旋挖鉆機鉆桿常見故障形式及解決方案

摘要：旋挖鉆機鉆桿因承受工作載荷大、使用工況復雜、維護保養困難等因素影響，常發生外節桿上段鋼管開裂、花管開裂、方頭斷裂、卡桿等問題。根據鉆桿的結構及使用工況，對常見故障形式進行了分類，分析故障原因為異常磨損、額外受偏載力、焊接影響、使用工況惡劣等，并從鉆桿設計與生產、旋挖鉆機智能控制、使用維護與保養等方面提出了相應的解決方案。

關鍵詞：旋挖鉆機；鉆桿；故障形式；解決方案

0" "引言

旋挖鉆機鉆桿作為旋挖鉆機的核心工作裝置，施工過程中將動力頭輸出的扭矩和加壓力傳遞給鉆頭，實現鉆頭的切削鉆進。

旋挖鉆機鉆桿在施工過程中要承受大扭矩、大鉆壓，且其逐節伸縮變截面細長桿的結構容易引起壓桿失穩等問題，這使得鉆桿在鉆孔作業過程中的受力情況異常復雜，大大地增加了鉆桿遭受破壞的風險。隨著旋挖鉆機在國內外市場的廣泛應用，鉆桿也成為旋挖鉆機故障率較高的部件之一，本文對鉆桿常見失效形式進行歸納分析，并提出相應解決方案。

1" "旋挖鉆機鉆桿結構概述

旋挖鉆機鉆桿為伸縮式多層桿結構，通常由四節、五節、六節等組成，長度12～30m不等，內節桿直徑小于外節桿，每節鉆桿主要由鋼管及焊接在其上的內外驅動鍵組成，旋挖鉆機動力頭通過外驅動鍵傳遞扭矩，摩阻式鉆桿通過各節桿重力與鉆進時內外鍵之間產生的摩擦力傳遞向下的加壓力，機鎖式鉆桿在外驅動鍵中間焊接有多個加壓鎖塊，當鉆桿內驅動鍵轉動到外驅動鍵的加壓鎖臺中時，由動力頭加壓油缸產生向下的加壓力，通過芯節桿方頭傳遞至鉆具上。

2" "鉆桿常見故障形式

旋挖鉆機施工時鉆桿承受大扭矩與加壓力，同時頻繁承受沖擊振動載荷，由于鉆桿均在孔內作業，內部情況難以觀測，且經常存在軟硬交替夾層、斜巖、孤石等復雜工況，而鉆桿的復雜操作也對機手有一定的要求，鉆桿的失效就出現在這個復雜的施工環境中。一旦鉆桿出現故障，將會導致現場停工，出現斷裂等嚴重故障時，甚至可能造成樁孔報廢，給客戶及施工方造成極大的經濟損失。

旋挖鉆機鉆桿常見的故障形式有以下幾種：①外節桿上方第一組加壓鎖塊與鍵條位置焊縫、鋼管開裂。②外節、中間節底口花管開裂。③芯節方頭斷裂。④各節伸縮不暢、卡桿。⑤鍵條、加壓鎖塊磨損失效。其中序1～4發生的頻率相對較高，多與鉆桿焊接、施工工況、機手操作等情況有關，且各問題經常伴隨發生，造成的經濟損失也較為嚴重。

3" "鉆桿故障原因分析

3.1" " 旋挖鉆機鉆桿受力分析

以扭矩280kN·m旋挖鉆機為例，配置鉆桿型號為四節Φ508機鎖式鉆桿，理論狀態下各節桿軸心在同一位置，承受相同的扭矩，以此狀態進行有限元分析，得出結果見圖1。

其中一節、二節、三節、四節分別對應由外到內四節桿，一桿等效應力平均值為110MPa，二桿為170MPa，三桿為260MPa，四桿為300MPa，鉆桿的一二節通常選用屈服強度≥355MPa的材料，三四節通常選用屈服強度≥785MPa的材料，計算各節桿安全系數分別為3.2、2.1、3.0、2.6，外節安全系數最高，而根據實際質量反饋分析，鉆桿的反饋多發生在一節與四節，根據分析結果及經驗可以判斷鉆桿的安全系數滿足使用要求，鉆桿的故障原因是多方面造成的，與焊接工藝、施工工況、使用保養等都有著較大的關系。

