李耀武

1煤炭科學技術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

煤礦用回轉(zhuǎn)鉆頭作為鉆機鉆孔作業(yè)的最終執(zhí)行端，是鉆孔或擴孔作業(yè)的直接工具，鉆頭在作業(yè)時承受著復雜的載荷，其耐磨性能的好壞直接決定著鉆頭的使用壽命。鉆頭屬于易耗件，煤礦對鉆頭的年需求量達上千萬件，因此鉆頭耐磨性能直接關系到煤礦井下工作的高效性和經(jīng)濟性。在 MT/T984 標準中明確提出耐磨性能測試為回轉(zhuǎn)鉆頭試驗項目[1]。目前行業(yè)內(nèi)試驗臺相對較為簡單，常見控制方式為開環(huán)控制，試驗誤差不易控制。例如標準中規(guī)定在恒線速度下進行測試，部分試驗臺在砂輪磨削過程中由于砂輪直徑不斷減小，轉(zhuǎn)速維持恒定的同時，線速度會逐漸減?。徊糠衷囼炁_考慮到通過監(jiān)測砂輪直徑實時調(diào)節(jié)主軸角速度來實現(xiàn)恒線速度，但控制方式為開環(huán)控制，控制精度無法保證。為滿足 MT/T984 和 JB/T 3235 標準規(guī)定，有必要提出一種可靠性強、控制精度高的測試方法，研制一款新型回轉(zhuǎn)鉆頭耐磨性能試驗臺，滿足標準規(guī)定試驗要求。

1 磨耗比測試理論

磨耗比測試裝置用于測試在規(guī)定的條件下煤礦用回轉(zhuǎn)鉆頭用金剛石復合片的耐磨性能，通過金剛石復合片與標準砂輪在規(guī)定的裝置上相互摩擦，砂輪磨耗量與復合片的磨耗量之比為該金剛石復合片的磨耗比值。測試過程中需要用到超聲波清洗機、干燥箱、分析天平、工業(yè)天平等設備，測試前需要對磨削試件進行清洗、烘干和稱重，磨削測試后再進行稱重，標準砂輪和復合片磨削前后質(zhì)量之差即為各自的磨耗量。耐磨性能試驗流程如圖 1 所示。

圖1 耐磨性能試驗流程Fig.1 Process flow of wear resistance test

標準砂輪在磨削過程中直徑不斷減小，若主軸轉(zhuǎn)速恒定，則砂輪線速度會不斷降低，因此需要在砂輪直徑變小的同時提高主軸轉(zhuǎn)速，從而保證線速度恒定。筆者基于標準砂輪直徑自動檢測技術、主軸線速度閉環(huán)控制技術及主軸線速度變頻控制技術，砂輪主軸采用變頻調(diào)速，在試驗過程中，高精度位移傳感器實時檢測標準砂輪直徑，角度編碼器實時監(jiān)測主軸轉(zhuǎn)速，PLC 控制器自動調(diào)整砂輪主軸轉(zhuǎn)速，通過閉環(huán)控制保證磨削線速度恒定，達到標準規(guī)定要求。

行業(yè)內(nèi)部分試驗臺采用恒進給量加載，加載過程中進給量大小不易控制，因此筆者采用恒進給力方式進行加載，通過電氣比例閥調(diào)節(jié)進氣壓力，實現(xiàn)進給力在 5～20 N 范圍內(nèi)可調(diào)。采用恒進給力加載能夠保證每次測試時磨削條件一致，從而消除人為操作習慣對測試數(shù)據(jù)的影響[2-4]。不同加載方式對比如表 1所列。

表1 耐磨性能測試加載方式對比分析Tab.1 Comparative analysis of wear resistance test in loading mode

2 機械機構(gòu)設計

基于人機工程學理論并結(jié)合試驗臺功能進行試驗裝置機械結(jié)構(gòu)設計，采用 SolidWorks 三維設計軟件建立機械結(jié)構(gòu)三維模型，如圖 2 所示。機械結(jié)構(gòu)主要包括主體結(jié)構(gòu)、恒進給力加載機構(gòu)、變頻調(diào)速回轉(zhuǎn)機構(gòu)、位置調(diào)節(jié)機構(gòu)、換向擺動機構(gòu)、吸塵裝置、冷卻機構(gòu)、防護裝置、工裝等部分，如圖 3 所示。其中主體結(jié)構(gòu)采用整體式結(jié)構(gòu)，將機械機構(gòu)各部分融合在一體；變頻調(diào)速回轉(zhuǎn)機構(gòu)由變頻電動機、變頻器、主軸、編碼器組成；恒進給力加載機構(gòu)采用氣動雙桿導向推進方式，通過電氣比例調(diào)壓閥調(diào)節(jié)不同的進氣壓力，實現(xiàn)不同進給力的施加；位置調(diào)節(jié)機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)上下、前后、左右及水平方向傾角的調(diào)節(jié)功能；擺動換向機構(gòu)通過伺服電動機驅(qū)動滑組及限位開關實現(xiàn)左右擺動，滿足擺動磨削要求；吸塵裝置采用負壓濾筒吸塵方式，基于電動脈沖自動噴吹技術實現(xiàn)磨削粉塵的清除；冷卻系統(tǒng)對主軸進行冷卻，避免因主軸轉(zhuǎn)速過高引起的發(fā)熱量過大現(xiàn)象[5]。

圖2 試驗裝置三維模型Fig.2 3D model of test device

圖3 試驗裝置實物Fig.3 Entity of test device

3 測控系統(tǒng)的研發(fā)

