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TR368 旋挖钻机钻杆结构设计与有限元分析含2张CAD图 钻机 钻杆 结构设计 有限元分析 CAD

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毕业设计（论文）题目：TR368 旋挖钻机钻杆结构设计与有限元分析 毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）： 1、原始数据（资料）： 最大输出扭矩：370 kN.m 最大钻孔深度：65/100m 最大钻孔直径：2500mm 钻孔转速：623rpm 最大加压力： 430kN 最大起拔力： 430kN 桅杆左右倾斜角度：5 桅杆前倾/后倾斜度：5/15 主卷扬提升力（第一层）：370kN 主卷扬提升速度：73/50 m/min 副卷扬提升力（第一层）：110kN 副卷扬提升速度：65m/min 总重量（含钻杆）：100t 总重量（不含钻杆）：83t 钻杆为机锁式。 2、毕业设计（论文）要求： （1）任务要求 全面了解设计任务书，掌握设计意图，明确设计任务，根据原始数据拟定初步的设计过程，进行旋挖钻机钻杆部分的结构设计与分析，完成钻杆部分在典型工况条件下的受力分析，运用 ANSYS 软件对钻杆进行三维建模，并进行典型工况下的有限元分析计算，得出相应的位移和应力结果。绘制装配图、部件图和部分零件图。同时完成相应的设计说明过程。主要任务如下： 毕业设计（论文）开题报告； 文献综述&外文翻译； 设计、计算、绘制相应设计内容的技术图纸； 毕业设计说明书。 （2）时间进度要求 序号 时间 周次 指导教师工作及要求 1 2021.3.22-2021.3.28 第 1 周 按任务书，查阅相关文献、撰写文献综述、翻译外文资料 2 2021.3.29-2021.4.4 第 2 周 开题报告的攥写 3 2021.4.5-2021.4.11 第 3 周 审核开题报告，进行开题答辩 4 2021.4.12-2021.5.9 第4-7 周 试验研究或设计阶段，绘制相关图纸，编写设计说明书 5 2021.5.10-2021.5.16 第 8 周 毕业设计期中检查 6 2021.5.17-2021.5.30 第 9-10周 修改相关图纸，完善毕业设计说明书 7 2021.5.31-2021.6.6 第 11 周 论文查重、修改论文 8 2021.6.7-2021.6.13 第 12 周 打印装订、指导老师与评阅老师赋分、毕业答辩 毕业设计（论文）主要内容： 1、设计图样要求： 设计原理正确，运用相关标准、查阅相关手册，正确处理好图、数字、符号、标准等的关系，图样完整准确。总体设计完整、图纸表达清晰、标注采用国家最新标准；完成整机装配图纸设计，保证结构方案确定最优化；完成部件图设计及传动系统设计；完成零件图设计。 2、毕业设计说明书： 设计依据可靠，参数选用合理，结构设计强度及刚度校核、计算准确，内容完整，中英文摘要与科技论文必须做到准确无误。对主要传动方案进行比较和选择、并可行性论证。对主要的零部件进行动力的计算，强度、刚度的校核。 毕业设计说明书参考文献 15 篇以上，原则上所涉及的参考文献论文资料为近 5 年出版发表。 学生应交出的设计文件（论文）： 设计成果要求：提交纸质资料（打印和部分手工绘制图纸）和电子文档资料。图纸使用 AutoCAD 软件绘制，文件为*.dwg 格式。设计说明书资料为*.doc 格式。 1、毕业设计（论文）开题报告。 2、毕业设计说明书 1 份，字数 2-2.5 万字。按山西能源学院本科毕业设计（论文）撰写规范执行。 3、图纸： (1) 旋挖钻机钻杆部分总图（A0 号）2 张； (2) 钻杆/钻具/部件图（A2 号）1 张； (3) 其他零件图（A3 号）不少于 2 张； 4、文献综述&外文翻译：按山西能源学院本科毕业设计（论文）撰写规范执行。 (1) 文献综述：字数不少于 3000 字； (2) 外文翻译：外文翻译必须与毕业设计课题相关，字数不少于 5000 字， 并标明文章出处。 主要参考文献（资料）： 例如： 1 赵伟民，严慎波，胡长胜，战红.旋挖钻机钻桅的有限元分析J.建筑机械，2006.04：51-55. 2 叶远林,秦四成.ZY-200 型旋挖钻机钻杆应力的有限元分析J.工程机械,2004,35(3): 19-21 3 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. 4 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. 5 张启君,张忠海,陈以田.国内外旋挖钻机结构特点的探讨J.筑路机械与施工机械化,2004. 6 孙恒，陈作模.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社，2005 7 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. 8 濮良贵、纪名刚机械设计（第八版）M.北京：高等教育出版社，2005； 9 于永泗、齐民机械工程材料（第七版）M.大连：大连理工大学出版社，2007； 10 水根机械制造工艺学（第二版）M.北京：清华大学出版社，2004； 11 成大先，机械设计手册，单行本M.北京：化学工业出版社，2004； 12 杨昂岳等机械制造工程学.M.长沙：国防科技大学出版社，2004； 13 刘德昌, 旋挖钻机机锁式钻杆受力分析与优化D. 太原: 中北大学硕士学位论文 , 2016,:13-17. 14 康辉梅.提钻工况下旋挖钻机的受力分析J.工程力学，2010. 15 Jacek K S. Adaptive Control of Drillstring Torsional OscillationsJ. IFAC Papers On Line,2017,50(5): 142-145. 