旋挖钻机非入岩施工钻具的受力分析与应用

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1、旋挖钻机非入岩施工钻具的受力分析与应用李梓文广东省基础工程集团有限公司510620摘要：木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，配合不同钻只，适应于干式、湿式及岩层（岩心钻）的成孔作业，以达到

2、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木上提高钻进的效率。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

3、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冋转一个角度，以实现斗底进渣U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人小组成。钻斗内渣土对进渣U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檫阻力。前两个产生内阻力的因素是

4、无可避免的，但是通过对钻斗进渣U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。当进渣口越大吋，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吋能使钻斗内的渣土封闭在钻斗内的条件下，可以把进渣U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，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檫的

5、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。因此在钻具的改造吋，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

6、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，增强压强同吋也提升扭矩负载，冋吋也不利于渣土入斗。(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，其余的斗齿成该互补，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

7、积较小，正阻力比较小，主要应用于较软的地层；后者冇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，在斗齿安装吋要注意，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吋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非入岩钻斗的设计疲用旋挖钻斗在钻进吋受到的阻力中，最主要