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(xiàn)階段礦井瓦斯抽采以及鉆孔施工的關(guān)鍵技術(shù)措施，定向鉆進技術(shù)由于其具有鉆進距離遠、鉆孔精度高以及施工效率快等優(yōu)勢而被煤礦企業(yè)廣泛應用[1]。而定向制動裝置又是井下坑道實現(xiàn)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(nèi)準確且穩(wěn)定地固定住鉆機，而且要抵消施工過程中鉆機產(chǎn)生的反向轉(zhuǎn)矩的作用，防止鉆機出現(xiàn)滑動導致施工不穩(wěn)定。在石油鉆機領(lǐng)域，摩擦盤式定向制動裝置由于其具備結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(tài)的影響。在對其結(jié)構(gòu)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(xù)恒定，整個機構(gòu)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(jié)構(gòu)造成損傷；占地小、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 摩擦盤式定向制動裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖

這種裝置結(jié)構(gòu)是服務于煤礦巷道鉆機的，其主要憑借油壓產(chǎn)生的軸向壓力來驅(qū)使安裝在制動盤表面的主動摩擦片順著其軸向方向產(chǎn)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(yè)的過程中，隨著鉆機的轉(zhuǎn)動會使得兩個摩擦片之間的摩擦力加大，從而對主軸產(chǎn)生了一個制動效果，抵消反向轉(zhuǎn)矩的作用，無法使其產(chǎn)生沿軸表面的相對滑動。該裝置結(jié)構(gòu)沒有任何彎矩的產(chǎn)生，依靠很簡單的結(jié)構(gòu)就可以產(chǎn)生出強大的制動能力。

1.1 摩擦片參數(shù)的確定

針對鉆機定向制動裝置結(jié)構(gòu)的設計核心是摩擦片大小的確定[3]，現(xiàn)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(zhuǎn)矩為700 N·m，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，摩擦片的材質(zhì)主要是由淬火鋼制成的，其硬度（HRC）在56～62 范圍內(nèi)，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(jù)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(zhì)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(nèi)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(shù)。將摩擦片的對數(shù)記為i，其計算公式如下：

式中：M 為摩擦片的傳遞轉(zhuǎn)矩；K 為摩擦片的接觸系數(shù)，取3；f 為摩擦因數(shù)，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(guān)參數(shù)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(zhuǎn)矩的驗算

出于設計思維嚴謹?shù)姆矫婵紤]，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(zhuǎn)矩[Mn]，其表達式如下：

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

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2）得：[Mn]=1 103.4 N·m，其值超過了螺桿馬達對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的最大反向轉(zhuǎn)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(nèi)容為制動裝置在液壓油作用下的受力狀態(tài)以及裝置在工作時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)，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(jié)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(nèi)側(cè)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(zhuǎn)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(fā)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(jié)果分析

在經(jīng)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(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)應力較大的區(qū)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(yè)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(jié)構(gòu)較復雜，具有1～3 層夾矸，主要為砂質(zhì)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(wěn)定性較差；煤層底板主要由泥巖、細砂巖和碳質(zhì)泥巖組成，整體結(jié)構(gòu)松散易碎。

對于現(xiàn)場的工業(yè)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(diào)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(diào)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)，見表1。由表1可知，鉆進前后工具面向角會產(chǎn)生變化，這主要是由于受到反向轉(zhuǎn)矩的作用而使設備出現(xiàn)形變所致，這一點不容忽視。

表1 主鉆孔部分測量數(shù)據(jù)

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(chǎn)生相對滑動，可以起到很好的制動效果。通過準確調(diào)控工具面向角的大小，保障了定向鉆進工作的可靠性。

4 結(jié)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(guān)鍵參數(shù)進行了確定及校核，并采用有限元仿真分析以及現(xiàn)場試驗相結(jié)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(jié)果表明，定向制動裝置在制動過程中可以充分發(fā)揮其可靠性，在使用中未出現(xiàn)滑動以及故障。