坑道鉆機(jī)斜面增力式定向制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

陳亮

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

全液壓坑道鉆機(jī)定向制動(dòng)裝置是定向鉆機(jī)實(shí)施定向鉆進(jìn)工藝時(shí)的重要裝置，目前主要應(yīng)用的有斜面增力式定向裝置和摩擦盤(pán)式定向裝置2 種。其功能為在煤礦井下定向鉆進(jìn)施工過(guò)程中，將動(dòng)力頭中的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)抱死，使主軸制動(dòng)，起到控制孔底螺桿馬達(dá)彎頭方向，以及克服孔底螺桿馬達(dá)反扭矩的作用。該裝置是否持續(xù)安全工作，必然會(huì)對(duì)定向鉆進(jìn)施工的有效運(yùn)行產(chǎn)生影響。

目前，比較成熟可靠的動(dòng)力頭定向制動(dòng)裝置主要有斜面增力式定向制動(dòng)裝置與摩擦盤(pán)式定向制動(dòng)裝置2 種。本文主要通過(guò)對(duì)斜面增力式定向裝置和摩擦盤(pán)式定向裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理的分析，確定定向制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)要求及基本技術(shù)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)定向制動(dòng)裝置的主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步分析及應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和模型，并對(duì)裝置的卡瓦和制動(dòng)軸應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)定向制動(dòng)裝置的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

斜面增力式定向制動(dòng)裝置廣泛應(yīng)用于煤礦井下坑道鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)形式多采用油壓夾緊彈簧松開(kāi)式結(jié)構(gòu)，利用壓力油作夾緊動(dòng)力，通過(guò)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變力的方向和大小，使卡瓦執(zhí)行夾緊動(dòng)作。具有動(dòng)作迅速，操作輕便，易于控制等優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，維修要求高。

斜面增力式向制動(dòng)裝置主要由3 部分組成：（1）夾緊元件—卡瓦，執(zhí)行夾緊動(dòng)作，靠中間機(jī)構(gòu)傳來(lái)的正壓力產(chǎn)生夾緊力，從而傳遞軸向運(yùn)動(dòng)和軸向力。（2）中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。楔鐵夾緊機(jī)構(gòu)，是一個(gè)增力機(jī)構(gòu)，其任務(wù)是改變作用力的方向和大小。它能將軸向運(yùn)動(dòng)和力，傳給夾緊元件，產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)和夾持力，并且有增力作用。為了增加夾緊后的可靠性，還具有自鎖功能。（3）夾緊動(dòng)力裝置：產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)與軸向力。其他零部件設(shè)計(jì)過(guò)程不再贅述，斜面增力式定向制動(dòng)裝置三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 斜面增力式定向制動(dòng)裝置三維結(jié)構(gòu)

2 裝置仿真分析

2.1 有限元模型的搭建

卡瓦和制動(dòng)軸是斜面增力式定向制動(dòng)裝置中的關(guān)鍵零件，是實(shí)現(xiàn)斜面增力與定向制動(dòng)的主要零件。在定向制動(dòng)的各主要工作進(jìn)程(回轉(zhuǎn)、伸出及夾緊)中，它是傳遞作用力的主要零件，需要承受扭矩、壓力、拉力。其力學(xué)性能決定了斜面增力式定向制動(dòng)裝置的工作性能?；谟邢拊碚?，為了確保定向制動(dòng)裝置工作性能的可靠性，運(yùn)用有限元的分析軟件Abaqus 對(duì)卡瓦和制動(dòng)軸進(jìn)行剛度和強(qiáng)度校核。利用Abaqus 進(jìn)行分析，通常包括前處理（Abaqus/CAE）、模擬計(jì)算（Abaqus/Standard 或Abaqus/Explicit）和后處理（Abaqus/CAE）3 部分。

