大型旋挖钻机钻杆开裂结构优化分析_杨涛.pdf

112 建设机械技术与管理 2023.01 检验维修1 引 言旋挖钻机(见图 1)是一种适合于建筑基础工程中成孔作业的桩工机械，依靠动力头驱动钻杆并带动钻斗切削岩土，并通过主卷扬提升钻杆钻斗至孔外卸土，然后依次循环完成成孔作业。1然后现场用钢筋笼混凝土进行灌桩，混凝土凝固后在孔位上形成满足要求的桩基础。钻杆是一个关键部件，既决定着旋挖钻机的性能又决定着成孔质量，同时一旦钻杆出现失效断裂，其修复难度大、修复周期长，严重影响施工进度，因此对钻杆进行相关研究有着重要的意义。2 钻杆的结构及工作原理钻挖钻杆用在旋挖钻机和旋挖钻机施工钻斗之间，传递扭矩、轴向压力等载荷，沿共同轴心、逐节伸缩的管状结构。2其由直径大小不等的多节圆钢管套装构成，每节钢管由焊接在其上的内外驱动键组成（以四节机锁杆举例：见图2、图 3）。大型旋挖钻机钻杆开裂结构优化分析Optimization Analysis of Kelly Bar Cracking Structure of Large Rotary Drilling Rig杨涛（上海中联重科桩工机械有限公司，上海 松江 201613）摘要：本文针对旋挖机钻杆在施工中易出现破坏的部位，以某型号旋挖钻机钻杆开裂故障为研究对象,通过 PROE 建立三维模型,通过 ANSYS 建立分析模型,利用 ANSYS 软件,模拟旋挖钻机在工作时，钻杆不同补强板结构设计的受力情况,得到对应的受力有限元分析云图，从而为钻杆的补强板结构设计提供优化方向。关键词：旋挖钻机；钻杆；补强板；有限元分析中图分类号：TH123+.4 文献标识码：A1.动力头 2.钻斗 3.钻杆 4.驾驶室 5.主卷扬图 1 旋挖钻机结构1.提引器连接头 2.管体 3.外键 4.顶部补强板5.下锁片 6.底部补强板 7.流水盘8.弹簧 9.方头 10.钻具连接销图 2 旋挖钻杆全缩状态1.第一节钻杆 2.第二节钻杆3.第三节钻杆 4.第四节钻杆图 3 旋挖钻杆伸出状态按照传递加压力方式的不同，钻杆分为摩阻杆和机锁杆，摩阻杆各层杆之间通过摩擦力传递轴向压力，机锁杆各层杆之间通过下锁片传递轴向加压力。3 3 典型故障简介3.1 工程概况三渡水大桥：湖南省永州至新宁清江桥高速公路连接DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.0162023.01建设机械技术与管理 113检验维修永州市区、东安县、新宁县，规划路线走廊整体呈东南西北走向，东起永零高速，西至白新高速和新新高速，横跨东安县和新宁县。定测路线全长 64.413km。沿线主要经过东安县和新宁县。三渡水大桥位于第 3 标段，3 标段起点位于K32+400=第 2 标段终点 K32+400，终点 K47+130 在新宁县-渡水镇-渡水村顺接第 4 标段起点。作为唯一的一座主跨超过 100m 的刚构桥，本项目是第 3 标段的控制性工程。3.2 地质概况04m：中风化岩溶化灰岩，节理裂隙较发育，岩质硬，岩体较完整，岩心呈柱状。其中 2.5 4m 为溶洞，全填充，填充物为溶蚀岩块和少量粘土。4 14m：中风化泥质灰岩，节理较发育，岩质较硬岩体较完整，岩心呈柱状。14 27m：微风化泥质灰岩，中厚层状结构，节理裂隙较发育，岩质较硬，岩体较完整，岩心呈柱状。施工难点：偏孔严重，地层较硬，切削齿消耗大（见表1）。4 第一节钻杆顶部补强板有限元分析4.1 概述钻挖钻杆常见失效模式中，以机锁式钻杆外节杆顶部加压口附近开裂尤为常见。对于该故障我们进行了大量的现场调研工作，并根据现场调研获得的钻杆破坏资料，对结构的破坏原因进行了理论探讨，并建立了钻杆的有限元模型。在此基础上对影响结构应力分布的各种因素进行分析，最后根据分析结果，总结钻杆破坏的原因，从而为钻杆的补强板结构设计提供优化方向。4.2 模型简介针对钻杆在施工中易出现破坏的部位，建立钻杆局部结构的有限元模型，模型的网格单元为八节点体单元。