气动锚杆钻机额定转矩测量结果的不确定度评定

李耀武

(煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

气动锚杆钻机是煤矿井下巷道锚杆支护作业的关键钻孔设备，主要用于硬度f≤10的煤岩巷锚杆(索)支护钻孔、搅拌及安装树脂类锚杆、施加初锚预紧力等作业，具有功率大、效率高、动力单一、轻便灵活等特点，其性能对提高成巷速度、减轻工人劳动强度、降低顶板事故有着直接影响，该类产品已纳入“安全标志产品”管理范围。锚杆钻机的成孔速度取决于其输出转矩转速、支腿推力等各参数的合理匹配，其中转矩是核心因素，额定转矩是产品型号定型的主参数[1-3]。为了提高检测工作中测量数据的准确性，减小测量数据误差，本文对气动锚杆钻机额定转矩测量不确定度进行研究分析。

1 不确定度来源分析

试验过程会受到各种不确定因素的影响使检测结果与真值之间出现偏差，一切测量结果都不可避免地具有不确定度。测量不确定度是表征合理地赋予被测量值的分散性，与测量结果相联系的参数，直接影响测试结果的可靠性，特别是在实际检测中测量值出现在限定值附近时，对检测结果进行不确定度评价尤为重要。不确定度形成是测量设备、测量环境、测量人员、测量方法和被测对象共同作用的结果，气动锚杆钻机额定转矩测量标准不确定度分为A、B两类。A 类标准不确定度主要来源于转矩重复性测试，利用统计方法对多次测量的结果进行计算得到；B类标准不确定度主要来源于试验系统、人工操作以及环境等一切对试验结果产生的影响因素，用非统计方法得到[4-7]。

1.1 影响试验系统测量精度的因素分析

锚杆钻机转矩试验系统依据《煤矿用锚杆钻机通用技术条件》(MT/T 688—1997)设计，转矩测量范围0～200 N·m，主要由机械平台、转矩转速测量单元(包括转矩传感器、励磁负载装置、手动调高托架等)、循环水冷却装置、供气压力调节单元、测控单元等组成。机械平台、转矩转速测量单元、循环水冷却装置集成于锚杆钻机回转测试试验台，如图1所示。被测锚杆钻机主轴、转矩传感器、励磁负载装置输入轴布置于同一轴线通过联轴器连接。试验时，在额定试验气压下将负载调节装置加载至钻机额定工况，利用转矩传感器采集锚杆钻机的转矩参数，测试3次取算术平均值。

1-被测锚杆钻机；2-机械平台；3-循环水冷却装置；4-转矩转速测量单元。图1 锚杆钻机转矩试验台

根据测试系统的结构组成及测试原理，影响试验系统测量结果的因素主要有以下3个方面。

1)试验供气压力偏差。气动锚杆钻机由压缩空气驱动气马达，经减速机构驱动主轴输出转矩，试验供气压力直接决定钻机的输出转矩，因此测试系统供气压力调节单元的调压偏差是影响锚杆钻机转矩测量结果的重要因素。

2)转矩传感器固有误差。

3)试验过程产生的振动。振动主要来源于两个方面，一是压缩空气驱动马达齿轮在一定负载下高速旋转，齿轮加工制造时齿形等误差导致齿轮在啮合时产生冲击和振动[8-9]；二是冷却装置循环水泵产生振动。

1.2 影响测量结果的其他因素分析

试验人员在试验过程中对气动锚杆钻机在试验台架定位、装夹、固定等操作因素，以及试验场地温度、磁效应等环境因素，均会对转矩测量结果产生影响。

2 额定转矩测量的数学模型

根据上述分析，建立气动锚杆钻机额定转矩测量数学模型，如公式(1)所示，各参数单位为N·m：

N=Nd+ΔNq+ΔNr+ΔNz+ΔNc

(1)

式中:N为额定转矩测量结果；Nd为测量值；ΔNq为试验供气压力的影响；ΔNr为测试仪表的影响；ΔNz为试验振动的影响；ΔNc为人员操作及环境因素的影响。

3 不确定度分析

3.1 A类标准不确定度评定

本次试验为MQT-120/2.7型气动锚杆钻机测试额定转矩，测量结果重复性不确定度评定采用A 类方法。按JJF 1033—2016《计量标准考核规范》要求，应用贝塞尔公式计算测量偏差时，重复测量次数n一般不少于10次。故按照MT/T 688—1997标准规定的试验方法，重复测量气动锚杆钻机额定转矩10 次(n=10)，测量数据见表1。

表1 额定转矩测量重复性统计

由表1可知：

(2)

(3)

根据贝塞尔公式计算单次测量标准差:

(4)

在实际试验中，气动锚杆钻机额定转矩在重复性试验条件下以3次测量(m=3)的算术平均值作为测量结果，则测量重复性的标准不确定度为：

(5)

3.2 B类标准不确定度评定

标准不确定度的B类评定是利用全部可能影响被测量的有关信息进行科学判断，得到估计的标准偏差[10]。

(6)

(7)

3.3 合成标准不确定度评定

标准不确定度如汇总如表2所示，各标准不确定度分量彼此独立不相关，故合成标准不确定度uc(N)可按式(8)计算得到。

表2 标准不确定度汇总表

uc(N)=[uA(N)2+uB1(ΔNq)2+uB2(ΔNr)2+

uB3(ΔNz)2+uB4(ΔNc)2]1/2≈1.81 N·m

(8)

3.4 扩展不确定度评定

扩展不确定度U=kuc(N),取包含因子k=2，则：

U=2×1.81=3.62 N·m

3.5 测量不确定度评定报告

本次测量的MQT-120/2.7型气动锚杆钻机，在额定转矩测量点上测量结果扩展不确定度为U=3.62 N·m，k=2，则额定转矩不确定度的评定结果表示为N=(122.11±3.26)N·m，k=2。

4 结论

气动锚杆钻机在煤矿井下应用范围广泛，涉及的操作人员数量庞大，是煤矿井下巷道锚杆支护作业的关键钻孔设备，而额定转矩是该类产品检验定型的关键参数。本文以MQT-120/2.7型产品为例开展了研究工作，结合转矩测试系统组成及测试原理，系统分析了额定转矩测量的影响因素及引起的不确定度分量，并建立数学模型，进行分量标准不确定度评定、合成以及扩展标准不确定度计算评定，得出了评定报告。本文的研究为准确客观的评价气动锚杆钻机额定转矩提供了方法，对其他煤矿用气动钻孔类设备的试验及测量不确定度评定也具有一定参考作用。