CN110646178A - 一种全自动钻架多功能试验台 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿用支护设备试验的技术领域，具体是一种全自动钻架多功能试验台。解决了全自动钻架整体性能的全面测试的问题，包括钻机固定台架、被试钻架和试块固定架，被试钻架与钻机固定台架之间通过销轴连接，钻机固定台架与试验台面之间通过胀锚螺栓固定，被试钻架设置在试块固定架内侧，试块固定架为桁架结构，试块固定架上设置有用于模拟巷道顶板的顶部试块以及用于模拟巷道侧邦的中部试块。本发明在矿用支护设备测试的技术领域实现了锚杆钻架的整体试验，目前仅有钻架操作阀组等部件试验台，没有钻架整体性能试验台，能够有效检测钻架的服役特性和设计可靠性。

Description

一种全自动钻架多功能试验台

技术领域

本发明属于矿用支护设备试验的技术领域，具体是一种全自动钻架多功能试验台。

背景技术

随着矿用支护设备向着自动化智能化方向发展,一种矿用全自动锚杆钻架完成了设计、制造，检索发现，目前，仅有机械式锚杆钻架操作阀组试验台，没有锚杆钻架试验台，机械式锚杆钻架操作阀组试验台仅能做操作阀组试验，不能完成钻架整体性能试验，而且不具备打钻试验功能。目前，钻架未经过整体性能试验，直接装配在锚杆钻车上，钻架故障与锚杆钻车其他部件的故障发生耦合，给钻车调试造成困难。

全自动锚杆钻架多功能试验台实现了钻架顶锚试验、侧锚试验、钻架模态测试与分析、钻杆扭矩无线测试、锚钻性能参数的在线检测和人机交互及冷却系统的集成，能够完整全面的试验全自动钻架的性能。

发明内容

本发明为了解决全自动钻架整体性能的全面测试的问题，提供一种全自动钻架多功能试验台

本发明采取以下技术方案：一种全自动钻架多功能试验台，包括钻机固定台架、被试钻架和试块固定架，被试钻架与钻机固定台架之间通过销轴连接，钻机固定台架与试验台面之间通过胀锚螺栓固定，被试钻架设置在试块固定架内侧，试块固定架为桁架结构，试块固定架上设置有用于模拟巷道顶板的顶部试块以及用于模拟巷道侧邦的中部试块。

进一步的，钻机固定台架包括侧移油缸、下连杆、升降油缸、上连杆、摆动架、摆动油缸、滑动固定架、钢轮和固定底座，钢轮装配在固定底座上，固定底座上设置有与其通过移动副连接的滑动固定架，滑动固定架沿固定底座上的导向压板移动，滑动固定架一侧连接侧移油缸的活塞杆端，侧移油缸的缸筒与固定底座铰接，滑动固定架上安装摆动架，摆动架通过两侧连接的摆动油缸驱动，摆动架上安装与被试钻架连接的下连杆和上连杆，摆动架底部设置有与被试钻架铰接的升降油缸。

进一步的，滑动固定架包括滑动架体，滑动架体下部设置与侧移油缸活塞杆铰接的侧移油缸铰接销轴，滑动架体上还设置有与摆动油缸的缸筒铰接的摆动油缸铰接销轴，滑动架体顶部设置铜套。

进一步的，摆动架包括摆动固定架，摆动固定架顶部设置有连接轴，连接轴穿过铜套，连接轴端部设置有凸轮机构，凸轮机构两侧设置有与摆动油缸连接的摆动油缸铰接销轴，摆动固定架底部设置有与升降油缸的缸筒铰接的升降油缸铰接销轴，摆动固定架中部设置用于与下连杆铰接的下连杆铰接销轴以及用于与上连杆铰接的上连杆铰接耳。

进一步的，固定底座包括固定平台，固定平台为整个固定底座的骨架，固定平台上设置有与侧移油缸的缸筒铰接的侧移油缸耳座，固定平台上设置导向压板，导向压板包括两块并排设置的压板，每块压板上设置滑动轨道凹槽，压板固定在平台上，与滑动固定架构成移动副。

