泥浆泵和钻机测试系统的开发与应用

1 测试系统建设背景

作为地质勘探设备的专业生产厂家，我公司历来十分重视试验室的建设，充分发挥试验室在提高产品质量和产品品质上的重要作用。二十世纪八十年代的泥浆泵试验室是从美国引进的检测设备，并培养多名经验丰富的人员从事提高泥浆泵性能和质量的研究工作；二十一世纪初，为适应公司的发展和市场需求，提高泥浆泵试验数据采集的方便和准确性，我们与高校合作开发了一套泥浆泵测试的采集系统，但也仅限于数据的简单采集，不能进行数据的计算。在钻机测试方面，虽然产品进入市场较晚，但为了保证产品的质量，仍购买了不少的检测工具和检测设备，如用于钻机加载的水力测功机，用于检测钻机卷扬的起重钻塔等。

随着科学技术的进步，检测设备和检测方法的不断更新换代和公司新产品开发的多元化、系列化，检测手段和检测能力早已不能满足产品发展的要求，急需扩建场地和更新设备。为提高新产品研发能力和研发速度，完善产品的检测手段，拓宽产品试验范围，充分发挥试验室在提高产品质量中的作用，并为泥浆泵行业标准的起草提供科学有效数据，我公司聘请具有矿用产品检测资质的中煤科工集团重庆设计研究院有限公司作为技术资询方，合作建设测试系统。

2 测试系统的开发思路及原理

我公司产品种类较多，涵盖范围较广，要满足各种产品试验，必须科学组织试验方案，精心搭配试验设备。试验室的建设是根据我公司的实际情况，并结合DZ/T 0090-2017《地质钻探往复式泥浆泵》、DZ/T 0050-1993《立轴式地质岩心钻机技术条件》和MT/T 790-2006《煤矿坑道勘探用钻机》等标准的相关要求设计的，包括泥浆泵测试和钻机测试两套系统，共用一个操作平台，同时具备了试验的科学性、先进性、安全性和可靠性，确保测试系统处于国内先进，行业领先的水平。

2.1 泥浆泵测试系统

泥浆泵的测试系统是一个闭式的循环系统，泥浆泵通过吸水管道从水池吸入试验介质，吸水管道上安装压力变送器测量吸入压力，泥浆泵的排出系统通过高压胶管与稳流室连接，稳流室装有压力变送器，试验介质流经稳流室和管道上安装的截止阀、高压电动球阀和电磁流量计，从而得到所需的数据，其测试原理如图1。

泥浆泵测试的主要测量参数包括流量、压力、泵的输入功率、噪声、温度(温升)、泵速等。我公司泥浆泵产品的流量需测范围为0～3000 L/min，压力需测范围为0～20 MPa，由于流量和压力范围较大，仅用一种规格的流量计无法实现测试，为能满足各型泥浆泵的型式试验、可靠性试验和温升试验，我们在设计泥浆泵测试系统时分三套管路，一套用于测大流量，一套用于测小流量，一套用于泥浆泵的易损件和性能试验。由于泥浆泵在大流量、高压力的工况下，手动调节泵的压力十分困难，因此，加压试验采用高压电动球阀远程控制加压，有效避免了不安全因素的存在。

图1 泥浆泵试验原理

测试系统中泵的流量、压力和泵速均能实现由计算机自动采集和显示，泵的输入功率、电流、电压等由电能综合测试仪自动采集，同步计算出泥浆泵的容积效率和总效率并绘出性能曲线图，数据的同步性使得测试结果更加客观可靠。泥浆泵的测试现场见图2。

图2 BW-2500/16泵试验

2.2 钻机测试系统

钻机测试系统采用模拟钻机的实际钻进工况而设计，测试钻机的钻杆通过联轴器带动串联的大小转矩转速传感器，经锥齿轮箱将垂直传动转换为水平传动，通过增速箱与加载装置电涡轮制动器相连接，把钻机产生的功传递给电涡流制动器吸收，测试系统原理如图3，实验现场见图4。

图3 钻机性能测试原理图

图4 XY-6型钻机试验

测试系统主要由大小转矩转速传感器、锥齿轮箱、增速箱、电涡流测功机、电能综合测试仪、推拉力测试仪、卷扬起重钻塔等组成，可进行输出扭矩、输出转速、电机功率、钻机效率、给进力、起拔力、绞车拉力、系统压力、温升、噪声等项目的测试。

转矩转速的测试采用转矩转速传感器。由于产品型号较多，转矩跨度大，选择了两台转矩转速传感器串联，对于大扭矩测试选用量程为 N·m的传感器，小扭矩测试选用量程为2000 N·m的传感器。其中，小量程转速转矩传感器设计成可便捷拆卸的安装方式，当所试钻机转矩大于2000 N·m时，取下小量程转矩转速传感器，钻杆直接与大量程转速转矩传感器连接，从而达到共用测试平台和电涡轮制动器的目的。

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