矿用手持式钻机试验装置研究与设计

何平飞

(1.煤炭科学技术研究院有限公司检测分院，北京市朝阳区，100013;2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京市海淀区，100083)

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矿用手持式钻机试验装置研究与设计

何平飞1,2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司检测分院，北京市朝阳区，100013;2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京市海淀区，100083)

依据《矿用手持式钻机》MT/T994-2006标准，设计了一套矿用手持式钻机试验装置，介绍了该试验装置的整体设计、各个部分的组成以及结构设计。试验测试表明，该试验装置的设计能够满足气动、电动、液压和乳化液等不同动力矿用手持式钻机的转矩、转速以及安全转矩的试验需求，能够真实反映钻机的轻载、满载和负载等状况，具有减少劳动强度、提高工作效率、提升试验安全性以及提升试验数据准确性的优点。

矿用手持式钻机 试验装置 安全转矩 夹持机构

矿用手持式钻机具有体积小、重量轻、结构简单、操作灵活、使用维修方便等特点，是煤矿井下使用量较大和应用面较广的钻孔机械，全国每年有数十万台不同动力、不同功能、不同种类的矿用手持式钻机投入煤矿市场。目前，在检测检验领域还没有可同时适合各种类型的矿用手持式钻机专用试验装置，因此，研究与设计了一套矿用手持式钻机试验装置，本试验装置使用回转做功动态模拟的方法，可准确地试验出钻机的转矩和转速等性能指标。因为手持式钻机外形结构多样，以往的夹持机构具有适应钻机单一、夹持费力以及安全性差等缺点，因此本试验装置设计了新的夹持方式。针对钻机安全转矩的试验问题，在本试验装置中设计了安全转矩试验机构。

1 矿用手持式钻机试验装置整体设计

矿用手持式钻机试验装置主体结构主要由转矩转速试验机构、悬浮夹持机构、安全转矩试验机构、冷却系统以及测控系统等几部分组成。转矩转速试验机构由转矩转速仪和磁粉制动器构成，通过悬浮夹持机构固定矿用手持式钻机，使用回转做功动态模拟的方法模拟工人握持矿用手持式钻机在井下打孔时的工作状态；悬浮夹持机构的主要功能是稳定地悬浮夹持和固定各种类型的矿用手持式钻机；安全转矩试验机构的主要功能是测量操作人员手持钻机时的受力情况，并由此求得安全转矩参数；冷却系统的主要功能是给磁粉制动器降温，防止温度过高后回转轴抱死；测控系统的主要功能是控制磁粉制动器加载并汇总转矩转速参数进行计算，实时记录安全转矩参数，进而考量安全性。矿用手持式钻机试验装置整体方案设计如图1所示。

图1 矿用手持式钻机试验装置整体方案设计

2 矿用手持式钻机试验装置各个机构设计

2.1 转矩转速试验机构设计

转矩和转速的测量是利用磁粉制动器给钻机施加负载，通过串接在钻机与磁粉制动器之间的高精度转矩转速传感器测量转矩和转速值。被测矿用手持式钻机的主轴、转矩转速传感器、磁粉制动器输入轴通过联轴器布置于同一轴线，磁粉制动器施加反向制动扭矩，从而加载至半载、满载和超载等工况。气动型钻机同时测量气压和耗气量；液压型钻机测量液压、流量和温度，通过计算机实现试验数据的显示、存储和输出。本试验装置基于回转做功动态模拟的方法，通过磁粉制动器的均匀加载，模拟钻孔过程中岩石对钻头施加的阻力，可模拟出钻机实际工况中的各种情况下的转矩转速，绘制转矩转速曲线并求得钻机最大输出功率。转矩转速曲线如图2所示。

图2 转矩转速曲线

在进行试验时，首先使用悬浮夹持机构夹持手持式钻机手柄处，使回转头与转矩转速传感器同轴连接。额定转矩测试时，在钻机空载转速状态下对其主轴逐渐加载，使主轴转速逐渐下降直至停止，记录功率输出最高对应的转矩和转速为额定转矩和额定转速，钻机转矩、转速和功率特性曲线如图3所示。

图3 钻机转矩、转速和功率特性曲线

由图3可知，Pmax为钻机最大功率，Me为额定输出转矩，Ne为额定输出转速。钻机输出功率根据实测转矩和转速计算得出，计算公式见式(1)：

P=0.1047×N×M×10-3

(1)

