鉆機(jī)試驗臺的研制和應(yīng)用

張文舉1，宋麗娜2，高杉1，郭翼姣3

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

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

摘要：本文介紹了一種鉆機(jī)試驗臺的性能參數(shù)、組成、功能及應(yīng)用。該鉆機(jī)試驗臺采用磁粉制動器來模擬負(fù)載源，利用傳感器和計算機(jī)測試控制系統(tǒng)來顯示和分析試驗數(shù)據(jù)，主要特點是測量精度和自動化程度高，操作方便。

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

中圖分類號:P634.31

收稿日期：2014-11-03

作者簡介：張文舉(1982-)，男(漢)，河北邢臺人，中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司工程師，機(jī)械設(shè)計自動化專業(yè)，碩士，從事機(jī)械設(shè)計工作，Tel:010-15810649926, E-mail: zhangwenju@cgeg.com.cn；宋麗娜(1982-)，女(漢)，山東聊城人，中國專利技術(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，中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司工程師，機(jī)械設(shè)計自動化專業(yè)，碩士，從事機(jī)械設(shè)計工作；郭翼姣(1986-)，女(漢)，河北張家口人，中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，信息工程專業(yè)，本科，從事計算機(jī)應(yīng)用和編輯工作。

0引言

隨著我國鉆探工程設(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)過程的監(jiān)控外，出廠前整機(jī)的性能檢驗也顯得非常重要。

目前市場上有些設(shè)備出廠前不具備設(shè)備負(fù)載試驗的條件，只能在實際施工中來檢驗自己的設(shè)備。而許多具有實力的企業(yè)和行業(yè)均制定自己的檢驗標(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、過載試驗，檢測負(fù)載、過載情況下設(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)計了適用于中小型鉆孔設(shè)備的試驗臺。

1鉆機(jī)試驗臺的性能參數(shù)

該鉆機(jī)試驗臺屬中小型鉆機(jī)檢測整機(jī)主要性能的專業(yè)設(shè)備，試驗項目包括：回轉(zhuǎn)加載試驗、給進(jìn)和起拔力試驗、卷揚拉力試驗、整機(jī)效率和過載試驗。試驗臺采用模塊化結(jié)構(gòu)，利用磁粉制動器、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，通過不同的組合演變，在同一試驗臺上實現(xiàn)對不同型號鉆機(jī)的性能試驗。整個試驗過程可智能控制，并具有手動控制功能。鉆機(jī)試驗臺的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　鉆機(jī)試驗臺的技術(shù)參數(shù)

2鉆機(jī)試驗臺的組成及功能

試驗臺主要由測試臺架、參數(shù)測試裝置和計算機(jī)測試和控制系統(tǒng)等部分組成。鉆機(jī)試驗臺的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1　測試臺架

測試臺架主要由測試臺、鉆機(jī)固定平臺、卷揚塔架和地下室組成。測試臺由槽鋼焊接通過螺栓固定在地基上。鉆機(jī)固定平臺是鑄造平臺，具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，平臺上開有不同間距的T形槽，供固定不同型號被測鉆機(jī)用；卷揚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；卷揚機(jī)的鋼絲繩繞過滑輪起吊地下室里的吊重砣來測試卷揚機(jī)拉力。

1.磁粉制動器；2.扭矩轉(zhuǎn)速傳感器；3.減速器；4.鉆機(jī)固定平臺；5.被測鉆機(jī)；6.卷揚塔架；7.操作控制臺；8.測試臺；9.地下室；10.吊重砣 圖1　鉆機(jī)試驗臺的組成

2.2　參數(shù)測試裝置

測試裝置主要由驅(qū)動部分、傳動部分、負(fù)載部分、測量傳感器等部分組成。

2.2.1驅(qū)動部分

驅(qū)動部分由被測鉆機(jī)及其驅(qū)動電機(jī)組成。

2.2.2傳動部分

傳動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。由于試驗時系統(tǒng)要達(dá)到高轉(zhuǎn)速，大扭矩，所以這部分在制造時一定要考慮到強(qiáng)度與精度。聯(lián)軸器在加工完畢后必須做動平衡試驗，以保證系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性。錐齒輪減速器置于扭矩轉(zhuǎn)速傳感器與被測鉆機(jī)之間，起到改變傳動方向，傳遞負(fù)載特性作用。

2.2.3負(fù)載部分

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

圖2　磁粉制動器

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。磁粉制動器特性曲線如圖3所示。

圖3　磁粉制動器特性曲線

2.2.4測量傳感器部分

測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)測量，輸出方波頻率信號或4～20mA電流信號，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，可以長期高速運轉(zhuǎn)。

壓力傳感器是通過信號適配器將信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流電壓信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)采集卡，在屏幕上顯示出來。

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，將被測外力的大小轉(zhuǎn)換為電阻的變化。 通過施加一定的激勵電壓，再檢測它的輸出電流變化就可以知道被測外力的大小。

電流電壓傳感器用于測量被測鉆機(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　計算機(jī)測試和控制系統(tǒng)

計算機(jī)測試和控制系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

2.3.1硬件系統(tǒng)

計算機(jī)測試和控制硬件系統(tǒng)即操作控制臺，包括工業(yè)控制計算機(jī)及其外圍設(shè)備、加載控制器、信號適配器、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器配套使用，能方便地實現(xiàn)對制動器的程控(或手動)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，可方便觀察制動器的勵磁電流和給定勵磁電流的開度、轉(zhuǎn)速、扭矩以及加載功率等。

