郭賽葛，馬通通

（煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013）

1 引言

我國的能源構(gòu)成特點是“煤多，油少、氣缺”，因此我國的基礎(chǔ)能源一直是煤炭。我國90%以上的煤礦以井工開采為主，其中約1/3 的煤炭產(chǎn)量來自于高瓦斯礦井，因而瓦斯成為煤礦井下安全事故的首要災(zāi)害源。目前治理瓦斯危害最直接最有效的手段就是采用煤礦井下坑道鉆探技術(shù)，而煤礦坑道勘探用鉆機也被納入“安全標志產(chǎn)品”管理范圍內(nèi)，每年全國使用量10 萬臺以上，直接作業(yè)人員達60 萬人，因此煤礦坑道鉆機在煤礦安全生產(chǎn)中有著舉足輕重的地位。

隨著煤礦對安全生產(chǎn)不斷提出更高的要求，對施工終孔直徑和孔深都提出了更高的要求，因此坑道鉆機的規(guī)格要求也在不斷提高。目前國內(nèi)能力最大的坑道鉆機為西安煤科院研制的ZDY22000 LK型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機，其最大轉(zhuǎn)矩達到了22000 ?！っ祝瑸榱藱z驗坑道鉆機回轉(zhuǎn)性能，參照MT/T 790-2006 標準《煤礦坑道勘探用鉆機》中有關(guān)坑道鉆機基本性能參數(shù)表中的相關(guān)標準條款、根據(jù)出廠檢驗項目的要求定制了一種坑道鉆機回轉(zhuǎn)性能的試驗臺。該定制試驗臺通過計算機控制，滿足同步進行多通道、多參數(shù)測試的功能，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、處理模型、更新繪圖、成形顯示、打印方面實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集成匯總，該試驗臺可以在規(guī)定的電機輸入功率條件下測試以下關(guān)鍵參數(shù)——在不同負載的狀態(tài)下，記錄坑道鉆機的基本性能的相關(guān)參數(shù)值，例如坑道鉆機的輸入功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、起拔力、給進力以及對轉(zhuǎn)速值、轉(zhuǎn)矩進行有關(guān)計算后顯示整機效率值等，確?？拥楞@機的性能滿足行業(yè)標準的要求。

2 定制試驗臺的組件

定制試驗臺的重要組成部分有：轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量裝置、機械臺架及液壓系統(tǒng)等，如圖1 所示。

圖1 定制試驗臺的組件

2.1 機械臺架

機械臺架的組成部分有底座、支撐導(dǎo)軌和油缸。測量裝置通過螺栓緊固安裝在升降平臺的平板上，該平板則通過框架與四組升降油缸以及導(dǎo)向柱固定連接。根據(jù)被測機具輸出軸的高度，調(diào)節(jié)升降油缸至測量裝置中心高度，并通過萬向節(jié)與被測鉆機輸出軸連接。在試驗過程中由勵磁負載調(diào)節(jié)裝置產(chǎn)生的反向回轉(zhuǎn)力矩模擬鉆機工作中額定工況下的負載。平臺導(dǎo)向起到克服反力矩的作用，確保在測試轉(zhuǎn)矩時臺架有足夠的穩(wěn)定性。

在完成機械臺架的三維建模設(shè)計后，利用SolidWorks 有限元軟件對整套試驗臺架，在設(shè)計的3 萬?！っ邹D(zhuǎn)矩工況下進行有限元動態(tài)模擬載荷力學(xué)分析。經(jīng)過仿真分析、計算，平臺導(dǎo)向最大變形量為0.21 mm，最大等效應(yīng)力為31.3 N/mm2，如圖2 所示；升降導(dǎo)向立柱最大變形量為0.13 mm，最大等效應(yīng)力為50.4 N/mm2，如圖3 所示。試驗臺架的關(guān)鍵承力零部件升降導(dǎo)向立柱、平臺導(dǎo)向滿足試驗工況下力學(xué)可靠性要求。

圖2 平臺導(dǎo)向力學(xué)分析云圖

圖3 升降導(dǎo)向立柱力學(xué)分析云圖

2.2 動力源

根據(jù)被測坑道鉆機使用電機的電壓等級，使用660V 或1140 V 輸入電壓，連接坑道鉆機的電機，為坑道鉆機提供動力。同時，使用三相測控儀來測量輸入相電流和輸入相電壓，進而顯示輸入功率。

