（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的锚杆钻机综合测试系统的开发.pdf

j s 塞銮通塞堂亟堂焦i 金塞虫塞擅要 中文摘要 锚杆支护技术具有速度快、成本低、安全性好等优点，受到世界各主要产煤 国家的普遍重视并竞相采用，被认为是发展高产高效采煤必不可少的配套技术， 锚杆钻机是实旌锚杆支护的关键设备随着锚杼支护技术的推广应用，煤矿大量 使用锚杆钻机，所以对于锚杆钻机的使用维修和质量控制越来越重要。但是目前 多数使用单位还没有锚杆钻机性能试验台，目前已有的锚秆钻机试验台多采用传 感器加单片机构成，测试参数少且耪度不足，不能满足生产的需要 本文根据m i 力6 8 8 1 9 9 7 煤矿用锚杆钻机通用技术条件) 中气动锚杆钻机基 本性能参数表的内容、出厂检验项目和g b 5 6 2 1 8 5 凿岩机械与气动工具性能试 验方法) ，采用虚拟仪器技术，利用i 丑w 匝w8 0 与国产数据采集卡、普通p c 机 声卡相结合，构建基于虚拟仪器的锚杆钻机综合测试系统分别对锚杆钻机七项 性能指标( 供气流量、供气压强、供气温度、马达扭矩、马达转速、马达噪声和 气缸推力) 进行测试并实现实时采集，为锚杆钻机实时故障诊断奠定了基础。 针对压缩空气的工况流量随工作压力和工作温度变化的特性，本测试系统同 时对压力和温度进行了测试，并用软件实现了温度、压力补偿，提高了锚杆钻机 耗气流量检测的精度 锚杆钻机噪声频谱是判断其性能的重要依据，本系统采用p c 机声卡采集噪 声，软件实现了频谱分析，便于钻机的实时故障诊断 实验测试与数据分析表明，本测试系统满足设计指标中的精度要求，可以完 成澳j 试任务需要，并具有较高应用价值。 关键词：气动锚杆钻机；虚拟仪器；l a b e w a sm o fb o l t i n gt c c h n 0 1 0 9 yh 娼m 姐ya d v 卸t a g c s ，s u c ha sh i g hs p e e d ，l o wc o s t 啦t yc t c ，i th 豳b c 诵d c l yu s c di nt u l m c ls u p p o r l 脚e c j a l l y 缸t h c & i do fc o a l m i n i n 吕r o o fb o l 血gt h 玎【o l o g yh 弱b c c n 璐i d e r c d 鹤o n co ft h cm o s ti m p o r t 柚t t h o l o g y 自d r 岫p 删血gt h ec 厢c i 哆r fb o l t c ri st h ck c yc q u i p m 吼tf o i r f b o l 血昏惭f hm o a n dm o 绍r o o fb 0 j t e l sa r eu s e di nt h eo o a lm i n e s ，s ot kq u a l i t y n h d i 锄dm a i n t a i nm q u i at c s ts y s t 锄t h e i s t i n gt c s tb c n c ho n i yh a v cf 音w s e n s o r sa n dw i m 叫t e df i l n d i o n s a c c l d r d 她t ot h c l 硒n a ls t a n d sm r ，r 6 8 8 1 9 9 7 柚dg b 5 6 2 l - 8 5 ，t h i sp a p c r d e v c l o p c dar 0 0 fb o l i c rt c s t i n gs y s t c mb 豳c do v 劬a li n s 衄i m c m t h es y s t c mi s d e v e l o p c db yl a b v 卫e r w 8 0w i t hu s i n gi o c a ld a t as a m p l i n gc a 耐p c i 7 4 8 3a n dp ca u d i o c a r d t h cs y s t e m 啪t 璐tt h ca ur e q u 讹ds p c c i f i c a t i o 嵋，s u c h 弱c o m p 豫s s c da i rn 0 、 f a t c ，p 碍s s u r c ，t e m p e m t u ，m o t o rt o r q u e m o t o rr o t a t i o ns p c e d ，c y i 缸d c rt h m s ta n d n o i s c0 f m o t 0 呃 m e a n w h i l e ，t h i sp a p c ra l s t i l d i c dt h cp r c d t c s tm c t l l o do ft h c m p r e s s e da i r a o w 强t c ，t h c 咖p i c s s c da 主r 丑a wn t ct 鲒t c d 硒t h 的t h 蛔p 啪t i l r ca n dp r 髂s u 啪p c n 鞠t i o n ，m u c hi m 即w c dm cp 硎s i o o ft h cc v