旋挖钻机伸缩钻杆稳定性分析

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1、2010年1O月地质装备13旋挖钻机伸缩钻杆稳定性分析卜长根张兴辉(中国地质大学(北京)q-程技术学院北京100083)摘要：旋挖钻机在基础施工中应用越来越广泛，作为钻机关键部件的伸缩钻杆在较深孔施工中常出现内层钻杆变形过大或钻斗(头)钻杆间联结易断裂。本文从伸缩钻杆稳定性方面入手，基于有限元法研究了阶梯变截面杆临界载荷的计算问题。分析表明：浅孔时，约束边界对伸缩钻杆临界力的影响很大。此时，孔深增大失稳临界力递减很快，随后明显趋缓变小的临界力极易因加压钻进造成钻柱失稳，使伸缩钻杆局部破坏失效。这一结果对于完善伸缩钻杆的设计理论，指导生产实

2、践具有现实的意义。关键词：伸缩钻杆稳定性临界力变截面在高层建筑、道路桥梁、大坝等基础施工中，旋挖钻机的应用越来越广泛。伸缩钻杆是旋挖钻机的一个关键部件，在旋挖钻机深孔施工中，随着钻孔的不断加深，钻杆伸出得越来越长，而从上到下伸缩钻杆变得愈来愈细，技术人员如何设计阶梯变截面伸缩钻杆，确保钻孔施工过程中，孔深和地层变化不至于加压失稳而造成伸缩钻杆破坏。因此，有必要对伸缩钻杆进行稳定性分析。伸缩钻杆相当于一种变截面杆件，变截面压杆稳定临界力的计算是工程设计中经常遇到的问题，但从目前来看，对于变截面构件稳定性的计算，还没有一种统一的设计方法。严格

3、地讲，压杆稳定临界力的计算是非线性问题，而且对于不同的截面，杆件变形微分方程的形式不同，求解十分复杂，只有几种特殊情况(如等截面)才能用欧拉方程求解。国内多l奎l1CMV-1500钻机伸编钻杆数情况基于有限元法，研究变截面定长度杆的稳定的功W。性，国外近年主要基于非线性理论和数值法研究定外力势能：长连续一致变截面杆(悬臂梁)稳定性问题。对于旋挖钻机伸缩钻杆，随钻孔延深，内层钻杆伸出、顶部W一一Jr。LPdu(1)钻杆依次变空、截面依次变化，边界变化等对钻杆稳其中：是在z方向上的位移。定性的影响稍缺乏系统研究。应变能为：1结构稳定性分析理论

4、基础u一1／2f~0EI(“Z)，。如(2)1．1伸缩钻杆数学模型其中：7d是在Y方向上的位移。弹性体总势能就是弹性体的形变势能U和载系统总势能为：荷系统的外力势能w之和。当结构系统是保守系Ⅱ一u—w===1／2f~EI()dx一'f：(3)统，外力变形过程中保持其大小和方向不变，外力功式(3)中通过图2几何关系、d、如变换得：只和弹性体变形体前后两个状态有关，而与变形过程无关。这样可以把外力做功看成一个保守的有势一√(塞)+一一1()。dx力场势能，外力势能等于结构上的每一个外力所作14卜长根等：旋挖铝机伸缩钴杆稳定性分析第11卷第5期

5、图2受压伸缩钻杆力学模型图3钻进开始图4钻进结束总势能公式转化为：(1)两端铰支II一口(骞)。dx—1J。L~I／五dv)dx(4)两端节点的位移-o和一O，而偏转角不为引进形函数N，令===[』＼『]{)，由最小势能原0，与之相对应的刚度矩阵要作修改，将刚度矩阵、理可知，在所有几何可能位移中，真实位移使得总势EK1]1+2+3+4+5、[K2]l+2+3+4+5的第一行，第一列，第能取最小值，即一o，可得到最小势能，由总势能十一行，第十一列划去。(2)上端铰支下端固定对{)求偏导得：下端节点6的位移一0，转角一0，将刚度矩一肛EN"-

6、I&)-阵EK1]1+2+3+4+5、[K2]1+2+3+4+5的第十一行、第十一列，第十二行、第十二列划去；上端节点1的位移IPEN][N]出X=：=0(5)1-0，偏转角01不为0；将刚度矩阵EK1]1+2+3+4+5、将(5)式简化成为：K2l+2+抖4+s的第一行、第一列划去。P—Eg][Kz](6)1．3求临界载荷其中：将EK1]1+2+3+4+5，EK2]1+2+3+4+5，带入公式(6)，求得：[K]一I口[][](7)P—EK1]1+2+3+4+5，[K2]1+2+3+4+5[K。]=：=I[N][N]d(8)从上式可得到

7、一个由矩阵表达的解，再由根据公式(7)、(8)计算出各段钻杆的弹性刚度矩阵IP—jl-0解出其特征值，即为临界载荷P一。EK](i-l，2，3，4，5)，几何刚度矩阵[K2](—l，2，3，4，5)，然后叠加成整体刚度矩阵和。2伸缩钻杆稳定性有限元计算1．2加入边界条件2．1伸缩钻杆基本参数与建模钻杆在逐渐伸出过程中，最下面一段可以看成旋挖钻机CMV-1500伸缩钻杆由五节钻杆组为实心圆柱，上面各段为中空圆柱，依次伸出一节，成，选用BEAM3单元，将钻杆简化为圆环截面。各二节⋯⋯五节，顶部钻杆依次变空，把每一截当成一段钻杆材料45Mn钢，

8、弹性模量为2．1E11Pa，泊松个梁单元。当短螺旋钻头刚刚接触孑L底土体时，这比0．3，各段钻杆的长度为13m，截面粗细不同，其时只是限制钻杆的平移自由度，对钻杆的旋转自由截面惯性矩不同，表1