式中：P——输出功率，kW；

M——为实测转矩，N·m；

N——实测转速，r/min。

负荷转矩测试时，在钻机额定转速状态下对其主轴逐渐加载，使主轴转速徐徐下降，当钻机转速下降至最低匀速、连续运转状态时(若继续对主轴加载，将破坏其匀速、连续运转状态)，测定出钻机最大负荷转矩值。在钻机额定转速状态下对其主轴转矩加载，当钻机转速逐渐下降到零(在下降至零速以前，往往经过非匀速、非连续运转过程)并维持5 s以上，此时测得的转矩为动力失速转矩值。在钻机加载并处于失速状态下(主轴停止转动)逐渐减少载荷，钻机开始启动时测得的输出转矩为动力启动转矩值。钻机负荷曲线如图4所示。

由图4可以看出，Mmax为最大负载转矩，Ms为静力失速转矩；Mq为动力启动转矩。

2.2 悬浮夹持机构设计

矿用手持式钻机依照动力源的不同主要分为电动手持钻机、气动手持钻机、液压手持钻机和乳化液手持钻机。各种类型的矿用手持式钻机形状差异较大，传统的固定方式是采用螺栓和压板通过垫铁找平后压紧的方法，该方法具有以下几个问题：一是加载过程易出现钻机打滑造成滑脱，存在一定的安全隐患；二是高转速时钻机有较大范围摇摆和振动；三是螺栓上的过紧会压迫内部结构，直接影响转矩和转速值；四是钻机固定后，依据目测并通过人工调整使钻机与转矩转速仪和制动器同轴，缺乏精准地判别方式且效率较低。

图4 钻机负荷曲线

矿用手持式钻机种类多样，虽然形状和大小各异，但都是需要作业人员握持操作，基于此特点设计了一种悬浮夹持机构，用来模拟人手握持钻机手柄和实际使用时的握持方式。因为实现了悬浮夹持，所以可以最大限度地减少夹持对钻机转矩和转速参数的影响。针对不同操作手柄间距的钻机，通过调整拉伸旋转把手进行适应。钻机高度可以通过垂直升降旋转把手调整，可调范围较大，钻机受力由两侧操作手把均匀承担，因此更加稳固。高度调整通过螺栓上下滑动的方法，该方法与垫铁找平的方法相比精度较高，更容易保证钻机与转矩转速仪同轴。悬浮夹持机构的叉形工装插入手持钻机操作把处，插入纵向和横向固定插销，微微转动拉伸旋转把手使钻机张紧。调整左、右、上、下位置与转矩转速仪同轴后，连接回转杆并固定位置。悬浮夹持机构示意图如图5所示。

图5 悬浮夹持机构示意图

2.3 安全转矩试验机构设计

矿用手持式钻机钻进时，作业人员握持钻机并施加推进力，需要作业人员克服机具产生的反向转矩，反向转矩全部通过人体手臂来承担，钻进过程的推进力也要由作业人员施加，且钻机还需要作业人员握持支撑。为了提高矿用手持式钻机的钻进性能，生产厂家往往会尽量提高钻机的输出转矩，但为了确保作业人员的安全，又必须使钻机的转矩限制在作业人员体力允许的范围内，因此矿用手持类钻机的安全转矩需要在试验中充分考量。

研究与考核矿用手持式钻机的安全转矩，首要因素是钻机最大输出转矩值。由于矿用手持式钻机的动力源不同，因此有不同的输出转矩性能：液压钻机的工作压力由液压系统的溢流阀控制，一般它的最大输出转矩为额定转矩；但对于使用采煤工作面乳化液泵站系统的乳化液钻机来说，还有一个最大工作压力下对应的最大转矩；电动钻机在额定功率和额定转速下有一定的额定输出转矩，但因煤矿井下电动机的硬特性，必须具有高出普通电动机最大输出转矩的最大转矩，才能适应安全地钻进煤岩孔的需要，因此电动钻机最大转矩与额定转矩比为2.5～3.2倍；气动钻机因其驱动马达软特性所致，其输出转矩有最大启动转矩、额定转矩、最大负荷转矩、动力失速转矩等。气动钻机安全转矩考核时，应以最高工作气压0.63 MPa下的额定转矩与动力失速转矩为评价点。

现行安全转矩这一安全指标的试验方法是通过试验转矩和转速中测量数据与手柄长度换算得来，没有专门装置进行试验。悬浮加持机构的叉形卡械模拟工况下的钻机握持状态，在叉形卡械与钻机的握持处设计了力传感器，通过测控系统时时监控力传感器的数据，考量是否超过手持式钻机的安全转矩。