測控系統(tǒng)控制原理如圖 4 所示，通過觸摸屏實現(xiàn)參數(shù)設定、數(shù)據(jù)采集與分析處理、狀態(tài)監(jiān)視等功能。應用測控技術閉環(huán)控制理論，對砂輪磨削線速度進行控制。通過高精度位移傳感器實時檢測砂輪直徑，應用 PLC 對變頻電動機進行控制，從而使主軸輸出不同的轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速、砂輪直徑與線速度的換算關系，進而輸出規(guī)定的線速度；通過電磁碼盤對主軸轉(zhuǎn)速進行檢測計數(shù)，測試數(shù)據(jù)反饋至 PLC 控制器，達到閉環(huán)精確控制的目的。通過電氣比例調(diào)壓閥調(diào)節(jié)不同的氣壓，從而實現(xiàn)氣動恒壓軸向自動進給。通過設定脈沖間隔，使電動脈沖閥按規(guī)定動作，實現(xiàn)吸塵裝置自動反向噴吹除塵。在控制技術原理設計和優(yōu)化的基礎上，進行了測控系統(tǒng)用變頻電動機、變頻器、觸摸屏、伺服控制器、PLC、電氣比例閥等測控硬件的選型、測控界面設計及測控軟件的開發(fā)[6]。

圖4 測控系統(tǒng)控制原理Fig.4 Control principle of measurement and control system

磨削線速度控制框圖如圖 5 所示，PID 閉環(huán)控制的磨削線速度控制系統(tǒng)主要由上位機磨削線速度指令給定、PID 控制器、變頻器、變頻電動機、角度編碼器等部分組成。磨削過程中使用頂針直線位移傳感器不斷檢測位置信號，進而轉(zhuǎn)換成砂輪半徑后反饋到控制系統(tǒng)，根據(jù)位移傳感器測出的砂輪半徑即可得到實時的磨削線速度，設定磨削線速度減去實際磨削線速度得到誤差信號再輸入到 PID 控制器。

圖5 磨削線速度控制框圖Fig.5 Block diagram of control of grinding linear speed

擺動系統(tǒng)控制框圖如圖 6 所示。PLC 通過采集到的前后限位信號來控制步進電動機的旋轉(zhuǎn)方向，進而控制絲杠直線導軌平臺的前后移動，實現(xiàn)磨削過程中的擺動。電動滑臺往復運動實現(xiàn)測試樣件沿砂輪軸線方向往復運動，保證測試樣件同砂輪之間的往復摩擦。電動滑臺行程為 50 mm，滿足往復運動空間需求?？赏ㄟ^控制器對步進電動機進行調(diào)速，最高速度可達 40 mm/s，滿足使用要求。往復工作臺兩端配置位置可調(diào)整的 1 對接近開關，可對往復次數(shù)進行實時計數(shù)。

圖6 擺動系統(tǒng)控制框圖Fig.6 Block diagram of control of swing system

4 耐磨性能影響因素分析

結(jié)合煤礦用回轉(zhuǎn)鉆頭實際作業(yè)工況，研究煤礦用回轉(zhuǎn)鉆頭耐磨性能機理，總結(jié)可能影響耐磨性能的主要因素，包括煤礦用回轉(zhuǎn)鉆頭復合片材質(zhì)、進給力、磨削角度、磨削線速度、擺動速度、環(huán)境條件等[7]。

4.1 磨削夾角對磨耗性能的影響

選取相同型號的金剛石復合片鉆頭，在不同夾角下各進行 5 組試驗，取其平均值，得到不同夾角下金剛石復合片磨耗比值，如圖 7 所示。從圖 7 可以看出，夾角對磨耗比值影響較小，但夾角過大或過小對試驗工裝要求高。鉆頭整體測試時，夾角偏大或偏小容易磨削到金剛石復合片以外的部分，因此通常按照45°夾角進行測試。

圖7 不同夾角下金剛石復合片磨耗比值Fig.7 Wear loss ratio of polycrystalline diamond compact at various angle

4.2 進給力對磨耗性能的影響

選取相同型號金剛石復合片鉆頭，在不同進給力下各進行 5 組試驗，取其平均值，得到不同進給力下金剛石復合片磨耗比值，如圖 8 所示。從圖 8 可以看出，進給力對磨耗比值影響較小。但標準規(guī)定試驗中砂輪質(zhì)量磨耗量應不低于 25 g，金剛石復合片磨耗量不低于 0.2 mg，進給力偏小時磨削測試時間較長，影響整體試驗效率，因此通常在較大進給力條件下進行測試。

圖8 不同進給力下金剛石復合片磨耗比值Fig.8 Wear loss ratio of polycrystalline diamond compact at various feeding force

5 結(jié)語

分析了煤礦用金剛石復合片回轉(zhuǎn)鉆頭耐磨性能測試方法，對比了恒進給量和恒進給力 2 種加載方式的優(yōu)缺點，歸納了磨耗比測試理論?；跉鈩雍銐鹤詣舆M給技術、標準砂輪直徑自動檢測技術、主軸轉(zhuǎn)速變頻閉環(huán)控制技術等關鍵技術，完成了恒進給力加載試驗裝置的機械結(jié)構(gòu)設計和測控系統(tǒng)設計。該試驗裝置便于操作，結(jié)構(gòu)合理，滿足標準規(guī)定的要求。利用該試驗裝置驗證了恒進給力加載試驗方法的可行性，對耐磨性能影響因素進行了分析。