多功能导向钻机钻杆卡盘设计与应用

王倩云

摘 要：随着城市建设的发展，地下空间建设越发重要。而地下空间特别是在既有建筑下地下空间的施工设备更是应满足地下空间狭小、低净空、轻巧、精度高、功能多、灵活性好的方向发展。尤其导向钻机的使用越来越广泛，具有多功能钻削、高可靠性及稳定性的钻机，成为安全施工的必备条件。本文为提高导向钻机作业的安全性钻杆装卡设计了一种新型的卡盘结构，从卡盘卡面齿形优化、弹性变形以及其耐磨性作了系统介绍，为多功能导向钻机钻杆卡盘设计提供了可借鉴的设计经验。

关键词：地下空间;非开挖;导向钻机;卡盘

中图分类号：P634.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）14-0073-02

0 引言

导向钻进技术也称非开挖技术（HDD）是城市建设中的一项关键重要技术。针对地下空间狭小、低净空、多方位、高导向精度等施工工况需求，一种大扭矩、多角度、高位置精度的新型全方位的導向钻机使用越来越广泛[1]。钻进施工是相对连续的，需要长时间抱钻回转，因此机械式卡盘结构连续使用的可靠性非常重要[2]。为满足导向钻机具备输出更大扭矩、更高提升力时，钻具可靠的提升、旋转，无掉钻、卡钻等要求，需要研制一种新型可靠的钻杆卡盘结构[3]。

1 导向钻机卡盘方案设计

1.1 卡盘总体方案设计

考虑地下空间引孔超深、超长的要求，钻杆重量较重，因此卡盘的卡紧力相对较大，卡盘采用多层碟簧推压抱紧，抱紧时仅使用机械力，同时碟簧通过螺母配合螺钉进行预紧力，避免液压电气等其他因素使碟簧松脱而造成滑钻。为确保卡盘与钻杆间不打滑，卡块卡爪处设计波纹齿。当卡爪与钻杆抱合时，波纹齿使钻具材料发生弹性形变，使钻具轴向产生剪切力，该力远大于其自重和回转扭力，从而实现钻具夹紧。为避免卡盘局部挤压力过大造成钻杆受压变形，卡盘选用五爪瓣结构，使钻杆周向受载更均衡。由于地下空间施工场地狭小，卡盘整体结构应体积小、行程大、可靠性高，因此卡盘打开与压紧采用液压油缸释放和推压方式。推压油缸固定在钻杆动力箱上，动力箱设计成空心轴以安装卡盘、碟簧等。为保证卡盘旋转，在卡盘和油缸中间安装推力轴承。卡盘剖面结构示意图1所示。

1.2 卡盘主要关键件设计

1.2.1 碟形弹簧力计算与选型

蝶形弹簧轴向压紧力，通过卡爪，将轴向力转换成抱紧钻杆的周向摩擦阻力。钻杆钻进时周向摩擦阻力大于钻杆的回转力、钻杆的进给轴向力以及钻杆的自重的合力。卡盘卡块受力图2所示。

（1）弹簧压缩轴向负荷估算。考虑单节钻杆拆接便利、拆接次数（效率）及施工空间等因素，单节钻杆的设计为长度：L=1500mm;D=Φ142，则单节钻杆重量：83kg;施工最大深度100m，则钻杆最大重量：5533.4kg;考虑安全系数，以及钻杆提升、下压的摩擦阻力等，取：100kN。

根据卡块齿型，可计算出与钻具接触面积s=220.5mm2，则5个卡块总面积为：S=1.1X10-3m2;

分别代入式（2）、式（3）得，卡块正压力σ=9.1MPa≤[σ]=167MPa，钻具下滑趋势产生的剪应力τ=122.7kN。

计算得得正压力可满足100m钻具使用要求。

2 卡盘夹持力有限元建模分析

2.1 卡盘结构有限元建模与边界条件加载

零件材料为：高强度合金钢，屈服强度710MPa。网格划分：网格密度选择良好，网格边长范围0.27-5.45mm，网格划分后，零件弧形面无棱边。外部载荷：钻具径向力以11kN作基础模拟加载。

2.2 模拟加载后的形变与应力计算

图4为卡盘卡爪应力分析图，应力最大部分集中在卡爪齿部区域，且最大应力值为179Mpa;图5为卡盘卡爪位移分析图，最大变形位移0.35mm;图6为卡盘卡爪应变分析图。由图4、5、6可知，卡盘卡爪最大应力179MPa<[α]=710MPa，最大变形位移0.35mm，与上述卡盘计算较为吻合。

3 钻机卡盘夹持力调试试验

机械卡盘夹持力试验以场内试验为主，进行破坏性试验，以测试机械卡盘的最大夹持力。

（1）试验方法：以钻机动力头部分为依托，使用其上、下夹紧均固定在立柱上的机构，夹紧钻杆并提升。通过液压缸对钻杆施加轴向载荷，记录钻杆在卡盘内滑移时，液压缸施加的载荷，算出卡盘夹持力;（2）试验结论：机械卡盘极限夹持力127kN，与理论计算、有限元分析相近，卡盘试验图7所示。

4 生产应用

按本文介绍的方法设计的钻杆卡盘，已在我司生产的多台多功能导向钻机上应用。图8为上海杨浦区邯郸路某工程使用本卡盘钻机施工现场图。使用本卡盘的钻机，相对于传统导向钻机，具有更大的扭矩、更可靠的钻具夹持力、更高的精度，实现超深、狭小空间的施工。

5 结语

本文简述了一种导向钻机的机械式卡盘设计、有限元建模计算以及加载试验验证的方法，并形成装备在施工中应用。为狭小地下空间内超长距离的定向钻进施工钻机提供了可靠保证。为多功能导向钻机钻杆卡盘设计提供了可借鉴的设计经验。

参考文献

[1] 赵健.定向钻穿越施工关键技术与措施[J].建筑工程技术与设计，2018（8）：281.

[2] 姚爱国，彭金龙.钻探技术新进展[J].地质与勘探，2000，36（2）：1-4.

[3] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2007.