基于Simulation樁頂鉆機(jī)鉆桿系統(tǒng)研究

聶文杰，張 波，侯紅恩，龍海濱

(太重(天津)濱海重型機(jī)械有限公司技術(shù)中心 天津300457)

0 引 言

鉆桿系統(tǒng)是樁頂鉆機(jī)的關(guān)鍵部件，連接動(dòng)力頭與鉆具，傳遞動(dòng)力頭扭矩和壓力，鉆桿工作中若產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲變形，會(huì)導(dǎo)致鉆具無(wú)法正常工作，因此有必要對(duì)鉆桿的應(yīng)力、變形、穩(wěn)定性等方面進(jìn)行研究，以保證鉆桿的剛度、強(qiáng)度，確保鉆機(jī)可靠工作。本項(xiàng)目基于 DR5800樁頂鉆機(jī)，鉆桿最大承受鉆壓 1450kN，最大扭矩 500kN·M，鉆頭卡阻狀態(tài)最大扭矩750kN·M，具體研究了鉆桿的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性，分析當(dāng)前鉆桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否合理。

1 樁頂鉆機(jī)簡(jiǎn)介

圖1 樁頂鉆機(jī)Fig.1 Pile top drilling rig

樁頂鉆機(jī)是風(fēng)電樁基施工的關(guān)鍵設(shè)備，如圖1所示，主要由龍門(mén)架、動(dòng)力頭、主平臺(tái)、樁接頭、穩(wěn)定器、鉆桿、過(guò)渡接頭、平衡器、鉆具等部件組成。樁頂鉆機(jī)通過(guò)樁接頭與基礎(chǔ)樁上端固定，利用龍門(mén)架內(nèi)液壓缸提供垂直鉆壓，利用液壓馬達(dá)通過(guò)動(dòng)力頭傳動(dòng)扭矩。鉆桿系統(tǒng)是連接動(dòng)力頭與鉆具的關(guān)鍵部件，傳遞扭矩和壓力到鉆具處，完成對(duì)巖石層的鉆挖工作。

2 鉆桿類(lèi)型分析及受力模型簡(jiǎn)化

2.1 鉆桿類(lèi)型分析

目前主流鉆桿類(lèi)型分為單層壁鉆桿和雙層壁鉆桿，如圖2、3所示。單層壁鉆桿由厚壁鋼管構(gòu)成泥漿管路，由兩側(cè)橡膠軟管構(gòu)成氣體管路，鉆桿結(jié)構(gòu)緊湊，但氣體管路裸露在外，易受泥漿侵蝕；雙層壁鉆桿由內(nèi)外兩側(cè)薄壁鋼管分別構(gòu)成泥漿管路和氣體管路，這種結(jié)構(gòu)可有效保護(hù)氣體管路不受外部泥漿的侵蝕，但雙層壁鉆桿既需要保證內(nèi)部泥漿排出的通徑，又要將氣體管路包裹進(jìn)去，因此最外層的管徑相應(yīng)需要加大，造成上部法蘭變大，鉆桿重量變大，同時(shí)也使得整機(jī)夾持裝置、動(dòng)力頭等尺寸加大。結(jié)合本機(jī)類(lèi)型及鉆桿的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用單層壁鉆桿為研究對(duì)象，鉆桿材料選用 42CrMo，外徑 380mm，內(nèi)徑310mm，單根鉆桿長(zhǎng)度 3m，最大鉆深情況下共需21根鉆桿，合計(jì)總長(zhǎng)63m。

圖2 單層壁鉆桿Fig.2 Single wall drill pipe

圖3 雙層壁鉆桿Fig.3 Double wall drill pipe

2.2 鉆桿受力模型簡(jiǎn)化

鉆桿主要作用是傳遞軸向壓力和扭矩。樁頂鉆機(jī)實(shí)際工作中的工況主要分為2類(lèi)：正常工作狀態(tài)和卡阻工作狀態(tài)。正常工作狀態(tài)下，鉆桿承受鉆孔所需的正壓力和扭矩；卡阻工作狀態(tài)，鉆頭卡入巖層之中，需要更大的扭矩克服巖層阻力。2種工作狀態(tài)中，受力均包括正壓力F，扭矩M，鉆桿重力G，詳細(xì)數(shù)值見(jiàn)表 1。根據(jù)受力情況，本文將鉆桿的兩端簡(jiǎn)化為下端固定、上端鉸支的壓桿[1]，如圖4。

表1 鉆桿受力及42CrMo許用數(shù)值Tab.1 Drill pipe force and 42 CrMo permitted values

圖4 鉆桿受力模型簡(jiǎn)化Fig.4 Simplification of drill pipe force model

3 鉆桿系統(tǒng)分析

3.1 鉆桿靜力分析

鉆桿靜力分析是在鉆桿承受靜態(tài)正壓力和扭矩情況下的應(yīng)力應(yīng)變分析，保證鉆桿的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.1.1 正常工作狀態(tài)下分析結(jié)果