3.2" " 鉆桿開裂原因分析

隨著旋挖鉆機的廣泛應用，國內鉆桿制造商的生產質量均已大幅提升，由于焊接質量問題導致的焊道開焊、脫焊問題已鮮有發生，當前鉆桿的開裂故障多發生在管體上，其中外節桿上方第一組加壓鎖塊與鍵條焊縫位置鋼管開裂頻率相對較高。

根據上述有限元分析與理論計算可以判斷出鉆桿的強度滿足使用要求，該處的損壞由多方原因導致。通過大量的施工現場及故障件觀察分析該處鋼管開裂原因如下：

該處是鉆桿工作時使用時間最長的部位，長時間施工動力頭驅動內鍵與鉆桿驅動外鍵磨損，鉆桿受力狀態由受單獨的扭矩轉變為受扭矩的同時擠壓鋼管，進而導致開裂。如圖2a所示為正常使用未磨損時鉆桿的受力，圖2b所示為使用較長時間后驅動內鍵和鉆桿驅動外鍵均有一定磨損后鉆桿的實際受力情況。磨損后鉆桿會受到動力頭內鍵的擠壓力，考慮施工時的沖擊振動，易導致在該處薄弱點開裂。而鉆桿的薄弱點也恰好為鍵條的焊接熱影響區，這是導致外節桿上端第一組加壓鎖塊與鍵條位置焊縫、鋼管開裂的原因之一。

旋挖鉆機施工時樁孔底面不規整，鉆桿鉆具并非平穩的鉆進工作，其會受到孔底強大的反作用力，需要通過主機的回轉鎖止與垂直導向桅桿來抵消，而現場施工尤其是遇到硬巖工況，當出現回轉減速機制動力不夠時，鉆機會存在回轉左右晃動的情況，此時進行過度加壓操作時甚至會致使主機前履帶翹起，出現桅桿傾斜的現象，上述情況會導致鉆桿與動力頭不同心，鉆桿承受由動力頭內驅動鍵額外施加的橫向彎折力，頻繁擠壓使鋼管開裂。

3.3" " 花管開裂原因分析

鉆桿外節、中間節的花管作為傳扭加壓的關鍵部位，也是故障頻率發生較高的位置，在鉆桿強度滿足使用要求的前提下，分析其失效原因如下：

如圖3所示為鉆桿花管位置的截面圖，驅動內鍵與驅動外鍵分別焊接于鉆桿的內外壁，該處管體同時受到內外兩處焊道熱影響，屬于薄弱位置，實際生產過程中，內鍵需手工焊接且焊接空間較小，因此花管開裂成為鉆桿故障頻率較高的部位之一。

此外，上述3.1中出現鉆機桅桿后仰情況時，鉆桿由于嚴重受彎，致使第一節下端底口花管受彎折力，也成為花管開裂的誘因之一。

3.4" " 方頭斷裂原因分析

方頭是旋挖鉆機鉆桿的核心構件，也是將旋挖鉆機的動力傳遞至施工用鉆具的部位，方頭處失效屬于鉆桿重大質量反饋，而根據大量的反饋數據分析可以看出，方頭故障仍為鉆桿的高頻故障點，上述有限元分析可知，芯節桿強度滿足使用要求，而方頭自身均采用高強度鍛打鋼材，性能優于鉆桿其余部位，以此為依據并結合大量現場反饋，分析其失效原因有如下幾點：

方頭大多數采用鍛打、機加工、熱處理的生產工藝，而在鍛打、熱處理的工序過程可能存在處理缺陷，此處缺陷成為方頭斷裂的原因之一。

方頭采用對接的形式與芯節鋼管焊接為一體，施工現場為提升施工效率，存在機手使用鉆桿帶動鉆頭前后、左右撥土、攪漿等違規操作，小噸位旋挖鉆機配置鉆桿芯節桿直徑較小，剛度差，上述操作易造成方頭彎曲甚至斷裂。

在地質條件復雜，特別是有漂石層、斜巖等工況施工時，鉆頭在鉆孔的過程中，遇到探出孔壁的漂石或剛進入斜巖地層施工時（見圖4），因受到孔底的不均作用力影響，在主機加壓力的作用下，極易受到偏載力的作用，會使鉆桿方頭與鉆頭連接位置受交變彎曲應力，大幅增加方頭斷裂的概率。

3.5" " 卡桿原因分析

旋挖鉆機鉆桿為多節桿逐節伸縮式結構，由內外驅動鍵接觸傳扭，驅動鍵厚度通常設計為14～25mm，各節之間間隙多為單邊5～10mm，且工作區域均位于孔內，肉眼無法觀察。導致卡桿的主要原因如下：

