全液壓坑道鉆機定向制動裝置的設計及試驗

唐輝輝

（晉能控股裝備制造集團有限公司， 山西 晉城 048006）

0 引言

作為現階段礦井瓦斯抽采以及鉆孔施工的關鍵技術措施，定向鉆進技術由于其具有鉆進距離遠、鉆孔精度高以及施工效率快等優勢而被煤礦企業廣泛應用[1]。而定向制動裝置又是井下坑道實現定向鉆進的重要裝置，其在施工過程中不但要在較短的時間內準確且穩定地固定住鉆機，而且要抵消施工過程中鉆機產生的反向轉矩的作用，防止鉆機出現滑動導致施工不穩定。在石油鉆機領域，摩擦盤式定向制動裝置由于其具備結構簡單、制動能力強以及占地小等特點而被廣泛應用，但是針對井下的坑道施工中還有待研究。所以，本文設計出了一種坑道鉆機摩擦盤式定向制動裝置，為井下的長距離鉆進施工提供保障。

1 鉆機定向制動裝置結構的設計

礦井坑道定向鉆進工作能否順利進行，在一定程度上受到全液壓坑道鉆機定向制動裝置工作狀態的影響。在對其結構進行設計時，應遵循以下原則：裝置在制動過程中其夾持力大小要持續恒定，整個機構具備自鎖功能；制動的過程要迅速徹底，動作完整；制動應力分布要均勻，不能對其結構造成損傷；占地小、結構簡單、使用方便、易于維修[2]。如圖1 所示，為設計的摩擦盤式定向制動裝置的立體結構示意圖。

圖1 摩擦盤式定向制動裝置的立體結構示意圖

這種裝置結構是服務于煤礦巷道鉆機的，其主要憑借油壓產生的軸向壓力來驅使安裝在制動盤表面的主動摩擦片順著其軸向方向產生位移，從而與布置在固定軸上的被動摩擦片相互接觸并緊貼在一起。在礦井鉆機作業的過程中，隨著鉆機的轉動會使得兩個摩擦片之間的摩擦力加大，從而對主軸產生了一個制動效果，抵消反向轉矩的作用，無法使其產生沿軸表面的相對滑動。該裝置結構沒有任何彎矩的產生，依靠很簡單的結構就可以產生出強大的制動能力。

1.1 摩擦片參數的確定

針對鉆機定向制動裝置結構的設計核心是摩擦片大小的確定[3]，現階段礦井的定向鉆機馬達普遍采用的是螺桿馬達，其直徑為73 mm，對制動軸上施加的傳遞轉矩為700 N·m，驅動電機的轉速為1 480 r/min，摩擦片的材質主要是由淬火鋼制成的，其硬度（HRC）在56～62 范圍內，潤滑方式采用濕式潤滑。

1）摩擦片的直徑Dp。對于摩擦片直徑的確定，可根據制動軸的直徑d 來計算獲得，即Dp=（2.5～4.0）d，在摩擦片的工作面確定時，不僅要考慮其能否留有足夠的制動力矩，同時應盡量縮小裝置的體積以及質量。本文將制動軸的直徑d 定為40 mm，取Dp=3d，即摩擦片工作面的平均直徑大小為120 mm。取主動摩擦片內徑D2為0.5Dp=60 mm、被動摩擦片外徑D1為1.25Dp=150 mm。

