黃玉文，翁煒，馮美貴

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

提高大扭矩旋挖鉆機(jī)用螺旋鉆頭安全性的分析及措施

黃玉文，翁煒，馮美貴

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

通過(guò)對(duì)旋挖鉆機(jī)用螺旋鉆頭的模擬分析和失效形式研究，探討了螺旋鉆頭的結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝，采用安全鋼絲繩結(jié)構(gòu)，提高了大扭矩旋挖鉆機(jī)用螺旋鉆頭的強(qiáng)度和安全系數(shù)。同時(shí)介紹了鉆頭制造和使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

短螺旋鉆頭;強(qiáng)度;安全系數(shù);模擬分析;安全鋼絲繩;心管

0 引言

硬巖地層鉆進(jìn)是旋挖鉆機(jī)施工的難點(diǎn)之一，短螺旋鉆頭由于其破巖能力強(qiáng)，目前得到了廣泛應(yīng)用。隨著我國(guó)旋挖鉆機(jī)向著大型或超大型的方向發(fā)展，鉆機(jī)的功率和輸出扭矩不斷加大，鉆進(jìn)地層的硬度和強(qiáng)度日益增加，鉆具的受力情況惡劣，在施工過(guò)程中因鉆具受損甚至斷裂而造成的孔內(nèi)事故也隨之增長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度和安全，為施工者帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在此種情況下，從結(jié)構(gòu)、材料與加工工藝著手，提高短螺旋鉆頭的強(qiáng)度和安全系數(shù)迫在眉睫。

1 短螺旋鉆頭的失效形式

常規(guī)旋挖鉆機(jī)用短螺旋鉆頭主要由連接方、連接方板、心管、主螺旋葉片和引導(dǎo)螺旋葉片、螺旋定心等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)對(duì)短螺旋鉆頭的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，目前旋挖鉆機(jī)用短螺旋鉆頭的主要失效形式如下:

(1)鉆頭連接方與鉆頭主體脫離，或鉆頭法蘭受扭轉(zhuǎn)變形;

圖1 旋挖鉆機(jī)用雙錐雙螺短螺旋鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

(2)螺旋心管斷裂或變形，造成鉆頭斷裂;

(3)螺旋葉片變形。

通過(guò)上述分析可以看出，短螺旋鉆頭的失效可能造成螺旋鉆頭部分或整體掉入孔內(nèi)，造成孔內(nèi)事故，要防止此類(lèi)事故造成的損失，可以采用必要的可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)選材、加工工藝等方面來(lái)提高螺旋鉆頭強(qiáng)度。

2 短螺旋鉆頭的受力分析與強(qiáng)度校核

為提高大扭矩鉆機(jī)用短螺旋鉆頭的安全系數(shù)，筆者在文獻(xiàn)［5］的基礎(chǔ)上，采用SolidWorks軟件對(duì)短螺旋鉆頭進(jìn)行整體建模，并通過(guò)SolidWorks Simulation有限元設(shè)計(jì)分析軟件進(jìn)行受力分析。

設(shè)定參數(shù)為在連接方內(nèi)部施加回轉(zhuǎn)扭矩T和軸向壓力F，假設(shè)螺旋葉片固定，即按照發(fā)生螺旋葉片卡鉆的情況對(duì)其進(jìn)行受力分析，其結(jié)果如圖2所示。螺旋鉆頭的應(yīng)力集中區(qū)域除固定段(卡鉆段)外，應(yīng)力集中也主要產(chǎn)生在連接方連接處及心管與葉片的連接處，可見(jiàn)對(duì)短螺旋鉆頭的分析結(jié)果與實(shí)際的失效變形方式一致。

圖2 短螺旋鉆頭簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)SolidWorks受力模擬應(yīng)力分析圖

通常情況下，螺旋心管的變形主要為因扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的變形，故此根據(jù)第三強(qiáng)度理論對(duì)螺旋心管的強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，采用不同材質(zhì)和不同尺寸的螺旋心管的安全系數(shù)如表1所示。

表1 不同心管材質(zhì)的無(wú)縫鋼管系列受力分析信息

其中設(shè)定模擬鉆機(jī)能力參數(shù):扭矩420 kN·m，加壓力460 kN，起拔力460 kN。

按照第三強(qiáng)度理論對(duì)心管進(jìn)行強(qiáng)度校核:式中:σm——截面最大正應(yīng)力，τm——截面最大剪應(yīng)力。

設(shè)計(jì)人員可根據(jù)理論、經(jīng)驗(yàn)及制造生產(chǎn)成本選擇合適的材料或者改變心管尺寸參數(shù)，以滿足不同能力鉆機(jī)在不同地層條件下的鉆進(jìn)要求。

