2022年超大型旋挖钻机钻斗提升运动研究.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 超大型旋挖钻机钻斗提升运动分析闻志君1,潘云英2,卢天日1,高文攀1 102200）<1.北京南车时代重工机械有限责任公司,北京102249；2.福田雷沃重机股份有限公司,北京摘要： 运用流体力学工具,分析旋挖钻机成孔取土时,钻斗在布满泥浆的已成孔内提升时的运动情形,找到影响钻斗提升的相关因素及其限制条件,并用以指导超大型旋挖 钻机设计和施工；关键词： 超大型旋挖钻机；桥梁桩；钻斗提升；成孔才能；运动分析；同心圆环缝隙 流；绕流随着我国铁路、大路桥梁等大批交通基础设施的高速进展, 对桥梁桩基的成桩直径和深度、成孔速度等一系列的要求都在不断地提高；建设中的宁安铁路安庆长江大桥 3#、4#主墩各采纳 37 根 3.4m/ 3m 变径桩基础,桩长 108110m, 平台以下钻孔深度达 143m,入岩深度近 100m, 大直径变径钻孔桩施工是全桥的重点；南车时代重工顺应桥梁桩进展趋 势,在胜利研发 TR400 基础上开发 TR500 超大型旋挖钻机；大型桥梁桩孔径大,深度深,相应的钻斗直径和钻杆长度都要又大又深；旋挖钻机施 工时,主卷扬起升机构性能是打算成孔才能的关键因素；要设计一套好的机构,必需第一 弄清它的工况,要设计超大型旋挖钻机就必需讨论影响钻斗提升运动的因素；一、旋挖钻机成桩取土工艺及孔内泥浆运动分析: 操作手操作钻机使旋挖钻机成桩取土步骤钻斗对正桩位,主卷扬下降,钻头入孔下降到 孔底,动力头驱动钻杆及其联接钻斗回转切 土,此时主卷扬机构浮动,可适当施以加压 力,钻斗在重力、加压力和取土掘进力的作用 下切入土层,切下的土被挤入钻斗,钻斗连续 下降,当钻斗下降到进尺深度后,反转钻斗闭 合斗门,主卷扬起升,使钻斗上升出孔,回转 卸土,如此往复取土成孔；为防止新成孔壁的 塌陷,可采纳泥浆护壁 <湿法）或者跟随套管护 壁<干法）,国内施工基本都用泥浆护壁；泥浆 护壁施工时在成孔过程中要不断补入泥浆,以 保持泥浆液面基本不变；由于孔中布满泥浆,如要提升钻斗,钻斗 必需排开泥浆才能移动,泥浆退让只有两个途 径：一是随钻斗上升漫出孔口,二是从孔壁与 钻斗侧面的间隙流到钻斗下方；如泥浆随钻斗上升,钻斗提升力必需能克服钻斗上方泥浆柱的重量；见图1；以3m 的桩孔为例,钻斗在 100m 深位置时,经过简洁运算可知钻斗上方泥浆柱的质量达到700 吨左右 , 任何旋挖钻机要提动都是不行能的,所以深孔取土时,钻斗在提升的过程中,泥浆柱的上段静止不 动,接近钻斗的泥浆在钻斗和上方泥浆柱的推挤作用下只能通过钻斗的外侧与孔壁的间隙 流往钻斗下方；- 0 - / 8 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 二、钻斗在孔内运动分析和卷扬提升力运算式中如钻斗平稳上升时,受力状态如图2 所示,有： 1> _卷扬起升力 , kN ；_泥浆浮力 , kN ；_泥浆阻力 , kN ；_重力 , kN ；重力包括钻斗、钻杆和钻斗里的土受到的重力,那么：式中_钻斗质量, kg； 2> _钻杆质量, kg；_钻斗里土的质量,kg；泥浆浮力可分为钻斗、钻杆和钻斗里的土受到的 浮力,在深孔取土时钻斗、钻斗里的土完全浸入泥浆 中,钻杆除动力头驱动联接位置外都浸入泥浆中,因 为钻杆是薄壁钢管,剩余钻杆体积相对很小,为分析 便利,此处认为钻杆也完全浸入泥浆中,那么有： <3）式中_泥浆密度,的kg/mkg/m3；,_钢材密度,3；_钻斗里土密度kg/m3； 4> 泥浆阻力是钻斗上下泥浆压差对钻斗的压力,有: - 1 - / 8 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 式中 _钻斗直径, m；_钻斗上下表面压差,Pa,；将<2）、 <3）、 <4）式代入 <1）式,经整理可得：设为当量重力,令,那么： 5> < 6）深孔取土时,钻斗在提升的过程中,远离钻斗的泥浆柱静止,接近钻斗的泥浆在钻斗 和上方泥浆柱的推挤作用下只能通过钻斗的外侧与孔壁的间隙流往钻斗下方；由流体连续性方程,有：式中_钻斗推动的泥浆流量, m3/s； < <7）_泥浆通过缝隙的流量, m3/s；8）设钻斗提升速度为,那么钻斗推动的泥浆流量有：钻斗的运动方向与压差的方向相反,依据有相对运动的同心圆环缝隙流量公式,有：式中_钻斗的外侧与孔壁的间隙,m；Pa·s； <9）_泥浆的动力粘度,Pa·s,一般_钻斗高度 , m；将<8）、 <9）式代入 <7）式,经整理可得：<10）将<10）式代入 <6）式,经整理可得： < 11）钻斗提升速度就是卷扬机构起升速度,钻斗提升时功率等于旋挖钻机的有效功率,那 么：- 2 - / 8 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - < 12）式中_发动机飞轮功率,kW ；_传动总效率,一般为0.75；将<12）式代入 <11）式,并且卷扬提升力方向只能向上,经整理可得： <13 ）分析 <13）式可知是量纲为力的单位的量,设其为,那么 <13）式可简化为： <14 ）旋挖钻机成孔作业时,提升钻斗的过程分为在布满泥浆的孔内提升和出泥浆后的提升；令整个提升过程中所需卷扬提升力为,那么： <15 ）设计旋挖钻机确定卷扬提升力参数升速度为；那么：时,必需以较大值为依据,此时由功率限制对应的提<16） < 17）式中 b_ 当量重量 , kN ,；c_当量阻力, kN ,旋挖钻机在取土时不仅要考虑起升机构对钻斗的提升力, 即取土才能,仍要考虑已成孔的稳固性,即成孔工艺的护壁才能；泥浆在钻斗与孔壁间隙间流淌是影响已成孔稳固的重 要因素,下面我们对这一影响进行分析；三、钻斗在孔内运动时钻斗与孔壁间隙间泥浆流淌分析- 3 - / 8 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 提升钻斗时钻斗和泥浆的相互运动,如以钻斗为参照,就可看做泥浆对钻斗的绕流,在图 1 中分析 2- 2 截面与 3- 3 截面处的泥浆流；令钻斗推动泥浆的面积为,泥浆在钻斗与孔壁间隙间通流面积为,泥浆流速为,由流体连续性方程有： < 18）依据伯努利方程,有：式中_泥浆在钻斗上方压力,Pa；等于 <19）_泥浆在缝隙中压力,Pa；,那么将 <18）式代入对深孔取土,由于钻斗高度相对孔深很小,可以认为<19）式并整理得： < 20）由流体静压力基本公式知：式中_大气压力,一标准大气压等于Pa； <21）将<21）式代入 <20）式,得：当 <22）时,钻斗与孔壁间显现负压,会导致缩孔卡钻故障,因此泥浆在缝隙中压力为零时钻斗运动的速度,是不发生缩孔的最高速度,设其为整理为直径关系得：；由 22> 式,整理得： < <23）24）旋挖钻机孔内取土时,孔壁与钻斗初始间隙 由边齿扩孔形成,边齿高很小所以孔壁- 4 - / 8 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 与钻斗初始间隙相对孔径很小,<24）式中的高次幂函数项可以忽视,那么： < 25）由<25）式可知离孔口越近,答应提升速度越小；为防止缩孔,旋挖钻机施工时要在孔口埋设钢护筒,在钢护筒下端面不显现缩孔的速度就是答应钻斗最大提升速度,令其为,设护筒高度为,那么有： <26）由<26）式可知,在标准大气压下,旋挖钻机钻斗答应最大提升速度是一个和泥浆密度、护筒高度、间隙和钻斗直径相关的量；四、钻斗在孔内运动规律在旋挖钻机设计中的应用由以上分析可知,设计旋挖钻机第一要确定成孔时不显现缩孔的答应钻斗最大提升速度,确保成孔时不缩孔；依据<26）式和常用施工工法参数运算出的值,见表1；表 1 不同成孔才能答应提升速度运算孔径 1 1.2 1.5 1.8 2 2.2 2.5 3 4钻斗直径 0.9 1.1 1.4 1.7 1.9 2.1 2.4 2.9 3.9间隙 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05护筒高度 1.5 1.5 2 2 2 2 4 6 8泥浆密度 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100大气压强 101300 101300 101300 101300 101300 101300 101300 101300 101300答应速度 1.148219 0.939452 0.754885 0.62167 0.556231 0.503257 0.4774260.423578 0.3348中小旋挖钻机应用最广的是钻 1.5m 左右的孔,行业体会共识认为 0.750.85m/s 是施工时最稳固的提升速度,这正与我们的分析数据吻合；旋挖钻机施工常用的预埋护筒工法不同于跟随套管工法,其护筒高度不会太大；通过表 1 