全液压坑道钻机卡盘胶筒工作失效机理分析

1 全液压坑道钻机卡盘胶筒工作失效机理分析 邵俊杰 常江华 张建明 刘桂芹 煤炭科学研究总院西安研究院 西安 710077 摘 要 全液压坑道钻机是煤矿井下防治瓦斯灾害的主要设备 液压卡盘是其重要工作 部件 而其中的胶筒则是最易损坏的零件 通过分析胶筒的工作原理和工作过程 模拟了胶 筒的局部大应变现象 发现其失效原理是卡瓦与端压环之间存在间隙 胶筒受到挤压发生啃 噬 提出了相应的改进措施 即增加尼龙垫圈隔离胶筒和间隙的直接接触 该分析对于提高 卡盘的工作可靠性具有重要的意义 关键词 卡盘胶筒 失效 非线性分析 钻机 The Analysis of faliure mechanism of chunk rubber in hydraulic tunnel drilling rigs Shao Jun jie Chang Jiang hua Zhang Jian ming Liu Gui qin Xi an branch of China Coal Research Institute Xi an 710077 Abstract Hydraulic tunnel dirlling rig is the main device to prevent underground gas disaster in coal mine The chunk rubber is the most easily damaged part in drilling rigs Firstly the local large strains of chunk rubber apperaed in woking process is simulated with Abaqus The faliure mechanism of chunk rubber is that the rubber is crused in the gap between compression ring and slips The improved scheme to add a nylon gasket between compression ring and slips is subsequently presented The simulation is helpful to improve the reliability of chunk Keywords Chuck rubber Faliure Non linear analysis drilling rigs 1 引言 我国是以煤为主的能源消费国家 几乎 95 的煤炭资源来自于井工开采 由于我国煤层 赋存条件复杂多变 各种动力灾害事故多有发生 其中瓦斯灾害在重特大事故中占有比例最 高 瓦斯抽采作为防治煤矿瓦斯灾害的根本途径 其实现需高效可靠的煤层钻孔技术与装备 全液压坑道钻机是瓦斯抽采钻孔施工的主要装备 其性能直接影响着瓦斯抽采效率 液 压卡盘是坑道钻机的重要工作部件 主要用于夹紧钻杆 向钻杆传递转矩和轴向力 从而完 成钻进和提钻 胶筒则是液压卡盘的关键元件 也是卡盘在工作过程中最易损坏的零件 由 于胶筒在工作过程中经常失效 致使卡盘漏油而失去工作能力 1 2 严重影响液压卡盘甚至 钻机整机的工作可靠性 尽管石油行业已对封隔器的胶筒受力行为做了大量的研究 3 5 但 2 与钻机卡盘胶筒的工作原理不同 为此 本文在分析胶筒工作原理的基础上 采用有限元方 法对其工作过程进行仿真 获得其失效原因并提出相应的结构改进措施 2 胶筒力学行为 钻机工作过程中 液压卡盘既要承受轴向载荷和回转扭矩 又需频繁的开合 图 1 所示 为液压卡盘的结构 主要由卡盘体 前后端盖 胶筒 卡瓦以及弹簧等零件组成 卡盘的工 作原理是将高压油注入胶筒与卡盘体所形成的密闭容腔中 压缩胶筒使卡瓦径向移动 从而 夹紧钻杆 回油时 卡瓦在弹簧力的作用下自动复位 松开钻杆 工作过程中 胶筒既要频繁地传递径向力 又要起密封的作用 胶筒的力学行为表现为 径向载荷与峰值接触密封压力 径向载荷与径向变形量之间的关系 