煤礦用定向鉆機(jī)制動裝置的有限元仿真

邵俊杰

（中煤科工集團(tuán)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(chǔ)。通過在煤層中鉆孔抽采瓦斯，是煤礦防治瓦斯災(zāi)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(jìn)水平鉆孔定向技術(shù)，是一條重要途徑。煤礦井下定向鉆進(jìn)，具有主孔距離長、多分支孔布置、瓦斯抽采區(qū)域面積大的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到常規(guī)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(shù)途徑[1～3]。

制動裝置是定向鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)的主要功能部件。制動裝置的主要作用，是克服孔底馬達(dá)鉆進(jìn)時產(chǎn)生的反扭矩，不僅要求在360°范圍內(nèi)的任意點(diǎn)鎖定鉆桿，而且要求夾緊迅速、松開徹底，以保證定向鉆進(jìn)施工的順利進(jìn)行和定向鉆孔的精度控制，從而適應(yīng)不同方向鉆孔的需要。在定向鉆進(jìn)過程中，要求鉆桿和卡盤之間，不能產(chǎn)生軸向或徑向的相對滑動[4]。

煤礦井下定向鉆機(jī)，多采用摩擦盤式定向制動裝置，用于在定向鉆進(jìn)時制動主軸。其原理是當(dāng)壓力油進(jìn)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(zhuǎn)動，從而達(dá)到制動主軸的目的。

1 仿真分析

在設(shè)計(jì)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(jìn)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(fā)生滑動時的扭矩。總體思路是使摩擦片勻速轉(zhuǎn)動，得到對應(yīng)的應(yīng)力、位移及扭矩，該結(jié)果可認(rèn)為是制動裝置失效時產(chǎn)生相對運(yùn)動的等效結(jié)果。從理論上講，仿真分析得到的扭矩?cái)?shù)值，等于該制動裝置的制動力矩。

計(jì)算模型中簡化的制動裝置結(jié)構(gòu)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(dǎo)出到有限元仿真軟件Abaqus 中進(jìn)行下一步計(jì)算。

圖1 制動裝置

根據(jù)實(shí)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(shù)取0.05。首先，根據(jù)零件材料確定材料參數(shù)E=210 000 MPa，泊松比μ =0.3；依據(jù)裝配圖在Abaqus 環(huán)境下進(jìn)行裝配；考慮計(jì)算結(jié)果的精度和模型，全部零件均采用6面體8 節(jié)點(diǎn)減積分三維實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對摩擦片進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，其中摩擦片網(wǎng)格應(yīng)在4 層以上，如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

根據(jù)實(shí)際工況添加邊界條件，固定被動摩擦盤內(nèi)側(cè)，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(diǎn)，然后將參考點(diǎn)與內(nèi)側(cè)設(shè)置剛性連接，并在參考點(diǎn)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(shè)置接觸，并定義接觸屬性，最終提交分析。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 摩擦片剛度分析結(jié)果

通過添加勻速運(yùn)動載荷及設(shè)置分析類型等步驟，提交計(jì)算，得到摩擦片剛度計(jì)算結(jié)果如圖5所示，主動摩擦片在軸向方向應(yīng)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(shè)計(jì)要求。

圖5 摩擦片位移（U2方向）

2.2 摩擦盤強(qiáng)度分析結(jié)果

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

圖6 制動裝置應(yīng)力云圖

圖7 摩擦片應(yīng)力云圖

圖8 主動摩擦片應(yīng)力分布圖

2.3 摩擦盤扭矩計(jì)算結(jié)果

在本次仿真分析中，為了使扭矩計(jì)算結(jié)果較為精準(zhǔn)，將分析過程在求解器中設(shè)置為20個階段，得到整個過程中每個階段的扭矩值，經(jīng)過計(jì)算，扭矩均值為1 273.8 N·m。通過對得出的扭距離散數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)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(jié)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(dá)所施加的反扭矩最大為700 N·m，滿足設(shè)計(jì)要求。并且正常工況下，孔底馬達(dá)所施加的反扭矩要遠(yuǎn)小于700 MPa，所以計(jì)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(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，對定向鉆機(jī)制動裝置進(jìn)行了物理模擬實(shí)驗(yàn)。方案如下：

采用同類鉆機(jī)作為扭矩輸入鉆機(jī)，通過聯(lián)接鉆桿向?qū)嶒?yàn)鉆機(jī)動力頭施加反扭矩，模擬定向鉆進(jìn)時孔底馬達(dá)對鉆機(jī)所施加的反扭矩，從而檢測定向制動裝置的制動效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，扭矩鉆機(jī)回轉(zhuǎn)壓力達(dá)到16.34 MPa 時，該鉆機(jī)回轉(zhuǎn)對應(yīng)輸出扭矩為1 950 N·m，實(shí)驗(yàn)鉆機(jī)的定向制動裝置制動失效，實(shí)驗(yàn)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器開始轉(zhuǎn)動。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的對比，兩者存在偏差較大。結(jié)果分析，仿真結(jié)果更加保守，針對這個問題，對有限元模型進(jìn)行檢查，原因是由于分析模型中，摩擦系數(shù)從設(shè)計(jì)角度考慮，取最小值0.05，從而使計(jì)算中的摩擦力小于實(shí)際摩擦力。通過實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，對模型中摩擦系數(shù)進(jìn)行修正后，重新計(jì)算，當(dāng)摩擦系數(shù)為0.07的時候，計(jì)算結(jié)果中扭矩為1 913.6 N·m，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果近似，可作為今后該系列鉆機(jī)制動裝置仿真分析時，對摩擦系數(shù)的選取作參考數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

運(yùn)用有限元方法，對定向鉆機(jī)制動裝置工作過程中的應(yīng)力場，進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到定向裝置的應(yīng)力分布及扭矩?cái)?shù)值，通過物理模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證其結(jié)果的正確性，并根據(jù)結(jié)果修正了模型中的摩擦系數(shù)，對以后類似的分析提供了參考。從設(shè)計(jì)角度考慮，此次分析結(jié)果合理，揭示了制動過程中制動盤應(yīng)力場的分布規(guī)律，得出了具有實(shí)用價值的摩擦盤扭矩值，為制動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要理論依據(jù)。

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