旋挖钻杆方头连接结构的改进

山西中北大学　　梁伟　庞俊忠

旋挖钻杆方头连接结构的改进

山西中北大学梁伟庞俊忠

旋挖钻杆是旋挖钻机的关键零部件，在旋挖钻机的钻进过程中钻杆的受力状况比较复杂，因此钻杆扭曲变形、折断、掉钻头等事故发生是在所难免的，尤以钻斗的掉落对施工造成的影响最大。本文针对机锁式钻杆方头与芯杆连接处断裂造成的掉斗这一情况，结合工厂实际对方头的连接结构做了改进，并对焊接工艺做了简单的阐述，希望起到一定的借鉴作用。

旋挖钻机；机锁钻杆；方头；焊接工艺

旋挖钻机是一种用于旋挖灌注桩成孔作业的桩工机械，广泛应用于市政建设、公路桥梁、高层建筑等施工工程中。和传统的钻孔机械相比具有适用范围广、噪声低、工作效率高、施工质量好等特点。随着我国近年来经济、政治、文化的发展，旋挖钻机的应用也越来越广泛。

1　旋挖钻机的结构和工作原理

旋挖钻机一般以柴油机为动力，全液压驱动履带行走360°回转，其结构主要由钻杆、随动架、转台、变幅机构和钻桅、钻头、动力头、加压油缸和底盘组成。钻机配合不同的钻具，可以适用于干式（短螺旋）或湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）等的成孔作业，在旋挖灌注桩的施工过程中，旋挖钻机通过底部带有活门的桶式钻头的回转破碎岩土并直接将其装入钻头内，然后利用自身的提升装置和伸缩钻杆装置取土和卸土、循环往复，直至达到设计要求的深度。

2　机锁式钻杆结构和受力特点

钻杆是旋挖钻机最重要的部件之一，可分为摩阻杆和机锁杆两种。机锁式钻杆的每节钻杆由无缝钢管及焊接在其上的内外驱动键组成。外驱动键有3键式和6键式两种，外键沿轴线设有2或3个加压台，动力头的内键端部可“卡”在钻杆外键的加压台上。在施工过程中，动力头给钻杆和钻头提供扭矩，使钻头做旋转切削；与此同时，加压油缸通过动力头传递加压力给钻杆和钻头，实现钻头的加压钻进，这样在钻进较硬地层时钻杆要承受较大的扭矩和钻压，同时还要克服很大的弯矩，使得钻杆的受力条件变得非常复杂。常常出现内层钻杆扭曲变形、断裂、钻杆内外键撕裂等失效问题，而方头连接着钻杆与钻具，是输出扭矩给钻具的桥梁。机锁式钻杆方头处是弯曲、扭转、压缩三种变形的组合。对钻杆方头处进行有限元分析得出机锁式钻杆整体应力分布的最大应力出现在方头处，方头处的受力情况就机锁式钻杆整体而言属于应力集中点，这就使得方头圆截面处极易折断。从而造成掉钻头事故的发生。从工厂的维修数据看，因芯杆与方头连接处断裂而造成的掉钻头事故也占多数，因此方头连接结构的改进就变得比较有意义了。

3　掉钻的危害

由于钻杆是旋挖钻机的主要传输动力的装置，因此钻杆的失效造成的经济损失非常大，其中最为可怕的故障是管体断裂导致钻斗掉落在桩井中，如果不将掉钻打捞出来，将导致这根桩全部废弃，但是由于建筑施工时，每根桩的位置都是事先计算好，都是建筑物承受力的支柱，如果一根桩位改变，将导致所有的桩位重新进行计算，因此将严重影响工程进度。

4　方头连接结构的改进

从工程实际出发，并结合工人的经验，对方头连接结构做如下改进，如下图所示。

图中，1是芯杆，2、7是挡板，3是蝶形弹簧，4是心轴，5是挡环，6是方头，8是销轴。其中，芯杆内焊接的挡环要高于芯杆与方头焊接的焊缝一定的距离。当方头连接结构在5和6之间断裂后（这也是实际中断裂较多的部位），芯杆与方头就通过其内部的心轴连接起来，提升钻杆从而取出钻斗。改进后在实际施工中起到了比较好的效果，大大节约了捞钻的成本。当然这种改进也有其自身的局限性，由于实际情况复杂，当钻杆在其他部位断裂时，这种结构就发挥不了作用了，但因其生产成本低，实际效果好，也不失为一种防止掉钻的保障。

5　结语

在实际施工过程中，旋挖钻杆的受力情况往往比较复杂，考虑到一些潜在不确定因素的影响，这就要求相关技术人员对工程的水文地质资料、地质的勘测报告以及桩基施工图进行充分收集整理，根据不同地层掌握好各种钻进参数，特别是在坚硬地层，不要急于进尺；操作人员应及时检查钻头销子的磨损程度及销子的垂直度，及时补焊被磨损的钻头、钻杆、方接头等，以减少钻杆的故障率和后期的维修工作量。

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梁伟，1987年11月出生，河南周口人，硕士，研究方向：深孔加工。