煤礦用定向鉆機制動裝置的有限元仿真

邵俊杰

（中煤科工集團西安研究院，陜西 西安 710077）

瓦斯抽采（放）既是煤礦瓦斯治理的主要方式之一，也是綜合利用瓦斯（煤層氣）的基礎。通過在煤層中鉆孔抽采瓦斯，是煤礦防治瓦斯災害的根本途徑。要提高我國煤礦井下瓦斯的抽采率，在瓦斯抽采（放）礦井大范圍推廣進水平鉆孔定向技術，是一條重要途徑。煤礦井下定向鉆進，具有主孔距離長、多分支孔布置、瓦斯抽采區域面積大的優點，達到常規短鉆孔無法比擬的效果。近年來，已成為煤礦井下瓦斯高效抽采鉆孔施工的主要技術途徑[1～3]。

制動裝置是定向鉆機實現定向鉆進的主要功能部件。制動裝置的主要作用，是克服孔底馬達鉆進時產生的反扭矩，不僅要求在360°范圍內的任意點鎖定鉆桿，而且要求夾緊迅速、松開徹底，以保證定向鉆進施工的順利進行和定向鉆孔的精度控制，從而適應不同方向鉆孔的需要。在定向鉆進過程中，要求鉆桿和卡盤之間，不能產生軸向或徑向的相對滑動[4]。

煤礦井下定向鉆機，多采用摩擦盤式定向制動裝置，用于在定向鉆進時制動主軸。其原理是當壓力油進入油缸，推動壓盤擠壓主動摩擦片，使主動摩擦片與被動摩擦片相互接觸，通過增大摩擦力，使得撥盤無法轉動，從而達到制動主軸的目的。

1 仿真分析

在設計過程中，為了校核制動裝置的制動能力，在有限元仿真軟件Abaqus 中對制動裝置進行有限元分析，主要研究制動裝置在液壓油壓力下的受力狀況，以及摩擦盤之間發生滑動時的扭矩。總體思路是使摩擦片勻速轉動，得到對應的應力、位移及扭矩，該結果可認為是制動裝置失效時產生相對運動的等效結果。從理論上講，仿真分析得到的扭矩數值，等于該制動裝置的制動力矩。

計算模型中簡化的制動裝置結構如圖1所示。由主動摩擦片1、撥盤2、被動摩擦片3、壓盤4 等組成。使用Solid Eage 三維建模軟件搭建3D模型，其中主動摩擦片6片，被動摩擦片5片。裝配完成后，導出到有限元仿真軟件Abaqus 中進行下一步計算。

圖1 制動裝置

根據實際工況可知，制動裝置受力時油壓為3 MPa；考慮摩擦片浸在液壓油中，摩擦系數取0.05。首先，根據零件材料確定材料參數E=210 000 MPa，泊松比μ =0.3；依據裝配圖在Abaqus 環境下進行裝配；考慮計算結果的精度和模型，全部零件均采用6面體8 節點減積分三維實體單元進行網格劃分，并對摩擦片進行網格細化，其中摩擦片網格應在4 層以上，如圖2所示。

圖2 有限元網格模型

根據實際工況添加邊界條件，固定被動摩擦盤內側，以及端蓋下表面，如圖3和圖4所示。

圖3 定義邊界條件

圖4 定義接觸

為保證扭矩的正確傳遞，建立參考點，然后將參考點與內側設置剛性連接，并在參考點上施加約束。由于分析中主要考慮零件間的接觸作用，在接觸的部位設置接觸，并定義接觸屬性，最終提交分析。

2 計算結果

2.1 摩擦片剛度分析結果

通過添加勻速運動載荷及設置分析類型等步驟，提交計算，得到摩擦片剛度計算結果如圖5所示，主動摩擦片在軸向方向應變壓縮量為0.05 mm，考慮到主動摩擦片初始厚度為3 mm，摩擦片剛度滿足設計要求。

圖5 摩擦片位移（U2方向）

2.2 摩擦盤強度分析結果

圖6、圖7、圖8為制動裝置等效應力云圖，撥盤與主動摩擦片接觸槽底部應力較大，其等效應力最大處為82 MPa，小于材料的許用應力。其中主動摩擦片最大應力為48 MPa，被動摩擦片最大應力為51.3 MPa，強度分析結果表明摩擦盤設計滿足強度要求。

圖6 制動裝置應力云圖

圖7 摩擦片應力云圖

圖8 主動摩擦片應力分布圖

2.3 摩擦盤扭矩計算結果

在本次仿真分析中，為了使扭矩計算結果較為精準，將分析過程在求解器中設置為20個階段，得到整個過程中每個階段的扭矩值，經過計算，扭矩均值為1 273.8 N·m。通過對得出的扭距離散數據進行多項式擬合處理，得到扭矩曲線如圖9所示。

圖9 摩擦盤扭矩曲線

結果表明，在整個制動過程中，制動裝置的扭矩一直維持在1 200 N·m 左右，孔底馬達所施加的反扭矩最大為700 N·m，滿足設計要求。并且正常工況下，孔底馬達所施加的反扭矩要遠小于700 MPa，所以計算得到的定向裝置的制動能力，是完全可以保證的。

3 物理模擬實驗

為了驗證仿真結果，對定向鉆機制動裝置進行了物理模擬實驗。方案如下：

采用同類鉆機作為扭矩輸入鉆機，通過聯接鉆桿向實驗鉆機動力頭施加反扭矩，模擬定向鉆進時孔底馬達對鉆機所施加的反扭矩，從而檢測定向制動裝置的制動效果。實驗結果表明，扭矩鉆機回轉壓力達到16.34 MPa 時，該鉆機回轉對應輸出扭矩為1 950 N·m，實驗鉆機的定向制動裝置制動失效，實驗鉆機回轉器開始轉動。

通過實驗數據和仿真結果的對比，兩者存在偏差較大。結果分析，仿真結果更加保守，針對這個問題，對有限元模型進行檢查，原因是由于分析模型中，摩擦系數從設計角度考慮，取最小值0.05，從而使計算中的摩擦力小于實際摩擦力。通過實驗得到的數據，對模型中摩擦系數進行修正后，重新計算，當摩擦系數為0.07的時候，計算結果中扭矩為1 913.6 N·m，與實驗結果近似，可作為今后該系列鉆機制動裝置仿真分析時，對摩擦系數的選取作參考數據。

4 結束語

運用有限元方法，對定向鉆機制動裝置工作過程中的應力場，進行了數值模擬，得到定向裝置的應力分布及扭矩數值，通過物理模擬試驗，驗證其結果的正確性，并根據結果修正了模型中的摩擦系數，對以后類似的分析提供了參考。從設計角度考慮，此次分析結果合理，揭示了制動過程中制動盤應力場的分布規律，得出了具有實用價值的摩擦盤扭矩值，為制動裝置結構設計提供了重要理論依據。

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