旋挖鉆桿內外驅動鍵結構研究

張占哲

(華北水利水電學院，河南 鄭州 450011)

0 前言

旋挖鉆機是目前基礎施工中常見的鉆孔灌注施工機械。鉆桿作為旋挖鉆機的一個關鍵部件，在施工過程中要同時承受大扭矩、大鉆壓，還要克服很大的彎矩，使得鉆桿的受力條件非常復雜，常常出現鉆桿扭曲變形，斷裂，鉆桿內、外驅動鍵(簡稱“內、外鍵”)鋼管出現裂紋(見圖1)等失效形式。在此主要通過對內、外鍵的相對對焊位置(見圖2)進行有限元受力分析比較，探討兩種結構的相對合理性。

1 建立有限元模型

以φ377－4機鎖桿最外層桿進行建模分析，該型號鉆桿配套YTR180旋挖鉆機。鉆桿模型用三維軟件CATIA繪制，再導入ANSYS軟件中，然后進行必要的模型處理。模型采用一階單元 Solid45，鉆桿的彈性模量為2.06×105，泊松比0.3。為了獲得質量良好的實體單元，對鉆桿直接進行掃掠(SWEEP)劃分，整個模型劃分成3.6萬多個單元，4.9萬多個節點。鉆桿有限元模型如圖2所示。

圖1 鋼管裂紋

2 邊界條件

YTR180鉆機最大輸出扭矩200 kN·m;YTR180鉆機最大加壓力200 kN;φ377－4機鎖桿最外層鋼管規格 φ377 ×14［Q345B］;鋼 －鋼相對摩擦系數0.15。

Q345B的材料性質如表1所示。

表1 Q345B性能參數

鉆桿在最大扭矩和最大鉆壓力作用下，動力頭對鉆桿施加的扭矩和鉆壓是由最外層鉆桿的外鍵來傳遞的，動力頭作用在外鍵的壓力可近似作為均布載荷來處理，同時在最外層鉆桿的端面施加200 kN的鉆壓。

3 約束和加載分析

將沿內鍵邊緣節點的周向旋轉自由度固定，鉆桿端頭的縱向移動自由度約束，沿外鍵側面均勻加載扭矩力F==1×106N和摩擦力f=200 kN ×0.15=3×104N，如圖3所示。

圖3 有限元模型約束與加載

兩種結構模型加載后的應力云圖如圖4所示，為兩種結構的最大應力集中部位。

圖4 有限元應力云圖

由圖4可知，A結構鋼管最大應力集中在外鍵側，應力值35～40 MPa，該部位鋼管內部塞焊有內鍵，可以起到一定的加強作用;B結構鋼管最大應力集中在內鍵側，應力值50～55 MPa，該部位鋼管外側無加強，且應力集中值較大，容易出現疲勞破壞，在實際施工時易出現事故。

通過對兩種不同對焊結構的內、外鍵進行有限元分析，B結構內、外鍵中間鋼管的設計強度滿足要求，但在受到交變拉應力作用下比A結構更易出現疲勞裂紋，建議在旋挖鉆桿設計時盡可能采用A結構。