邢蘇寧,王思聰

(鎮(zhèn)江安達(dá)機(jī)械有限責(zé)任公司,江蘇鎮(zhèn)江212005)

煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)整機(jī)性能測(cè)試加載方式比較

邢蘇寧,王思聰

(鎮(zhèn)江安達(dá)機(jī)械有限責(zé)任公司,江蘇鎮(zhèn)江212005)

煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)是煤礦井下鉆瓦斯抽放孔的設(shè)備,其工作環(huán)境惡劣,除了要求穩(wěn)定的性能外,還要求鉆機(jī)具備一定的抗沖擊、過(guò)載荷的能力,便于處理各種抱鉆、塌孔事故。為了保證鉆機(jī)的質(zhì)量、性能符合要求,制造廠除了要對(duì)各個(gè)零、部件的質(zhì)量按照設(shè)計(jì)圖紙嚴(yán)格把關(guān)外,整機(jī)的各項(xiàng)性能檢測(cè)也是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。每臺(tái)鉆機(jī)出廠前都必須嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行出廠性能檢測(cè)。因此,完備的鉆機(jī)性能檢驗(yàn)、檢測(cè)手段不僅能夠?yàn)槠髽I(yè)的新型鉆機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)、產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)提供依據(jù),也為產(chǎn)品中液壓元件的應(yīng)用選型提供了可靠的數(shù)據(jù)參考,同時(shí)更是衡量企業(yè)是否具備鉆機(jī)生產(chǎn)條件的重要標(biāo)志。

1 鉆機(jī)檢測(cè)裝置的功能、內(nèi)容及要求

鉆機(jī)檢測(cè)裝置就是完成鉆機(jī)各項(xiàng)性能檢測(cè)的必要裝備,完全依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的檢測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置。選配的元件應(yīng)該符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的精度要求。

1.1 鉆機(jī)檢測(cè)裝置應(yīng)能檢測(cè)以下內(nèi)容(1)鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓、電流、輸入功率; (2)鉆機(jī)在回轉(zhuǎn)狀態(tài)下的輸出扭矩、輸出轉(zhuǎn)速、輸出功率;

(3)自動(dòng)計(jì)算并顯示鉆機(jī)的總效率;

(4)鉆機(jī)在不同狀態(tài)下的給進(jìn)力和起拔力;

(5)變速箱、油泵、油馬達(dá)的溫升;

(6)鉆機(jī)的噪聲檢測(cè)。

1.2 鉆機(jī)檢測(cè)裝置精度要求

(1)扭矩測(cè)量的準(zhǔn)確度不低于1級(jí);

本文介紹了全液壓煤礦用坑道鉆機(jī)的性能檢測(cè)裝置,并對(duì)各種性能檢測(cè)裝置進(jìn)行了對(duì)比分析。關(guān)鍵詞:鉆機(jī)性能;檢測(cè)裝置;煤礦

(2)轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差不大于1r/min;

(3)三相功率測(cè)量的準(zhǔn)確度不低于1級(jí);

(4)推拉力測(cè)量的準(zhǔn)確度不低于1級(jí);

(5)溫度測(cè)量誤差不大于1℃。

2 不同鉆機(jī)整機(jī)性能檢測(cè)裝置加載方式

鉆機(jī)整機(jī)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的功能是按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)鉆機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù),并以此作為判斷鉆機(jī)是否符合質(zhì)量要求的依據(jù)。對(duì)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)而言,關(guān)鍵是測(cè)得的數(shù)據(jù)是否真實(shí)有效。

全液壓坑道鉆機(jī)最主要的性能是輸出功率和整機(jī)效率,也是檢測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)。輸出功率和整機(jī)效率的檢測(cè)可以有多種方式,其核心是利用不同的方法模擬鉆機(jī)的額定工況效果,在鉆機(jī)的輸入電功率達(dá)到額定的條件下測(cè)量鉆機(jī)的輸出參數(shù),即:測(cè)量輸出扭矩和輸出轉(zhuǎn)速,得到輸出功率,并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)得到整機(jī)效率。根據(jù)這個(gè)原則,鉆機(jī)生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)自身的條件和實(shí)際情況,可以選擇適合的方式進(jìn)行檢測(cè)。