2）摩擦片的對數。將摩擦片的對數記為i，其計算公式如下：

式中：M 為摩擦片的傳遞轉矩；K 為摩擦片的接觸系數，取3；f 為摩擦因數，取0.05；[k]為允許單位面積壓力大小即壓強，取0.6 MPa。

將相關參數代入式（1）得：i=4.945，對i 取整為5。最終，得到了如圖2 所示的摩擦片的示意圖。

圖2 摩擦片示意圖（單位：mm）

1.2 摩擦片轉矩的驗算

出于設計思維嚴謹的方面考慮，保證所設計的摩擦片在實際應用過程中能達到很好的效果，要校驗其允許傳遞轉矩[Mn]，其表達式如下：

式中：Ki為摩擦片的修正系數，取1；Kv為摩擦片轉速修正系數，取0.60；Kt為摩擦片接觸修正系數，取0.95。

將相關數據代入式（2）得：[Mn]=1 103.4 N·m，其值超過了螺桿馬達對轉軸產生的最大反向轉矩，滿足設計要求。

2 有限元仿真分析

2.1 模型建立

在此次有限元仿真分析中，采用軟件ABAQUS來對定向制動裝置進行有限元仿真分析，具體的研究內容為制動裝置在液壓油作用下的受力狀態以及裝置在工作時產生的轉矩。通過工程實際信息可知，定向制動裝置在受力時，對應的液壓油壓力大小為3 MPa，由于其采用的是濕式潤滑，摩擦因數取0.05。通過建模軟件來對制動裝置進行建模并導入ABAQUS中，依照其實際材料來得到對應的材料參數，彈性模量為206 GPa、泊松比為0.3、容重為7 800 kg/m3。出于對計算結果的準確性考慮，定向制動裝置所涉及的零件都采用實體單元格進行劃分。按照實際工況來對模型的邊界條件進行添加，也就是將被動摩擦片的內側以及端蓋的表面進行約束，同時將固定軸與參考點實行剛性連接并施加約束，以便模型轉矩可以進行準確的傳遞。此外，在整個裝置運行的過程中，各個零件間難免會發生接觸，因此在各個接觸的位置要相應地進行接觸設置，并表明接觸的屬性。最后，檢查補充上述步驟并上傳計算。

2.2 仿真結果分析

在經過上述一系列仿真分析過程后，得到了其具體的等效應力結果，可以發現應力較大的區域聚集在主動摩擦片制動盤接觸的底部，其最大的等效應力可達49.2 MPa，而作用在被動摩擦片的最大應力為50.8 MPa，上述兩應力大小均低于材料的允許應力大小，同時也就意味著設計出的摩擦盤滿足強度要求。此外，主動摩擦片沿著軸向方向的壓縮形變量為0.05 mm，其原始厚度為3 mm，整體形變程度不到2%，說明設計的摩擦片剛度也滿足要求。

3 試驗及效果分析

為了驗證設計的鉆機定向制動裝置相對可靠，以全液壓履帶坑道鉆機為研究對象，在山西某礦開展了一次工業性試驗，針對該礦的灌漿巷道展開定向鉆進的工作，研究煤層為該礦的主采煤層2 號煤層，位于山西組的上部。煤層的賦存結構較復雜，具有1～3 層夾矸，主要為砂質泥巖和粉砂巖。2 號煤層頂板屬于復合頂板，主要由泥巖和粉砂巖組成，穩定性較差；煤層底板主要由泥巖、細砂巖和碳質泥巖組成，整體結構松散易碎。

對于現場的工業性試驗是選用的螺桿馬達作為動力來源開展定向鉆進施工，所謂定向鉆進，也就是對螺桿鉆具的鉆進角度進行控制，進而可以調整鉆機的方位角以及傾斜角度，達到沿某個方向鉆進的效果。隨著鉆孔施工的進行，來對鉆機的角度進行調整以達到試驗的預期要求。此次試驗耗時20 d，螺桿馬達的轉速保持在160～260 r/min，最后得到的鉆孔總長度為1 297 m，主鉆孔深度達700 m。如圖3 所示，為鉆孔的實際鉆探軌跡。此外，還在鉆進施工的過程中記錄了主鉆孔的一部分測量數據，見表1。由表1可知，鉆進前后工具面向角會產生變化，這主要是由于受到反向轉矩的作用而使設備出現形變所致，這一點不容忽視。

表1 主鉆孔部分測量數據

圖3 鉆孔的實際鉆探軌跡

縱觀整個鉆進過程，設計的定向制動裝置在使用過程中沒有產生相對滑動，可以起到很好的制動效果。通過準確調控工具面向角的大小，保障了定向鉆進工作的可靠性。

4 結語

本文為滿足井下的長距離鉆進設備定向鉆進工作的需要，對礦井坑道鉆機的定向制動裝置進行了設計。通過公式對其關鍵參數進行了確定及校核，并采用有限元仿真分析以及現場試驗相結合的方式，對所設計的定向制動裝置的可靠性進行了驗證。其結果表明，定向制動裝置在制動過程中可以充分發揮其可靠性，在使用中未出現滑動以及故障。