进一步的，下连杆为焊接件，下连杆两端为铰接孔，中间为连接筋板；所述的上连杆一端设置钻架铰接销轴，另一端连杆试验台架铰接销轴，上连杆中间设置上连杆筋板。

进一步的，被试钻架上设置有钻架升降油缸铰接销轴、连杆耳座和下连杆铰接销轴，被试钻架通过钻架升降油缸铰接销轴与升降油缸活塞杆铰接，通过上连杆耳座、下连杆铰接销轴分别与上连杆、下连杆铰接，被试钻架与摆动架构成平行四边形机构。

进一步的，试块固定架包括试块固定架、中部试块、顶部试块和试块固定机构，试块固定架为由型钢拼焊组成的阶梯型桁架结构，顶部试块固定在试块固定架顶部，中部试块固定在试块固定架中部，顶部试块的外表面装配了试块护板，试块护板通过试块固定机构将顶部试块固定在试块固定架的顶部，试块固定机构包括与试块固定架连接的螺旋扣、与顶部试块连接的压制钢丝绳锁具及用于连接螺旋扣和压制钢丝绳锁具的钢丝绳组成；中部试块通过螺栓安装块、限位块和试块固定螺栓固定在试块固定架3的中部平台上。

进一步的，还包括液压参数测试系统和钻杆扭矩无线测试系统。

液压参数测试系统包括布置在自动钻架泵站的出口处的一组压力传感器和流量传感器，布置在钻箱马达的进口以及出口处的另一组压力传感器和流量传感器以及布置在机械手油缸、夹钳油缸、进给油缸处的压力传感器，压力传感器和流量传感器将采集的压力和流量信号转换为电信号传输给电荷放大器，电荷放大器将电信号调理、放大后传输给压力、流量信号采集仪。

钻杆扭矩无线测试系统包括应变桥路、无线扭矩采集模块、无线信号发射机、无线信号接收机和工控机，应变桥路用来采集钻杆打钻过程的应力和应变信号，并通过计算获得钻杆扭矩值，钻杆扭矩值信号通过无线信号发射机和无线信号接收机传输给工况机。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明在矿用支护设备测试的技术领域实现了锚杆钻架的整体试验，检索发现，目前仅有钻架操作阀组等部件试验台，没有钻架整体性能试验台，一种全自动钻架综合系能试验台实现了钻架顶锚、侧锚等不同位姿下的打钻试验功能，能够有效检测钻架的服役特性和设计可靠性。

2.一种全自动钻架多功能试验台用于测试全自动锚杆钻架，与传动的机械式锚杆钻架相比，全自动钻架集机械、电气、液压、控制等技术于一体，实现了拾取锚杆、钻孔、装药、安装锚杆和紧固锚杆的全自动控制，部件繁多且相对运动复杂，自动化、智能化程度要求高。因此十分有必要开发先进的试验平台，预先进行关键技术攻关，并通过大量试验完成全自动锚杆钻架的优化。

3.一种全自动钻架多功能试验台配置了钻杆扭矩无线测试系统，实现了打钻过程钻杆扭矩的在线监测和实时采集，为钻箱马达的设计和性能优化提供数据支持。

4.一种全自动钻架综合性能试验台采用可视化控制站,作为试验台人机交互的接口，通过现场总线支持一个或多个模块的控制，既可以执行操作人员指令，还可以实时动态反馈系统状态，具有数据记录、查询、分析、诊断、预警、动作演示等功能。

5.一种全自动钻架综合性能试验台的冷却系统采用水冷却和空调制冷两种方式,水冷却系统结构简洁、操作方便，直接利用车间水源、冷却效果好，而且设计了集水装置、过滤装置，实现水资源的循环利用。空调制冷的优势在于温度可控，通过调节制冷空调温度，能够获得要求的低温效果，便于研究钻架在不同温度条件下的锚钻特性。