目前，卡瓦設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要有光面、橫向切槽、橫豎向溝槽（摩擦系數(shù)0.1）3 種結(jié)構(gòu)形式。從理論上進(jìn)行分析，光面卡瓦磨損量小，對(duì)液壓系統(tǒng)和軸承的運(yùn)行影響小，夾緊力也相對(duì)較??；橫豎向溝槽的夾緊時(shí)塑性變形大，夾緊力大，但是磨損量也較大；橫向切槽的效果應(yīng)該居于兩者之中。接下來(lái)，以橫向切槽結(jié)構(gòu)的卡瓦為例進(jìn)行仿真研究。

2.2 單元選擇與網(wǎng)格劃分

根據(jù)裝配圖在Abaqus 環(huán)境下裝配，應(yīng)用Mesh 模塊生成有限元網(wǎng)格，為保證計(jì)算的時(shí)間成本，采用種子劃分，通過(guò)希望得到的單元尺寸或者沿著每條邊上劃分的單元數(shù)目，確定種子數(shù)目，然后對(duì)部件實(shí)體進(jìn)行劃分網(wǎng)格，對(duì)制動(dòng)軸進(jìn)行采用C3D8R 網(wǎng)劃分，最終生成節(jié)點(diǎn)28443 個(gè)，網(wǎng)格25155 個(gè)；對(duì)卡瓦進(jìn)行采用C3D4 網(wǎng)劃分，最終生成節(jié)點(diǎn)4440 個(gè)，網(wǎng)格21804 個(gè)。有限元網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

2.3 載荷與邊界條件確定

在Load 模塊下，根據(jù)鉆機(jī)定向制動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)給定壓力，3 塊卡瓦法向均施加11200N，添加邊界條件，將3 塊卡瓦各自按摩擦面法向方向建立參考坐標(biāo)系，設(shè)定主軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，并根據(jù)坐標(biāo)系約束其5 個(gè)方向的自由度，只釋放摩擦面切向方向自由度。摩擦系數(shù)0.1，即約束RP1 五個(gè)方向自由度，釋放Y 軸旋轉(zhuǎn)自由度。兩者接觸面之間存在動(dòng)摩擦力，用來(lái)阻止卡瓦與制動(dòng)軸的切向運(yùn)動(dòng)。

3 有限元結(jié)果及分析

當(dāng)模型建立、網(wǎng)格劃分、載荷及邊界條件的確定等一系列前處理工作完成后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查分析，確保沒(méi)有任何錯(cuò)誤信息，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤或警告時(shí)，需要及時(shí)進(jìn)行修改，最后通過(guò)Abaqus/CAE 進(jìn)行后處理，并通過(guò)Visualization模塊進(jìn)行觀察分析，卡瓦、制動(dòng)軸剛度分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)空間等效位移圖

從圖2 中可知，卡瓦與制動(dòng)軸的系統(tǒng)空間位移變化趨勢(shì)，卡瓦的應(yīng)變?yōu)?.06mm，同時(shí)在滑動(dòng)制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)軸滑動(dòng)位移為5.98mm，這是仿真過(guò)程中由于制動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的位移，均滿足本結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)要求。

卡瓦、制動(dòng)軸強(qiáng)度分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)整體等效應(yīng)力分布圖

從圖3 中可知，卡瓦和制動(dòng)軸的等效應(yīng)力變化趨勢(shì)，其中等效應(yīng)力最大值為162.6MPa，出現(xiàn)在卡瓦尖角處，卡瓦摩擦面處應(yīng)力為97.46MPa，均小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

同理，利用上述分析方法可以對(duì)光面、橫豎向溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析研究，具體操作步驟這里不再贅述，在本次仿真分析中，將分析步數(shù)分為20 個(gè)階段，并對(duì)每個(gè)階段扭矩計(jì)算，此時(shí)產(chǎn)生的是滑動(dòng)摩擦矩，并且滑動(dòng)摩擦力比靜摩擦力小，所以如果動(dòng)摩擦矩滿足設(shè)計(jì)要求，靜摩擦矩一定也滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)比光面、橫向切槽、橫豎向溝槽動(dòng)摩擦矩?cái)?shù)據(jù)，動(dòng)摩擦扭矩計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 扭矩計(jì)算結(jié)果示意圖

