礦用氣動回轉(zhuǎn)鉆機綜合性能試驗系統(tǒng)的研究

許海龍

1煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司檢測分院 北京 100013

2煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 北京 100013

氣動回轉(zhuǎn)鉆機在煤礦井下主要用于探排水孔、錨桿孔、爆破孔、注漿孔、瓦斯探測抽放孔等煤巖孔鉆進(jìn)作業(yè)，近年來應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，年使用量在 10 萬臺以上，已經(jīng)納入“安全標(biāo)志產(chǎn)品”管理范圍[1-2]。該類產(chǎn)品在使用前應(yīng)考核 0.40、0.50、0.63 MPa 3 個氣壓擋下的性能指標(biāo)。試驗中，供氣壓力隨被測鉆機負(fù)載變化而變化，需對供氣壓力進(jìn)行實時調(diào)節(jié)[3-6]。礦用氣動鉆機綜合性能試驗系統(tǒng)是型式檢驗與出廠檢驗的測試設(shè)備，筆者研究的試驗系統(tǒng)具有 2 個特點：綜合應(yīng)用現(xiàn)代測試技術(shù)，實現(xiàn)了試驗過程數(shù)字化自動控制，提高了試驗數(shù)據(jù)的可靠性及試驗效率；實現(xiàn)試驗過程中恒壓供氣，供氣偏差為±0.01 MPa，解決了供氣壓力隨鉆機負(fù)載變化而波動的技術(shù)難題。

1 試驗系統(tǒng)組成

試驗系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)矩為 100～2 500 N·m，最大輸出功率為 30 kW，試驗供氣壓力為 0.4～0.8 MPa，滿足礦用氣動回轉(zhuǎn)鉆機的測試要求。試驗系統(tǒng)主要由 4部分組成：①可調(diào)高機械臺架，中心高度調(diào)節(jié)范圍為 850～1 300 mm，包括升降導(dǎo)向機構(gòu)、4 組升降液壓缸、液壓閥組等；② 轉(zhuǎn)矩測量單元，包括勵磁負(fù)載裝置和動態(tài)轉(zhuǎn)矩測量裝置等；③供氣調(diào)節(jié)單元，用于試驗供氣恒壓控制、壓力及流量采集；④ 測控單元。可調(diào)高機械臺架、轉(zhuǎn)矩測量單元集成于鉆機回轉(zhuǎn)特性試驗臺中，如圖 1 所示。試驗過程中，供氣調(diào)節(jié)單元輸出恒壓空氣驅(qū)動鉆機運轉(zhuǎn)，勵磁負(fù)載裝置模擬產(chǎn)生回轉(zhuǎn)負(fù)載，使鉆機加載至額定轉(zhuǎn)矩，在此工況下測試鉆機的綜合性能參數(shù)。

圖1 鉆機回轉(zhuǎn)特性試驗臺Fig.1 Test bench for rotation performance of drill rig

2 動態(tài)轉(zhuǎn)矩測量單元設(shè)計

2.1 勵磁負(fù)載控制裝置

勵磁負(fù)載裝置主要由定子、轉(zhuǎn)子及含勵磁線圈的磁軛組成。在轉(zhuǎn)子和定子間的環(huán)形間隙內(nèi)填充有高導(dǎo)磁性的合金磁粉，當(dāng)電流通過激磁線圈時，磁軛中產(chǎn)生磁通，工作腔內(nèi)磁粉呈鏈狀連接起來，磁粉鏈間的抗剪力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；在 5%～ 90% 的額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩與勵磁電流呈線性關(guān)系，如圖 2 所示。利用該特性可以實現(xiàn)鉆機轉(zhuǎn)矩動態(tài)測試。

當(dāng)勵磁電流不變時，勵磁負(fù)載裝置產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不受轉(zhuǎn)速影響，靜摩擦轉(zhuǎn)矩與動摩擦轉(zhuǎn)矩一致，具有恒定的輸出轉(zhuǎn)矩特性，該特性保障了鉆機轉(zhuǎn)矩動態(tài)測試過程中的平穩(wěn)性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖2 激磁電流與轉(zhuǎn)矩關(guān)系Fig.2 Relationship between exciting current and torque

2.2 動態(tài)轉(zhuǎn)矩測試裝置

動態(tài)轉(zhuǎn)矩測試裝置原理如圖 3 所示，在一段彈性軸上粘貼應(yīng)變片組成應(yīng)變電阻橋，在彈性軸上固定有環(huán)形變壓器次級線圈和信號環(huán)形變壓器初級線圈；在測量裝置外殼上固定有激磁電路、信號環(huán)形變壓器次級線圈 (輸出)、能源環(huán)形變壓器初級線圈 (輸入)。應(yīng)變電阻橋?qū)?yīng)變軸的微小變形轉(zhuǎn)換為電信號，放大后傳輸至 V/F 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)輸出信號耦合器至信號輸出電路整形后，輸出與測試轉(zhuǎn)矩呈線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電信號。

