瓦斯钻机前动力头装置设计分析

檀润娥，郭文亮，2，冯应恒，2

（1.太原理工大学机械与运载工程学院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重点实验室，山西 太原 030024）

1 引言

在煤炭生产中，瓦斯事故是非常严重的灾害之一，因此对瓦斯合理的抽采显得尤为重要。本煤层抽采是瓦斯抽采的主要形式，不仅可以实现瓦斯的抽采，而且也能消除瓦斯聚集产生的危害。现在利用钻孔来抽采、排放瓦斯是消除煤层与瓦斯突出危险性的主要方法[1]。而打钻技术的高效、合理对于松软煤层瓦斯抽采工作显得尤为重要。

国内外对松软煤层瓦斯钻机的研究非常关注，目前松软煤层瓦斯抽采坑道钻机有2种类型：一种是依靠人工搬运或依靠步履机构来进行短途移动，迁移速度慢，劳动强度大的分体式全液压坑道钻机，最早的有美国长年公司生产的HC-150型钻机；另一种能实现在煤矿井下快速迁移和稳固要求，而且钻进辅助时间短，效率较高的履带式全液压坑道钻机，比较成熟的产品文献[1]。传统的瓦斯钻机在工作时，需要不断地使钻机停机来接续下一根钻杆，这对于已进入煤层的钻具的损害很大，容易使钻杆断裂，而且也会使煤孔壁坍塌，发生安全事故[1-4]。瓦斯钻机自动化前动力头装置[3]，实现对钻杆的夹紧、导向和松开。在此过程中无需停止钻机，避免了由于停钻带来的不利影响，而且也使钻孔的效率有了很大的提高，对改善安全生产条件具有重要的意义[6]。

2 整体结构介绍

前动力头结构三维示意图，如图1所示。该结构由箱体、动力齿轮、调速齿轮、卡盘架、盘丝、卡爪、液压马达、以及传动齿轮等组成。动力齿轮和调速齿轮分别转动地设置在箱体内。

图1 前动力头三维示意图Fig.1 Three-Dimensional Diagram of the Front Power Head

卡盘架位于动力齿轮和调速齿轮之间，第一端面上沿着周向均匀设置有三个卡爪槽，第二端面上沿着内边缘设置有卡盘架凸台。

盘丝转动地套在卡盘架凸台外，第一端面上设置有螺旋槽，第二端面与调速齿轮固定连接。卡爪滑动设置在卡爪槽内，朝向盘丝的侧面上设置有与盘丝的螺旋槽啮合的卡爪牙。前动力头安装于钻机前面，在接续钻杆时，无需停止钻机动力头。

前动力头整体结构的参数，如表1所示。

表1 前动力头整体结构的参数Tab.1 Parameters of Overall Structure of Front Power Head

3 工作原理

前动力头替代目前的夹持器安装于钻机前面，前动力头的结构示意图，如图2所示。

图2 前动力头结构示意图Fig.2 Schematic Diagram of Front Power Head Structure

启动钻机后，钻杆穿过前动力头，调节动力源的输出值，使动力齿轮、调速齿轮的转速与钻杆转速相同，动力齿轮带动卡盘架和卡爪转动，调速齿轮带动盘丝转动，卡盘架以及卡盘架上的卡爪和盘丝之间的相对速度为零，卡爪保持初始状态。在接续钻杆时，保持动力齿轮的转速不变，调节调速齿轮的转速，使盘丝和卡盘架之间产生正向速度差，盘丝相对卡盘架正向转动，与盘丝的螺旋槽啮合的卡爪向内伸出，实现对钻杆的夹紧，将待接续的钻杆接到该钻杆上，再次调节调速齿轮的转速，使盘丝和卡盘架之间产生反向速度差，盘丝相对卡盘架反向转动，与盘丝的螺旋槽啮合的卡爪向外伸出，实现对钻杆的松开，在夹紧或松开钻杆的过程中，卡盘架以及卡盘架上的卡爪仍处于与钻杆同步的转动状态，无需停止钻机前动力头。