由于胶筒采用橡胶材料 夹紧过程中会产生几何大变形 加之胶筒与卡瓦 端压环及传扭环之间为非线性接触 因此 胶筒的工作过程是一个几何 材料和接触的非线性问题 1 后盖 2 端压环 3 胶筒 4 支承环 5 卡瓦 6 前盖 图 1 胶筒式液压卡盘结构 3 胶筒材料的本构关系 6 7 橡胶力学性能的描述主要分为两类 一类是作为连续介质来考虑的唯像理论 另一类是 基于热力学统计的方法 前者假设橡胶在未变形状态下为各向同性材料 即长分子链方向在 橡胶中是随机分布的 采用应变能密度来描述橡胶特性 基于该理论 可用应变势能来表达 橡胶这类超弹性材料的应力 应变关系 其多项式形式可表达为 i el N i i ji N ji ij J D IICW 2 1 21 1 1 1 33 1 式中 W 应变势能 el J 弹性体积比 1 I 2 I 材料的扭曲度量 3 N ij C i D 材料参数 若材料是不可压缩的 则橡胶应变能密度为 33 201110 ICICW 2 式 2 是引用最为频繁的Mooney Rivlin模型 将应变能密度表示成变形张量不变量的 级数形式 能够准确描述橡胶拉伸变形小于100 压缩变形小于30 的性能 本文对胶筒工 作过程的分析采用Mooney Rivlin模型的一般多项式形式 4 胶筒工作过程分析 4 1 有限元分析 胶筒与卡瓦的接触是在运动过程中发生的 因此 只需将可能与胶筒发生接触的面定义 为刚性接触面即可 卡盘体 支撑环 前后盖与胶筒的接触属于静止的接触 可通过限制胶 筒相应位置的单元位移特征来体现 由于模型的几何形状和载荷均为轴对称 故可采用轴对 称单元进行模拟 因此 只需模拟通过构件的一个平面 即每个单元代表一个完整的 360 的圆环 分析中主要考虑的是胶筒受压作用下在卡盘与传扭盘与端压环之间的缝隙处的变形 情况 所以在对胶筒划分单元时其划分精度要小于缝隙值的 1 5 或者更小 图 2 为胶筒模型 网格及其局部细化图 图 2 胶筒的网格模型及局部放大图 采用ABAQUS standard进行计算 采用递归多项式模型 取C10 1329700 Pa C20 651570 Pa C30 358360 Pa D1 0 D2 0 D3 0 得出的胶筒位移变化如图3所示 mises等效应力 云图如图4所示 图5描述了胶筒进入间隙的点的位移变化 4 图 3 胶筒位移变化及局部放大图 图 4 胶筒应力变化及局部放大图 图 5 胶筒间隙点位移曲线 5 4 2 改进结构方案 工作过程中 胶筒在高压油的作用下推动卡瓦作径向移动来夹紧钻杆 相对于卡盘的其 它零件 卡瓦做径向移动 而端压环则是相对静止的 因此卡瓦与端压环之间的间隙必须存 在 由模拟结果可以看出 卡盘夹紧钻杆时 即高压油进入时 胶筒向内收缩 带动卡瓦径 向移动夹紧钻杆 由于胶筒选用耐油橡胶材料 在高压油作用下 胶筒在间隙处受挤压进入 间隙当中 卡瓦夹紧钻杆在给进或起拔力作用下就会将进入到间隙中的胶筒部分啃噬掉 重 复作用下胶筒出现漏油现象 从而使卡盘失去工作能力 因此 卡瓦与端压环之间存在间隙 发生啃噬是胶筒失效的根本原因 胶筒的啃噬属于机械性损伤 其解决只能通过卡盘结构的改进 为了避免胶筒与间隙 卡 瓦与端压环和传扭盘之间 的直接接触 在卡瓦的轴肩位置做一台阶 在台阶上加上一个尼 龙环 从而隔开胶筒与间隙 这样 在高压油作用下胶筒径向移动 尼龙环能够限制橡胶材 料变形进入间隙之中 从而有效缓解啃噬现象的发生 5 结论 1 通过卡盘工作夹紧过程的非线性静力学分析 模拟了胶筒在压力作用下的局部大 应变现象 发现胶筒失效的原因是卡盘与端压环之间存在间隙而与胶筒发生啃噬 2 提出了卡盘结构的改进方案 即增加尼龙垫圈来隔离胶筒和间隙的直接接触 从 而缓解啃噬的发生 提高胶筒的工作可靠性 参考文献 1 冯德强 钻机设计 武汉 中国地质大学出版 1993 2 江进国 常江华 姚宁平等 基于 ANSYS 的液压卡盘胶筒的应力分析与优化 煤田 地质与勘探 2007 35 5 77 80 3 杨秀娟 杨恒林 液压封隔器胶筒座封过程数值分析 石油大学学报 自然科学版 2003 27 5 84