何平飛

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司檢測分院，北京市朝陽區(qū)，100013;2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

★ 煤炭科技·機電與信息化★

礦用手持式鉆機試驗裝置研究與設(shè)計

何平飛1,2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司檢測分院，北京市朝陽區(qū)，100013;2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

依據(jù)《礦用手持式鉆機》MT/T994-2006標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了一套礦用手持式鉆機試驗裝置，介紹了該試驗裝置的整體設(shè)計、各個部分的組成以及結(jié)構(gòu)設(shè)計。試驗測試表明，該試驗裝置的設(shè)計能夠滿足氣動、電動、液壓和乳化液等不同動力礦用手持式鉆機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及安全轉(zhuǎn)矩的試驗需求，能夠真實反映鉆機的輕載、滿載和負(fù)載等狀況，具有減少勞動強度、提高工作效率、提升試驗安全性以及提升試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的優(yōu)點。

礦用手持式鉆機 試驗裝置 安全轉(zhuǎn)矩 夾持機構(gòu)

礦用手持式鉆機具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活、使用維修方便等特點，是煤礦井下使用量較大和應(yīng)用面較廣的鉆孔機械，全國每年有數(shù)十萬臺不同動力、不同功能、不同種類的礦用手持式鉆機投入煤礦市場。目前，在檢測檢驗領(lǐng)域還沒有可同時適合各種類型的礦用手持式鉆機專用試驗裝置，因此，研究與設(shè)計了一套礦用手持式鉆機試驗裝置，本試驗裝置使用回轉(zhuǎn)做功動態(tài)模擬的方法，可準(zhǔn)確地試驗出鉆機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等性能指標(biāo)。因為手持式鉆機外形結(jié)構(gòu)多樣，以往的夾持機構(gòu)具有適應(yīng)鉆機單一、夾持費力以及安全性差等缺點，因此本試驗裝置設(shè)計了新的夾持方式。針對鉆機安全轉(zhuǎn)矩的試驗問題，在本試驗裝置中設(shè)計了安全轉(zhuǎn)矩試驗機構(gòu)。

1 礦用手持式鉆機試驗裝置整體設(shè)計

礦用手持式鉆機試驗裝置主體結(jié)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速試驗機構(gòu)、懸浮夾持機構(gòu)、安全轉(zhuǎn)矩試驗機構(gòu)、冷卻系統(tǒng)以及測控系統(tǒng)等幾部分組成。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速試驗機構(gòu)由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀和磁粉制動器構(gòu)成，通過懸浮夾持機構(gòu)固定礦用手持式鉆機，使用回轉(zhuǎn)做功動態(tài)模擬的方法模擬工人握持礦用手持式鉆機在井下打孔時的工作狀態(tài)；懸浮夾持機構(gòu)的主要功能是穩(wěn)定地懸浮夾持和固定各種類型的礦用手持式鉆機；安全轉(zhuǎn)矩試驗機構(gòu)的主要功能是測量操作人員手持鉆機時的受力情況，并由此求得安全轉(zhuǎn)矩參數(shù)；冷卻系統(tǒng)的主要功能是給磁粉制動器降溫，防止溫度過高后回轉(zhuǎn)軸抱死；測控系統(tǒng)的主要功能是控制磁粉制動器加載并匯總轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行計算，實時記錄安全轉(zhuǎn)矩參數(shù)，進(jìn)而考量安全性。礦用手持式鉆機試驗裝置整體方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 礦用手持式鉆機試驗裝置整體方案設(shè)計

2 礦用手持式鉆機試驗裝置各個機構(gòu)設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速試驗機構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的測量是利用磁粉制動器給鉆機施加負(fù)載，通過串接在鉆機與磁粉制動器之間的高精度轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速值。被測礦用手持式鉆機的主軸、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、磁粉制動器輸入軸通過聯(lián)軸器布置于同一軸線，磁粉制動器施加反向制動扭矩，從而加載至半載、滿載和超載等工況。氣動型鉆機同時測量氣壓和耗氣量；液壓型鉆機測量液壓、流量和溫度，通過計算機實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的顯示、存儲和輸出。本試驗裝置基于回轉(zhuǎn)做功動態(tài)模擬的方法，通過磁粉制動器的均勻加載，模擬鉆孔過程中巖石對鉆頭施加的阻力，可模擬出鉆機實際工況中的各種情況下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，繪制轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線并求得鉆機最大輸出功率。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線

在進(jìn)行試驗時，首先使用懸浮夾持機構(gòu)夾持手持式鉆機手柄處，使回轉(zhuǎn)頭與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器同軸連接。額定轉(zhuǎn)矩測試時，在鉆機空載轉(zhuǎn)速狀態(tài)下對其主軸逐漸加載，使主軸轉(zhuǎn)速逐漸下降直至停止，記錄功率輸出最高對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速，鉆機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率特性曲線如圖3所示。

