坑道鉆探用鉆桿額定扭矩測量值的不確定度評定

孫志林

（煤炭科學技術(shù)研究院有限公司，北京100013）

0 引言

鉆桿是坑道鉆探設(shè)備的重要組成部分，是鉆機向鉆頭傳遞能量的關(guān)鍵部件，鉆桿在煤層三維空間中主要承受復(fù)雜交變的拉、壓、扭、彎曲等載荷，若鉆桿扭矩不滿足設(shè)計要求，工作一段時間后就會失效。由于鉆探施工一般采用一鉆到底的工作方式，隨著鉆頭的深入，需要逐漸增加鉆桿，如果鉆進過程因鉆桿失效而造成鉆桿斷裂或脫落事故，不僅影響正常生產(chǎn)，而且還因打撈困難使事故惡化，造成人力、財力的損失，會給煤礦施工安全帶來很大影響[1-4]。為從源頭上保證鉆桿質(zhì)量，減少鉆桿失效隱患，鉆桿生產(chǎn)企業(yè)在出廠前必須進行定向鉆桿扭矩測試。為了提高坑道鉆探用鉆桿額定扭矩測量數(shù)據(jù)的準確性、 可重復(fù)性，減小測量誤差，本文對其測量不確定度進行分析研究。

1 建立不確定度數(shù)學模型

測量不確定度包括兩類分量，一類是用統(tǒng)計方法計算的A 類分量， 用來對隨機誤差的分散程度做出評定；另一類是用非統(tǒng)計方法計算的B類分量，包括系統(tǒng)誤差、儀器誤差和粗差等，最后用方和根法對兩類分量進行合成得到合成不確定度。 在鉆桿測試中，A 類不確定度主要來源于重復(fù)性測試，B 類不確定度主要來源于人員操作、傳感器精度、測試系統(tǒng)、安裝同軸度、環(huán)境影響等[5-7]。在上述分析的基礎(chǔ)上建立鉆桿扭矩測量的不確定度數(shù)學模型，如公式（1）所示，式中參數(shù)單位均為N·m。

式中 N——扭矩

Nd——測量值

ΔNy——人員操作的影響

ΔNg——扭矩傳感器的影響

ΔNz——安裝同軸度的影響

ΔNh——環(huán)境的影響

ΔNc——測試軟件的影響

2 不確定度評定

2.1 測量重復(fù)性引入的不確定度分量uA（N）

測量對象為某公司生產(chǎn)的φ73 mm 坑道鉆探用鉆桿，采用A 類不確定度方法對鉆桿額定扭矩測量重復(fù)性進行評定，用貝塞爾公式計算標準偏差。

按照規(guī)定試驗方法，重復(fù)測量鉆桿額定扭矩8 次（n=8），試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 扭矩測量重復(fù)性統(tǒng)計

將上述數(shù)據(jù)帶入公式（2），得出單次測量標準偏差為6.46 N·m。 按標準規(guī)定，鉆桿額定扭矩測試需重復(fù)測量3 次（m=3），取算術(shù)平均值作為測量結(jié)果， 則因重復(fù)性測量引入的A 類標準不確定度為：

2.2 扭矩傳感器誤差引入的不確定度分量uB1（ΔNg）

扭矩試驗臺所用傳感器的測量精度為0.1%， 最大量程為20000 N·m， 則半寬度a1=20000×0.1%=20 N·m。 ，服從均勻分布，即由扭矩傳感器誤差引入的標準不確定度為:

2.3 安裝同軸度偏差引入的不確定度分量uB2（ΔNz）

鉆桿中心線與轉(zhuǎn)矩傳感器軸線存在偏差，按照以往測試經(jīng)驗估計，此項對額定扭矩測量結(jié)果影響為δ2=20 N·m，服從均勻分布，即由同軸度偏差引入的標準不確定度為:

