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液压凿岩机的凿岩自动化及最佳参数


自从采用机械化凿岩台车以来,已经做了许多努力,以使凿岩作业自动化和得到最佳凿岩参数。但是,只要凿岩机和推进机构是气动的,上述进展就快不了。只是由于近几年采用了全液压凿岩台车,更为广泛的采用全自动凿岩设备才变得明显了。

这有几个理由。当探讨两种不同的凿岩机械的自动化和最佳凿岩参数时,弄清楚它们的主要差别,是很重要的。为使凿岩机械自动化,控制应该准确;控制装置的反应也要迅速准确。为了能得到最佳凿岩参数,必须准确迅速测量系统中出现的问题,并对机器的机能作出精确快速的调整。按上述要求,气动凿岩机械不易达到自动化及得到最佳凿岩参数。首先,管路中的气体流量和压力难于控制。这是由于从气源来的气体流量的变化,负荷系数的内部变化以及会发生润滑油量和其它一些杂质数量的改变的缘故。其次,基本上出于同样的原因,其各种机能难于调节。最后,由于工作介质的可压缩性,对任何调节和校正的反应都比较缓慢。

从另一方面来说,液压凿岩机械能够很容易地实现自动化和得到最佳凿岩参数。能精确地测量系统中的压力和流量。基本的液流与气动系统不同,动力装置就安装在台车上面,因此,液体不受场所环境的限制,与邻近其它设备也无关。能更为容易地进行各种机能的精密调节,对任何控制测量的反应也是异常迅速的。这样看来,使液压凿岩机械各种机能自动化以及获得最佳凿岩参数,比气动凿岩机械就容易多了。

自动化

目前,气动凿岩台车已经具备了某些自动化特点,其中一些与凿岩系统本身有关,有些则与液压钻臂有关。凿岩台车上的凿岩机能自动停止、退回是塔姆罗克(Tamrock)所有台车的一个标准特点。自动冲洗装置和液压钻臂自动平行定位装置以及普遍使用的深孔凿岩自动接卸钎杆装置已经是很普通的事了。

关于液压凿岩台车,继续朝着自动化方向迈进,已经成为现实了。最显著的新的自动化特点就是所说的防卡钎自动装置(见图1)。该装置包括一个来自回转马达的反馈系统,无论什么时候,只要当钎杆的回转阻力上升到有卡钎的危险点时,这个反馈系统自动将凿岩机退回。使用这一装置,由于卡钎造成的钎杆损失,可以显著减少,而且在许多情况下,几乎可以消除这种损失。也可以用同样的装置与系统中的自动开眼装置配套使用。

塔姆罗克最近改进的另一个有意义的特点是,当凿岩时,钎杆的旋转方向可以正反转(2)。当钎杆的回转方向有规律地改变时,就可以在一个回转方向钻凿出一半岩孔,再在另一个回转方向钻凿另一半岩孔,这样也会使钎杆和头的寿命增长3050%,便由于机器本身磨损厉害,也能节省额外费用。当然,因为螺纹连接套可能会松动,所以,这一装置只能与整体钎杆和锥形头配套使用于浅孔凿岩。这一装置还需要一台带有回转机构的凿岩机。凿岩时,回转机构在正反转时可用同样的功率和以同样的旋转速度进行工作。除此之外,在液压凿岩机械上可装配气动凿岩台车上所使用的半自动装置和机械装置。如,钎杆换接器。在目前,也可配套使用诸如钻臂自动定位装置及钎头自动换接器等。但是,迄今这些精密装置的费用似乎太高,还不能广泛使用。

最佳凿岩参数

使用冲击式回转凿岩机凿岩时,有四个可以在凿岩过程中调节的主要凿岩参数。

还可以考虑调节第五个凿岩参数一活塞的冲程长度。但是,这个凿岩参数是不真实的,因为这是活塞在冲击时的瞬间速度,它决定冲击能,而不是活塞移动的距离(行程)。如果没有其它方法调节冲击能,当然可以用改变冲程长度的办法达此目的。可是,这种解决办法往往会造成凿岩机设计复杂化。

使用支腿式凿岩机的钻工总是想在凿岩时,选择最佳的支腿推进压力,以得到最大凿速。用这种方法,取得了好的效果。所以,在实际凿岩中,只要可能改变这些凿岩参数,人们就十分可能很想得到同样的最佳凿岩参数。但是,提出两个与选择最佳凿岩参数有关的基本问题,是很重要的。

第一,对每一个凿岩参数的最佳值或者对每一种类型的岩石的综合凿岩参数,是否已确信无疑?第二,如果有最佳值,把凿岩试验室所试验的最佳方法用于现场的一般条件,是否能完全实现?

在试验室的条件下,无穷尽地改变凿岩参数和测量所得到的凿速,是可以做到的。因此,如果有一个准确的最佳值,就可以确定。不出所料,迄今还没有找到输出功率的最佳值。只要其它参数具备充足的数值并且凿岩机械能经得住的话,输出功率的增加,即,频率与冲击能之积的增加,将能提高凿速。冲击频率和回转速度应该有一个用于每一孔径的最佳综合凿岩参数。可是,会被这样的实事弄混淆,即增加回转速度,也就增加了一定的回转凿岩的工作量。推进力也应该显示出一个确定的明白无误的最佳参数,但是一般说来,由于受到冲洗效能的极大影响,这是很难确定的。

意大利都灵的曼西尼教授在试验室的条件下,确定了岩石碎块的破裂与每次冲击单位能的关系(3)。所发现的最大值并不十分显著。这些最大值对于不同的矿物具有不同的能量。迄今为止,这些试验结果只能适用于非常均匀的物质。因此,要说这些结果是否能应用于实际,还为时过早。