鉆桿最大應(yīng)力為 206MPa，發(fā)生在鉆桿與接頭連接焊縫處(圖5)，安全系數(shù) 4.5，大于 3，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

鉆桿最大垂直變形量 11.7mm，由圖6可見(jiàn)，垂直變形量由上到下逐漸變小，最大變形發(fā)生在上部與動(dòng)力頭連接部位。

圖5 應(yīng)力分析Fig.5 Stress analysis

圖6 垂直變形 Fig.6 Vertical deformation

圖7 扭轉(zhuǎn)變形Fig.7 Torsional deformation

鉆桿扭轉(zhuǎn)最大變形量 92.3mm，由圖 7可見(jiàn)，扭轉(zhuǎn)變形量由鉆桿最大外徑向中心逐漸變小，最大變形發(fā)生在鉆桿上部最大外徑處，安全系數(shù) 3.5，大于 2，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 卡阻工作狀態(tài)下分析

鉆桿最大應(yīng)力 293MPa，發(fā)生在鉆桿與接頭連接焊縫處如圖8所示，安全系數(shù)3.17，大于3，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

鉆桿最大垂直變形量：11.7mm，由圖 9可見(jiàn)，垂直變形量由上到下逐漸變少，最大變形發(fā)生在上部與動(dòng)力頭連接部位。

鉆桿扭轉(zhuǎn)最大變形量：138.5mm，由圖10可見(jiàn)，扭轉(zhuǎn)變形量由鉆桿最大外徑向中心逐漸變少，最大變形發(fā)生在鉆桿上部最大外徑處，安全系數(shù) 2.34，大于2，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖8 應(yīng)力分析Fig.8 Stress analysis

圖9 垂直變形Fig.9 Vertical deformation

圖10 扭轉(zhuǎn)變形Fig.10 Torsional deformation

3.2 鉆桿模態(tài)分析

鉆機(jī)工作過(guò)程中，鉆桿要承受動(dòng)力頭的扭矩和壓力，同時(shí)鉆桿要以一定的回轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)動(dòng)，這將產(chǎn)生振動(dòng)，鉆桿的橫向振動(dòng)將會(huì)對(duì)鉆機(jī)的鉆孔垂直度產(chǎn)生重大影響[2]，故需通過(guò)鉆桿的模態(tài)分析為避免共振提供理論依據(jù)。經(jīng)研究當(dāng)鉆進(jìn)深度不斷增加時(shí)，其固有頻率不斷減小。這是由于隨著鉆進(jìn)的深入，鉆桿的整體長(zhǎng)度增加，使得鉆桿的整體剛度降低，固有頻率減小，因此轉(zhuǎn)速的變化極易引起鉆桿的共振。

DC-DC技術(shù)是電能變換的重要形式,廣泛應(yīng)用于各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域[1]。在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、不間斷電源、航空航天電源、太陽(yáng)能風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。直流變換電路拓?fù)浔姸?最基本的是Buck和 Boost電路,廣泛應(yīng)用的如反激電路等[2-6]。

DR5800樁頂鉆機(jī)最大回轉(zhuǎn)速度 15r/min，因此激勵(lì)源頻率 f=15/60=0.25，模態(tài)分析結(jié)果如表2所示，一階模態(tài)如圖11所示，可知鉆桿激勵(lì)源頻率遠(yuǎn)離鉆桿各階模態(tài)，故鉆桿無(wú)發(fā)生共振的風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)據(jù)中鉆桿振動(dòng)頻率出現(xiàn)兩兩相近的情況，這主要是因?yàn)樗Ｐ洼S對(duì)稱(chēng)，其在對(duì)稱(chēng)平面出現(xiàn)2種相同振型。

圖11 一階模態(tài)Fig.11 First-order modes

3.3 鉆桿屈曲分析

鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿處于受壓狀態(tài)，限制鉆桿變形的穩(wěn)定器支撐在井壁上，受到摩擦力。鉆桿在較小壓力作用下可以保持穩(wěn)定，但當(dāng)巖層較硬，壓力增大到一定程度時(shí)，鉆桿容易發(fā)生彎曲失穩(wěn)，甚至折斷。由于鉆孔直徑(D=5800mm)與鉆桿直徑(d=380mm)相差很大，在加壓運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，易引起鉆桿失穩(wěn)破壞。為保證鉆桿穩(wěn)定運(yùn)行，需根據(jù)實(shí)際工況增設(shè)穩(wěn)定器，支撐在井壁上。