a h l a t i o nt o 强a i rm o t o r f r c q u e n c ys p c c m m 姐a i y s i so f m o l o rn o 豇沁c 蛆b c 姐i m p o n 卸tw a yt oj u d g ca m o t o r ，sc h a m c t e r i s t i c s t h et e s ts y s t e md c v e l 叩c dh 觞af i l n c t i o nt ot c s tt h en o i s c 缸d s p c c t r u i n 卸a i y s i s ，w h i c hp m v i d e sa9 0 0 df 0 叫d a t i f o rr o o f b o i i c f 昀u b l cs h o o i i n g t h ee x p e r i m c n t a ls t i l d yf 研t h cm o fb 0 i t e rs h o w sl h a t ，t h i st c s ts y s t e mm c c t st h c e n g i i i e c i i n gr c q u 缸c m c n t s ，a dt h ec o s to ft h cs y s t e mi sv e r yl o w m p 缸e dt oi t ，s f i l n c t i o n s ，t h e 出v d o p m c n ti ss h c c c s s 如1 k e y w o r d s ：p n e u m a t i cr o o fb o l t c f ：r t u a li l l s t n l m e n t ：l a b v m w 致谢 本论文的工作是在我的导师周明连副教授的悉心指导下完成的，周明连副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来周老师对我的关心和指导 周明连教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向周老师表示势0 的谢意。 周明连教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期问，液力实验室的对我论文中的研究工作给予了 热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 由于气动技术具有灵活、防爆等一系列优点，在工业中广泛应用。气动式锚 杆钻机是气动技术在地下工程中应用的一个方面，其特点是安全、轻便、结构简 单，易于维修锚杆支护的技术机理及旄工设备被列入国家八五、九五、十五的 攻关项目，在技术比较先进的煤矿进行了试点和推广随着锚杆支护技术的推广 应用，煤矿大量使用锚杆钻机，所以对于锚杆钻机的使用维修和质量控制越来越 重要，但是目前多数单位所采用测试检修装置多采用传感器加单片机构成，测试 精度不足，且仅完成测试数据的采集，并无相应的故障分析，对故障的定位仅仅 依靠现场操作人员的实际操作经验，维修的盲目性较大，效率低，可能导致严重 影响生产。 始于2 0 世纪八十年代的虚拟仪器技术，目前在国内外航空、航天、通信、医 疗、电力、石油勘探、铁路等行业普及应用虚拟仪器是现在仪器仪表的发展方 向，它改变了仪器仪表设计的传统思路。尤其是在信号的产生、合成和分析上非 常便捷，同时在信号的时域与频域的转换上也非常方便，具有傅立叶变换、相关 分析、窗函数等许多功能模块，使得仪表的设计更加完善，为仪器仪表的设计提 供了新的思路和方法 因此采用虚拟仪器技术，利用l a w 砸w8 o 与国产数据采集卡、普通p c 机声 卡相结合，构建基于虚拟仪器的锚杆钻机综合测试系统。分别对气动锚杆钻机所 涉及的性能指标，供气流量、供气压强、供气温度、马达扭矩、马达转速、马达 噪声和气缸推力等进行测试并实现实时采集，为锚杆钻机实时故障诊断奠定了基 础。 1 1 课题研究背景 1 绪论 1 1 1锚杆支护及气动锚杆钻机 气动锚杆钻机是煤矿用巷道锚杆支护设备，在改善支护效果、降低成本、加 快成巷速度、减少辅助运输量，减轻劳动强度、提高巷道断面利用率等方面有着 十分突出的优越性【” 锚杆支护与传统的支护方式相比，在改善支护效果，降低支护成本，加快成 巷速度，减轻劳动强度，提高巷道断面利用率，简化回采用端头维护工艺等方面 其优越性十分突出，受到世界各主要产煤国家的普遍重视并竞相采用，被认为是 发展高产高效采煤必不可少的配套技术。美国、澳大利亚自七十年代发展长壁开 采以来，回采巷道就一直沿用锚秆支护，所占比例接近1 0 0 。英国从八十年代后 期开始在回采巷道中用锚杆支护取代金属支架支护，虽然起步较晚，目前锚杆支 护率也达到9 0 以上。我国也把锚秆支护作为回采巷道支护改革的主要技术途径 和发展重点直到耳前，从全国范围来看，我国回采巷道锚杆支护率仅占1 5 8 ， 与国外先进水平相比差距颇大1 2 l 【3 】【4 】。 锚杆支护的技术机理及施工设备被列入国家八五、九五、十五的攻关项目， 在技术比较先进的煤矿进行了试点和推广随着锚杆支护技术的推广应用，煤矿 大量使用锚杆钻机同，所以对于锚杆钻机的使用维修和质量控制越来越重要，但是 目前多数单位所采用测试检修装置多采用传感器加单片机构成，测试精度不足， 且仅完成测试数据的采集，并无相应的故障分析，对故障的定位仅仅依靠现场操 作人员的实际操作经验，维修的盲目性较大，效率低，可能导致严重影响生产。 