旋挖钻机护筒直径的确定
2007-08-16 23:25:25
近年来旋挖钻机的踪迹几乎已遍布各种规模建筑工地的每一个角落，其发展速度之快出常人所料。无论号称“绿色奥运，人文奥运”的２００８北京奥运主会场馆建设工地，还是祖国西部高寒地区环保要求特殊的青藏铁路施工线，均有旋挖钻机的身影出现。由于该设备集环保、节能、高效、智能控制以及各种不同地质条件的广普适用能力于一身，已成为诸多地面施工工程建设的首选设备。对于成孔较差的流沙地质条件，施工工艺往往采用护筒与作业钻头同步施工，避免旋挖钻机的工作前功尽弃。
对于任何一种旋挖钻机，在一定的地质条件下其最大旋挖孔径、深度参数也是一定的。当使用护筒施工时，旋挖钻杆所克服的阻力来自两个方面：一，钻头所要克服的旋挖阻力矩；二，护筒与附其外表介质的摩擦阻力矩，而这种摩擦阻力矩随着旋挖深度的增加，护简单位长度的阻力矩呈线性关系上升。此时所能旋挖的孔径，比标定的尺寸（最大直径）要小得多。就旋挖钻机所输出的扭矩与护筒直径、旋挖深度间的关系国内还未见介绍，护筒的释放也有多种不同的方法，本文就护筒、钻头同步释放（护筒向流沙层下延伸）相关参数之间的关系，作一些阐述。
旋挖钻机护简与流沙层之间单位长度的摩擦阻力矩，随着旋挖深度的增加而增加。因为流沙层对护筒外壁的压力是旋挖深度ｈ的函数，作业过程中某一位置单位长度的摩擦阻力，等于护筒外表面正压力与摩擦系数的乘积。设旋挖护筒外径为Ｄ，流沙层容重为ｐ（约２ｇ／ｍｍ），摩擦系数为ξ（湿０．３２，一般０．３９），如果取旋挖作业深度ｈ处ｄｈ长度为研究对象，则受压面积等于ｄｈ×Ｄ×π，此处流沙层的压力应为ｈ×ｐ，所以摩擦力为ｄｈ、Ｄ、π、ｈ、ｐ、ξ之间的乘积，ｄｈ高度的摩擦阻力矩ｍ＝ｄｈ×Ｄ×π×ｈ×ｐ×ξ×Ｄ／２。旋挖深度为ｈ时，其摩擦阻力矩为（０到ｈ范围的积分）Ｍ＝∫ｍｎｄｎ＝Ｄ×ｈ×π×ｐ×ξ／４。
如果把施工过程中钻头旋挖的阻力矩设为Ｍｚ，忽略机械效率的影响，旋挖钻机动力头输出扭矩＝Ｍ＋Ｍ。因为使用护筒作业且到达一定深度时，动力头的主要阻力来自护筒与流沙层之间的摩擦阻力矩，而钻头旋挖的阻力矩相对已显得很小，计算护筒极限作业深度时，甚至可以将其忽略不计。
假设旋挖钻机动力头输出的扭矩为Ｍ，在护筒直径Ｄ一定的条件下，最大钻深ｈ＝２?（Ｍ－Ｍｚ）／（Ｄ×π×ｐ×ξ）?（取其正值）。同样，在己知护筒作业长度ｈ参数的情况下，可求得护筒可达到的极限作业直径Ｄ＝２?（Ｍ－Ｍｚ）／（ｈ×π×ｐ×ξ）?。如果护筒为多节伸缩式结构，仍然可以使用相同的方法，采取分段积分累加，利用∑Ｍｉ＝０的条件约束，同样可以确定相关参数。
原作者： 徐工研究院 吴兆成 张忠海 陈 慧 温建波 陶仕甫
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