坑道钻机斜面增力式定向制动装置结构设计研究

陈亮

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

全液压坑道钻机定向制动装置是定向钻机实施定向钻进工艺时的重要装置，目前主要应用的有斜面增力式定向装置和摩擦盘式定向装置2 种。其功能为在煤矿井下定向钻进施工过程中，将动力头中的齿轮传动系统进行制动抱死，使主轴制动，起到控制孔底螺杆马达弯头方向，以及克服孔底螺杆马达反扭矩的作用。该装置是否持续安全工作，必然会对定向钻进施工的有效运行产生影响。

目前，比较成熟可靠的动力头定向制动装置主要有斜面增力式定向制动装置与摩擦盘式定向制动装置2 种。本文主要通过对斜面增力式定向装置和摩擦盘式定向装置的结构及工作原理的分析，确定定向制动装置的设计要求及基本技术参数，并在此基础上对定向制动装置的主要零部件进行设计，为进一步分析及应用提供数据和模型，并对装置的卡瓦和制动轴应力场进行有限元分析，通过现场试验对定向制动装置的可靠性进行验证。

1 装置结构设计

斜面增力式定向制动装置广泛应用于煤矿井下坑道钻机回转系统中，结构形式多采用油压夹紧弹簧松开式结构，利用压力油作夹紧动力，通过中间传动机构改变力的方向和大小，使卡瓦执行夹紧动作。具有动作迅速，操作轻便，易于控制等优点，但结构较为复杂，维修要求高。

斜面增力式向制动装置主要由3 部分组成：（1）夹紧元件—卡瓦，执行夹紧动作，靠中间机构传来的正压力产生夹紧力，从而传递轴向运动和轴向力。（2）中间传动机构。楔铁夹紧机构，是一个增力机构，其任务是改变作用力的方向和大小。它能将轴向运动和力，传给夹紧元件，产生径向运动和夹持力，并且有增力作用。为了增加夹紧后的可靠性，还具有自锁功能。（3）夹紧动力装置：产生轴向运动与轴向力。其他零部件设计过程不再赘述，斜面增力式定向制动装置三维结构如图1 所示。

图1 斜面增力式定向制动装置三维结构

2 装置仿真分析

2.1 有限元模型的搭建

卡瓦和制动轴是斜面增力式定向制动装置中的关键零件，是实现斜面增力与定向制动的主要零件。在定向制动的各主要工作进程(回转、伸出及夹紧)中，它是传递作用力的主要零件，需要承受扭矩、压力、拉力。其力学性能决定了斜面增力式定向制动装置的工作性能。基于有限元理论，为了确保定向制动装置工作性能的可靠性，运用有限元的分析软件Abaqus 对卡瓦和制动轴进行刚度和强度校核。利用Abaqus 进行分析，通常包括前处理（Abaqus/CAE）、模拟计算（Abaqus/Standard 或Abaqus/Explicit）和后处理（Abaqus/CAE）3 部分。

目前，卡瓦设计结构主要有光面、横向切槽、横竖向沟槽（摩擦系数0.1）3 种结构形式。从理论上进行分析，光面卡瓦磨损量小，对液压系统和轴承的运行影响小，夹紧力也相对较小；横竖向沟槽的夹紧时塑性变形大，夹紧力大，但是磨损量也较大；横向切槽的效果应该居于两者之中。接下来，以横向切槽结构的卡瓦为例进行仿真研究。

2.2 单元选择与网格划分

根据装配图在Abaqus 环境下装配，应用Mesh 模块生成有限元网格，为保证计算的时间成本，采用种子划分，通过希望得到的单元尺寸或者沿着每条边上划分的单元数目，确定种子数目，然后对部件实体进行划分网格，对制动轴进行采用C3D8R 网划分，最终生成节点28443 个，网格25155 个；对卡瓦进行采用C3D4 网划分，最终生成节点4440 个，网格21804 个。有限元网格划分如图3 所示。

2.3 载荷与边界条件确定

在Load 模块下，根据钻机定向制动装置液压系统给定压力，3 块卡瓦法向均施加11200N，添加边界条件，将3 块卡瓦各自按摩擦面法向方向建立参考坐标系，设定主轴匀速转动，并根据坐标系约束其5 个方向的自由度，只释放摩擦面切向方向自由度。摩擦系数0.1，即约束RP1 五个方向自由度，释放Y 轴旋转自由度。两者接触面之间存在动摩擦力，用来阻止卡瓦与制动轴的切向运动。

