钻机试验台的研制和应用

钻机试验台的研制和应用

张文举1，宋丽娜2，高杉1，郭翼姣3

(1. 中国地质装备集团有限公司，北京100102； 2.中国专利技术开发公司，北京100088；

3.中国电子信息产业发展研究院，北京100044)

摘要：本文介绍了一种钻机试验台的性能参数、组成、功能及应用。该钻机试验台采用磁粉制动器来模拟负载源，利用传感器和计算机测试控制系统来显示和分析试验数据，主要特点是测量精度和自动化程度高，操作方便。

关键词:钻机；试验台；控制系统；研制；应用

中图分类号:P634.31

收稿日期：2014-11-03

作者简介：张文举(1982-)，男(汉)，河北邢台人，中国地质装备集团有限公司工程师，机械设计自动化专业，硕士，从事机械设计工作，Tel:010-15810649926, E-mail: zhangwenju@cgeg.com.cn；宋丽娜(1982-)，女(汉)，山东聊城人，中国专利技术开发公司工程师，机械电子工程专业，硕士，从事机电产品专利技术的研制和开发；高杉(1985-)，女(汉)，北京人，中国地质装备集团有限公司工程师，机械设计自动化专业，硕士，从事机械设计工作；郭翼姣(1986-)，女(汉)，河北张家口人，中国电子信息产业发展研究院，信息工程专业，本科，从事计算机应用和编辑工作。

0引言

随着我国钻探工程设备的发展，各类钻孔设备层出不穷，如地质钻、各类工程钻，煤炭行业的坑道钻，水井钻等等。但如何保证这类机械设备的出厂质量，除设备上各类零部件生产过程的监控外，出厂前整机的性能检验也显得非常重要。

目前市场上有些设备出厂前不具备设备负载试验的条件，只能在实际施工中来检验自己的设备。而许多具有实力的企业和行业均制定自己的检验标准，如煤炭行业标准要求钻探设备出厂前必须进行负载、过载试验，检测负载、过载情况下设备的功率、效率、温升、噪声等性能指标，确定设备是否合格。为此我公司应厂家的要求，设计了适用于中小型钻孔设备的试验台。

1钻机试验台的性能参数

该钻机试验台属中小型钻机检测整机主要性能的专业设备，试验项目包括：回转加载试验、给进和起拔力试验、卷扬拉力试验、整机效率和过载试验。试验台采用模块化结构，利用磁粉制动器、扭矩转速传感器、压力传感器、拉力传感器、转矩转速功率采集仪、电参数采集仪、钻机参数采集仪，通过不同的组合演变，在同一试验台上实现对不同型号钻机的性能试验。整个试验过程可智能控制，并具有手动控制功能。钻机试验台的技术参数如表1所示。

表1　钻机试验台的技术参数

2钻机试验台的组成及功能

试验台主要由测试台架、参数测试装置和计算机测试和控制系统等部分组成。钻机试验台的组成结构如图1所示。

2.1　测试台架

测试台架主要由测试台、钻机固定平台、卷扬塔架和地下室组成。测试台由槽钢焊接通过螺栓固定在地基上。钻机固定平台是铸造平台，具有足够的强度、刚度和稳定性，平台上开有不同间距的T形槽，供固定不同型号被测钻机用；卷扬塔架是由型钢焊接而成，顶端安装有滑轮；地下室放有多组不同重量的吊重砣，为不同钻机提供不同的提升重量；卷扬机的钢丝绳绕过滑轮起吊地下室里的吊重砣来测试卷扬机拉力。

1.磁粉制动器；2.扭矩转速传感器；3.减速器；4.钻机固定平台；5.被测钻机；6.卷扬塔架；7.操作控制台；8.测试台；9.地下室；10.吊重砣 图1　钻机试验台的组成

2.2　参数测试装置

测试装置主要由驱动部分、传动部分、负载部分、测量传感器等部分组成。

2.2.1驱动部分

驱动部分由被测钻机及其驱动电机组成。

2.2.2传动部分

传动部分包括各部分之间的联轴器、中间支撑以及锥齿轮换向减速器。由于试验时系统要达到高转速，大扭矩，所以这部分在制造时一定要考虑到强度与精度。联轴器在加工完毕后必须做动平衡试验，以保证系统运行的平稳性。锥齿轮减速器置于扭矩转速传感器与被测钻机之间，起到改变传动方向，传递负载特性作用。