16 徐信芯.旋挖钻机钻桅结构力学特性分析及参数优化D.长安大学，2011. 17 韩晓明.XR220D 型旋挖钻机结构分析及优化D.燕山大学，2018. 18 Liu J, Ran L J. The Development of Deep Borehole Permanent-magnet Motor Direct DriveTop-Driving Drilling RigJ. Procedia Engineering, 2014(73): 131-136. 指 导 教 师 签 字 年 月 日 教 研 室 主 任 审 查 签 字 年 月 日 系 负 责 人 批 准 签 字 年 月 日 TR368旋挖钻机钻杆的结构设计与有限元分析Structural design and finite element analysis of drill pipe of tr368 rotary drilling rig 摘 要旋挖钻机是一种与钻杆、钻具配合施工的钻孔灌注桩取土成孔施工机械设备。随着越来越多的工程项目的出现，之前的施工方法和施工机械已经没有办法去适应日益复杂的施工环境和施工条件的要求。旋挖钻机具有效率较高、灵活机动的特点，操作简便，且能够配套不同的钻具进行多种作业，适用于我国大多数地区的施工环境和条件，正是在这样的背景下，使得旋挖钻机得到了极大的发展。钻杆是旋挖钻机进行工作的重要组成部分。它连接在机体和钻头之间，为伸缩套筒结构。其作用是将动力头提供的扭矩和轴向压力传递到下端钻头上，完成对土壤和岩层的钻削和钻进。钻杆有很多种，本文的研究对象是旋挖钻杆众多类型中的一种，机锁式旋挖钻杆，广泛应用于建筑施工中。它在进行操作时也经常出现故障，对机锁式钻杆的研究也就很有必要。本次课题对旋挖钻机钻杆的结构以及工作原理进行了介绍，针对钻杆的工作特征、工作条件等情况,进行钻杆部分的结构分析,对其常见的破坏形式和典型受力进行了说明。运用solid works软件建立机锁式钻杆的三维建模，采用计算机辅助分析软件 Ansys 对旋挖钻杆受力情况进行了有限元分析，得到了钻杆部分在典型工况下的应力分布与位移结果。关键词：机锁式钻杆；结构分析；有限元 AbstractRotary drilling rig is a kind of mechanical equipment for drilling cast-in-place pile with drill pipe and drilling tool. With the emergence of more and more engineering projects, the previous construction methods and construction machinery have no way to adapt to the increasingly complex construction environment and construction conditions. Rotary drilling rig has the characteristics of high efficiency, flexibility, easy operation, and can match different drilling tools for a variety of operations, which is suitable for the construction environment and conditions in most areas of China. It is in this context that the rotary drilling rig has been greatly developed.Drill pipe is an important part of rotary drilling rig. The utility model is connected between the body and the drill bit and is a telescopic sleeve structure. Its function is to transmit the torque and axial pressure provided by the power head to the lower bit to complete the drilling and drilling of soil and rock. There are many kinds of drill pipe, the research object of this paper is one of many types of rotary drill pipe, machine lock rotary drill pipe, which is widely used in construction. It often fails in operation, so it is necessary to study the mechanical lock drill pipe.This topic introduces the structure and working principle of drill pipe of rotary drilling rig, analyzes the structure of drill pipe according to the working characteristics and working conditions of drill pipe, and explains its common failure forms and typical stress. Solid Works software is used to