旋挖钻机非入岩施工钻具的受力分析与应用

岩土工程市场2020-12-26 07:17:17
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      作者:李梓文

      来源:《基层建设》

摘要:本文介绍了旋挖钻机非入岩的施工钻具,从动力输出计算斗齿的最佳切削角,分析了钻斗所受阻力情况及措施,用实例来计算钻斗斗齿在最佳切削角时的可钻性和验证斗齿抗冲击韧性,并分析了不同切削角斗齿受力分析和对可钻性的影响等,为非入岩钻斗的改造提供了理论依据。
  关键词:旋挖钻机;钻具;受力分析;应用
  1.设备概况
  旋挖钻机具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活,施工效率高及多功能特点,主要用来对地基基础桩基成孔,根据地质条件的不同,配合不同钻具,适应于干式、湿式及岩层(岩心钻)的成孔作业,以达到高速、高质的成孔要求,广泛用于市政建设、公路桥梁、高层建筑等地基础施工工程。
  2.非入岩钻斗、斗齿的使用
  在实际的钻孔施工中,针对不同的地质应该选择不同钻斗和斗齿配合使用。合理使用钻斗和斗齿会在根本上提高钻进的效率。钻斗、斗齿都有不同的类型,不同钻斗、斗齿的配合会有不同的施工效果。即使相同的钻斗和斗齿配合,通过改变钻斗的形状或内部结构或斗齿的角度和数量,得到的施工效率也不不尽相同的,甚至出现明显的差异。
  2.1旋挖钻机动力输出理论计算

  从整个旋挖钻机工作过程来看,钻机的动力能多少转变为施工所需的压力和扭矩的输出效率问题,对每台钻机来说,出厂时就已经确定下来。假定旋挖钻机的动力头最大输入扭矩为N,钻斗直径为d,加压力为2G,钻斗最外边缘受力均等(即两个边齿输出扭矩为T/2)时,最外边缘点(即其中一个边齿)受力情况分析如图1所示:

  双底捞砂斗是常用的一种非入岩旋挖钻斗,该斗特点是斗底由固定斗底与活动斗底组成(如图2)。每次旋挖作业结束活动斗底可以相对回转一个角度,以实现斗底进渣口的完全打开与关闭。
  内阻力的产生是来源于钻斗内部,由钻斗内渣土、泥浆润滑及进渣口开启大小组成。钻斗内渣土对进渣口外的渣土造成阻力,阻止其进入钻斗,因此钻进负载会增大,影响钻进的速度。泥浆润滑对内阻力也有影响,泥浆起到润滑作用,降低渣土与钻斗内壁的摩擦阻力。前两个产生内阻力的因素是无可避免的,但是通过对钻斗进渣口大小的控制可以影响内阻力。进渣口决定进渣流量大小,影响钻进阻力和效率。当进渣口越大时,渣土进入钻斗的速度越快,内阻力越小;反之,效果相反。因此只要保证关闭进渣口时能使钻斗内的渣土封闭在钻斗内的条件下,可以把进渣口尽量开大。因为固定斗底有限位块,固定斗底进渣口最大可以开两个对称的略小于圆心角80°的扇形,总面积略小于1/2固定斗底的总面积。
  3.2.2侧阻力分析

  侧阻力主要是由于钻斗外侧面与孔壁摩擦而造成的阻力,主要受边齿和裙边(图3)、防护条(图4)、泥浆润滑影响。边齿、裙边为钻斗最大直径,侧阻力最大;防护条起到导向和减少钻斗与土体摩擦的作用,与钻斗外侧的土层发生摩擦产生侧阻力。钻斗防护条的直径不能超出边齿或裙边,否则增加侧面摩擦阻力,硬地层会造成托钻。泥浆具有润滑作用,可大大降低侧阻力。
  综上四点所述,通过对裙边和边齿、导向条的控制,可以直接对侧阻力产生明显的影响。因此在钻具的改造时,应充分考虑这三要素。
  2.2.3正阻力分析

