旋挖钻机钻杆管体开裂原因分析与解决方案

杨宏伟 乔居斌　滨州学院机电工程系　山东 滨州

旋挖钻机钻杆管体开裂原因分析与解决方案

杨宏伟 乔居斌滨州学院机电工程系山东 滨州

针对旋挖钻机钻杆使用过程中出现的管体开裂情况，综合考虑旋挖钻机作业时运行情况及钻杆材质、制造工艺等情况，查明开裂原因，并提出解决方案。该方案切实可行，可大幅减少钻杆管体开裂情况，对提高钻杆使用寿命及施工效率具有重要意义。

旋挖钻机；钻杆；管体开裂

旋挖钻机是目前基础施工中常见的钻孔灌注施工机械，图1为北京市三一重机有限公司生产的SR280R旋挖钻机，各主要部件如图1所示。

钻杆是旋挖钻机的工作装置，上端与随动架相连，下端与钻斗相连，将钻机输出的动力传递给钻斗，是钻机最重要的部件之一，提高钻杆的可靠性对提升钻机施工效率及施工质量具有重要意义[1-4]。本文对钻杆中相对典型的管体开裂故障进行分析，并提出解决方案。

1 钻杆管体开裂情况

管体开裂主要发生在机锁式钻杆的第一节第一组加压台与斜键间，既影响施工进度，也给客户造成经济损失，是钻杆作业过程中常见的及影响最大的故障之一。

图2是一起φ508-4×15m机锁杆管体开裂故障，该钻杆配备于SR280R入岩钻机，孔径1.5m，孔深27m，在使用500小时左右时第一节钻杆断裂，其余三节杆沉在孔中提不上来，严重影响施工进度。

图1　SR280R旋挖钻机

图2　φ 508-4×15m机锁杆管体开裂

2 钻杆管体开裂原因分析

通过深入工地实地调研，并结合以往机锁式钻杆管体开裂的情况，分析总结原因如下：作用过程中强力加压，致主机前履带上翘，桅杆后仰，钻杆长时间在弯曲条件下作业，受弯矩折断。模拟钻杆作业时各节杆的伸出顺序及状态，分析各状态时钻杆的受力情况，如图3至图5所示。

（1）如图3所示，使用第一节钻杆钻进时，各节钻杆重合在一起，抗弯性能比较强，桅杆后仰不会导致钻杆断裂。

（2）如图4所示，使用第二节钻杆最下面一组加压台钻进时，二、三、四节杆重合在一起，二杆顶端位于第一节杆中间一组传扭段。当主机前履带翘起桅杆后仰时，第一节杆受动力头向后的力F1，其余各节杆保持竖直，对第一节杆产生力F2，两者形成力矩M，使第一节杆后仰距离x，将一杆最上端加压台与斜键间的管体扳断。

F1 —桅杆后仰时动力头作用于一杆的力

F2 —二、三、四节杆重合在一起，作用于一杆的力

L —两个力之间的距离

（3）如图5所示，使用第二节杆上面两组加压台及三、四节杆时，当主机前履带翘起桅杆后仰时，第一节杆后仰的距离不变，仍为x，但两个力之间的距离L较大，角度θ较小，第一节杆及各节杆均不会被扳断。

综上所述，当主机前履带翘起桅杆后仰时，第一节钻杆最上端加压台与斜键间的管体比较容易出现管体开裂，是钻杆的薄弱环节。

图3　使用第一节钻杆

图4　使用第2节杆最下面一组加压台

图5　使用第二节杆上面两组加压台及三、四节杆

3 解决方案

根据以上分析，可采取以下方案解决钻杆管体开裂情况。

（1）配备与主机相适应的钻杆

SR280R入岩钻机额定输出扭矩285kNm，压力350kN，标准配置是φ508系列钻杆，目前市场上有些SR280R钻机配置φ445系列钻杆，钻机输出超过钻杆的额定承载，故障率相对较高。

（2）作业前将桅杆调成竖直状态

为避免钻杆长时间受弯矩作用折断，作业前将桅杆调成竖起状态。

（3）作业时避免前履带翘起

作业过程中，避免强力加压致主机前履带翘起，当发现桅杆有后仰现象时，应降低加压力，防止钻杆受弯矩作用而折断。

（4）增强第一节钻杆的抗弯强度

φ508系列机锁杆第一节杆采用φ508×10钢管制作，可满足正常施工时的强度要求，但当桅杆后仰，钻杆承受弯矩时，可能出现管体开裂。将φ508×10钢管改为φ508×14钢管，可有效提高第一节杆的抗弯强度，当桅杆轻微后仰时，管体也不会出现开裂情况。

4 结论

本文对钻杆作业过程中较为典型的管体开裂情况进行了详细分析，查明故障原因，并提出解决方案，该方案切实可行，可大幅减少钻杆管体开裂故障，对提高钻杆使用寿命及施工效率具有重要意义。

［项目：校级重点课程群 项目编号：BYZDKCQ201305］

[1] 黎中银，焦生杰，吴方晓．旋挖钻机与施工技术[M]．人民交通出版社，2009，12

[2] 林恩波，鹿炳光，尤敦成，等．论提高国产钻杆的性能质量水平[J]．建筑机械，2007，(11)：103-105

[3] 张启君．国内外旋挖钻机发展现状与结构特点分析[J]．建设机械技术与管理，2006，(06)：77-80

[4] 吴兆成，旋挖钻机钻杆托架失效分析[J]．建筑机械化，2007，(11)：37-40

[5] 朱昌志，于卓伟，余海波．一种旋挖钻机钻杆防掉孔装置[J]．三一研究与创新，2011，(1)：66-68

杨宏伟，男，1982年生，滨州学院机电工程系，硕士研究生，主要研究方向是测试计量方向。