2.3 試驗臺加載裝置

試驗臺選用磁粉力矩電加載的方式，該裝置操作簡單，可連續(xù)平穩(wěn)地加載且可以實現(xiàn)遠距離控制。磁粉制動器是實驗加載的主體設(shè)備，與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器配套成為加載裝置。

2.3.1 裝置的基本原理

磁粉制動器的原理見圖4。磁粉制動器的主要組成部分是：外定子（磁軛）、內(nèi)定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子軸、線圈和磁粉等。依據(jù)電磁原理：通過利用磁粉傳遞的轉(zhuǎn)矩，其激磁電流和傳遞轉(zhuǎn)矩基本為線性關(guān)系。當(dāng)激磁線圈內(nèi)沒有輸入電流時，不會在外定子、轉(zhuǎn)子、磁粉和內(nèi)定子之間產(chǎn)生電磁力，內(nèi)定子和轉(zhuǎn)子之間的磁粉呈現(xiàn)松散狀態(tài)，制動力矩不能向轉(zhuǎn)子軸上傳遞。當(dāng)線圈中有電流后，線圈周圍產(chǎn)生磁場，磁粉受磁場感應(yīng)而被磁化，于是磁鏈在轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子之間就形成了，連接磁力就在內(nèi)定子與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生了，由于內(nèi)定子固定不動，就會制動旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。通過調(diào)節(jié)激磁電流的大小，便得到所要求的制動力矩。

圖4 磁粉制動器的原理圖

2.3.2 主要特性

試驗時，旋轉(zhuǎn)測控柜上的調(diào)節(jié)旋鈕，即可調(diào)節(jié)直流穩(wěn)流電源的輸出電流。通過調(diào)節(jié)磁粉制動器所需的激磁電流的大小，進而控制磁粉制動器的輸出轉(zhuǎn)矩大小，傳遞給被測的坑道鉆機，以滿足被測坑道鉆機空載試驗和負載試驗的需要，同時可遠距離實現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)加載。激磁電流和磁粉制動器的轉(zhuǎn)矩的關(guān)系見圖5，滑差轉(zhuǎn)速與傳遞扭矩的關(guān)系見圖6。

圖5 激磁電流與傳遞轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

圖6 滑差轉(zhuǎn)速與傳遞轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

勵磁負載調(diào)節(jié)裝置具有轉(zhuǎn)矩恒定輸出的特性，此特性為鉆機轉(zhuǎn)矩動態(tài)測試試驗過程的平穩(wěn)性、數(shù)據(jù)的準確性提供重要保障。當(dāng)勵磁電流保持不變時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不會影響其轉(zhuǎn)矩，靜摩擦轉(zhuǎn)矩和動摩擦轉(zhuǎn)矩沒有差別，這樣便實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩恒定。

試驗時要緩慢地旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕，否則會產(chǎn)生“堵轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象，這是由于電流增大過快導(dǎo)致的，可能損壞被測坑道鉆機。試驗結(jié)束后，必須將電流調(diào)節(jié)旋鈕旋轉(zhuǎn)到最小，避免下次使用時一通電產(chǎn)生扭矩而導(dǎo)致坑道鉆機無法啟動的現(xiàn)象。

2.4 液壓裝置

液壓系統(tǒng)實現(xiàn)被測鉆機回轉(zhuǎn)馬達及推進油缸供油、試驗臺高度調(diào)節(jié)等功能，該試驗臺應(yīng)用電-液比例控制技術(shù)，調(diào)節(jié)被測鉆機回轉(zhuǎn)馬達、推進油缸的供油壓力調(diào)節(jié)，滿足不同規(guī)格被測產(chǎn)品的試驗要求。平臺升降采用液壓缸控制，升降到指定高度后，采用液壓、機械鎖緊結(jié)構(gòu)將平臺固定；應(yīng)用電磁換向閥、雙作用平衡閥，使4 個升降油缸同步動作，避免平臺在升降過程中卡死，液壓原理圖如圖7 所示。

圖7 液壓系統(tǒng)原理圖

升降油缸設(shè)計：

式中 D——油缸直徑，mm

F——升降平臺總成重量

p——油缸工作壓力

F=73 kN，p=10 MPa，經(jīng)計算、標準化，油缸直徑取100mm、桿徑70 mm。

據(jù)統(tǒng)計，被測機具回轉(zhuǎn)輸出軸距地面高度范圍為850～1300 mm，根據(jù)負載調(diào)節(jié)裝置的選型設(shè)計，本項目設(shè)計的試驗臺輸入軸最低距地高度為800 mm，因此油缸升降行程取700 mm。

