TR400旋挖钻机钻杆结构设计与有限元分析含2张CAD图
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TR400旋挖钻机钻杆结构设计与有限元分析含2张CAD图,TR400,钻机,钻杆,结构设计,有限元分析,CAD
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TR400旋挖钻机钻杆结构设计与有限元分析 Structure design and finite element摘 要旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械。该设备的特点是成孔效果好、工作效率高、适应桩径范围广、桩位定位准确、移动灵活方便且环境友好，广泛应用于城市基础建设及其它大型施工现场，在我国的建筑、交通、水利、工业等相关方面起着举足轻重的作用。钻杆是旋挖钻机工作过程中动力输出的工具，钻杆在工作过程中往往要承受较大的扭矩和加压力，由于钻杆又细又长所以容易引起钻杆发生故障，这都使得钻杆在施工作业中受力的情况变得较为复杂，增大了钻杆发生故障的风险。总结施工中所发生的故障情况，找出钻杆组成的薄弱环节(也就是应力集中的主要区域)，对钻杆的故障进行合理分析变得尤为重要。通过本次研究，首先对机锁式钻杆的主要构造和工作原理有了较为清晰的认识，在旋挖钻机的工作中对机锁式钻杆的受力，以及实际钻孔中出现的典型的故障进行了分析。利用绘图软件Pro/E对旋挖钻机机锁式钻杆进行三维建模，依据机锁式钻杆的工作过程，采用有限元分析软件对旋挖钻机机锁式钻杆进行了受力分析，找出其应力比较集中的主要区域。关键词：旋挖钻机，机锁式钻杆，应力集中，有限元分析ABSTRACTSpinrotary rig is a construction machinery suitable for hole work in construction foundation engineering. The equipment is characterized by good pore forming effect, high working efficiency, wide range of pile diameter, accurate pile location, flexible and environmentally friendly movement. It is widely used in urban infrastructure construction and other large construction sites, and plays an important role in construction, transportation, water conservancy and industry in China.The drill rod is a power output tool in the working process of the rotary excavator. Often the drill rod bears greater torque and pressure. Because the drill rod is thin and long, it is easy to cause the drill rod failure, which makes the stress of the drill rod in the construction operation more complicated and increases the risk of the drill rod failure. It is particularly important to summarize the fault situation in the construction, and find out the weak links (i. e. the main area of stress concentration) (and to reasonably analyze the fault of the drill rod).Through this study, the main structure and working principle of the locking drilling rod are clearly understood, and the stress of them are analyzed. The drawing software Pro/E models the locked drilling rod of the rotary drill, using finite element analysis software to find out the main areas with concentrated stress.Key words：rotary drilling rig；mechanical lock type drill pipe；stress concentration；finite element analysis目 录1绪论11.1旋挖钻机简介11.1.1旋挖钻机的典型结构及技术特点11.1.2旋挖钻机的结构及工作原理31.1.3旋挖钻机的施工流程41.1.4旋挖钻机在国外的发展51.1.5旋挖钻机在国内的发展现状71.2本课题的研究方法71.3课题的研究内容、意义81.3.1课题研究的内容81.3.2课题研究的意义82旋挖钻机钻杆的结构及工作原理102.1旋挖钻机钻杆的分类102.2旋挖钻机机锁式钻杆的结构及工作原理132.3本章小结163旋挖钻机钻杆的受力及故障分析173.1机锁式钻杆受力分析173.2机锁式钻杆的典型故障形式193.3故障的分析方法223.3.1传统故障分析方法223.3.2有限元故障分析263.3.3两套分析方法的对比结果273.4本章小结284旋挖钻机机锁式钻杆的有限元分析294.1机锁式钻杆有限元分析流程294.2机锁式钻杆的有限元分析314.3本章小结38结论40参考文献41致 谢42IV 1绪论1.1旋挖钻机简介旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械。