4 前动力头夹紧力分析

在前动力头中，盘丝所需的扭矩由调速齿轮提供，而卡爪是沿着盘丝平面螺纹而运动的，调速齿轮运动带动盘丝运动，进而使得卡爪夹紧、松开钻杆。

4.1 调速齿轮的受力分析

调速齿轮的受力简图，如图3所示。Mn—驱动力矩，Mf—调速齿轮的摩擦阻力矩，则：

图3 调速齿轮的受力简图Fig.3 Force Diagram of Speed Regulating Gear

式中：f—摩擦系数；T—调速齿轮与盘丝作用力；R1—分度圆半径；θ—齿形压力角。

对调速齿轮轴线O取矩得：

其中，T的切向分量Tt，产生有效夹紧驱动力，则有：

4.2 盘丝的受力分析

盘丝的受力分析图，如图4所示。调速齿轮对盘丝接触压力为T，盘丝平面螺纹受卡爪的法向反力为P、摩擦力FP、T的反作用力产生的盘丝内孔摩擦阻力Fv作用。则有：

图4 盘丝的受力简图Fig.4 Schematic Diagram of Stress on Coiled Wire

式中：Pr—盘丝平面螺纹作用于卡爪牙弧的有效径向驱动力。

4.3 卡爪的受力分析

卡爪的受力分析图，如图5所示。

图5 卡爪的受力简图Fig.5 Schematic Diagram of Clamping Jaw Force

卡爪在盘丝驱动力P′r和夹紧反力F下作逆时针转动，A、B两点与卡盘架导轨接触，在其接触点受到正压力NA、NB和摩擦力fNA，fNB的作用，则有：

综合式（4），式（8），式（12），当输入扭矩Mn时，夹紧力F为：

由文献［8］参考数据知，摩擦力对夹紧力的影响最大，因此在输入一定的扭矩下，减小盘丝与卡爪的摩擦力，对于提高夹紧力有非常大的意义。摩擦系数与夹紧力的关系，如图6所示。

图6 夹紧力与摩擦系数的关系曲线Fig.6 Relation Curve Between Clamping Force and Friction Coefficient

5 前动力头力学性能分析

前动力头在进行钻杆接续的过程中，前动力头需要夹持前一根钻杆，并需要带动钻杆做旋转运动，此时夹持钻杆的卡爪所受的力最为复杂，即受钻杆带来的压力，又受钻杆带来的转矩。因此，需要先对前动力头的整体做力学性能分析，分析前动力头整体力学性能是否满足要求，然后再对前动力头受力最严重部分的卡爪进行力学性能分析，由于卡爪不断地进行夹紧、松开钻杆，所以需要对卡爪进行疲劳寿命分析，验证卡爪是否会发生疲劳破坏。

5.1 整体力学性能分析

首先需要在SolidWorks 中建立前动力头的三维模型，导入ANSYS 进行有限元分析计算。对前动力头的三维模型进行处理，因为前动力头是周期性对称结构，为了使运算简便，节省计算时间。因此在建立模型和求解时，只需选取模型的1/3进行分析。实际工况中，钻机的转矩为（1600～6000）N·m。前动力头装置的材料选用45钢，参数，如表2所示

表2 45钢材料参数Tab.2 45 Steel Material Parameters

对零部件采用自动网格划分，划分以后的节点个数为30973，网格单元格数为15759。定义各重要零件之间的接触关系，卡爪与盘丝定义为不分离，盘丝与调速齿轮定义为绑定，卡爪与卡盘架定义为不分离，盘丝与卡盘架定义为不分离。设置前动力头的输出扭矩为6000N·m。通过ANSYS workbench的静力学分析，前动力头的总变形云图，如图7所示。从图7中可以看出前动力头的整体变形量很小，变形值大部分处于（0～0.01549）mm，最大值约为0.046mm，位于卡爪接触钻杆的部分。

图7 前动力头总变形云图Fig.7 Cloud Atlas of Total Deformation of Front Power Head

前动力头在结构载荷下的总应力云图，如图8所示。从图8中可以看出前动力头大部分等效应力值在（0～21.887）MPa，最大值约为196.97MPa，出现在卡爪与钻杆的接触处。前动力头绝大部分区域的安全系数都很大。

