螺旋鉆具非定常掘削的研究*

鄭秀月，趙偉民，蘇金哲

(1.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍 江大慶 163318;2.渤海裝備遼河熱采機械公司，遼寧 盤錦 124209)

1 前言

在各種基礎(chǔ)施工中，螺旋鉆機發(fā)揮著不可取代的作用。對鉆機而言，因為螺旋鉆具的參數(shù)可影響其整機的性能，包括鉆孔時間、功率消耗、勞動條件的改善等，所以有必要對其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實驗研究。設(shè)計好螺旋鉆具離不開參數(shù)的合理設(shè)計與選用，我國地域遼闊、地質(zhì)復(fù)雜，為滿足不同使用環(huán)境和工作性能的要求，對螺旋鉆具主要參數(shù)的確定和優(yōu)化極為重要。螺旋鉆具掘削原理是正確設(shè)計與選擇鉆具的理論基礎(chǔ)，我國學(xué)者已對其進(jìn)行了大量的研究［1－2］，筆者依據(jù)相應(yīng)實驗數(shù)據(jù)運用Matlab軟件，對鉆具較為重要的參數(shù)螺旋升角和鉆具轉(zhuǎn)速做進(jìn)一步的研究。

2 理論分析

螺旋鉆具是螺旋鉆機的主要執(zhí)行機構(gòu)，其基本參數(shù)有螺旋升角、鉆具轉(zhuǎn)速等，這些參數(shù)決定鉆具的掘進(jìn)深度和排土，從而對螺旋鉆具的掘削扭矩有直接影響。由圖1的受力圖可對其扭矩進(jìn)行計算，經(jīng)分析可知，扭矩包括三部分:鉆進(jìn)時在整個切削刃上產(chǎn)生的切削阻力矩M0;輸土?xí)r土在螺旋表面上運動產(chǎn)生的阻力矩M1;由鉆具回轉(zhuǎn)運動使土產(chǎn)生的離心力和土與孔壁之間的摩擦力造成的阻力矩M2［3］。根據(jù)圖1(a)和參考文獻(xiàn)［3］可得:

式中:K為回轉(zhuǎn)掘削條件下的掘削比阻力，它垂直于刀板;Vr為鉆進(jìn)速度;n為轉(zhuǎn)速;γ為刀刃切削角;δ為刀刃與土之間的摩擦角。

圖1 鉆具扭矩分析圖

根據(jù)圖1(b)中和參考文獻(xiàn)［3］可得:

式中:G0為孔內(nèi)螺旋葉片上土的重量(僅考慮葉片上的土而不是整個孔深的土重量);φ1為土與土間的摩擦角。

式中:c為表面粘著系數(shù);φ2為土與鋼間的摩擦角;ε為土塊的絕對運動方向角。

扭矩消耗:

將式(5)帶入式(1)，式(6)帶入式(2)、(3)，整理后得:

經(jīng)理論分析計算后，可從式(7)中看出，隨著鉆進(jìn)深度H的增加，扭矩M的值逐漸增大。

3 實驗裝置

為了增強實驗的說服力，筆者對砂土、亞粘土和粘土分別進(jìn)行了相應(yīng)的掘削實驗，實驗用螺旋鉆具采用10°、20°和30°三種不同的螺旋升角，葉片外徑為100 mm，中心管外徑為25 mm。實驗裝置主要由鉆機底盤、調(diào)頻電機、配重和螺旋鉆具組成。為考察鉆具所克服扭矩的變化，在鉆機掘削鉆進(jìn)的過程中，使提升鉆具卷揚的鋼絲繩處于放松狀態(tài)，鉆具靠自重和施加的配重相互協(xié)調(diào)下落鉆進(jìn)，實現(xiàn)非定常掘削的目的。實驗裝置中配置了傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，以便在掘削實驗的進(jìn)行中記錄所需數(shù)據(jù)。

常見的螺旋鉆具可分為長螺旋和短螺旋，本實驗主要研究長螺旋，對于長螺旋而言，螺旋葉片可用來裝載和輸送掘削下來的砂、土等，因而高轉(zhuǎn)速、大的螺旋升角利于砂、土等的排出，但隨著轉(zhuǎn)速和螺旋升角的提高，螺旋鉆具的輸出扭矩會發(fā)生相應(yīng)的不定性變化。綜合以上問題，本實驗所用螺旋鉆具的轉(zhuǎn)速有五種，不同的鉆具轉(zhuǎn)速和不同的鉆具螺旋升角依次組合進(jìn)行實驗，每次鉆進(jìn)至少2個孔，取其效果好的進(jìn)行實驗分析，以求得最佳的實驗結(jié)果，為基礎(chǔ)施工提供有力依據(jù)。實驗土槽砂土特性為含水量ω=12%，內(nèi)摩擦角36°;實驗土槽亞粘土特性為含水量ω=14%;實驗土槽粘土特性為含水量ω=35%。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 土質(zhì)定義