该设备的特点是成孔效果好、工作效率高、适应桩径范围广、桩位定位准确、移动灵活方便且环境友好，广泛应用于城市基础建设及其它大型施工现场，在我国的建筑、交通、水利、工业等领域发挥着重要作用。1.1.1旋挖钻机的典型结构及技术特点(1) 旋挖钻机的底盘旋转钻机中常用的底盘包括起重机、液压挖掘机、专用、汽车、步履式底盘五种。专用履带底盘结构十分紧凑，运输相对最为方便，适用范围非常广泛，而缺点在于造价太高；起重机履带底盘通常与自带工作装置结合使用，可同时实现起重机和旋挖钻机的功能。行走底盘一般采用三点支撑结构，稳定性好，成本低，但运输不方便；汽车底盘通常以重型卡车底盘为基础，并通过安装支腿和横梁，对其进行加固。(2) 钻杆和钻具钻杆和钻具对旋挖钻机来说是其主要的作业部件。根据工作原理，钻杆可分为摩阻式钻杆、机锁式钻杆和混合式钻杆三种。摩阻式钻杆适合在比较松软的岩土中作业，机锁式钻杆适用于比较坚硬的岩层中工作，组合式钻杆适用于上面比较松软下面比较坚硬的地层中工作。钻具的种类比较多，常见的有螺旋钻头、液压抓斗、筒式取芯钻头、扩底钻头、捞沙钻斗、冲击钻头和冲抓锥钻头等。(3) 动力机构。旋挖钻机可以实现低速钻进和高速反转甩土，包括电机和马达两种驱动方式(4) 电子控制技术电控系统是旋挖钻机的内核部分，由控制器、传感器、显示器、限位开关和开关电源等零部件组成，这些电子元器件的组合能够极大地提升设备的自动控制功能和自动监测系统，从而提高了旋挖钻机的效率与性能。传感器旋挖钻机电控系统工作过程中，需要对诸多指标进行实时监测，例如压力、温度、液位及桅杆倾斜程度，通过设置不同类型的传感器对上述参数进行捕捉并将信号返回控制器。下面分别进行简要介绍。1) 压力传感器：主要用于测量一些设备中液压油的压力，包括的部件有主辅泵、动力头和加压液压缸等。压力传感器可以把压力转换为电信号，也可以将电信号转换为压力，并传输至控制器，进而计算得到施工过程中的钻进压力和扭矩等数值。2) 温度传感器：测量施工作业中各油缸中的温度。在设备工作过程中，油温超过规定的80就会影响液压油的物理性能，黏度减小将使得控制过程变得困难。当液压油的温度超过一定限度，温度传感器会立即产生报警信号并传递到可编程控制器，进而采取相应措施。3) 液位传感器：测量油箱中的剩余的油量，油量直接反映在油位高度上。油位的高度一旦超过某一安全阀值，液位传感器即刻发送信号，信号通过控制器处理进而命令蜂鸣器报警。4) 倾角传感器：主要用于监测作业过程中桅杆倾斜程度，通常规定允许桅杆倾斜的最大限度。施工过程中一旦倾角超过该临界值，传感器即刻发送信号至处理器。在旋挖钻机立桅和倒桅过程中，倾角传感器的作用至关重要。1.1.2旋挖钻机的结构及工作原理图1-1 旋挖钻机结构示意图旋挖钻机属于高新技术机械设备，工作装置具体包括主、副绞车、井架、钻杆、钻具、可调立式升降缸、动力头系统等；采用了平行四边形变幅机构、自行起落折叠式桅杆。旋挖钻机支撑的短螺旋钻头、普通钻头、砂钻头、岩芯可钻进粘土层、砾石层、卵岩层、中风化泥岩等不同地质条件。首先，用钻杆引导下部钻杆到达钻孔位置，可快速到达桩位置。动力头把扭矩和加压力传递给钻杆，然后钻杆在将其传递给钻头，钻头在扭矩和加压力的作用下转动向下进入岩土层，当钻头装满岩土后钻机提升装置将其提出孔外卸掉岩土，直到钻孔达到设计的深度。1.1.3旋挖钻机的施工流程当旋挖钻机施工过程中，利用桅杆和旋挖钻机的变幅机构来调节钻杆的角度，保证钻头垂直进入岩土层施工 黎中银，焦生杰，吴方晓.旋挖钻机与施工技术M.人民交通出版社，2010。动力头和加压设备为钻杆提扭转力矩和加压力，钻杆在将其传递给了钻头。钻头旋转直接进入岩土层，使得岩土被迫进入钻头内部，然后经过主卷扬提升装置把钻头拉出桩孔清除土石。循环该过程，直到钻孔深度达到要求。图1-2 旋挖钻机的施工流程图1-2所示旋挖钻机的工作流程如下:使用运输设备把旋挖钻机运抵施工场所。和施工方了解施工的具体要求和现场的具体情况(包括钻孔直径的大小、钻孔的高度、地质条件等)。根据条件选择合适的钻杆型号，匹配相应的转速、扭矩和加压力等主要参数。调整好钻孔的角度，确保钻杆竖直向下，同时将钻头位置放到需要钻孔位的正中间。旋挖钻机的扭转力矩和加压力经过动力头传送到了钻杆，然后钻杆在将扭转力矩和加压力(包括钻杆的自重)传递到钻头，实现了钻头的工作。旋挖钻机在旋转向下转孔的过程中，钻杆带动钻头旋转将土石装入钻头内部。接着,钻头通过提升装置提出孔外，清理掉钻头内部的岩土。重复这个过程，一直到孔的深度达到设计要求。注意:在比较坚硬的岩土层工作时，一般使用干式钻进或注加水钻进方法。在比较松软的岩土层工作时，通常采用泥浆进行孔壁的维护，有助于施工的正常进行。1.1.4旋挖钻机在国外的发展图1-3 国际知名旋挖钻机品牌1940年，美国初次研发出了短螺旋和回转斗钻机，为后来旋挖钻机的发展奠定了基础。到了1950年后，法国研发出了全套管道钻机，并快速应用在了桩基工程，取得了成功。随后的几十年里，欧美国家在此基础上不断发展创新，逐步演变成今天的旋挖钻机。十九世纪六十年代初期，德国的两家公司同时研究并制造出了可动式动力头，对硬质土层作业具有很好的适用性。十九世纪七十年代初期，德国的旋挖钻机公司成功研究并制造出了BG7型钻机。该钻机安装了可伸缩式钻杆，并且由底盘来直输出动力，还装备了可锁式钻杆进而可以在钻孔过程中施加一定的压力，适用于致密岩层的施工作业。1984年，意大利迈特公司成功研制出现代化的旋挖钻机，此后欧洲各工业发达国家纷纷开始研发旋挖钻机。