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摘要：本文介绍一种由PLC控制的防卡系统，并通过其在CS165E型露天潜孔钻机上的现场试用情况，结合分析、对比其它穿凿设备的防卡系统，研究由PLC程控的防卡功能的特点及其实用性对钻机设备的防卡功能设计以及智能化控制方面有一定的实际意义和借鉴作用。
关键词：露天潜孔钻机；PLC控制；自动防卡；推进压力；回转压力；
前言
在钻孔施工过程中，由于岩石状态的不确定性，其中存在的溶洞、裂隙及岩石性质不均等会引起卡钻的卡钻区是不可避免的。卡钻是钻孔过程中比较常见的问题，一旦发生卡钻故障，将降低工作效率，造成钻具损坏，严重时卡钻故障无法消除，向前无法钻进，向后无法提钻，只能放弃已钻进孔内的钻具，增加施工的直接成本。并且在卡钻的情况下反复的提杆、反转对钻机推进回转系统造成不可修复的损伤，此外还间接影响到钻臂的使用寿命。因此长期以来国内外对卡钻理论及防卡方案做了很多的理论分析，在钻机的防卡杆功能控制方面也做了大量的研究与实验，目的都是为了找到一种合理、有效、可靠的防卡控制方法，对卡钻事故进行预防和处理。而CS165E型露天潜孔钻机中应用的PLC控制系统，通过对各种卡钻机理的分析，利用设定的程序在卡钻初始阶段对推进、冲击进行分别控制，在钻孔过程中达到卡钻事故预防和处理的目的，现场使用效果良好。下面针对CS165E型露天潜孔钻机防卡系统进行具体的介绍与分析。
1钻机卡钻原理简介
在钻凿作业过程中，出现进不能打钻、不能提杆的现象即为卡钻。从实践经验来看，卡钻的原因和特征可分为如下三种基本情况：
1）、因排渣不畅而引起的卡钻；其产生原因为孔内积渣未能排出，导致钻头积渣越来越多，最终导致了钻头卡死的情况。
2）、钻头偏载引起的卡钻；这类卡钻一般是由于钻头进入性质不均的岩石带，或钻头出现损坏时，钻头因径向受力不均而偏移原来的方向，使炮孔弯曲，阻力矩随钻头的继续凿入而逐渐增大，最终导致了卡钻。
3）、溶洞或裂缝卡钻；此类卡钻一般会使推进或回转阻力产生突变，钻头通过此类地形时其排渣所需的气压或水压也会下降，使得排渣困难。另外破碎下来的岩渣通常会在溶洞或裂缝处聚集，形成会卡住钻头的“栓子”使钻头不能回退，形成很难处理的卡钻现象。
分析以上卡钻故障表现形式可看出，当钻机所能提供的转动力矩不能超过岩孔对回转钻具阻力矩时，就会发生卡钻，凿岩过程中阻力矩是岩石对钻具旋转所形成的反作用力，可能产生转动阻力矩主要有⑴钻头齿与孔底岩石摩擦所形成的摩擦阻力矩；⑵两次冲击岩瘤的剪切阻力矩；⑶钻具外缘与钻孔壁间的摩擦力所形成的分布阻力矩。这些阻力矩都是形成卡钻的主要原因，而如何控制这些阻力矩、避免产生卡钻故障，成为了目前对防卡理论研究的主题。
2 CS165E露天潜孔钻机防卡特点介绍
2.1冲击做功时的卡钻方式
从钻孔原理上来看，潜孔钻机冲击能产生在钻杆前端，冲击能直接作用于潜孔钻头上，钻杆起导向和传递推进力与回转力的作用。冲击做功主要是靠高气压的压缩空气通过冲击器传、钻头传递到岩石表面，钻头反复的冲击岩石，达到破碎的目的。当钻孔过程中遇上破碎带或者熔洞时推进速度突然加快容易导致钻头偏载与钻孔偏斜，最终引发卡钻。
2.2排渣时的方式
