煤矿用定向钻机制动装置的有限元仿真

邵俊杰

（中煤科工集团西安研究院，陕西 西安 710077）

瓦斯抽采（放）既是煤矿瓦斯治理的主要方式之一，也是综合利用瓦斯（煤层气）的基础。通过在煤层中钻孔抽采瓦斯，是煤矿防治瓦斯灾害的根本途径。要提高我国煤矿井下瓦斯的抽采率，在瓦斯抽采（放）矿井大范围推广进水平钻孔定向技术，是一条重要途径。煤矿井下定向钻进，具有主孔距离长、多分支孔布置、瓦斯抽采区域面积大的优点，达到常规短钻孔无法比拟的效果。近年来，已成为煤矿井下瓦斯高效抽采钻孔施工的主要技术途径[1～3]。

制动装置是定向钻机实现定向钻进的主要功能部件。制动装置的主要作用，是克服孔底马达钻进时产生的反扭矩，不仅要求在360°范围内的任意点锁定钻杆，而且要求夹紧迅速、松开彻底，以保证定向钻进施工的顺利进行和定向钻孔的精度控制，从而适应不同方向钻孔的需要。在定向钻进过程中，要求钻杆和卡盘之间，不能产生轴向或径向的相对滑动[4]。

煤矿井下定向钻机，多采用摩擦盘式定向制动装置，用于在定向钻进时制动主轴。其原理是当压力油进入油缸，推动压盘挤压主动摩擦片，使主动摩擦片与被动摩擦片相互接触，通过增大摩擦力，使得拨盘无法转动，从而达到制动主轴的目的。

1 仿真分析

在设计过程中，为了校核制动装置的制动能力，在有限元仿真软件Abaqus 中对制动装置进行有限元分析，主要研究制动装置在液压油压力下的受力状况，以及摩擦盘之间发生滑动时的扭矩。总体思路是使摩擦片匀速转动，得到对应的应力、位移及扭矩，该结果可认为是制动装置失效时产生相对运动的等效结果。从理论上讲，仿真分析得到的扭矩数值，等于该制动装置的制动力矩。

计算模型中简化的制动装置结构如图1所示。由主动摩擦片1、拨盘2、被动摩擦片3、压盘4 等组成。使用Solid Eage 三维建模软件搭建3D模型，其中主动摩擦片6片，被动摩擦片5片。装配完成后，导出到有限元仿真软件Abaqus 中进行下一步计算。

图1 制动装置

根据实际工况可知，制动装置受力时油压为3 MPa；考虑摩擦片浸在液压油中，摩擦系数取0.05。首先，根据零件材料确定材料参数E=210 000 MPa，泊松比μ =0.3；依据装配图在Abaqus 环境下进行装配；考虑计算结果的精度和模型，全部零件均采用6面体8 节点减积分三维实体单元进行网格划分，并对摩擦片进行网格细化，其中摩擦片网格应在4 层以上，如图2所示。

图2 有限元网格模型

根据实际工况添加边界条件，固定被动摩擦盘内侧，以及端盖下表面，如图3和图4所示。

图3 定义边界条件

图4 定义接触

为保证扭矩的正确传递，建立参考点，然后将参考点与内侧设置刚性连接，并在参考点上施加约束。由于分析中主要考虑零件间的接触作用，在接触的部位设置接触，并定义接触属性，最终提交分析。

2 计算结果

2.1 摩擦片刚度分析结果

通过添加匀速运动载荷及设置分析类型等步骤，提交计算，得到摩擦片刚度计算结果如图5所示，主动摩擦片在轴向方向应变压缩量为0.05 mm，考虑到主动摩擦片初始厚度为3 mm，摩擦片刚度满足设计要求。

图5 摩擦片位移（U2方向）

2.2 摩擦盘强度分析结果

图6、图7、图8为制动装置等效应力云图，拨盘与主动摩擦片接触槽底部应力较大，其等效应力最大处为82 MPa，小于材料的许用应力。其中主动摩擦片最大应力为48 MPa，被动摩擦片最大应力为51.3 MPa，强度分析结果表明摩擦盘设计满足强度要求。

图6 制动装置应力云图

图7 摩擦片应力云图

图8 主动摩擦片应力分布图

2.3 摩擦盘扭矩计算结果

在本次仿真分析中，为了使扭矩计算结果较为精准，将分析过程在求解器中设置为20个阶段，得到整个过程中每个阶段的扭矩值，经过计算，扭矩均值为1 273.8 N·m。通过对得出的扭距离散数据进行多项式拟合处理，得到扭矩曲线如图9所示。

图9 摩擦盘扭矩曲线

结果表明，在整个制动过程中，制动装置的扭矩一直维持在1 200 N·m 左右，孔底马达所施加的反扭矩最大为700 N·m，满足设计要求。并且正常工况下，孔底马达所施加的反扭矩要远小于700 MPa，所以计算得到的定向装置的制动能力，是完全可以保证的。

3 物理模拟实验

为了验证仿真结果，对定向钻机制动装置进行了物理模拟实验。方案如下：

采用同类钻机作为扭矩输入钻机，通过联接钻杆向实验钻机动力头施加反扭矩，模拟定向钻进时孔底马达对钻机所施加的反扭矩，从而检测定向制动装置的制动效果。实验结果表明，扭矩钻机回转压力达到16.34 MPa 时，该钻机回转对应输出扭矩为1 950 N·m，实验钻机的定向制动装置制动失效，实验钻机回转器开始转动。

通过实验数据和仿真结果的对比，两者存在偏差较大。结果分析，仿真结果更加保守，针对这个问题，对有限元模型进行检查，原因是由于分析模型中，摩擦系数从设计角度考虑，取最小值0.05，从而使计算中的摩擦力小于实际摩擦力。通过实验得到的数据，对模型中摩擦系数进行修正后，重新计算，当摩擦系数为0.07的时候，计算结果中扭矩为1 913.6 N·m，与实验结果近似，可作为今后该系列钻机制动装置仿真分析时，对摩擦系数的选取作参考数据。

4 结束语

运用有限元方法，对定向钻机制动装置工作过程中的应力场，进行了数值模拟，得到定向装置的应力分布及扭矩数值，通过物理模拟试验，验证其结果的正确性，并根据结果修正了模型中的摩擦系数，对以后类似的分析提供了参考。从设计角度考虑，此次分析结果合理，揭示了制动过程中制动盘应力场的分布规律，得出了具有实用价值的摩擦盘扭矩值，为制动装置结构设计提供了重要理论依据。

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