目前，国外旋挖钻机的生产厂家主要包括SailMee、MAIT、CMV、CASAGRANDE、IMT、ENTEGO等，芬兰的JUNTTAN、TAMRoCK等，美国的CALWELD、APE、Ingersoll-Rand等，西班牙的LLAMADA和英国的BSP。日本在1960年从美国引进了旋挖钻机，与此同时还加大力度自主研发技术。在很短时间内，加藤公司推出H系列钻机。1980年前后，日立与Soilmec公司合作开发了新款产品。在随后的几年里，德国公司与日本建立合作关系，从而促进了旋挖钻机技术在日本的进步与发展。截止现在，日本的旋挖钻机主要品牌有：日立、住友、加藤等。图1-3是部分国际知名旋挖钻机产品。21世纪以来，国外旋挖钻机逐步向智能化、模块化发展，机电液系统高度融合、操作便利、性能卓越、移动灵活，大大提高了施工作业的效率。国外钻机的发展可总结为以下几个方面：1 功能模块化。采用模块化功能设计思路，通过选配不同的零部件进而实现不同的功能，既能够进行常规的钻孔作业，又能完成桩基相关的安放套管、下方钢筋笼等工作，实现一套设备完成多项任务的功能。2 机电一体化。通过电液比例伺服控制机器的整体工作，利用电子系统精准控制柴油发动机其它辅助机械设备的运行。3 控制智能化。能够实时监测钻孔深度及相关技术指标，除具有显示和记录实时状况的功能外，还能够打印成桩的外形。可以对钻桅的垂直度进行自动监测，并给出相应的操作提示。4 采用专用底盘。钻具调垂部分依靠专用底盘来承载，使得驾驶仓内尽可能与地面保持水平，从而降低技术人员的操纵难度。综上所述，多种现代化控制技术的引入，使得液压系统与电子控制的耦合程度更高，因而旋挖钻机在工作效率、作业精度、节约能耗、人机工程和设备信息化等方面取得了长足的进步。此外，电子元件向着小型化、微型化发展，相继出现了带集成放大器的比例元件，为控制大功率工程降能耗提供了一定的技术支撑。1.1.5旋挖钻机在国内的发展现状图1-4 国内部分旋挖钻机我国在改革开放后开始引进国外旋挖钻机成品进行仿制和研究。相比于欧美国家和日本，我国的旋挖钻机技术起步较晚，然而经过三十多年的努力目前已全面接近世界领先水平，在某些领域已达到顶尖水平。在1980年初，我国从日本引进旋挖钻机的工作装置，并安装在KH-125型履带起重机上工作。进入新世纪后的20年中，我国的旋挖钻机行业涌现出一大批行业优秀企业。目前旋挖钻机国内品牌主要有泰信、三一、徐工、山河智能、恒天九五、中车、中联、宇通、金泰、德国宝峨等。目前，国内的旋挖钻机制造水平已基本接近国际领先，三一、中车、徐工等一大批企业在国际上仍具有一定的竞争力。但整体来看，大多数企业仍需要从国外进口一些关键零部件设备，且自主研发涉及的能力相对较弱，产品的可靠性、耐用性仍存在不足，亟需进一步发展。在市场竞争压力的作用下，国内部分产品也开始逐步采用现代控制理论，对传统的控制技术进行升级优化。部分公司产品如图1-4所示。1.2本课题的研究方法本课题研究分析的对象是TR400型旋挖钻机的机锁式钻杆，该钻杆结构较为复杂，其上的受力点也很多。前几年在钻杆设计时，没有理论依据，所以不进行载荷效验和受力分析。机锁式钻杆在设计时静强度计算是必不可少的重要环节，能验证钻杆能否正常工作。Pro/E是当前应用最多、功能比较全的受力分析软件。有限元分析在研究应力应变和钻杆位移时，有其独特的优势。Pro/E能够绘制出钻杆的真实模型，为施加扭矩和加压力奠定了基础。机锁式钻杆结构比较复杂，Pro/E软件分析精度比较高，运算速度也比较快。1.3课题的研究内容、意义1.3.1课题研究的内容本课题是在分析旋挖钻机发展背景和国内外发展状况的背景下，以中车TR400型旋挖钻机为分析对象进行有限元的分析，主要研究内容有:(1) 分析工作的过程，确定典型施工状况，制定研究的方案通过研究分析中车TR400型旋挖钻机机锁式钻杆的组成构造和施工过程，基本了解该型号旋挖钻机传递动力方式和施工步骤，制定出典型的工况并进行分析。(2) 参数化建立机锁式钻杆有限元模型运用三维建模软件Pro/E建立旋挖钻机机锁式钻杆的有限元模型。为了减小模型建立的难度，对不影响整体受力的结构可进行适当的简化。(3) 机锁式钻杆的有限元分析运用Pro/E强大的有限元分析功能，对之前建立的机锁式钻杆部分三维模型进行各种典型工作状况的模拟计算，在之后的处理过程中获得相对应的位移云图和应力结果云图，根据模拟的结果分析各主要结构的受力情况和变化的趋势。1.3.2课题研究的意义本课题是利用有限元分析软件Pro/E对旋挖钻机机锁式钻杆各个部分进行受力情况的强度分析。可以大大减小设计的时间，并且节约了成本。通过分析结构的不足之处才能够更好的优化与改进，使生产的钻杆更加标准化。机锁式钻杆是比较常见的一种旋挖钻机钻杆，在施工中应用比较普遍 黎中银,夏柏如,邵良清等.旋挖钻机施工工法通用规程J.建筑机械月刊，2007(11):82-88。然而在施工作业过程中也很容易发生故障，对机锁式钻杆的分析因此也变得尤为重要。在此之前，就有人对机锁式钻杆做过了一些研究、分析与优化。在此基础上，本课题对旋挖钻杆做出了更加系统的分析与研究。本课题运用计算机三维建模软件对旋挖钻机机锁式钻杆进行模型的建立，根据钻机的施工特点，本文采用有限元分析软件Pro/E对旋挖钻机机锁式钻杆进行了受力分析，找出其应力比较集中的主要区域来进行研究。2旋挖钻机钻杆的结构及工作原理从旋挖钻机的施工过程可以知道:钻杆主要是用来传递扭矩和加压力的，在整个工作流程中，具有最重要作用，所以有必要对旋挖钻杆的结构及工作方式进行分析。旋挖钻机的工作环境复杂，既有硬度很小的软土层，也有硬度很大的岩石层，在不同的工作环境中要选择不同的钻杆。钻杆的种类有很多，我们要根据工作方式和工作环境来匹配。以下就是钻杆的分类以及其工作原理。2.1旋挖钻机钻杆的分类旋挖钻机钻杆的类别相对来说较多，根据不同的施工环境和要求选择不同型号的钻杆。当前，比较常见的钻杆有:摩阻式、机锁式和组合式钻杆三种 陈胜全,胡志海.SM85型深层搅拌伸缩钻头的研制J.探矿工程:岩土钻掘工程，2011(7):12-15。