鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的研制和應(yīng)用

鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的研制和應(yīng)用

張文舉1，宋麗娜2，高杉1，郭翼姣3

(1. 中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京100102； 2.中國(guó)專利技術(shù)開發(fā)公司，北京100088；

3.中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，北京100044)

摘要：本文介紹了一種鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的性能參數(shù)、組成、功能及應(yīng)用。該鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)采用磁粉制動(dòng)器來(lái)模擬負(fù)載源，利用傳感器和計(jì)算機(jī)測(cè)試控制系統(tǒng)來(lái)顯示和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要特點(diǎn)是測(cè)量精度和自動(dòng)化程度高，操作方便。

關(guān)鍵詞:鉆機(jī)；試驗(yàn)臺(tái)；控制系統(tǒng)；研制；應(yīng)用

中圖分類號(hào):P634.31

收稿日期：2014-11-03

作者簡(jiǎn)介：張文舉(1982-)，男(漢)，河北邢臺(tái)人，中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化專業(yè)，碩士，從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作，Tel:010-15810649926, E-mail: zhangwenju@cgeg.com.cn；宋麗娜(1982-)，女(漢)，山東聊城人，中國(guó)專利技術(shù)開發(fā)公司工程師，機(jī)械電子工程專業(yè)，碩士，從事機(jī)電產(chǎn)品專利技術(shù)的研制和開發(fā)；高杉(1985-)，女(漢)，北京人，中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化專業(yè)，碩士，從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作；郭翼姣(1986-)，女(漢)，河北張家口人，中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，信息工程專業(yè)，本科，從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用和編輯工作。

0引言

隨著我國(guó)鉆探工程設(shè)備的發(fā)展，各類鉆孔設(shè)備層出不窮，如地質(zhì)鉆、各類工程鉆，煤炭行業(yè)的坑道鉆，水井鉆等等。但如何保證這類機(jī)械設(shè)備的出廠質(zhì)量，除設(shè)備上各類零部件生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控外，出廠前整機(jī)的性能檢驗(yàn)也顯得非常重要。

目前市場(chǎng)上有些設(shè)備出廠前不具備設(shè)備負(fù)載試驗(yàn)的條件，只能在實(shí)際施工中來(lái)檢驗(yàn)自己的設(shè)備。而許多具有實(shí)力的企業(yè)和行業(yè)均制定自己的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求鉆探設(shè)備出廠前必須進(jìn)行負(fù)載、過(guò)載試驗(yàn)，檢測(cè)負(fù)載、過(guò)載情況下設(shè)備的功率、效率、溫升、噪聲等性能指標(biāo)，確定設(shè)備是否合格。為此我公司應(yīng)廠家的要求，設(shè)計(jì)了適用于中小型鉆孔設(shè)備的試驗(yàn)臺(tái)。

1鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的性能參數(shù)

該鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)屬中小型鉆機(jī)檢測(cè)整機(jī)主要性能的專業(yè)設(shè)備，試驗(yàn)項(xiàng)目包括：回轉(zhuǎn)加載試驗(yàn)、給進(jìn)和起拔力試驗(yàn)、卷?yè)P(yáng)拉力試驗(yàn)、整機(jī)效率和過(guò)載試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)采用模塊化結(jié)構(gòu)，利用磁粉制動(dòng)器、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、拉力傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率采集儀、電參數(shù)采集儀、鉆機(jī)參數(shù)采集儀，通過(guò)不同的組合演變，在同一試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)鉆機(jī)的性能試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可智能控制，并具有手動(dòng)控制功能。鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)參數(shù)

2鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的組成及功能

試驗(yàn)臺(tái)主要由測(cè)試臺(tái)架、參數(shù)測(cè)試裝置和計(jì)算機(jī)測(cè)試和控制系統(tǒng)等部分組成。鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1　測(cè)試臺(tái)架

測(cè)試臺(tái)架主要由測(cè)試臺(tái)、鉆機(jī)固定平臺(tái)、卷?yè)P(yáng)塔架和地下室組成。測(cè)試臺(tái)由槽鋼焊接通過(guò)螺栓固定在地基上。鉆機(jī)固定平臺(tái)是鑄造平臺(tái)，具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，平臺(tái)上開有不同間距的T形槽，供固定不同型號(hào)被測(cè)鉆機(jī)用；卷?yè)P(yáng)塔架是由型鋼焊接而成，頂端安裝有滑輪；地下室放有多組不同重量的吊重砣，為不同鉆機(jī)提供不同的提升重量；卷?yè)P(yáng)機(jī)的鋼絲繩繞過(guò)滑輪起吊地下室里的吊重砣來(lái)測(cè)試卷?yè)P(yáng)機(jī)拉力。