2.4 冷却系统设计

冷却系统由循环水箱、水冷却泵、冷却器等部分构成，主要功能是为磁粉制动器降温，防止温度过高后钻机回转轴抱死。水冷却泵从循环水箱内抽水，流经磁粉制动器内的冷却器，最后流回循环水箱。冷却系统的运行可由测控系统直接控制，也可手动开启和关闭。

2.5 测控系统设计

测控系统采用PLC应用控制技术，实现对转矩转速传感器、测力仪的数据采集与处理及对磁粉制动器加载电流控制和对水冷却泵的通断控制。通过计算机进行数据处理，选取测力仪采集到的最大值换算安全转矩，通过数据曲线求得最大功率点。

3 试验结果及分析

为了验证本试验装置的可靠性和稳定性，对本试验装置进行了试验，试验内容包括悬浮夹持试验、转矩转速试验、安全转矩试验、冷却系统试验和测控系统试验。试验场所为煤炭科学技术研究院有限公司检测分院凿岩检验室，试验设备包括一套矿用手持式钻机试验装置、2台矿用手持式电动钻机、2台矿用手持式液压钻机、6台矿用手持式乳化液钻机、12台矿用手持式气动钻机、1个红外测温仪。试验期间检验室内温度为24℃～32℃，相对湿度为34%～55%。

3.1 悬浮夹持试验

悬浮夹持试验是为了验证悬浮夹持机构是否能适应各类手持式钻机的夹持固定。选用了不同厂家、不同类别的共计22台手持式钻机进行试验，可代表市面上绝大多数手持钻机的夹持需求。试验方法为使用悬浮夹持机构夹持钻机后，接入对应动力源，配合磁粉制动器模拟钻机超载模式。实际试验中，全部钻机均能稳定夹持，在超载模式下均未出现明显的晃动和滑脱。

3.2 转矩转速试验

转矩转速试验是为了验证转矩转速机构是否能在测控系统的控制下准确试验出钻机的性能参数。试验方法依据《矿用手持式钻机》MT/T994-2006标准进行试验，在新试验装置上进行试验后对比钻机在之前试验台上进行试验时的参数，并进行理论计算，对比证明新装置的转矩转速参数采集符合标准要求，可用来考量钻机性能。

3.3 安全转矩试验

经试验，可准确地测出各类钻机在试验过程中悬浮夹持装置承受的反向扭矩，通过测控系统记录并选取出最大数值。

3.4 冷却系统试验

冷却系统试验包括通过系统开闭和冷却效果试验。首先试验通过测控系统打开和关闭冷却系统，其后试验直接通过按钮开关冷却系统，经过50次试验，测控系统和外置开关均能正常控制冷却系统开闭。在钻机连续运转过程中用红外测温仪测量磁粉制动器温度，经过10 min、30 min、60 min和120 min的测试，温升均未超过15 ℃，满足钻机试验的冷却需求。

3.5 测控系统试验

试验测控系统各个功能，在试验22台矿用手持式钻机的过程中，测控系统能够实现转矩转速传感器、测力仪数据采集与处理、磁粉制动器加载电流控制和水冷却泵的通断控制，能够进行数据处理获得标准规定的各项参数，完成全部的试验过程。

4 结语

经过试验验证，本矿用手持式钻机试验装置能够使矿用手持式钻机的试验更加专业化和系统化，能够准确地测量出矿用手持式钻机在工况的转矩转速值和安全转矩值，能够完成矿用手持式钻机的性能和安全试验，不仅能够满足煤炭行业对矿用手持式钻机试验的需要，还能更好地依据《矿用手持式钻机》MT/T994-2006标准规范矿用手持式钻机的各项参数指标，保障钻机在使用中的安全性。该装置能够提升检验室相关产品的试验效率，更快更好地完成安全标志办公室的委托，出具检验报告，帮助矿用手持式钻机生产厂家获得相关产品的安标证。从产业发展前景看，该装置还能够向相关矿用手持式钻机生产厂家推广使用，生产厂家通过使用矿用手持式钻机试验装置，在出厂检验环节就能发现问题和解决问题，整体增强相关产品的安全和质量。

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(责任编辑 路 强)

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

何平飞. 矿用手持式钻机试验装置研究与设计[J]. 中国煤炭，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

何平飞(1990-)，男，北京人，助理工程师，北京科技大学在读研究生，主要从事矿山机械检验方面的研究。