旋挖鉆機(jī)是目前基礎(chǔ)施工中常見的鉆孔灌注的施工機(jī)械，而鉆桿是鉆機(jī)的一個重要部件。鉆桿結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，一方面鉆桿能力的強(qiáng)弱決定了鉆機(jī)能夠使用什么樣的鉆頭，而鉆頭的形式直接決定了鉆孔的工效和地層適應(yīng)能力。另一方面，設(shè)備本身的動力配置、動力頭扭矩、液壓系統(tǒng)、卷揚(yáng)拉力以及支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計也都是圍繞鉆桿結(jié)構(gòu)和能力進(jìn)行的，以使整個系統(tǒng)的配置最為合理。目前國內(nèi)旋挖鉆機(jī)都以大噸位為主，其底盤可分兩大類：一類是安裝在自行設(shè)計的專用旋挖鉆機(jī)可伸縮履帶底盤上；另一類安裝在進(jìn)口重型液壓可伸縮履帶底盤上（多數(shù)是卡特彼勒底盤）。下面是國內(nèi)旋挖鉆機(jī)常見的配置：

發(fā)動機(jī)功率（kw/r/min） 242.55/2 100

　　動力頭最大轉(zhuǎn)矩(kN·m) 200

　　最大旋挖速度(r/min) 22

　　鉆孔深度(m) 60

　　鉆孔直徑(mm) 2000

　　整機(jī)質(zhì)量(t) 68

有的還有配備20KN的加壓點以應(yīng)對硬地層施工。

 

 

抗扭截面系數(shù)公式

對于后者由于設(shè)備本身的動力配置、動力頭扭矩、液壓系統(tǒng)、卷揚(yáng)拉力以及支撐結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，為了滿足大扭矩、大壓力的設(shè)計要求根據(jù)右側(cè)的抗扭截面系數(shù)公式可知,需要增大鉆桿的內(nèi)外徑可以提高抗扭截面系數(shù)。但是鉆桿重量就增加很多，造成鉆機(jī)在施工時容易發(fā)生“點頭”

 

現(xiàn)象（一頭沉）。個別嚴(yán)重的發(fā)生過側(cè)翻現(xiàn)象，雖然主要原因是沒有按照操作規(guī)程操作，但是一頭沉也是導(dǎo)致側(cè)翻的一個因素。這就要對鉆桿的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，在滿足強(qiáng)度的要求下減輕重量。

 

鉆桿分為摩阻式與機(jī)鎖式。機(jī)鎖式又分為間斷式和齒條式。摩阻式鉆桿用于普通地層鉆進(jìn)，機(jī)鎖式用于堅硬地層鉆進(jìn)。旋挖鉆機(jī)工作時，鉆桿同時承受拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲等復(fù)合應(yīng)力。下圖是鉆桿受力模型示意圖。

圖1、 鉆桿受力模型示意圖

 

一、本文將以摩擦鉆桿為例介紹鉆桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程。圖2是一種鉆桿的斷面圖。利用Solid3000軟件尺寸驅(qū)動的特點可以非?？焖俚淖龀龈鞣N配管方案，各節(jié)鉆桿之間的理論間隙值也就隨之更新。能夠讓我們在已有的鋼管規(guī)格中篩選出最合適的配管方案。

圖2 一種摩擦式鉆桿斷面圖

二、確定好配管方案后，就利用Solid3000建立三實體造型，并在裝配環(huán)境中利用干涉檢查、測量等工具及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的潛在缺陷。做到這一步我們只完成了鉆桿的初步設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計是要根據(jù)運(yùn)動學(xué)仿真和有限元分析進(jìn)行的。通過數(shù)據(jù)接口將Solid3000的設(shè)計方案導(dǎo)入到MSC 4D軟件中進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真和有限元分析。

 

圖2 鉆桿裝配圖 方頭部分

圖3 鉆桿裝配圖 扁頭部分

三、鉆桿的工作原理：鉆桿在施工中將動力頭的扭矩傳遞到孔底的鉆頭上，并且還將液壓缸的壓力、動力頭自重和鉆桿自重等鉆壓穩(wěn)定地傳遞到幾十米以下的鉆頭上。當(dāng)鉆進(jìn)較堅硬的地層時，鉆桿可能同時承受大扭矩和大鉆壓，使得鉆桿的受力條件變得非常復(fù)雜。針對這些具體情況確定分析方案為：①、對于鉆桿整體進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，可以了解鉆桿在不同工作狀態(tài)下的運(yùn)動情況；②、對于關(guān)鍵的零部件則進(jìn)行有限元分析，了解關(guān)鍵的零部件能否正常工作。下面是所做的一些分析例子：

1、花管部分的回彈現(xiàn)象：在鉆桿正常下降過程中我們可以發(fā)現(xiàn)在花管部分有一個回彈現(xiàn)象，這是由于鉆桿的彈性碰撞引起的。同其它分析結(jié)合可以對花管部分進(jìn)行改進(jìn)。

2、方頭傳遞來自動力頭的扭矩，其能否正常工作對施工進(jìn)度起著非常重要的作用。通過有限元分析可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。保證產(chǎn)品在各種惡劣環(huán)境下安全、可靠的工作。下圖是對于方頭正常受力和受外力撞擊等原因引起的側(cè)向力時引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象。能夠幫助我們優(yōu)化設(shè)計或者分析產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下工作的可靠性。

小結(jié)：在鉆桿設(shè)計中引入Solid3000作實體造型、MSC 4D進(jìn)行運(yùn)動仿真、有限元分析等先進(jìn)設(shè)計手段，對產(chǎn)品不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過降低面壓、分散負(fù)荷等方法，實現(xiàn)鉆桿的長壽命、安全可靠設(shè)計。在滿足強(qiáng)度要求的前提下減輕了鉆桿的重量。以5×13米摩擦式鉆桿為例：鉆桿總重由最初設(shè)計的8.72噸優(yōu)化到目前的7.91噸（減重10.2％）。這對旋挖鉆機(jī)的整車受力分布及鋼絲繩使用壽命有明顯改善。