高愛利　彭博

摘 要：沖擊鉆機(jī)廣泛應(yīng)用于水利、鐵路、公路橋梁等工程領(lǐng)域，具有適用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)。但鉆進(jìn)過程中存在載荷波動大，低效高耗，緩沖彈簧斷裂等問題。近些年設(shè)計(jì)研究多依靠工程經(jīng)驗(yàn)或者公式簡化，忽視了沖擊機(jī)構(gòu)與緩沖機(jī)構(gòu)，鋼絲繩-鉆具-巖土系統(tǒng)之間的耦合度對鉆機(jī)系統(tǒng)性能的影響，未提出完善的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。為進(jìn)一步完善沖擊鉆機(jī)的設(shè)計(jì)，本文以GCD1500鉆機(jī)為研究對象，分析了緩沖彈簧疲勞斷裂的原因，研究了緩沖機(jī)構(gòu)對鉆機(jī)性能的影響，并對沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：沖擊鉆機(jī)；緩沖機(jī)構(gòu)；疲勞分析；四桿沖擊機(jī)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.009

根據(jù)在沖擊循環(huán)過程中緩沖彈簧的應(yīng)力響應(yīng)，進(jìn)行疲勞分析；緩沖彈簧提前受損斷裂主要是因?yàn)殂@機(jī)在劇烈變化的載荷影響下的系統(tǒng)響應(yīng)引起了彈簧內(nèi)部應(yīng)力響應(yīng)，導(dǎo)致在單次沖擊循環(huán)中的彈簧多次受應(yīng)力循環(huán)疲勞損傷，不像傳統(tǒng)的彈簧疲勞設(shè)計(jì)的一次單脈沖應(yīng)力循環(huán)。根據(jù)不同鉆井深度，分析緩沖彈簧應(yīng)力響應(yīng)，預(yù)測彈簧疲勞壽命；發(fā)現(xiàn)隨著孔深的增加，緩沖彈簧在單次沖擊中疲勞損傷增加，彈簧疲勞壽命變短；特別是在“打空”狀態(tài)下，緩沖彈簧造成很大的疲勞損傷，應(yīng)盡量避免。建立不同預(yù)緊力的緩沖機(jī)構(gòu)模型，研究緩沖機(jī)構(gòu)預(yù)緊力對鉆機(jī)系統(tǒng)模態(tài)，鉆具沖擊運(yùn)動和電機(jī)輸出功率的影響，得到：較大的預(yù)緊力可以減小沖擊機(jī)構(gòu)對鉆具下落沖擊運(yùn)動的干涉，提高沖擊速度，避免電機(jī)輸出軸負(fù)扭矩的出現(xiàn)對電機(jī)造成損失，提高鉆進(jìn)效率；同時(shí)也能避免鉆具突然繃緊鋼絲繩對緩沖彈簧造成的沖擊載荷，延長彈簧疲勞壽命。建立了沖擊機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型，選取不同的目標(biāo)函數(shù)對沖擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；在沖擊速度不變的條件下以沖擊齒輪扭矩均方根為目標(biāo)函數(shù)來進(jìn)行沖擊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，相比于單目標(biāo)優(yōu)化更合理，對沖擊鉆機(jī)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 沖擊鉆機(jī)概述

1.1 鋼絲繩式?jīng)_擊鉆機(jī)的特點(diǎn)

鋼絲繩沖擊鉆也稱沖擊鉆機(jī)，是驅(qū)動鋼絲繩為增強(qiáng)鉆具的沖擊力，將鉆頭提升然后下落，砸碎巖石實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。沖擊鉆機(jī)是現(xiàn)澆樁基礎(chǔ)施工的重要鉆井機(jī)?？偨Y(jié)起來沖擊鉆機(jī)有以下三點(diǎn)優(yōu)勢。

（1）沖擊鉆從高處下落砸向巖石。速度鉆具的質(zhì)量成正比，可以有效打破硬巖。能適應(yīng)很多種地形，實(shí)用價(jià)值很高。

（2）科學(xué)的實(shí)現(xiàn)沖擊鉆機(jī)低功耗，與旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)相比，設(shè)備動力階段同時(shí)，鉆機(jī)適用于較大的施工。

（3）沖擊鉆機(jī)應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)通俗易懂，成本不高，機(jī)械好較少的麻煩和易于維護(hù)的功能。

1.2 沖擊鉆機(jī)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年初沖擊反循環(huán)在中國使用鉆機(jī)并推廣了使用新型鋼絲繩沖擊鉆藝術(shù)與轉(zhuǎn)型加強(qiáng)主絞車。國內(nèi)沖擊鉆機(jī)械制造商已經(jīng)開發(fā)出了一批同類型的沖擊反向循環(huán)工程鉆機(jī)，仍然存在較大的波動效率低，能耗低等缺點(diǎn)。近些年計(jì)算機(jī)器技術(shù)發(fā)展飛速，利用數(shù)字模擬技術(shù)，能夠以精確運(yùn)動機(jī)制來分析緩沖機(jī)構(gòu)和變形的鋼絲繩所引起的系統(tǒng)的多自由度振動和對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動的影響。

