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旋挖钻机机锁式钻杆常见故障分析

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文章附图

旋挖钻机机锁式钻杆常见故障分析


【摘要】旋挖钻机在实际施工过程中钻杆的受力状况很复杂,很难用解析法计算钻杆的受力情况,不便于对钻杆结构的优化提供合理的设计准则。本文基于Pro/E和ANSYS软件,建立了旋挖钻机机锁式钻杆的实体模型,主要针对机锁式钻杆方头和加压平台两处常见故障点,模拟实际工况来加载,对其进行分析,以便为机锁式钻杆的优化提供依据。

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  钻杆是旋挖钻机的关键零部件。机锁式钻杆在实际工作当中,受力情况复杂,在承受大钻压、大扭矩、大弯矩的情况下容易出现弯曲、扭转变形、外键(或内键)撕裂、被扭断、钻杆方头的断裂和加压平台的压馈等。

  一、旋挖钻机机锁式钻杆简介

  目前旋挖钻机最常采用的钻杆形式一般为摩阻式钻杆和机锁式钻杆这两大类。机锁式钻杆是一种通过加压平台实现对地层加压钻进和固定键接触实现传递动力头扭矩的钻杆,对地层的适应能力强。

  二、旋挖钻机机锁式钻杆的受力情况分析

  钻杆要将动力头输出的全部扭矩传递给孔底的钻具上,并且动力头的自重和加压油缸输出的压力也是通过钻杆传递到孔底钻具上。当钻进较坚硬的地层时,钻杆可能要同时承受大扭矩和大钻压,同时还要克服大弯矩。方头的断裂主要与钻杆承受大扭矩和大弯矩相关。

  (一)方头处的静力学受力分析

  三、旋挖钻机机锁式钻杆的有限元分析

  (一)旋挖钻机机锁式钻杆有限元模型的建立

  (二)旋挖钻机边界条件设置及模拟工况

  (三)旋挖钻机有限元分析及优化

  1、旋挖钻机钻杆方头处有限元分析结果

  机锁式钻杆整体应力分布的最大应力出现在方头处,方头处的最大应力在487.99MPa左右。方头处的受力情况就机锁式钻杆整体而言属于应力集中点,注定使得方头圆截面处极易折断。在实际的使用当中,方头的破坏还可能是由冲击载荷及钻杆使用不当所致。

  2、旋挖钻机钻杆加压平台处有限元分析结果

  综上分析结果,机锁式钻杆最大应力发生在第一节钻杆加压平台尖端,分析结果在177MPa左右,第二节钻杆加压平台应力最大值为45MPa左右,第三节钻杆加压平台应力最大值为50MPa左右,第四节钻杆加压平台应力最大值为65MPa左右。并且各个加压平台的应力分布都是尖端最大,从尖端向里应力值依次减小。

  四、结论

  本文根据对旋挖钻机机锁式钻杆整体有限元分析和方头处的内部应力分布情况,提出以下几点建议:避免钻具在遇到恶劣地层时过渡加压;方头处繁琐的焊接改为整体铸造;方头易断处采用强度较高的新材料。根据对机锁式钻杆加压平台有限元分析,对机锁式钻杆加压平台作以下优化处理:每个加压平台的的外边都倒圆角以减少应力集中;在焊接工艺方面,焊前应预热,焊后进行消除应力处理;第一节钻杆的加压平台和第四节钻杆的加压平台选用抗磨、抗压效果更好的新材料。


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