螺桿樁機(jī)鉆桿動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元研究

鄒 磊，肖能齊,3*，何康威

(1.三峽大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002； 3.三峽大學(xué) 機(jī)器人與智能系統(tǒng)宜昌市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002； 4.宜都市仝鑫精密鍛造有限公司，湖北 宜都 443300)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益發(fā)展，鉆探工程技術(shù)在建筑業(yè)、石油勘探、鉆井、橋梁等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。螺桿樁機(jī)作為鉆探工程中經(jīng)常使用的工程機(jī)械，在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。鉆桿動力系統(tǒng)作為螺桿樁機(jī)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對螺桿樁的成型質(zhì)量十分重要，所以鉆桿動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞，使用壽命的長短，不僅影響螺桿樁機(jī)本身，還與社會經(jīng)濟(jì)效益生產(chǎn)安全息息相關(guān)[1]。

目前國內(nèi)外對鉆桿動力系統(tǒng)的研究主要集中在鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，振動機(jī)理和減振分析以及鉆桿的振動模態(tài)和瞬態(tài)動力學(xué)分析。龍鵬飛[2]運(yùn)用有限元仿真對螺桿樁機(jī)樁架結(jié)構(gòu)以最小質(zhì)量為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，用于解決運(yùn)輸超重問題。Su等[3]對鉆桿進(jìn)行參數(shù)化建模，分析了鉆桿裝置幾何尺寸變化對其模態(tài)和振動的影響，同時(shí)運(yùn)用動力學(xué)分析結(jié)果對鉆桿裝置進(jìn)行了動態(tài)設(shè)計(jì)，提出一種減振性能良好的鉆桿裝置。胡亞輝等[4]對螺桿鉆具傳動軸在僅受到扭矩載荷的作用下，對其變形量和應(yīng)力分布進(jìn)行有限元研究，由分析結(jié)果得出可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞的位置。通過對傳動軸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，確定了滿足工程實(shí)際需要的傳動軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。楊博[5]利用一維波動方程推導(dǎo)出鉆柱桿的縱向振動模型，對鉆柱桿進(jìn)行模態(tài)仿真分析，根據(jù)求得的固有頻率和振型的變化特征，找到提高聲頻振動工作效率的方法。蘇陳[6]對鉆桿仿真分析時(shí)得出軸向力和扭矩對鉆桿的位移和應(yīng)力分布均有影響，但扭矩起主導(dǎo)作用。李子豐等[7]以鉆柱為研究對象創(chuàng)建其扭轉(zhuǎn)振動數(shù)學(xué)模型，結(jié)果顯示運(yùn)用轉(zhuǎn)角激勵(lì)法更適合分析鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動。Bai等[8]針對鉆桿下鉆過程中與巖石撞擊造成動力頭破壞的動力學(xué)問題進(jìn)行研究，結(jié)果表明通過在動力頭液壓系統(tǒng)安裝油閥組可以降低鉆桿撞擊對動力頭產(chǎn)生的影響。劉洋等[9]為降低鉆桿螺紋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞，在螺紋處設(shè)計(jì)了槽口結(jié)構(gòu)，在實(shí)際工作中取得了良好的效果。同時(shí)對螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真，結(jié)果表明帶有槽口結(jié)構(gòu)的螺紋比普通全螺紋鉆桿所受應(yīng)力減小。

本文以LGZ-I-50型螺桿樁機(jī)鉆桿動力系統(tǒng)為研究對象，通過研究其在施工過程中可能遭遇的四種工況和鉆桿的工作原理，對此螺桿樁機(jī)鉆桿動力系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。同時(shí)利用有限元仿真軟件在忽略鉆桿受到的軸向力，只考慮動力頭輸出在鉆桿上的扭矩的前提下，對鉆桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真研究，為下一步鉆桿瞬態(tài)動力學(xué)分析打下基礎(chǔ)。

1 鉆桿動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 鉆桿動力系統(tǒng)組成及工作原理

鉆桿動力系統(tǒng)主要由鉆桿總成和動力頭兩部分組成，其中鉆桿總成又由頂部花鍵桿、中間光桿、螺紋桿和端部鉆頭四部分鉆桿裝置和與其相配合的鉆桿頂端灌漿器組成。動力頭則與鉆桿部分連接，通過動力頭傳遞扭矩和軸向載荷來驅(qū)動鉆桿做正向進(jìn)給和反向提鉆的動作。動力頭則由左右對稱的兩個(gè)電動機(jī)和中空減速齒輪箱組成。鉆桿動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 鉆桿動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