establish the three-dimensional model of the machine lock drill pipe, and ANSYS is used to analyze the force of the rotary drill pipe, and the stress distribution and displacement results of the drill pipe under typical working conditions are obtained.Key words：Machine lock drill pipe ；Structural analysis ；Finite element methodIII目 录第一章 绪论11.1旋挖钻机简介11.1.1旋挖钻机的组成11.1.2旋挖钻机的优缺点41.1.3旋挖钻机的工作流程41.1.4旋挖钻机在国外的发展现状51.1.5旋挖钻机在国内的发展现状61.2课题的研究意义和内容71.2.1课题的研究内容71.2.2 课题的研究意义7第二章 旋挖钻杆的结构及工作原理92.1旋挖钻机钻杆的分类92.2旋挖钻机机锁式钻杆结构及工作原理112.3旋挖钻机机锁式钻杆常见破坏形式142.4本章小结16第三章 TR368旋挖钻机钻杆的结构设计及模型建立173.1 solidworks软件简介173.2 TR368旋挖钻机钻杆结构分析173.2.1钻杆的受力分析173.3.2 理论计算203.3 TR368旋挖钻机钻杆模型建立213.4 本章小结22第四章 旋挖钻机钻杆的有限元分析234.1.有限元分析方法及ANSYS软件234.1.1 有限元方法简介234.1.2 ANSYS软件简介244.2 旋挖钻机机锁式钻杆静力分析254.2.1定义单元类型材料属性254.2.2接触面条件设置264.2.3划分网格264.2.4边界条件设置274.2.5静力学分析294.3本章小结31总结32参考文献34致 谢35V第一章 绪论1.1旋挖钻机简介随着世界经济的快速发展，基础建设范围持续扩大，以实现人的全面发展和环境保护理念以及相关法津法规的实施不断加强，桩子的基础，特别是现场混凝土注入桩的基础获得了广泛的应用空间12。旋挖钻机以其高效、低污染、灵活、多功能的组合，在国内外铸铁混凝土桩施工中占据了主要地位3。旋挖钻机的英文名称为Rotary Drilling Rig，一般适用于粘土，粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层45。随着工作环境和对施工设备的要求越来越高，旋挖钻机所拥有的特点也越来越多，功能也越来越齐全。6。1.1.1旋挖钻机的组成旋挖钻机的部件主要有：底盘、回转机构、主副卷扬、桅杆、钻杆和钻具、动力单元。1、底盘旋挖钻机中常用的底盘有很多种类。大体可以分为汽车轮式底盘、履带式改装底盘和履带式专用底盘三种类型7。专用式履带的底盘拥有非常紧凑的机构方式，就运输方面来说，其相对于方便。适用范围非常广泛；在这些种类的底盘中，能与旋挖钻机本身的工作装置只有其中的吊车的履带式底盘。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，它拥有良好的稳定性，相对较低的成本，但相对而言，它在运输方面不是那么的方便；目前为止，大多数国内外生产的旋挖钻机基本使用的是特用的履带式底盘，只有极少一部分在使用吊机的履带式底盘或者挖掘机的履带底式盘8。2、回转机构包含有回转支承、转台主体、回转减速器、钻杆支承。它的作用是承受装载设备接近上面的部分的质量。该部分进行旋转是依据工作情况。旋转发动机由以液压油为工作介质的液压泵驱动，回转减速器带动回转支承的齿圈旋转，从而使上车部分能够实现360旋转。3、主、副卷扬旋挖钻机拥有两种卷扬系统，分别为主、副卷扬。其中主卷扬的作用是钻杆和钻具的提拉和升降，可以自由地下放钻杆。副卷扬所具有的能力同样是提拉和升降，但是，由于其的能力很小，所以它主要用于钢筋套笼及其它物料的提升。主副卷扬都配备压绳器，以防止工作中发生乱绳。4、桅杆旋挖钻机的关键部分时桅杆，它的作用是传递钻具所提供的动力、运动导向的引导和相关部件位置的调整。钻杆导向器和动力结构可以顺着桅杆的引导的方向进行移动，一般会有一个加压油缸设置在桅杆和动力结构两个零件的中间，以更好地提高钻井效率。加压缸一端与井架相连，提供动力转向的机构和加压杠的另一头相连，通过降低压力缸，可间接提升钻头，在设备运行过程中，扭矩（由动力装置产生），作用力（由压力杠加压是产生的作用力相反的作用力），而当滑轮架的压力从钻台上释放出来时，都是由桅杆来承担，提供动力的装置和桅杆之间的传递扭矩的位置发生了变化。除此以外，桅杆还具有支承卷扬机的功能，对操作过程中保持机器整体的稳定性发挥着重要作用。5、钻杆和钻具内摩阻式钻杆的动力头所提供的下压力较小，在软土层中完成工作的时间短，锁扣式钻杆相比于内摩阻式钻杆，动力头提供的下压力较大，在硬土层使用，而且该钻杆对旋挖钻机操作人员的要求较高。为了缩短完成工作所需奥的时间，一台旋挖钻机大多数都拥有两套钻杆9。钻具的类型就有很多了，比如：长螺旋、大直径短螺旋钻头、回转钻斗、捞砂斗等10。6、动力单元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。图1-Error! Main Document Only. 旋挖钻机结构示意图31.1.2旋挖钻机的优缺点(1)旋挖钻机的优点旋挖钻机具备相当大的功率，旋挖钻机的功率与其他钻机（循环钻机和冲击钻机）功率相比，可以达到几倍甚至是十倍以上。在硬度中等土层，例如高地层、卵石层等，它的钻进工作的完成时间能够缩短十倍，在硬度非常高的土层（岩土层）中进行工作时，旋挖钻机钻进工作的完成时间可以提前几十倍。在保护环境方面，旋挖钻机能够在很大程度上有效的降低此危害，从而达到对施工场地周围的保护。