液压钻机试验台的设计和应用

张志萍

（山西晋城金晟机电有限责任公司，山西 晋城 048000）

0 引 言

煤矿用液压钻机是煤矿开采的钻探工具，在煤层抽放瓦斯、钻探打孔中起着很重要的作用，主要特点应有：煤矿钻机具有液压卡盘和夹持器系统，利用钻机的反转功能、实现钻杆自动拆卸，操作更为方便、安全、可靠，大大减轻工人劳动强度，有效提高钻机的效率。随着高瓦斯矿井的增加，煤矿液压钻机的使用是否可靠、能够保证质量将会直接影响瓦斯抽放能力的大小，也会直接影响井下采掘环境是否达标、能否正常生产。为了检验煤矿液压钻机的质量，根据MT/T199—1996《煤矿用液压钻车通用技术条件》和MT/T198—1996《煤矿用液压凿岩机通用技术条件》有关液压钻机基本性能参数表的内容和出厂检验项目，我们设计了液压钻机试验台，它是计算机控制模式的多通道、多参数的测试台，集采集、记录、处理、绘图、显示、打印、数据管理于一体，它可检测工作液压条件下，不同负载状态的液压钻车基本性能参数（例如流量、转速、转矩、拉压力等），用以确保液压钻机质量。

1 试验台的组成结构

试验台主要由台架、测试装置、数据采集装置等组成，见图1。

图1 试验台组成图

1.1 台架组成

台架：由底座、测试台、地沟组成。底座由水泥浇注而成，测试台由六条直径25 mm的螺栓固定在底座上；地沟长3 260 mm，宽3 300 mm，位于地下50 cm处，上面用工字钢焊接顶棚覆盖。设计地沟既是为了钻机试验时的固定，也是为了液压油的收集；因在试验过程中要有两个不同部位的测试，在移动过程中难免出现漏油现象，加设地沟既方便又环保。试验时，先将钻机放在地沟上固定，而在不同测试部位上将钻机头与不同传感器相连测试。

1.2 测试装置

主要由10 000 N·m磁粉制动器、联轴器、转矩传感器、拉压力传感器、万向联轴器组成。试验台采用磁粉加载力矩电加载方式，具有操作简单、可连续均匀加载、远距离控制等优点。加载设备是由磁粉制动器与转矩转速传感器、拉压力传感器配套做成加载装置。

1）基本原理：根据电磁原理，采用磁粉作介质，通电情况下形成磁粉链传递扭矩。磁粉制动器主要由内转子、外转子、激磁线圈、磁粉组成。内转子和外转子都由导磁材料制成，内转子和外转子的工作间隙充满了导磁磁粉。当线圈不通电时，外转子旋转，由于离心力的作用，磁粉被甩在外转子的内壁上，磁粉与内转子之间没有接触，外转子空转。当内转子的激磁线圈通入激磁电流时，磁粉在磁力线作用下形成磁粉链，把内转子、外转子联接起来，由粉末间的磁性结合力和粉末与两运动件的磨损力来传递扭矩。激磁电流增大，传递转矩随之增大。当中断激磁电流时，磁粉失去束缚，处于松散状态，便不传递力矩。

2）主要参数：磁粉制动器用的激磁电流，需配置直流稳压电源。（1）磁粉制动器：额定转矩1万N·m；激磁电流4 A；（2）直流稳压电源：最大输出电压60 V；输出电流0～4 A；输入电压，50 Hz.

3）试验要求[1]：试验在控制室内，通过调节直流稳压电源的电流值，就可调节磁粉制动器的激磁电流值，从而控制磁粉制动器的输出转矩，当给被试钻机不同的转速，能测试不同转速下的转矩值。磁粉制动器的转矩与激磁电流的关系，见图2。试验时，应注意要缓慢调节电流按钮，防止电流增大过快，造成“堵转”现象，损坏被试钻机。试验结束后，应将电流调节按钮关到最小，以免下次使用时启动困难。

图2 转矩与激磁电流的关系图

1.3 参数测试和数据采集装置

1）测试钻机拉压力：先将钻机放在拉压力测试部位上，由钻机头将长轴73的一端加紧，另一端与拉压传感器紧固好，启动控制电源，开动钻机，便可进行测试。液压流量即可同时进行测试，可在控制柜查看数据。实验结束时先关停钻机，再关控制柜电源。2）测试扭矩：先将钻机放在扭矩测试部位上，后将73的长轴一端固定在主机头上，另一端需用万向联轴器与扭矩传感器连接紧固即可，打开控制柜电源并启动电脑，再启动钻机，便可进行测试。液压流量也可同时进行测试，可查看扭矩、转速、功率数据及动态曲线。实验结束时先关钻机，后关控制柜电源。3）所有参数的信号采集流程见图3。这些参数经传感器经检测后输出模拟信号，经屏蔽电缆输送到控制台的仪表，仪表通过RS-232接口，以ASCII码方式向外发送测量数据，数据类型为浮点数，每个浮点数由连续发送的8个字节组成。控制台的仪表除进行数据显示外，还把数据传输到计算机，其中，拉压力传感器输出0～5 V的模拟信号，由计算机的A/D，将该模拟信号转换成数字值接收，拉压力传感器为电阻应变式，输出灵敏度为2 mV/V，拉力量程为300 kN，精度等级为0.2%～0.5%FS。转矩、转速传感器通过二次仪表的串口与计算机进行串行通讯，将转速、转矩值送至计算机;转矩、转速传感器测量范围1 000～10 000 N·m，精度为（±0.5）%FS，频率响应时间＜1 ms。[1]所有采用的传感器体积小、重量轻、输出灵敏度高，响应时间短、精确度高；与其配套的二次仪表均为数字化智能仪表，带有总线接口，可方便地组建采集系统。

图3 信号采集流程框图

2 试验台特点和试验效果

2.1 主要特点

1）结构简单，操作方便。2）可实现远距离平稳加载，无冲击。3）试验数据全部由计算机自动采集处理，自动化程度高，测试准确，克服了人工读数误差。4）数据采集系统采用232/485总线方式，总线是开放式的，因此系统可以根据需要进行扩充和升级。

2.2 试验效果

对CMS1-4000/55煤矿深孔钻车进行全面测试，证明其性能稳定，测试结果准确。试验后的钻机质量得到保证，赢得客户的信任，对液压钻机的生产销售将有很大帮助。

2.3 总体评价

通过性能测定可知，钻机试验台的测量范围广，测试结果准确，性能稳定，能满足钻机出厂前的性能检测和钻机使用后的修复检验。测试人员可直接在操纵室进行操作，安全系数高。测试设备的出现，对提高钻机质量是个很好的促进；钻机质量能提高，煤矿瓦斯治理效率自然会提高，是对煤矿安全生产的有力保证；因此所述试验设备具有良好市场前景。

[1]徐强，程立同，孟铮，等.气动锚杆试验台的设计和应用[J].煤矿机电，2002（6）：21-23.

[2]龙培，胡军科.一种全液压钻机进给系统的设计和应用[J].液压与气动，2007（6）：34-36.