圖3 鉆機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率特性曲線

由圖3可知，Pmax為鉆機最大功率，Me為額定輸出轉(zhuǎn)矩，Ne為額定輸出轉(zhuǎn)速。鉆機輸出功率根據(jù)實測轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計算得出，計算公式見式(1)：

P=0.1047×N×M×10-3

(1)

式中：P——輸出功率，kW；

M——為實測轉(zhuǎn)矩，N·m；

N——實測轉(zhuǎn)速，r/min。

負(fù)荷轉(zhuǎn)矩測試時，在鉆機額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下對其主軸逐漸加載，使主軸轉(zhuǎn)速徐徐下降，當(dāng)鉆機轉(zhuǎn)速下降至最低勻速、連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)時(若繼續(xù)對主軸加載，將破壞其勻速、連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài))，測定出鉆機最大負(fù)荷轉(zhuǎn)矩值。在鉆機額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下對其主軸轉(zhuǎn)矩加載，當(dāng)鉆機轉(zhuǎn)速逐漸下降到零(在下降至零速以前，往往經(jīng)過非勻速、非連續(xù)運轉(zhuǎn)過程)并維持5 s以上，此時測得的轉(zhuǎn)矩為動力失速轉(zhuǎn)矩值。在鉆機加載并處于失速狀態(tài)下(主軸停止轉(zhuǎn)動)逐漸減少載荷，鉆機開始啟動時測得的輸出轉(zhuǎn)矩為動力啟動轉(zhuǎn)矩值。鉆機負(fù)荷曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，Mmax為最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Ms為靜力失速轉(zhuǎn)矩；Mq為動力啟動轉(zhuǎn)矩。

2.2 懸浮夾持機構(gòu)設(shè)計

礦用手持式鉆機依照動力源的不同主要分為電動手持鉆機、氣動手持鉆機、液壓手持鉆機和乳化液手持鉆機。各種類型的礦用手持式鉆機形狀差異較大，傳統(tǒng)的固定方式是采用螺栓和壓板通過墊鐵找平后壓緊的方法，該方法具有以下幾個問題：一是加載過程易出現(xiàn)鉆機打滑造成滑脫，存在一定的安全隱患；二是高轉(zhuǎn)速時鉆機有較大范圍搖擺和振動；三是螺栓上的過緊會壓迫內(nèi)部結(jié)構(gòu)，直接影響轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速值；四是鉆機固定后，依據(jù)目測并通過人工調(diào)整使鉆機與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀和制動器同軸，缺乏精準(zhǔn)地判別方式且效率較低。

圖4 鉆機負(fù)荷曲線

礦用手持式鉆機種類多樣，雖然形狀和大小各異，但都是需要作業(yè)人員握持操作，基于此特點設(shè)計了一種懸浮夾持機構(gòu)，用來模擬人手握持鉆機手柄和實際使用時的握持方式。因為實現(xiàn)了懸浮夾持，所以可以最大限度地減少夾持對鉆機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速參數(shù)的影響。針對不同操作手柄間距的鉆機，通過調(diào)整拉伸旋轉(zhuǎn)把手進(jìn)行適應(yīng)。鉆機高度可以通過垂直升降旋轉(zhuǎn)把手調(diào)整，可調(diào)范圍較大，鉆機受力由兩側(cè)操作手把均勻承擔(dān)，因此更加穩(wěn)固。高度調(diào)整通過螺栓上下滑動的方法，該方法與墊鐵找平的方法相比精度較高，更容易保證鉆機與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀同軸。懸浮夾持機構(gòu)的叉形工裝插入手持鉆機操作把處，插入縱向和橫向固定插銷，微微轉(zhuǎn)動拉伸旋轉(zhuǎn)把手使鉆機張緊。調(diào)整左、右、上、下位置與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀同軸后，連接回轉(zhuǎn)桿并固定位置。懸浮夾持機構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 懸浮夾持機構(gòu)示意圖

2.3 安全轉(zhuǎn)矩試驗機構(gòu)設(shè)計

礦用手持式鉆機鉆進(jìn)時，作業(yè)人員握持鉆機并施加推進(jìn)力，需要作業(yè)人員克服機具產(chǎn)生的反向轉(zhuǎn)矩，反向轉(zhuǎn)矩全部通過人體手臂來承擔(dān)，鉆進(jìn)過程的推進(jìn)力也要由作業(yè)人員施加，且鉆機還需要作業(yè)人員握持支撐。為了提高礦用手持式鉆機的鉆進(jìn)性能，生產(chǎn)廠家往往會盡量提高鉆機的輸出轉(zhuǎn)矩，但為了確保作業(yè)人員的安全，又必須使鉆機的轉(zhuǎn)矩限制在作業(yè)人員體力允許的范圍內(nèi)，因此礦用手持類鉆機的安全轉(zhuǎn)矩需要在試驗中充分考量。