(2)旋挖钻机的缺点旋挖钻机拥有极高的价格，初期的投入相对较大，较高的购置成本11。它不仅拥有相对较高现场施工技术的要求，而且它还需要配备专用的设备、施工工作方法以及相对应的操作技术等。1.1.3旋挖钻机的工作流程图12 旋挖钻机的工作流程1：钻机具有行走功能。通过该功能，可到达施工现场，利用井架引导下放钻杆，将带阀的斗式钻头置于底部；2：扭矩由钻杆的动力头装置去提供，压力装置通过压力头的工作途径把压力传递给钻杆，使钻头进行旋转并粉碎岩石和地面12。旋挖钻机进行工作的时候，先将破碎的岩土装到钻头内存放的位置，随后通过利用旋挖钻机的滑轮架装置和伸缩钻杆将钻头提升到钻孔的外面，进行卸土，以上步骤循环进行，直至达到施工深度；3：抽取泥浆；4：放入钢筋笼和导管；5：进行混凝土灌注；6：完工。1.1.4旋挖钻机在国外的发展现状 美国是最早使用旋挖钻机的国家。在二十世纪三十年代以后，欧洲的旋挖钻机的产业得到了迅速的发展。二十世纪四十年代开始，德国和意大利开始进行对旋挖钻机的研究，进入了五十年代，法国Benoto公司开发出全套管道钻机，并成功应用于桩基工程。随后日本在二十世纪七八十年代开始飞速发展。之后的几十年中，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。日本在20世纪60年代引进美国Calweld公司的产品，同时大力发展自主技术。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。目前为止，日本的旋挖钻机主要生产厂家包括：住友、日立、加藤等13。国外旋挖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。图13国际知名旋挖钻机产品1.1.5旋挖钻机在国内的发展现状上世纪80年代国内旋挖钻机开始进入了发展阶段。二十世纪八十年代末，北京得城建机械厂研发制造了履带式起重机的配套旋转钻机。追溯至上世纪八十年代初期，日本旋挖钻机的工作装置被我国引进，并在kh-125履带起重机上安装。上世纪九十年代中期，郑州勘测机械有限公司引进了BSP旋挖钻机的生产技术，然而因为技术落后的原因，配套吊车难以协调，没有办法进行旋挖钻机的大量生产14。追溯到上世纪九十年代末期，国内第一套真正意义上的旋转钻机被徐工集团成功的研究制造出来，然而由于当时受国内各种配件的限制，也没有大量生产。经过一段时间的发展，国内旋挖钻机的主要性能已经接近或者说达到了国际先进水平。15根据市场需求，山东新光重工有限公司等众多公司开发的小型旋转钻机在土木工程桩基施工过程中取得了良好的的成绩，定位准确，低廉的造价成本。维修便捷，返修快，在小型施工单位中非常实用。国内生产企业吸收国外生产技术，在此基础上不断进行改革创新，开发了多种类型的旋转钻机。通过近半个世纪的发展，国内旋挖钻机的制造水平已基本接近国际领先，三一、南车、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，急需进一步发展。图14 国内部分旋挖钻机产品1.2课题的研究意义和内容1.2.1课题的研究内容(1) 了解机锁钻杆的工作条件和使用环境，对频繁发生的钻杆故障进行分析，对旋挖钻机机锁钻杆有一个全面的了解。(2)通过对旋挖钻杆进行结构分析，对钻杆的内部构造做一定的了解，随后利用三维模型作图软件建立钻杆的三维模型。(3)在ANSYS 软件中建立旋挖钻杆分析系统,依据钻杆实际工作情况，确定合理的边界条件，对钻杆进行有限元分析。 1.2.2 课题的研究意义 旋挖钻机钻杆是旋挖钻机进行工作的重要组成部分。钻杆连接在机体的桅杆和钻头之间，是一种可以自由伸长和缩短，类似于套筒的结构16。它的作用是将动力头提供的扭矩和轴向压力传递到下端钻头上，完成对土层的钻削和钻进。钻杆有很多种，本文的研究对象是旋挖钻机众多类型中的一种，机锁式旋挖钻杆，广泛应用于建筑施工中。但是，在进行操作时也非常容易产生很多问题，所对机锁式钻杆的研究就变得更为必要。 本次课题是利用计算机辅助分析软件，对旋转钻杆各部分的受力进行分析，根据钻杆的工作特点和工作条件，对旋转钻机钻杆部分进行了结构设计和分析，完成钻杆部分在典型工况条件下的受力分析，运用三维模型作图软件对钻杆进行三维建模，并针对旋挖钻机的常见的工作情况进行有限元分析。第二章 旋挖钻杆的结构及工作原理 旋挖钻机在工作过程中会遇到各种各样的地质情况，工作环境复杂。因此对旋挖钻机的钻杆进行分类是有必要的。2.1旋挖钻机钻杆的分类 旋挖钻机钻杆种类很多，目前分为摩阻式钻杆、机锁式钻杆、多锁式钻杆、组合式钻杆17。钻杆的分类依据是：加压力的方式和大小.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21 摩阻式钻杆摩阻式钻杆：简称摩阻杆，通常有5-6节钻杆，摩阻式中的所有钻杆的结构组成都相同，都是由内外驱动键和无缝钢管构成，在进行钻进工作时，加压力依靠钻杆自重以及钻杆间摩擦力传递下来，因而摩阻杆所产生加压力相对较小17。决定钻杆适应哪个种类的地质情况一部分原因是因为其本身的加压方式。然而摩阻式钻杆的加压方式决定了其无法在地层偏硬的环境下进行作，所以一般中小型钻机上使用这种类型的钻杆。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22 机锁式钻杆机锁式钻杆：简称机锁杆，一般有4节钻杆，钻杆内部组成结构与摩阻式钻杆的内部组成结构相似，主要包含无缝钢管和内外驱动键，但外驱动键包含加压锁台。每节钻杆一般会有三层甚至四层加压锁台，每层在钻杆圆周方向一般均布有三个加压位置。钻杆进行工作时，旋挖钻机的动力头装置产生的加压力的传递：前一节钻杆驱动下一节钻杆的加压台，动力头内键板将压力传递到钻杆加压台。这种钻杆适用于硬岩层和碎石层，由于这种钻杆需要动力头提供很大的压力，对钻机的功率要求更高。一般用于功率较大的旋转钻床。