錨桿鉆車鉆架操縱閥組試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)與研究

安 磊

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

錨桿鉆車是短壁機(jī)械化成套裝備的關(guān)鍵設(shè)備之一，現(xiàn)國內(nèi)自主研發(fā)機(jī)型逐步替代進(jìn)口同類機(jī)型。

因錨桿鉆車液壓系統(tǒng)復(fù)雜程度高，調(diào)試過程中液壓系統(tǒng)故障頻出，故障判定與閥塊更換嚴(yán)重影響整機(jī)液壓系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)度。究其原因，其主要問題是閥塊質(zhì)量不穩(wěn)定。因此開發(fā)針對錨桿鉆車鉆架操縱閥組液壓系統(tǒng)調(diào)試的專用試驗(yàn)臺已經(jīng)成為生產(chǎn)環(huán)節(jié)迫切需要解決的技術(shù)課題。

1 液壓計(jì)算機(jī)輔助測試CAT

液壓試驗(yàn)臺是液壓元部件檢驗(yàn)、系統(tǒng)調(diào)試的重要設(shè)備，是液壓系統(tǒng)質(zhì)量保障的重要手段，也是集機(jī)、電、液、測試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的技術(shù)裝備。目前液壓試驗(yàn)臺的發(fā)展主要集中在測試手段、測試技術(shù)、數(shù)據(jù)采集等方面。伴隨著傳感器技術(shù)、測試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助測試（CAT）已經(jīng)成為主要的測試手段。

液壓CAT的應(yīng)用模式，經(jīng)歷了以下4個階段：①常規(guī)二次儀表＋單板機(jī)＋匯編語言；②常規(guī)二次儀表＋專用接口＋計(jì)算機(jī)＋高級語言（或匯編語言）＋輸出設(shè)備；③通用接口＋微型機(jī)系統(tǒng)；④兼有測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理功能和計(jì)算機(jī)控制功能的微機(jī)系統(tǒng)。

從測試系統(tǒng)的功能看，有兩種模式：一是計(jì)算機(jī)對測試裝置進(jìn)行控制并完成測試過程數(shù)據(jù)采集和處理一體化的系統(tǒng)；二是計(jì)算機(jī)不對測試裝置進(jìn)行控制，只進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號處理和試驗(yàn)結(jié)果輸出的系統(tǒng)。

2 鉆架操縱閥試驗(yàn)臺

錨桿鉆車閥組試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括試驗(yàn)臺總體布置設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測點(diǎn)布置和試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)。

2.1 液壓試驗(yàn)臺的組成

液壓試驗(yàn)臺由泵站、加載臺和測控臺3大部分組成。泵站部分采用雙泵配置，大流量液壓泵作為試驗(yàn)動力源，為被試系統(tǒng)或元部件提供液壓動力；高壓小流量液壓泵為系統(tǒng)提供高壓，用來測試系統(tǒng)或部件的耐壓能力，同時兼顧液壓支架安全閥開啟壓力調(diào)定。加載臺部分的執(zhí)行元件與被試件（鉆架閥組）通過傳感器及液壓管路連接，可直觀顯示被試件的輸出動作，傳感器單元完成對各測點(diǎn)的壓力、流量檢測。測控臺部分是試驗(yàn)臺的核心控制單元。試驗(yàn)參數(shù)通過傳感器（壓力、流量、液位液溫、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩）、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)采集模塊、USB數(shù)據(jù)輸出接口、顯示器、工控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、圖形繪制（特性曲線、性能曲線和等效率曲線）和測試結(jié)果輸出?？刂栖浖哂辛己玫娜藱C(jī)交互及可擴(kuò)展性。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺液壓原理圖如圖1 所示。采用雙泵配置：大流量液壓泵作為試驗(yàn)動力源，為被試閥組和液壓執(zhí)行元件提供液壓動力；高壓小流量液壓泵可提供高壓，用來測試系統(tǒng)或部件的耐壓能力。通過動作油缸的動作來實(shí)時反映被試閥組的具體功能，通過加載油缸／馬達(dá)配合加載閥的方式來實(shí)現(xiàn)被試閥組的加載調(diào)試功能。在系統(tǒng)關(guān)鍵壓力節(jié)點(diǎn)上設(shè)置壓力傳感器，實(shí)時反映當(dāng)前液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)，為操作者的分析判斷提供數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)臺液壓原理圖

2.3 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 為錨桿鉆車鉆架操縱閥組試驗(yàn)臺系統(tǒng)原理圖。試驗(yàn)臺測試系統(tǒng)由研華工控機(jī)、亞控的組態(tài)軟件和研華的數(shù)據(jù)采集板卡完成對油源和操縱閥組的控制和監(jiān)控，通過以上這3種主要部件的配合使用完成油源主泵的加載閉環(huán)控制、油源輔泵的加載閉環(huán)控制和閥組A、B的馬達(dá)加載、油缸加載等閉環(huán)控制等，完成試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的采集與處理等操作。通過對試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)或?qū)崟r數(shù)據(jù)查詢，快速判定被試閥組的好壞，極大地方便了試驗(yàn)者操作。