在钻凿设备钻孔过程中排渣是极其重要的，也是引发卡钻的主要原因。潜孔钻机是靠潜孔冲击器做功后排出的高速气流来进行排渣。在潜孔钻机钻进过程中，排渣不畅会引起气流排出压力增大，使得冲击器用于做功的气压差会减小，从而也导致钻头破碎岩石的速度放缓，此时若操作人员不注意，进行提高推进速度的操作，极易引起卡钻。另外，如排渣不畅，在推进的过程中，在孔内未排出的岩渣随进尺米道数的增加而增加，当进行接卸、杆时，供气量会减小，此时未排出的岩渣就会落在钻头上面，导致卡钻。而且CS165E露天潜孔钻机选用的是165mm的钻头，140mm的冲击器，118mm的钻杆，存在3个突变的台阶，所以一旦发生上述情况，卡钻程度将很快恶化。
因此对CS165E钻机防卡功能不但要求能够在卡钻发生之初能够准确判断、快速做出反应，还应合理、有效的调整工作参数，应对该钻机工况条件差、钻进速度快、穿孔精度高的要求。
3 CS165E露天潜孔钻机智能防卡原理
3.1对采集到的回转压力数据进行过滤、分析、判断卡钻类型。
通过对采集单位时间内的压力参数变化，计算其平均值，对钻进过程中压力脉动引起的假卡钻现象进行过滤。对连续上升的卡钻信号进行分析，与在各种不同岩石条件下设定的参数进行对比，判断是否进入卡钻处理程序。
3.2根据卡钻类型，发出警报，并自动采取合适的处理方式。
根据卡钻的条件、程度不同需要采取不同的方式来应对，这样才能在避免卡钻的同时最大程度的保证钻孔效率，在一般情况下如果防卡压力设置过低，会使得频繁的减小推进压力导致钻孔速度变慢，如果设置过高又会增大卡鉆的风险，因此为保证合理的防卡，该防卡系统特性如下图所示：
图中Pt为工作时的推进压力，Ptz为推进压力渐变与突变过程的分界点，压力系数为压力值随回转压力变化的斜率。
第一阶段，当回转压力开始超过最大正常工作压力点Pr2时，推进压力将按一定的比例缓慢变小，如果回转压力恢复正常，推进压力也即恢复正常，此时其它参数均无变化。如果回转压力在推进压力缓慢变小后还继续上升，达到Pr4压力值，控制系统将开始快速减小推进压力。
第二阶段，如果遇到更加复杂的情况，回转阻力还是继续上升，从曲线图中可以看出当回转压力超过Pr4后，推进压力将快速下降，推进压力下降到一定值后，凿岩冲击器会因自重而后退，直到回转压力再次变小，推进压力又会上升，有时遇到如破碎带裂隙等极端情况时，这种变化会反复多次，直至穿过该岩层。
3.3数字化参数显示与调节
数字化参数显示与调节功能使该系统更具灵活性，在现场使用中，通过在防卡系统中设置不同的压力变化点，来应对不同岩石情况。还可以通过调节冲击、推进压力系数来调定其变化快慢程度，如在破碎带严重的地带，可以将此变化系数加大，使其反应更加灵敏。
4 结论
结合目前已有的防卡钻方案以及具体现场使用情况，设计了CS165E机型的防卡系统。利用程序控制，按不同卡钻条件，用不同比例地降低推进压力和冲击压力的方法，有效的防止多种类型的卡钻。该机独特的PLC智能控制自动防卡杆技术，以其先进的控制技术、有效的防卡方式和高可靠性和灵敏度，相比其它防卡系统有着明显优势。在现场使用以来，体现出了其优益的性能，大大提高了该钻机复杂地形的适应能力，使卡钻难题得到了很好的解决。
参考文献：（References）：
[1] 李东明.液压凿岩设备的防卡杆装置探讨[J].矿业研究与开发，1996，（2）.
[2] 吴万荣.等.潜孔钻机凿岩过程自动防卡钻控制[J].中国机械工程，2002，（6）.
[3] 赵宏强.等.潜孔钻机凿岩过程自动防卡钻理论与方安研究[J].机械科学与技术，2008，6.
[4] 郭勇.等.潜孔钻机智能防卡钎系统的研究[J].凿岩机械气动工具，2007，（1）.
