矿用气动回转钻机综合性能试验系统的研究

许海龙

1煤炭科学技术研究院有限公司检测分院 北京 100013

2煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 北京 100013

气动回转钻机在煤矿井下主要用于探排水孔、锚杆孔、爆破孔、注浆孔、瓦斯探测抽放孔等煤岩孔钻进作业，近年来应用范围不断扩大，年使用量在 10 万台以上，已经纳入“安全标志产品”管理范围[1-2]。该类产品在使用前应考核 0.40、0.50、0.63 MPa 3 个气压挡下的性能指标。试验中，供气压力随被测钻机负载变化而变化，需对供气压力进行实时调节[3-6]。矿用气动钻机综合性能试验系统是型式检验与出厂检验的测试设备，笔者研究的试验系统具有 2 个特点：综合应用现代测试技术，实现了试验过程数字化自动控制，提高了试验数据的可靠性及试验效率；实现试验过程中恒压供气，供气偏差为±0.01 MPa，解决了供气压力随钻机负载变化而波动的技术难题。

1 试验系统组成

试验系统额定转矩为 100～2 500 N·m，最大输出功率为 30 kW，试验供气压力为 0.4～0.8 MPa，满足矿用气动回转钻机的测试要求。试验系统主要由 4部分组成：①可调高机械台架，中心高度调节范围为 850～1 300 mm，包括升降导向机构、4 组升降液压缸、液压阀组等；② 转矩测量单元，包括励磁负载装置和动态转矩测量装置等；③供气调节单元，用于试验供气恒压控制、压力及流量采集；④ 测控单元。可调高机械台架、转矩测量单元集成于钻机回转特性试验台中，如图 1 所示。试验过程中，供气调节单元输出恒压空气驱动钻机运转，励磁负载装置模拟产生回转负载，使钻机加载至额定转矩，在此工况下测试钻机的综合性能参数。

图1 钻机回转特性试验台Fig.1 Test bench for rotation performance of drill rig

2 动态转矩测量单元设计

2.1 励磁负载控制装置

励磁负载装置主要由定子、转子及含励磁线圈的磁轭组成。在转子和定子间的环形间隙内填充有高导磁性的合金磁粉，当电流通过激磁线圈时，磁轭中产生磁通，工作腔内磁粉呈链状连接起来，磁粉链间的抗剪力产生转矩；在 5%～ 90% 的额定转矩范围内，转矩与励磁电流呈线性关系，如图 2 所示。利用该特性可以实现钻机转矩动态测试。

当励磁电流不变时，励磁负载装置产生的转矩不受转速影响，静摩擦转矩与动摩擦转矩一致，具有恒定的输出转矩特性，该特性保障了钻机转矩动态测试过程中的平稳性和数据的准确性。

图2 激磁电流与转矩关系Fig.2 Relationship between exciting current and torque

2.2 动态转矩测试装置

动态转矩测试装置原理如图 3 所示，在一段弹性轴上粘贴应变片组成应变电阻桥，在弹性轴上固定有环形变压器次级线圈和信号环形变压器初级线圈；在测量装置外壳上固定有激磁电路、信号环形变压器次级线圈 (输出)、能源环形变压器初级线圈 (输入)。应变电阻桥将应变轴的微小变形转换为电信号，放大后传输至 V/F 转换器，经输出信号耦合器至信号输出电路整形后，输出与测试转矩呈线性关系的标准电信号。

图3 动态转矩测试装置原理Fig.3 Principle of test device for dynamic torque

3 供气调节单元设计

该单元设计依据为 GB/T 5621—2008，由电-气比例控制阀、机械式调压阀、贮气罐、传感器等组成，如图 4 所示。

空气压缩机产生的压缩气体经过滤后分为 2 路，旁路经微雾分离器进入电-气比例控制阀调压，然后进入机械式主调压阀先导孔，当供气压力因被测钻机负载变化而波动时，反馈调节电-气比例控制阀开闭程度进行闭环控制，使主调压阀输出稳定压力；主路由主控调压阀调压后，经流量计进入贮气罐，衰减气流脉动，供给被测钻机。贮气罐用于衰减气流脉动，其容积与结构依据被试钻机的最大耗气量设计。电-气比例控制阀作为主调压阀的先导控制阀，是实现调压功能的关键部件，为闭环控制，当供气压力发生变化时，能够自动调节压力值至输入的电信号对应的压力值。机械式主调压阀型号为 VEX1900-20-G，最高供气压力为 1.2 MPa，调压精度为 0.005 MPa，响应时间小于 60 ms，先导孔与主孔压力比为 1∶1。

4 测控单元设计

依托 PLC 测控技术以及人机交互技术，进行了硬件系统与软件系统开发，实现了转矩、压力、耗气量、温度、推/拉力等试验参数的自动化采集、运算处理、报告输出等功能。

4.1 硬件设计

硬件系统由传感器、PLC 模块、通信模块、人机交互模块等组成。经研究分析信号采集点与控制点，选定主要测控元件，如表 1 所列。

表1 主要测控元件性能参数Tab.1 Performance parameters of main measuring and control components

中央处理器选用西门子 S7-300 系列的 CPU 315-2，扩展模块为模拟量输入/输出模块。CPU 315-2 与 PC 接口通信协议为标准 Modbus 协议，物理连接采用 RS485-RS232-USB 接口方式[7-8]。

流量传感器等信号采集元件将采集到的物理信号转换成标准电信号，经模拟量输入模块转换成数字信号传送给 PLC，经 CPU 运算处理后，将数字量由通信接口传输到 PC 机人机交互界面显示。试验时，将控制参数输入 PC 的人机交互界面，通过 PLC 系统调控电-气比例阀、励磁加载装置，实现供气压力及转矩模拟负载的远程控制。

4.2 软件开发

试验系统的 PLC 程序为分块程序结构，包括初始化程序模块、主程序模块、通信模块、控制程序模块、运算程序模块。上位机程序设计在 VB 环境下进行，设计内容包括创建工程画面、建立数据库、I/O设备通信、编制脚本等；界面运行系统运行画面、脚步、动画连接等，实现测试数据实时读取与显示[9-10]；用户窗口包括主显示界面、参数设置、曲线图及数据打印等，测试界面如图 5 所示。

图5 气动钻机性能测试界面Fig.5 Interface of performance test for pneumatic drill rig

5 试验应用

矿用气动回转钻机综合性能试验系统实现了试验过程的自动化控制，在转矩从 0～3 000 N·m 的加载过程中，励磁负载调节装置灵敏平稳。供气压力输出实测值与设定值之差最大为 0.009 MPa，测试曲线如图 6 所示，解决了试验过程中供气压力随负载变化而波动的技术难题。

图6 试验系统供气调压特性曲线Fig.6 Characteristic curve of air pressure control of test system

6 结语

基于 GB/T 5621—2008 标准要求，综合应用电-气比例控制技术、PLC 控制技术等现代测控技术，研制了矿用气动回转钻机综合性能试验系统，该系统具有试验过程自动控制等功能，提高了试验数据的可靠性及试验效率。