圖3 動態(tài)轉(zhuǎn)矩測試裝置原理Fig.3 Principle of test device for dynamic torque

3 供氣調(diào)節(jié)單元設(shè)計

該單元設(shè)計依據(jù)為 GB/T 5621—2008，由電-氣比例控制閥、機械式調(diào)壓閥、貯氣罐、傳感器等組成，如圖 4 所示。

空氣壓縮機產(chǎn)生的壓縮氣體經(jīng)過濾后分為 2 路，旁路經(jīng)微霧分離器進(jìn)入電-氣比例控制閥調(diào)壓，然后進(jìn)入機械式主調(diào)壓閥先導(dǎo)孔，當(dāng)供氣壓力因被測鉆機負(fù)載變化而波動時，反饋調(diào)節(jié)電-氣比例控制閥開閉程度進(jìn)行閉環(huán)控制，使主調(diào)壓閥輸出穩(wěn)定壓力；主路由主控調(diào)壓閥調(diào)壓后，經(jīng)流量計進(jìn)入貯氣罐，衰減氣流脈動，供給被測鉆機。貯氣罐用于衰減氣流脈動，其容積與結(jié)構(gòu)依據(jù)被試鉆機的最大耗氣量設(shè)計。電-氣比例控制閥作為主調(diào)壓閥的先導(dǎo)控制閥，是實現(xiàn)調(diào)壓功能的關(guān)鍵部件，為閉環(huán)控制，當(dāng)供氣壓力發(fā)生變化時，能夠自動調(diào)節(jié)壓力值至輸入的電信號對應(yīng)的壓力值。機械式主調(diào)壓閥型號為 VEX1900-20-G，最高供氣壓力為 1.2 MPa，調(diào)壓精度為 0.005 MPa，響應(yīng)時間小于 60 ms，先導(dǎo)孔與主孔壓力比為 1∶1。

4 測控單元設(shè)計

依托 PLC 測控技術(shù)以及人機交互技術(shù)，進(jìn)行了硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩、壓力、耗氣量、溫度、推/拉力等試驗參數(shù)的自動化采集、運算處理、報告輸出等功能。

4.1 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)由傳感器、PLC 模塊、通信模塊、人機交互模塊等組成。經(jīng)研究分析信號采集點與控制點，選定主要測控元件，如表 1 所列。

表1 主要測控元件性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of main measuring and control components

中央處理器選用西門子 S7-300 系列的 CPU 315-2，擴(kuò)展模塊為模擬量輸入/輸出模塊。CPU 315-2 與 PC 接口通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn) Modbus 協(xié)議，物理連接采用 RS485-RS232-USB 接口方式[7-8]。

流量傳感器等信號采集元件將采集到的物理信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號，經(jīng)模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給 PLC，經(jīng) CPU 運算處理后，將數(shù)字量由通信接口傳輸?shù)?PC 機人機交互界面顯示。試驗時，將控制參數(shù)輸入 PC 的人機交互界面，通過 PLC 系統(tǒng)調(diào)控電-氣比例閥、勵磁加載裝置，實現(xiàn)供氣壓力及轉(zhuǎn)矩模擬負(fù)載的遠(yuǎn)程控制。

4.2 軟件開發(fā)

試驗系統(tǒng)的 PLC 程序為分塊程序結(jié)構(gòu)，包括初始化程序模塊、主程序模塊、通信模塊、控制程序模塊、運算程序模塊。上位機程序設(shè)計在 VB 環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)計內(nèi)容包括創(chuàng)建工程畫面、建立數(shù)據(jù)庫、I/O設(shè)備通信、編制腳本等；界面運行系統(tǒng)運行畫面、腳步、動畫連接等，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)實時讀取與顯示[9-10]；用戶窗口包括主顯示界面、參數(shù)設(shè)置、曲線圖及數(shù)據(jù)打印等，測試界面如圖 5 所示。

圖5 氣動鉆機性能測試界面Fig.5 Interface of performance test for pneumatic drill rig

5 試驗應(yīng)用

礦用氣動回轉(zhuǎn)鉆機綜合性能試驗系統(tǒng)實現(xiàn)了試驗過程的自動化控制，在轉(zhuǎn)矩從 0～3 000 N·m 的加載過程中，勵磁負(fù)載調(diào)節(jié)裝置靈敏平穩(wěn)。供氣壓力輸出實測值與設(shè)定值之差最大為 0.009 MPa，測試曲線如圖 6 所示，解決了試驗過程中供氣壓力隨負(fù)載變化而波動的技術(shù)難題。

圖6 試驗系統(tǒng)供氣調(diào)壓特性曲線Fig.6 Characteristic curve of air pressure control of test system

6 結(jié)語

基于 GB/T 5621—2008 標(biāo)準(zhǔn)要求，綜合應(yīng)用電-氣比例控制技術(shù)、PLC 控制技術(shù)等現(xiàn)代測控技術(shù)，研制了礦用氣動回轉(zhuǎn)鉆機綜合性能試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有試驗過程自動控制等功能，提高了試驗數(shù)據(jù)的可靠性及試驗效率。