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旋挖钻机基地,旋挖钻机工作装置动力学分析

旋挖钻机操作施工学习 :
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旋挖钻机工作装置动力学分析,旋挖钻机基地,旋挖钻机工作装置动力学分析
    本文主要讲述基于陀螺理论的旋挖钻机工作装置动力学分析,包括:陀螺理论基本原理、陀螺效应对旋挖钻机性能的影响和提高钻杆品质措施。
    旋挖钻机在钻孔作业时,钻杆要将动力头的两个作用力传递给钻头,一个是圆周方向的旋挖扭矩,另一个是轴向的加压力。由于钻杆和钻头均是旋转体,在高速旋转过程中会导致陀螺效应的出现,进而使旋挖钻机在使用过程中经常出现钻孔倾斜和桩孔垂直度不良等现象,而对于此类问题出现的原因,国内外专家学者尚无统一定论,陀螺效应在旋挖钻机中应用时的破坏机理则有待于被揭示。
    (1)陀螺理论基本原理
    高速旋转的刚体称为陀螺,它主要具有定轴性、进动性和章动性三种运动特性。陀螺理论是应用陀螺的力学模型——定点运动的刚体和陀螺模型(框架陀螺)来建立陀螺的运动微分方程,并研究它的一般运动规律的一门学科。陀螺理论在航空、航海、航天工程以及制导、导航和控制技术中均得到了广泛应用。
    陀螺力矩并不作用于陀螺本身,而是作用在给陀螺施加外力的物体(如轴承、支架等)上,通常,将由陀螺力矩引起的效应称为陀螺效应。只要高速旋转部件的自转轴在空间改变方向(即进动),就会产生陀螺力矩,出现陀螺效应。旋挖钻机的钻杆和钻头由于设计、安装、使用等方面原因使其在空间改变方向,也必然存在陀螺效应,进而改变其动力学特性和运动学特性。
    (2)陀螺效应对旋挖钻机性能的影响
    由旋挖钻机工作原理可知,钻杆是由动力头提供动力,通过液压泵和液压马达使其快速旋转,并与钻头一起工作达到对地面进行钻孔作业,但由于陀螺效应结果使由发动机提供的动力并未完全用于对地面的钻孔,而是将其转化为陀螺力矩作用于机架上(整机)。这样就损失了一部分发动机的匹配功率,使与机架连接的部件受到附加荷载或损坏,造成旋挖钻机的牵引性能不能正常发挥,经济性下降。旋挖钻机的稳定性主要指其在工作时不发生侧滑和失稳倾翻的性能,而陀螺效应使旋挖钻机在弯道、横向(坡道)施工时不能正常工作,发生向坡下滑移的现象,使旋挖钻机的稳定性受到一定影响。
    (3)提高钻杆品质措施
    钻杆是旋挖钻机最重要的工作装置之一,它是连接动力头和钻头的桥梁,在施工中传递轴向加压力和扭矩。同时,由于泥浆已不再承担运输钻渣的功能,钻杆同时还起到提升钻渣的作用。提高钻杆性能目前主要通过以下3种方式:①改善钻杆受力状态;②改进钻杆结构形式;③采用新型高强耐磨材料。再有就是提高钻杆制造水平和加强检测和检验,确保钻杆不发生故障。目前,钻杆已经经历了从连接杆到伸缩杆,从摩擦杆到机锁杆的发展过程。
    土体作用力主要包括轴向压力和扭矩力,而反作用力主要包括岩土轴向反力和抗切削力。
    根据钻杆受力、岩土切削单元受力和钻机平衡分析结果,进行反向分析,以避免出现对钻杆和钻机有害的力,减少有害作用力和弯矩等。提高钻杆的设计和制造水平,如机锁杆加压点中频淬火,加强耐磨性,消除内部应力等。针对不同的地质情况,根据岩石与土层特点,人岩时油缸和第三卷扬间断加压,土层钻进时可以依靠自重加压。内、外键结构改进,包括钻杆方头结构和弹性杆改进。摩擦杆结构简单,且钻进土层时所需的加压力和扭矩都较小,因此存在的问题较少。相对而言,机锁杆仍存在着较多问题,有待改善,尤其在结构方面。机锁杆外键第一级加压点使用频率最高,磨损程度大,因此,由三键结构改为六键结构可以有效地减小接触比压,减少磨损。通过增大加压行程,减少加压点数量。加压油缸的加压行程为3~3.5m,假设钻杆长度为13m,需要设置4个加压点,如果配合使用第三卷扬加压,加压行程可以达到8~lOm,因此,设置两个加压点即可满足要求。
    钻杆结构改进不仅局限于上述介绍内容,还包括:①改善高使用频率的危险截面,提高钻杆的安全性和稳定性。②调整键槽间隙与加压点尺寸,减少机锁杆寻找加压点时间,便于钻杆伸缩等。通过对钻杆结构持续不断的改善,对于消除钻杆内部有害应力、提高钴杆负载、减小成本等方面都有重要的意义。另外,钻杆还可进行主动控制技术,其原理如图所示。
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    图钻杆主动控制技术原理图

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