動力頭系統(tǒng)中的中空減速齒輪箱，將來自兩個(gè)電動機(jī)輸入的高轉(zhuǎn)速輸出為傳遞給鉆桿的低轉(zhuǎn)速扭矩。齒輪箱由左右對稱的兩級周轉(zhuǎn)輪系和一級直齒輪減速所構(gòu)成，其工作原理是：電動機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速經(jīng)傳動軸2輸入齒輪箱中，太陽輪a經(jīng)過第一級行星輪系減速通過行星架H1傳遞給第二級太陽輪b實(shí)現(xiàn)一級減速。太陽輪b經(jīng)過第二級形星輪系減速通過行星架H2傳遞給直齒輪c，再通過最后一級直齒輪減速將傳動軸2輸入的高轉(zhuǎn)速輸出為軸1的低轉(zhuǎn)速。齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

鉆桿總成中，花鍵桿是一根帶有2根長花鍵、8根短花鍵、8個(gè)擋塊的空心圓柱桿，花鍵桿與機(jī)架通過動力頭連接。螺紋鉆桿是由直徑400 mm、螺距350 mm的螺旋齒纏繞的空心圓柱桿底部與鉆頭部分連接，端部與花鍵桿通過六方頭連接。

圖2 中空減速齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖

底部鉆頭由6個(gè)柱形鉆頭刀片，直徑為273 mm的空心圓柱桿和2個(gè)鉆頭蓋組成。鉆頭蓋在鉆桿進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)通過一端的銷軸自動打開，實(shí)現(xiàn)混凝土樁的澆筑成型。鉆桿總成結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，鉆桿各組成部件部分參數(shù)如表1所示。

1-花鍵桿；2-光桿；3-螺紋桿；4-鉆頭圖3 鉆桿總成結(jié)構(gòu)組成示意圖

表1 鉆桿各組成部件部分參數(shù)

在對鉆桿進(jìn)行三維建模時(shí)，忽略焊接縫隙和一些微型倒角得到鉆桿各組成結(jié)構(gòu)三維模型，鉆桿總成三維模型如圖4所示。

圖4 鉆桿總成裝配體三維模型

鉆桿動力系統(tǒng)作為螺桿樁機(jī)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，螺桿樁機(jī)通過動力頭的電機(jī)對鉆桿施加扭矩。鉆桿動力系統(tǒng)在工作過程中，根據(jù)實(shí)際需要動力頭驅(qū)動鉆桿實(shí)現(xiàn)進(jìn)給下鉆和螺紋擠土，下鉆過程主要是利用鉆頭刀片鉆孔，達(dá)到預(yù)定深度停止。同時(shí)利用螺紋缺口實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程中泥土的脫落擠壓，相比傳統(tǒng)的出土式鉆桿，其成孔的緊實(shí)度和質(zhì)量更好。在施工的過程中鉆桿動力系統(tǒng)的工況可以分為以下4種情況:

1)工況1正行程下鉆，正常情況下隨著鉆頭下鉆深度增大，其所需的軸向壓力和扭矩也相應(yīng)增加。在到達(dá)施工最大深度時(shí)，通常需要提供最大軸向力和扭矩，此時(shí)的扭矩和軸向力并不一定會達(dá)到甚至超過螺桿樁機(jī)鉆桿系統(tǒng)的許用值。

2)工況2反行程提鉆，一般出現(xiàn)在提鉆并澆筑混凝土的過程中。由于鉆桿周圍土層存在摩擦阻力和鉆桿中混凝土重力等外部阻力，在提鉆的過程中需要提供最大的扭矩和軸向的拉力。

3) 工況3動力頭停機(jī)并正行程啟動，該工況主要發(fā)生在鉆進(jìn)過程中電機(jī)由于斷電，過載保護(hù)和施工中斷等因素造成動力頭停機(jī)后重新啟動的情況，此時(shí)鉆桿需要施加較大的瞬時(shí)扭矩和軸向力。

