全液压坑道钻机定向制动装置的设计及试验研究

安建国

（华阳集团机电设备管理中心， 山西 阳泉 045000）

引言

就瓦斯抽采而言，随着煤矿开采深度的增加，对钻孔轨迹的定位精度要求越来越高，即对钻孔马达定位钻井技术及其相关配套技术提出更高的要求[1]。对于定向钻机的制动装置而言，主要以斜面增力式定向制动装置和摩擦盘式定向制动装置为主，本文重点对其中的斜面增力式定向制动装置进行设计，并对其进行试验研究。

1 斜面增力式定向制动装置的结构设计

斜面增力式定向制动装置为全液压坑道钻机定向制动装置的类型之一，是定向钻井技术涉及到的重要装置。在实际钻井过程中，该制动装置的主要任务是将全液压坑道钻机的主传动系统制动抱死，实现对孔底螺杆马达弯头方向控制的目的。

1.1 全液压坑道钻机概述

目前应用于瓦斯抽采的定向钻进技术主要分为两种。一种为基于稳定组合钻为基础的钻进技术，该技术虽然成本低、操作方便，但是定位精度不高且钻进效率较低；另一种为基于带弯头的孔底马达定向钻进技术，该技术实现的核心为采用定向制动装置产生的反扭矩与钻进设备螺杆马达产生的扭矩相抵消，实现定向钻进的任务[2]。一般的全液压坑道钻机的组成结构如图1 所示。

图1 全液压坑道钻机结构示意图

基于定向制动装置的全液压坑道钻机具有导向好、具备无级调速功能、自动化水平高、可实现长距离的连续且多功能钻进任务。

1.2 斜面增力式定向制动装置关键参数的确定

目前，应用于综采工作面全液压坑道钻机的斜面增力式定向制动装置的结构为采用油压夹紧弹簧为主，该种结构的制动原理是通过一定压力液压油提供对卡瓦的夹紧动力，并通过其中的中间机构对夹紧力的方向和大小进行控制。对于斜面增力式定向制动装置而言，其制动性能和定位精度主要依靠准确确定卡瓦圈斜面的倾角这一参数[3]。

卡瓦斜面角的确定：从理论上讲卡瓦圈斜面的倾角考虑到弹簧力以及活塞的位移量、卡盘轴向尺寸的局限性，一般取卡瓦斜面角为6°～9°。综合考虑卡瓦斜角、增力比以及摩擦系数之间的关系，最终确定卡瓦斜面角为6°。

一般瓦斯抽采所采用的定向钻进孔底马达的尺寸为73 mm，对应的施加于制动轴上的传递转矩为700 N·m，为了保证定向钻进的要求需要斜面增力式定向制动装置提供700 N·m 的反力矩，从而达到对全液压坑道钻机主轴的制动。结合上述功能需求，定向制动装置的核心卡瓦选用20CRMnTiA 材料制备。斜面增力式定向制动装置的三维结构如下页图2 所示。

图2 斜面增力式定向制动装置三维结构示意图

2 斜面增力式定向制动装置仿真分析

斜面增力式定向制动装置各零部件的相互配合程度及其运行的灵活性直接决定钻孔的控制精度和全液压坑道钻机的钻孔精度。为此，本小节基于ABAQUS 软件对斜面增力式定向制动装置的工作状态和运动行为进行仿真分析。

2.1 斜面增力式定向制动装置仿真模型的搭建

斜面增力式定向制动仿真模型首先在NX 软件中根据图2 建立三维模型，并将所建立的三维模型导入ABAQUS 软件中形成斜面增力式定向制动的仿真模型。分别对定向制动装置关键的卡瓦和制动轴进行网格划分操作。其中，卡瓦划分的网格数量为21 804 个，制动轴划分的网格数量为25 155 个，并根据实际工作情况设定斜面增力式制动装置的相互约束关系和边界条件和载荷。定义卡瓦所施加的压力为11 200 N，卡瓦与制动之间的摩擦系数为0.1[4]。

2.2 斜面增力式定向制动装置仿真结果分析

基于2.1 中所建立的斜面增力式定向制动装置的仿真模型重点对卡瓦与制动轴的刚度、强度以及制动扭矩进行仿真分析，仿真结果如下：

1）在正常的滑动制动过程中，卡瓦的变形量为0.06 mm；对应的制动轴的径向滑动的位移为5.98 mm。上述两项参数均满足相应的刚度要求。

2）在正常滑动制动过程中，卡瓦与制动之间出现的最大应力位于卡瓦的尖角位置，对应的最大应力值为162.6 MPa，该值小于20CRMnTiA 材料的许用应力，满足强度设计要求。

3）为确定卡瓦的具体结构形式，对光面、横面切槽和横竖向沟槽三种结构形式的摩擦力矩进行对比分析，三种结果对应的动摩擦力矩如表1 所示。

如表1 所示，三种结构对应的动摩擦力矩均大于700 N·m，满足实际制动需求。但是，考虑到卡瓦制动的安全系数，并且保证其在小幅度超载的情况下均可正常工作。因此，综合考虑装置的使用寿命，卡瓦选用横竖向沟槽的结构形式。

表1 不同卡瓦结构形式对应的动摩擦矩仿真结果

3 斜面增力式定向制动装置的试验研究

为验证斜面增力式定向制动装置的实际应用效果，分别对其进行室内和工业试验对比。

3.1 斜面增力式定向制动装置的室内试验研究

室内试验方法：将斜面增力式定向制动装置安装于全液压坑道钻机的动力头上，所选用的全液压坑道钻机的型号为ZDY4000LD（1 号），并对钻机主轴提供一定的制动力；同时，采用型号为ZDY4000L全液压坑道钻机（2 号）向1 号钻机钻头提供反方向的转矩（在试验中扭矩值按照50 N·m 逐级增加），该转矩模拟实际钻进时螺杆钻所产生的反扭矩。

经试验研究可知，当2 号钻机所提供的反扭矩增大值800 N·m 时，斜面增力式定向制动装置可正产工作，且对应的制动效果良好。同时，发现制动轴的硬度大于卡瓦[5]。

3.2 斜面增力式定向制动装置的工业性试验研究

斜面增力式定向制动装置所应用的工作面的岩层的抗压强度为44 kg/cm2，弹性模量为1.62，岩层的抗拉强度为24.3 kg/cm2，所应用的钻机的具体型号为ZDY6000LD，相关匹配的泥浆泵的型号为BW-320，螺杆钻具的外径为73 mm。斜面增力式定向制动装置的实测轨迹如图3 所示。

图3 斜面增力式定向制动装置钻机的实测轨迹

通过现场工业性试验表明，斜面增力式定向制动装置具有良好的制动效果，且在制动过程中各项指标及参数相对稳定，能够保证对钻向角度进行精准控制，顺利保证定向钻孔任务的实施。同时，可根据实际钻进任务通过回转控制方式对调角进行精确控制。

4 结语

瓦斯是威胁煤矿安全生产的重要因素，瓦斯抽采为降低工作面瓦斯浓度的重要手段，全液压坑道钻机为实现瓦斯抽采任务的主要设备。为保证全液压坑道钻机能够顺利完成定向钻进任务，对其定向制动装置的要求甚高。在此基础上，本文对全液压坑道钻机中的关键定向制动装置进行有限元分析和试验，从理论和实践两个层面验证斜面增力式定向制动装置的性能。