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(fù)雜、維護(hù)保養(yǎng)困難等因素影響，常發(fā)生外節(jié)桿上段鋼管開裂、花管開裂、方頭斷裂、卡桿等問題。根據(jù)鉆桿的結(jié)構(gòu)及使用工況，對常見故障形式進(jìn)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(shè)計與生產(chǎn)、旋挖鉆機智能控制、使用維護(hù)與保養(yǎng)等方面提出了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)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(xiàn)鉆頭的切削鉆進(jìn)。

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(jié)伸縮變截面細(xì)長桿的結(jié)構(gòu)容易引起壓桿失穩(wěn)等問題，這使得鉆桿在鉆孔作業(yè)過程中的受力情況異常復(fù)雜，大大地增加了鉆桿遭受破壞的風(fēng)險。隨著旋挖鉆機在國內(nèi)外市場的廣泛應(yīng)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(jìn)行歸納分析，并提出相應(yīng)解決方案。

1" "旋挖鉆機鉆桿結(jié)構(gòu)概述

旋挖鉆機鉆桿為伸縮式多層桿結(jié)構(gòu)，通常由四節(jié)、五節(jié)、六節(jié)等組成，長度12～30m不等，內(nèi)節(jié)桿直徑小于外節(jié)桿，每節(jié)鉆桿主要由鋼管及焊接在其上的內(nèi)外驅(qū)動鍵組成，旋挖鉆機動力頭通過外驅(qū)動鍵傳遞扭矩，摩阻式鉆桿通過各節(jié)桿重力與鉆進(jìn)時內(nèi)外鍵之間產(chǎn)生的摩擦力傳遞向下的加壓力，機鎖式鉆桿在外驅(qū)動鍵中間焊接有多個加壓鎖塊，當(dāng)鉆桿內(nèi)驅(qū)動鍵轉(zhuǎn)動到外驅(qū)動鍵的加壓鎖臺中時，由動力頭加壓油缸產(chǎn)生向下的加壓力，通過芯節(jié)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(nèi)作業(yè)，內(nèi)部情況難以觀測，且經(jīng)常存在軟硬交替夾層、斜巖、孤石等復(fù)雜工況，而鉆桿的復(fù)雜操作也對機手有一定的要求，鉆桿的失效就出現(xiàn)在這個復(fù)雜的施工環(huán)境中。一旦鉆桿出現(xiàn)故障，將會導(dǎo)致現(xiàn)場停工，出現(xiàn)斷裂等嚴(yán)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(jīng)濟(jì)損失。

旋挖鉆機鉆桿常見的故障形式有以下幾種：①外節(jié)桿上方第一組加壓鎖塊與鍵條位置焊縫、鋼管開裂。②外節(jié)、中間節(jié)底口花管開裂。③芯節(jié)方頭斷裂。④各節(jié)伸縮不暢、卡桿。⑤鍵條、加壓鎖塊磨損失效。其中序1～4發(fā)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(guān)，且各問題經(jīng)常伴隨發(fā)生，造成的經(jīng)濟(jì)損失也較為嚴(yán)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(jié)Φ508機鎖式鉆桿，理論狀態(tài)下各節(jié)桿軸心在同一位置，承受相同的扭矩，以此狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，得出結(jié)果見圖1。

其中一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)分別對應(yīng)由外到內(nèi)四節(jié)桿，一桿等效應(yīng)力平均值為110MPa，二桿為170MPa，三桿為260MPa，四桿為300MPa，鉆桿的一二節(jié)通常選用屈服強度≥355MPa的材料，三四節(jié)通常選用屈服強度≥785MPa的材料，計算各節(jié)桿安全系數(shù)分別為3.2、2.1、3.0、2.6，外節(jié)安全系數(shù)最高，而根據(jù)實際質(zhì)量反饋分析，鉆桿的反饋多發(fā)生在一節(jié)與四節(jié)，根據(jù)分析結(jié)果及經(jīng)驗可以判斷鉆桿的安全系數(shù)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(yǎng)等都有著較大的關(guān)系。

