多功能導向鉆機鉆桿卡盤設計與應用

王倩云

摘 要：隨著城市建設的發展，地下空間建設越發重要。而地下空間特別是在既有建筑下地下空間的施工設備更是應滿足地下空間狹小、低凈空、輕巧、精度高、功能多、靈活性好的方向發展。尤其導向鉆機的使用越來越廣泛，具有多功能鉆削、高可靠性及穩定性的鉆機，成為安全施工的必備條件。本文為提高導向鉆機作業的安全性鉆桿裝卡設計了一種新型的卡盤結構，從卡盤卡面齒形優化、彈性變形以及其耐磨性作了系統介紹，為多功能導向鉆機鉆桿卡盤設計提供了可借鑒的設計經驗。

關鍵詞：地下空間;非開挖;導向鉆機;卡盤

中圖分類號：P634.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0073-02

0 引言

導向鉆進技術也稱非開挖技術（HDD）是城市建設中的一項關鍵重要技術。針對地下空間狹小、低凈空、多方位、高導向精度等施工工況需求，一種大扭矩、多角度、高位置精度的新型全方位的導向鉆機使用越來越廣泛[1]。鉆進施工是相對連續的，需要長時間抱鉆回轉，因此機械式卡盤結構連續使用的可靠性非常重要[2]。為滿足導向鉆機具備輸出更大扭矩、更高提升力時，鉆具可靠的提升、旋轉，無掉鉆、卡鉆等要求，需要研制一種新型可靠的鉆桿卡盤結構[3]。

1 導向鉆機卡盤方案設計

1.1 卡盤總體方案設計

考慮地下空間引孔超深、超長的要求，鉆桿重量較重，因此卡盤的卡緊力相對較大，卡盤采用多層碟簧推壓抱緊，抱緊時僅使用機械力，同時碟簧通過螺母配合螺釘進行預緊力，避免液壓電氣等其他因素使碟簧松脫而造成滑鉆。為確保卡盤與鉆桿間不打滑，卡塊卡爪處設計波紋齒。當卡爪與鉆桿抱合時，波紋齒使鉆具材料發生彈性形變，使鉆具軸向產生剪切力，該力遠大于其自重和回轉扭力，從而實現鉆具夾緊。為避免卡盤局部擠壓力過大造成鉆桿受壓變形，卡盤選用五爪瓣結構，使鉆桿周向受載更均衡。由于地下空間施工場地狹小，卡盤整體結構應體積小、行程大、可靠性高，因此卡盤打開與壓緊采用液壓油缸釋放和推壓方式。推壓油缸固定在鉆桿動力箱上，動力箱設計成空心軸以安裝卡盤、碟簧等。為保證卡盤旋轉，在卡盤和油缸中間安裝推力軸承。卡盤剖面結構示意圖1所示。

1.2 卡盤主要關鍵件設計

1.2.1 碟形彈簧力計算與選型

蝶形彈簧軸向壓緊力，通過卡爪，將軸向力轉換成抱緊鉆桿的周向摩擦阻力。鉆桿鉆進時周向摩擦阻力大于鉆桿的回轉力、鉆桿的進給軸向力以及鉆桿的自重的合力。卡盤卡塊受力圖2所示。

（1）彈簧壓縮軸向負荷估算。考慮單節鉆桿拆接便利、拆接次數（效率）及施工空間等因素，單節鉆桿的設計為長度：L=1500mm;D=Φ142，則單節鉆桿重量：83kg;施工最大深度100m，則鉆桿最大重量：5533.4kg;考慮安全系數，以及鉆桿提升、下壓的摩擦阻力等，取：100kN。

根據卡塊齒型，可計算出與鉆具接觸面積s=220.5mm2，則5個卡塊總面積為：S=1.1X10-3m2;

分別代入式（2）、式（3）得，卡塊正壓力σ=9.1MPa≤[σ]=167MPa，鉆具下滑趨勢產生的剪應力τ=122.7kN。

計算得得正壓力可滿足100m鉆具使用要求。

2 卡盤夾持力有限元建模分析

2.1 卡盤結構有限元建模與邊界條件加載

零件材料為：高強度合金鋼，屈服強度710MPa。網格劃分：網格密度選擇良好，網格邊長范圍0.27-5.45mm，網格劃分后，零件弧形面無棱邊。外部載荷：鉆具徑向力以11kN作基礎模擬加載。

2.2 模擬加載后的形變與應力計算

圖4為卡盤卡爪應力分析圖，應力最大部分集中在卡爪齒部區域，且最大應力值為179Mpa;圖5為卡盤卡爪位移分析圖，最大變形位移0.35mm;圖6為卡盤卡爪應變分析圖。由圖4、5、6可知，卡盤卡爪最大應力179MPa<[α]=710MPa，最大變形位移0.35mm，與上述卡盤計算較為吻合。

3 鉆機卡盤夾持力調試試驗

機械卡盤夾持力試驗以場內試驗為主，進行破壞性試驗，以測試機械卡盤的最大夾持力。

（1）試驗方法：以鉆機動力頭部分為依托，使用其上、下夾緊均固定在立柱上的機構，夾緊鉆桿并提升。通過液壓缸對鉆桿施加軸向載荷，記錄鉆桿在卡盤內滑移時，液壓缸施加的載荷，算出卡盤夾持力;（2）試驗結論：機械卡盤極限夾持力127kN，與理論計算、有限元分析相近，卡盤試驗圖7所示。

4 生產應用

按本文介紹的方法設計的鉆桿卡盤，已在我司生產的多臺多功能導向鉆機上應用。圖8為上海楊浦區邯鄲路某工程使用本卡盤鉆機施工現場圖。使用本卡盤的鉆機，相對于傳統導向鉆機，具有更大的扭矩、更可靠的鉆具夾持力、更高的精度，實現超深、狹小空間的施工。

5 結語

本文簡述了一種導向鉆機的機械式卡盤設計、有限元建模計算以及加載試驗驗證的方法，并形成裝備在施工中應用。為狹小地下空間內超長距離的定向鉆進施工鉆機提供了可靠保證。為多功能導向鉆機鉆桿卡盤設計提供了可借鑒的設計經驗。

參考文獻

[1] 趙健.定向鉆穿越施工關鍵技術與措施[J].建筑工程技術與設計，2018（8）：281.

[2] 姚愛國，彭金龍.鉆探技術新進展[J].地質與勘探，2000，36（2）：1-4.

[3] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2007.