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23 多锁式钻杆多锁式钻杆：一般也有4节钻杆，组成结构与上述两种钻杆的组成结构基本相同，多锁式钻杆的特别之处是内外驱动键都带有齿条状台阶。当内外驱动键处于咬合状态时，加压油缸去施加加压力，一层一层的向下传递。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.第三甲钻杆（机锁）9.三杆外键 10第四节钻杆（摩阻）11.四杆外键 12.五杆外键 13.第五节钻杆（摩阻） 14.弹簧座（托盘） 15.钻杆弹簧 16.方头 17.销轴图24 组合式钻杆组合式钻杆：简称组合杆，它是一种全新的钻杆，它适应施工环境的新型钻杆，这种钻杆的组合使用较多的是摩阻式钻杆和机锁式钻杆之间的相互组合，这种新型钻杆对于动力要求一般，不像机锁式钻杆那么严格。组合式钻杆的加压力有很多，有摩擦力加压、重力加压、动力头加压。相对而言，这种组合式钻杆动力头产生较小的加压力。通常只在中大型的旋挖钻机中使用。2.2旋挖钻机机锁式钻杆结构及工作原理旋挖钻机机锁式钻杆作为本此毕业设计的研究对象，因此本次毕业设计只是单独将旋挖钻机的机锁式钻杆提出来，并且将它作为本次毕业设计的重点介绍对象。摩阻式钻杆的结构相对于机锁式钻杆来说简单，分析和设计相对简单; 虽然组合式钻杆的内部构造不简单，但是这种钻杆通常会在工作中受到的扭矩没有其他几种钻杆大，因此，在操作过程和施工过程中出现问题的概率比之摩阻式钻杆和机锁式钻杆没有那么高。两节钻杆连接的地方是结构式机锁式钻杆的结构核心，因为这个地方的结构不仅要对向下传递扭矩负责，又负责向下传递下压力，因此，会频繁的在施工过程和操作过程中发生故障，所以这是非常关键的，对机锁式钻杆做周密完备的有限元分析。旋挖钻机机锁式钻杆的工作原理： 图25 机锁式钻杆未工作状态图2.5所示为机锁式钻杆没有处于工作时的结构情况。这个时候，由图可以看出，旋挖钻杆的动力头的内键板和钻杆第一节外键没有处于接触状态，旋挖钻杆的第一节的外键是处于放松的状态，旋挖钻杆第一节与第二节之间不存在动力头产生的扭矩，也没有加压力的产生。旋挖钻杆第一节的内键板、第二节的加压台、外键的位置如图所示没有处于接触状态。旋挖钻杆第二节加压台位置如图所示处于旋挖钻杆第一节主键之间的键槽里。图26 机锁式钻杆加载工作状态图2.6所示为机锁式钻杆处于工作时的内部结构情况。这个时候，钻机动力头把产生的扭矩和加压力通过动力头的内键板传递到一杆的外键，由于受到扭矩的影响旋挖钻杆第一节外键开始旋转，带动旋挖钻杆第一节随之进行转动。由于钻杆第一节的内键的转动，使得扭矩F周传递到钻杆第二节的外键，随之钻杆的第二节开始转动扭矩最后传递的那个位置的那根杆(通常叫做芯杆），扭矩被芯杆传递到钻头，进而完成钻头的转动。在同样的时间里，加压力被动力头的内键板传递到下面的结构，加压力向钻杆的第一节的加压台传递，因此，钻杆的第一节就具备了向下的压力，钻杆的第一节的内键板将加压力F压传递给钻杆的第二节的加压台最后将加压力传递到最内部的那根杆，由最内部的那根杆将加压力传递给钻头，进而钻头加压的实现。图27 机锁式钻杆解锁状态图2-7所示为机锁钻杆处于解锁时的内部结构情况。这个时候，动力头进行相反方向的转动，钻杆第一节的外键进行与动力头的内键板脱离，此时，处于放松可以移动状态，同时钻杆的第一节也进行了转动，方向与之前相反(图中F周 )，第一节钻杆的内键板与第二节钻杆的外键也进行了脱离直到所有杆的内键都处于脱离可以自由移动的状态时，机锁式钻杆的解锁成功完成。在这个时候，钢丝绳开始向上拉动最内部的那根杆，把钻头拉的地面以上。仔细研究机锁式钻杆的工作原理，从其中可以知道，在传递扭矩和压力钻钻杆时，选择面对面直接接触，这大大降低了能量损失，因此，这种传输方式也是最有效的。2.3旋挖钻机机锁式钻杆常见破坏形式旋挖钻机的钻杆在工作过程中，由于钻杆本身的特点，钻杆无法承受过大的扭矩和压力。所以钻杆会发生强烈的振动，受力变得非常复杂18。以下是旋挖钻机在工作过程中比较频繁发生的故障：(1)加压台踏陷:加压台塌陷时机锁式钻杆在工作过程中常见的故障。这是由加压台的工作方式决定的。加压台在工作时要承受向下的压力，这个压力会在钻杆的工作过程中表现出冲击。连绵不断的向下的大压力的冲击使得加压台开始发生变形，缓慢失效。 (图2-8)。图2-8 加压台塌陷(2）管体扭曲变形:造成这种现象的根本原因的是旋挖钻机在工作过程中长时间进行大功率的输出，造成钻杆管体的下面的发生扭转，引起钻杆下面的部分发生形状上的变化，进而造成钻杆无法进行正常工作，使钻杆的损坏加快。 (图2-9)图2-9 管体扭曲变形(3）滚键:造成此现象的根本原因是键条的物理性能不足。当旋挖钻机钻杆上的动力头输出的扭矩过大，加上键条的承受能力达不到相应的程度，这个时候就会造成键条和管体之间的焊缝会产生裂缝，而产生的裂缝由于钻杆正处于工作状态没有办法尽早发现，从而使得键条继续受到扭矩的作用，最终导致了键条发生扭曲变形，发生卡杆，使钻杆没有办法进行正常收缩。(图2-10) 图210 滚键(4）横向开裂:机锁杆动力头直接加压的部位发生开裂，这种开裂的现象被称之为横向开裂。通常引起这种故障的原因有两种：一、动力头作用于钻杆的各种作用力太集中。二、旋挖钻机在工作过程中，钻杆的能力无法与钻机主机所需要的标准(图2-11)。图211 横向开裂(5)下管轴向开裂:普遍发生在旋挖钻杆的下管处应力集中的几个部分。这是由于在旋挖钻机机锁式钻杆的下管上的截面不是均匀的，突然发生变化的截面较多，同时这个地方在钻机大扭矩的时候受力变化无常，使得这些部位频繁出现轴向开裂的现象，产生裂纹。（图2-12)。图212 下管轴向开裂(6）方头断裂:方头底端通过装配与钻头连接，顶端通过焊接与四杆钢管连接，是直接传递转矩与轴向加压力的部件，断裂经常发生在变截面及焊接位置处，如图2-13所示。图213 方头断裂2.4本章小结本章节针对旋挖钻机钻杆的类别、结构及工作原理作出了简单的说明。