我们可以看出：成桩孔径太大时,不缩孔答应提升速度太小；由于护筒高度和边齿强度限制,通过增大护筒高度和间隙调整的余地不大；此时如以答应提升速度作为设计依据,会严峻影响工作速度,如不以它作为设计依据,又可能造成缩孔卡钻；为解决这一冲突,在大型钻斗中设置联通钻斗上下的导流管,在不转变钻斗与成孔相关尺寸的情况下,增大泥浆运动的通流面积,提高不显现缩孔的钻斗最大提升速度；由以上分析可知：时可充分利用旋挖钻机发动机功率；如图 3 所示,设置导流管相当于增大间隙,设为当量间隙,为当量通流面积,- 5 - / 8 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 那么保证护壁要求的答应提升速度等于由旋挖钻机功率限定的提升速度的当量间隙是最小答应间隙,此时的导流管直径就是答应最小直径,设为；由 可得： 27> 由图 3 可知 : 28> 由<27）、 <28）式整理得： 29> 忽视 的高次幂函数项,那么： 30> 依据以上分析,将旋挖钻机成孔取土相关参数和对应函数输入excel 表,得出的超大旋挖钻机TR400、 TR500的主卷扬机参数及其工作条件,见表2；据此设计的 TR400旋挖钻机在实际施工中性能特别稳固,截止投稿日期已无故障连续大负荷运行 4个多月,深得行业好评；表 2 旋挖钻机主卷扬提升力和提升速度运算表计参数名称G代号单位设计值TR400TR500主卷扬提升力m/sN 3.48E+054.70E+05主卷扬提升速度0.75 0.62 在泥浆中时主卷扬提升力N2.61E+053.37E+05出泥浆后主卷扬提升力N3.48E+054.70E+05算功率限制提升速度bm/s0.75 0.62 项无导流孔护壁提升速度m/s0.48 0.38 导流孔直径m0.37 0.45 在泥浆中起升当量重量N2.60E+053.35E+05已在泥浆中起升当量阻力cN3.17E+045.21E+04旋挖钻机功率W3.50E+053.90E+05旋挖钻机效率0.75 0.75 kg钻斗重量kg 8.00E+031.00E+04钻杆重量1.90E+042.30E+04钻斗容土量kg8.50E+031.50E+04知项钻斗直径m2.90 3.90 钻斗高度m0.80 0.80 间隙m kg/m30.04 0.04 钢材密度7.80E+037.80E+03- 6 - / 8 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 钻斗里土的密度kg/m31.80E+031.80E+033泥浆密度kg/m1.10E+03 1.30E-03 1.10E+03 1.30E-03 泥浆动力粘度Pa·s 续表参数名称护筒高度代号单位TR400设计值TR500已m 6.00 8.00知 项标准大气压强1.01E+05 1.01E+05Pa 五、终止语旋挖钻机作为高效环保的大型桩基成孔机械,这几年的市场进展特殊火爆,众多厂家也 争 相 进 入 这 一 行 业 , 但 国 内 绝 大 部 分 厂 家 开 发 旋 挖 钻 机 时 都 只 是 借 鉴 国 内 外相像机型设计,导致目前市场上旋挖钻机严峻的同质化；南车时代重工TR500的TR400是目前国内最大的旋挖钻机,也是唯独能长时间稳固施工的超大旋挖钻机,将是世界最大的旋挖钻机；超大旋挖钻机已经没有国内外成熟产品的设计参数借鉴,作为旋挖钻机行业研发人员,必需积极总结施工体会,并运用科学手段深化讨论其内在规律,才能有效指导设计工作；本文通过分析旋挖钻机成孔取土时钻斗在布满泥浆的孔内运动情形,找到其运动规律和限制条件,得到指导旋挖钻机设计和使用工法的依据；参考文献1 陈卓如主编 . 工程流体力学 . 北京 : 高等训练出版社 M, 2004.12 姜继海 , 宋锦春 , 高常识主编 . 液压与气压传动 . 北京 : 高等训练出版社 M, 2002.8 3 陈勇林 . 旋挖钻机如何防止坍塌埋钻 . 襄樊桩机公司4 严锡龙 . 关于桥梁桩基回旋钻成孔技术的如干探讨 . 中国新技术新产品 J, 2022<3 ）5 杨景峰 ,张文杰 ,赵海玉 . 旋挖钻机施工工艺及掌握. 交通科技 J, 2006<6 ）6 丁建忠 , 龚进 . 旋挖钻机钻斗提升速度的探讨. 建设机械技术与治理J, 2007<3 ）7 黄炳章 . 东海大桥海上大直径超深钻孔灌注桩成孔技术. 广州建筑 J, 2007<4 ）8 梁辉 ,王明 . 浅谈桥梁桩基工程旋挖钻孔施工技术 . 中国水运 理论版 > J,2006<8 ）- 7 - / 8 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 8 页