研究與考核礦用手持式鉆機的安全轉(zhuǎn)矩，首要因素是鉆機最大輸出轉(zhuǎn)矩值。由于礦用手持式鉆機的動力源不同，因此有不同的輸出轉(zhuǎn)矩性能：液壓鉆機的工作壓力由液壓系統(tǒng)的溢流閥控制，一般它的最大輸出轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩；但對于使用采煤工作面乳化液泵站系統(tǒng)的乳化液鉆機來說，還有一個最大工作壓力下對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩；電動鉆機在額定功率和額定轉(zhuǎn)速下有一定的額定輸出轉(zhuǎn)矩，但因煤礦井下電動機的硬特性，必須具有高出普通電動機最大輸出轉(zhuǎn)矩的最大轉(zhuǎn)矩，才能適應(yīng)安全地鉆進(jìn)煤巖孔的需要，因此電動鉆機最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩比為2.5～3.2倍；氣動鉆機因其驅(qū)動馬達(dá)軟特性所致，其輸出轉(zhuǎn)矩有最大啟動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩、最大負(fù)荷轉(zhuǎn)矩、動力失速轉(zhuǎn)矩等。氣動鉆機安全轉(zhuǎn)矩考核時，應(yīng)以最高工作氣壓0.63 MPa下的額定轉(zhuǎn)矩與動力失速轉(zhuǎn)矩為評價點。

現(xiàn)行安全轉(zhuǎn)矩這一安全指標(biāo)的試驗方法是通過試驗轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速中測量數(shù)據(jù)與手柄長度換算得來，沒有專門裝置進(jìn)行試驗。懸浮加持機構(gòu)的叉形卡械模擬工況下的鉆機握持狀態(tài)，在叉形卡械與鉆機的握持處設(shè)計了力傳感器，通過測控系統(tǒng)時時監(jiān)控力傳感器的數(shù)據(jù)，考量是否超過手持式鉆機的安全轉(zhuǎn)矩。

2.4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

冷卻系統(tǒng)由循環(huán)水箱、水冷卻泵、冷卻器等部分構(gòu)成，主要功能是為磁粉制動器降溫，防止溫度過高后鉆機回轉(zhuǎn)軸抱死。水冷卻泵從循環(huán)水箱內(nèi)抽水，流經(jīng)磁粉制動器內(nèi)的冷卻器，最后流回循環(huán)水箱。冷卻系統(tǒng)的運行可由測控系統(tǒng)直接控制，也可手動開啟和關(guān)閉。

2.5 測控系統(tǒng)設(shè)計

測控系統(tǒng)采用PLC應(yīng)用控制技術(shù)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、測力儀的數(shù)據(jù)采集與處理及對磁粉制動器加載電流控制和對水冷卻泵的通斷控制。通過計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，選取測力儀采集到的最大值換算安全轉(zhuǎn)矩，通過數(shù)據(jù)曲線求得最大功率點。

3 試驗結(jié)果及分析

為了驗證本試驗裝置的可靠性和穩(wěn)定性，對本試驗裝置進(jìn)行了試驗，試驗內(nèi)容包括懸浮夾持試驗、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速試驗、安全轉(zhuǎn)矩試驗、冷卻系統(tǒng)試驗和測控系統(tǒng)試驗。試驗場所為煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司檢測分院鑿巖檢驗室，試驗設(shè)備包括一套礦用手持式鉆機試驗裝置、2臺礦用手持式電動鉆機、2臺礦用手持式液壓鉆機、6臺礦用手持式乳化液鉆機、12臺礦用手持式氣動鉆機、1個紅外測溫儀。試驗期間檢驗室內(nèi)溫度為24℃～32℃，相對濕度為34%～55%。

3.1 懸浮夾持試驗

懸浮夾持試驗是為了驗證懸浮夾持機構(gòu)是否能適應(yīng)各類手持式鉆機的夾持固定。選用了不同廠家、不同類別的共計22臺手持式鉆機進(jìn)行試驗，可代表市面上絕大多數(shù)手持鉆機的夾持需求。試驗方法為使用懸浮夾持機構(gòu)夾持鉆機后，接入對應(yīng)動力源，配合磁粉制動器模擬鉆機超載模式。實際試驗中，全部鉆機均能穩(wěn)定夾持，在超載模式下均未出現(xiàn)明顯的晃動和滑脫。

3.2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速試驗

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速試驗是為了驗證轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速機構(gòu)是否能在測控系統(tǒng)的控制下準(zhǔn)確試驗出鉆機的性能參數(shù)。試驗方法依據(jù)《礦用手持式鉆機》MT/T994-2006標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗，在新試驗裝置上進(jìn)行試驗后對比鉆機在之前試驗臺上進(jìn)行試驗時的參數(shù)，并進(jìn)行理論計算，對比證明新裝置的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速參數(shù)采集符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可用來考量鉆機性能。

