提高大扭矩旋挖鉆機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)

提高大扭矩旋挖鉆機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)

通過對旋挖鉆機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構、材料和加工工藝，采用安全鋼絲繩結構，提高了大扭矩旋挖鉆機用螺旋鉆頭的強度和安全系數。同時介紹了鉆頭制造和使用過程中的注意事項。

短螺旋鉆頭;強度;安全系數;模擬分析;安全鋼絲繩;心管

0 引言

硬巖地層鉆進是旋挖鉆機施工的難點之一，短螺旋鉆頭由于其破巖能力強，目前得到了廣泛應用。隨著我國旋挖鉆機向著大型或超大型的方向發展，鉆機的功率和輸出扭矩不斷加大，鉆進地層的硬度和強度日益增加，鉆具的受力情況惡劣，在施工過程中因鉆具受損甚至斷裂而造成的孔內事故也隨之增長，嚴重影響了工程進度和安全，為施工者帶來了巨大的經濟損失。在此種情況下，從結構、材料與加工工藝著手，提高短螺旋鉆頭的強度和安全系數迫在眉睫。

1 短螺旋鉆頭的失效形式

常規旋挖鉆機用短螺旋鉆頭主要由連接方、連接方板、心管、主螺旋葉片和引導螺旋葉片、螺旋定心等組成，其結構如圖1所示。

根據對短螺旋鉆頭的實際應用情況進行調研后發現，目前旋挖鉆機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，或鉆頭法蘭受扭轉變形;

圖1 旋挖鉆機用雙錐雙螺短螺旋鉆頭結構示意圖

(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，造成孔內事故，要防止此類事故造成的損失，可以采用必要的可靠性結構設計，通過選材、加工工藝等方面來提高螺旋鉆頭強度。

2 短螺旋鉆頭的受力分析與強度校核

為提高大扭矩鉆機用短螺旋鉆頭的安全系數，筆者在文獻［5］的基礎上，采用SolidWorks軟件對短螺旋鉆頭進行整體建模，并通過SolidWorks Simulation有限元設計分析軟件進行受力分析。

設定參數為在連接方內部施加回轉扭矩T和軸向壓力F，假設螺旋葉片固定，即按照發生螺旋葉片卡鉆的情況對其進行受力分析，其結果如圖2所示。螺旋鉆頭的應力集中區域除固定段(卡鉆段)外，應力集中也主要產生在連接方連接處及心管與葉片的連接處，可見對短螺旋鉆頭的分析結果與實際的失效變形方式一致。

圖2 短螺旋鉆頭簡化結構SolidWorks受力模擬應力分析圖

通常情況下，螺旋心管的變形主要為因扭轉產生的變形，故此根據第三強度理論對螺旋心管的強度進行校核計算，采用不同材質和不同尺寸的螺旋心管的安全系數如表1所示。

表1 不同心管材質的無縫鋼管系列受力分析信息

其中設定模擬鉆機能力參數:扭矩420 kN·m，加壓力460 kN，起拔力460 kN。

按照第三強度理論對心管進行強度校核:式中:σm——截面最大正應力，τm——截面最大剪應力。

設計人員可根據理論、經驗及制造生產成本選擇合適的材料或者改變心管尺寸參數，以滿足不同能力鉆機在不同地層條件下的鉆進要求。

3 短螺旋鉆頭的安全結構設計

在提高心管強度的同時，筆者在螺旋鉆頭心管內部附加了防斷安全鋼絲繩結構，鋼絲繩上端與連接方板相連接，從心管內部通過后與定心相連接，組裝后鋼絲繩的長度略長于心管長度，在正常的鉆進過程中鋼絲繩不受力，當短螺旋鉆頭受外力破壞甚至發生斷裂的情況下，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，鉆機上提鉆桿帶動鉆頭上行，通過鋼絲繩將斷裂的下部螺旋提出孔外，避免孔內事故的產生。

4 短螺旋鉆頭的加工工藝和使用注意事項

通過上述分析結果可以看出，短螺旋鉆頭在受到鉆機施加作用在連接方上的回轉扭矩和壓力時，螺旋鉆頭應力集中的部分在各個連接焊縫處，故此除提高心管的強度之外，在加工過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，在焊接的過程中要預防和消除部件因焊接產生的應力集中和變形，特別要注重心管與螺旋葉片因材料不同產生的焊接缺陷，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氣體保護焊接工藝，心管材料采用高強度鉻鉬合金結構鋼無縫鋼管，螺旋鉆頭其他材料采用Q345B鋼板，主要技術要點如下:

(1)采用分段焊接、對稱焊接等工藝，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行焊前升溫，到溫焊接，焊后保溫，減少部件熱應力，提高焊接強度;

(4)焊接過程中合理安排焊接工序，注意檢查每道工序質量，加強過程控制。

5 結語

本文主要探討了短螺旋鉆頭的受力情況和失效形式分析，針對大扭矩鉆機的特點，采用大直徑厚壁合金鋼管作為心管材料，提高了安全系數;采用安全鋼絲繩結構設計，在理論上提高了螺旋鉆頭的安全性能;依靠嚴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。在實際應用中，我所生產的螺旋鉆頭已經在420 kN·m以上的大扭矩鉆機生產實踐中成功應用，鉆頭的強度可滿足鉆進要求，施工者認為，安全鋼絲繩結構進一步提升了他們的施工信心，保障了鉆孔安全。同時需強調的是，無論在何種情況下，施工過程中要做到勤于觀察、謹慎操作，這樣才能最大程度地防止孔內事故的產生。

［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.旋挖鉆機巖石鉆進試驗［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(3).

［3］冶金工業部地質勘查總局，等.巖土鉆掘鉆頭［M］.北京:冶金工業出版社，1997.

［4］DS SolidWorks公司.SolidWorks Simulation基礎教程［M］.北京:機械工業出版社，2009.

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

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

HUANG Yu-wen，WONG Wei，FENG 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研發中心主任、高級工程師，探礦工程專業，從事大口徑旋挖鉆具的設計、研發工作，北京市海淀區學院路29號，huangyuwen1968@163.com。