǒng)研究

軟煤高轉(zhuǎn)速螺旋鉆進防卡鉆液壓系統(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,設計了防卡鉆液壓系統(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)設計1.1回轉(zhuǎn)超壓給進轉(zhuǎn)化液壓系統(tǒng)軟煤鉆進時,如果發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)壓力較高,說明排粉不利,應減少進給速度,待排粉順暢后,回轉(zhuǎn)壓力下降再增大給進速度,繼續(xù)鉆進,針對鉆進中的問題,設計了回轉(zhuǎn)超壓給進減壓液壓系統(tǒng)方案,回轉(zhuǎn)超壓給進減壓液壓系統(tǒng)原理如圖1。回轉(zhuǎn)超壓給進減壓液壓系統(tǒng)工作原理為:將軟煤鉆進系統(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。正常鉆進時,回轉(zhuǎn)馬達的回轉(zhuǎn)壓力小于溢流閥4的開啟壓力,給進油缸正常工作,軟煤高速螺旋鉆機正常鉆進。若遇到孔底卡鉆時,回轉(zhuǎn)壓力迅速上升并大于溢流閥4的開啟壓力,給進回路的給進速度無級降低,給進力減小,當回轉(zhuǎn)壓力下降到小于溢流閥4的開啟壓力時,給進回路恢復正常,鉆機正常鉆進此液壓系統(tǒng)的缺點是:給進回路的給進油缸可以無級調(diào)速但無法實現(xiàn)后退,若遇到卡、埋鉆嚴重時,自救效果不太好。因此不太適合過于碎軟地層。1.2回轉(zhuǎn)壓力正常鉆進時,針對回轉(zhuǎn)超壓給進減壓液壓系統(tǒng)的不足,設計了回轉(zhuǎn)超壓給進回退液壓系統(tǒng),回轉(zhuǎn)超壓給進回退液壓系統(tǒng)原理如圖2,工作原理為:給進回路的泵的高壓油經(jīng)過溢流閥9和換向閥8后,再經(jīng)減壓閥后降為給進端液控壓力,對液控換向閥的右端施壓,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)壓力作為液控換向閥的另一端的閥芯施壓端。正常鉆進時回轉(zhuǎn)壓力小于給進端的液控壓力,液控換向閥右位工作。遇到卡鉆工況時回轉(zhuǎn)壓力上升到大于給進端液控壓力,液控換向閥閥芯換向,左位工作,給進油缸從給進轉(zhuǎn)化為起拔,當回轉(zhuǎn)壓力小于給進端液控壓力時,給進油缸又從起拔再恢復為給進位。這樣就實現(xiàn)了通過回轉(zhuǎn)壓力變化自動控制給進油缸的給進起拔,可顯著減少鉆進時的卡鉆事故1.3壓給進回退系統(tǒng)回轉(zhuǎn)超壓給進回退液壓系統(tǒng)的實現(xiàn)方法簡單,反應快,但容易有假消除現(xiàn)象,同時系統(tǒng)抗壓力波動效果較差。因此改進為回轉(zhuǎn)超壓給進回退抗波動液壓系統(tǒng),回轉(zhuǎn)超壓給進回退液壓系統(tǒng)原理如圖3。其工作原理:鉆機鉆進時回轉(zhuǎn)壓力作為液控壓力對液控換向閥的閥芯一端施加壓力,溢流閥8、調(diào)速閥調(diào)定液控換向閥另一端的壓力?；剞D(zhuǎn)壓力小于溢流閥8的開啟壓力,鉆進正常鉆進;遇到卡鉆工況時回轉(zhuǎn)壓力大于溢流閥8的設定壓力時換向閥換向,給進缸后退,回轉(zhuǎn)壓力恢復正常時繼續(xù)鉆進。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,定差減壓閥自動補償負載變化影響,使節(jié)流閥前后壓差為定值,可消除負載變化對流量的影響。