3 有限元结果及分析

当模型建立、网格划分、载荷及边界条件的确定等一系列前处理工作完成后，需要对数据进行检查分析，确保没有任何错误信息，当出现错误或警告时，需要及时进行修改，最后通过Abaqus/CAE 进行后处理，并通过Visualization模块进行观察分析，卡瓦、制动轴刚度分析结果如图2 所示。

图2 系统空间等效位移图

从图2 中可知，卡瓦与制动轴的系统空间位移变化趋势，卡瓦的应变为0.06mm，同时在滑动制动过程中，制动轴滑动位移为5.98mm，这是仿真过程中由于制动轴旋转而产生的位移，均满足本结构的刚度设计要求。

卡瓦、制动轴强度分析结果如图3 所示。

图3 系统整体等效应力分布图

从图3 中可知，卡瓦和制动轴的等效应力变化趋势，其中等效应力最大值为162.6MPa，出现在卡瓦尖角处，卡瓦摩擦面处应力为97.46MPa，均小于材料的许用应力，满足强度设计要求。

同理，利用上述分析方法可以对光面、横竖向沟槽结构进行有限元分析研究，具体操作步骤这里不再赘述，在本次仿真分析中，将分析步数分为20 个阶段，并对每个阶段扭矩计算，此时产生的是滑动摩擦矩，并且滑动摩擦力比静摩擦力小，所以如果动摩擦矩满足设计要求，静摩擦矩一定也满足设计要求，对比光面、横向切槽、横竖向沟槽动摩擦矩数据，动摩擦扭矩计算结果如图4 所示。

图4 扭矩计算结果示意图

可以得出光面结构相应的动摩擦矩均值为770.7N·m，横向切槽相对应的动摩擦矩均值为789.3N·m，横竖向沟槽相对应的动摩擦矩均值为802N·m。三种结构均大于690N·m，满足设计要求，但是考虑到一定的安全系数，保证系统在小幅度超载情况下仍能正常工作，并且具有一定的使用寿命，降低后期维修维护成本，所以最终选用横向切槽结构。可以得到如下结果。

（1）卡瓦、制动轴刚度结果分析。卡瓦应变为0.06mm，制动轴滑动位移为5.98mm，均满足本结构的刚度设计要求。

（2）卡瓦、制动轴强度结果分析。最大应力出现在卡瓦尖角处，等效应力最大值为162.6MPa，小于材料的许用应力，表明卡瓦、制动轴强度满足设计要求。

（3）卡瓦、制动轴扭矩计算结果。光面结构相应的动摩擦矩均值为770.7N·m，横向切槽相对应的动摩擦矩均值为789.3N·m，横竖向沟槽相对应的动摩擦矩均值为802N·m，静摩擦矩比动摩擦矩大，经过综合分析比较，最终选择横向切槽结构。

4 现场试验

试验所用钻机是中煤科工集团西安研究院有限公司研制生产的ZDY6000LD 履带式全液压定向钻机，该型号定向钻机加装的斜面增力式定向制动装置，试验用泥浆泵为衡阳探矿机械厂生产的BW-320 型泥浆泵，钻杆是Φ73mm 中心通缆钻杆，钻头是Φ96mm 四翼平底式钻头，本次试验在新景煤矿芦南二区北八A 钻场进行，试验煤层为3#煤层。本次试验任务，共定向施工主孔1 个、分支孔7 个，试验总进尺1202m。其中主孔孔深405m；1-1 号分支孔孔深195m；1-2 号分支孔孔深126m；1-3 号分支孔孔深65m；1-4 号分支孔孔深102m；1-5 号分支孔孔深102m；1-6 号分支孔孔深105m；1-7 号分支孔孔深102m，整个钻孔施工期间给进和起拔压力均正常，泥浆泵压力正常，随钻测量系统运行良好，稳定可靠。

5 结语

（1）完成了斜面增力式定向制动装置的结构设计，为定向制动装置的进一步分析及应用提供了数据和模型。

（2）利用有限元分析软件Abaqus 对斜面增力式定向制动装置的工作状态和运动行为进行模拟仿真，并对卡瓦和制动轴的应力场进行有限元分析，对比了光面、横向切槽、横竖向沟槽三种形式的卡瓦结构形式，对卡瓦、制动轴刚度、强度以及动摩擦矩的变化情况进行了分析。

（3）通过现场试验，进一步验证了斜面增力式定向制动装置的可靠性，测试了定向制动装置承受反转矩的能力，试验结果表明，两种定向装置制动效果良好，工具面向角控制精确，为定向钻进施工提供了可靠保障。