既便在试验室的条件下,最佳数值也是非常难于确定的。但是在目前的技术状况下,在现场实际条件下,要想找到并坚持沿用这些最佳数值,既便是一个最好的钻工,也是难以胜任的。例如,假如一个钻工想得到最大凿速,只选择一个凿岩参数为最佳值一在一个大型隧道里,一只重型凿岩钻臂上安装的凿岩机的回转速度。首先假定岩石不那么均匀一致,以致于有理由让钻工在每一点试一试,也就是说,他要始终这样做。当改变回转速度时,为了能看到凿岩速度是上升了还是下降了(钻工不能从他所站的工作平台上,用眼睛去判断),钻工应该到凿岩机上进行测量。为了能找到最佳回转速度,他应该做许多测量工作。为了调整回转速度,他要到凿岩机那儿去测量凿速,再回到工作平台上记下所测数字。就是在条件好的情况下,也得需要三十多秒钟的时间,很可能得一分钟呢。如果钻工钻凿的是一个靠近顶板的岩孔的话,这也许是一项不可能做到的工作了。

使用液压凿岩机凿岩,凿速接近于2/分,因此,使用单臂凿岩的钻工,在钻凿一个岩孔时,就不会有更多的时间去进行两次以上的测量。这就是说,他不可能在这段时间里确定一个最佳值,即便是确定一个参数的最佳值。此外,如岩石结构不均匀,却认为连续的最佳参数较为理想,这也许就是不均匀的岩石结构把记下来的数字弄混乱了,造成了在记录这些数字的时间内调节的不一致。换句话说,如果岩石结构均匀,数字就是可信的,无需重新调节。

此外,如果钻工想选择最佳凿岩参数,他肯定没有操作一个以上的钻臂的时间,甚至可能一个也操作不好。凿速的任何定限增益将因此至少会减少其它钻臂的凿岩生产量。要不然的话,他是可以同时操作其它臂的。但是,凿岩时有一个可以进行有益调节的参数,就是与在支架凿岩中相同的参数一推进力。鉴于这样的实事,即如果钻工使凿岩机进给过载,他通常是可以听到的,他能够一而且应该一调节推进器,使之具有凿岩机在任何既定条件下能承受的最佳推进力。除了调节推进力之外,钻工不应试图进行其它调节。除技术方面的问题之外,支持这一观点的一个非常重要的事实是,钻工对于他所进行的测量工作产生的经济效果的估计能力,是非常有限的。例如,加大回转速度,可增加凿速,但是也可能造成钎头的严重磨损。增大冲击功率,很可能增加凿速,但是也很可能会造成钎杆十分严重的损耗。

控制装置

液压凿岩机系统的控制装置可以是直接控制的,也可以是间接控制的(4)

如果控制装置是间接的,既可以用液体的、气体的、也可用电气的先导回路和控制装置进行操作。如果控制是直接的,意即控制装置是与主阀直接连接的。主油流将流经控制部位。这个系统的优点是迅速,反应准确无误,只用人力即可限制控制力,并且容易达到无级控制。缺点是控制部位不方便的进油和回油胶管,笨重的控制装置,较长的主要管路以及较大的功率消耗。而且,直接控制装置在油流过时,将产生同样的温度。温度可达50°C或更高。

因此,这类控制装置主要适于容易安装在自流管路的地方。例如,这类控制装置用于自行履带台车,有许多优点。

间接控制装置有几处胜于直接控制装置的优点。间接控制装置缩短了主胶管的长度,减少液压能量损耗,控制回路不传递热量或振动,控制装置体积小,重量轻,便于安装,复式控制台易于配置。目前,所使用的先导控制装置有三种不同的类型:液压,气动和电动(5)。这些装置中,电路系统具有反应快,重量轻的优点。与此不同的是,液压先导控制装置似乎更适用于凿岩机械。首先,凿岩机械是液压的,这就是说,保养凿岩机械的维修人员是胜任控制系统的维修保养工作的。与电路系统相比,液压对于环境污染的灵敏度小的多。主阀的控制回路可在钢件上钻出,使主阀经久耐用。容易达到无级调节,这在气动控制装置中是很难达到的,而在电气控制装置中则需要易损的伺服机构。有效的控制力是非常大的,它使液压控制回路对主阀中的杂质-污物、磨损物等的灵数度小得多。液压控制回路始终有一个恒定压力,既便气动输入压力变动很大的话。液压系统不会冻结,而在气动系统中则有冻冰的危险。液压和气动系统对腐蚀和短路的灵敏度要比电气系统低得多。

最后,除了电系统反应快,重量轻的优点胜于液压系统外,总起来看液压系统最适于液压凿岩机械的控制装置。只有综合使用液压凿岩和液压控制装置,才能认为已经取得了真正的全液压凿岩机械。

结论

液压凿岩使得无限地、精确地进行测量及改变机器的参数成为可能的现实。但是,在凿每一个岩孔的过程中,这一技术并没有广泛地充分予以利用。因此,只有当地质条件完全改变时在开始凿岩以及尔后变动数值之前,最好的方法似乎只是根据主要的条件调整凿岩参数了。这样,钻工就可以集中凿孔,而不是测量。尽管凿岩机并非总是以最高速凿岩的,但这肯定能够增加生产率。

展望未来,能连续地监督控制凿速并使所有参数具有最佳值的由计算机控制的凿岩机,很快就会诞生的。但是,在这样的一个机械具有经济价值的生命力之前,还需要走很长的路。

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