这三种钻杆以它们在施工过程中的加压方式不同来进行分类。以下分别展开介绍这三种钻杆的组成结构和工作原理。下图21就是摩阻式钻杆，其是指在旋挖钻机钻进工作时，每个杆之间通过摩擦力来传递压力的钻杆。摩阻式钻杆具有钻孔深度大、操作方便等优点，在比较松软的岩土层中运用广泛。摩阻式钻杆一般情况下设计制造成五节杆，前四节钻杆每节钢管长约13米，所有其钻孔的深度可以达到60米左右。1扁头；2一杆挡环；3第一节钻杆；4第二节钻杆；5第三节钻杆；6第四节钻杆；7第五节钻杆；8减振器总成；9一杆外键；10一杆内键；11弹簧座（托盘）；12钻杆弹簧；13方头；14销轴图2-1 摩阻式钻杆机锁式钻杆（见图2-2,2-3）是指旋挖钻机在钻进工作时，每根杆之间通过加压台来传递扭矩和加压力。机锁式钻杆有两种，分别为固定点分段加压式和多点连续加压式，其较难操作，钻孔的深度也不深，但是机锁式钻杆可以经过加压台传输很大的加压力，不止适用于比较松软的岩土层，还适用于比较坚硬的岩石层。机锁式钻杆一般情况下设计制造成四节杆，前三节钻杆每节钢管长约13米，钻孔的最大深度可以达到50米左右。1扁头；2一杆挡环；3第一节钻杆；4第二节钻杆；5第三节钻杆；6第四节钻杆；7减振器总成；8一杆外键；9一杆内键；10弹簧座（托盘）；11钻杆弹簧；12方头；13销轴图2-2 固定点分段加压式机锁式钻杆 1扁头；2一杆挡环；3第一节钻杆；4第二节钻杆；5第三节钻杆；6第四节钻杆；7减振器总成；8一杆外键；9一杆内键；10弹簧座（托盘）；11钻杆弹簧；12方头；13销轴图2-3 多点连续加压式机锁式钻杆下图2-4是组合式钻杆，它是最近几年才研发出的一种钻杆，其是由机锁式钻杆杆（如前三节杆）和摩擦式钻杆（后两节杆）组成的一种新型钻杆。由摩擦力和加压台共同加压，该种钻杆适用于上层比较坚硬下层比较松软且孔深度比较大的地质条件下工作。钻孔深度可达60米左右。1扁头；2一杆挡环；3减振器总成；4第一节钻杆（机锁）；5一杆外键；6第二节钻杆（机锁）；7二杆外键；8第三节钻杆（机锁）；9三杆外键；10第四节钻杆（摩擦）；11四杆外键；12五杆外键；13第五节钻杆（摩擦）；14弹簧座（托盘）；15钻杆弹簧；16方头；17销轴图2-4 组合式钻杆表2-1 三种钻杆的优缺点钻杆分类优点缺点摩阻式钻杆1.钻进深度大；2.提钻、下钻速度快；3.操作简单；4.带杆事故率低。1.无负载时易发生打滑现象；2.不适合较硬地层；3.加压力小。机锁式钻杆1.适应地层范围广；2.有加压台提供钻压。1.钻进深度浅（一般比摩阻式钻杆少一节）；2.提升性差；3.抗耐磨性差；4.操作复杂；组合式钻杆1.可钻进上部硬地层；2.钻进深度大。1.操作难度大；2.场地应用受限。2.2旋挖钻机机锁式钻杆的结构及工作原理本课题的研究对象是旋挖钻机机锁式钻杆，其自身的工作原理所决定，机锁式钻杆结构相较于摩擦杆结构要复杂许多，机锁式钻杆的结构核心就在于杆与杆之间连接处，此处结构负责向下传递动力头传输的扭矩，同时又负责向下传递下压力，机锁式钻杆的工作原理也体现在此处 陈智.旋挖钻机机锁式钻杆的有限元分析.沈阳理工大学.2011,(01)。本课题将机锁式钻杆的结构提出来作为介绍的重点，主要是此处的结构和工作原理 孙恒，陈作模.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社，2005。图2-5 机锁式钻杆未工作状态如上图2-5是机锁式钻杆在未工作状态时的示意图。机锁式钻杆分别有三组外键和三组内键，均匀焊接在第二节钻杆钢管外圆和第一节钻杆钢管内圆上。为了能够使机锁式钻杆施工灵活，内外键制造成一边有空隙的结构。每节钻杆的两个短外键之间能够形成加压槽，以供动力头内键套键齿和各杆下管内键转入其中，对内杆传递转矩和加压。短外键上端面称为加压点。一般分段加压式机锁钻杆除一杆有3个加压点和加压槽外，其余各杆都有4个加压点和加压槽。机锁式钻杆不工作时，动力头内键板未与一杆外键接触，一杆外键处于自由状态。此时一杆内键与二杆外键未接触，没有下压力和扭矩的传递 陈智.旋挖钻机机锁式钻杆的有限元分析.沈阳理工大学.2011,(01)，一杆的内键板与二杆的加压台和外键也没有接触。二杆加压台处于一杆主键中间的键槽内，其他各杆情况一样。图2-6 机锁式钻杆加载工作状态图2-6为机锁式钻杆加载工作下的示意图，与此同时，旋挖钻机动力头把扭矩和加压力经过动力头的内键板传输给一杆的外键，一杆的外键开始转动，从而带动一杆旋转。一杆的内键板通过旋转将扭矩F周传输给了二杆的外键板，推动二杆开始旋转。依次类推，最后将扭矩传递给最内层杆(一般称为芯杆)，由芯杆将扭矩传递给钻头，实现钻头的旋转 徐信芯,焦生杰,成建联等. 旋挖钻机钻桅结构有限元分析与试验研究J. 广西大学学报(自然科学版), 2013, 38(2): 270-277。此时，动力头的内键板还向下传递加压力，将加压力传递给一杆的加压台，一杆便有了向下的压力。一杆的内键板将加压力F压传递给二杆加压台。以此类推，最后将加压力传递给芯杆，由芯杆将加压力传递给钻头，实现钻头加压。图2-7 机锁式钻杆解锁状态图2-7是机锁式钻杆解锁状态示意图。当动力头反转，钻杆一杆内键脱离二杆外键，另一侧与二杆外键接触，进而推动二杆随之反转，二杆反转，其内键脱离三杆外键，另一侧与三杆外键接触，三杆反转，其余各杆同上。加压力的的传递路线是:动力头内健套键齿下端面作用在一杆外键加压点上，将加压力传给一杆到一杆下管内键下端面作用在二杆外键加压点上，将加压力传给二杆到二杆下管内键下端面作用在三杆外键加压点上,将加压力传给三杆到三杆下管内键下端面作用在四杆外键加压点上,将加压力传给四杆到四杆再通过其方头传压面传给钻具，保证钻进加压力的需要。由此可知，机锁式钻杆在加压力传递过程中损耗已经降至了最低，是最高效率的传递 陈智.旋挖钻机机锁式钻杆的有限元分析.沈阳理工大学.2011,(01)。