4) 工況4 動力頭停機(jī)并反行程啟動，該工況發(fā)生在鉆桿正行程下鉆到指定設(shè)計(jì)深度，需要動力頭停機(jī)反行程提鉆澆筑混凝土的過程中，屬于瞬態(tài)工況。

螺桿樁機(jī)鉆桿動力系統(tǒng)就是利用動力頭驅(qū)動鉆桿實(shí)現(xiàn)正向下鉆同時(shí)擠壓土體成孔，待鉆頭下鉆到設(shè)計(jì)深度時(shí)動力頭電動機(jī)停機(jī)開始反向提鉆，并通過空管輸送混凝土澆筑成樁的工作原理實(shí)現(xiàn)工程中快速成樁，鉆桿施工過程示意圖如圖5所示。

圖5 鉆桿施工過程示意圖

1.2 鉆桿力學(xué)模型的建立

1)鉆桿的強(qiáng)度分析。鉆桿受到扭矩Tmax，軸向壓力Fmax的作用力。

鉆桿所承受的最大切應(yīng)力為：

(1)

式中：Tmax是鉆桿所受最大扭矩，Wt為抗扭截面系數(shù)。

(2)

式中：D是鉆桿光桿的外直徑。

(3)

式中：d為鉆桿光桿的內(nèi)直徑。

由公式(1)～(3)可求得鉆桿所受到的最大切應(yīng)力為:

(4)

鉆桿受到的最大壓應(yīng)力為：

(5)

式中：Fmax是鉆桿受到的最大壓力，

A為鉆桿的橫截面積。

(6)

由公式(5)和(6)可求得鉆桿受到的最大壓應(yīng)力為：

(7)

2)對鉆桿進(jìn)行強(qiáng)度校核。工程機(jī)械在施工過程中遇到的載荷通常為變載荷，因此應(yīng)該選擇第三強(qiáng)度理論對鉆桿進(jìn)行強(qiáng)度校核。鉆桿在工作過程中受軸向拉伸和扭轉(zhuǎn)復(fù)合作用時(shí)，截取鉆桿上一點(diǎn)的單元體應(yīng)力狀態(tài)如圖6所示。

圖6 單元體應(yīng)力分布

單元體主應(yīng)力為：

(8)

σ2=0

(9)

(10)

第三強(qiáng)度理論為：

(11)

安全系數(shù)為：

(12)

保證鉆桿滿足強(qiáng)度要求。

式中：σs——鉆桿材料的屈服強(qiáng)度，τ——鉆桿切應(yīng)力。

鉆桿材料為Q235-A結(jié)構(gòu)鋼，其剪切許用應(yīng)力值為[τ]=110 MPa。對鉆桿光桿結(jié)構(gòu)利用公式(4)進(jìn)行剪切應(yīng)力強(qiáng)度校核，求得τmax=8.1 MPa，結(jié)果遠(yuǎn)小于剪切許用應(yīng)力值，鉆桿能夠滿足工作條件。

2 螺桿樁機(jī)鉆桿的有限元靜力學(xué)分析

2.1 鉆桿有限元分析流程

運(yùn)用Ansys仿真軟件對鉆桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析流程如圖7所示。

圖7 鉆桿有限元仿真分析流程圖

2.2 鉆桿有限元模型的建立

利用三維建模軟件SolidWorks提供的強(qiáng)大實(shí)體建模功能，對鉆桿的花鍵桿、中間光桿、螺紋桿和鉆頭四部分，分別建模，最后將其裝配成一個(gè)總的鉆桿裝配體作為有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。同時(shí)將鉆桿實(shí)體模型中較小的突臺，斜角等不影響結(jié)構(gòu)分析的細(xì)節(jié)部分刪除，防止發(fā)生耦合，造成結(jié)果不準(zhǔn)確，也有利于網(wǎng)格的劃分節(jié)約計(jì)算時(shí)間。將建好的實(shí)體模型保存為x_t*文件可直接導(dǎo)入到Ansys-workbench中，由于鉆桿模型較大，適合采用四面體和六面體組合的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。鉆桿模型網(wǎng)格劃分和具體參數(shù)如圖8和表2所示。

2.3 邊界條件確定及載荷施加

螺桿樁機(jī)在施工過程中，鉆桿受到扭矩和軸

圖8 鉆桿模型網(wǎng)格劃分(部分)

表2 網(wǎng)格參數(shù)