7.一种全自动钻架综合性能试验台配置了压力传感器、流量传感器，用来监测和采集液压泵、钻箱马达、夹钳油缸等液压元件的压力、流量，通过可视化控制站，实现了液压元件的压力、流量的实时显示和人机交互功能。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为钻机固定台架示意图；

图3为固定底座示意图；

图4为滑动固定架示意图；

图5为摆动架示意图；

图6为钢轮组件示意图；

图7为下连杆示意图；

图8为上连杆示意图；

图9为被试钻架的装配部位示意图；

图10为被试钻架示意图；

图11为全自动钻架与摆动架装配关系示意图；

图12为锚钻试块固定台架示意图；

图13为锚钻试块装配关系示意图；

图14为台架固定、移动方式示意图；

图15为液压参数测试系统；

图16为温升测试系统；

图17为无线扭矩测试系统；

图中：1-钻机固定架， 2-被试钻架，3-试块固定架，4-侧移油缸，5-下连杆，6-升降油缸，7-上连杆，8-摆动架，9-摆动油缸，10-滑动固定架，11-钢轮组件，12-固定底座，13-导向压板，14-固定平台，15-侧移油缸耳座，16-侧移油缸铰接销轴，17-摆动油缸铰接销轴，18-滑动架体，19-铜套，20-升降油缸铰接销轴，21-下连杆铰接销轴，22-摆动固定架，23-上连杆铰接耳座， 24-摆动油缸铰接销轴，25-凸轮机构，26-连接轴，27-钢轮，28-销轴，29-挡销板，30-钢轮支架，31-螺柱，32-连杆钻架铰接销轴，33-上连杆筋板，34-连杆试验台架铰接销轴，35-嵌入式控制系统，36-钻架框架，37-锚钻机构，38-钻架升降油缸铰接销轴，39-钻架上连杆耳座，40-钻架下连杆铰接销轴，41-控制阀组，42-锚箱，43-钻箱，44-钻杆，45-进给机构，46-机械手，47-夹钳机构，48-摆动架，49-被试钻架，50-试块固定架，51-中部试块，52-螺旋扣，53-顶部试块，54-压制钢丝绳索具，55-顶部试块，56-试块护板，57-顶部试块固定机构，58-中部试块，59-螺栓安装块，60-限位块，61-试块固定螺栓，62-胀锚螺栓，63-钢轮组件，64-固定底座。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，实施方式是用来说明本发明的，而不是对其做任何限制。

如图1所示一种全自动钻架综合性能试验台由钻机固定台架1，被试钻架2，试块固定架3组成。被试钻架2与钻机固定台架1之间通过销轴连接，连接方式见图11，钻机固定台架1与试验台面之间通过胀锚螺栓固定，连接方式见图14。钻机固定台架1设计了行走钢轮，便于移动。试块固定架3为桁架结构，用于固定顶部试块、中部试块，顶部试块用于模拟巷道顶板，中部试块用于模拟巷道侧邦。见图12，试块固定架3与试验台面之间通过胀锚螺栓固定。

如图2所示钻机固定台架1由侧移油缸4、下连杆5、升降油缸6、上连杆7、摆动架8、摆动油缸9、滑动固定架10、钢轮11、固定底座12组成，钢轮装配在固定底座上，实现底座的移动功能，滑动固定架10与固定底座12之间通过移动副连接，侧移油缸4的缸筒与固定底座12铰接，活塞杆与滑动固定架10铰接，侧移油缸4的活塞杆伸缩运动带动滑动固定架10在固定架上移动，实现侧移换位。通过胀锚螺栓将底座固定在试验台面上，见图14。当在顶板上完成一个钻孔后，操作侧移油缸，推动滑动固定架移动到下一个钻孔试验位置，

侧移油缸4通过平衡阀将滑动固定架10锁止在钻孔位置上，当完成一排钻孔试验后，松开胀锚螺栓，通过钢轮11移动钻机固定台架1及被试钻架2到达新的锚钻试验位置。

如图3所示固定底座12由导向压板13，固定平台14，侧移油缸耳座15组成，固定平台14为整个固定底座的骨架，承担着钻架试验台架、被试钻架的重量以及平衡打钻力。侧移油缸耳座15与侧移油缸的缸筒铰接。导向压板13由两块压板组成，每块导向压板加工了滑动轨道凹槽，通过10条高强度螺钉固定在平台14上，与滑动固定架构成移动副，用来约束滑动固定架。