  图6  切削顺序
  正阻力主要是斗齿切削土层的钻进阻力。正阻力影响因素包括斗齿类型、角度、间距、排列,先导尖类型、切削顺序与斗齿组合。
  (1)斗齿类型:斗齿类型决定了斗齿与土层之间的接触面积,接触面积越大,正阻力越大;接触面积越小,正阻力越小。
  (2)斗齿角度:斗齿角度影响斗齿与土层的接触面积,对正阻力产生影响。若斗齿角度过小会由点、线接触变为面接触,接触面积变大,降低钻进能力;若斗齿角度过大,会导致斗齿折断、底板变形,增强压强同时也提升扭矩负载,同时也不利于渣土入斗。
  (3)间距、排列:斗齿间距表示为斗齿的数量,在同尺寸的钻斗斗底下,斗齿越多,代表间距越小,接触面积越大,正阻力越大;反之,正阻力越小。斗齿的排列也会影响正阻力。斗齿的排列除了边齿对称外,其余的斗齿应该互补,而不是对称。斗底两边斗齿做切削运动时,产生的切削轨迹要互补。
  (4)先导尖类型、切削顺序:先导尖类型有两种(如图5),一种是倒三角合金板、一种是带四分齿座的短截齿先导尖(如图5)。前者是与土层接触面积较小,正阻力比较小,主要应用于较软的地层;后者有四个截齿与土层做切削运动,受力面积较大,正阻力较大,主要应用于较硬的地层。切削顺序(如图6)根据阻力臂原理,应最先接触地层最先钻进,其后其它斗齿跟进钻进,这样的钻进方式可有效降低阻力。因此,在斗齿安装时要注意,越靠近钻斗中心的斗齿应该越高,也就是说两边边齿和先导尖的斗齿应该形成倒三角形的关系。
  (5)斗齿组合:不同的斗齿与土层的做切削运动时受力面积也不尽相同,因此也会存在着正阻力不相同的问题。受力面积越大,正阻力越大。
  2.3非入岩钻斗的设计应用
  旋挖钻斗在钻进时受到的阻力中,最主要的为侧阻力和正阻力。只要实际施工过程中根据地质条件来设计改装钻斗和斗齿,才能提高钻进效率。
  2.3.1可钻性研究
  (1)当斗齿为直齿V20时,以钻斗直径为2200mm为研究对象,计算旋挖钻机的可钻性:
  已知钻机性能参数F=100KN,G=90KN,则切削力T=134.5KN,切削角θ=42°,钻斗直径为2200mm,假设先导尖是带四分齿座的短截齿,每个表面积为3cm2,断截齿齿尖周长为3cm,斗齿为直齿V20,冲击韧性为常温50J,数量为30个,每个直齿受力面积为6 cm2,直齿宽度为6cm,且斗齿排列成倒三角形状,假设在钻进过程中平均受力,求斗齿最大可钻土层的单轴抗压强度。
  受力面积S=6×30+3×3=192cm2=0.0189m2,
  则压强P=T/S=134.5KN/0.0189m2=7.1MPa
  所以斗齿为直齿V20最大可钻土层的单轴抗压强度为7.1MPa。
  直齿V20的冲击韧性为常温50J,若断口面积最小时FK=6cm2,则直齿的冲击韧度aK=AK/FK=50J/6 cm2=8.33J/cm2=833N?cm。
  斗齿在钻进过程中受力平均,即每齿受力为T′=134.5KN/34=3956N,
  所以每个斗齿受力平均时,
  最外边齿产生冲击韧度为aK′= T′/L=3956N/6cm=659.3N/cm
  因此aK >aK′,所以当直齿V20受力平均时,不会受冲击而脆断。
  综上所述,在该工况和参数下,旋挖钻机可钻土层单轴抗压强度7.1MPa以下的土层。当然,当钻斗直径、斗齿数量和斗齿角度发生变化时,计算也应相应发生变化,原理相同。
  (2)当斗齿为短截齿BKH28时,同理以钻斗直径为2200mm为研究对象,计算旋挖钻机的可钻性:
  已知钻机性能参数F=100KN,G=90KN,则切削力T=134.5KN,切削角θ=42°,钻斗直径为2200mm,假设先导尖是带四分齿座的短截齿,每个表面积为3cm2,断截齿齿尖周长为3cm,斗齿为断截齿BKH28,冲击韧性为常温80J,数量为40个,且斗齿排列成倒三角形状,假设在钻进过程中平均受力,求斗齿最大可钻土层的单轴抗压强度。
  受力面积S=3×44=132cm2=0.0132m2,
  则压强P=T/S=134.5KN/0.0132m2=10.2MPa
  所以斗齿为断截齿BKH28最大可钻土层的单轴抗压强度为10.2 MPa。
  断截齿BKH28的冲击韧性为常温80J,若断口面积最小时FK=10cm2,则直齿的冲击韧度aK=AK/FK=80J/3 cm2=26.67J/cm2=2667N?cm。
  斗齿在钻进过程中受力平均,即每齿受力为T′=134.5KN/44=3057N,
  斗齿在钻进过程中,斗齿与土层接触的长度为L=3×44=132cm,
  所以在每个斗齿受力平均时,
  最外边齿产生冲击韧度为aK′= T′/L=3057N/132cm=23.16N/cm
  因此aK >aK′,所以当断截齿BKH28受力平均时,不会受冲击而脆断。
  综上所述,在该工况和参数下,旋挖钻机可钻土层单轴抗压强度10.2 MPa以下的土层,比如强风化的坚硬岩和较硬岩、中风化的极软岩、微风化的泥质砂岩、泥岩等。当然,当钻斗直径、斗齿数量和斗齿角度发生变化时,计算也应相应发生变化,原理相同。
  2.3.2钻斗直径、斗齿数量和斗齿角度对可钻性的影响
  (1)钻斗直径、斗齿数量对可钻性的影响
  钻斗直径和斗齿数量对可钻性影响是整对出现的,不会是单独影响的。当钻斗直径较大时,为保证切削钻进的效率,斗齿数量也不会少,应该保证每齿都能饱满地完成切削土层做功,不会出现有斗齿出现空切削的现象。所以,当钻机动力输出一定的情况下,斗齿数量越多,每齿得到的切削力就越少,由可钻性研究得出,最大可钻土层的单轴抗压强度就越小。同理,当钻斗直径越小,斗齿数量越少,每齿得到的切削力就越大,最大可钻土层的单轴抗压强度就越大。比如为了钻进较硬的岩层,钻斗斗齿设计可在斗底减少1/2的斗齿,只留并列的半径斗齿,可降低1/2的扭矩负载,增强可钻性。
  (2)斗齿角度对可钻性的影响
  由上文可知斗齿的最佳切削角度为42°,从而确定最大可钻土层的单轴抗压强度。现在讨论斗齿角度大于42°和小于42°时对可钻性的影响。

