變頻調速電動鑿巖機的研究與設計

白 剛

（湘西民族職業技術學院，湖南 吉首 416000）

0 引言

采礦業是我國的重要產業，對經濟社會的發展有重大意義，因此研制高效、節能、使用方便的鑿巖機械很有必要。現在國內使用的鑿巖機主要有氣動式、液動式、電動式、鑿巖臺機等。與主流的液壓式、氣動式鑿巖相比較，電動鑿巖機有著非常突出的優點，在節能、高效方面，電動鑿巖機的電能利用率高達50%～60%，而液壓鑿巖機的效率一般為25%～35%，氣動鑿巖機僅為10%。此外電動鑿巖還具有噪聲低、工作面空氣新鮮、無廢氣污染，搬遷、維修、管理方便等優點，非常適合于我國大量存在的設備簡單的地方中小礦。但是目前所使用的電動鑿巖機也存在很大的缺點： 鉆速較低，尤其是對硬巖，同樣硬度的巖石，它的轉速只有氣動鑿巖機的50%～60%，嚴重的影響了電動鑿巖機的推廣使用。造成這一缺點的主要原因是目前的主流電動鑿巖機直接使用交流工頻電源（50Hz），不能隨著工作環境（礦物硬度、鉆孔孔徑、深度）改變輸出轉矩、轉速，使得工作效率較低。本文針對這一問題設計了一種可以變頻調速的電動鑿巖機，采用DSP 處理器研制新型的變頻電源，通過輸出可程控的交流電源，進而改變鑿巖機電動設備的輸出轉矩和轉速。經試驗驗證，可以提高工作效率，有效的改善了電動設備的工作性能。

1 國內外研究現狀及改進思路

目前國際上對于電動鑿巖機的研究成果主要有意大利Pinass 公司的P60 和P70 型偏心塊式結構的電動鑿巖機和尚未定型的電磁鑿巖機。但共同點是機體龐大、結構復雜、價格高、難以實現更新換代。國內的研究成果主要有武漢鑫文豐機械有限公司研制的YDT30A 型新型電動鑿巖機、YDT30 型多功能電動鑿巖機組、YDT30A型新型電動鑿巖機、YDTJ1 型機動鑿巖車、YDT26 型電液鑿巖機組等。但從可查閱的資料看，尚未發現通過調頻技術以提高鑿巖效率的研究。本文對電動鑿巖機的改進思路主要有兩點，一是按照調頻控制的要求對電動鑿巖機的部件、結構進行改進，采用變頻電動機為工作電機，并對相關結構進行優化設計；二是研制適用于中小型電動鑿巖機的變頻電源，與之配套工作。采用DSP 處理器來設計變頻電源的原因主要是： 基于單片機的變頻電源系統多采用查表法生成PWM 波，因此靈活性較差，無法實現實時變頻變壓；而如果采用專門的PWM 波生成芯片，則會使成本大大提高。而采用基于DSP 的變頻電源系統，可以利用它強大的運算能力和低廉的價格，很好的解決實時性與成本的問題。

2 變頻調速電動鑿巖機的設計

2.1 鑿巖機整體結構設計

本文所設計的變頻電動鑿巖機，適用于一般工作場合，包括機體、變頻電動機、釬桿等部分組成。其輸入電源采用新設計的變頻電源。在實際工作中，根據工作對象的性質（巖石、礦體的硬度、厚度、韌度等），由軟件計算出頻率調節信號，再由輔助電源驅動處理器，輸入頻率調節信號到DSP 處理器，處理器控制調節主電源輸出一定頻率和電壓的電信號，進而驅動變頻段動機運轉，輸出需要的轉矩和轉速。在實際工作中通過調整電動機電源頻率進而調整電機轉速，使曲柄連桿機構用錘頭沖擊鋼釬的頻率可調整；對于不同的巖石及礦體，操作人員可通過不斷調整沖擊頻率使鑿巖效率提高。其整體原理結構如圖1 所示。

圖1 變頻調速電動鑿巖機原理圖

2.2 變頻電機的選擇

為體現變頻調速的優勢，本設計中將原電動鑿巖機中做動力電機的1350W 小型異步電動機改為1.5KW變頻電機，原采用的變頻電機為YVP 系列變頻調速異步電動機。該電機絕緣為F、H 級，防護等級為IP54、IP55、IP56，可附帶各種光電編碼器 （或測速發電機）傳感器裝置等，同時可提供配套變頻調速器。產品適應各種變頻電源的高頻沖擊，確保電機在最低速和最高速時均具良好的工作特性。其主要參數為： 額定功率：1.5kW，額定轉矩： 4.7N·M，額定電流： 4.3A，額定電壓：220/380V。

2.3 變頻電源的設計

本設計所使用的單相變頻電源，要求額定輸出功率不小于5kW，輸出電壓為220～380V，輸出頻率為20～400Hz 可調。以美國TI 公司的16 位定點DSPTMS320-LF2407A 為插補處理器，它集成了編碼器信號采集和處理電路，D/A 輸出電路，擴展存儲器電路等。以TMS320LF2407A 為核心構建硬件系統，由輔助電源驅動處理器，實現16KHz 載波頻段，靜音運行，輸出諧波含量小。輸入頻率調節信號到DSP 處理器，處理器控制調節主電源輸出頻率，使之按調節需要輸出變頻電壓信號驅動電機設備。另還可按照要求附加顯示設備，將調節信號頻率輸出顯示在液晶屏上。變頻電源結構圖如圖2 所示。

圖2 基于DSP 的變頻電源結構圖

2.4 性能改進實驗

本文設計的變頻調速電動鑿巖機，經理論計算、模擬仿真、樣品制作后，在湘西同力機械公司、武陵電化總廠金屬包裝廠經過多次實驗表明，應用所設計變頻電源驅動改進后的電動鑿巖機工作時，在不同頻率、不同負載情況下，輸出轉速和轉矩可基本實現實時控制，具有較好的工作穩定性和抗干擾能力。與對比的原型機相比，轉孔速度有10%以上的提高。

3 結束語

電動鑿巖機由于鉆速較低的缺點，目前在市場的應用不如氣動式、液壓式鑿巖機。尤其在近年來液壓式鑿巖機很多關鍵技術得以突破，市場競爭力進一步增強。但是電動鑿巖機在高效、節能方面畢竟有著很突出的優勢，只要解決了鉆速缺陷，在市場上必將有爆發式增長。未來的研究主要將從以下幾個方面著手： 一是曲柄連桿機構的改進，以求滿足大范圍變頻的需要；二是如何解決電動機在短期超負荷運行時的升溫問題。

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