针对旋挖钻机钻杆在施工过程中常见的几种故障做出了简单介绍，这些故障的发生，对钻杆的自身强度构成了极大的考验。通过对旋挖钻机钻杆典型故障的分析可以知道，这些故障都会对工作成严重的影响，比如键条滚动的发生会造成钻杆无法进行伸缩、横向断裂的发生会造成剩余杆掉落到因打桩而形成的坑洞，对工作的正常进行造成困难，严重的情况打捞失败会使整个钻孔作废，使工程出现巨大的损失。 第三章 TR368旋挖钻机钻杆的结构设计及模型建立3.1 solidworks软件简介 Solid works软件时全球范围内的第一个在Windows系统的基础上进行开发的一款三维CAD系统。这款软件的系统在二十世纪末期获得全球微机平台CAD系统第一名。目前为止，这款系统已经获得了十七项全球性的大奖。Solid works遵循的三大原则：易用、稳定、创新已经得到了认可。使用这款软件，设计师完成设计所需要的时间被大大的缩短。Solid works这款软件的功能特别强大，同时，它的组件也是非常多。因为Solid works的三大特点（功能强大、易学易用、技术创新），这使得solid works这款软件成为三维CAD方案解决的首要选择。Solid works能够使设计者在有众多的设计方案可以选择，同时它也能及时发现设计者在设计过程中的错误并进行纠正。3.2 TR368旋挖钻机钻杆结构分析3.2.1钻杆的受力分析在对旋挖钻杆进行有限元分析之前，对钻杆受到的力进行分析和总结，这是在进行三维模型建立之前必须要做的准备工作。只有在准确的了解旋挖钻杆的受力情况和内部构造之后，才能精准的进行之后的工作建立三维模型，进行符合实际情况的有限元分析，得到相对精确的分析结果。为了能够精准的表现出钻杆真实的工作过程，全方位考虑钻杆和钻头，还有钻头和工作环境之间的相互作用，从三个方向对钻杆进行了受力分析，这三个方向分别是横向、纵向、转动。旋挖钻杆在这三个方向上的受力情况，如下图3-1所示。图31 钻杆的三种基本受力(1）纵向受力在旋挖钻机在工作的过程中，钻杆在竖直方向上受到的力主要有三个，这三个里分别是钻杆自身的重力、俩个反作用力钻压和岩土的作用力，在钻进的工作过程中，这三个力要一直保持平衡。由牛顿第二运动定律得:Fz=Pt+Mg+MZt （3-1）式中:M钻杆质量;Z(t)钻杆Z轴轴向冲击加速度;P(t)动力头输出的钻压;Fz（t)钻杆任意时刻所受岩土的纵向反力。在竖直方向上的受力，做不到不平衡的话，造成的后果就是钻杆发生的竖直方向上振动，钻杆在竖直方向上的振动造成的影响是钻杆会产生过大的动载。据有关研究表明，动载的变大会引起钻杆的钻压在极短的时间里发生波动，而且这种波动的范围还特别大。钻压在工作状态中的最大值是平均钻压的好几倍，而钻压在工作状态中的最小值是零，也就是说不存在钻压。钻杆在竖直方向上的振动对钻杆的使用造成了极大地影响，与此同时，也对钻头的正常工作产生了影响。(2）横向受力钻杆在工作过程中还有道水平方向上的力，这种水平方向上的力与很多因素有关。这些因素有钻杆钻头的组成结构、土壤质地、钻进的参考数据以及自身的物理性能。钻杆在水平方向上受到的力主要来自于钻头上所有截齿与土层作用的力的合力，钻杆在水平方向上受到的力可以分解俩个，分别是Fx(t)、Fy(t)。Fx=IJKFijk（t）cos（+IJK（t） （3-2） FY=ijkFijk(t)sin（+ijk（t） （3-3）式中:Fx(t)钻头横向受力沿X轴方向的分力; Fy(t)钻头横向受力沿Y轴方向的分力; Fijk(t)t时刻第i牙轮，第j齿圈上第k颗触底截齿的受力; ijk（t)触底截齿的的布置角度在水平方向上受到的力波动很大时，会引起钻杆在水平方向上的振动。这种水平方向上的振动会引起钻杆不停的朝孔壁去撞击，这种现象引发的后果由俩种分别是：钻杆断裂和钻具损坏，与此同时，也会造成一系列的工程质量问题，例如钻孔偏斜不仅如此，这种现象也很容易引发事故。(3）扭转受力扭转受力就是作用在钻杆两端沿着钻杆轴线的垂直方向两个的力偶，这俩个力偶大小相等、方向相反。旋挖钻机钻进工作的过程中，钻杆系统所受的扭转力矩主要是土层对钻头的水平方向上的分力作用力矩与动力头输出扭矩，俩者同时作用的结果。由力矩平衡可得出：Mt=FxtLx+Fy（t）Ly （34）式中：M（t）动力头输出的扭矩；Lx 质心钻头与X轴的距离；Ly 质心钻头与Y轴的距离；扭转受力引发的结果就是钻杆扭转振动，扭转振动会造成钻头进行方向来回变化的转动并且这种转动的状态是随时发生变化的，扭转振动过大的时候还会引起钻杆的钻速变慢，从而使钻头的工作能力受到干扰，无法达到正常的工作水平，因此造成旋挖钻机的钻进工作完成时间的延长。根据有关的资料可以知道，钻杆抵抗扭转的能力较好，所以，通常情况下扭转振动不会对钻杆产生较大的影响。3.3.2 理论计算(1)杆体主应力计算管体的主应力按照第四理论主应力来进行计算，首先依据公式(3-1)、(3-2)分别计算出压应力和切应力，然后根据公式(3-3)即可得出第四理论主应力结果。=FA (31)=16TD3(1-4) (32)r4=2+32 （33）压应力(MPa);F轴向加压力(N);A杆体横截面积(mm);切应力(MPa);T动力头转矩(N-mm);内外径比值，=d/D，d为钢管内径，D为钢管外径_(r4 )第四强度理论主应力(MPa)。(2)杆体扭转角计算旋挖钻机钻杆在工作过程承受大扭矩作用，其主要的变形也表现在了圆周方向，验证钻杆有限元分析扭转角的大小对于钻杆刚度校核具有重要意义，根据扭矩值以及钻杆长度可计算出旋挖钻机各钻杆产生的扭转角数值，依据公式分别如式(3.4)、(3.5)所示：Ip=（D4-d4）32 （34）=TlGIp180 （35）Ip极惯性矩(mm4);杆体扭转角度();G剪切模量(MPa);l杆体长度（mm）。3.3 TR368旋挖钻机钻杆模型建立本文利用solidworks建立钻杆的三维立体模型，模型的结构要尽可能真实地反映钻杆实物，在此基础上进行了简化处理。