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(guó)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(zhǎng)、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(wú)法比擬的效果。近年來(lái),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(dòng)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(dòng)裝置的主要作用,是克服孔底馬達(dá)鉆進(jìn)時(shí)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(duì)滑動(dòng)[4]。
煤礦井下定向鉆機(jī),多采用摩擦盤式定向制動(dòng)裝置,用于在定向鉆進(jìn)時(shí)制動(dòng)主軸。其原理是當(dāng)壓力油進(jìn)入油缸,推動(dòng)壓盤擠壓主動(dòng)摩擦片,使主動(dòng)摩擦片與被動(dòng)摩擦片相互接觸,通過增大摩擦力,使得撥盤無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng),從而達(dá)到制動(dòng)主軸的目的。
在設(shè)計(jì)過程中,為了校核制動(dòng)裝置的制動(dòng)能力,在有限元仿真軟件Abaqus 中對(duì)制動(dòng)裝置進(jìn)行有限元分析,主要研究制動(dòng)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(dòng)時(shí)的扭矩??傮w思路是使摩擦片勻速轉(zhuǎn)動(dòng),得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、位移及扭矩,該結(jié)果可認(rèn)為是制動(dòng)裝置失效時(shí)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)裝置的制動(dòng)力矩。
計(jì)算模型中簡(jiǎn)化的制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。由主動(dòng)摩擦片1、撥盤2、被動(dòng)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(dòng)摩擦片6片,被動(dòng)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(dòng)裝置
根據(jù)實(shí)際工況可知,制動(dòng)裝置受力時(shí)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(duì)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(dòng)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。
通過添加勻速運(yùn)動(dòng)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(dòng)摩擦片在軸向方向應(yīng)變壓縮量為0.05 mm,考慮到主動(dòng)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)
圖6、圖7、圖8為制動(dòng)裝置等效應(yīng)力云圖,撥盤與主動(dòng)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(dòng)摩擦片最大應(yīng)力為48 MPa,被動(dòng)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(dòng)裝置應(yīng)力云圖
圖7 摩擦片應(yīng)力云圖
圖8 主動(dòng)摩擦片應(yīng)力分布圖
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(gè)階段,得到整個(gè)過程中每個(gè)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(duì)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(gè)制動(dòng)過程中,制動(dòng)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(dòng)能力,是完全可以保證的。
為了驗(yàn)證仿真結(jié)果,對(duì)定向鉆機(jī)制動(dòng)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(dòng)力頭施加反扭矩,模擬定向鉆進(jìn)時(shí)孔底馬達(dá)對(duì)鉆機(jī)所施加的反扭矩,從而檢測(cè)定向制動(dòng)裝置的制動(dòng)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(shí),該鉆機(jī)回轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)輸出扭矩為1 950 N·m,實(shí)驗(yàn)鉆機(jī)的定向制動(dòng)裝置制動(dòng)失效,實(shí)驗(yàn)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器開始轉(zhuǎn)動(dòng)。
通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的對(duì)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(duì)這個(gè)問題,對(duì)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(duì)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(shí)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(dòng)裝置仿真分析時(shí),對(duì)摩擦系數(shù)的選取作參考數(shù)據(jù)。
運(yùn)用有限元方法,對(duì)定向鉆機(jī)制動(dòng)裝置工作過程中的應(yīng)力場(chǎng),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(duì)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(dòng)過程中制動(dòng)盤應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律,得出了具有實(shí)用價(jià)值的摩擦盤扭矩值,為制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要理論依據(jù)。
[1]胡省三,成玉琪.21世紀(jì)前期我國(guó)煤炭科技重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域探討[J].煤炭學(xué)報(bào),2005,30(1):1-7.
[2]石智軍,胡少韻,姚寧平,等.煤礦井下瓦斯抽采(放)鉆孔施工新技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2008.
[3]申寶宏,劉見中,張 弘.我國(guó)煤礦瓦斯治理的技術(shù)對(duì)策[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,(7):673-679.
[4]馮德強(qiáng).鉆機(jī)設(shè)計(jì)[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,1993.
[5]鄔 迪,田宏亮,殷新勝.ZDY6000LD(A)型履帶式全液壓坑道定向鉆進(jìn)鉆機(jī)的設(shè)計(jì)[J].煤炭工程,2011,(1):98-100.
[6]石亦平,周玉蓉.ABAQUS 有限元分析實(shí)例詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.
[7]趙騰倫.ABAQUS6.6 在機(jī)械工程中的應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.
[8]莊 茁.ABAQUS 非線性有限元分析與實(shí)例[M].北京:科學(xué)出版社,2005.