2.2.3负载部分

负载是被测钻机的模拟负载源。钻机试验台采用的是磁粉制动器来模拟负载源。磁粉制动器如图2所示。磁粉制动器的这种激磁电流加载转矩的方式，具有加载简单、响应速度快，可连续均匀加载、远距离控制等优点。

图2　磁粉制动器

只要改变激磁电流的大小，便可在较大范围内控制扭矩的大小，在一般情况下，在5%～100%的额定扭矩范围内，激磁电流与传递扭矩基本成正比例线性关系。磁粉制动器特性曲线如图3所示。

图3　磁粉制动器特性曲线

2.2.4测量传感器部分

测量传感器包括扭矩转速传感器、压力传感器、给进和起拔力传感器以及电流电压传感器。

扭矩转速传感器是在应变桥专有技术的基础上研制的，专门用于扭矩、转速参数的旋转测量，输出方波频率信号或4～20mA电流信号，抗干扰能力强，使用方便。由于传感器是变压器感应供电，可以长期高速运转。

压力传感器是通过信号适配器将信号转换为标准的电流电压信号传输到计算机采集卡，在屏幕上显示出来。

给进和起拔力传感器是采用电阻应变技术，利用弹性元件的变形，将被测外力的大小转换为电阻的变化。 通过施加一定的激励电压，再检测它的输出电流变化就可以知道被测外力的大小。

电流电压传感器用于测量被测钻机的电机输入电流、电压，采用的是HB40GA、HB40GV隔离变送模块。

2.3　计算机测试和控制系统

计算机测试和控制系统分为硬件系统和软件系统。

2.3.1硬件系统

计算机测试和控制硬件系统即操作控制台，包括工业控制计算机及其外围设备、加载控制器、信号适配器、扭矩转速功率采集仪、电参数采集仪、钻机参数采集仪等组成。

加载控制器是与磁粉制动器配套使用，能方便地实现对制动器的程控(或手动)加载或卸载，采用PID调节，PWM输出。面板上安排有液晶显示面板，可方便观察制动器的励磁电流和给定励磁电流的开度、转速、扭矩以及加载功率等。

信号适配器是将传感器信号经过隔离调制成计算机采集卡需要的信号，通过计算机软件将参数测量出来。

扭矩转速功率采集仪是专为扭矩传感器配套的16位单片机二次仪表，在面板的三显示窗口上可以显示扭矩、转速、功率、扭矩峰值、双向扭矩设定值等参数，并可显示报警状况；面板上的按键区可以切换显示功能，手动清零、上下限设定、采样时间设定、打印控制等；后面板设有信号接口端子，有RS232或RS485接口、打印机接口等。

电参数采集仪是采用XSP3系列三相四线电力表，该仪表的四显示窗口可以显示电流、电压、有功、无功、视在功率、功率因数，频率，可设置电压、电流的三相最高、最低或差值(不平衡)报警。

拉力显示仪表和压力等钻机参数采集仪是采用XSE型智能显示仪，它可与各类模拟量输出传感器、变送器配合，完成拉力和压力等参数的测量、变换、显示。误差小，并具有调校、数字滤波功能，可以减小传感器、变送器的误差，有效提高系统的测量精度。钻机试验台参数测试流程如图4所示。

图4　钻机试验台参数测试流程

2.3.2软件系统

计算机测试和控制软件系统的主要功能是通过对负载的控制，来模拟钻机的各种工况，通过测量被测钻机的电机驱动功率、钻机转速、输出扭矩以及相关参数来考核钻机的性能指标，围绕着完成这些功能还能提供报警、保护、数据测量、数据处理，数据记录、数据显示、数据存储并打印等辅助功能。

报警和保护是指操作者可以通过报警参数管理来设置需要报警的参数以及报警值。系统提供了两级报警和保护机制，在测量参数到达第一级报警值时，系统通过灯光，字体反色等方法提示使用者系统已进入报警状态，设用者这时可以采取相应的措施来解除报警；当测量参数到达第二级保护值时，系统将自动按照系统设置采取相应的保护措施，如卸载扭矩等，同时还通过灯光，字体反色等方法提示使用者系统已进入保护状态。

数据测量主要是完成对被测钻机各参数的测量，包括转速测量，扭矩测量、压力测量、给进和起拔力测量、电流、电压测量，测量结果出来后通过通讯方式将数据交换，集成到本系统。