不同的檢測(cè)試驗(yàn)方式的差異主要在于功率檢測(cè)方面,而其他項(xiàng)目的檢測(cè),如:噪聲、溫升、推拉力的測(cè)量方法基本相同,區(qū)別僅在于一種是簡(jiǎn)單的用儀器直接測(cè)量,一種是通過(guò)傳感器將信號(hào)與計(jì)算機(jī)連接,由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。在此,對(duì)這些項(xiàng)目的檢測(cè)不作討論,本文僅著重討論回轉(zhuǎn)狀態(tài)下的功率測(cè)量方法。

各種鉆機(jī)檢測(cè)裝置加載原理分析:

鉆機(jī)的主參數(shù):扭矩、轉(zhuǎn)速的檢測(cè)主要是通過(guò)外加載荷模擬工作狀態(tài),達(dá)到檢測(cè)目的。無(wú)論哪種檢測(cè)方式,加載裝置、數(shù)據(jù)采集部分儀器與鉆機(jī)回轉(zhuǎn)軸都是同軸的,一般將加載裝置、轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器等安裝在測(cè)試臺(tái)架上。通常采用的鉆機(jī)和扭矩試驗(yàn)加載方式有以下幾種:

(1)油泵加載型試驗(yàn)臺(tái)(圖1)。

圖1 油泵加載型檢測(cè)裝置示意圖

工作原理是:將鉆機(jī)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)狀態(tài)下輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作為試驗(yàn)臺(tái)加載油泵的輸入動(dòng)力,通過(guò)轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器聯(lián)軸器連接油泵軸,驅(qū)動(dòng)油泵工作,泵出高壓油,油泵泵出的不同油壓值反映油泵不同的輸出功率,代表了鉆機(jī)相應(yīng)的輸出功率。主要由油泵、油箱、溢流閥、冷卻器構(gòu)成。由于加載時(shí)需要較大的壓力范圍,一般選擇軸向柱塞泵比較合適。

如圖1所示,加載油泵、變速箱、轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器固定安裝于臺(tái)架上。鉆機(jī)動(dòng)力頭輸出軸通過(guò)柔性聯(lián)軸器或萬(wàn)向節(jié)連接轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器,再連接變速箱、聯(lián)軸器與油泵輸入軸相連。變速箱的作用是將鉆機(jī)主軸的輸出轉(zhuǎn)速匹配至接近油泵的額定轉(zhuǎn)速,保證油泵能夠正常工作,當(dāng)鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速有多個(gè)檔位時(shí),變速箱也應(yīng)該有相應(yīng)的速比檔位。加載的方法是利用調(diào)整溢流閥的壓力調(diào)節(jié)泵的輸出壓力,達(dá)到加載的目的。這種加載方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本低。由于加載裝置沒(méi)有電機(jī),檢測(cè)加載過(guò)程中不需要消耗額外能量,使用成本低。非常適合小扭矩鉆機(jī)的檢測(cè),也適合小批量生產(chǎn)鉆機(jī)的企業(yè)使用。不足之處在于,加載載荷的大小,是由溢流閥的設(shè)定壓力來(lái)決定的,在加載檢測(cè)過(guò)程中,溢流閥始終處于打開(kāi)溢流狀態(tài),加載油泵的輸出功率全部轉(zhuǎn)化為熱能,液壓油的溫升明顯。因此,需要合理選擇冷卻器,并連續(xù)進(jìn)行冷卻,才能保證檢測(cè)的順利進(jìn)行。另外,鉆機(jī)主軸與油泵軸的連接較難保證同軸,而柔性連接的使用壽命比較短,長(zhǎng)時(shí)間工作,加載油泵比較容易損壞。

檢測(cè)的轉(zhuǎn)速和扭矩通過(guò)數(shù)字表頭直接顯示,輸出功率根據(jù)公式計(jì)算:

式中:P2——?jiǎng)恿︻^主軸輸出功率,kW;

N——?jiǎng)恿︻^主軸輸出轉(zhuǎn)速,r/min;

M——?jiǎng)恿︻^主軸輸出扭矩,N·m。

由于這種性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)加載方式簡(jiǎn)單,所以輸入功率的檢測(cè)也一般是用電流表、電壓表和功率因素表,測(cè)出三相電流、電壓、功率因數(shù),然后根據(jù)公式:

式中:P1——電動(dòng)機(jī)輸入功率,kW;

U——電壓,V;

I——D電流,A;

cosΨ——功率因數(shù),無(wú)量綱。

通過(guò)計(jì)算可以得到輸入功率數(shù)據(jù)。如果直接用三相電功率表進(jìn)行檢測(cè)則更方便、直觀。整機(jī)效率的取得直接取用輸出、輸入功率的值進(jìn)行計(jì)算。

η=P2/P1

(2)液壓馬達(dá)加載型試驗(yàn)臺(tái)(圖2)。

圖2 液壓馬達(dá)加載型試驗(yàn)臺(tái)示意圖

這種方式是通過(guò)液壓馬達(dá)給鉆機(jī)動(dòng)力頭主軸施加一個(gè)反向抵抗力矩,如圖2所示:馬達(dá)、變速箱、轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器固定安裝在臺(tái)架上。主要包括電機(jī)、油泵、油箱、冷卻器、溢流閥,液壓馬達(dá)。工作原理是電機(jī)驅(qū)動(dòng)低壓油泵給馬達(dá)供油,馬達(dá)的輸出軸通過(guò)轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器與鉆機(jī)動(dòng)力頭主軸連接,當(dāng)動(dòng)力頭主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn),在馬達(dá)的出油管路上加有節(jié)流閥和溢流閥,使出油管路產(chǎn)生壓力,以產(chǎn)生與動(dòng)力頭方向相反的阻力矩,實(shí)現(xiàn)加載的目的。為保證馬達(dá)正常工作,必須在鉆機(jī)與馬達(dá)間加增速器,傳動(dòng)路徑為:馬達(dá)—小齒輪—大齒輪—變速箱主軸—轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器—鉆機(jī)動(dòng)力頭。

這種加載裝置與油泵加載試驗(yàn)臺(tái)相比,測(cè)量范圍較大,一般在100kW之內(nèi)。液壓油的發(fā)熱情況類(lèi)似于油泵加載型,也需要配置合適的冷卻器。此外,由于需要用電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵,工作時(shí)也需消耗一定的電能,使用成本和制造成本相對(duì)油泵加載型要高一些。輸入功率、整機(jī)效率的檢測(cè)方法與油泵加載型試驗(yàn)臺(tái)相同。

(3)磁粉制動(dòng)器加載型試驗(yàn)臺(tái)(圖3)

圖3

磁粉制動(dòng)器加載型試驗(yàn)臺(tái)的加載方式是利用磁粉制動(dòng)器產(chǎn)生一個(gè)阻力矩,實(shí)現(xiàn)加載目的。其原理是磁粉制動(dòng)器的輸出軸通過(guò)轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器與動(dòng)力頭主軸連接,調(diào)節(jié)激磁電流可以控制傳遞扭矩的大小,這種加載方式由于磁粉制動(dòng)器的特性,扭矩控制精度高,定轉(zhuǎn)矩效果比較好。但磁粉的加入量及磁粉的磁性變化均會(huì)影響到扭矩的大小,尤其是使用一段時(shí)間后,磁粉的磁性會(huì)有衰減,阻力矩也會(huì)相應(yīng)下降,需要經(jīng)常對(duì)磁粉制動(dòng)器進(jìn)行維護(hù)。另外,磁粉制動(dòng)器使用過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象,但總的來(lái)說(shuō),這種加載方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,應(yīng)用比較普遍。