外键在焊缝处，管体节点与相应外键节点进行融合。下锁片与管体、外键、补强板之间在焊缝处进行节点融合。内键和管体进行绑定，下锁片处内键侧边与外键之间设置为接触，内键下边与下锁片上表面之间设置为接触。模型的材料为线弹性，弹性模量为 210GPa，泊松比为 0.3。4.3 载荷及边界条件对一节杆底部约束全部自由度，顶部传扭外键侧向施加长度为 1000mm 的 450kNm 的扭矩，顶部下锁片施加400kN 加压力。岩土层名称统计个数 范围值/MPa算术平均值 fm（MPa)中风化岩溶化灰岩729.255.842.5中风化泥质灰岩439.675.857.7微风化泥质灰岩650.398.874.6表 1 岩石饱和单轴极限抗压强度统计表3.3 施工工艺设备型号：400 旋挖钻机钻杆型号：580 四节机锁杆桩径：2.0m、桩深：27m施工工法:分级钻进2.0m 捞砂斗下护筒，护筒高 2m，离地 0.3m1.25m 截齿筒钻+1.25m 捞砂斗钻进到成孔1.5m 截齿筒钻扩孔+1.25m 捞砂斗清孔2.0m 截齿筒钻扩孔+1.5m 捞砂斗清孔+2.0 米捞砂斗清孔3.4 故障描述设备工作 1780h 时，客户在对钻杆进行维护保养时发现钻杆最外节杆顶部加压口外键焊缝热影响区附近出现轴向开裂。裂纹起始于下锁片与外键尖角位置，沿着焊缝热影响区向上延伸，长度约 1000mm（见图 4）。图 4 失效钻杆照片部件材料密度（T/mm3）屈服强度（MPa）管体ZX5507.85e-9550外键 120CrMnTi7.86e-9835外键 230CrMnTi7.85e-91210表 2 某型号机锁杆材料参数4.4 补强板附近结构应力的影响因素根据现场调研结果及钻杆破坏形式，通过理论探讨，初步确定影响第一节钻杆顶部补强板附近应力分布的因素为补强板的结构形式、补强板的长度、补强板在钻杆上的位置，通过建立有限元模型，分别对其影响效果进行分析。4.5 计算结果首先固定第一节钻杆顶部补强板顶部与第一节钻杆顶部下锁片上平面 1000mm 位置对齐，研究补强板结构形式和长度尺寸变化对应力的影响。图 5 载荷边界条件114 建设机械技术与管理 2023.01 检验维修4.5.1 模型一第一节钻杆顶部补强板矩形结构，补强板底部与第一节钻杆顶部下锁片腰型孔中心面对齐。结构的最大应力为310.49MPa，出现在下锁片与外键尖角位置（见图 6）。4.5.2 模型二第一节钻杆顶部补强板矩形结构，补强板底部与第一节钻杆顶部下锁片底部 45延长线对齐。结构的最大应力为 306.37MPa，出现在下锁片与外键尖角位置（见图 7）。4.5.3 模型三第一节钻杆顶部补强板平行四边形结构，补强板底部与第一节钻杆顶部下锁片腰型孔中心面对齐。结构的最大应力为 316.75MPa，出现在下锁片与外键尖角位置（见图 8）。4.5.4 模型四第一节钻杆顶部补强板平行四边形结构，补强板底部与第一节钻杆顶部下锁片底部 45延长线对齐。结构的最大应力为 302.19MPa，出现在下锁片与外键尖角位置（见图 9）。4.5.5 结果分析一选取如图 10 所示位置的应力情况汇总至表 3 中，可知四种结构形式最大应力点都位于下锁片与外键尖角位置，模型四结构三个位置附近应力均为最小，模型四为当前最优结构设计。4.5.6 结果分析二固定模型四第一节钻杆顶部补强板平行四边形结构，补强板底部与第一节钻杆顶部下锁片底部45延长线对齐，研究补强板顶部与第一节钻杆顶部下锁片上平面位置关系对应力的影响，选取如图 10 所示位置的应力情况汇总至表 4中。