因此根据m r 厂r 6 8 8 - 1 9 9 7 煤矿用锚杆钻机通用技术条件中气动锚杆钻机基本性 能参数表的内容、出厂检验项目和g b 5 6 2 1 8 5 凿岩机械与气动工具性能试验方 法，将传感器与p c 机相结合研制适合现场使用的锚杆钻机测试专家系统具有重 要的意义。 1 1 2虚拟仪器技术 所谓虚拟仪器( v i n u a li n s t m m e n t ，简称v d ，就是在以通用计算机为核心的硬件 j e 廛童道太堂亟堂僮监童 平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由软件实现的一种计算机仪 器系统。虚拟仪器是利用p c 计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板， 以及利用p c 计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，利用鹏i 接 口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的系统。 虚拟仪器技术是自动测试系统的重要组成部分。由通用的个人计算机，模块 化的功能硬件和控制软件所组成。操作人员通过友好的图形用户界面以及图形化 的编程语言来控制仪器运行，以完成数据采集、数据分析，并且显示最终的数据 结果。 虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处，就在于应用的灵活性、功能的可重构 性上。对于普通的测试设备，在测试过程中人工干预多、操作容易出错、测试的 速度和稳定性也难以保证，这些都大大影响了测试特别是生产性测试的顺利进行， 虚拟仪器技术把仪器的部分功能软件化，封装形成模块以供调用，实现了软件的 即插即用，这样用户就可以通过友好的用户界面调用不同的软件模块来实现不同 的测试功能，减少了人工干预的成分，提高了测试的速度和可靠度【6 l 。普通测试设 备还有一点不足就是需要人工记录钡4 试数据，或者通过仪器自带的软盘驱动器与 其它分析仪器交流数据，而虚拟仪器技术，测试设备得到的数据将会实时、直接 地通过计算机总线，传输到计算机的内存或硬盘，供以后分析使用。 根据实际需要，测试人员还可通过软件编程或调用l a b w ，h p 强等软 件自带的分析处理函数，实时、直接地对测试数据进行各种分析处理和数据库连 接等工作。数据库管理技术也是生产性自动澳4 试系统的重要一环，把大量的不同 种类的数据在数据库中进行保存和处理，通过网络实现数据的共享和管理，是自 动测试技术功能的一个衍生。 虚拟仪器是现在仪器仪表的发展方向，它改变了仪器仪表设计的传统思路。 尤其是在信号的产生、合成和分析上非常便捷，同时在信号的时域与频域的转换 上也非常方便，具有傅立叶变换、相关分祈、窗函数等许多功能模块，使得仪表 的设计更加完善，为仪器仅表的设计提供了新的思路和方法。 1 ，1 3l a b v i e w 开发平台 l a b v i e w 是虚拟仪器理想的编程平台之一。l a b v i e w 是实验室虚拟集成环境 ( l 丑b o m t o r yv i r t u a li n s t m m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是美国国家仪器公司 f n a t i o n a l l n s t r u m e n t s ，简称n i 公司) 的软件产品，也是目前应用最广、发展最快、 功能最强的图形化软件开发集成环境。最初的l a b v i e w 是基于苹果公司的 m a d n t o s h 微机的。后来n i 公司不断推出基于各种操作系统的l a b v i e w 版本。目前 最新版本为b b v 瑾、8 0 ，也是本系统采用的版本 h b v 正w 是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建 仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计i 丑b 、，耕与s u a lc + + s u a lb 弱i c l a b w i d a w 栅等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程 序代码，而b b 、，_ w 则是使用图形化程序设计语言g ，用方框图代替了传统的程序 代码同 l a b v 正_ w 包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开发 工具库。【a b 、砸| w 的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“” 在计算机显示屏幕上利用功能库和开发工具库来产生一个前面板( 丘d n tp 柚e d ；在 后台则利用图形化编程语言编制用于控制前面板的程序每一个都可以作为其 它的调用对象，其功能类似于文本语言的子程序。 