輸入功率、整機(jī)效率的檢測(cè)可以采用油泵加載型試驗(yàn)臺(tái)的簡(jiǎn)單方式,也可采用圖3b的形式。

圖3b試驗(yàn)臺(tái)與圖3a的差異在于增加了計(jì)算機(jī)集中控制部分,自動(dòng)化程度高,使用方便?？刂乒δ馨ù欧壑苿?dòng)器的啟/停、磁粉制動(dòng)器阻力矩的調(diào)整,鉆機(jī)電機(jī)的啟/停。配置有電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器,如果再配置推力、噪聲測(cè)試儀、紅外測(cè)溫儀即可滿(mǎn)足鉆機(jī)所有參數(shù)的檢測(cè)需求。另外,配置1臺(tái)電控儀表柜,柜子上裝有9塊數(shù)顯儀表、1臺(tái)微機(jī)扭矩儀、1臺(tái)加載控制儀、1臺(tái)工控機(jī)和1臺(tái)液晶顯示器。數(shù)顯儀表分別顯示3個(gè)電壓、3個(gè)電流、2個(gè)功率、1個(gè)推力。并安裝有調(diào)零電機(jī)啟動(dòng)停止按鈕、控制給電、儀表給電、計(jì)算機(jī)給電、急停等按鈕。

輸入電功率的測(cè)量是將電流、電壓傳感器的電信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后接入計(jì)算機(jī)。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)接入的各項(xiàng)電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并設(shè)計(jì)鉆機(jī)檢測(cè)界面,通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)就可以非常方便的控制磁粉制動(dòng)器阻力矩的大小,實(shí)現(xiàn)加載功能。在一個(gè)窗口內(nèi)可以同時(shí)動(dòng)態(tài)顯示轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率、輸入功率、總效率以及檢測(cè)時(shí)間等參數(shù),并可選擇性地挑選試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行打印,達(dá)到數(shù)據(jù)采集、顯示、操作、存儲(chǔ)、查詢(xún)、打印一體化功能。

(4)電渦流加載器加載型試驗(yàn)臺(tái)(圖4)

圖4 電渦測(cè)功機(jī)加載型試驗(yàn)臺(tái)

電渦流加載型試驗(yàn)臺(tái)由鉆機(jī)主體、增速器、電渦流加載器及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。連接方式與磁粉制動(dòng)器相同。所不同的是電渦測(cè)功機(jī)代替磁粉制動(dòng)器。由于電渦流加載器的正常工作對(duì)轉(zhuǎn)速有比較高的要求,因此需要在電渦流加載器與轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器中增加一個(gè)增速器。這種檢測(cè)方式適合較大扭矩的鉆機(jī)。安裝電渦流加載器、增速器及轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器的臺(tái)架應(yīng)設(shè)計(jì)合理的高度,并用地腳螺栓牢固地固定,測(cè)試時(shí)將鉆機(jī)前行到合適的位置,通過(guò)十字萬(wàn)向節(jié)與轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器相聯(lián)接。

需要特別注意的是:電渦流加載器的啟動(dòng)扭矩較前面幾種方式要大,也不適合高速旋轉(zhuǎn),當(dāng)電渦流加載器型號(hào)確定后,要注意避免被測(cè)鉆機(jī)的高速檔扭矩小于最小啟動(dòng)扭矩,以免鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)過(guò)載造成不必要的損失。

3 結(jié)語(yǔ)

以上分析可以看出,不同的加載檢測(cè)裝置雖然使用效果相當(dāng),但適用范圍、自動(dòng)化程度和制造、使用成本都存在比較明顯的差距,維護(hù)、管理要求也不盡相同。在設(shè)計(jì)制造檢測(cè)裝置時(shí),應(yīng)該遵循適合的才是最好的原則,合理選擇合理使用。

P634.31

A

1009-282X(2011)03-0015-03

2011-01-24

邢蘇寧(1960-),女,江蘇南京人,高級(jí)工程師,1982年畢業(yè)于山東礦業(yè)學(xué)院,主要從事鉆機(jī)研發(fā)工作, Tel:0511-85624758,18906104660。