鉆桿工作時由圓周均布的三組內外鍵接觸傳扭，當單節桿直線度稍差時，內外鍵接觸面偏小，加劇磨損，嚴重磨損時會造成滾鍵，上述情況會導致鉆桿解鎖困難甚至卡死。

機鎖式鉆桿在完成鉆進工序后，需反轉動力頭進行解鎖，待解鎖完全后進行上提操作，而現場施工時可能存在未完全解鎖就上提鉆桿的操作，這會導致未解鎖的第n+1節桿未完全收回就將其外側的n節桿帶起，當帶起至一定高度后，n節鉆桿由于振動等原因解鎖，帶起的n節桿自由下落，造成砸桿，如圖5所示，上述情況會致使n節桿活動環嚴重變形，外節桿內鍵上段砸至鼓包，繼而與其外節卡滯，伸縮不暢，甚至卡死。

機鎖式鉆桿鉆進各節伸出后，需上提動力頭進行上鎖工序，要求內驅動鍵滑動至與加壓鎖塊承壓面完全接觸，實際操作存在未完全上鎖就進行傳扭加壓的情況，如圖6所示，此操作使得外節鉆桿內鍵與里節鉆桿外加壓鎖塊形成小面積接觸傳扭，導致外節鉆桿內鍵與里節加壓鎖塊局部磨損異常，造成滾鍵，嚴重時會致使里節桿加壓鎖塊處鋼管凹陷，導致卡桿。

4" "鉆桿常見故障的解決方案

根據以上旋挖鉆機鉆桿常見故障原因分析，可采取以下解決方案。

4.1" " 優化旋挖鉆機鉆桿結構

鉆桿故障的發生與鉆桿本身的結構相關，對鉆桿關鍵部位結構進行相應的改進優化，可提高鉆桿的適應性。

機鎖式鉆桿外節桿上方第一組加壓鎖點處鍵條，加壓鎖塊在保證與旋挖鉆機動力頭配合間隙的前提下加厚設計，增加加壓、傳扭接觸面積，以提高其耐磨性、剛度。

對花管處內驅動鍵加寬，保證內外鍵重合度大于1，內鍵與外鍵焊縫錯開，內驅動鍵底面20mm范圍內取消焊接，減小焊接對鋼管的影響。

方頭采用空心結構，避免芯部鍛造、熱處理等過程缺陷，方頭對接段鋼管加厚設計，以增加方頭段剛強度，改善孔底不均作用力對方頭的影響。

4.2" " 優化旋挖鉆機智能控制系統

針對施工過程中復雜地層、孔內不可視作業等因素對鉆桿損壞產生影響的問題，旋挖鉆機主機從智能控制等方面改進優化。

增加動力頭多擋工作模式，標準模式、土層鉆進模式、硬巖鉆進模式等，施工過程根據地層硬度自動切換，硬巖地層入巖模式動力頭提供低轉速、大扭矩，提高整機穩定性，改善鉆桿受力。

針對超深孔工程，主機配置自動限壓功能，自芯節鉆桿伸出后自動限制動力頭加壓力，提高壓桿穩定性。

增加鉆桿可視化功能，機鎖式鉆桿上鎖、解鎖操作可視，鉆進工序實時監控鉆桿作業參數，出現未完全解鎖上提鉆桿或磨損導致帶桿時，系統發出帶桿警報，減小誤操作導致的鉆桿故障。

4.3" " 科學使用、維護

旋挖鉆機施工作業時，應保證場地硬化平整，避免出現施加大加壓力使履帶頂起現象，鉆孔操作維持鉆桅豎直狀態，保證鉆桿平穩受力。日常使用時，應定期抽出各節鉆桿檢查，建議機鎖式鉆桿第一次使用50h進行保養，正常使用每250h進行一次保養，摩阻式鉆桿第一次使用100h進行保養，正常使用每400h進行一次保養，將卷邊突出部分及時打磨平整，磨損時進行修補，嚴重磨損時更換故障件，避免過度磨損致使的卡桿、開裂等現象。

5" "結語

旋挖鉆機鉆桿的故障發生是一個復雜的過程，是由多方原因造成的，應全面系統地分析問題。本文對現階段鉆桿作業過程中較為常見的失效現象進行了詳細分析，并針對故障原因分別提出切實可行的解決方案，對降低鉆桿質量反饋率，提升鉆桿可靠性及使用壽命具有重要意義。

參考文獻

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