氣動錨桿鉆機(jī)額定轉(zhuǎn)矩測量結(jié)果的不確定度評定

李耀武

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

氣動錨桿鉆機(jī)是煤礦井下巷道錨桿支護(hù)作業(yè)的關(guān)鍵鉆孔設(shè)備，主要用于硬度f≤10的煤巖巷錨桿(索)支護(hù)鉆孔、攪拌及安裝樹脂類錨桿、施加初錨預(yù)緊力等作業(yè)，具有功率大、效率高、動力單一、輕便靈活等特點(diǎn)，其性能對提高成巷速度、減輕工人勞動強(qiáng)度、降低頂板事故有著直接影響，該類產(chǎn)品已納入“安全標(biāo)志產(chǎn)品”管理范圍。錨桿鉆機(jī)的成孔速度取決于其輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速、支腿推力等各參數(shù)的合理匹配，其中轉(zhuǎn)矩是核心因素，額定轉(zhuǎn)矩是產(chǎn)品型號定型的主參數(shù)[1-3]。為了提高檢測工作中測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減小測量數(shù)據(jù)誤差，本文對氣動錨桿鉆機(jī)額定轉(zhuǎn)矩測量不確定度進(jìn)行研究分析。

1 不確定度來源分析

試驗過程會受到各種不確定因素的影響使檢測結(jié)果與真值之間出現(xiàn)偏差，一切測量結(jié)果都不可避免地具有不確定度。測量不確定度是表征合理地賦予被測量值的分散性，與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)，直接影響測試結(jié)果的可靠性，特別是在實際檢測中測量值出現(xiàn)在限定值附近時，對檢測結(jié)果進(jìn)行不確定度評價尤為重要。不確定度形成是測量設(shè)備、測量環(huán)境、測量人員、測量方法和被測對象共同作用的結(jié)果，氣動錨桿鉆機(jī)額定轉(zhuǎn)矩測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分為A、B兩類。A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源于轉(zhuǎn)矩重復(fù)性測試，利用統(tǒng)計方法對多次測量的結(jié)果進(jìn)行計算得到；B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源于試驗系統(tǒng)、人工操作以及環(huán)境等一切對試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響因素，用非統(tǒng)計方法得到[4-7]。

1.1 影響試驗系統(tǒng)測量精度的因素分析

錨桿鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩試驗系統(tǒng)依據(jù)《煤礦用錨桿鉆機(jī)通用技術(shù)條件》(MT/T 688—1997)設(shè)計，轉(zhuǎn)矩測量范圍0～200 N·m，主要由機(jī)械平臺、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量單元(包括轉(zhuǎn)矩傳感器、勵磁負(fù)載裝置、手動調(diào)高托架等)、循環(huán)水冷卻裝置、供氣壓力調(diào)節(jié)單元、測控單元等組成。機(jī)械平臺、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量單元、循環(huán)水冷卻裝置集成于錨桿鉆機(jī)回轉(zhuǎn)測試試驗臺，如圖1所示。被測錨桿鉆機(jī)主軸、轉(zhuǎn)矩傳感器、勵磁負(fù)載裝置輸入軸布置于同一軸線通過聯(lián)軸器連接。試驗時，在額定試驗氣壓下將負(fù)載調(diào)節(jié)裝置加載至鉆機(jī)額定工況，利用轉(zhuǎn)矩傳感器采集錨桿鉆機(jī)的轉(zhuǎn)矩參數(shù)，測試3次取算術(shù)平均值。

1-被測錨桿鉆機(jī)；2-機(jī)械平臺；3-循環(huán)水冷卻裝置；4-轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量單元。圖1 錨桿鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩試驗臺

根據(jù)測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及測試原理，影響試驗系統(tǒng)測量結(jié)果的因素主要有以下3個方面。

1)試驗供氣壓力偏差。氣動錨桿鉆機(jī)由壓縮空氣驅(qū)動氣馬達(dá)，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動主軸輸出轉(zhuǎn)矩，試驗供氣壓力直接決定鉆機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，因此測試系統(tǒng)供氣壓力調(diào)節(jié)單元的調(diào)壓偏差是影響錨桿鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩測量結(jié)果的重要因素。