如图4所示滑动固定架10有侧移油缸铰接销轴16、摆动油缸铰接销轴17、滑动架体18、铜套19组成，侧移油缸铰接销轴16与侧移油缸活塞杆铰接，用来驱动滑动固定架10运动，摆动油缸铰接销轴17与摆动油缸的缸筒铰接，铜套19与摆动架8的连接轴26铰接，构成回转副。

如图5所示摆动架8由升降油缸铰接销轴20、下连杆铰接销轴21、上连杆铰接耳23、摆动油缸铰接销轴24、凸轮机构25、连接轴26组成，升降油缸铰接销轴20与升降油缸的缸筒铰接，为钻架的升降运动提供支撑力。上、下连杆分别与上连杆铰接耳23、下连杆铰接销轴21构成回转副，被试钻架49、上连杆7、下连杆5与摆动架8构成平行四边形机构。连接轴25穿入滑动固定架10的铜套8内部，与滑动固定架10构成回转副。摆动油缸铰接销轴24与摆动油缸9的活塞杆铰接，两根摆动油缸9的一伸一缩驱动摆动架旋转，从而驱动被试钻架旋转，实现顶锚、侧锚试验功能。

如图6所示钢轮组件11由钢轮27、销轴28、挡销板29、钢轮支架30、螺柱31组成，螺柱31旋入钻机固定架1的固定平台14的螺纹孔内部。逆时针旋转钢轮组件11，钢轮组件11升起，钢轮27与实验台面脱离，钻机固定架1通过胀锚螺栓与实验台面固定，需要移动位置时，松开胀锚螺栓，顺时针旋转钢轮组件11，钢轮组件11降下，钢轮27与实验台面接触，实现钻机固定架1的移动换位。

如图7所示下连杆5为焊接件，两端为铰接孔，中间为连接筋板。

如图8所示上连杆7由钻架铰接销轴32、上连杆筋板33、连杆试验台架铰接销轴34组成。

如图9、图10所示被试钻架2由嵌入式控制系统35、钻架框架36、锚钻机构37、控制阀组41、锚箱42、钻箱43、钻杆44、进给机构45、机械手46、夹钳机构47组成。嵌入式控制系统35接受实验台控制终端下达的指令，自动完成取杆、钻孔、打锚杆、装药、紧固锚杆等一系列动作。被试钻架2通过钻架升降油缸铰接销轴38与钻架升降油缸活塞杆铰接，通过上连杆耳座39、下连杆铰接销轴40分别与上连杆7、下连杆5铰接，与摆动架8构成平行四边形机构，通过升降油缸6实现钻架升降功能。平行四边形机构见图11，被试钻架49、摆动架48通过连杆构成平行四边形机构，确保被试钻架11竖直升降功能。

如图12所示试块固定架3由试块固定架50、中部试块51、螺旋扣52、顶部试块53、压制钢丝绳索具54组成。试块固定架50为由型钢拼焊组成的桁架结构，顶部试块53、中部试块51的固定方式见图13，顶部试块53的外表面装配了试块护板56，用于试块吊装和防止试块碎裂，通过固定机构57将顶部试块53固定在试块固定架3的顶部，试块固定机构57有螺旋扣52、压制钢丝绳锁具54、及钢丝绳组成。顶锚打钻力由顶部试块固定机构57及顶部试块53的自重平衡。通过螺栓安装块59、限位块60、试块固定螺栓61将中部试块51固定在试块固定架3的中部平台上，侧锚打钻力由螺栓安装块59、限位块60、试块固定螺栓61来平衡。