1.磁粉制動(dòng)器；2.扭矩轉(zhuǎn)速傳感器；3.減速器；4.鉆機(jī)固定平臺(tái)；5.被測(cè)鉆機(jī)；6.卷?yè)P(yáng)塔架；7.操作控制臺(tái)；8.測(cè)試臺(tái)；9.地下室；10.吊重砣 圖1　鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的組成

2.2　參數(shù)測(cè)試裝置

測(cè)試裝置主要由驅(qū)動(dòng)部分、傳動(dòng)部分、負(fù)載部分、測(cè)量傳感器等部分組成。

2.2.1驅(qū)動(dòng)部分

驅(qū)動(dòng)部分由被測(cè)鉆機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。

2.2.2傳動(dòng)部分

傳動(dòng)部分包括各部分之間的聯(lián)軸器、中間支撐以及錐齒輪換向減速器。由于試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)要達(dá)到高轉(zhuǎn)速，大扭矩，所以這部分在制造時(shí)一定要考慮到強(qiáng)度與精度。聯(lián)軸器在加工完畢后必須做動(dòng)平衡試驗(yàn)，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。錐齒輪減速器置于扭矩轉(zhuǎn)速傳感器與被測(cè)鉆機(jī)之間，起到改變傳動(dòng)方向，傳遞負(fù)載特性作用。

2.2.3負(fù)載部分

負(fù)載是被測(cè)鉆機(jī)的模擬負(fù)載源。鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)采用的是磁粉制動(dòng)器來(lái)模擬負(fù)載源。磁粉制動(dòng)器如圖2所示。磁粉制動(dòng)器的這種激磁電流加載轉(zhuǎn)矩的方式，具有加載簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快，可連續(xù)均勻加載、遠(yuǎn)距離控制等優(yōu)點(diǎn)。

圖2　磁粉制動(dòng)器

只要改變激磁電流的大小，便可在較大范圍內(nèi)控制扭矩的大小，在一般情況下，在5%～100%的額定扭矩范圍內(nèi)，激磁電流與傳遞扭矩基本成正比例線性關(guān)系。磁粉制動(dòng)器特性曲線如圖3所示。

圖3　磁粉制動(dòng)器特性曲線

2.2.4測(cè)量傳感器部分

測(cè)量傳感器包括扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、給進(jìn)和起拔力傳感器以及電流電壓傳感器。

扭矩轉(zhuǎn)速傳感器是在應(yīng)變橋?qū)Ｓ屑夹g(shù)的基礎(chǔ)上研制的，專門用于扭矩、轉(zhuǎn)速參數(shù)的旋轉(zhuǎn)測(cè)量，輸出方波頻率信號(hào)或4～20mA電流信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便。由于傳感器是變壓器感應(yīng)供電，可以長(zhǎng)期高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

壓力傳感器是通過(guò)信號(hào)適配器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流電壓信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)采集卡，在屏幕上顯示出來(lái)。

給進(jìn)和起拔力傳感器是采用電阻應(yīng)變技術(shù)，利用彈性元件的變形，將被測(cè)外力的大小轉(zhuǎn)換為電阻的變化。 通過(guò)施加一定的激勵(lì)電壓，再檢測(cè)它的輸出電流變化就可以知道被測(cè)外力的大小。

電流電壓傳感器用于測(cè)量被測(cè)鉆機(jī)的電機(jī)輸入電流、電壓，采用的是HB40GA、HB40GV隔離變送模塊。

2.3　計(jì)算機(jī)測(cè)試和控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)測(cè)試和控制系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

2.3.1硬件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)測(cè)試和控制硬件系統(tǒng)即操作控制臺(tái)，包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備、加載控制器、信號(hào)適配器、扭矩轉(zhuǎn)速功率采集儀、電參數(shù)采集儀、鉆機(jī)參數(shù)采集儀等組成。

加載控制器是與磁粉制動(dòng)器配套使用，能方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器的程控(或手動(dòng))加載或卸載，采用PID調(diào)節(jié)，PWM輸出。面板上安排有液晶顯示面板，可方便觀察制動(dòng)器的勵(lì)磁電流和給定勵(lì)磁電流的開度、轉(zhuǎn)速、扭矩以及加載功率等。