[5] 杨光照.等.凿岩台车卡钻问题的排除方法[J].维修与改进，2009，（4）
（作者单位：栾川龙宇钼业有限公司）
关键词：露天潜孔钻机；PLC控制；自动防卡；推进压力；回转压力；
前言
在钻孔施工过程中，由于岩石状态的不确定性，其中存在的溶洞、裂隙及岩石性质不均等会引起卡钻的卡钻区是不可避免的。卡钻是钻孔过程中比较常见的问题，一旦发生卡钻故障，将降低工作效率，造成钻具损坏，严重时卡钻故障无法消除，向前无法钻进，向后无法提钻，只能放弃已钻进孔内的钻具，增加施工的直接成本。并且在卡钻的情况下反复的提杆、反转对钻机推进回转系统造成不可修复的损伤，此外还间接影响到钻臂的使用寿命。因此长期以来国内外对卡钻理论及防卡方案做了很多的理论分析，在钻机的防卡杆功能控制方面也做了大量的研究与实验，目的都是为了找到一种合理、有效、可靠的防卡控制方法，对卡钻事故进行预防和处理。而CS165E型露天潜孔钻机中应用的PLC控制系统，通过对各种卡钻机理的分析，利用设定的程序在卡钻初始阶段对推进、冲击进行分别控制，在钻孔过程中达到卡钻事故预防和处理的目的，现场使用效果良好。下面针对CS165E型露天潜孔钻机防卡系统进行具体的介绍与分析。
1钻机卡钻原理简介
在钻凿作业过程中，出现进不能打钻、不能提杆的现象即为卡钻。从实践经验来看，卡钻的原因和特征可分为如下三种基本情况：
1）、因排渣不畅而引起的卡钻；其产生原因为孔内积渣未能排出，导致钻头积渣越来越多，最终导致了钻头卡死的情况。
2）、钻头偏载引起的卡钻；这类卡钻一般是由于钻头进入性质不均的岩石带，或钻头出现损坏时，钻头因径向受力不均而偏移原来的方向，使炮孔弯曲，阻力矩随钻头的继续凿入而逐渐增大，最终导致了卡钻。
3）、溶洞或裂缝卡钻；此类卡钻一般会使推进或回转阻力产生突变，钻头通过此类地形时其排渣所需的气压或水压也会下降，使得排渣困难。另外破碎下来的岩渣通常会在溶洞或裂缝处聚集，形成会卡住钻头的“栓子”使钻头不能回退，形成很难处理的卡钻现象。
分析以上卡钻故障表现形式可看出，当钻机所能提供的转动力矩不能超过岩孔对回转钻具阻力矩时，就会发生卡钻，凿岩过程中阻力矩是岩石对钻具旋转所形成的反作用力，可能产生转动阻力矩主要有⑴钻头齿与孔底岩石摩擦所形成的摩擦阻力矩；⑵两次冲击岩瘤的剪切阻力矩；⑶钻具外缘与钻孔壁间的摩擦力所形成的分布阻力矩。这些阻力矩都是形成卡钻的主要原因，而如何控制这些阻力矩、避免产生卡钻故障，成为了目前对防卡理论研究的主题。
2 CS165E露天潜孔钻机防卡特点介绍
2.1冲击做功时的卡钻方式
从钻孔原理上来看，潜孔钻机冲击能产生在钻杆前端，冲击能直接作用于潜孔钻头上，钻杆起导向和传递推进力与回转力的作用。冲击做功主要是靠高气压的压缩空气通过冲击器传、钻头传递到岩石表面，钻头反复的冲击岩石，达到破碎的目的。当钻孔过程中遇上破碎带或者熔洞时推进速度突然加快容易导致钻头偏载与钻孔偏斜，最终引发卡钻。
2.2排渣时的方式
在钻凿设备钻孔过程中排渣是极其重要的，也是引发卡钻的主要原因。潜孔钻机是靠潜孔冲击器做功后排出的高速气流来进行排渣。在潜孔钻机钻进过程中，排渣不畅会引起气流排出压力增大，使得冲击器用于做功的气压差会减小，从而也导致钻头破碎岩石的速度放缓，此时若操作人员不注意，进行提高推进速度的操作，极易引起卡钻。另外，如排渣不畅，在推进的过程中，在孔内未排出的岩渣随进尺米道数的增加而增加，当进行接卸、杆时，供气量会减小，此时未排出的岩渣就会落在钻头上面，导致卡钻。而且CS165E露天潜孔钻机选用的是165mm的钻头，140mm的冲击器，118mm的钻杆，存在3个突变的台阶，所以一旦发生上述情况，卡钻程度将很快恶化。