2.4 檢驗員操作引入的不確定度分量uB3（ΔNy）

試驗過程中檢驗員讀取測試數(shù)據(jù)時會產(chǎn)出誤差，進而影響測量結(jié)果，按照以往經(jīng)驗估計，對鉆桿額定扭矩測量結(jié)果影響為δ3=10N·m，采用均勻分布估計，即由人員操作引入的標準不確定度為

2.5 試驗環(huán)境引入的不確定度分量uB4（ΔNh）

試驗場地溫度、濕度等因素也會影響鉆桿扭矩試驗的測量結(jié)果，按照以往經(jīng)驗估計此項對測量結(jié)果影響為δ4=10 N·m，采用均勻分布估計，k=，即由試驗環(huán)境引入的標準不確定度為

2.6 測試軟件引入的不確定度分量uB5（ΔNc）

上位機軟件程序、信號處理、零點漂移等會造成測試系統(tǒng)誤差，按照以往經(jīng)驗，此項對扭矩測量結(jié)果影響為δ5=3 N·m， 采用均勻分布估計，，即由此引入的標準不確定度為:

2.7 合成標準不確定度評定

根據(jù)表2，合成標準不確定度uc（N）計算如下

表2 標準不確定度匯總表

2.8 擴展不確定度評定

擴展不確定度為合成標準不確定度乘包含因子，取置信概率p=95%（k=2），鉆桿轉(zhuǎn)矩測量的相對擴展不確定度為

U=kuc（N）=2×18.7=37.4 N·m

2.9 評定報告

通過以上分析和計算， 本次φ73mm 坑道鉆探用鉆桿額定扭矩測量結(jié)果的不確定度的評定結(jié)果表示為：

N=（153253.9±37.4）N·m，k=2

3 比對結(jié)果分析

En值是JJF 1117-2017《計量比對》中作為技術(shù)能力比對、實驗室能力驗證及測量審核等技術(shù)工作的唯一評價參數(shù)。En值表明的是參比實驗室測量結(jié)果是否在參考值的特定測量不確定度中，當|En|≤1，參比實驗室的測量結(jié)果與參考值之差在合理預(yù)期之內(nèi)，比對結(jié)果可接受；當|En|＞1，參比實驗室的測量結(jié)果與參考值之差沒有達到合理預(yù)期，比對結(jié)果不可接受[5]。

鉆桿生產(chǎn)企業(yè)在自建試驗臺上進行該批次鉆桿的額定扭距出廠測試，為驗證出廠檢驗的可靠性，采用En值對其進行比對，見公式（3）

式中 N——本次測量的額定扭矩，N·m

Nc——生產(chǎn)企業(yè)測量的扭矩，N·m

U——本次測量結(jié)果的擴展不確定度

Uc——企業(yè)測量結(jié)果的擴展不確定度

鉆桿生產(chǎn)企業(yè)測得同批次扭矩測試值Nc=15375.6 N·m，，擴展不確定度為Uc=45.2 N·m。將以上參數(shù)帶入公式（3）計算得|En|=0.89，比對結(jié)果為可接受，表明該企業(yè)鉆桿試驗臺測試結(jié)果是可靠的。 但|En|已接近于1，鉆桿生產(chǎn)企業(yè)有必要從檢測設(shè)備、測試方法、環(huán)境條件、人員操作等方面進行分析并查找原因，使鉆桿扭矩測試能力持續(xù)保持在較高水平。

4 結(jié)語

坑道鉆探用鉆桿廣泛應(yīng)用于煤礦井下瓦斯抽采孔、探放水孔鉆進作業(yè)，額定扭矩是鉆桿關(guān)鍵性能參數(shù)。 為了提高測量數(shù)據(jù)的準確性，研究分析了鉆桿額定扭矩測量的影響因素，建立不確定度數(shù)學模型，并以φ73 mm 坑道鉆探用鉆桿為研究對象，進行分量標準不確定度評定、合成以及擴展標準不確定度計算評定， 并通過En 值對企業(yè)實驗室測試數(shù)據(jù)進行了比對。本文的研究為準確評價坑道鉆探用鉆桿額定扭矩測量結(jié)果提供了可行性方法。