3 短螺旋鉆頭的安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在提高心管強(qiáng)度的同時(shí)，筆者在螺旋鉆頭心管內(nèi)部附加了防斷安全鋼絲繩結(jié)構(gòu)，鋼絲繩上端與連接方板相連接，從心管內(nèi)部通過(guò)后與定心相連接，組裝后鋼絲繩的長(zhǎng)度略長(zhǎng)于心管長(zhǎng)度，在正常的鉆進(jìn)過(guò)程中鋼絲繩不受力，當(dāng)短螺旋鉆頭受外力破壞甚至發(fā)生斷裂的情況下，螺旋鉆頭的下端下落，鋼絲繩拉緊受力，防止下部斷裂螺旋落入孔內(nèi)，鉆機(jī)上提鉆桿帶動(dòng)鉆頭上行，通過(guò)鋼絲繩將斷裂的下部螺旋提出孔外，避免孔內(nèi)事故的產(chǎn)生。

4 短螺旋鉆頭的加工工藝和使用注意事項(xiàng)

通過(guò)上述分析結(jié)果可以看出，短螺旋鉆頭在受到鉆機(jī)施加作用在連接方上的回轉(zhuǎn)扭矩和壓力時(shí)，螺旋鉆頭應(yīng)力集中的部分在各個(gè)連接焊縫處，故此除提高心管的強(qiáng)度之外，在加工過(guò)程中還要注重加工工藝的控制。螺旋鉆頭加工的主要手段是焊接，在焊接的過(guò)程中要預(yù)防和消除部件因焊接產(chǎn)生的應(yīng)力集中和變形，特別要注重心管與螺旋葉片因材料不同產(chǎn)生的焊接缺陷，不同的心管材料要采用不同的加工焊接工藝。

短螺旋鉆頭的加工采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接工藝，心管材料采用高強(qiáng)度鉻鉬合金結(jié)構(gòu)鋼無(wú)縫鋼管，螺旋鉆頭其他材料采用Q345B鋼板，主要技術(shù)要點(diǎn)如下:

(1)采用分段焊接、對(duì)稱焊接等工藝，減少螺旋鉆頭各部件受熱變形;

(2)焊接前將焊接坡口及其周邊50 mm的范圍內(nèi)清除干凈，不能有鐵銹、油污等異物;

(3)焊接前按照材料要求進(jìn)行焊前升溫，到溫焊接，焊后保溫，減少部件熱應(yīng)力，提高焊接強(qiáng)度;

(4)焊接過(guò)程中合理安排焊接工序，注意檢查每道工序質(zhì)量，加強(qiáng)過(guò)程控制。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要探討了短螺旋鉆頭的受力情況和失效形式分析，針對(duì)大扭矩鉆機(jī)的特點(diǎn)，采用大直徑厚壁合金鋼管作為心管材料，提高了安全系數(shù);采用安全鋼絲繩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在理論上提高了螺旋鉆頭的安全性能;依靠嚴(yán)格的加工工藝控制和施工工序保證，提高了施工的安全保障。在實(shí)際應(yīng)用中，我所生產(chǎn)的螺旋鉆頭已經(jīng)在420 kN·m以上的大扭矩鉆機(jī)生產(chǎn)實(shí)踐中成功應(yīng)用，鉆頭的強(qiáng)度可滿足鉆進(jìn)要求，施工者認(rèn)為，安全鋼絲繩結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升了他們的施工信心，保障了鉆孔安全。同時(shí)需強(qiáng)調(diào)的是，無(wú)論在何種情況下，施工過(guò)程中要做到勤于觀察、謹(jǐn)慎操作，這樣才能最大程度地防止孔內(nèi)事故的產(chǎn)生。

［1］胡繼良，史新慧，黃玉文，等.短螺旋鉆頭在旋挖鉆施工中的應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2004，31(1).

［2］朱迪斯，黃玉文，史新慧，等.旋挖鉆機(jī)巖石鉆進(jìn)試驗(yàn)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(3).

［3］冶金工業(yè)部地質(zhì)勘查總局，等.巖土鉆掘鉆頭［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1997.

［4］DS SolidWorks公司.SolidWorks Simulation基礎(chǔ)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］馮美貴，胡繼良，黃玉文，等.基于SolidWorks三維設(shè)計(jì)的短螺旋鉆頭芯軸管受力分析［J］.地質(zhì)裝備，2009，(1).

Analysis on Improvement of Safety of Rock Auger for High Torque Rotary Drilling Rig and the Measure

HUANG Yu-wen，WONG Wei，F(xiàn)ENG Mei-gui(Beijing Institute of Exploration Engineering，Beijing 100083，China)

According to the simulation analysis and study on failure mode of rock auger，the structure，material and manufacture technology are discussed.The safety wire rope structure is used to improve the strength and the safety factor of rock auger used for the high torque rotary drilling rig.Furthermore，the attentions in manufacture and application of rock auger are mentioned.

rock auger;strength;safety factor;simulation analysis;safety wire rope;core shaft

P634.4+1

A

1672－7428(2011)11－0042－02

2011－05－10;

2011－06－24

黃玉文(1968－)，男(漢族)，江蘇人，北京探礦工程研究所大口徑巖土鉆掘技術(shù)研發(fā)中心主任、高級(jí)工程師，探礦工程專業(yè)，從事大口徑旋挖鉆具的設(shè)計(jì)、研發(fā)工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)，huangyuwen1968@163.com。