圖2 錨桿鉆車鉆架操縱閥組試驗(yàn)臺系統(tǒng)原理圖

2.4 測點(diǎn)布置

試驗(yàn)臺系統(tǒng)總計(jì)由14組壓力傳感器、2組流量傳感器和2組扭矩－轉(zhuǎn)速傳感器輸出數(shù)據(jù)。系統(tǒng)加載通過測控臺進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，壓力傳感器單元預(yù)留可擴(kuò)展傳感器接口。

能源供油到調(diào)壓組件后，調(diào)壓組件將油路分為兩個支路以滿足同時對兩個閥組進(jìn)行試驗(yàn)的需要，調(diào)壓組件設(shè)傳感器對能源供油進(jìn)行監(jiān)測。主、輔泵流量均設(shè)流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。傳感器組件上提供4組負(fù)載比例溢流閥完成對2組被試閥組的加載油缸與加載馬達(dá)的加載需要，壓力傳感器分別監(jiān)測壓力；設(shè)2路通斷閥以完成2組被試閥組連接馬達(dá)與閥組的需要；另外傳感器閥組設(shè)8個壓力檢測口，完成對閥組部分監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測需要。

2.5 試驗(yàn)臺工裝設(shè)計(jì)

整個試驗(yàn)臺工裝設(shè)計(jì)要求閥組的控制動作能實(shí)時顯示；另外在加載油缸（馬達(dá)）上通過加載閥進(jìn)行節(jié)流加載，實(shí)現(xiàn)鉆架操縱閥組在模擬井下工況下動作。其功能通過以下3個組件實(shí)現(xiàn)：

（1）油缸動作模擬組件如圖3 所示。被試閥組架由固定架、被試閥組和動作顯示油缸3部分組成。被試閥組為錨桿機(jī)閥組；動作油缸選用錨桿機(jī)中上下旋轉(zhuǎn)油缸；被試閥組和動作油缸均固定在固定架上。

加載油缸對被試閥組進(jìn)行模擬加載，通過動作顯示油缸的動作檢驗(yàn)被試閥組的具體功能。

圖3 油缸動作模擬組件

（2）進(jìn)給加載臺如圖4 所示。進(jìn)給加載臺由固定架和加載油缸、鉆箱模擬塊3部分組成。加載油缸的規(guī)格為Φ100／70，行程為600mm，為模擬鉆架的軸向加載力進(jìn)行加載；鉆架使用錨桿機(jī)的鉆架；固定架用于固定鉆架和加載油缸。

通過單向比例溢流閥對加載油缸進(jìn)行實(shí)時加載和調(diào)節(jié)，通過壓力傳感器對加載油缸壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

圖4 進(jìn)給加載臺

（3）扭矩加載臺如圖5 所示。扭矩加載組件由固定架、加載馬達(dá)、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器和鉆箱馬達(dá)4部分組成。加載馬達(dá)用來給鉆箱馬達(dá)加載；扭矩轉(zhuǎn)速傳感器提供被試馬達(dá)的扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；固定架用于固定加載馬達(dá)、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器和鉆箱馬達(dá)。

通過單向比例溢流閥對加載馬達(dá)進(jìn)行加載和實(shí)時調(diào)節(jié)，通過壓力傳感器對加載馬達(dá)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

圖5 扭矩加載臺

3 試驗(yàn)臺的技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)臺技術(shù)參數(shù)見表1。

4 結(jié)語

通過試驗(yàn)臺的開發(fā)，在實(shí)現(xiàn)錨桿鉆車鉆架整體性能測試、鉆架閥組的部件調(diào)試、單一閥塊機(jī)能檢驗(yàn)的同時，兼顧其他設(shè)備液壓系統(tǒng)元部件的試驗(yàn)，為相關(guān)專業(yè)科研項(xiàng)目創(chuàng)造了試驗(yàn)條件。試驗(yàn)時利用一到兩套基礎(chǔ)閥組，對單一閥塊機(jī)能進(jìn)行檢驗(yàn)，有效提高了配件供應(yīng)質(zhì)量，從而提高了售后服務(wù)質(zhì)量，減少了生產(chǎn)和售后服務(wù)人員，提高了產(chǎn)品的市場競爭力，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分顯著。

表1 試驗(yàn)臺技術(shù)參數(shù)

［1］雷天覺.新編液壓工程手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］馬明建，周長城.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1998.