i 丑b 删是带有可扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了用 于g p 设备控制、v 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析，显示和存储 的应用程序模块l a b 、，】e w 可调用w 血d o w s 动态链接库和用户自定义的动态链接 库。呦v 正w 的c m 节点使用户可以使用由其它语言，如a n s lc 编译的程序模块， 使ia b 、，i w 成为一个开放的开发平台。l a b 、，】西w 还直接支持动态数据交换p d e ) ， 结构化查询语言( s q l ) ，t c p 和u d p 网络协议等。此外，i a 矾r w 还提供了专门用 于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，动态执行程序来观察数据的传输 过程，以及进行方便的调试 王丑b ；w 的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯诺依曼计算机体系 结构的执行方式。传统的计算机语言( 如c ) 中的顺序执行结构在m 删中被并 行机制所代替，从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构盼数据流模式，这种 方式确保程序中的节点只有在获得它的全部数据后才能执行。也就是说，在这种 数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因 素的影响1 8 j 。 1 1 4锚杆钻机噪声的检测 钻机工作时产生强烈的噪声，有时高达1 2 0 d b ，不仅影响作业时必要的语言交 流和指挥工作，而且严重影响了工人们的身体健康。要降低气动马达的噪声，首 先应该对噪声尤其是气动马达的噪声有充分的了解。 向外辐射噪声的振动物体被称为噪声源，声源有固体的、液体的或气体的。 噪声源主要包括机械噪声、空气动力性噪声、交通运输工具噪声和社会活动噪声。 气动马达的噪声源来自前两者。 ：j b 立銮通盘堂亟堂僮监毫 空气动力性噪声是指高速气流、不稳定气流以及由于气流与物体相互作用产 生的噪声。按空气动力性噪声的产生机制和特性，又可分为喷射噪声、涡流噪声、 旋转噪声和周期性接气噪声等【9 】。 机械噪声来源于机械部件之间的交变力。这些力的传递和作用一般分为三类， 即撞击力、周期性作用力和摩擦力。本论文研究中使用的气动马达主要包括齿轮 转子、轴承、轴承座和马达底板。因此在这里要研究是主要是齿轮噪声和轴承噪 声i l o 】1 1 1 】。 锚杆支护中的动力设备所用气动马达是齿轮式气动马达，约1 0 k w 的空气压缩 机释放出压缩空气，压力在0 4 o 6 正阮之间。气动马达工作时，高压气体进入马 达。推动齿轮旋转，产生扭矩做功，然后排放至大气中。在这过程中，高压气 体在马达的工作腔中有多次压力突变，从而使体积突变产生气流噪声，同时诱发 机械噪声。气体从排气口高速排入大气中。在排气口由于高压气体的排出，对周 围空气有卷吸作用，从而在排气口附近与空气急剧混合，引起强烈的湍流运动。 同时瞬时压力和流速发生随机起伏脉动，从而以声波的形式辐射噪声i 埘。 1 2 系统的国内外发展状况 1 2 。1锚杆钻机现况 锚杆钻机就是能在隧道中方便地向各方向钻很深的孔( 隧道一般为3 5 米， 钻孔最深需要2 0 米) ，搅拌锚固剂，安装锚杆( 锚索) 的设备。由于隧道内空间 狭小，目前大量采用单体式锚杆钻机，即用马达提供钻孔的扭矩，缸来提供钻孔 所需的推力。按动力不同分为液压式、电动式、气动式。 f 1 ) 液压锚杆钻机 液压锚杆钻机由随机器配备的泵站提供动力，液压马达提供钻孔扭矩，液压 缸提供推力实现钻孑l 。其优点是工作压力高、扭矩大、动力系统独立，噪声小。 但其缺点是液压系统容易发热、存在背压、机器重量较大等问题。同时由于以矿 物油为工作介质，在煤矿井下使用中存在着火的安全隐患。液压锚杆钻机的进一 步发展方向是使用乳化液类介质，研制适合粘度很低的乳化液使用的液压马达和 控制元件，液压锚杆钻机目前在美国使用较多，是锚杆钻机的发展方向。 ( 2 ) 电动锚杆钻机 电动锚杆钻机直接用防爆电动机提供钻孔扭矩，效率较高。但是电动锚杆钻 机的扭矩输出特性和岩石钻进工艺不匹配，同时推力需使用液压缸，还需一套液 4 压系统，所以动力不单一，没有优势。 ( 3 ) 气动锚杆钻机 气动锚杆钻机是使用压缩空气为动力，常用的锚杆钻机气动系统原理图如图 1 3 ，当打开气缸换向阀3 ，气缸伸出；当关闭阀3 ，气缸中压缩气通过快速排气 阀排出，气缸缩回。当打开马达控制阎6 ，压缩空气通过净化器1 、注油器2 后进 入马达，通过减速箱驱动输出轴旋转 图1 1 锚杆钻机气动系统 f 培】1 陆u m a 雠s y s t e mo f r f b o i t c f 图中：1 一净化器2 一注油器3 一气缸换向阀4 一快速捧气阀5 一多级气缸 6 一马达换向阔7 一气动马达8 一消声器 图1 2 几种气动式锚杆钻机 f i g 1 2 s o i n e p 船唧a c r o o f b o l l c r s 气动锚杆钻机有许多优点，一是简单、方便。气动钻机所用的工作介质是空 气，没有供应上的困难。