2 沖擊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 鉆具重量

鉆具的重量是影響鉆進(jìn)效率的很關(guān)鍵的因素，鉆具所獲得的能量與鉆具的質(zhì)量密切相關(guān)，鉆具的質(zhì)量增加，對其材料，機(jī)械強(qiáng)度等都要隨之提高，在地質(zhì)勘查中用到的鉆機(jī)一般是小型的，重量是100-200Kg，用于打水井的工程鉆機(jī)一般較大，最大質(zhì)量能達(dá)到7000Kg，在本設(shè)計(jì)中，所要設(shè)計(jì)的鉆具質(zhì)量為3000Kg。

2.2 沖擊高度

鉆具的沖擊高度受到鉆機(jī)的連桿和齒輪的影響，改變連桿和齒輪的角度，就能改變鉆機(jī)的沖擊高度，然而沖擊高度的改變是與沖擊過程中的末速度相關(guān)的，公式中，V是沖末速度，S是沖擊高度，j是鉆具的加速度，由公式可以看出，增大S可以增大V，進(jìn)而增大沖擊能量，然而，如果增大了沖擊高度，沖擊的過程也就變長，時(shí)間也就隨之變長，就會導(dǎo)致沖擊機(jī)構(gòu)與鉆具不能同步，就會導(dǎo)致?lián)p壞，為了避免損壞，就要相應(yīng)的減少沖擊次數(shù)，假設(shè)鉆具鉆頭已經(jīng)磨鈍，面對的是非常堅(jiān)硬的巖石。

2.3 沖擊頻率的確定

鉆機(jī)的鉆進(jìn)過程中，要想獲得較好的鉆進(jìn)效果，就要增加鉆具的沖擊頻率，但是要有一定的標(biāo)準(zhǔn)，如果沖擊頻率過高，就會出現(xiàn)“打空”的情況。如果沖擊頻率過低，就會是使得對鉆具的沖擊阻力增大，達(dá)不到?jīng)_擊效果。為了讓鉆機(jī)在保證鉆具安全下達(dá)到最大效率，就要使沖擊機(jī)構(gòu)在一次沖擊循環(huán)中能夠與鉆具下落時(shí)間相吻合。做到?jīng)_擊次數(shù)與沖擊高度能夠完全匹配，得出合理的沖擊次數(shù)。

3 結(jié)論

本文中用于模擬的技術(shù)主要使用虛擬樣機(jī)技術(shù)，這種技術(shù)成功的模擬了帶有具體數(shù)值的GCD-1500沖擊鉆機(jī)的模型。分析了導(dǎo)致緩沖彈簧斷裂的具體的原因，細(xì)致的剖析緩沖機(jī)構(gòu)與鉆機(jī)性能相關(guān)聯(lián)之處，又進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的工作。

（1）分析了緩沖彈簧在工作中所受力的具體影響因素，找到了導(dǎo)致緩沖彈簧斷裂的具體因素，彈簧的應(yīng)力變化，導(dǎo)致緩沖彈簧在每一次沖擊過程中造成疲勞損傷。

（2）在鉆進(jìn)過程中，鉆進(jìn)深度逐步加深，鋼絲繩也隨之變長，所以鋼絲繩的剛度降低，當(dāng)進(jìn)行一次沖擊時(shí)，緩沖彈簧所受到的力增加，這會導(dǎo)致緩沖彈簧的損壞程度加深，當(dāng)鉆機(jī)持續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，緩沖系統(tǒng)會更加的受到損害。特別處于“空轉(zhuǎn)”狀態(tài)時(shí)，會對緩沖彈簧造成很大的疲勞損傷。所以一定要注意不要“空轉(zhuǎn)”，這樣的話會使緩沖機(jī)構(gòu)受到損害，壽命降低。

（3）鉆機(jī)的工作效率會受到緩沖機(jī)構(gòu)的承受能力大小所限制；假設(shè)在其他因素相同時(shí)，緊固力變得越大，沖擊鉆機(jī)的鉆具的末速度也會越大；同時(shí)也有助于避免電機(jī)突然停止導(dǎo)致鉆機(jī)發(fā)生負(fù)扭矩。

（4）制作了和實(shí)際狀況相近的的模擬模型，參數(shù)也與實(shí)際相同，主要應(yīng)用了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和響應(yīng)面法，創(chuàng)新了在各種情況下的機(jī)構(gòu)參數(shù)。運(yùn)用了很多的設(shè)計(jì)方案，隨著方案的變化，機(jī)構(gòu)參數(shù)也會變得不同，沖擊機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新性能參數(shù)也要隨之變化，這就需要系統(tǒng)的分析和總結(jié)。

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