2)轉(zhuǎn)矩傳感器固有誤差。

3)試驗過程產(chǎn)生的振動。振動主要來源于兩個方面，一是壓縮空氣驅(qū)動馬達(dá)齒輪在一定負(fù)載下高速旋轉(zhuǎn)，齒輪加工制造時齒形等誤差導(dǎo)致齒輪在嚙合時產(chǎn)生沖擊和振動[8-9]；二是冷卻裝置循環(huán)水泵產(chǎn)生振動。

1.2 影響測量結(jié)果的其他因素分析

試驗人員在試驗過程中對氣動錨桿鉆機(jī)在試驗臺架定位、裝夾、固定等操作因素，以及試驗場地溫度、磁效應(yīng)等環(huán)境因素，均會對轉(zhuǎn)矩測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

2 額定轉(zhuǎn)矩測量的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述分析，建立氣動錨桿鉆機(jī)額定轉(zhuǎn)矩測量數(shù)學(xué)模型，如公式(1)所示，各參數(shù)單位為N·m：

N=Nd+ΔNq+ΔNr+ΔNz+ΔNc

(1)

式中:N為額定轉(zhuǎn)矩測量結(jié)果；Nd為測量值；ΔNq為試驗供氣壓力的影響；ΔNr為測試儀表的影響；ΔNz為試驗振動的影響；ΔNc為人員操作及環(huán)境因素的影響。

3 不確定度分析

3.1 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

本次試驗為MQT-120/2.7型氣動錨桿鉆機(jī)測試額定轉(zhuǎn)矩，測量結(jié)果重復(fù)性不確定度評定采用A 類方法。按JJF 1033—2016《計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》要求，應(yīng)用貝塞爾公式計算測量偏差時，重復(fù)測量次數(shù)n一般不少于10次。故按照MT/T 688—1997標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗方法，重復(fù)測量氣動錨桿鉆機(jī)額定轉(zhuǎn)矩10 次(n=10)，測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 額定轉(zhuǎn)矩測量重復(fù)性統(tǒng)計

由表1可知：

(2)

(3)

根據(jù)貝塞爾公式計算單次測量標(biāo)準(zhǔn)差:

(4)

在實際試驗中，氣動錨桿鉆機(jī)額定轉(zhuǎn)矩在重復(fù)性試驗條件下以3次測量(m=3)的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果，則測量重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(5)

3.2 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評定是利用全部可能影響被測量的有關(guān)信息進(jìn)行科學(xué)判斷，得到估計的標(biāo)準(zhǔn)偏差[10]。

(6)

(7)

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度如匯總?cè)绫?所示，各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量彼此獨(dú)立不相關(guān)，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(N)可按式(8)計算得到。

表2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表

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 擴(kuò)展不確定度評定

擴(kuò)展不確定度U=kuc(N),取包含因子k=2，則：

U=2×1.81=3.62 N·m

3.5 測量不確定度評定報告

本次測量的MQT-120/2.7型氣動錨桿鉆機(jī)，在額定轉(zhuǎn)矩測量點(diǎn)上測量結(jié)果擴(kuò)展不確定度為U=3.62 N·m，k=2，則額定轉(zhuǎn)矩不確定度的評定結(jié)果表示為N=(122.11±3.26)N·m，k=2。

4 結(jié)論

氣動錨桿鉆機(jī)在煤礦井下應(yīng)用范圍廣泛，涉及的操作人員數(shù)量龐大，是煤礦井下巷道錨桿支護(hù)作業(yè)的關(guān)鍵鉆孔設(shè)備，而額定轉(zhuǎn)矩是該類產(chǎn)品檢驗定型的關(guān)鍵參數(shù)。本文以MQT-120/2.7型產(chǎn)品為例開展了研究工作，結(jié)合轉(zhuǎn)矩測試系統(tǒng)組成及測試原理，系統(tǒng)分析了額定轉(zhuǎn)矩測量的影響因素及引起的不確定度分量，并建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定、合成以及擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算評定，得出了評定報告。本文的研究為準(zhǔn)確客觀的評價氣動錨桿鉆機(jī)額定轉(zhuǎn)矩提供了方法，對其他煤礦用氣動鉆孔類設(shè)備的試驗及測量不確定度評定也具有一定參考作用。