如图15所示，液压参数测试系统由压力传感器、流量传感器、电荷适调器、动态信号测试分析系统组成，一组压力传感器、流量传感器布置在自动钻架泵站的出口处，监测液压泵的输出流量、输出压力，另一组压力传感器、流量传感器布置在钻箱马达的进口、出口处，监测钻箱马达压力、流量，其余压力传感器布置在机械手油缸、夹钳油缸、进给油缸处，检测机械手开合力、夹钳油缸力、进给油缸力，压力传感器、流量传感器将采集的压力、流量信号转换为电信号传输给电荷放大器，电荷放大器将电信号调理、放大后传输给压力、流量信号采集仪。

如图16所示钻杆扭矩无线测试系统由应变桥路、无线扭矩采集模块、无线信号发射机、无线信号接收机、工控机、上位机软件、数据库组成。应变桥路用来采集钻杆打钻过程的应力、应变信号，并通过计算，获得钻杆扭矩值。通过无线信号发射机、无线信号接收机将钻杆扭矩信号传输给工控机，通过上位机软件，实时采集和记录钻杆扭矩值。

应变式扭矩测量

扭矩由力和力臂的乘积来定义，单位是N*m。扭矩的测量以测量转轴应变和测量转轴两横截面相对扭转角的方法最常用。

由材料力学知，当受扭矩作用时，轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线成45度的方向上有最大正应力

和

，其值为。相应的变形为ε ₁ 和ε ₂ ，当测得应变后，便可算出

。测量时应变片沿与轴线成45°的方向粘贴。

若测得沿45°方向的应变ε ₁ ，则相应的剪应变为

(1)

式中：E—材料的弹性模量；μ—材料的泊松比；

于是，轴的扭矩计算公式为:

(2)

式中：Wn—材料的抗扭模量；E—材料的弹性模量; μ—材料的泊松比；ε ₁ —测得的应变量。

对于空心钻杆，材料的抗扭模量为：

（3）

其中：D—为圆轴的外径；d—圆轴的内径（对于实心轴，d=0）；

测扭时，电阻应变计须沿主应变ε ₁ 及ε ₂ 的方向(与轴线成45°及135°夹角)。

应变计的布置及组桥方式应考虑灵敏度、温度补偿及抵消拉、压及弯曲等非测量因素干扰的要求。

本发明的说明书中，说明了多功能钻架试验台结构特色和测试系统特色的大量具体细节。然而，能够理解，在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不局限对本说明书的理解。

最后应说明的是：以上各实施实例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施实例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种全自动钻架多功能试验台，其特征在于：包括钻机固定台架（1）、被试钻架（2）和试块固定架（3），被试钻架（2）与钻机固定台架（1）之间通过销轴连接，钻机固定台架（1）与试验台面之间通过胀锚螺栓固定，被试钻架（2）设置在试块固定架（3）内侧，试块固定架（3）为桁架结构，试块固定架（3）上设置有用于模拟巷道顶板的顶部试块以及用于模拟巷道侧邦的中部试块。

2.根据权利要求1所述的全自动钻架多功能试验台，其特征在于：所述的钻机固定台架（1）包括侧移油缸（4）、下连杆（5）、升降油缸（6）、上连杆（7）、摆动架（8）、摆动油缸（9）、滑动固定架（10）、钢轮（11）和固定底座（12），钢轮（11）装配在固定底座（12）上，固定底座（12）上设置有与其通过移动副连接的滑动固定架（10），滑动固定架（10）沿固定底座（12）上的导向压板（13）移动，滑动固定架（10）一侧连接侧移油缸（4）的活塞杆端，侧移油缸（4）的缸筒与固定底座（12）铰接，滑动固定架（10）上安装摆动架（8），摆动架（8）通过两侧连接的摆动油缸（9）驱动，摆动架（8）上安装与被试钻架（2）连接的下连杆（5）和上连杆（7），摆动架（8）底部设置有与被试钻架（2）铰接的升降油缸（6）。

3.根据权利要求2所述的全自动钻架多功能试验台，其特征在于：所述的滑动固定架（10）包括滑动架体（18），滑动架体（18）下部设置与侧移油缸（4）活塞杆铰接的侧移油缸铰接销轴（16），滑动架体（18）上还设置有与摆动油缸的缸筒铰接的摆动油缸铰接销轴（17），滑动架体（18）顶部设置铜套（19）。