可知六种结构形式最大应力点都位于下锁片与外键尖角图 10 结果分析一应力取点图 9 模型四最大应力点细节图 8 模型三最大应力点细节图 7 模型二最大应力点细节图 6 模型一最大应力点细节模型 1 2 3 模型一 99.04 310.49 172.55 模型二 97.40 306.37 171.37 模型三 101.47 316.75 181.84 模型四95.57 302.19 170.71 表 3 结果分析一应力统计（MPa）模型123模型四 100095.57302.19170.71模型五 105095.43297.01170.55模型六 110095.38292.05170.43模型七 120095.30287.52170.30模型八 125095.27286.58170.21模型九 130095.10285.45170.13表 4 结果分析二应力统计（MPa）2023.01建设机械技术与管理 115检验维修位置，随着补强板顶部与第一节钻杆顶部下锁片上平面距离增大，三个位置的应力均在减小，以最大应力点 2 的下降幅度最大，当补强板顶部与第一节钻杆顶部下锁片上平面距离达到 1200mm 之后，位置 2 的应力下降幅度开始减弱。5 结 论结论一：第一节钻杆顶部补强板的结构形式、长度和补强板在钻杆上的位置对下锁片与外键尖角位置应力改善效果最明显，对管体和外键焊缝应力改善不明显；结论二：第一节钻杆顶部补强板底部为平行四边形结构较矩形结构，能降低第一节钻杆顶部加压口附近应力；结论三：随着第一节钻杆顶部补强板顶部与第一节钻杆顶部下锁片上平面距离增大，第一节钻杆顶部加压口附近应力呈下降趋势；结论四：当第一节钻杆顶部补强板顶部与第一节钻杆顶部下锁片上平面距离达到 1200mm 之后，下锁片与外键尖角位置的应力下降幅度开始减弱。本文通过对旋挖钻杆第一节钻杆顶部补强板的结构形式、长度和补强板在钻杆上的位置的有限元分析，为旋挖钻杆结构优化提供了理论依据，对提高旋挖钻杆的产品质量具有借鉴意义。按照本文的分析方法和研究成果，我公司进行了 580四节机锁杆产品升级换代，经过市场 30 套样本，不低于2000h 工业性考核，钻杆最外节杆顶部加压口外键焊缝热影响区附近未再出现轴向开裂故障，产品质量达到国内先进水平。参考文献1 陈以田.旋挖钻机钻杆动力学特性及其非线性能量转迁减振研究 D.中国矿业大学,2014.2 JB/T11168-2011.旋挖钻机伸缩式钻杆 S.3 黎中银，焦生杰，吴方晓.旋挖钻机与施工技术 M.人民交通出版社,2010.收稿日期：2022-11-16作者简介：杨涛，学士，工程师，主要从事旋挖钻机工作装置设计及工法研究。（上接 111 页）2.2.3 降低液压泵流量原泵为定流量的叶片泵，新泵为降流量叶片泵，小于1200rpm 时，流量为 7.5L/min；1200 1700rpm 时，流量从 7.5 降到 5.0L/min，排量为 9.6L，最大输出压力为10Mpa。如图8、图9所示，优化后额定工况耳旁噪声降低6.19dB（A），转向异响问题解决。主观感受，更换新泵后，方向盘操纵性良好，发动机中高转速转向泵声音降低较明显。3 总 结本文首先对转向泵噪声产生机理和特性进行了分析，然后以某整车噪声大故障为例，通过 NVH 试验及 LMS Test.lab 声诊断分析手段，确定了转向泵噪声为整车异常噪声主要噪声源，并提出了优化转向泵噪声主要途径：通过降低液压泵排量和降低液压泵流量，降低液压泵噪声。优化后试验结果表明，降低液压泵排量，声音明显降低，基本没有转向助力；降低液压泵流量，噪声降低 6.19dB（A），转向异响问题解决，且操纵性良好，隔热罩辐射噪从而验证了分析方法的正确性及控制方法的有效性。参考文献1 许宽林,邵文彬,朱联邦.某乘用车液压助力转向泵噪音优化 J.2016,37(8):122-124.2 张乾斌,张兵舰,张莉萍.乘用车液压转向系统噪声分析及优化 J.2016,34(6):923-925.3 程飞,邓飞，吴健，等.动力转向液压泵噪声分析研究J.液压与气动，2010,23(5):75-77.4 方宜学,钟秤平,徐高新,等.某车型液压转向泵啸叫优化研究 J.农业装备与车辆工程，2021,59(02):148-151.5 胡鸿飞,张勇.基于 LMS SCADAS 的某纯电动客车噪声源识别 J.中国标准化，2019,(24):188-189.6 王成亮.乘用车液压助力