液壓鉆機(jī)試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

張志萍

（山西晉城金晟機(jī)電有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

0 引 言

煤礦用液壓鉆機(jī)是煤礦開采的鉆探工具，在煤層抽放瓦斯、鉆探打孔中起著很重要的作用，主要特點(diǎn)應(yīng)有：煤礦鉆機(jī)具有液壓卡盤和夾持器系統(tǒng)，利用鉆機(jī)的反轉(zhuǎn)功能、實(shí)現(xiàn)鉆桿自動拆卸，操作更為方便、安全、可靠，大大減輕工人勞動強(qiáng)度，有效提高鉆機(jī)的效率。隨著高瓦斯礦井的增加，煤礦液壓鉆機(jī)的使用是否可靠、能夠保證質(zhì)量將會直接影響瓦斯抽放能力的大小，也會直接影響井下采掘環(huán)境是否達(dá)標(biāo)、能否正常生產(chǎn)。為了檢驗(yàn)煤礦液壓鉆機(jī)的質(zhì)量，根據(jù)MT/T199—1996《煤礦用液壓鉆車通用技術(shù)條件》和MT/T198—1996《煤礦用液壓鑿巖機(jī)通用技術(shù)條件》有關(guān)液壓鉆機(jī)基本性能參數(shù)表的內(nèi)容和出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目，我們設(shè)計(jì)了液壓鉆機(jī)試驗(yàn)臺，它是計(jì)算機(jī)控制模式的多通道、多參數(shù)的測試臺，集采集、記錄、處理、繪圖、顯示、打印、數(shù)據(jù)管理于一體，它可檢測工作液壓條件下，不同負(fù)載狀態(tài)的液壓鉆車基本性能參數(shù)（例如流量、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、拉壓力等），用以確保液壓鉆機(jī)質(zhì)量。

1 試驗(yàn)臺的組成結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺主要由臺架、測試裝置、數(shù)據(jù)采集裝置等組成，見圖1。

圖1 試驗(yàn)臺組成圖

1.1 臺架組成

臺架：由底座、測試臺、地溝組成。底座由水泥澆注而成，測試臺由六條直徑25 mm的螺栓固定在底座上；地溝長3 260 mm，寬3 300 mm，位于地下50 cm處，上面用工字鋼焊接頂棚覆蓋。設(shè)計(jì)地溝既是為了鉆機(jī)試驗(yàn)時(shí)的固定，也是為了液壓油的收集；因在試驗(yàn)過程中要有兩個(gè)不同部位的測試，在移動過程中難免出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，加設(shè)地溝既方便又環(huán)保。試驗(yàn)時(shí)，先將鉆機(jī)放在地溝上固定，而在不同測試部位上將鉆機(jī)頭與不同傳感器相連測試。

1.2 測試裝置

主要由10 000 N·m磁粉制動器、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩傳感器、拉壓力傳感器、萬向聯(lián)軸器組成。試驗(yàn)臺采用磁粉加載力矩電加載方式，具有操作簡單、可連續(xù)均勻加載、遠(yuǎn)距離控制等優(yōu)點(diǎn)。加載設(shè)備是由磁粉制動器與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、拉壓力傳感器配套做成加載裝置。

1）基本原理：根據(jù)電磁原理，采用磁粉作介質(zhì)，通電情況下形成磁粉鏈傳遞扭矩。磁粉制動器主要由內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子、激磁線圈、磁粉組成。內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子都由導(dǎo)磁材料制成，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的工作間隙充滿了導(dǎo)磁磁粉。當(dāng)線圈不通電時(shí)，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用，磁粉被甩在外轉(zhuǎn)子的內(nèi)壁上，磁粉與內(nèi)轉(zhuǎn)子之間沒有接觸，外轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)。當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子的激磁線圈通入激磁電流時(shí)，磁粉在磁力線作用下形成磁粉鏈，把內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子聯(lián)接起來，由粉末間的磁性結(jié)合力和粉末與兩運(yùn)動件的磨損力來傳遞扭矩。激磁電流增大，傳遞轉(zhuǎn)矩隨之增大。當(dāng)中斷激磁電流時(shí)，磁粉失去束縛，處于松散狀態(tài)，便不傳遞力矩。

2）主要參數(shù)：磁粉制動器用的激磁電流，需配置直流穩(wěn)壓電源。（1）磁粉制動器：額定轉(zhuǎn)矩1萬N·m；激磁電流4 A；（2）直流穩(wěn)壓電源：最大輸出電壓60 V；輸出電流0～4 A；輸入電壓，50 Hz.