在该模型中，钢管作为传递扭矩和加压力的主体结构，要对其进行真实的还原（尺寸与实物相同），加压台、内键板、外键等作为承受和传递加压力、扭矩的重要结构，要对其进行保留。在建立完模型之后，将模型导入ANSYS中。钻杆三维模型如图3-1。图(a) 旋挖钻杆整体装配图图（b）旋挖钻杆局部视图图31 机锁式钻杆三维模型3.4 本章小结（1）对三维设计软件solidworks进行简单说明。（2）对旋挖钻机钻杆进行受力分析，得出结论：钻杆在纵向、横向和扭转方向上都有力的作用。在竖直方向上，钻杆受到三个力的作用分别是钻杆自身的重力，与钻压和土层的作用力大小相同方向相反的作用力；钻杆在水平方向上受到的力分解为两个：Fx(t)、Fy(t)；钻杆的扭转受力为两个大小相等、方向相反的力偶。（3）对旋挖钻机钻杆杆体的主应力和扭转角的计算做出说明。（4）通过对旋挖钻机钻杆的内部构造进行分析，结合分析得到的结果，并在本章中提到的三维模型作图软件中建立旋挖钻机钻杆的三维模型。第四章 旋挖钻机钻杆的有限元分析4.1.有限元分析方法及ANSYS软件4.1.1 有限元方法简介在二十世纪四十年代初期，由德国国籍的美国数学家第一次提出，虽然当时他对有限元分析方的应用范围做出了报道。经过长达几十年的发展后，有限元分析法才开始在结构力学领域中使用，获得了如今的地位。有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）通俗的说，它高等数学中近似法的概念相近，同样都是采用可以衡量的单元去代替无法衡量的单元。不过在有限元分析法中，它是通过计算机辅助分析软件对三维模型施加不同的力和载荷，去得到与实际相符合的结果19。在有限元分析中，解的域被认为是由许多相互连接的称为有限元的小域组成，假设一个（更简单的）近似解适用于每个单元，然后推导出满足的总条件（如结构的平衡条件）来解这个域，这个解的准确度不高，而是近似解，因为实际中的问题被一个更简单的问题所取代。有限元分析法说简单点，它就是把一个连续的整体进行划分，划分成有限个单元，将每个单元的节点作为离散点。这种方法不需要考虑数学中的微分，而且它是从单元自身的特性进行解析、探讨。这种方法的理论简单明了，所用到的物理理念清晰。有限元分析法拥有积极广泛的应用范围。比如说水利工程、结构工程、材料、隧道、模具、振动、流体方等面它可以将形状不同、性质不同的单元集合起来进行求解。正是由于这个特点，所以在对由不同构建组成的结构体非常适用。在经历长时间的发展后，如今计算机技术的快速发展和计算机的广泛使用，有限元方法跟随计算机发展的脚步，在几乎所有的科学技术领域都有它的影子。同时，有限元分析法也成为一种方便快捷、实际使用效果极好的数值分析方法。4.1.2 ANSYS软件简介ANSYS软件第一次出现是在上世纪的七十年代。它由美国ANSYS公司研制的一种应用范围广的通用有限元分析软件，相比于世界上其他的同类软件，可以说它的发展是最为迅速的。同时它能够与其他的计算机辅助设计软件的数据进行互通。ANSYS中可以导入由UG或者solid works所设计的三维模型。该软件在国内的很多领域中使用。比如航空航天、机械制造、电子电力、汽车工业、生物医学、国防军工、土木工程等20。 正是由于ANSYS齐全的功能种类，方便快捷的操作系统，使得这款软件现在已经在计算机辅助设计软件领域中占据主导地位。而且ANSYS的源文件很小，在*.txt文档格式中一般仅仅只有几十k字节，便于发送携带，同时在模型发生错误警告时，能迅速找到错误发生的位置，从而更快地修改模型，无需重新建模，极大节省了修改进程，提高分析效率21。在进行三维模型内部构造的分析时，该软件的三大分析非常突出：静力学分析、动力学分析、稳定性分析，静力学是我们在模型分析过程中使用最频繁的一种分析。静力学分析： 静力学分析指的是物体的内部构造在受到外界因素（恒定载荷）的作用下，表现出来的一种物理状态。通过对这种物理状态进行的分析，在所得的分析结果中，筛选出我们需要的信息(应力、位移等数据)。因为载荷因素是固定不会发生变化的，所以不需要考虑惯性的影响。静力学分析的精确度与网格划分的大小、设置的计算精度的大小由很大的联系。动力学分析：动力学分析一般被用来确定发生变化的载荷对模型内部构造的影响程度。它指的是三维模型在载荷发生变化的情况下所表现出来的一种状态。这种载荷分为三种：动载荷、静载荷、瞬时载荷，这三种载荷随机组合形成动态变化的载荷。因为动力学分析中的载荷是一直发生变化的，所以需要在分析过程中考虑惯性等因素。稳定性分析：稳定性分析就是内部构造在平衡状态下，结构的稳定性。根据物体在受到微小的外力作用后，能否回到原来的平衡状态。将平衡状态分为三种：稳定、不稳定、中性。在ANSYS软件中的稳定性分析是指模型的内部构造在极限状态时的载荷分布及载荷数值，超过极限载荷时，模型的形状。在实际的施工设备中，通过动力学分析选择合适的材料、结构设计方案的最优化达到降低施工设备在工作过程中故障发生的概率。4.2 旋挖钻机机锁式钻杆静力分析4.2.1定义单元类型材料属性在进行旋挖钻机钻杆模型的网格划分之前，要对材料的属性进行确认，在结构分析中输入材料的弹性模量206Gpa和泊松比0.28等。钻杆的管体的材料为Q345B钢。如图4-1所示输入需要的数据：图 4-1 材料编辑4.2.2接触面条件设置在设置接触类型时，线性接触设置有Bonded和 No Separation。非线性接触设置有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。4.2.3划分网格 输入单元的大小为20，为了便于计算和分析，将计算精度设置成5，共划分了940221个单元，有2896875个节点。如图4-2所示，在相应的对话框内输入数值。图4-2 网格划分数据输入图43 机锁式钻杆网格划分示意图图44 机锁式钻杆网格划分局部示意图4.2.4边界条件设置本分析设置的边界条件与前面介绍的机锁式钻杆的工作原理相一致。