液壓鉆機試驗臺的設計和應用

張志萍

（山西晉城金晟機電有限責任公司，山西 晉城 048000）

0 引 言

煤礦用液壓鉆機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，主要特點應有：煤礦鉆機具有液壓卡盤和夾持器系統，利用鉆機的反轉功能、實現鉆桿自動拆卸，操作更為方便、安全、可靠，大大減輕工人勞動強度，有效提高鉆機的效率。隨著高瓦斯礦井的增加，煤礦液壓鉆機的使用是否可靠、能夠保證質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境是否達標、能否正常生產。為了檢驗煤礦液壓鉆機的質量，根據MT/T199—1996《煤礦用液壓鉆車通用技術條件》和MT/T198—1996《煤礦用液壓鑿巖機通用技術條件》有關液壓鉆機基本性能參數表的內容和出廠檢驗項目，我們設計了液壓鉆機試驗臺，它是計算機控制模式的多通道、多參數的測試臺，集采集、記錄、處理、繪圖、顯示、打印、數據管理于一體，它可檢測工作液壓條件下，不同負載狀態的液壓鉆車基本性能參數（例如流量、轉速、轉矩、拉壓力等），用以確保液壓鉆機質量。

1 試驗臺的組成結構

試驗臺主要由臺架、測試裝置、數據采集裝置等組成，見圖1。

圖1 試驗臺組成圖

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。設計地溝既是為了鉆機試驗時的固定，也是為了液壓油的收集；因在試驗過程中要有兩個不同部位的測試，在移動過程中難免出現漏油現象，加設地溝既方便又環保。試驗時，先將鉆機放在地溝上固定，而在不同測試部位上將鉆機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、聯軸器、轉矩傳感器、拉壓力傳感器、萬向聯軸器組成。試驗臺采用磁粉加載力矩電加載方式，具有操作簡單、可連續均勻加載、遠距離控制等優點。加載設備是由磁粉制動器與轉矩轉速傳感器、拉壓力傳感器配套做成加載裝置。

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

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

3）試驗要求[1]：試驗在控制室內，通過調節直流穩壓電源的電流值，就可調節磁粉制動器的激磁電流值，從而控制磁粉制動器的輸出轉矩，當給被試鉆機不同的轉速，能測試不同轉速下的轉矩值。磁粉制動器的轉矩與激磁電流的關系，見圖2。試驗時，應注意要緩慢調節電流按鈕，防止電流增大過快，造成“堵轉”現象，損壞被試鉆機。試驗結束后，應將電流調節按鈕關到最小，以免下次使用時啟動困難。

圖2 轉矩與激磁電流的關系圖

1.3 參數測試和數據采集裝置

1）測試鉆機拉壓力：先將鉆機放在拉壓力測試部位上，由鉆機頭將長軸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，便可進行測試。液壓流量即可同時進行測試，可在控制柜查看數據。實驗結束時先關停鉆機，再關控制柜電源。2）測試扭矩：先將鉆機放在扭矩測試部位上，后將73的長軸一端固定在主機頭上，另一端需用萬向聯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，便可進行測試。液壓流量也可同時進行測試，可查看扭矩、轉速、功率數據及動態曲線。實驗結束時先關鉆機，后關控制柜電源。3）所有參數的信號采集流程見圖3。這些參數經傳感器經檢測后輸出模擬信號，經屏蔽電纜輸送到控制臺的儀表，儀表通過RS-232接口，以ASCII碼方式向外發送測量數據，數據類型為浮點數，每個浮點數由連續發送的8個字節組成。控制臺的儀表除進行數據顯示外，還把數據傳輸到計算機，其中，拉壓力傳感器輸出0～5 V的模擬信號，由計算機的A/D，將該模擬信號轉換成數字值接收，拉壓力傳感器為電阻應變式，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。轉矩、轉速傳感器通過二次儀表的串口與計算機進行串行通訊，將轉速、轉矩值送至計算機;轉矩、轉速傳感器測量范圍1 000～10 000 N·m，精度為（±0.5）%FS，頻率響應時間＜1 ms。[1]所有采用的傳感器體積小、重量輕、輸出靈敏度高，響應時間短、精確度高；與其配套的二次儀表均為數字化智能儀表，帶有總線接口，可方便地組建采集系統。

圖3 信號采集流程框圖

2 試驗臺特點和試驗效果

2.1 主要特點

1）結構簡單，操作方便。2）可實現遠距離平穩加載，無沖擊。3）試驗數據全部由計算機自動采集處理，自動化程度高，測試準確，克服了人工讀數誤差。4）數據采集系統采用232/485總線方式，總線是開放式的，因此系統可以根據需要進行擴充和升級。

2.2 試驗效果

對CMS1-4000/55煤礦深孔鉆車進行全面測試，證明其性能穩定，測試結果準確。試驗后的鉆機質量得到保證，贏得客戶的信任，對液壓鉆機的生產銷售將有很大幫助。

2.3 總體評價

通過性能測定可知，鉆機試驗臺的測量范圍廣，測試結果準確，性能穩定，能滿足鉆機出廠前的性能檢測和鉆機使用后的修復檢驗。測試人員可直接在操縱室進行操作，安全系數高。測試設備的出現，對提高鉆機質量是個很好的促進；鉆機質量能提高，煤礦瓦斯治理效率自然會提高，是對煤礦安全生產的有力保證；因此所述試驗設備具有良好市場前景。

[1]徐強，程立同，孟錚，等.氣動錨桿試驗臺的設計和應用[J].煤礦機電，2002（6）：21-23.

[2]龍培，胡軍科.一種全液壓鉆機進給系統的設計和應用[J].液壓與氣動，2007（6）：34-36.