  当斗齿角度大于42°时,受力分析如图7,计算切削力T小和垂直切削力的压力Y小。
  T小= cos(42°-θ)T
  Y小= sin(42°-θ)T
  由上两式可以看出,当斗齿角度变小时,切削力也发生改变,分解为与斗齿重合的切削力T小和垂直切削力的压力Y小。切削力T小在实际施工中比最佳切削角时切削力并没有减少很多,但是产生了压力Y小,可以增大对土层的压强,有助于破坏土层的结构,便于钻进的进行。因此当遇到单轴抗压强度较大的土层,可改用适当减少切削角的方法来提高钻进效率,减少斗齿断裂的频率。此种方法尤其在较硬泥岩等地质实行,但是要注意钻斗打滑现象的出现。因为斗齿角度减小后,斗齿前角和钻斗斗底容易粘住渣土,渣土在泥浆的润滑作用下,使斗齿失去切削作用。
  当斗齿角度小于42°时,受力分析如图8,计算切削力T大和垂直切削力的上升力S大。
  T大= cos(θ-42°)T
  S大= sin(θ-42°)T

  由上两式可以看出,当斗齿角度变大时,切削力也发生改变,分解为与斗齿重合的切削力T小和垂直切削力的提升力Y小。切削力T小在实际施工中比最佳切削角时切削力并没有减少很多,但是产生了提升力Y小,可以提高对切削后渣土进入钻斗的速度,有助于减少内阻力,便于钻进的进行。因此当遇到单轴抗压强度较小的土层,可改用适当增大切削角的方法来提高钻进效率的频率。此种方法尤其在回填土层、泥沙层、淤泥层等较软地质实行,但是要注意斗齿断齿现象的发生。
  4.结论
  将以上的钻斗在施工过程中的所受阻力的分析、斗齿受力和最佳切削角度的计算、钻斗斗齿不同角度时的可钻性和验证斗齿冲击韧性结合起来研究,对选择、改造和使用不同钻斗进行钻进施工有莫大的参考意义。在实际的施工中,地质因素尤为重要,必须根据各种不同的地质情况来选择不同的钻具,在具体的工程实例中,并不是所有的钻斗和斗齿配合都是一成不变的。适当地改造钻斗和斗齿,将会大大提高施工效率。只有不断观察、优化,不断应用,才会提高效率。
  参考文献:
  [1]TRM250B旋挖钻机操作保养手册.徐州博汇东明机械制造有限公司
  [2]沈莲,范群成.机械工程材料.机械工业出版社,2003
  [3]刘锋,禹奇才.工程力学.华南理工大学出版社,2006
  [4]黎中银,焦生杰.旋挖钻机与施工技术.人民交通出版社,2010

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