3.3 安全轉(zhuǎn)矩試驗

經(jīng)試驗，可準(zhǔn)確地測出各類鉆機在試驗過程中懸浮夾持裝置承受的反向扭矩，通過測控系統(tǒng)記錄并選取出最大數(shù)值。

3.4 冷卻系統(tǒng)試驗

冷卻系統(tǒng)試驗包括通過系統(tǒng)開閉和冷卻效果試驗。首先試驗通過測控系統(tǒng)打開和關(guān)閉冷卻系統(tǒng)，其后試驗直接通過按鈕開關(guān)冷卻系統(tǒng)，經(jīng)過50次試驗，測控系統(tǒng)和外置開關(guān)均能正?？刂评鋮s系統(tǒng)開閉。在鉆機連續(xù)運轉(zhuǎn)過程中用紅外測溫儀測量磁粉制動器溫度，經(jīng)過10 min、30 min、60 min和120 min的測試，溫升均未超過15 ℃，滿足鉆機試驗的冷卻需求。

3.5 測控系統(tǒng)試驗

試驗測控系統(tǒng)各個功能，在試驗22臺礦用手持式鉆機的過程中，測控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、測力儀數(shù)據(jù)采集與處理、磁粉制動器加載電流控制和水冷卻泵的通斷控制，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項參數(shù)，完成全部的試驗過程。

4 結(jié)語

經(jīng)過試驗驗證，本礦用手持式鉆機試驗裝置能夠使礦用手持式鉆機的試驗更加專業(yè)化和系統(tǒng)化，能夠準(zhǔn)確地測量出礦用手持式鉆機在工況的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值和安全轉(zhuǎn)矩值，能夠完成礦用手持式鉆機的性能和安全試驗，不僅能夠滿足煤炭行業(yè)對礦用手持式鉆機試驗的需要，還能更好地依據(jù)《礦用手持式鉆機》MT/T994-2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范礦用手持式鉆機的各項參數(shù)指標(biāo)，保障鉆機在使用中的安全性。該裝置能夠提升檢驗室相關(guān)產(chǎn)品的試驗效率，更快更好地完成安全標(biāo)志辦公室的委托，出具檢驗報告，幫助礦用手持式鉆機生產(chǎn)廠家獲得相關(guān)產(chǎn)品的安標(biāo)證。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景看，該裝置還能夠向相關(guān)礦用手持式鉆機生產(chǎn)廠家推廣使用，生產(chǎn)廠家通過使用礦用手持式鉆機試驗裝置，在出廠檢驗環(huán)節(jié)就能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，整體增強相關(guān)產(chǎn)品的安全和質(zhì)量。

[1] 宮龍穎.煤礦用手持類回轉(zhuǎn)鉆機安全轉(zhuǎn)矩問題的分析與探討[J].礦山機械，2011(5)

[2] 張立剛，郭孝先.煤礦錨桿孔鉆進(jìn)設(shè)備的發(fā)展前途[J].鑿巖機械氣動工具，1999(2)

[3] 李耀武，丁鑫，林瑞波.氣動錨桿鉆機性能指標(biāo)及檢測方法[J].建井技術(shù)，2003(2)

[4] 郭孝先，李耀武，張立剛.煤礦手持類回轉(zhuǎn)鉆機動力變化趨勢及其影響[J].煤礦安全，2007(9)

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(責(zé)任編輯 路 強)

Researchanddesignofminehand-helddrillingrigtestingapparatus

He Pingfei1,2

(1. Test Center of China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;2. School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

According to the Mine Hand-held Drilling Rig MT/T994-2006 standard, a special testing apparatus of mine hand-held drilling rig was designed, and overall design, structural composition and structural design of the testing apparatus were introduced. The testing results showed that the testing apparatus could meet the test requirements of torque, revolving speed and safe torque of pneumatic, motor-driven, hydraulic or emulsion type hand-held drilling rig, and reflect the light load, full load and load state of drilling rig, the testing apparatus had advantages in reducing labor intensity, improving work efficiency, enhancing test security and promoting test data accuracy.

mine hand-held drilling rig, testing apparatus, safe torque, gripper mechanism

何平飛. 礦用手持式鉆機試驗裝置研究與設(shè)計[J]. 中國煤炭，2017，43(8):109-112. He Pingfei. Research and design of mine hand-held drilling rig testing apparatus[J] .China Coal，2017，43(8): 109-112.

TD421

A

何平飛(1990-)，男，北京人，助理工程師，北京科技大學(xué)在讀研究生，主要從事礦山機械檢驗方面的研究。