通过机锁式钻杆的工作原理可以知道，在传输扭矩与加压力的过程中，最重要的部件是动力头和各杆的加压台、钢管和内、外键板，而内外键板、加压台都是焊接在钻杆钢管上的。为了能更好的与钢管接触，内键板、外键、加压台都采用了圆弧板设计，并且留有焊接倒角，与钢管表面形成V型焊接，这有利于增加它们在钢管表面的附着力 刘德昌.旋挖钻机机锁式钻杆受力分析与优化.中北大学.2016,（08）:72。在施工过程中，由于加压力较为大，经过连续不断的冲击，接触表面就会会产生疲劳，当疲劳达到一定的量后，就会产生故障。焊接的角度和焊接点、内外键尺寸、材料等都会对钻杆使用寿命产生影响。如下图2-8所示是机锁式钻杆加压台，它是钻杆用来承受压力的主要构件，焊接在钻杆钢管的外表面。动力头内键板传递压力给加压台，再由加压台传递给钢管完成压力的传递。图2-8 机锁式钻杆加压台图2-9所示的机锁式钻杆内键板是钻杆传递加压力和扭矩的主要构件，焊接在钢管下端（一般称为“一米管”，也称“下管”）的内表面，钢管将扭矩和加压力传递给内键板，内键板的底面与里层钻杆的加压台相接触，将压力传递给加压台。内键板的侧面与里层钻杆的外键相接触，并将扭转传递给外键。图2-9 机锁式钻杆内键板2.3本章小结(1) 详细讲述了旋挖钻机的施工环境与特点。旋挖钻机通常所使用的钻杆类别比较多，常见的钻杆有三种，分别是摩阻式、机锁式和混合式钻杆。(2) 展开介绍了三种钻杆的组成结构、工作环境、工作原理和加压方式。重点讲述了旋挖钻机机锁式钻杆的加压方式及工作原理，机锁式钻杆是本文的主要研究对象。3旋挖钻机钻杆的受力及故障分析3.1机锁式钻杆受力分析正确的受力分析是运用有限元对钻杆进行分析研究的基础，了解钻杆内部的结构特点与钻杆工作和未工作时的受力情况，尽可能的真实准确的建模与仿真。考虑钻杆实际钻进过程，钻杆的受力包括钻杆与钻头、钻头与岩土之间的相互作用，需要从横向、纵向以及扭转三方面进行钻杆受力分析。这些受力引起了钻杆的基本振动形式，如图3-1所示 贾晓龙.某型旋挖钻机钻杆振动及其控制仿真研究.长安大学.2017，（03）。图3-1 钻杆的三种基本振动形式(1) 纵向受力在旋挖钻机施工作业中，分析钻杆竖直向下方向上的受力，主要有钻杆的自重、岩土对钻杆的反作用和钻压力三个力，在钻杆进行钻孔过程中，这三个力将始终保持平衡。由牛顿第二定律有：Fz（t）=P(t)+Mg+MZ（t） （3-1）式中：M为钻杆质量Z”(t)为钻杆Z轴轴向冲击加速度 P(t)为动力头输出的钻压 Fz(t)为钻杆任意时刻所受岩土的纵向反力 (2) 横向受力钻杆在施工作业中，除了受到沿着钻杆竖直的纵向力之外，还受到与钻杆垂直的横向力，其与钻头结构、钻进参数、岩土性质、钻杆的力学性能和钻杆的结构密切有关。对钻杆的横向受力进行分析简化，力主要来自于岩土的作用与钻头上的所有截齿，其力在横向可以分解为两个，分别为Fx(t)、Fy(t)。Fx（t）=ijkFijk（t）cos+ijkt（3-2）Fy（t）=ijkFijk（t）sin+ijkt（3-3）式中：Fx(t)为钻头横向受力沿X轴方向的分力Fy(t)为钻头横向受力沿Y轴方向的分力 Fijk(t)为t时刻第i牙轮，第j齿圈上第k颗触底截齿的受力 ijk(t)为触底截齿的布置角度 (3) 扭转受力扭转受力就是钻杆在施工钻进作业的过程中，钻杆的上下两端受到作用在其两端轴线垂直平面内的两个大小相等、转向相反的力偶。在施工钻进作业的过程中，整个钻杆所受到的转矩主要来自于岩土层对钻头的横向分力所形成的作用力矩和动力头输出的扭矩所构成的力偶作用。由力矩平衡有：M（t）=Fx（t）Lx+Fy（t）Ly （3-4）式中：M(t)为动力头输出的扭矩Lx、Ly为力臂，及钻头的质心分别到X轴、Y轴的距离 3.2机锁式钻杆的典型故障形式机锁式钻杆一般是由直径大小不相等的钢管、主键、加压台和焊接在其上的内外键板组合而成，每根钻杆的外键在钻杆外圆上都不是整体的，而是分成三个外键板，分布有多个加压点，并焊接有内键，这些结构特点使机锁式钻杆可以传递更大的轴向加压力，可以在不同的地质条件下完成钻孔工作。通常，旋挖钻机在工地施工作业的时候，环境都比较恶劣、复杂，需要钻孔的地层变化多样，当孔比较深的时候有可能钻到岩石层。旋挖钻机在实际工程钻进过程中要对岩层进行破碎，需要钻杆传递大扭矩、大加压力来完成，所以通常钻杆在钻进过程中要承受大扭矩和大钻压，另外，钻杆本身属于细长杆结构，在钻进过程中容易引起压杆失稳等问题，这都使得钻杆的受力情况变得更为复杂，增加了钻杆破坏的可能 陈智.旋挖钻机机锁式钻杆的有限元分析.沈阳理工大学.2011,(01)。机锁式钻杆的典型故障举例如下（图2-11）。图3-2 钻杆的五大典型故障(1) 加压台塌陷：相互组合的两节钻杆由加压台传递压力，在钻进比较坚硬的地层时，加压台所承受的压力比较大，连续长时间的施工作业就会使得加压台变形、奔溃等一系列故障，甚至会造成加压台塌陷。在机锁式钻杆的施工过程中，加压台塌陷是比较常见的故障（图3-3）。(2) a) 损坏前的加压台 b) 损坏后的加压台图3-3 机锁式钻杆加压台塌陷(3) 管体扭转变形：旋挖钻机在施工作业中，长时间受到大扭矩和大压力作用，会使得钻杆的管体变形由弹性变形逐渐转变成塑性变形。当钻杆的钢管发生塑性变形时，会使得钻杆无法正常伸缩，加剧钻杆的失效甚至于直接导致钻杆的废弃(图3-4）。a) 钢管变形前 b) 钢管变形后图3-4 钻杆管体扭曲变形(4) 滚键：旋挖钻机在工作时，如果钻杆某外键键条由于受大扭矩而出现变形，变形后的键条在与钢管配合时会出现较大间隙，当间隙能窜出内键板时，它与内键板的配合将失效，使键条错位并“卡死”在钢管内（图3-5），加剧主体钢管的变形失效。a) 正常配合的钻杆 b) 键条错位的钻杆图3-5 钻杆键条错位前后对比(5) 钻杆横向断裂：钻杆在长时间的工作以后不可避免地会产生塑性变形，这就会使钻杆自身的疲劳强度减小。其次，在工作，钻杆往往浸泡在泥浆中，表面也会被腐蚀氧化，进一步降低钻杆的强度。