TR368旋挖钻机上使用的通常是直径为530的钻杆。这种钻机钻杆在工程施工中可输出的最大扭矩为370kNm，最大加压力为430kN。图45 载荷方向示意图旋挖钻杆第一节上面部分的加压台、主键分别受到动力头的加压力、扭矩。如图4-4所示，A处施加向下的加压力360kN，B处施加顺时针方向的扭矩430kNm，C处固定自由度。在施加载荷的时候，要特别注意钻杆施加力的方向。如图4-6所示，加压力（轴向载荷）沿轴线方向垂直向下；扭矩（周向载荷）与内键板向主键传力的方向相同。旋挖钻杆第一节的内键板下侧将加压力传递给旋挖钻杆第二节的加压台上边缘，旋挖钻杆第一节内键板的侧面将扭矩传递给旋挖钻杆第二节的主键，这样依次向下传递。图4-6 添加约束和载荷4.2.5静力学分析在添加完载荷之后，设置要分析的类型，如图4-7所示，本文主要是分析钻杆的等效应力和位移。图47 分析类型添加图48 机锁式钻杆应力分布云图图49 机锁式钻杆部分应力分布图图4-9是机锁式钻杆等效应力分布云图。应力的最大值为127MPa。主体钢管的等效应力维持在30MPa左右，远小于钢管的屈服极限。这是由于钢管长度很大,在承受载荷时，能够更好地将载荷进行分散。图410 机锁式钻杆位移图图410，从图上的分析结果可以清晰的看出机锁式钻杆位移最大的部分是分布在第一节钻杆的顶端。这个地方是机锁式钻杆和桅杆上随动架的连接处，从图中了解到第一节钻杆顶端发生的位移是6mm。钻杆与随动架之间的连接采用的是螺栓连接，连接刚度较大。影响连接的牢靠程度，严重的情况会发生螺栓被剪断的故障（如图411) ,图中红箭头所指的螺纹连接孔的位置即为发生螺栓被剪断的位置。图41 1随动架连接螺栓被剪断4.3本章小结(1)介绍本次课题所用的研究方法和所用到的有限元分析软件ANSYS。详细说明研究方法有限元分析法的原理、特点及适用范围。 (2)在使用ANSYS软件进行分析前做准备。定义单元类型材料属性、接触面设置、划分网格、边界条件设置、载荷添加。此时需要注意的是钻杆施加的力和载荷的方向。(3)通过静力学分析结果得出: 钻杆所受应力的最大值为127MPa。主体钢管的等效应力维持在30MPa左右，远小于钢管的屈服极限。第一节钻杆顶端的位移最严重，数值为6mm。总结在山西能源学院专升本的这两年时间，时光飞逝，很快我们迎来了我们专升本的最后一项任务，毕业设计。在山西能源学院学习的这两年使我收获颇丰，是我生命中不可遗忘并且十分珍惜的一段时光，使我在最无助的时候感受到一丝像太阳照射一样的温暖，温暖着我的精神世界。我的毕业设计开始于2021年1月初，当时我们刚刚经历了人生的转折点考研，还沉浸在考研结束的兴奋当中迎来了我们最后一学期为唯一的任务，毕业设计。我毕业设计的主要课题为TR368旋挖钻机钻杆结构设计及有限元分析。其主要内容是进行旋挖钻机钻杆部分的结构设计与分析，完成钻杆部分在典型工况条件下的受力分析，运用ANSYS软件对钻杆进行三维建模，并进行典型工况下的有限元分析计算，得出相应的位移和应力结果。毕业论文的字数为2万-2.5万；旋挖钻机钻杆部分总图（A0号）2张；钻杆/钻具/部件图（A2号）1张；其他零件图（A3号）不少于2张；这就是我毕业论文课题的主要内容。今年的毕业设计课题总的来说，时间长、任务重、内容充实且每个同学都有自己需要去攻克的难关。由于大四第二学期只有这一项课题需要去完成，所以大家都有非常充裕的时间进行准备，但也存在着相应的困难需要我们自己去克服。其中的困难不言而喻，首先时查阅资料的严重匮乏，其次是对自己专业知识掌握的能力不完善。这些都成为我们在完成此次毕业设计课题的难点和重点。本论文完成的主要内容有:(1)分析介绍了旋挖钻机机锁式钻杆的结构和工作原理，对钻杆的常见故障进行了总结和分类，针对其中典型的例子进行了分析。(2)运用Solidworks进行三维建模,对分析无关或者没有太大影响的构件进行简化，但前提是要保证模型的真实性。将模型导入ANSYS 中，对其进行固定约束、添加载荷等。在设置接触条件时，要注意接触面的类型与数目，不要遗漏。添加载荷的时候，要注意施加载荷的位置和方向。(3)经过有限元分析，主体钢管的等效应力和位移在合理的范围内。应力集中区域主要分布在钻杆下管处和加压台。在应变、位移方面，钻杆的一杆上端是位移最大位置，这是导致连接随动架螺栓被剪断的主要原因。参考文献1 黎中银,夏柏如,吴方晓.旋挖钻机高效入岩机理及其工程应用J.中国公路学报,2009,22(03):121-126.2 徐洪跃,王君.浅谈旋挖钻机在高速公路施工中的应用J.筑路机械与施工机械化,2007,(05):46-48.3 三一重机公司.SRY220旋挖钻机操作手册M.长沙:三一重工股份有限公司，20044 张忠海,陈以田.RD18多功能旋挖钻机J.建筑机械化,2004(07):17-18.5 刘三意，夏柏如.多工艺旋挖钻机施工钻具及在冻土层中的应用J.吉林大学学报（地球科学版)，2008,38 ( 3):460-4626 李来平,薛建民,吴井泉.旋挖钻机动力系统功率匹配技术的应用J.探矿工程(岩土钻掘工程),2008(02):24-26+30.7 熊玉龙. 旋挖钻机动力头结构设计与优化D.长安大学,2015.8 张启君，张忠海，陈以田，等.国内外旋挖钻机结构特点的讨论J.筑路机械与施工机械化，2004,21 （10):37-409 林捷军.旋挖钻机施工灌注桩基础的施工工艺J.山西建筑,2005(23):97-98.10 Large Directional Drilling Rig CensusJ.Pipeline & Gas Journal 2002 ，229(10)11 董涛,程建新,张志伟,曹向东.大直径桩基旋挖钻海上施工工艺及质 量控制J.桥梁建设,2009(S1):39-42.12 孙忍先,李东阳.旋挖钻孔灌注桩在土岩结合地区施工方法研究J.施工技术,2016,45(S1):187-189.13 杨鹏. X型旋挖钻机的结构分析D.中国地质大学（北京）,2006.14