2壓系統(tǒng)的工作原理將上述3種方案進行對比,現(xiàn)有回轉(zhuǎn)超壓給進回退抗波動方案防卡鉆技術比較完備,效果好,但該方案元件多,能耗大,系統(tǒng)復雜。因此,在實現(xiàn)回轉(zhuǎn)超壓后給進回退的基礎上,應盡量采用簡單而又節(jié)能的方案。將螺紋插裝閥與回轉(zhuǎn)超壓后給進回退思路相結(jié)合設計防卡鉆液壓系統(tǒng),軟煤鉆機防卡鉆液壓系統(tǒng)原理如圖4。其工作原理為:當正轉(zhuǎn)壓力超過直動換向閥閥芯的設定壓力后,直動換向閥換向,并將正轉(zhuǎn)壓力作用在液控換向閥的左側(cè),使液控換向閥換向?qū)崿F(xiàn)給進油缸的從給進轉(zhuǎn)化為起拔,此時鉆機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,當壓力低于直動換向閥的彈簧力時,直動換向閥的閥芯關閉,液控換向閥的彈簧將閥芯推回原位,給進油缸再次換向,鉆機開始正常鉆進。在這個過程中,設定1個預警壓力,當回轉(zhuǎn)壓力超過設定值時,表明有卡、埋鉆的危險,此時液壓系統(tǒng)采用超壓遠程控制推動液控閥換向,自動將給進動作切換為起拔動作,鉆桿由正常鉆進變?yōu)榛赝藪呖着旁?可有效減少卡、埋鉆事故發(fā)生直動方向閥和液控換向閥采用螺紋插裝閥設計在液壓閥塊中,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)具有液壓自動控制,防止卡鉆和正常鉆進自動轉(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。3防卡鉆孔系統(tǒng)的模擬和試驗3.1防卡鉆液壓系統(tǒng)動作特性分析為了驗證防卡鉆液壓系統(tǒng)的動作特性,通過AMESim軟件進行建模仿真,將圖4的鉆機防卡鉆液壓系統(tǒng)進行了簡化,直接將動力源接在液控換向閥上,將手動換向閥3和手動換向閥8省去,將直動換向閥的正轉(zhuǎn)壓力作為輸入信號,分為3個階段:0～2s時,輸入壓力0～20MPa;2～7s時,輸入壓力20～25MPa;7～10s時,25～10MPa;設定當正轉(zhuǎn)壓力大于20MPa,認為孔內(nèi)有卡鉆事故。防卡鉆液壓系統(tǒng)動作特性曲線如圖5。由圖5可得:該系統(tǒng)回轉(zhuǎn)壓力在2s達到20MPa時,給進油缸的方向從給進轉(zhuǎn)化為起拔,同時待回轉(zhuǎn)壓力下降至20MPa后,給進油缸由從起拔換位給進的變化過程。仿真表明液壓系統(tǒng)動作滿足實際需求3.2截止閥塊的工作過程為了驗證防卡鉆液壓系統(tǒng)的功能,在鉆機正轉(zhuǎn)回路中安裝截止閥,模擬卡鉆工況,通過關閉截止閥,建立回轉(zhuǎn)壓力測試防卡鉆液壓系統(tǒng)的反應能力和閥芯動作。操作鉆機正轉(zhuǎn)手柄和給進手柄,逐漸關閉截止閥,回轉(zhuǎn)壓力迅速升高,此時給進油缸由給進迅速轉(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,給進油缸又恢復給進動作。閥塊測試過程表明該液壓系統(tǒng)動作與理論設計相同。防卡鉆液壓系統(tǒng)已成功應用在中煤科工西安院生產(chǎn)的系列軟煤高速螺旋鉆機ZDY2200LR、ZDY3000LG和ZDY6000LR中,通過現(xiàn)場應用驗證了系統(tǒng)具有反應靈敏,安全可靠,能自動預防和處理各種卡、埋鉆問題等特點,提高了系列軟煤鉆機的防卡鉆能力。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中的卡、埋鉆問題,通過分析卡鉆事故處理的工藝方法,設計了3種防卡鉆方案,并結(jié)合螺紋插裝閥技術,設計出適合軟煤高速螺