砂土是土壤顆粒組成中砂粒含量較高的土質(zhì)，土壤質(zhì)地的基本類別之一。根據(jù)國際制的規(guī)定，砂土含砂?？蛇_(dá)85% ～100%，而細(xì)土粒僅占0% ～15%。中國規(guī)定砂粒(粒徑1～0.05 mm)含量大于50%為砂土。按照建筑工程的分類，粒徑大于2 mm，質(zhì)量不超過總質(zhì)量的50%，粒徑大于0.075 mm的顆粒，質(zhì)量超過總質(zhì)量50%的土質(zhì)，應(yīng)定名為砂土。

亞粘土是粒徑大于0.075 mm的顆粒，質(zhì)量不超過全重的50%，且塑性指數(shù)等于或小于10的土質(zhì)。亞粘土含適量粘粒、砂粒和粉粒，在性質(zhì)上兼有粘土和砂土的特點，是介于兩者間的一種地基土。

粘土是含砂粒很少、有黏性、顆粒很細(xì)的土質(zhì)，塑性系數(shù)大于10，在較小的壓力下就可以變形并能長久保持原狀。

在3種土質(zhì)中，粘土分布最廣，多以聚粒存在;孔隙小、滲透性差、蓄水量大、保水性好、排水難;粘粒孔隙小、通氣性差，因而有機質(zhì)含量也較多;蓄水量大、熱容量大;粘結(jié)性、粘附性和塑性強，干時堅硬、濕時泥濘。

4.2 螺旋升角的影響分析

為能夠準(zhǔn)確反應(yīng)螺旋升角對掘削進(jìn)程的影響，實驗過程中將其他變量均設(shè)置為定值。圖2～4所示各圖為不同轉(zhuǎn)速時以螺旋升角為變量的扭矩深度三維圖。由于試驗五種轉(zhuǎn)速、三種土質(zhì)，因而圖幅較多，所以每種土質(zhì)只選用具有代表性的三維圖。

砂土轉(zhuǎn)速20 r/min時的扭矩深度三維圖

亞粘土轉(zhuǎn)速32 r/min時的扭矩深度三維圖

由圖2～4可知，隨著掘削深度的增加，無論哪種土質(zhì)、鉆具轉(zhuǎn)速和螺旋升角的工況下，扭矩均相應(yīng)提高，與前面理論分析計算相符。但當(dāng)扭矩相同時，螺旋升角為20°的鉆具掘削深度較其余兩種鉆具的深度大，所以消耗相同功率時螺旋升角為20°鉆具的優(yōu)勢明顯高于其余兩種鉆具。

粘土轉(zhuǎn)速44 r/min時的扭矩深度三維圖

4.3 螺旋鉆具轉(zhuǎn)速的影響分析

與研究螺旋升角影響鉆進(jìn)效果時一樣，為全面反應(yīng)不同轉(zhuǎn)速時的掘削情況，其余變量均設(shè)置為定值。由前面螺旋升角的研究情況可知，螺旋升角為20°鉆桿優(yōu)于其余兩種鉆桿，所以研究鉆具轉(zhuǎn)速時，只采用螺旋升角為20°的鉆桿。圖5～7即為20°鉆桿在三種不同土質(zhì)以轉(zhuǎn)速為變量的扭矩深度圖。

圖5 砂土扭矩深度圖

圖6 亞粘土扭矩深度圖

由圖5～7可以看出，扭矩隨著鉆進(jìn)深度的增加而相應(yīng)增大。土層較淺時可適當(dāng)增大轉(zhuǎn)速，達(dá)到一定深度后，為得到預(yù)定的鉆進(jìn)深度，就應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档豌@具轉(zhuǎn)速。在不同土質(zhì)中，鉆進(jìn)不同深度時選用的鉆具轉(zhuǎn)速也不同，實際工作時要綜合考慮各種因素。

圖7 粘土扭矩深度圖

5 總結(jié)

通過試驗研究分析，對鉆機螺旋鉆具的螺旋升角和施工中選用鉆具轉(zhuǎn)速有一定的幫助。螺旋升角為10°的鉆桿，螺距小，相鄰螺旋葉片間的空間小，掘削的各種土質(zhì)、巖屑等在螺旋葉片上停留的時間長，不利于排除;相反螺旋升角為30°的鉆桿，若轉(zhuǎn)速和10°鉆桿相同，由于其螺距大，各種土質(zhì)、巖屑等就會快速排除，但是功率消耗大，經(jīng)過對比得知20°的螺旋鉆具優(yōu)勢突出。鉆機轉(zhuǎn)速在施工中要根據(jù)鉆深、土質(zhì)、排土速度等因素綜合考慮，土層較淺時可適當(dāng)增大轉(zhuǎn)速，達(dá)到一定深度后，為獲得預(yù)定的鉆深就要適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。

［1］郭 峰，李瑰賢，趙偉民.螺旋鉆具輸土速度與阻力的實驗［J］.工程機械，2006(37):23－26.

［2］唐正清，梁伯圖.螺旋鉆機主要參數(shù)的優(yōu)化研究［J］.煤礦機械，2005(7):44－45.

［3］趙偉民，顧迪民，遲大華，等.螺旋鉆具上的土的動力分析［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報，1999，32(4):90－93.