向力復(fù)合作用向下鉆孔，其中動力頭和卷揚(yáng)機(jī)分別為鉆桿提供工作所需扭矩和軸向力。本文主要研究鉆桿動力系統(tǒng)的靜力學(xué)分析，在此忽略施加在鉆桿上的軸向力，只考慮鉆桿在施工過程中遇到巖石或者其他復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，造成鉆頭鎖死無法繼續(xù)工作時(shí)，動力頭額定功率輸出的最大扭矩是否會破壞鉆桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度導(dǎo)致鉆桿出現(xiàn)斷裂。此工況的邊界條件即為鉆桿鉆頭實(shí)施固定約束，鉆桿頂部或者光桿位置施加由動力頭輸出的扭矩。由電動機(jī)相關(guān)參數(shù)和齒輪箱傳動比可確定施加在鉆桿上的最大扭矩為6750 N·M。鉆桿邊界條件及載荷施加模型如圖9和圖10所示。

圖9 邊界條件:鉆桿頂部施加扭矩，底部固定約束

圖10 力矩兩種加載方式示意圖

2.4 鉆桿強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與分析

通過對螺桿樁機(jī)鉆桿動力系統(tǒng)工作原理及工作過程中邊界條件和載荷施加的特點(diǎn)，可對其兩種載荷施加方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析。

1)扭矩加載在花鍵桿頂部，鉆頭底部固定約束。

2)扭矩加載在花鍵桿和光桿連接處，鉆頭底部固定約束。

兩種計(jì)算結(jié)果分別如圖11和圖12所示。

圖11 鉆桿頂部載荷施加花鍵桿變形值，應(yīng)力值分布云圖

通過求解器求解結(jié)果(見圖11)，當(dāng)動力頭輸出扭矩作用在鉆桿頂部時(shí)，鉆桿整體位移變形范圍是0～1.38 mm，其中最大變形出現(xiàn)在花鍵桿的頂部范圍，其最大變形量遠(yuǎn)小于花鍵桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸。鉆桿整體應(yīng)力值分布范圍是0～230.31 MPa，其最大應(yīng)力值出現(xiàn)在花鍵桿頂部位置，小于鉆桿材料Q235結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度。

當(dāng)動力頭輸出扭矩施加在鉆桿中間位置時(shí)，得到仿真分析結(jié)果(見圖12)，鉆桿整體位移變形范圍是0～1.09 mm，應(yīng)力值分布范圍是0～166.38 MPa，均滿足鉆桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。最大變形和最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在鉆桿的頂部位置。

對鉆桿總成中的光桿單獨(dú)進(jìn)行剪切應(yīng)力靜力學(xué)仿真，結(jié)果顯示光桿所受剪切應(yīng)力值集中在8.2 MPa左右，與利用公式(4)理論計(jì)算值8.1 MPa基本吻合，驗(yàn)證的模型仿真的準(zhǔn)確性，光桿剪切應(yīng)力云圖如圖13所示。

圖12 鉆桿中間載荷施加花鍵桿變形值，應(yīng)力值分布云圖

圖13 光桿剪切應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)論

本文對螺桿樁機(jī)鉆桿動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和基本參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，通過對鉆桿動力系統(tǒng)的工作原理和施工過程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出由花鍵桿、光桿、螺紋桿和鉆頭四部分組成的鉆桿結(jié)構(gòu)。利用三維設(shè)計(jì)軟件對鉆桿整體進(jìn)行建模，為后續(xù)有限元分析提供幾何模型。

通過對鉆桿的有限元分析可知，在鉆桿下鉆過程中遇到鉆頭卡死時(shí)，無論動力頭在頂部還是在中間的某個(gè)位置輸出最大扭矩，鉆桿的最大應(yīng)力值和最大位移變形量都出現(xiàn)在花鍵桿頂部的位置，且鉆桿的應(yīng)力分布呈現(xiàn)從頂部開始向鉆桿底部逐漸變小的趨勢。在后期優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可考慮鉆桿中花鍵桿的材料選擇或者尺寸優(yōu)化等方面來提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。通過對鉆桿動力系統(tǒng)的力學(xué)特性分析，為后續(xù)鉆桿的模態(tài)、瞬態(tài)動力學(xué)分析提供理論基礎(chǔ)。