表2 模態(tài)分析結(jié)果匯總Tab.2 Summary of modal analysis results

利用能量法推導(dǎo)鉆桿在同時(shí)承受壓力、扭矩、重力作用下的臨界壓力方程如下[3]：

式中：F—臨界壓力；E—彈性模量；I—界面慣性矩；l—鉆桿長(zhǎng)度；m—鉆桿質(zhì)量；T—扭矩；G—切邊模量；δ—穩(wěn)定器與樁的間距。

可見(jiàn)隨著鉆深的增加，臨界壓力值呈減少趨勢(shì)。因此有必要在不同鉆深工況下，討論鉆桿穩(wěn)定性問(wèn)題。

利用 Solidworks Simulation的屈曲分析模塊分析不同鉆桿長(zhǎng)度下的臨界載荷如圖12，可知鉆桿長(zhǎng)度約為40m時(shí)，載荷因子小于2，此時(shí)有必要增加穩(wěn)定器，穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)如圖13所示。

下面的分析中，在鉆桿長(zhǎng)度為 30m 時(shí)，增加穩(wěn)定器，分析可知增加穩(wěn)定器后 63m 長(zhǎng)鉆桿屈曲載荷因子為 2.3138，可滿(mǎn)足工作要求，分析結(jié)果如圖14。隨著鉆進(jìn)長(zhǎng)度的增加，在豎直鉆桿上間隔布置穩(wěn)定器，主要有 2個(gè)作用：導(dǎo)向作用，保證鉆具系統(tǒng)在鉆孔過(guò)程中保持一定的方向；增加鉆桿剛度，限制鉆桿變形，從而減小鉆桿失穩(wěn)屈曲變形的可能性。

圖12 鉆桿長(zhǎng)度與載荷因子關(guān)系Fig.12 Relationship between length of drill pipe and load factor

圖13 穩(wěn)定器支撐圖Fig.13 Stabilizer support diagram

圖14 屈曲分析結(jié)果Fig.14 Result of buckling analysis

3.4 鉆桿疲勞分析

大量工程實(shí)踐表明，構(gòu)件在交變應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，即使其最大工作應(yīng)力低于材料的強(qiáng)度極限，甚至低于屈服極限，也常會(huì)在沒(méi)有明顯塑性變形的情況下突然發(fā)生斷裂破壞。由于這種破壞經(jīng)常發(fā)生在構(gòu)件長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后，故稱(chēng)為疲勞破壞。鉆桿系統(tǒng)處于正壓力及扭矩的交變應(yīng)力作用下，工作周期長(zhǎng)，鉆桿易發(fā)生疲勞破壞。

本文采用恒幅載荷下的有限壽命設(shè)計(jì)。額定扭矩為對(duì)稱(chēng)循環(huán)交變應(yīng)力，R=-1，工作時(shí)間占比 80%，50%扭矩工作時(shí)間占比 20%，安全系數(shù) 1.34；正壓力為脈動(dòng)循環(huán)交變應(yīng)力，R=0，安全系數(shù)1.34。疲勞分析結(jié)果表明，由于模型中的交變應(yīng)力始終小于 S-N曲線(xiàn)值的最小值，如圖15所示，鉆桿并無(wú)產(chǎn)生疲勞破壞，分析結(jié)果如圖16所示。

圖15 42CrMo S-N曲線(xiàn)Fig.15 42CrMo S-N curve

圖16 疲勞分析結(jié)果Fig.16 Results of fatigue analysis

4 結(jié)論及展望

文中分析了主流鉆桿的類(lèi)型，總結(jié)不同類(lèi)型鉆桿的優(yōu)缺點(diǎn)。分析鉆桿工況，將鉆桿工況分為正常工作狀態(tài)和卡阻工作狀態(tài)，最后在不同工況下分別進(jìn)行了靜力分析、頻率分析、屈曲分析、疲勞分析，確定鉆桿結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足工況要求。

由于樁頂鉆機(jī)的工況復(fù)雜，本文的分析仍有許多技術(shù)需要進(jìn)一步研究：

①疲勞分析中的 S-N曲線(xiàn)數(shù)值是根據(jù)《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)》中φ120熱軋棒材在99.9%存活率下的缺口式樣數(shù)據(jù)編制，試驗(yàn)棒材與本項(xiàng)目的鉆桿系統(tǒng)有較大差別，因此準(zhǔn)確的 S-N曲線(xiàn)數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)獲得。

②本文的分析未考慮泥漿對(duì)鉆桿的沖刷腐蝕，這是以后需要進(jìn)一步研究的，另外對(duì)于特殊工況的把握尚未掌握充足的理論基礎(chǔ)，例如在塌方特殊情況下，鉆桿如何保證強(qiáng)度穩(wěn)定性問(wèn)題也需要進(jìn)一步研究。