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煤矿井下定向钻机制动装置有限元仿真 邵俊杰 张建明 刘桂芹 （中煤科工集团西安研究院, 陕西 西安 710077 ） 摘 要：定向钻机是煤矿井下水平定向钻进系统的核心设备，制动装置则是定向钻机实现定向钻进 的主要功能部件。采用Abaqus软件对制动装置进行了有限元分析，对其工作过程中的应力场进行了数值 模拟，进一步通过物理模拟试验对该仿真结果进行了验证。结果表明，仿真与试验结果有一定偏差，该 偏差为摩擦系数选取所致。该仿真分析揭示了制动过程中制动盘的应力场分布规律，为制动装置的结构 设计提供了重要依据。 关键词：制动装置；仿真；有限元；定向钻机；煤矿井下 1. 引言 在煤层中钻孔抽采瓦斯是煤矿防治瓦斯灾害的根本途径，其钻进成孔率和瓦斯抽采效果受到施工工 艺与钻进设备的严重制约。目前，煤矿井下水平钻孔施工主要采用回转钻进和定向钻进两种工艺方法， 前者多用于浅孔和中深孔钻进，后者则用于轨迹精度要求高的深孔钻进中。由于深孔定向钻进具有主孔 距离长、多分支孔布置、瓦斯抽采区域面积大的优点，现已成为煤矿井下瓦斯高效抽采钻孔施工的主要 技术途径。 制动装置是定向钻机实现定向钻进的主要功能部件。在定向钻进过程中，钻杆和卡盘之间不能产生 轴向或径向的相对滑动。制动装置的主要功能是克服孔底马达钻进时产生的反扭矩，不仅要求在360°范 围内的任意点锁定钻杆，而且要求夹紧迅速、松开彻底，以保证定向钻进施工的顺利进行和定向钻孔的 精度控制，从而适应不同方向钻孔的需要。 煤矿井下定向钻机采用摩擦盘式定向制动装置，用于在定向钻进时制动主轴。制动装置的结构如图1 所示，由壳体、压盘、端盖轴、活塞杆、主动摩擦片、被动摩擦片、拨盘等组成。 1 图1 制动装置 2. 仿真分析 仿真分析主要研究制动装置在液压油压力下的受力情况，以及摩擦盘之间发生滑动时所需的扭矩。 总体思路是使摩擦片匀速转动，得到对应的应力、位移及扭矩，该结果可认为是制动装置失效时产生相 对运动的等效结果。 制动装置受力时，油压为3Mpa；考虑摩擦片浸在液压油中，摩擦系数取0.05。首先根据零件材料确 定材料参数：E=210000Mpa，泊松比 μ=0.3。进而依据装配图在Abaqus 环境下进行装配；为保证高精度 的计算，如图2 所示，全部零件均采用6 面体8 节点减积分三维实体单元进行网格划分，并对摩擦片进 行网格细化，其中摩擦片网格应在4 层以上。由于此分析中并不关心拨盘的受力状况，因而考虑效率因 素，其网格适量粗画。如图3 和图4 所示，根据实际工况添加边界条件，固定被动摩擦盘内侧，以及端 盖下表面。为保证扭矩的正确传递，建立参考点RP1，然后将RP1 与内侧设置刚性连接，并在RP1 上施约 束。由于分析中主要考虑零件间的接触作用，在接触的部位设置接触，并定义接触属性，如图5 所示。 图2 有限元网格模型 图3 定义边界条件 2 图4 定义边界条件 图5 定义接触 3. 计算结果 3.1 摩擦片刚度分析结果 添加匀速运动载荷，设置分析类型，递交分析，最后可得到计算结果。图6 至图9 为制动装置空间 位移云图，其中摩擦片压缩量为0.02mm。 图6 制动装置空间等效位移1 图7 制动装置空间等效位移2 图8 被动摩擦片空间位移 （U2 方向） 图9 主动摩擦片空间位移 （U2 方向） 3 4.2 摩擦盘强度分析结果 图10 至图13 为制动装置等效应力云图，其中等效应力最大值为82MPa，出现在拨盘与主动摩擦片 接触槽底部，设计满足强度要求。 图10 制动装置等效应力分布图1 图11 制动装置等效应力分布图2 图12 被动摩擦片应力分布图