因此对CS165E钻机防卡功能不但要求能够在卡钻发生之初能够准确判断、快速做出反应，还应合理、有效的调整工作参数，应对该钻机工况条件差、钻进速度快、穿孔精度高的要求。
3 CS165E露天潜孔钻机智能防卡原理
3.1对采集到的回转压力数据进行过滤、分析、判断卡钻类型。
通过对采集单位时间内的压力参数变化，计算其平均值，对钻进过程中压力脉动引起的假卡钻现象进行过滤。对连续上升的卡钻信号进行分析，与在各种不同岩石条件下设定的参数进行对比，判断是否进入卡钻处理程序。
3.2根据卡钻类型，发出警报，并自动采取合适的处理方式。
根据卡钻的条件、程度不同需要采取不同的方式来应对，这样才能在避免卡钻的同时最大程度的保证钻孔效率，在一般情况下如果防卡压力设置过低，会使得频繁的减小推进压力导致钻孔速度变慢，如果设置过高又会增大卡鉆的风险，因此为保证合理的防卡，该防卡系统特性如下图所示：
图中Pt为工作时的推进压力，Ptz为推进压力渐变与突变过程的分界点，压力系数为压力值随回转压力变化的斜率。
第一阶段，当回转压力开始超过最大正常工作压力点Pr2时，推进压力将按一定的比例缓慢变小，如果回转压力恢复正常，推进压力也即恢复正常，此时其它参数均无变化。如果回转压力在推进压力缓慢变小后还继续上升，达到Pr4压力值，控制系统将开始快速减小推进压力。
第二阶段，如果遇到更加复杂的情况，回转阻力还是继续上升，从曲线图中可以看出当回转压力超过Pr4后，推进压力将快速下降，推进压力下降到一定值后，凿岩冲击器会因自重而后退，直到回转压力再次变小，推进压力又会上升，有时遇到如破碎带裂隙等极端情况时，这种变化会反复多次，直至穿过该岩层。
3.3数字化参数显示与调节
数字化参数显示与调节功能使该系统更具灵活性，在现场使用中，通过在防卡系统中设置不同的压力变化点，来应对不同岩石情况。还可以通过调节冲击、推进压力系数来调定其变化快慢程度，如在破碎带严重的地带，可以将此变化系数加大，使其反应更加灵敏。
4 结论
结合目前已有的防卡钻方案以及具体现场使用情况，设计了CS165E机型的防卡系统。利用程序控制，按不同卡钻条件，用不同比例地降低推进压力和冲击压力的方法，有效的防止多种类型的卡钻。该机独特的PLC智能控制自动防卡杆技术，以其先进的控制技术、有效的防卡方式和高可靠性和灵敏度，相比其它防卡系统有着明显优势。在现场使用以来，体现出了其优益的性能，大大提高了该钻机复杂地形的适应能力，使卡钻难题得到了很好的解决。
参考文献：（References）：
[1] 李东明.液压凿岩设备的防卡杆装置探讨[J].矿业研究与开发，1996，（2）.
[2] 吴万荣.等.潜孔钻机凿岩过程自动防卡钻控制[J].中国机械工程，2002，（6）.
[3] 赵宏强.等.潜孔钻机凿岩过程自动防卡钻理论与方安研究[J].机械科学与技术，2008，6.
[4] 郭勇.等.潜孔钻机智能防卡钎系统的研究[J].凿岩机械气动工具，2007，（1）.
[5] 杨光照.等.凿岩台车卡钻问题的排除方法[J].维修与改进，2009，（4）
（作者单位：栾川龙宇钼业有限公司）