如果密封不良而泄漏，空气可直接进入大气中而不会造 成污染，并且压缩空气使用后直接排到大气，不采用回气管道，简化了系统，消 | e 豆銮塑盔堂亟堂僮监塞 除了发热、背压等问题。二是安全、可靠。可以在高温、震动、腐蚀、易爆等恶 劣环境中工作，不会发生危险，而且经得起长期使用的考验，本身具有过载保护 功能。三是维修的方便性。气动钻机解体后没有污染阿题，液压钻机解体后会流 失很多液压油。另外国内煤矿都已有地面压缩机站，用来将压缩空气送到井下为 凿岩机使用，所以用气动锚杆钻机在国内锚杆支护，具有较大的优势。因此气动 式锚杆钻机目前仍是国内煤矿的主力机型。 1 2 2虚拟仪器技术现况 始于2 0 世纪八十年代的虚拟仪器技术，目前在国内外航空、航天、通信、医 疗、电力、石油勘探、铁路等行业普及应用。国外已研究成功了测试软件的开发 工具测试软件自动生成系统，极大地简化自动测试系统软件的编制，尤其是对 各种程控仪器驱动程序的编制，如n i 公司的b b v m w 、m w i n d o w s ，h p 公司的 h p 三e ，t c k 胁n i 】【公司的e 玉t e s t 和t c k t m s 及w h v e t e k 公司的w 如e t e s t 等。 这些软件均提供仪器程序库，或仪器指令库。使用者利用上述软件并在仪器软件面 板上选择适当功能及所需测试内容，就能自动生成其最终代码。 以i j a b w 为例，据2 0 0 2 市场调查数据显示，在美国的测试、测量市场， i _ 丑b v 堪w 就占4 2 9 的份额。最新统计显示，全球有超过2 5 0 0 0 的客户在使用n i 的产品，其中不乏国际知名的大公司，像n o k i a 、s i e m e 璐、t e k 仃0 n i x 等等。在世 界财富5 0 0 强中的制造业厂商，也有9 5 都是n i 的客户。此外，虚拟仪器的其他 主要生产厂家包括h p 公司、t e k r o n i 】【公司等，前者日前生产1 0 0 多种型号的虚拟 仪器，后者则生产约8 0 多种型号。虚拟仪器在发达国家中设计、生产、使用已经 十分普及。在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言，己作为各大学理工科学生 的一门必修课程。目前，数千家大型的公司已经开始使用虚拟仪器技术。仅在生 产检测中，像k x m a r k 、m o t o m l a d e l p h i 、a b b 和p h i l l i p s 这些行业领导者已在 关键性项目、大规模产品检测应用中使用虚拟仪器技术的硬件和软件。而在工业 领域，虚拟仪器技术已被用于自动化石油钻探和提炼，生产中的机器控制，甚至 是核反应堆的控制。 我国虚拟仪器的设计、生产和使用也逐渐起步，国内许多高校、研究所也陆 续开展了虚拟仪器实验研究，如重庆大学虚拟仪器研究中心开发研制的噪声振动 测试分析仪，东方振动和噪声技术研究所研制的噪声测试分析仪、声强测试频谱 分析仪都已经投入市场，目前国内有十几家企业在研制p c 虚拟仪器，上百种系列 实用产品已面市。据专家预测到2 0 1 0 年我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器。 1 2 3在线监测系统现况 国内一些单位也相继开发了锚杆钻机实验台，如南京华煤采掘机械有限公司 锚杆钻机测试台、江阴市矿山器材厂的m z c 3 锚杆钻机测试装置、煤炭科学研究 院南京研究所m q s 3 0 0 型锚杆钻机试验台基本上都是以传感器加单片机组成采 集系统，体积庞大，出现问题必须返还厂家，维修价格昂贵，测试功能单一，系 统程序固化，无法适应产品更新，且多为单纯的采集显示、打印，并无数据分析， 故障诊断功能 图l - 3 几种国内锚杆钻机测试平台 f i g 1 3s o m e r s 血g b c n c h f o r p 酩u f m l i c r f b ( d 蛔s 1 3本文研究工作 本课题是在虚拟仪器的基础上，利用n i 公司的l a b v 匝w 与国产数据采集卡 p c i 7 4 8 3 和普通p c 机声卡相结合，对气动锚杆钻机的七项参数：压力、温度、扭 矩、转速、推力、流量及噪声进行实时数据采集和存储。 本文根据h f i 厂r 6 8 8 1 9 9 r 7 煤矿用锚杆钻机通用技术条件和g b 5 6 2 1 8 5 凿 岩机械与气动工具性能试验方法中的检测参数和要求，具体做了如下工作： 1 、利用p c i 7 4 8 3 完成数据采集、存储的软件编制和硬件调试。 2 、利用普通p c 机声卡完成噪声实时采集。 3 、进行采集系统的标定及其误差分析。 7 4 、采集数据处理及分析性能。 1 4 本章小结 本章介绍了“气动锚杆钻机监测系统”的开发背景，气动锚杆钻机、虚拟仪 器技术及l a b v 匝w 国内外发展状况，最后给出了本论文所做的主要工作。 圆达丕绮区堡皇结盟速让 2 测试系统原理与结构设计 2 1 系统测试的目的和方法 气动锚杆钻机的性能检测主要通过锚杆钻机实验台来完成，根据 n 娜j 8 1 9 9 7 煤矿用锚杆钻机通用技术条件中气动锚杆钻机基本性能参数 表的内容、出厂检验项目和g b 5 6 2 1 - 8 5 凿岩机械与气动工具性能试验方法， 检测装置需完成下述表格中所有参数的采集，才能实现对锚杆钻机性能指标的 检验。 