王倩云

摘 要：隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地下空間建設(shè)越發(fā)重要。而地下空間特別是在既有建筑下地下空間的施工設(shè)備更是應(yīng)滿足地下空間狹小、低凈空、輕巧、精度高、功能多、靈活性好的方向發(fā)展。尤其導(dǎo)向鉆機(jī)的使用越來越廣泛，具有多功能鉆削、高可靠性及穩(wěn)定性的鉆機(jī)，成為安全施工的必備條件。本文為提高導(dǎo)向鉆機(jī)作業(yè)的安全性鉆桿裝卡設(shè)計(jì)了一種新型的卡盤結(jié)構(gòu)，從卡盤卡面齒形優(yōu)化、彈性變形以及其耐磨性作了系統(tǒng)介紹，為多功能導(dǎo)向鉆機(jī)鉆桿卡盤設(shè)計(jì)提供了可借鑒的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：地下空間;非開挖;導(dǎo)向鉆機(jī);卡盤

中圖分類號：P634.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0073-02

0 引言

導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)也稱非開挖技術(shù)（HDD）是城市建設(shè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵重要技術(shù)。針對地下空間狹小、低凈空、多方位、高導(dǎo)向精度等施工工況需求，一種大扭矩、多角度、高位置精度的新型全方位的導(dǎo)向鉆機(jī)使用越來越廣泛[1]。鉆進(jìn)施工是相對連續(xù)的，需要長時(shí)間抱鉆回轉(zhuǎn)，因此機(jī)械式卡盤結(jié)構(gòu)連續(xù)使用的可靠性非常重要[2]。為滿足導(dǎo)向鉆機(jī)具備輸出更大扭矩、更高提升力時(shí)，鉆具可靠的提升、旋轉(zhuǎn)，無掉鉆、卡鉆等要求，需要研制一種新型可靠的鉆桿卡盤結(jié)構(gòu)[3]。

1 導(dǎo)向鉆機(jī)卡盤方案設(shè)計(jì)

1.1 卡盤總體方案設(shè)計(jì)

考慮地下空間引孔超深、超長的要求，鉆桿重量較重，因此卡盤的卡緊力相對較大，卡盤采用多層碟簧推壓抱緊，抱緊時(shí)僅使用機(jī)械力，同時(shí)碟簧通過螺母配合螺釘進(jìn)行預(yù)緊力，避免液壓電氣等其他因素使碟簧松脫而造成滑鉆。為確?？ūP與鉆桿間不打滑，卡塊卡爪處設(shè)計(jì)波紋齒。當(dāng)卡爪與鉆桿抱合時(shí)，波紋齒使鉆具材料發(fā)生彈性形變，使鉆具軸向產(chǎn)生剪切力，該力遠(yuǎn)大于其自重和回轉(zhuǎn)扭力，從而實(shí)現(xiàn)鉆具夾緊。為避免卡盤局部擠壓力過大造成鉆桿受壓變形，卡盤選用五爪瓣結(jié)構(gòu)，使鉆桿周向受載更均衡。由于地下空間施工場地狹小，卡盤整體結(jié)構(gòu)應(yīng)體積小、行程大、可靠性高，因此卡盤打開與壓緊采用液壓油缸釋放和推壓方式。推壓油缸固定在鉆桿動力箱上，動力箱設(shè)計(jì)成空心軸以安裝卡盤、碟簧等。為保證卡盤旋轉(zhuǎn)，在卡盤和油缸中間安裝推力軸承?？ūP剖面結(jié)構(gòu)示意圖1所示。

1.2 卡盤主要關(guān)鍵件設(shè)計(jì)

1.2.1 碟形彈簧力計(jì)算與選型

蝶形彈簧軸向壓緊力，通過卡爪，將軸向力轉(zhuǎn)換成抱緊鉆桿的周向摩擦阻力。鉆桿鉆進(jìn)時(shí)周向摩擦阻力大于鉆桿的回轉(zhuǎn)力、鉆桿的進(jìn)給軸向力以及鉆桿的自重的合力?？ūP卡塊受力圖2所示。

