超大型旋挖钻机钻斗提升运动分析

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1、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（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，北京102200）摘要：运用流体力学工具，分析旋挖钻机成孔取土时，钻斗在充满泥浆的已成孔内提升时的运动情况，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；成孔能力；运动分析；同心圆环缝隙流；绕流随着我国铁路、公路桥梁等大批交通基础设施的高速发展,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

2、断地提高。建设中的宁安铁路安庆长江大桥3#、4#主墩各采用37根3.4m/3m变径桩基础，桩长108~110m,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发展趋势，在成功研发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决定成孔能力的关键因素。要设计一套好的机构，必须首先弄清它的工况，要设计超大型旋挖钻机就必须研究影响钻斗提升运动的因素。一、旋挖钻机成桩取土工艺及孔

3、内泥浆运动分析旋挖钻机成桩取土步骤:操作手操作钻机使钻斗对正桩位，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，钻斗继续下降，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，可采用泥浆护壁（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。由于孔中充满泥

4、浆，若要提升钻斗，钻斗必须排开泥浆才能移动，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。若泥浆随钻斗上升，钻斗提升力必须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，经过简单计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可能的，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。-7-一、钻斗在孔内运动分析和卷扬提升力计算若钻斗平稳上升

5、时，受力状态如图2所示，有：(1)式中_____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：(2)式中____钻斗质量，kg；____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，为分析方便，此处认为钻杆也完全浸入泥浆中，那么有：（3）式

6、中____泥浆密度，kg/m3；____钢材密度，kg/m3；____钻斗里的土密度，kg/m3。泥浆阻力是钻斗上下泥浆压差对钻斗的压力，有:(4)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：-7-(5)设为当量重力，令，那么：（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：（7）式中____钻斗推动的泥浆流量,m3/s；____泥浆通过

7、缝隙的流量,m3/s。设钻斗提升速度为，那么钻斗推动的泥浆流量有：（8）钻斗的运动方向与压差的方向相反，根据有相对运动的同心圆环缝隙流量公式，有：（9）式中___钻斗的外侧与孔壁的间隙，m；___泥浆的动力粘度，Pa·s，一般Pa·s；_____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：（12）式中_____发动机飞轮功率，kW；-7-_____传动总效率，一般为0.75。将（1

8、2）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充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