图8 前动力头总应力云图Fig.8 Total Stress Cloud of Front Power Head

根据以上仿真结果可知，在给定的材料下，前动力头装置的最大应力均小于材料的许用应力355MPa，且最大变形都较小，由以上可知，前动力头的设计满足使用要求。

5.2 卡爪的疲劳寿命分析

由整体分析可得，最大应力发生在钻机的卡爪上，为196.97MPa，与假设一致，钻机卡爪为易损件。

由分析得出最大应力没有达到材料的屈服极限，但由于前动力头在工作中卡爪频繁夹紧、松开钻杆，所以不能忽略疲劳破坏的发生。须对前动力头卡爪进行疲劳分析。

在Fatigue tool中的添加Safety Factor和life可以得到前动力头卡爪使用寿命的云图和安全系数云图，如图9、图10所示。

图9 卡爪使用寿命云图Fig.9 Cloud Atlas of Claw Service Life

由图9知，卡爪全部显示为一色，卡爪的最小循环次数为1×106，可知卡爪达到疲劳曲线的无限寿命阶段，故卡爪的使用寿命是良好的。由图10知，前动力头卡爪所受到的最小安全系数为1.3392，此结果比1大，故认为卡爪在夹紧、松开钻杆时是安全的。

图10 卡爪安全系数云图Fig.10 The Nephogram of the Safety Factor of the Claw

6 前动力头实物样机与试验

6.1 前动力头实物样机

经过仿真验证了钻机前动力头的可行性，并对前动力头的运转、夹持、松开及对煤矿下的实际的工作情况进行调查，通过分析数据，制作了一台工作样机，并对该工作样机进行试验，记录其运行情况及效率，最后得出，此样机满足实际要求。前动力头样机，如图11所示。

图11 前动力头的实物样机Fig.11 Physical Prototype of Front Power Head

6.2 前动力头试验

实验室条件下，用60步进电机驱动齿轮转动，前动力头在空负载的情况下能运行顺畅，能够实现设计所要求的夹紧、松开等功能。

然后对其进行接续钻杆的测试，在PLC的控制下，前动力头可以夹持直径为73mm，质量为7kg的模拟钻杆，并可以带动钻杆进行运转与接续工作。

卡爪夹持的范围为（50～110）mm。前动力头动作试验的观察结果，如表3所示。

表3 前动力头动作试验Tab.3 Action Test of Front Power Head

前动力头的运动过程分析：

步进电机在输入一定的转矩的条件下，前动力头在启动10s后，动力齿轮、调速齿轮的转速与钻杆转速相同为2.5r/s，动力齿轮带动卡盘架和卡爪转动，调速齿轮带动盘丝转动，卡盘架以及卡盘架上的卡爪和盘丝之间的相对速度为零，卡爪保持初始状态，运行10s后，在接续钻杆时，保持动力齿轮的转速不变，调节调速齿轮的转速增加，使盘丝和卡盘架之间产生正向速度差，盘丝相对卡盘架正向转动，与盘丝的螺旋槽啮合的卡爪向内伸出，运行5s时，实现对钻杆的夹紧后，再运行5s后，待接续的钻杆刚好接到该钻杆上后，再次调节调速齿轮的转速，使其转速低于初始转速，使盘丝和卡盘架之间产生反向速度差，盘丝相对卡盘架反向转动，与盘丝的螺旋槽啮合的卡爪向外伸出，运行5s后，实现对钻杆的松开。

根据运算得出运动分析图，如图12所示。

图12 系统运动图Fig.12 System Motion Diagram

7 结论

设计了一种瓦斯钻机前动力头装置，该装置能够完成不停机夹紧、松开接续钻杆作业，避免了由于停钻带来的不利影响。

（1）通过对夹紧力的研究，发现摩擦力对前动力头夹紧力的影响较大，应采取适当的措施来降低摩擦力对夹紧力的影响。

（2）通过运用ANSYS workbench对钻机前动力头进行整体有限元仿真，前动力头的整体变形量很小，变形值大部分处于（0～0.01549）mm，最大值约为0.046mm，位于卡爪接触钻杆的部分。前动力头大部分等效应力值在（0～21.887）MPa，最大值约为196.97MPa，出现在卡爪与钻杆的接触处。前动力头绝大部分区域的安全系数都很大。在给定的材料下，前动力头装置的最大应力均小于材料的许用应力355MPa，且最大变形都较小，前动力头的设计满足使用要求。

（3）对受力最大的前动力头卡爪进行疲劳寿命分析，卡爪全部显示为红色，卡爪的最小循环次数为1×106，卡爪达到疲劳曲线的无限寿命阶段，故卡爪的使用寿命是良好的。前动力头卡爪所受到的最小安全系数为1.3392，此结果比1大，故认为卡爪在夹紧、松开钻杆时是安全的。

（4）物理样机实验表明，前动力头装置能完成不停机夹紧、松开接续钻杆的作业，动作满足设计要求。