坑道钻机回转试验台的设计和应用

郭赛葛，马通通

（煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013）

1 引言

我国的能源构成特点是“煤多，油少、气缺”，因此我国的基础能源一直是煤炭。我国90%以上的煤矿以井工开采为主，其中约1/3 的煤炭产量来自于高瓦斯矿井，因而瓦斯成为煤矿井下安全事故的首要灾害源。目前治理瓦斯危害最直接最有效的手段就是采用煤矿井下坑道钻探技术，而煤矿坑道勘探用钻机也被纳入“安全标志产品”管理范围内，每年全国使用量10 万台以上，直接作业人员达60 万人，因此煤矿坑道钻机在煤矿安全生产中有着举足轻重的地位。

随着煤矿对安全生产不断提出更高的要求，对施工终孔直径和孔深都提出了更高的要求，因此坑道钻机的规格要求也在不断提高。目前国内能力最大的坑道钻机为西安煤科院研制的ZDY22000 LK型煤矿用履带式全液压坑道钻机，其最大转矩达到了22000 牛·米，为了检验坑道钻机回转性能，参照MT/T 790-2006 标准《煤矿坑道勘探用钻机》中有关坑道钻机基本性能参数表中的相关标准条款、根据出厂检验项目的要求定制了一种坑道钻机回转性能的试验台。该定制试验台通过计算机控制，满足同步进行多通道、多参数测试的功能，在数据采集、数据记录、处理模型、更新绘图、成形显示、打印方面实现了数据的集成汇总，该试验台可以在规定的电机输入功率条件下测试以下关键参数——在不同负载的状态下，记录坑道钻机的基本性能的相关参数值，例如坑道钻机的输入功率、转速、转矩、起拔力、给进力以及对转速值、转矩进行有关计算后显示整机效率值等，确保坑道钻机的性能满足行业标准的要求。

2 定制试验台的组件

定制试验台的重要组成部分有：转矩转速测量装置、机械台架及液压系统等，如图1 所示。

图1 定制试验台的组件

2.1 机械台架

机械台架的组成部分有底座、支撑导轨和油缸。测量装置通过螺栓紧固安装在升降平台的平板上，该平板则通过框架与四组升降油缸以及导向柱固定连接。根据被测机具输出轴的高度，调节升降油缸至测量装置中心高度，并通过万向节与被测钻机输出轴连接。在试验过程中由励磁负载调节装置产生的反向回转力矩模拟钻机工作中额定工况下的负载。平台导向起到克服反力矩的作用，确保在测试转矩时台架有足够的稳定性。

在完成机械台架的三维建模设计后，利用SolidWorks 有限元软件对整套试验台架，在设计的3 万牛·米转矩工况下进行有限元动态模拟载荷力学分析。经过仿真分析、计算，平台导向最大变形量为0.21 mm，最大等效应力为31.3 N/mm2，如图2 所示；升降导向立柱最大变形量为0.13 mm，最大等效应力为50.4 N/mm2，如图3 所示。试验台架的关键承力零部件升降导向立柱、平台导向满足试验工况下力学可靠性要求。

图2 平台导向力学分析云图

图3 升降导向立柱力学分析云图

2.2 动力源

根据被测坑道钻机使用电机的电压等级，使用660V 或1140 V 输入电压，连接坑道钻机的电机，为坑道钻机提供动力。同时，使用三相测控仪来测量输入相电流和输入相电压，进而显示输入功率。

2.3 试验台加载装置

试验台选用磁粉力矩电加载的方式，该装置操作简单，可连续平稳地加载且可以实现远距离控制。磁粉制动器是实验加载的主体设备，与转矩转速传感器配套成为加载装置。

2.3.1 装置的基本原理

磁粉制动器的原理见图4。磁粉制动器的主要组成部分是：外定子（磁轭）、内定子、转子、转子轴、线圈和磁粉等。依据电磁原理：通过利用磁粉传递的转矩，其激磁电流和传递转矩基本为线性关系。当激磁线圈内没有输入电流时，不会在外定子、转子、磁粉和内定子之间产生电磁力，内定子和转子之间的磁粉呈现松散状态，制动力矩不能向转子轴上传递。当线圈中有电流后，线圈周围产生磁场，磁粉受磁场感应而被磁化，于是磁链在转子和内定子之间就形成了，连接磁力就在内定子与转子之间产生了，由于内定子固定不动，就会制动旋转的转子。通过调节激磁电流的大小，便得到所要求的制动力矩。

图4 磁粉制动器的原理图

2.3.2 主要特性

试验时，旋转测控柜上的调节旋钮，即可调节直流稳流电源的输出电流。通过调节磁粉制动器所需的激磁电流的大小，进而控制磁粉制动器的输出转矩大小，传递给被测的坑道钻机，以满足被测坑道钻机空载试验和负载试验的需要，同时可远距离实现连续平稳加载。激磁电流和磁粉制动器的转矩的关系见图5，滑差转速与传递扭矩的关系见图6。