袭2 1 实验台性能参数 t a b 2 1p c r f o 咖a 被p a 疆m c t c fo f e x p e r 妇e n t a lb c h 项目量程精度 扭矩5 0 0 n mo 2 转速 2 0 0 m 心m o 0 5 支腿推力1 0 l d 呵o 1 流量 l 加1 3 ，n i 函晒 压力1 5 胁n 5 噪声 2 0 k 0 1 2 1 1气体流量测试 气体的可压缩性决定流量测量比液体复杂，仪表的输出信号除了与输入信号 有关，还与气体密度有关，而气体的密度又是温度和压力( 简称温压) 的函数。 所以，气体的流量测量普遍存在温压补偿问题，对于流量的测试必须完成流量、 压力和温度的采集【1 4 】【明。 流量传感器采用l i g q 一8 0 涡轮传感器，输出脉冲信号。 瞬时流量( 1 仙) = 单位时间内脉冲密度) ( 3 6 0 0 流量系数1 0 0 0 ( 3 1 ) 其中流量系数出厂为6 2 6 4 6 3 肌，密度由后面的数学模型给出。 温度传感器选用测量精度高、线性度好、抗干扰能力强的二端式集成温度传感 器a d 5 9 0 迸行温度信号的检测。 压力传感器应变式压力传感器j y b y 0 n a ，输出信号为4 2 0 m a 电流信号， 9 j e 夏銮道太主亟堂焦j 金塞 精度：0 5 f s ，线性度o 1 f s ，转换为0 5 v 电压信号进行采集。 本系统采用的温压补偿的数学模型如下： ”置等 ( 3 - 2 ) q 被测气体在工作状态下的体积流量 d _ 被测气体在工作状态下的密度 口一差压 k 系数；它包含流量系数、膨胀系数、管道孔径等参数。系统采用实验 值。 在实际使用中，仪表的标尺是以标准状态下的流量吼为刻度。根据管道内气 体流量满足连续性方程 鼋。p 。q pp 式中，带下标“n ”的参数为标准状态下的值。由此可得到流量在两种状态( 标 准状态和工作状态) 下的转换式： ”寺吁 ( 3 - 4 ) 将式( 3 2 ) 代入式( 3 - 4 ) 得： ”鲁面 而仪表的刻度是按设计工况设置的，即： = 筹厕 仔回 式( 3 5 ) 、式( 3 6 ) 相除即可得到当工况偏离设计值时密度的补偿公式： q 。= 式中，带下标“s ”的参数为设计值。 f 、责吼s ( 3 7 ) 再由气体状态方程导出的在不同状态下气体的密度转换式： p 银器 仔 便可得到通常使用的温压补偿公式： 1 0 口 高 利用上述公式可将流量计测得的转速换算为标准状态下的流量。l a b v 峦w 提 供的数据计算、处理及存储功能使这一过程速度大为提高，并且提高了运算精度。 目前实验台多采用固定系数补偿方式，即限定工作条件下对系统测试数据进 行补偿，而采用本系统，可以借助p c 机的强大功能很容易实现全补偿式流量测试， 使系统在更大范围内获得耪确的测试数据 2 1 2噪声信号测试 2 1 。2 1 噪声的评价指标【1 明m 1 考虑声压在理想气体介质中传播的情况。假设没有声波传播时的介质处于平 衡状态压力为p 0 ，声在气体介质中以疏密波的形式进行传播。因此声场中每一点的 压力都在平衡压力p 止叠加一个瞬息变化的微小压力，叫做声压，单位是帕( p a ) 。 声压瞬时值记作p ( 1 ) ，假定讨论的是纯音，就是由单一频率组成的声音，则其声压 瞬时值可用余弦函数表述： 。 p g ) 一j ，一c o s ( n ，f + 口)( 3 1 0 ) 式中，p m 为幅值，即最大值，为圆频率，- 2 石， 声压的平均值为 1 r 名= 考p o 皿 ( 3 1 1 ) 1 勺 对纯音来说，其平均值为零声音的强弱是由声压的有效值决定的。有效值 就是均方根值，记作f k ，对周期函数有 = 3 1 2 ) 对纯音来说，有效值f 乙阜。通常所说的声压，指的是声压的均方根值。对 2 正常人的耳朵来说，刚刚能听到的最轻微的声音的声压是2 1 0 - 5 p a ，所以2 1 0 - 5 p a 这个值被称为人耳的听阈，也叫基准声压，用p 0 表示。有疼痛感觉的声音的声压 是2 0 p a ，2 0p a 这个值被称为人耳的痛阈，也叫极限声压，用p m 。表示。一般人耳能 听到的声音的声压值大于基准声压两小于极限声压。 p m 。( 2 0 p a ) 比p o ( 2 1 0 - p a ) 大得多，是p o 的1 0 0 万倍。由此可见，人耳对声音的 感觉范围是相当宽广的。 j e 夏窑垣盔堂亟堂僮监塞 声功率是声源以空气声的形式辐射的功率，基准声功率为1 1 0 1 2 w ，极限声 功率为1 w 。声功率不能直接测量，只能根据声压和测量面等间接测量。研究噪声 声功率，需要知道其声压，然后通过程序得到其向外辐射的总的声能量。 声压级及声功率级概念：从刚能听得出的声压到人耳可能接触到的最大声压， 数值相差1 0 0 0 0 亿倍，即1 0 1 2 倍以上。在这样广阔的数值范围内描述其大小极不方 便。所以声学中用声级来描述声音的强弱。声级包括声压级和声功率级等。这是 一种无量纲的对数值，对数能压缩数值范围。 声压级的定义为 0 2 2 0 l g ( 3 1 3 ) 式中，p 为被测声压( p a ) ，k 为参考电压。 大量统计数据表明，听觉正常的年青人能听得出的最低声压在2 o 1 0 。5 即2 0 l l p a 左右。