何平飛

(1.煤炭科學技術研究院有限公司檢測分院，北京市朝陽區(qū)，100013;2.北京科技大學土木與資源工程學院，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計

何平飛1,2

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

依據《礦用手持式鉆機》MT/T994-2006標準，設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計、各個部分的組成以及結構設計。試驗測試表明，該試驗裝置的設計能夠滿足氣動、電動、液壓和乳化液等不同動力礦用手持式鉆機的轉矩、轉速以及安全轉矩的試驗需求，能夠真實反映鉆機的輕載、滿載和負載等狀況，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)據準確性的優(yōu)點。

礦用手持式鉆機 試驗裝置 安全轉矩 夾持機構

礦用手持式鉆機具有體積小、重量輕、結構簡單、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，研究與設計了一套礦用手持式鉆機試驗裝置，本試驗裝置使用回轉做功動態(tài)模擬的方法，可準確地試驗出鉆機的轉矩和轉速等性能指標。因為手持式鉆機外形結構多樣，以往的夾持機構具有適應鉆機單一、夾持費力以及安全性差等缺點，因此本試驗裝置設計了新的夾持方式。針對鉆機安全轉矩的試驗問題，在本試驗裝置中設計了安全轉矩試驗機構。

1 礦用手持式鉆機試驗裝置整體設計

礦用手持式鉆機試驗裝置主體結構主要由轉矩轉速試驗機構、懸浮夾持機構、安全轉矩試驗機構、冷卻系統(tǒng)以及測控系統(tǒng)等幾部分組成。轉矩轉速試驗機構由轉矩轉速儀和磁粉制動器構成，通過懸浮夾持機構固定礦用手持式鉆機，使用回轉做功動態(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；安全轉矩試驗機構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矩轉速參數(shù)進行計算，實時記錄安全轉矩參數(shù)，進而考量安全性。礦用手持式鉆機試驗裝置整體方案設計如圖1所示。

圖1 礦用手持式鉆機試驗裝置整體方案設計

2 礦用手持式鉆機試驗裝置各個機構設計

2.1 轉矩轉速試驗機構設計

轉矩和轉速的測量是利用磁粉制動器給鉆機施加負載，通過串接在鉆機與磁粉制動器之間的高精度轉矩轉速傳感器測量轉矩和轉速值。被測礦用手持式鉆機的主軸、轉矩轉速傳感器、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)據的顯示、存儲和輸出。本試驗裝置基于回轉做功動態(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矩轉速，繪制轉矩轉速曲線并求得鉆機最大輸出功率。轉矩轉速曲線如圖2所示。

圖2 轉矩轉速曲線

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

圖3 鉆機轉矩、轉速和功率特性曲線

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

P=0.1047×N×M×10-3

(1)

式中：P——輸出功率，kW；

M——為實測轉矩，N·m；

N——實測轉速，r/min。

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

由圖4可以看出，Mmax為最大負載轉矩，Ms為靜力失速轉矩；Mq為動力啟動轉矩。

2.2 懸浮夾持機構設計

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部結構，直接影響轉矩和轉速值；四是鉆機固定后，依據目測并通過人工調整使鉆機與轉矩轉速儀和制動器同軸，缺乏精準地判別方式且效率較低。

圖4 鉆機負荷曲線

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，基于此特點設計了一種懸浮夾持機構，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矩和轉速參數(shù)的影響。針對不同操作手柄間距的鉆機，通過調整拉伸旋轉把手進行適應。鉆機高度可以通過垂直升降旋轉把手調整，可調范圍較大，鉆機受力由兩側操作手把均勻承擔，因此更加穩(wěn)固。高度調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矩轉速儀同軸。懸浮夾持機構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，微微轉動拉伸旋轉把手使鉆機張緊。調整左、右、上、下位置與轉矩轉速儀同軸后，連接回轉桿并固定位置。懸浮夾持機構示意圖如圖5所示。