2.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.5.1 參數(shù)測試和信號采集

在被測樣機連接的電源上安設(shè)三相測控儀，用以檢測坑道鉆機電機的輸入功率；轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器接入加載設(shè)備和被試坑道鉆機之間，用來檢測不同負載下坑道鉆機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率。所有參數(shù)的信號采集流程見圖8。

圖8 信號的采集流程框圖

經(jīng)傳感器檢測后的參數(shù)可輸出模擬信號，通過屏蔽電纜將信號直接送至控制室內(nèi)的二次儀表，二次儀表將進行數(shù)字顯示，并將其輸出的信號傳遞至計算機。其中：

轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器的信號通過二次儀表上的串口與計算機進行串行通訊，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值輸送至計算機。轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器的測量精度為±5%FS，頻率響應(yīng)時間＜1 ms。

試驗臺所選用的傳感器均體積小、重量輕，輸出靈敏度高，且響應(yīng)時間短，精度高。與之配套的二次儀表均為智能的數(shù)字儀表，帶有總線接口，可方便地組建和采集系統(tǒng)。

2.5.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件

S7-300 系列PLC 應(yīng)用STEP7-Micro/Win32編程軟件完成編程、聯(lián)調(diào)以及在線監(jiān)控。該軟件運行在計算機Windows 系統(tǒng)環(huán)境下，功能強大，界面簡單、實用，應(yīng)用方便。本項目開發(fā)的PLC 程序為分塊程序結(jié)構(gòu)，PLC 程序模塊由初始化程序模塊、通訊模塊、主程序模塊、運算程序模塊、控制程序模塊等組成，如圖9 所示。分塊程序指的是一個項目的所有任務(wù)被分解成多個小的任務(wù)塊，根據(jù)具體情況將每個任務(wù)塊的控制任務(wù)分別劃分到各個子程序中，或者放入中斷程序中。程序執(zhí)行過程中，CPU通過不斷地調(diào)用各個子程序或者中斷程序。分塊程序結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜一些，但能夠把每個復(fù)雜的過程拆分成多個簡單的過程，使程序更容易編寫及調(diào)試。分塊程序結(jié)構(gòu)能夠降低程序的復(fù)雜度，可以簡化程序設(shè)計、調(diào)試和維護等，并且使各個功能模塊具有獨立性，可以為多個程序所共享。塊結(jié)構(gòu)是一種具備明顯優(yōu)勢的程序設(shè)計技術(shù)，顯著地增加了PLC程序的透明性、可理解性，使程序易維護，具備操作性。

圖9 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的構(gòu)架圖

3 定制試驗臺的特點和試驗效果

3.1 試驗臺的主要特點

（1）試驗臺設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便。

（2）試驗臺可實現(xiàn)遠距離的平穩(wěn)連續(xù)加載，并且無沖擊。

（3）試驗數(shù)據(jù)全部通過計算機自動采集并進行數(shù)據(jù)處理，自動化程度高，且測試數(shù)值準確，減少了人工讀數(shù)的誤差。

（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用232/485 總線的方式，由于總線是開放式的，可根據(jù)需要，進行擴充和升級。

3.2 試驗的效果

對安全工程鉆機試驗臺架進行了調(diào)節(jié)試驗，分別在負載轉(zhuǎn)矩30000 N·m、轉(zhuǎn)速10 r/min 及負載轉(zhuǎn)矩10000 N·m、轉(zhuǎn)速50 r/min 工況下，連續(xù)運轉(zhuǎn)60分鐘。試驗臺架穩(wěn)定可靠，沒有出現(xiàn)振動、變形、破損等異?，F(xiàn)象。勵磁負載調(diào)節(jié)裝置從0～30000 N·m轉(zhuǎn)矩加載過程中平穩(wěn)靈敏；回轉(zhuǎn)冷卻系統(tǒng)水箱溫升為24.3℃，滿足設(shè)計使用要求。升降平臺在升降過程中液壓系統(tǒng)運行平穩(wěn)、電磁換向閥等執(zhí)行元件靈敏可靠，導(dǎo)向立柱無卡阻等異常現(xiàn)象。