可以得出光面結(jié)構(gòu)相應(yīng)的動(dòng)摩擦矩均值為770.7N·m，橫向切槽相對(duì)應(yīng)的動(dòng)摩擦矩均值為789.3N·m，橫豎向溝槽相對(duì)應(yīng)的動(dòng)摩擦矩均值為802N·m。三種結(jié)構(gòu)均大于690N·m，滿足設(shè)計(jì)要求，但是考慮到一定的安全系數(shù)，保證系統(tǒng)在小幅度超載情況下仍能正常工作，并且具有一定的使用壽命，降低后期維修維護(hù)成本，所以最終選用橫向切槽結(jié)構(gòu)?？梢缘玫饺缦陆Y(jié)果。

（1）卡瓦、制動(dòng)軸剛度結(jié)果分析?？ㄍ邞?yīng)變?yōu)?.06mm，制動(dòng)軸滑動(dòng)位移為5.98mm，均滿足本結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)要求。

（2）卡瓦、制動(dòng)軸強(qiáng)度結(jié)果分析。最大應(yīng)力出現(xiàn)在卡瓦尖角處，等效應(yīng)力最大值為162.6MPa，小于材料的許用應(yīng)力，表明卡瓦、制動(dòng)軸強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）卡瓦、制動(dòng)軸扭矩計(jì)算結(jié)果。光面結(jié)構(gòu)相應(yīng)的動(dòng)摩擦矩均值為770.7N·m，橫向切槽相對(duì)應(yīng)的動(dòng)摩擦矩均值為789.3N·m，橫豎向溝槽相對(duì)應(yīng)的動(dòng)摩擦矩均值為802N·m，靜摩擦矩比動(dòng)摩擦矩大，經(jīng)過(guò)綜合分析比較，最終選擇橫向切槽結(jié)構(gòu)。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)所用鉆機(jī)是中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制生產(chǎn)的ZDY6000LD 履帶式全液壓定向鉆機(jī)，該型號(hào)定向鉆機(jī)加裝的斜面增力式定向制動(dòng)裝置，試驗(yàn)用泥漿泵為衡陽(yáng)探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的BW-320 型泥漿泵，鉆桿是Φ73mm 中心通纜鉆桿，鉆頭是Φ96mm 四翼平底式鉆頭，本次試驗(yàn)在新景煤礦蘆南二區(qū)北八A 鉆場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)煤層為3#煤層。本次試驗(yàn)任務(wù)，共定向施工主孔1 個(gè)、分支孔7 個(gè)，試驗(yàn)總進(jìn)尺1202m。其中主孔孔深405m；1-1 號(hào)分支孔孔深195m；1-2 號(hào)分支孔孔深126m；1-3 號(hào)分支孔孔深65m；1-4 號(hào)分支孔孔深102m；1-5 號(hào)分支孔孔深102m；1-6 號(hào)分支孔孔深105m；1-7 號(hào)分支孔孔深102m，整個(gè)鉆孔施工期間給進(jìn)和起拔壓力均正常，泥漿泵壓力正常，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行良好，穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）完成了斜面增力式定向制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為定向制動(dòng)裝置的進(jìn)一步分析及應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)和模型。

（2）利用有限元分析軟件Abaqus 對(duì)斜面增力式定向制動(dòng)裝置的工作狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)卡瓦和制動(dòng)軸的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，對(duì)比了光面、橫向切槽、橫豎向溝槽三種形式的卡瓦結(jié)構(gòu)形式，對(duì)卡瓦、制動(dòng)軸剛度、強(qiáng)度以及動(dòng)摩擦矩的變化情況進(jìn)行了分析。

（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了斜面增力式定向制動(dòng)裝置的可靠性，測(cè)試了定向制動(dòng)裝置承受反轉(zhuǎn)矩的能力，試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種定向裝置制動(dòng)效果良好，工具面向角控制精確，為定向鉆進(jìn)施工提供了可靠保障。