图5 激磁电流与传递转矩的关系

图6 滑差转速与传递转矩的关系

励磁负载调节装置具有转矩恒定输出的特性，此特性为钻机转矩动态测试试验过程的平稳性、数据的准确性提供重要保障。当励磁电流保持不变时，转子的转速不会影响其转矩，静摩擦转矩和动摩擦转矩没有差别，这样便实现了转矩恒定。

试验时要缓慢地旋转调节旋钮，否则会产生“堵转”的现象，这是由于电流增大过快导致的，可能损坏被测坑道钻机。试验结束后，必须将电流调节旋钮旋转到最小，避免下次使用时一通电产生扭矩而导致坑道钻机无法启动的现象。

2.4 液压装置

液压系统实现被测钻机回转马达及推进油缸供油、试验台高度调节等功能，该试验台应用电-液比例控制技术，调节被测钻机回转马达、推进油缸的供油压力调节，满足不同规格被测产品的试验要求。平台升降采用液压缸控制，升降到指定高度后，采用液压、机械锁紧结构将平台固定；应用电磁换向阀、双作用平衡阀，使4 个升降油缸同步动作，避免平台在升降过程中卡死，液压原理图如图7 所示。

图7 液压系统原理图

升降油缸设计：

式中 D——油缸直径，mm

F——升降平台总成重量

p——油缸工作压力

F=73 kN，p=10 MPa，经计算、标准化，油缸直径取100mm、杆径70 mm。

据统计，被测机具回转输出轴距地面高度范围为850～1300 mm，根据负载调节装置的选型设计，本项目设计的试验台输入轴最低距地高度为800 mm，因此油缸升降行程取700 mm。

2.5 数据采集系统

2.5.1 参数测试和信号采集

在被测样机连接的电源上安设三相测控仪，用以检测坑道钻机电机的输入功率；转矩、转速传感器接入加载设备和被试坑道钻机之间，用来检测不同负载下坑道钻机的转速、转矩和功率。所有参数的信号采集流程见图8。

图8 信号的采集流程框图

经传感器检测后的参数可输出模拟信号，通过屏蔽电缆将信号直接送至控制室内的二次仪表，二次仪表将进行数字显示，并将其输出的信号传递至计算机。其中：

转矩、转速传感器的信号通过二次仪表上的串口与计算机进行串行通讯，转矩、转速值输送至计算机。转矩、转速传感器的测量精度为±5%FS，频率响应时间＜1 ms。

试验台所选用的传感器均体积小、重量轻，输出灵敏度高，且响应时间短，精度高。与之配套的二次仪表均为智能的数字仪表，带有总线接口，可方便地组建和采集系统。

2.5.2 数据采集系统的软件

S7-300 系列PLC 应用STEP7-Micro/Win32编程软件完成编程、联调以及在线监控。该软件运行在计算机Windows 系统环境下，功能强大，界面简单、实用，应用方便。本项目开发的PLC 程序为分块程序结构，PLC 程序模块由初始化程序模块、通讯模块、主程序模块、运算程序模块、控制程序模块等组成，如图9 所示。分块程序指的是一个项目的所有任务被分解成多个小的任务块，根据具体情况将每个任务块的控制任务分别划分到各个子程序中，或者放入中断程序中。程序执行过程中，CPU通过不断地调用各个子程序或者中断程序。分块程序结构虽然复杂一些，但能够把每个复杂的过程拆分成多个简单的过程，使程序更容易编写及调试。分块程序结构能够降低程序的复杂度，可以简化程序设计、调试和维护等，并且使各个功能模块具有独立性，可以为多个程序所共享。块结构是一种具备明显优势的程序设计技术，显著地增加了PLC程序的透明性、可理解性，使程序易维护，具备操作性。

图9 数据采集系统软件的构架图

3 定制试验台的特点和试验效果

3.1 试验台的主要特点

（1）试验台设计结构简单，操作简便。

（2）试验台可实现远距离的平稳连续加载，并且无冲击。

（3）试验数据全部通过计算机自动采集并进行数据处理，自动化程度高，且测试数值准确，减少了人工读数的误差。

（4）数据采集系统采用232/485 总线的方式，由于总线是开放式的，可根据需要，进行扩充和升级。

3.2 试验的效果

对安全工程钻机试验台架进行了调节试验，分别在负载转矩30000 N·m、转速10 r/min 及负载转矩10000 N·m、转速50 r/min 工况下，连续运转60分钟。试验台架稳定可靠，没有出现振动、变形、破损等异常现象。励磁负载调节装置从0～30000 N·m转矩加载过程中平稳灵敏；回转冷却系统水箱温升为24.3℃，满足设计使用要求。升降平台在升降过程中液压系统运行平稳、电磁换向阀等执行元件灵敏可靠，导向立柱无卡阻等异常现象。