3）試驗(yàn)要求[1]：試驗(yàn)在控制室內(nèi)，通過調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源的電流值，就可調(diào)節(jié)磁粉制動器的激磁電流值，從而控制磁粉制動器的輸出轉(zhuǎn)矩，當(dāng)給被試鉆機(jī)不同的轉(zhuǎn)速，能測試不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩值。磁粉制動器的轉(zhuǎn)矩與激磁電流的關(guān)系，見圖2。試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)注意要緩慢調(diào)節(jié)電流按鈕，防止電流增大過快，造成“堵轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，損壞被試鉆機(jī)。試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)將電流調(diào)節(jié)按鈕關(guān)到最小，以免下次使用時(shí)啟動困難。

圖2 轉(zhuǎn)矩與激磁電流的關(guān)系圖

1.3 參數(shù)測試和數(shù)據(jù)采集裝置

1）測試鉆機(jī)拉壓力：先將鉆機(jī)放在拉壓力測試部位上，由鉆機(jī)頭將長軸73的一端加緊，另一端與拉壓傳感器緊固好，啟動控制電源，開動鉆機(jī)，便可進(jìn)行測試。液壓流量即可同時(shí)進(jìn)行測試，可在控制柜查看數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)先關(guān)停鉆機(jī)，再關(guān)控制柜電源。2）測試扭矩：先將鉆機(jī)放在扭矩測試部位上，后將73的長軸一端固定在主機(jī)頭上，另一端需用萬向聯(lián)軸器與扭矩傳感器連接緊固即可，打開控制柜電源并啟動電腦，再啟動鉆機(jī)，便可進(jìn)行測試。液壓流量也可同時(shí)進(jìn)行測試，可查看扭矩、轉(zhuǎn)速、功率數(shù)據(jù)及動態(tài)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)先關(guān)鉆機(jī)，后關(guān)控制柜電源。3）所有參數(shù)的信號采集流程見圖3。這些參數(shù)經(jīng)傳感器經(jīng)檢測后輸出模擬信號，經(jīng)屏蔽電纜輸送到控制臺的儀表，儀表通過RS-232接口，以ASCII碼方式向外發(fā)送測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為浮點(diǎn)數(shù)，每個(gè)浮點(diǎn)數(shù)由連續(xù)發(fā)送的8個(gè)字節(jié)組成。控制臺的儀表除進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示外，還把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，其中，拉壓力傳感器輸出0～5 V的模擬信號，由計(jì)算機(jī)的A/D，將該模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值接收，拉壓力傳感器為電阻應(yīng)變式，輸出靈敏度為2 mV/V，拉力量程為300 kN，精度等級為0.2%～0.5%FS。轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器通過二次儀表的串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通訊，將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩值送至計(jì)算機(jī);轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器測量范圍1 000～10 000 N·m，精度為（±0.5）%FS，頻率響應(yīng)時(shí)間＜1 ms。[1]所有采用的傳感器體積小、重量輕、輸出靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短、精確度高；與其配套的二次儀表均為數(shù)字化智能儀表，帶有總線接口，可方便地組建采集系統(tǒng)。

圖3 信號采集流程框圖

2 試驗(yàn)臺特點(diǎn)和試驗(yàn)效果

2.1 主要特點(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。2）可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離平穩(wěn)加載，無沖擊。3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)全部由計(jì)算機(jī)自動采集處理，自動化程度高，測試準(zhǔn)確，克服了人工讀數(shù)誤差。4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用232/485總線方式，總線是開放式的，因此系統(tǒng)可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)充和升級。

2.2 試驗(yàn)效果

對CMS1-4000/55煤礦深孔鉆車進(jìn)行全面測試，證明其性能穩(wěn)定，測試結(jié)果準(zhǔn)確。試驗(yàn)后的鉆機(jī)質(zhì)量得到保證，贏得客戶的信任，對液壓鉆機(jī)的生產(chǎn)銷售將有很大幫助。

2.3 總體評價(jià)

通過性能測定可知，鉆機(jī)試驗(yàn)臺的測量范圍廣，測試結(jié)果準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定，能滿足鉆機(jī)出廠前的性能檢測和鉆機(jī)使用后的修復(fù)檢驗(yàn)。測試人員可直接在操縱室進(jìn)行操作，安全系數(shù)高。測試設(shè)備的出現(xiàn)，對提高鉆機(jī)質(zhì)量是個(gè)很好的促進(jìn)；鉆機(jī)質(zhì)量能提高，煤礦瓦斯治理效率自然會提高，是對煤礦安全生產(chǎn)的有力保證；因此所述試驗(yàn)設(shè)備具有良好市場前景。

[1]徐強(qiáng)，程立同，孟錚，等.氣動錨桿試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電，2002（6）：21-23.

[2]龍培，胡軍科.一種全液壓鉆機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].液壓與氣動，2007（6）：34-36.