（1）彈簧壓縮軸向負(fù)荷估算。考慮單節(jié)鉆桿拆接便利、拆接次數(shù)（效率）及施工空間等因素，單節(jié)鉆桿的設(shè)計(jì)為長度：L=1500mm;D=Φ142，則單節(jié)鉆桿重量：83kg;施工最大深度100m，則鉆桿最大重量：5533.4kg;考慮安全系數(shù)，以及鉆桿提升、下壓的摩擦阻力等，?。?00kN。

根據(jù)卡塊齒型，可計(jì)算出與鉆具接觸面積s=220.5mm2，則5個(gè)卡塊總面積為：S=1.1X10-3m2;

分別代入式（2）、式（3）得，卡塊正壓力σ=9.1MPa≤[σ]=167MPa，鉆具下滑趨勢產(chǎn)生的剪應(yīng)力τ=122.7kN。

計(jì)算得得正壓力可滿足100m鉆具使用要求。

2 卡盤夾持力有限元建模分析

2.1 卡盤結(jié)構(gòu)有限元建模與邊界條件加載

零件材料為：高強(qiáng)度合金鋼，屈服強(qiáng)度710MPa。網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格密度選擇良好，網(wǎng)格邊長范圍0.27-5.45mm，網(wǎng)格劃分后，零件弧形面無棱邊。外部載荷：鉆具徑向力以11kN作基礎(chǔ)模擬加載。

2.2 模擬加載后的形變與應(yīng)力計(jì)算

圖4為卡盤卡爪應(yīng)力分析圖，應(yīng)力最大部分集中在卡爪齒部區(qū)域，且最大應(yīng)力值為179Mpa;圖5為卡盤卡爪位移分析圖，最大變形位移0.35mm;圖6為卡盤卡爪應(yīng)變分析圖。由圖4、5、6可知，卡盤卡爪最大應(yīng)力179MPa<[α]=710MPa，最大變形位移0.35mm，與上述卡盤計(jì)算較為吻合。

3 鉆機(jī)卡盤夾持力調(diào)試試驗(yàn)

機(jī)械卡盤夾持力試驗(yàn)以場內(nèi)試驗(yàn)為主，進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，以測試機(jī)械卡盤的最大夾持力。

（1）試驗(yàn)方法：以鉆機(jī)動力頭部分為依托，使用其上、下夾緊均固定在立柱上的機(jī)構(gòu)，夾緊鉆桿并提升。通過液壓缸對鉆桿施加軸向載荷，記錄鉆桿在卡盤內(nèi)滑移時(shí)，液壓缸施加的載荷，算出卡盤夾持力;（2）試驗(yàn)結(jié)論：機(jī)械卡盤極限夾持力127kN，與理論計(jì)算、有限元分析相近，卡盤試驗(yàn)圖7所示。

4 生產(chǎn)應(yīng)用

按本文介紹的方法設(shè)計(jì)的鉆桿卡盤，已在我司生產(chǎn)的多臺多功能導(dǎo)向鉆機(jī)上應(yīng)用。圖8為上海楊浦區(qū)邯鄲路某工程使用本卡盤鉆機(jī)施工現(xiàn)場圖。使用本卡盤的鉆機(jī)，相對于傳統(tǒng)導(dǎo)向鉆機(jī)，具有更大的扭矩、更可靠的鉆具夾持力、更高的精度，實(shí)現(xiàn)超深、狹小空間的施工。

5 結(jié)語

本文簡述了一種導(dǎo)向鉆機(jī)的機(jī)械式卡盤設(shè)計(jì)、有限元建模計(jì)算以及加載試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，并形成裝備在施工中應(yīng)用。為狹小地下空間內(nèi)超長距離的定向鉆進(jìn)施工鉆機(jī)提供了可靠保證。為多功能導(dǎo)向鉆機(jī)鉆桿卡盤設(shè)計(jì)提供了可借鑒的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙健.定向鉆穿越施工關(guān)鍵技術(shù)與措施[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018（8）：281.

[2] 姚愛國，彭金龍.鉆探技術(shù)新進(jìn)展[J].地質(zhì)與勘探，2000，36（2）：1-4.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.