因此将这一声压定为参考声压，即。 以= 2 0 1 0 。砌( 3 1 4 ) 声功率级定义成与声压级定义类似的形式： 岛= 1 0 l g 争 ( 3 - 1 5 ) 式中，w 为被测声源声功率，w 。为参考声功率，w 。= 1 0 1 2 w 。 噪声频率谱的概念：若是被测信号为纯音，纯音就是只包含一种频率的声音， 以频率伪横坐标，p m 为纵坐标，则纯音可用一条对应为频率f 的纵线来表示。 如果被测信号不是纯音，而是周期的，周期为t ，则声压为周期函数，记作p “t ) ， 按照傅立叶级数展开为一系列频率互成整数倍的余弦函数之和： 所( f ) = 等+ 瓴c o s 知石缸+ 吃s i n 肛幼厅) ( 3 1 6 ) 上式可进一步写成： 删2 鲁+ 薹4 舞c o s 獗肛鲁咖劢哪) p ，乃 式中：4 = n ：+ 彰 因此有：所o ) = 等+ 4 c 。s ( 知万缸一色) ( 3 - 1 8 ) 式中每一项都代表一个纯音，第一项的频率为o ，幅值为导就是所( f ) 在一个 周期t 内的时间平均值。以后各项频率为晚，幅值为4 ，相角为或。反应在己一， 图上就是一组纵线，相临纵线之间的频率间隔相等，都等于，n 。n = 1 所对应的频 率五一五，为基频；打，1 所对应的，矾为谐频这样的图就是频谱图，频谱上 相互分隔的纵线叫谱线，因为相互分隔，所以称为离散谱，如果谱线的频率间隔 越来越小，谱线越来越密，就成为连续谱。噪声的频谱都是连续谱。 当声压p ( f ) 根本不是周期函数对，频谱均为连续谱： p ( 厂) = r p ( f 一缸五出( 3 1 9 ) 由于许多声学的性质，如吸声、厢声、绕射、衰减、阻尼等都与频率大小有 关，所以噪声控制工程中分析声音的频谱是一件十分重要的工作，常用频带表示 噪声的频谱，对每一个频带设置一个带通滤波器，以便测定每个频带的声压值。 频谱因其带宽的划分方法不同可分为： 1 ) 倍频程( 也称为1 ，1 倍频程) ； 2 ) 1 ，3 倍频程； 3 ) 等百分比带宽； 4 ) 等带宽； 对于同样的噪声，用不同的分析方法得出的频谱不同带宽分的越细，则频 谱分析越精细，但所需的设备要求越高，且越昂贵，所费的时间也越多。噪声控 制工程中最常用的是倍频程和1 届倍频程分析。本文主要用到倍频程，其他频程 介绍在各种参考中均有详细介绍 倍频程频带的划分原则是每个频带的上限截止频率为下限截止频率的2 倍。 中心频率为上、下限截止频率乘积的平方根所以。若设： ，2 = 2 五下限截止频率；五上限截止频率； 厶= 五厶兀一中心频率： k ，厶一五，五屯一带宽，即上、下限截止频率之差； 下一个倍频带的下限截止频率就是上一个倍频带的上限截止频率。因此，两 个相邻的倍频程频带上、下限截止频率、中心频率和带宽之间均相差一倍。 在可闻的频率范围内，各个倍频程、倍频带的中心频率为3 1 5 、6 3 、1 2 5 、2 5 0 、 5 0 0 、1 k 、2 k ，4 k 、8 k 和1 6 k ( h z ) ，这是国际化标准化组织i s o 的规定。 2 1 3扭矩、转速信号测试 转矩传感器现在使用最为普遍的是电阻应变式转矩传感器和磁电式转矩传感 器。磁电式转矩仪在使用时，必须断开轴系，使传感器介入整个传动系统中，作 为整个轴系的一个部分。另外转矩传感器的安装必须严格对中，使轴系的中心和 j e 豆銮堡盍堂亟堂僮逾室 传感器弹性轴中心线重合，否则将使传感器弹性轴发生弯曲，产生附加误差。这 些都给实际工况测量转矩带来很大不便。电阻应变式转矩测量法，是在整个传动 系统轴系的适当部位粘贴4 片应变片，按惠斯登电桥的全桥方式连接而成，则成 为传感器。这种测量法的优点是： a 具有良好的温度补偿性能； b 由于测得的是在扭矩作用下转轴表面的主应变。 医此这种方法能够消除弯曲应力、轴向应力的影响。 转速是旋转物体的转数与时间之比的物理量，是描述各种旋钻机械运转技术 性能的一个重要参量。在计量学里，转速属于导出单位，其物理含义为旋转物体 在单位时间内转过的转数。工程中用它来描述动力机械的运动特性【矧。 转速和频率有共同的量纲都是单位时间内某一量值( 脉冲个数、转数) 出现 的次数，从理论上讲，转速值可以直接和频率值进行比对。测时计数是转速计量 的基本方法。 转速传感器依据测量方式可分为接触式和非接触式两大类，转速表依据工作 原理和采样方式可分为机械式、光电式、激光式、频闪式和磁电式等。 对光电式传感器，目前使用的检测装置有两种 ( 1 ) 采用转速标准装置，将定向反射纸贴于装置的测速盘上，由转速标准装置 通过测速盘输出标准转速进行检测。 ( 2 ) 采用脉冲光源测速装置来检测光电式转速表。这类检测设备通常由频率信 号发生器频率计数计及一个发光二极管组成。 扭矩传感器与转速传感器采用航天科技集团7 0 1 研究所的a k c 2 1 5 动态扭矩 转速传感器，利用应变计粘帖工艺技术优势，结合现代化电子技术，实现非接触 电源供电与信号输出，无集流环，无电刷，运转无磨擦，适合于连续、高速测量 使用。 频率信号输出为o 5 vt t l 电平方波信号，扭矩频率输出的范围为5 2 0 k ( i z ) ，转速频率的输出范围为0 5 k m z ) 。 由于转速，扭矩均为频率信号，采用p c i 7 4 8 3 板卡上自带的定时计数器8 2 5 3 迸彳亍测量。 