当动力头的巨大载荷施加在失效的钢管区域时，会产生巨大的冲击力、剪切力，把钻杆横向“扭断” 李巨龙,杨伟峰,于宗仁.岩土钻掘工程学M.北京：中国矿业大学出版社，1984。a) 正常的钻杆 b) 钻杆横向开裂图3-6 钻杆横向断裂前后对比(6) 下管撕裂：机锁式钻杆施工作业的过程中，钻杆的下管处处往往会发生撕裂、裂纹、开焊等故障（图3-7）。这是因为机锁式钻杆传递扭矩和加压力的关键构件是其下端焊有的内键板，因为内键板焊接接头比较多，因焊接而产生的变形和焊接应力就比较集中，横向的剪切力也较大，容易产生变形，导致较高的故障率。a) 正常的钻杆 b) 钻杆下管撕裂图3-7 钻杆下管撕裂前后对比产生故障的原因有很多，例如钻杆自身的结构设计不合理的问题，以及施工人员不合理操作等情况。下管处和加压台是故障的高发处，一方面原因是在恶劣的环境下长时间工作，动力头加压力和钻杆自重超过了加压台的承受能力，使加压台疲劳崩溃，或者是由于转杆经常突然加压，造成砸杆形成，另一方面是由于大钻压、大扭矩所致高度的受力集中儿形成下管撕裂，故障频繁。钢管变形、断裂，键条错位等也都是由于应力应变引起的。如何从理论上分析并解决这些故障，为后文的有限元分析奠定了基础 翁炜,黄玉文,胡继良,史新慧.旋挖钻机钻杆失效形式分析及制造工艺J.探矿工程,2005，10：38-40。3.3故障的分析方法对于机锁式钻杆的故障分析有两种，一种是传统方法分析，另一种是有限元方法分析；其分析的主要原理还是钻杆的受力。3.3.1传统故障分析方法在故障的传统分析方法中，通常就是对发生故障的结构进行受力分析并计算。通过分析计算结果确定发生故障的原因。(1) 钻杆钢管的强度分析钻杆的结构主体就是钢管，承担着钻杆工作时的主要载荷，是决定钻杆强度、抵抗破坏能力的关键。在钻杆出现故障时，应首先考虑钻杆的强度是否符合要求。1 第四强度理论计算钻杆在施工中通常要承受大扭矩、大钻压，受力状况复杂，钻杆选用钢管的材料通常为低碳钢，其失效形式多表现为屈服变形失效。根据强度理论，考虑采用第四强度理论作为强度分析手段，能够得到较为准确的计算结果 刘广军.浅谈石油钻井中钻具磨损减薄对拉伸强度影响的规律.2011,(07):134。第四强度理论计算公式：m=2+32 （2-5）式中：=P/A，=T/WtP轴向压力（N）A有效截面面积（mm2）T扭矩（Nm）Wt抗扭截面系数（mm3） 安全系数和考虑机械效率损失的安全系数的计算如式（36）所示：SFm=smSF=SFmmn （3-6）式中：m机械效n钻杆节数（如第一节杆n=1）。1 扭转角钻杆在施加扭转力矩作用下就会产生相对的扭转角，导致了端部截面发生形变，严重的情况下就会导致钻杆发生卡杆的现象，可以依据公式（3-7）和（3-8）分别计算出钻杆扭的转角度及其剪切力。2 扭转角(rad)计算公式：=32TGD4d4 （3-7）式中：T扭矩G切变模量 D4外圆直径 d4内圆直径 剪切力计算公式：=GD4d42D3d3 （3-8）根据屈服条件所确定的剪切力：1=s3 （3-9）安全系数计算公式：SFm=1SF=SFmmn （3-10）式中： m机械效率，n钻杆节数（如第一节杆n=1） 。3 压杆稳定计算钻杆是由四节细长杆组合而成，在组成结构上有压杆失稳的现象，通过压杆稳定的分析与计算，找出其失稳的临界应力与临界力。临界力和临界应力欧拉计算公式：Fcr=n2EIl2cr=FcrA （3-11）式中：n末端简化的约束条件（由于两端铰支，取n=1）l钢管长 E材料的弹性模量 A钢管横截面积(mm2) I钻杆横截面的最小形心主惯性矩 4 钢管端面变形在动力头向一杆施加扭矩或者内键板向下一节钻杆传递扭矩的过程中，由于钻杆直线度的问题，扭矩并不能完全与钻杆相切。此时，就会分解出一个穿过轴线的分力，当扭矩足够大时，这个分力就会使钻杆变形 康辉梅.旋挖钻机工作装置力学特性研究与优化D.长沙：中南大学，2011。由此，可以推到变形的公式，为了能够得到最大的变形值，这里将全部扭矩转化成指向轴心的压力。如图3-8所示半径变形量公式：R=R2P212Et （3-12）式中：泊松比P面压 R钢管半径（mm） t钢管壁厚（mm） E弹性模量 应力集中系数 图3-8 钢管端面压力示意图（2） 键的强度校核在施工过程中，当键条经常出现故障时，要对其强度进行计算校核。其中，衰减后的安全率可以定为SF5，实际键接触面压力计算公式：P=e106Tnhlr （3-13）式中：P压应力F圆周力（kgf） h实际宽度（mm） l实际长度（mm） n为键条数目 T扭矩（kgfm） 机械效率（=0.950.9为机械加工构造、0.8为焊接构造） e冲系数等于1.5 （3） 加压台冲击应力校核加压台是动力头对机锁式钻杆加压的装置，作为传递加压力主要装置，经常出现故障。加压台在工作过程中，要承受一定的冲击，在这个过程中，重力势能将转化为冲击力作用在加压台上，使之变形。通过计算其应力，校核加压台是否满足要求(2-14)。0.5cAl=Gh+ll=cLEc=Gl+l+2EAhLGA （3-14）式中：G重力A截面积 h下落高度 L材料初始长度 l受力后的压缩量 E纵弹性系数 3.3.2有限元故障分析在有限元的分析方法中，一般选择Pro/E。它由几何建模、有限元分析和优化三个模块组成。其将三维图形的绘制、分析、优化聚集在一起，它可以在不同的模块之间相互转换，可以满足多人同时操作。对Pro/E有限元分析软件研究分析得出如下优势：(1) 自动分析功能对于像旋挖钻机机锁式钻杆这种比较大的构件，该软件可以自动识别相邻的零件并设置装配关系，因此大大节省了三维模型的建立时间。然而现在有的软件都需要手动来设置装配的关系。此外，该有限元分析软件还提供了很多实用的工具，方便了自己操作不熟练的问题。其次她还提供了与其他制图软件之间的相互转换功能，从而使得其他软件绘制的图形也可以用其来分析。(2) 自动网格化分功能自适应网格划分，相对于简单的零件划分网格密度比较低，复杂的零件网格划分密度比较高。自动化网格划分，导入三维模型之后自己在后台进行网格划分。