信號(hào)適配器是將傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離調(diào)制成計(jì)算機(jī)采集卡需要的信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件將參數(shù)測(cè)量出來(lái)。

扭矩轉(zhuǎn)速功率采集儀是專為扭矩傳感器配套的16位單片機(jī)二次儀表，在面板的三顯示窗口上可以顯示扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、扭矩峰值、雙向扭矩設(shè)定值等參數(shù)，并可顯示報(bào)警狀況；面板上的按鍵區(qū)可以切換顯示功能，手動(dòng)清零、上下限設(shè)定、采樣時(shí)間設(shè)定、打印控制等；后面板設(shè)有信號(hào)接口端子，有RS232或RS485接口、打印機(jī)接口等。

電參數(shù)采集儀是采用XSP3系列三相四線電力表，該儀表的四顯示窗口可以顯示電流、電壓、有功、無(wú)功、視在功率、功率因數(shù)，頻率，可設(shè)置電壓、電流的三相最高、最低或差值(不平衡)報(bào)警。

拉力顯示儀表和壓力等鉆機(jī)參數(shù)采集儀是采用XSE型智能顯示儀，它可與各類模擬量輸出傳感器、變送器配合，完成拉力和壓力等參數(shù)的測(cè)量、變換、顯示。誤差小，并具有調(diào)校、數(shù)字濾波功能，可以減小傳感器、變送器的誤差，有效提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)測(cè)試流程如圖4所示。

圖4　鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)測(cè)試流程

2.3.2軟件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)測(cè)試和控制軟件系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)對(duì)負(fù)載的控制，來(lái)模擬鉆機(jī)的各種工況，通過(guò)測(cè)量被測(cè)鉆機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率、鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出扭矩以及相關(guān)參數(shù)來(lái)考核鉆機(jī)的性能指標(biāo)，圍繞著完成這些功能還能提供報(bào)警、保護(hù)、數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并打印等輔助功能。

報(bào)警和保護(hù)是指操作者可以通過(guò)報(bào)警參數(shù)管理來(lái)設(shè)置需要報(bào)警的參數(shù)以及報(bào)警值。系統(tǒng)提供了兩級(jí)報(bào)警和保護(hù)機(jī)制，在測(cè)量參數(shù)到達(dá)第一級(jí)報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)燈光，字體反色等方法提示使用者系統(tǒng)已進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，設(shè)用者這時(shí)可以采取相應(yīng)的措施來(lái)解除報(bào)警；當(dāng)測(cè)量參數(shù)到達(dá)第二級(jí)保護(hù)值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)按照系統(tǒng)設(shè)置采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如卸載扭矩等，同時(shí)還通過(guò)燈光，字體反色等方法提示使用者系統(tǒng)已進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

數(shù)據(jù)測(cè)量主要是完成對(duì)被測(cè)鉆機(jī)各參數(shù)的測(cè)量，包括轉(zhuǎn)速測(cè)量，扭矩測(cè)量、壓力測(cè)量、給進(jìn)和起拔力測(cè)量、電流、電壓測(cè)量，測(cè)量結(jié)果出來(lái)后通過(guò)通訊方式將數(shù)據(jù)交換，集成到本系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理是測(cè)量控制系統(tǒng)必不可少的功能，它將各個(gè)獨(dú)立測(cè)量的，表面互不相干的參數(shù)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)完整系統(tǒng)，把不相干的數(shù)據(jù)變成相互之間有影響，有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)記錄是將測(cè)得數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，啟動(dòng)方式有手動(dòng)方式和自動(dòng)方式。

數(shù)據(jù)顯示是將測(cè)得數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，系統(tǒng)提供了三種方式來(lái)顯示測(cè)量的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)，用數(shù)字顯示的方式顯示每次的動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，用實(shí)時(shí)曲線來(lái)反映最近一段時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化情況，用歷史曲線來(lái)反映過(guò)去靜態(tài)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)情況。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是將系統(tǒng)數(shù)據(jù)(系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)數(shù)據(jù)以及測(cè)量數(shù)據(jù))根據(jù)需要存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤中，可以導(dǎo)出到Word，Excel中，形成試驗(yàn)報(bào)告打印出來(lái)。

3鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用

根據(jù)地質(zhì)勘探用鉆機(jī)測(cè)試的需要，試驗(yàn)臺(tái)功能包括：工況控制、被測(cè)鉆機(jī)的電機(jī)電壓，電流，功率的測(cè)試和顯示、給進(jìn)和起拔力的測(cè)試和顯示、卷?yè)P(yáng)拉力的測(cè)試和顯示、鉆機(jī)輸出扭矩，轉(zhuǎn)速和功率的測(cè)試和顯示、整機(jī)效率的顯示等。