信號適配器是將傳感器信號經(jīng)過隔離調(diào)制成計算機(jī)采集卡需要的信號，通過計算機(jī)軟件將參數(shù)測量出來。

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)，并可顯示報警狀況；面板上的按鍵區(qū)可以切換顯示功能，手動清零、上下限設(shè)定、采樣時間設(shè)定、打印控制等；后面板設(shè)有信號接口端子，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)的測量精度。鉆機(jī)試驗臺參數(shù)測試流程如圖4所示。

圖4　鉆機(jī)試驗臺參數(shù)測試流程

2.3.2軟件系統(tǒng)

計算機(jī)測試和控制軟件系統(tǒng)的主要功能是通過對負(fù)載的控制，來模擬鉆機(jī)的各種工況，通過測量被測鉆機(jī)的電機(jī)驅(qū)動功率、鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出扭矩以及相關(guān)參數(shù)來考核鉆機(jī)的性能指標(biāo)，圍繞著完成這些功能還能提供報警、保護(hù)、數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲并打印等輔助功能。

報警和保護(hù)是指操作者可以通過報警參數(shù)管理來設(shè)置需要報警的參數(shù)以及報警值。系統(tǒng)提供了兩級報警和保護(hù)機(jī)制，在測量參數(shù)到達(dá)第一級報警值時，系統(tǒng)通過燈光，字體反色等方法提示使用者系統(tǒng)已進(jìn)入報警狀態(tài)，設(shè)用者這時可以采取相應(yīng)的措施來解除報警；當(dāng)測量參數(shù)到達(dá)第二級保護(hù)值時，系統(tǒng)將自動按照系統(tǒng)設(shè)置采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如卸載扭矩等，同時還通過燈光，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)測量主要是完成對被測鉆機(jī)各參數(shù)的測量，包括轉(zhuǎn)速測量，扭矩測量、壓力測量、給進(jìn)和起拔力測量、電流、電壓測量，測量結(jié)果出來后通過通訊方式將數(shù)據(jù)交換，集成到本系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理是測量控制系統(tǒng)必不可少的功能，它將各個獨立測量的，表面互不相干的參數(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，形成一個完整系統(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)記錄是將測得數(shù)據(jù)記錄下來，啟動方式有手動方式和自動方式。

數(shù)據(jù)顯示是將測得數(shù)據(jù)顯示出來，系統(tǒng)提供了三種方式來顯示測量的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)變化的趨勢，用數(shù)字顯示的方式顯示每次的動態(tài)測量數(shù)據(jù)，用實時曲線來反映最近一段時間內(nèi)實時數(shù)據(jù)的變化情況，用歷史曲線來反映過去靜態(tài)數(shù)據(jù)的變化趨勢情況。

數(shù)據(jù)存儲是將系統(tǒng)數(shù)據(jù)(系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)數(shù)據(jù)以及測量數(shù)據(jù))根據(jù)需要存儲到計算機(jī)硬盤中，可以導(dǎo)出到Word，Excel中，形成試驗報告打印出來。

3鉆機(jī)試驗臺的應(yīng)用

根據(jù)地質(zhì)勘探用鉆機(jī)測試的需要，試驗臺功能包括：工況控制、被測鉆機(jī)的電機(jī)電壓，電流，功率的測試和顯示、給進(jìn)和起拔力的測試和顯示、卷揚拉力的測試和顯示、鉆機(jī)輸出扭矩，轉(zhuǎn)速和功率的測試和顯示、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)速的測試、給進(jìn)和起拔力的測試以及卷揚拉力的測試。

3.1　鉆機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速的測試

被測鉆機(jī)安裝到位后，通過控制磁粉制動器模擬實際負(fù)載對被測鉆機(jī)實現(xiàn)無級加載或卸載，被測鉆機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速信息通過扭矩轉(zhuǎn)速傳感器和采集儀在計算機(jī)系統(tǒng)中上顯示出來，從而實現(xiàn)對鉆機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的測試。鉆機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速的測試示意如圖5所示。

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

3.2　給進(jìn)和起拔力的測試

被測鉆機(jī)在鉆機(jī)固定平臺上位置旋轉(zhuǎn)180°，對準(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，通過傳感器采集信號，測試卡盤的夾持和油缸的提升能力。鉆機(jī)給進(jìn)和起拔力的測試示意如圖6所示。

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

3.3　卷揚拉力的測試

操作被測鉆機(jī)移車，讓開地下室吊重砣孔口位置后，使鉆機(jī)卷揚機(jī)的鋼絲繩繞過卷揚塔架頂端安裝的滑輪起吊地下的吊重砣，通過傳感器采集信號來測試卷揚機(jī)的提升能力。鉆機(jī)卷揚拉力的測試示意如圖7所示。

4.鉆機(jī)固定平臺；5.被測鉆機(jī)；6.卷揚塔架；9.地下室； 10.吊重砣 圖7　鉆機(jī)卷揚拉力的測試示意

4鉆機(jī)試驗臺的應(yīng)用效果

ZST型鉆機(jī)試驗臺投入使用以來，各部分的技術(shù)性能得到了全面驗證。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)量的評定提供了可靠的依據(jù)。

本鉆機(jī)試驗臺實際的應(yīng)用結(jié)果證明：

(1)試驗臺總體設(shè)計先進(jìn)，技術(shù)參數(shù)選擇合理，對各類中小型鉆機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)。

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

(3)計算機(jī)測試和控制系統(tǒng)檢測參數(shù)和測量點多，測量精度高，人機(jī)交互界面簡潔直觀，自動化程度高，操作方便。

5結(jié)論

ZST型鉆機(jī)試驗臺建成2年多以來，對多種類型的地質(zhì)勘探鉆機(jī)進(jìn)行了檢驗測試，運行結(jié)果表明

試驗臺測量范圍廣，測試結(jié)果準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定，能滿足鉆機(jī)出廠前的性能檢測和鉆機(jī)使用后的修復(fù)檢驗。

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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