圖5 懸浮夾持機構示意圖

2.3 安全轉矩試驗機構設計

礦用手持式鉆機鉆進時，作業(yè)人員握持鉆機并施加推進力，需要作業(yè)人員克服機具產生的反向轉矩，反向轉矩全部通過人體手臂來承擔，鉆進過程的推進力也要由作業(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性能，生產廠家往往會盡量提高鉆機的輸出轉矩，但為了確保作業(yè)人員的安全，又必須使鉆機的轉矩限制在作業(yè)人員體力允許的范圍內，因此礦用手持類鉆機的安全轉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矩，首要因素是鉆機最大輸出轉矩值。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矩為額定轉矩；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的最大轉矩；電動鉆機在額定功率和額定轉速下有一定的額定輸出轉矩，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矩的最大轉矩，才能適應安全地鉆進煤巖孔的需要，因此電動鉆機最大轉矩與額定轉矩比為2.5～3.2倍；氣動鉆機因其驅動馬達軟特性所致，其輸出轉矩有最大啟動轉矩、額定轉矩、最大負荷轉矩、動力失速轉矩等。氣動鉆機安全轉矩考核時，應以最高工作氣壓0.63 MPa下的額定轉矩與動力失速轉矩為評價點。

現(xiàn)行安全轉矩這一安全指標的試驗方法是通過試驗轉矩和轉速中測量數(shù)據與手柄長度換算得來，沒有專門裝置進行試驗。懸浮加持機構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，考量是否超過手持式鉆機的安全轉矩。

2.4 冷卻系統(tǒng)設計

冷卻系統(tǒng)由循環(huán)水箱、水冷卻泵、冷卻器等部分構成，主要功能是為磁粉制動器降溫，防止溫度過高后鉆機回轉軸抱死。水冷卻泵從循環(huán)水箱內抽水，流經磁粉制動器內的冷卻器，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，也可手動開啟和關閉。

2.5 測控系統(tǒng)設計

測控系統(tǒng)采用PLC應用控制技術，實現(xiàn)對轉矩轉速傳感器、測力儀的數(shù)據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。通過計算機進行數(shù)據處理，選取測力儀采集到的最大值換算安全轉矩，通過數(shù)據曲線求得最大功率點。

3 試驗結果及分析

為了驗證本試驗裝置的可靠性和穩(wěn)定性，對本試驗裝置進行了試驗，試驗內容包括懸浮夾持試驗、轉矩轉速試驗、安全轉矩試驗、冷卻系統(tǒng)試驗和測控系統(tǒng)試驗。試驗場所為煤炭科學技術研究院有限公司檢測分院鑿巖檢驗室，試驗設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是否能適應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夾持鉆機后，接入對應動力源，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 轉矩轉速試驗

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

3.3 安全轉矩試驗

經試驗，可準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)打開和關閉冷卻系統(tǒng)，其后試驗直接通過按鈕開關冷卻系統(tǒng)，經過50次試驗，測控系統(tǒng)和外置開關均能正?？刂评鋮s系統(tǒng)開閉。在鉆機連續(xù)運轉過程中用紅外測溫儀測量磁粉制動器溫度，經過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)能夠實現(xiàn)轉矩轉速傳感器、測力儀數(shù)據采集與處理、磁粉制動器加載電流控制和水冷卻泵的通斷控制，能夠進行數(shù)據處理獲得標準規(guī)定的各項參數(shù)，完成全部的試驗過程。

4 結語

經過試驗驗證，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，能夠準確地測量出礦用手持式鉆機在工況的轉矩轉速值和安全轉矩值，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《礦用手持式鉆機》MT/T994-2006標準規(guī)范礦用手持式鉆機的各項參數(shù)指標，保障鉆機在使用中的安全性。該裝置能夠提升檢驗室相關產品的試驗效率，更快更好地完成安全標志辦公室的委托，出具檢驗報告，幫助礦用手持式鉆機生產廠家獲得相關產品的安標證。從產業(yè)發(fā)展前景看，該裝置還能夠向相關礦用手持式鉆機生產廠家推廣使用，生產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，整體增強相關產品的安全和質量。

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

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(責任編輯 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，北京科技大學在讀研究生，主要從事礦山機械檢驗方面的研究。