4.根据权利要求3所述的全自动钻架多功能试验台，其特征在于：所述的摆动架（8）包括摆动固定架（22），摆动固定架（22）顶部设置有连接轴（26），连接轴（26）穿过铜套（19），连接轴（26）端部设置有凸轮机构（25），凸轮机构（25）两侧设置有与摆动油缸（9）连接的摆动油缸铰接销轴（24），摆动固定架（22）底部设置有与升降油缸（6）的缸筒铰接的升降油缸铰接销轴（20），摆动固定架（22）中部设置用于与下连杆（5）铰接的下连杆铰接销轴（21）以及用于与上连杆（7）铰接的上连杆铰接耳（23）。

5.根据权利要求4所述的全自动钻架多功能试验台，其特征在于：所述的固定底座（12）包括固定平台（14），固定平台（14）为整个固定底座的骨架，固定平台（14）上设置有与侧移油缸的缸筒铰接的侧移油缸耳座（15），固定平台（14）上设置导向压板（13），导向压板（13）包括两块并排设置的压板，每块压板上设置滑动轨道凹槽，压板固定在平台（14）上，与滑动固定架构成移动副。

6.根据权利要求5所述的全自动钻架多功能试验台，其特征在于：所述的下连杆（5）为焊接件，下连杆（5）两端为铰接孔，中间为连接筋板；所述的上连杆（7）一端设置钻架铰接销轴（32），另一端连杆试验台架铰接销轴（34），上连杆（7）中间设置上连杆筋板（33）。

7.根据权利要求6所述的全自动钻架多功能试验台，其特征在于：所述的被试钻架（2）上设置有钻架升降油缸铰接销轴（38）、连杆耳座（39）和下连杆铰接销轴（40），被试钻架（2）通过钻架升降油缸铰接销轴（38）与升降油缸（6）活塞杆铰接，通过上连杆耳座（39）、下连杆铰接销轴（40）分别与上连杆（7）、下连杆（5）铰接，被试钻架（2）与摆动架（8）构成平行四边形机构。

8.根据权利要求7所述的全自动钻架多功能试验台，其特征在于：试块固定架（3）包括试块固定架（50）、中部试块（51）、顶部试块（53）和试块固定机构（57），试块固定架（50）为由型钢拼焊组成的阶梯型桁架结构，顶部试块（53）固定在试块固定架（50）顶部，中部试块（51）固定在试块固定架（50）中部，顶部试块（53）的外表面装配了试块护板（56），试块护板（56）通过试块固定机构（57）将顶部试块（53）固定在试块固定架（3）的顶部，试块固定机构（57）包括与试块固定架（50）连接的螺旋扣（52）、与顶部试块（53）连接的压制钢丝绳锁具（54）及用于连接螺旋扣（52）和压制钢丝绳锁具（54）的钢丝绳组成；中部试块（51）通过螺栓安装块（59）、限位块（60）和试块固定螺栓（61）固定在试块固定架（3）的中部平台上。

9.根据权利要求1或8所述的全自动钻架多功能试验台，其特征在于：还包括液压参数测试系统和钻杆扭矩无线测试系统；

液压参数测试系统包括布置在自动钻架泵站的出口处的一组压力传感器和流量传感器，布置在钻箱马达的进口以及出口处的另一组压力传感器和流量传感器以及布置在机械手油缸、夹钳油缸、进给油缸处的压力传感器，压力传感器和流量传感器将采集的压力和流量信号转换为电信号传输给电荷放大器，电荷放大器将电信号调理、放大后传输给压力、流量信号采集仪；

钻杆扭矩无线测试系统包括应变桥路、无线扭矩采集模块、无线信号发射机、无线信号接收机和工控机，应变桥路用来采集钻杆打钻过程的应力和应变信号，并通过计算获得钻杆扭矩值，钻杆扭矩值信号通过无线信号发射机和无线信号接收机传输给工况机。

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