自动收敛技术，自动划分网格之后，还可以在指定的地方自动调整为研究所需的网格密度。自动求解器的选择，该软件网格划分完之后能根据需求选择合适的求解器来自动进行求解。(3) 该软件在建立三维模型之后，附属上材料属性，然后网格划分，添加约束和载荷，就能得出相应的应力云图和位移云图。3.3.3两套分析方法的对比结果通过上面对传统受力分析和有限元受力分析进行比较，得出传统的分析方法较为复杂繁琐，还费时间，有限元分析方法更为简单直观，并且大大的缩短了设计的时间。对本文要研究的机锁式钻杆进行分析得出了以下结论：(1) 各钻杆之间的接触比较多，在接触处结构复杂，传统的分析方法对此分析不准确。(2) 在制造钻杆的时候，个钻杆之间存在空隙，这些空隙长久以来就会发生故障，传统的分析方法也很难计算出来。(3) 在研究机锁式钻杆的受力情况时，对于应力突变的部位，通过传统的计算方法也很难找到应力集中的最大范围，此时就不能准确得出应力集中的区域与故障发生之间的关系。(4) 对钻杆进行受力分析时，传统的计算方法工作量大而且复杂繁琐。(5) 机锁式钻杆是构件，其各部分的材料也不相同，在传统的分析中，也很难准确计算。通过上面的分析，本研究运用Pro/E有限元分析软件进行分析。其具有明显的优势，是传统分析方法不可替代的，也符合设计的需求。3.4本章小结(1) 机锁式钻杆在施工作业中承受很大的扭转力矩和加压力。它的工作环境最为复杂，影响因素也较多，机身的振动、交变载荷、冲击力等都会对钻杆造成故障。加压台压溃、断键、滚键、下管撕裂等故障等都会造成钻杆失效，巨大的冲击力甚至会引起钢管断裂，造成巨大损失。因此，对机锁式钻杆的强度分析变得尤为重要。(2) 常规的故障分析方法大多运用人工计算(强度计算)，在计算速度、精确度方面，相比于有限元分析有很大差距。因此本研究运用有限元分析软件Pro/E对钻杆进行了受力分析。4旋挖钻机机锁式钻杆的有限元分析一个构件所能承受载荷的大小被称为强度。通常情况下，机构只有在强度规定的范围内才能正常运行。旋挖钻机机锁式钻杆也不例外，必须确保所有钢管、内外键板、加压台等构件均未损坏的前提下才能正常工作。然而在实际操作当中，钻杆的构件经常出现故障。所以，必须要对钻杆进行受力分析，找出应力集中的部分，为优化改进钻杆做好铺垫。有限元分析软件Pro/E在分析钻杆受力等方面，有其自己独特的优势：分析准确度高、运算速度快等优点。4.1机锁式钻杆有限元分析流程图4-1 有限元分析流程图图4-1所示为有限元分析的基本流程，根据本文所研究的机锁式钻杆，对其中几个关键的步骤进行简要分析。(1) 单元网格划分在有限元软件分析中，单元的结构类型主要有：线性、二次以及P单元。在这三种单元当中，线性单元是指作用在单元上的应力是常数值，其单元点的应变位移也是恒定不变的。在二次单元中，除了有线性单元的节点应力位移外，在各个角节点的中点位置也有节点，所以在本单元内部的各节点位移也是具有变化的，所以各单元的应力值也是呈现线性变化的 武钢.钢框架加腋节点的力学性能研究D.内蒙古工业大学，2007。线性单元计算量比较大，计算精度比较差，而P次单元计算速度快、计算精度高。在进行Pro/E有限元分析时，要选择合适的单元类型。尤其是在分析曲面或者扭转变形较大的物体时，线性单元需要划分较密的网格，高阶次单元只需要比较稀疏的网格即可 刘德昌.旋挖钻机机锁式钻杆受力分析与优化.中北大学.2016,（08）:72。但是网格过于稀疏时，也不利于Pro/E的分析。本课题是对旋挖钻机机锁式钻杆进行受力及有限元分析，钻杆三维模型相应力较大的模型时速度快、精度高，图4-2为该类型单元的三对来说比较复杂难画，所以要选择用六面体、20个节点的单元类型来绘制。其中包括8个顶端角点和12个中间节点，在特殊的情况下可退化为四面体、棱柱单元和五面体金字塔。在单元中，每个节点都有三个方向的自由度（分别为UX，UY，UZ），这种单元类型对于分析变形较大维图。图4-2 六面体20节点单元体在Pro/E中，应用的是HexDominant六面体主导法。划分的是六面、20节点单元体网格。(2) 载荷添加旋挖钻机工作的过程中，机锁式钻杆受到的力有：1) 内部力：钻杆重力G=gSiXi （4-1）其中：g重力加速度机锁式钻杆的材料密度 Si各节钻杆伸出长度 Xi各节钻杆横截面积 2) 外部力：加压力、扭转力矩、泥浆的摩擦力还有钻杆浮力等。这些外力当中，钻杆的浮力和泥浆的摩擦力相对其他作用力来说比较小小，可以忽略不计。钢丝绳牵引力只有在提钻时才会用到，当钻杆钻进时，钢丝绳不施加力。综合上述分析结果，可以得出：P轴=F+gSiXi （4-2）P周=2Mnd （4-3）其中：P轴机锁钻杆的轴向力F作用在钻杆的给进力 P周钻杆的圆周力 Mn作用在钻杆上的扭矩 d钻杆的直径 （3）约束和接触类型在Pro/E分析中，约束的选择是至关重要的，规定约束面的原则就是假设该面是固定起来不运动的。在机锁式钻杆的有限元研究分析中，要考虑到钻杆受到最大载荷的情况（卡钻），就是约束底面（底面不动），这时分析的钻杆的应力和位移才是正确的。在选择接触的类型时，要根据钻杆两个结合面之间的接触情况确定。接触类型通常有两种，一种是线性接触，另一种是非线性接触。本文研究时，接触类型选择的是非线性接触。4.2机锁式钻杆的有限元分析有限元分析计算，就是把受力比较复杂、形状变化较大的机构划分成单元，然后计算这些单元的应力应变和位移，最后把所有的单元整合起来 周亚武.汽轮机转子有限元建模及动力学分析D.华中科技大学，2009，就能反映出这个机构的应力应变和位移情况 张亮.立式电解加工机床关键部件有限元分析与优化D.合肥工业大学，2009。在有限元Pro/E静力学分析前，必须要建立钻杆模型（三维模型）。该模型要能反应实物的真实结构，对分析结果没有太大影响的构件，要进行简化 濮良贵、纪名刚机械设计（第八版）M.北京：高等教育出版社，2005。建立完模型之后要进行网格划分，确定材料的属性、确定自由度、添加载荷等。