3.2" " 鉆桿開裂原因分析

隨著旋挖鉆機的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)鉆桿制造商的生產(chǎn)質(zhì)量均已大幅提升，由于焊接質(zhì)量問題導(dǎo)致的焊道開焊、脫焊問題已鮮有發(fā)生，當(dāng)前鉆桿的開裂故障多發(fā)生在管體上，其中外節(jié)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(jù)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?qū)е隆Ｍㄟ^大量的施工現(xiàn)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(qū)動內(nèi)鍵與鉆桿驅(qū)動外鍵磨損，鉆桿受力狀態(tài)由受單獨的扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)槭芘ぞ氐耐瑫r擠壓鋼管，進(jìn)而導(dǎo)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(qū)動內(nèi)鍵和鉆桿驅(qū)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(nèi)鍵的擠壓力，考慮施工時的沖擊振動，易導(dǎo)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(qū)，這是導(dǎo)致外節(jié)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(guī)整，鉆桿鉆具并非平穩(wěn)的鉆進(jìn)工作，其會受到孔底強大的反作用力，需要通過主機的回轉(zhuǎn)鎖止與垂直導(dǎo)向桅桿來抵消，而現(xiàn)場施工尤其是遇到硬巖工況，當(dāng)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)減速機制動力不夠時，鉆機會存在回轉(zhuǎn)左右晃動的情況，此時進(jìn)行過度加壓操作時甚至?xí)率怪鳈C前履帶翹起，出現(xiàn)桅桿傾斜的現(xiàn)象，上述情況會導(dǎo)致鉆桿與動力頭不同心，鉆桿承受由動力頭內(nèi)驅(qū)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(jié)、中間節(jié)的花管作為傳扭加壓的關(guān)鍵部位，也是故障頻率發(fā)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(qū)動內(nèi)鍵與驅(qū)動外鍵分別焊接于鉆桿的內(nèi)外壁，該處管體同時受到內(nèi)外兩處焊道熱影響，屬于薄弱位置，實際生產(chǎn)過程中，內(nèi)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(xiàn)鉆機桅桿后仰情況時，鉆桿由于嚴(yán)重受彎，致使第一節(jié)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(gòu)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(zhì)量反饋，而根據(jù)大量的反饋數(shù)據(jù)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(jié)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(yōu)于鉆桿其余部位，以此為依據(jù)并結(jié)合大量現(xiàn)場反饋，分析其失效原因有如下幾點：

方頭大多數(shù)采用鍛打、機加工、熱處理的生產(chǎn)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(jié)鋼管焊接為一體，施工現(xiàn)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(guī)操作，小噸位旋挖鉆機配置鉆桿芯節(jié)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(zhì)條件復(fù)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(jìn)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(yīng)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(jié)桿逐節(jié)伸縮式結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外驅(qū)動鍵接觸傳扭，驅(qū)動鍵厚度通常設(shè)計為14～25mm，各節(jié)之間間隙多為單邊5～10mm，且工作區(qū)域均位于孔內(nèi)，肉眼無法觀察。導(dǎo)致卡桿的主要原因如下：

鉆桿工作時由圓周均布的三組內(nèi)外鍵接觸傳扭，當(dāng)單節(jié)桿直線度稍差時，內(nèi)外鍵接觸面偏小，加劇磨損，嚴(yán)重磨損時會造成滾鍵，上述情況會導(dǎo)致鉆桿解鎖困難甚至卡死。

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

機鎖式鉆桿鉆進(jìn)各節(jié)伸出后，需上提動力頭進(jìn)行上鎖工序，要求內(nèi)驅(qū)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(jìn)行傳扭加壓的情況，如圖6所示，此操作使得外節(jié)鉆桿內(nèi)鍵與里節(jié)鉆桿外加壓鎖塊形成小面積接觸傳扭，導(dǎo)致外節(jié)鉆桿內(nèi)鍵與里節(jié)加壓鎖塊局部磨損異常，造成滾鍵，嚴(yán)重時會致使里節(jié)桿加壓鎖塊處鋼管凹陷，導(dǎo)致卡桿。

4" "鉆桿常見故障的解決方案

根據(jù)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(yōu)化旋挖鉆機鉆桿結(jié)構(gòu)

鉆桿故障的發(fā)生與鉆桿本身的結(jié)構(gòu)相關(guān)，對鉆桿關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)優(yōu)化，可提高鉆桿的適應(yīng)性。

機鎖式鉆桿外節(jié)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(shè)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(nèi)驅(qū)動鍵加寬，保證內(nèi)外鍵重合度大于1，內(nèi)鍵與外鍵焊縫錯開，內(nèi)驅(qū)動鍵底面20mm范圍內(nèi)取消焊接，減小焊接對鋼管的影響。

方頭采用空心結(jié)構(gòu)，避免芯部鍛造、熱處理等過程缺陷，方頭對接段鋼管加厚設(shè)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(yōu)化旋挖鉆機智能控制系統(tǒng)

針對施工過程中復(fù)雜地層、孔內(nèi)不可視作業(yè)等因素對鉆桿損壞產(chǎn)生影響的問題，旋挖鉆機主機從智能控制等方面改進(jìn)優(yōu)化。

增加動力頭多擋工作模式，標(biāo)準(zhǔn)模式、土層鉆進(jìn)模式、硬巖鉆進(jìn)模式等，施工過程根據(jù)地層硬度自動切換，硬巖地層入巖模式動力頭提供低轉(zhuǎn)速、大扭矩，提高整機穩(wěn)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(jié)鉆桿伸出后自動限制動力頭加壓力，提高壓桿穩(wěn)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(jìn)工序?qū)崟r監(jiān)控鉆桿作業(yè)參數(shù)，出現(xiàn)未完全解鎖上提鉆桿或磨損導(dǎo)致帶桿時，系統(tǒng)發(fā)出帶桿警報，減小誤操作導(dǎo)致的鉆桿故障。

4.3" " 科學(xué)使用、維護(hù)

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

5" "結(jié)語

旋挖鉆機鉆桿的故障發(fā)生是一個復(fù)雜的過程，是由多方原因造成的，應(yīng)全面系統(tǒng)地分析問題。本文對現(xiàn)階段鉆桿作業(yè)過程中較為常見的失效現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)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(zhì)量反饋率，提升鉆桿可靠性及使用壽命具有重要意義。

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