数据处理是测量控制系统必不可少的功能，它将各个独立测量的，表面互不相干的参数有机的结合起来，形成一个完整系统，把不相干的数据变成相互之间有影响，有关联的数据。

数据记录是将测得数据记录下来，启动方式有手动方式和自动方式。

数据显示是将测得数据显示出来，系统提供了三种方式来显示测量的数据以及数据变化的趋势，用数字显示的方式显示每次的动态测量数据，用实时曲线来反映最近一段时间内实时数据的变化情况，用历史曲线来反映过去静态数据的变化趋势情况。

数据存储是将系统数据(系统设置参数数据以及测量数据)根据需要存储到计算机硬盘中，可以导出到Word，Excel中，形成试验报告打印出来。

3钻机试验台的应用

根据地质勘探用钻机测试的需要，试验台功能包括：工况控制、被测钻机的电机电压，电流，功率的测试和显示、给进和起拔力的测试和显示、卷扬拉力的测试和显示、钻机输出扭矩，转速和功率的测试和显示、整机效率的显示等。

下面就地质勘探用钻机主要介绍钻机输出扭矩和转速的测试、给进和起拔力的测试以及卷扬拉力的测试。

3.1　钻机输出扭矩和转速的测试

被测钻机安装到位后，通过控制磁粉制动器模拟实际负载对被测钻机实现无级加载或卸载，被测钻机的扭矩和转速信息通过扭矩转速传感器和采集仪在计算机系统中上显示出来，从而实现对钻机扭矩和转速的测试。钻机输出扭矩和转速的测试示意如图5所示。

1.磁粉制动器；2.扭矩转速传感器；3.减速器；4.钻机固定平台；5.被测钻机；8.测试台 图5　钻机输出扭矩和转速的测试示意

3.2　给进和起拔力的测试

被测钻机在钻机固定平台上位置旋转180°，对准地下室吊重砣孔口位置后，使钻机钻杆与吊重砣相连，操作钻机使钻机卡紧钻杆，提升或下降吊重砣，通过传感器采集信号，测试卡盘的夹持和油缸的提升能力。钻机给进和起拔力的测试示意如图6所示。

4.钻机固定平台；5.被测钻机；9.地下室；10.吊重砣 图6　钻机给进和起拔力的测试示意

3.3　卷扬拉力的测试

操作被测钻机移车，让开地下室吊重砣孔口位置后，使钻机卷扬机的钢丝绳绕过卷扬塔架顶端安装的滑轮起吊地下的吊重砣，通过传感器采集信号来测试卷扬机的提升能力。钻机卷扬拉力的测试示意如图7所示。

4.钻机固定平台；5.被测钻机；6.卷扬塔架；9.地下室； 10.吊重砣 图7　钻机卷扬拉力的测试示意

4钻机试验台的应用效果

ZST型钻机试验台投入使用以来，各部分的技术性能得到了全面验证。取得了良好的效果，达到了预期的目的，为钻机整机质量的评定提供了可靠的依据。

本钻机试验台实际的应用结果证明：

(1)试验台总体设计先进，技术参数选择合理，对各类中小型钻机适应性强。

(2)加载系统设计合理，磁粉制动器的这种激磁电流加载方式，加载范围广、加载特性稳定而且简单、响应速度快、可实现连续均匀加载、便于远距离调控。

(3)计算机测试和控制系统检测参数和测量点多，测量精度高，人机交互界面简洁直观，自动化程度高，操作方便。

5结论

ZST型钻机试验台建成2年多以来，对多种类型的地质勘探钻机进行了检验测试，运行结果表明

试验台测量范围广，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。

参考文献：

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[6]张振林.矿川工程钻机回转试验台研制[J].建井技术,2012,(4):34-36.

Design and Application of Test-Bed for Drilling Rig

ZHANG Wenju1, SONG Lina2, GAO Shan1, GUO Yijiao3

(1. China Geological Equipment Group Co.,Ltd., Beijing 100102;

2. China Patent Development Corporation, Beijing 100088;

3. China Center for Information Industry Development, Beijing 100044)

Abstract：This article introduce the specification, function and application of the test-bed of the drilling rig. This test-bed apply the magnetic powder brake to simulate the source of the load, apply the sensor and computer test-control system to show and analysis the data. It has advantages of high accuracy and degree of automation, as well as easy operation.

Key Words：drilling rig; test-bed; magnetic powder brake; control system; design; application