1 4 蚓黼| l 刊c 。紧r | r d + r e a d ，b i 莨 w r r 陋 u 刊肾r | 0 _ s止 1 叫 l o g i c 寸 嚣 3 c o n t r o ll w 0 只d 几 爿磐朗1 r e g i s 眶r 广 l i 、 图2 - 18 2 5 3 硬件结构图 f 皓2 1 1 8 2 钌琢t f d m 鼬- c n i r e 8 2 5 3 内部有3 个相同的1 6 位计数器分为六种工作方式： 1 方式咐数结束产生中断) 在这种方式下，计数器对c 输入信号进行减法计数，每一个时钟周期计数器 减1 。 2 方式1 何编程单稳) 当计数值装入计数器后，要由门控信号g 缸e 上升沿开始启动计数。 3 方式2 ( 频率发生器) 在该方式下，计数器装入初值，开始工作后，计数器的输出o u t 将连续输出一 个时钟周期宽的负脉冲。 4 方式3 ( 方波发生器) 在这种方式下，可以从o u t 得到对称的方波输出。 5 方式4 ( 软件触发选通) 设置此方式后，输出o u t 立即变为高电平，一旦装入计数值，计数立即开始。 6 方式5 ( 硬件触发选通) 设置此方式后，o u t 输出为高电平。g a r e 的上升沿使计数开始。当计数结 束时由输出端o u t 送出一宽度为一个时钟周期的负脉冲。此方式下，g j 旺电平 j b 塞銮道太堂亟主堂僮：i 金塞 的高低不影响计数，计数由g a t e 的上升沿启动。若在计数结束前，又出现g a t e 上升沿，则计数从头开始【加】。 本系统采用的是方式4 软件触发选通，设置此方式后，输出o i ，r 立即变为高 电平。一旦装入计数值，计数立即开始。具体时序图如图2 2 所示： nnij玉uujuuuuuduu 剧 4321 o 1 一 li 4 l4 32o j! ii； fi 图 2 8 2 5 3 工作方式4 时序图 f i g 2 - 2s e q u t 叫m 止e dg r a p ho f o p e r a t em o d ei o8 2 5 3 2 1 4推力信号测试 测力方法基本上分为两大类： a 利用功能材料的换能特性，如压电或磁弹性效应来测量力； b 通过钡9 量位移或应变间接测量力。 其中最常用的是电阻应交片、电感传感器和电容传感器。功能材料型力传感 器具有高的刚度，电容和电感传感器具有较高的灵敏度但它们的处理电路都比较 复杂。 本系统采用的b k l 型力传感器根据电阻应变原理把力矩产生的应变转换成 与其线性关系的电信号。 2 2 测试系统的组成 直接将锚杆钻机放在实验台上，头部和实验台的驱动六方杆连接，尾部顶上 测力传感器的传力头，并接通锚杆机的气源，拧动推力缸的开关，测力传感器将 把推力转化为信号传入数据采集卡，移动测力尾架的位置，可测出各级缸的推力； 使锚杆钻机旋转，并踩下制动器杠杆，就能通过j n 3 3 8 型数字转矩转速传感器测 出钻机的转速和扭矩；通过拧动泄气阀改变气源流量和气压，由l w g q 5 0 气体涡 轮流量传感器和b p 8 0 0 压力变送器测量流量、气压。并利用p c 机自带的声卡进 行噪声测量 图2 - 3 测试系统组成结构图 f 嘻2 - 3c o 哪眺i t i o no f t e s t m g 勖啦m 2 。2 1 锚杆钻机实验台 锚杆钻机实验台由以下几部分组成：台架、扭矩一转速测试系统、推力测试 系统、加载系统、供气测试系统。 实验台台架长4 6 米，上面固定有制动器，扭矩传感器，被测锚杆钻机，托架， 制动踏板及推力传感器，通过实验台的六方轴和钻机的六方孔配合实现驱动。 扭矩一转速测试系统主要有转矩传感器、制动器和制动杠杆系统组成。当 锚杆钻机旋转时，踩下制动杠杆，可以测试转矩和转速的数值。 推力测试系统主要包括推力传感器。推力传感器被固定在一个可沿台架的主 梁自由移动的滑块上，该滑块可以固定在主梁的不同位置，这样可以满足各种锚 杆钻机的各级缸的推力澳0 试要求。 韭塞交道太堂亟堂焦监塞 图2 4 锚杆钻机实验台结构 f i g 2 _ 4s t m c t u 砖o f 协t i n gb e n c b f o r r o o f b o l t e f l 一支腿2 一主梁3 一制动器4 一扭矩传感器5 一被测锚杆钻机 6 一托架7 一制动踏板8 一推力传感器 图2 5 锚杆钻机实验台 f j g 2 5 仇d n g b e n c h o f r o o f b o l i e r 2 - 2 2数据采集卡p c i 7 4 8 3 p c i 7 4 8 3 板是为p c 机设计的一种多功能w i 接口板。板上有1 2 位1 6 路a d 输入信号、4 路8 位独立功a 输出信号、3 2 路开关量输入输出信号、3 路定时光 隔脉冲记数信号。本板适用于各种工业现场的数据测量及控制。符合p c i + 5 v 总线 标准，以中断或查询方式工作，占用连续1 6 个i 0 物理地址。 图躺p c l 7 镌3 板卡 啦拍唧7 鹌3 c a i d 加转换芯片采用高性能的a d l 6 7 4 芯片，板上带有硬件增益放大。d ，a 选用 4 片0 8 3 2 芯片，开关量输入选用l s 2 4 5 ，输出选用l s 2 7 3 ，定时计数用8 2 c 5 3 芯 片。模拟量输入模拟量输出及脉冲信号由x s l ”芯d 型孔