煤礦用回轉鉆頭耐磨性能試驗方法研究

李耀武

1煤炭科學技術研究院有限公司檢測分院 北京 100013

2煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 北京 100013

煤礦用回轉鉆頭作為鉆機鉆孔作業的最終執行端，是鉆孔或擴孔作業的直接工具，鉆頭在作業時承受著復雜的載荷，其耐磨性能的好壞直接決定著鉆頭的使用壽命。鉆頭屬于易耗件，煤礦對鉆頭的年需求量達上千萬件，因此鉆頭耐磨性能直接關系到煤礦井下工作的高效性和經濟性。在 MT/T984 標準中明確提出耐磨性能測試為回轉鉆頭試驗項目[1]。目前行業內試驗臺相對較為簡單，常見控制方式為開環控制，試驗誤差不易控制。例如標準中規定在恒線速度下進行測試，部分試驗臺在砂輪磨削過程中由于砂輪直徑不斷減小，轉速維持恒定的同時，線速度會逐漸減小；部分試驗臺考慮到通過監測砂輪直徑實時調節主軸角速度來實現恒線速度，但控制方式為開環控制，控制精度無法保證。為滿足 MT/T984 和 JB/T 3235 標準規定，有必要提出一種可靠性強、控制精度高的測試方法，研制一款新型回轉鉆頭耐磨性能試驗臺，滿足標準規定試驗要求。

1 磨耗比測試理論

磨耗比測試裝置用于測試在規定的條件下煤礦用回轉鉆頭用金剛石復合片的耐磨性能，通過金剛石復合片與標準砂輪在規定的裝置上相互摩擦，砂輪磨耗量與復合片的磨耗量之比為該金剛石復合片的磨耗比值。測試過程中需要用到超聲波清洗機、干燥箱、分析天平、工業天平等設備，測試前需要對磨削試件進行清洗、烘干和稱重，磨削測試后再進行稱重，標準砂輪和復合片磨削前后質量之差即為各自的磨耗量。耐磨性能試驗流程如圖 1 所示。

圖1 耐磨性能試驗流程Fig.1 Process flow of wear resistance test

標準砂輪在磨削過程中直徑不斷減小，若主軸轉速恒定，則砂輪線速度會不斷降低，因此需要在砂輪直徑變小的同時提高主軸轉速，從而保證線速度恒定。筆者基于標準砂輪直徑自動檢測技術、主軸線速度閉環控制技術及主軸線速度變頻控制技術，砂輪主軸采用變頻調速，在試驗過程中，高精度位移傳感器實時檢測標準砂輪直徑，角度編碼器實時監測主軸轉速，PLC 控制器自動調整砂輪主軸轉速，通過閉環控制保證磨削線速度恒定，達到標準規定要求。

行業內部分試驗臺采用恒進給量加載，加載過程中進給量大小不易控制，因此筆者采用恒進給力方式進行加載，通過電氣比例閥調節進氣壓力，實現進給力在 5～20 N 范圍內可調。采用恒進給力加載能夠保證每次測試時磨削條件一致，從而消除人為操作習慣對測試數據的影響[2-4]。不同加載方式對比如表 1所列。

表1 耐磨性能測試加載方式對比分析Tab.1 Comparative analysis of wear resistance test in loading mode

2 機械機構設計

基于人機工程學理論并結合試驗臺功能進行試驗裝置機械結構設計，采用 SolidWorks 三維設計軟件建立機械結構三維模型，如圖 2 所示。機械結構主要包括主體結構、恒進給力加載機構、變頻調速回轉機構、位置調節機構、換向擺動機構、吸塵裝置、冷卻機構、防護裝置、工裝等部分，如圖 3 所示。其中主體結構采用整體式結構，將機械機構各部分融合在一體；變頻調速回轉機構由變頻電動機、變頻器、主軸、編碼器組成；恒進給力加載機構采用氣動雙桿導向推進方式，通過電氣比例調壓閥調節不同的進氣壓力，實現不同進給力的施加；位置調節機構能夠實現上下、前后、左右及水平方向傾角的調節功能；擺動換向機構通過伺服電動機驅動滑組及限位開關實現左右擺動，滿足擺動磨削要求；吸塵裝置采用負壓濾筒吸塵方式，基于電動脈沖自動噴吹技術實現磨削粉塵的清除；冷卻系統對主軸進行冷卻，避免因主軸轉速過高引起的發熱量過大現象[5]。