(1) 建立三维模型表4-1 TR400旋挖钻机主要参数最大输出扭矩最大钻孔深度最大钻孔直径钻孔钻速最大加压力最大起拔力380kN.m95/110m2500mm6-21rpm365kN365kN桅杆左右倾斜角度桅杆前倾/后倾斜度主卷扬提升力（第一层）主卷扬提升速度副卷扬提升力（第一层）副卷扬提升速度65/15355kN58m/min120kN65m/min总重量（含钻杆）总重量（不含钻杆）钻杆形式110t92t机锁式本课题研究的机锁式钻杆是用三维建模软件Pro/E来进行建立模型的。钻杆的结构比较复杂，是由许多构件组合而成的，而有些构件对本研究受力分析的影响不大，所以将这部分影响微乎其微的构件建模时可适当简化、省略。三维模型的建立会直接影响整个钻杆受力分析的结果，所以在模型建立的时候要用其相关参数来进行建立。在模型建立的时候要遵循以下几条原则：1) 钻杆的三维模型应该与实体完全一样，对本课题受力分析影响不大的那些构件可适当进行简化、省略。本课题选择了整个钻杆来进行分析，钻杆连接处是本课题分析研究的主要部位，所以连接处要精确建立模型，其他地方可以适当做修改与调整。2) 与钻杆相连接的动力头、随动架视为刚性静止体，同时不考虑桅杆、底盘等变形、位移对钻杆的影响。3) 钻杆结构的载荷和支撑条件符合力学平衡条件。4) 除了重力之外，将其余的外部载荷全部转化为面载荷；5) 将凹凸不平的表面，建模时与大的表面建立在一起，不重要的连接处也视为一体。赋予材料属性的时候将一些小的不影响受力分析的构件和钻杆视为一种材料。6) 将涉及到的焊接、倒角、连接处视为一体 陈智.旋挖钻机机锁式钻杆的有限元分析.沈阳理工大学.2011,(01)。图4-3 钻杆示意图（2）定义单元类型材料属性在划分网格之前，首先要确定好材料的属性，在结构分析中输入材料的弹性模量和泊松比等。钻杆的主体钢管选用的材料为Q345B钢，其余的组成结构材料按照表4-2进行定义，表4-2如下所示。表4-2 材料的特性名称材质材料密度弹性模量泊松比主体钢管Q345B7800kg/m3200GPa0.3内键板耐磨3607800kg/m3230GPa0.3加压台Q345B7850kg/m3200GPa0.3主键20CrMnTi7850kg/m3207GPa0.25图4-4 钻杆局部示意图（3）接触面条件设置由机锁式钻杆的工作原理可知，在所建立的四节钻杆的三维模型中，有18个接触面。在设置接触的类型时，通常有四种可以选择：No Separation、Rough、Bonded、Frictionless。图4-5 机锁式钻杆网格划分示意图线性接触类型有Bonded和No Separation。非线性接触类型有Frictionless，Rough。由于机锁式钻杆在传递加压力和扭矩时无摩擦，属于面与面的压力接触，所以要选择非线性接触，这里采用接触类型Frictionless。（4） 划分网格如图4-5中对于旋挖钻机机锁式钻杆关键的构件（受力构件），在划分网格时做了特殊对待（网格划分比较密）。单元的大小为20，为了便于计算和分析，将计算精度设置成5。共划分了126315个单元，有40854个节点。图4-6 添加约束和载荷（5） 施加约束和载荷在本次模型分析中，为了能够更好地反映钻杆在极限状态下(卡杆)的应力应变，在这里将旋挖钻机的扭矩和加压力调到最大值。由机锁式钻杆的结构可知：旋挖钻机在一杆上的作用面一共有六个：动力头内键板的三个侧面将扭矩传递给一杆的三个主键（最大扭矩380kNm）；动力头内键板的三个底面将加压力传递给一杆的三个加压台（最大加压力365kN）。一杆上端的加压台、主键分别受到动力头的加压力、扭矩。如图4-6所示，上端面施加向下的加压力365kN（施加在三个加压台上，每个加压台122kN），下端面处约束固定自由度。在钻杆上施加载荷时，要格外注意钻杆施加扭矩和加压力的方向。如下图4-7所示，施加加压力（轴向载荷）的方向为沿着钻杆轴线的方向竖直向下；施加扭矩（周向载荷）的方向与内键板向主键传递力矩的方向一致。一杆的内键板下侧将加压力传递给二杆的加压台上边缘，一杆内键板的侧面将扭矩传递给二杆的主键，这样依次向下传递。图4-7 载荷方向示意图（6） 静力学分析在添加完载荷之后，设置要分析的类型，本文主要是分析钻杆的等效应力和位移。图4-8 机锁式钻杆主应力分布云图图4-8是机锁式钻杆等效应力分图。主要分布在杆与杆的连接处以及加压台处。该处的受力比较集中，因此该处最容易发生故障。钻杆主体的等效应力远远远低于钢管材料本身的屈服极限。这是因为钻杆又细又长，在受力时，能够很好地将载荷进行均匀分部到钻杆的各个部分，避免了应力集中的情况出现。两节钻杆的连接处和加压台处的应力比较大。图4-9 机锁式钻杆局部应力分布云图图4-10 机锁式钻杆位移图图4-11 机锁式钻杆的局部位移图综上所述，应力集中的位置主要是杆与杆的连接处，以及承受加压力的加压台。其原因可以归结为：(1) 在每节钻杆的连接处，钻杆的横截面积突变比较大，从而造成了钻杆的应力比较集中。钻杆的内键板在下管的内侧，它主要是用来传递扭矩和加压力的。所以分析得出下管处就是横截面突变的主要区域，也是传递载荷的区域。(2) 在钻杆工作时，加压台与上一节钻杆的内键板直接接触，内键板将压力施加在加压台上。它是传递加压力的主要构件，由于它的尺寸一般比较小，且受力面为上表面，很容易被压溃。4.3本章小结(1) 对钻杆进行受力分析，通过钻杆的实际结构建立机锁式钻杆的三维模型（对无关的构件进行简化）。对钻杆在极限状态（“卡钻”）时所承受载荷，用Pro/E进行有限元分析。(2) 由分析得出的结果可以看出：钻杆主体钢管的等效应力与位移变形在其强度规定的的数值区域之中。都集中在了各杆的连接以及钻杆的加压台处。(3) 由有限元分析得到：钻杆在钻进的过程中，扭矩对钻杆的等效应力、位移起到主要影响。这就要求钻杆在钻进的过程中采用低速转进，遵循小进给量的原则。结论旋
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