下面就地質(zhì)勘探用鉆機(jī)主要介紹鉆機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速的測(cè)試、給進(jìn)和起拔力的測(cè)試以及卷?yè)P(yáng)拉力的測(cè)試。

3.1　鉆機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速的測(cè)試

被測(cè)鉆機(jī)安裝到位后，通過(guò)控制磁粉制動(dòng)器模擬實(shí)際負(fù)載對(duì)被測(cè)鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)加載或卸載，被測(cè)鉆機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速信息通過(guò)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器和采集儀在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中上顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的測(cè)試。鉆機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速的測(cè)試示意如圖5所示。

1.磁粉制動(dòng)器；2.扭矩轉(zhuǎn)速傳感器；3.減速器；4.鉆機(jī)固定平臺(tái)；5.被測(cè)鉆機(jī)；8.測(cè)試臺(tái) 圖5　鉆機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速的測(cè)試示意

3.2　給進(jìn)和起拔力的測(cè)試

被測(cè)鉆機(jī)在鉆機(jī)固定平臺(tái)上位置旋轉(zhuǎn)180°，對(duì)準(zhǔn)地下室吊重砣孔口位置后，使鉆機(jī)鉆桿與吊重砣相連，操作鉆機(jī)使鉆機(jī)卡緊鉆桿，提升或下降吊重砣，通過(guò)傳感器采集信號(hào)，測(cè)試卡盤的夾持和油缸的提升能力。鉆機(jī)給進(jìn)和起拔力的測(cè)試示意如圖6所示。

4.鉆機(jī)固定平臺(tái)；5.被測(cè)鉆機(jī)；9.地下室；10.吊重砣 圖6　鉆機(jī)給進(jìn)和起拔力的測(cè)試示意

3.3　卷?yè)P(yáng)拉力的測(cè)試

操作被測(cè)鉆機(jī)移車，讓開地下室吊重砣孔口位置后，使鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)的鋼絲繩繞過(guò)卷?yè)P(yáng)塔架頂端安裝的滑輪起吊地下的吊重砣，通過(guò)傳感器采集信號(hào)來(lái)測(cè)試卷?yè)P(yáng)機(jī)的提升能力。鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)拉力的測(cè)試示意如圖7所示。

4.鉆機(jī)固定平臺(tái)；5.被測(cè)鉆機(jī)；6.卷?yè)P(yáng)塔架；9.地下室； 10.吊重砣 圖7　鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)拉力的測(cè)試示意

4鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用效果

ZST型鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)投入使用以來(lái)，各部分的技術(shù)性能得到了全面驗(yàn)證。取得了良好的效果，達(dá)到了預(yù)期的目的，為鉆機(jī)整機(jī)質(zhì)量的評(píng)定提供了可靠的依據(jù)。

本鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際的應(yīng)用結(jié)果證明：

(1)試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)先進(jìn)，技術(shù)參數(shù)選擇合理，對(duì)各類中小型鉆機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)。

(2)加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，磁粉制動(dòng)器的這種激磁電流加載方式，加載范圍廣、加載特性穩(wěn)定而且簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻加載、便于遠(yuǎn)距離調(diào)控。

(3)計(jì)算機(jī)測(cè)試和控制系統(tǒng)檢測(cè)參數(shù)和測(cè)量點(diǎn)多，測(cè)量精度高，人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔直觀，自動(dòng)化程度高，操作方便。

5結(jié)論

ZST型鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)建成2年多以來(lái)，對(duì)多種類型的地質(zhì)勘探鉆機(jī)進(jìn)行了檢驗(yàn)測(cè)試，運(yùn)行結(jié)果表明

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量范圍廣，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定，能滿足鉆機(jī)出廠前的性能檢測(cè)和鉆機(jī)使用后的修復(fù)檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]滕子軍.對(duì)國(guó)內(nèi)鉆參儀實(shí)現(xiàn)檢控鉆進(jìn)的可行性探討[J].探礦工程,2001, 189(6): 54-55.

[2]汪學(xué)明,賈紹寬.車載鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的研建 [J].探礦工程,1993, (3):13-15.

[3]羅華,夏緒波.鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng)，2013,(5):87-89.

[4]孫寶元,楊寶清.傳感器及其應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[5]徐科軍主編.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.2

[6]張振林.礦川工程鉆機(jī)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)研制[J].建井技術(shù),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