变频调速电动凿岩机的研究与设计

白 刚

（湘西民族职业技术学院，湖南 吉首 416000）

0 引言

采矿业是我国的重要产业，对经济社会的发展有重大意义，因此研制高效、节能、使用方便的凿岩机械很有必要。现在国内使用的凿岩机主要有气动式、液动式、电动式、凿岩台机等。与主流的液压式、气动式凿岩相比较，电动凿岩机有着非常突出的优点，在节能、高效方面，电动凿岩机的电能利用率高达50%～60%，而液压凿岩机的效率一般为25%～35%，气动凿岩机仅为10%。此外电动凿岩还具有噪声低、工作面空气新鲜、无废气污染，搬迁、维修、管理方便等优点，非常适合于我国大量存在的设备简单的地方中小矿。但是目前所使用的电动凿岩机也存在很大的缺点： 钻速较低，尤其是对硬岩，同样硬度的岩石，它的转速只有气动凿岩机的50%～60%，严重的影响了电动凿岩机的推广使用。造成这一缺点的主要原因是目前的主流电动凿岩机直接使用交流工频电源（50Hz），不能随着工作环境（矿物硬度、钻孔孔径、深度）改变输出转矩、转速，使得工作效率较低。本文针对这一问题设计了一种可以变频调速的电动凿岩机，采用DSP 处理器研制新型的变频电源，通过输出可程控的交流电源，进而改变凿岩机电动设备的输出转矩和转速。经试验验证，可以提高工作效率，有效的改善了电动设备的工作性能。

1 国内外研究现状及改进思路

目前国际上对于电动凿岩机的研究成果主要有意大利Pinass 公司的P60 和P70 型偏心块式结构的电动凿岩机和尚未定型的电磁凿岩机。但共同点是机体庞大、结构复杂、价格高、难以实现更新换代。国内的研究成果主要有武汉鑫文丰机械有限公司研制的YDT30A 型新型电动凿岩机、YDT30 型多功能电动凿岩机组、YDT30A型新型电动凿岩机、YDTJ1 型机动凿岩车、YDT26 型电液凿岩机组等。但从可查阅的资料看，尚未发现通过调频技术以提高凿岩效率的研究。本文对电动凿岩机的改进思路主要有两点，一是按照调频控制的要求对电动凿岩机的部件、结构进行改进，采用变频电动机为工作电机，并对相关结构进行优化设计；二是研制适用于中小型电动凿岩机的变频电源，与之配套工作。采用DSP 处理器来设计变频电源的原因主要是： 基于单片机的变频电源系统多采用查表法生成PWM 波，因此灵活性较差，无法实现实时变频变压；而如果采用专门的PWM 波生成芯片，则会使成本大大提高。而采用基于DSP 的变频电源系统，可以利用它强大的运算能力和低廉的价格，很好的解决实时性与成本的问题。

2 变频调速电动凿岩机的设计

2.1 凿岩机整体结构设计

本文所设计的变频电动凿岩机，适用于一般工作场合，包括机体、变频电动机、钎杆等部分组成。其输入电源采用新设计的变频电源。在实际工作中，根据工作对象的性质（岩石、矿体的硬度、厚度、韧度等），由软件计算出频率调节信号，再由辅助电源驱动处理器，输入频率调节信号到DSP 处理器，处理器控制调节主电源输出一定频率和电压的电信号，进而驱动变频段动机运转，输出需要的转矩和转速。在实际工作中通过调整电动机电源频率进而调整电机转速，使曲柄连杆机构用锤头冲击钢钎的频率可调整；对于不同的岩石及矿体，操作人员可通过不断调整冲击频率使凿岩效率提高。其整体原理结构如图1 所示。

图1 变频调速电动凿岩机原理图

2.2 变频电机的选择

为体现变频调速的优势，本设计中将原电动凿岩机中做动力电机的1350W 小型异步电动机改为1.5KW变频电机，原采用的变频电机为YVP 系列变频调速异步电动机。该电机绝缘为F、H 级，防护等级为IP54、IP55、IP56，可附带各种光电编码器 （或测速发电机）传感器装置等，同时可提供配套变频调速器。产品适应各种变频电源的高频冲击，确保电机在最低速和最高速时均具良好的工作特性。其主要参数为： 额定功率：1.5kW，额定转矩： 4.7N·M，额定电流： 4.3A，额定电压：220/380V。

2.3 变频电源的设计

本设计所使用的单相变频电源，要求额定输出功率不小于5kW，输出电压为220～380V，输出频率为20～400Hz 可调。以美国TI 公司的16 位定点DSPTMS320-LF2407A 为插补处理器，它集成了编码器信号采集和处理电路，D/A 输出电路，扩展存储器电路等。以TMS320LF2407A 为核心构建硬件系统，由辅助电源驱动处理器，实现16KHz 载波频段，静音运行，输出谐波含量小。输入频率调节信号到DSP 处理器，处理器控制调节主电源输出频率，使之按调节需要输出变频电压信号驱动电机设备。另还可按照要求附加显示设备，将调节信号频率输出显示在液晶屏上。变频电源结构图如图2 所示。

图2 基于DSP 的变频电源结构图

2.4 性能改进实验

本文设计的变频调速电动凿岩机，经理论计算、模拟仿真、样品制作后，在湘西同力机械公司、武陵电化总厂金属包装厂经过多次实验表明，应用所设计变频电源驱动改进后的电动凿岩机工作时，在不同频率、不同负载情况下，输出转速和转矩可基本实现实时控制，具有较好的工作稳定性和抗干扰能力。与对比的原型机相比，转孔速度有10%以上的提高。

3 结束语

电动凿岩机由于钻速较低的缺点，目前在市场的应用不如气动式、液压式凿岩机。尤其在近年来液压式凿岩机很多关键技术得以突破，市场竞争力进一步增强。但是电动凿岩机在高效、节能方面毕竟有着很突出的优势，只要解决了钻速缺陷，在市场上必将有爆发式增长。未来的研究主要将从以下几个方面着手： 一是曲柄连杆机构的改进，以求满足大范围变频的需要；二是如何解决电动机在短期超负荷运行时的升温问题。

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