圖2 試驗裝置三維模型Fig.2 3D model of test device

圖3 試驗裝置實物Fig.3 Entity of test device

3 測控系統的研發

測控系統控制原理如圖 4 所示，通過觸摸屏實現參數設定、數據采集與分析處理、狀態監視等功能。應用測控技術閉環控制理論，對砂輪磨削線速度進行控制。通過高精度位移傳感器實時檢測砂輪直徑，應用 PLC 對變頻電動機進行控制，從而使主軸輸出不同的轉速，通過轉速、砂輪直徑與線速度的換算關系，進而輸出規定的線速度；通過電磁碼盤對主軸轉速進行檢測計數，測試數據反饋至 PLC 控制器，達到閉環精確控制的目的。通過電氣比例調壓閥調節不同的氣壓，從而實現氣動恒壓軸向自動進給。通過設定脈沖間隔，使電動脈沖閥按規定動作，實現吸塵裝置自動反向噴吹除塵。在控制技術原理設計和優化的基礎上，進行了測控系統用變頻電動機、變頻器、觸摸屏、伺服控制器、PLC、電氣比例閥等測控硬件的選型、測控界面設計及測控軟件的開發[6]。

圖4 測控系統控制原理Fig.4 Control principle of measurement and control system

磨削線速度控制框圖如圖 5 所示，PID 閉環控制的磨削線速度控制系統主要由上位機磨削線速度指令給定、PID 控制器、變頻器、變頻電動機、角度編碼器等部分組成。磨削過程中使用頂針直線位移傳感器不斷檢測位置信號，進而轉換成砂輪半徑后反饋到控制系統，根據位移傳感器測出的砂輪半徑即可得到實時的磨削線速度，設定磨削線速度減去實際磨削線速度得到誤差信號再輸入到 PID 控制器。

圖5 磨削線速度控制框圖Fig.5 Block diagram of control of grinding linear speed

擺動系統控制框圖如圖 6 所示。PLC 通過采集到的前后限位信號來控制步進電動機的旋轉方向，進而控制絲杠直線導軌平臺的前后移動，實現磨削過程中的擺動。電動滑臺往復運動實現測試樣件沿砂輪軸線方向往復運動，保證測試樣件同砂輪之間的往復摩擦。電動滑臺行程為 50 mm，滿足往復運動空間需求。可通過控制器對步進電動機進行調速，最高速度可達 40 mm/s，滿足使用要求。往復工作臺兩端配置位置可調整的 1 對接近開關，可對往復次數進行實時計數。

圖6 擺動系統控制框圖Fig.6 Block diagram of control of swing system

4 耐磨性能影響因素分析

結合煤礦用回轉鉆頭實際作業工況，研究煤礦用回轉鉆頭耐磨性能機理，總結可能影響耐磨性能的主要因素，包括煤礦用回轉鉆頭復合片材質、進給力、磨削角度、磨削線速度、擺動速度、環境條件等[7]。

4.1 磨削夾角對磨耗性能的影響

選取相同型號的金剛石復合片鉆頭，在不同夾角下各進行 5 組試驗，取其平均值，得到不同夾角下金剛石復合片磨耗比值，如圖 7 所示。從圖 7 可以看出，夾角對磨耗比值影響較小，但夾角過大或過小對試驗工裝要求高。鉆頭整體測試時，夾角偏大或偏小容易磨削到金剛石復合片以外的部分，因此通常按照45°夾角進行測試。

圖7 不同夾角下金剛石復合片磨耗比值Fig.7 Wear loss ratio of polycrystalline diamond compact at various angle

4.2 進給力對磨耗性能的影響

選取相同型號金剛石復合片鉆頭，在不同進給力下各進行 5 組試驗，取其平均值，得到不同進給力下金剛石復合片磨耗比值，如圖 8 所示。從圖 8 可以看出，進給力對磨耗比值影響較小。但標準規定試驗中砂輪質量磨耗量應不低于 25 g，金剛石復合片磨耗量不低于 0.2 mg，進給力偏小時磨削測試時間較長，影響整體試驗效率，因此通常在較大進給力條件下進行測試。

圖8 不同進給力下金剛石復合片磨耗比值Fig.8 Wear loss ratio of polycrystalline diamond compact at various feeding force

5 結語

分析了煤礦用金剛石復合片回轉鉆頭耐磨性能測試方法，對比了恒進給量和恒進給力 2 種加載方式的優缺點，歸納了磨耗比測試理論?；跉鈩雍銐鹤詣舆M給技術、標準砂輪直徑自動檢測技術、主軸轉速變頻閉環控制技術等關鍵技術，完成了恒進給力加載試驗裝置的機械結構設計和測控系統設計。該試驗裝置便于操作，結構合理，滿足標準規定的要求。利用該試驗裝置驗證了恒進給力加載試驗方法的可行性，對耐磨性能影響因素進行了分析。