旋挖钻机稳定性研究
2018-11-18 9:31:12 点击：
本文详细解读旋挖钻机在钻杆加压和钻杆提升两种工作状态的下，静态与动态的计算方法根据工程经验对旋挖钻机稳定性安全系数，质心配比提出自己观点，给设计工作进行指导，并提出相应的解决方法
【关键词】旋挖钻机；稳定性；计算方法
0 引言
旋挖钻机是我国近年来才引进发展起来的一种施工设备 ，它是机、电、液一体化的高度集中，具有机械化自动化程度高、环保性能好、钻孔效率高、进度快、质量可靠、机动性能好、多功能性、地层适应性强等特点，代表着桩工机械的发展方向，深受施工部门的青睐。但是由于施工现场地形复杂、地质层情况的不同，旋挖钻机的作业条件和作业工况复杂多变，从而易引发出许多难以解决的问题。例如，钻机倾覆，目前国内的旋挖钻机的技术性能还达不到用户满意的水准，一些重要的大型基础工程的建设都仍要依赖国外进口的旋挖钻机。因此对旋挖钻机稳定性进行分析，将有助于我国国产钻机的发展，满足国家建设和施工企业的迫切需求。
1 旋挖钻机稳定性的计算
根据旋挖钻机的工作工程，我们选取钻杆加压，提升钻杆两个工作过程来进行稳定性的计算。
1.1 旋挖钻机稳定性坐标系的建立
旋挖钻机各主要部件的重量不完全对称于主机纵向中心线，即使有一些偏差对整机稳定性计算的影响并不大。在进行钻机稳定性计算时，以回转中心线与地面的交点为坐标原点建立两维直角坐标系。
1.2 钻机加压稳定性计算
钻机在加压钻进时，钻杆在动力头加压力Fy的作用下向下钻进，根据作用力与反作用力的原理，钻机将受到地面给予的反向加压力，它与Fy大小相等，方向相反。当钻具处于最小回转半径位置时，由于该工况整机重心后移，导致钻机加稳定性最差。由于钻杆可在动力头内上下滑动，故计算稳定性可不考虑钻斗、钻杆和随动架的重量。可由该工况各主要部件的重心坐标xi、yi，求出该工况钻机整机重心坐标Xt、Yt。钻机纵向加压和横向加压稳定性计算。又由于当钻机横向加压时，钻机的倾翻始点与倾翻线距离远小于纵向加压时的距离，因此仅需计算横向加压的情况即可。
当施加在动力头上的加压力为Fy时，机锁钻杆作用在动力头上的反力为：
Ny=k（Fy+G4）kN（1）
式中：k――传动效率，考虑动力头在桅杆上滑动等因素，取k=0.9～1
Fy――施加在动力头上的加压力，kN
G4――动力头的重量，kN
1.2.1 静态稳定性计算
按照《钻机安全标准》（EN791：1995）（以后简称标准）的规定，当钻机进行纵向加压时，倾翻点在履带驱动轮中心线与地面的交点；当钻机进行横向加压时，倾翻点在后面履带承重轮外缘与地面的交点。
根据《钻机安全标准》，该工况钻机静态稳定性计算如下：
根据《钻机安全标准》，该工况动态稳定性计算如下：
加压倾翻力矩：Mf=Ny（R1+L）=k（Fy+G4）（R1+L）kN・mm（3）
1.3 钻机提升稳定性计算
当钻机提升时，当变幅动臂处于水平位置时钻具处于最大回转半径位置，该工况由于整机重心前移使钻具提升稳定性最差。由该工况各主要部件的重心坐标xi、yi，求出该工况钻机整机重心坐标Xt、Yt。
1.3.1 静态稳定性计算
按照《钻机安全标准》的规定，当钻机纵向提升作业时，倾翻点在履带导向轮中心线与地面的交点B处；钻机横向提升作业时，倾翻点在前面履带承重轮外缘与地面的交点D处。
2 结论与评价
2.2 整机质心的设计
由整机的质心应放在距回转中心0.6―0.7较为合适，若放的过远，将会使机器回转机构受偏载过大，而导致寿命的下降，若放的过近，则会使稳定性降低，从而影响安全使用。
2.3 底盘质量比
根据稳定性计算及力学相关知识，加大底盘质量，会使稳定性坐标系的Y的取值减小，从而减小倾翻角，提高稳定性，但是底盘质量的提升又会使整机质量提高，降低经济性。因此底盘质量比必须选择合适，建议底盘质量占整机的0.6―0.7。2.4 解决方法
【关键词】旋挖钻机；稳定性；计算方法
0 引言
旋挖钻机是我国近年来才引进发展起来的一种施工设备 ，它是机、电、液一体化的高度集中，具有机械化自动化程度高、环保性能好、钻孔效率高、进度快、质量可靠、机动性能好、多功能性、地层适应性强等特点，代表着桩工机械的发展方向，深受施工部门的青睐。但是由于施工现场地形复杂、地质层情况的不同，旋挖钻机的作业条件和作业工况复杂多变，从而易引发出许多难以解决的问题。例如，钻机倾覆，目前国内的旋挖钻机的技术性能还达不到用户满意的水准，一些重要的大型基础工程的建设都仍要依赖国外进口的旋挖钻机。因此对旋挖钻机稳定性进行分析，将有助于我国国产钻机的发展，满足国家建设和施工企业的迫切需求。
1 旋挖钻机稳定性的计算
根据旋挖钻机的工作工程，我们选取钻杆加压，提升钻杆两个工作过程来进行稳定性的计算。
1.1 旋挖钻机稳定性坐标系的建立
旋挖钻机各主要部件的重量不完全对称于主机纵向中心线，即使有一些偏差对整机稳定性计算的影响并不大。在进行钻机稳定性计算时，以回转中心线与地面的交点为坐标原点建立两维直角坐标系。
1.2 钻机加压稳定性计算
钻机在加压钻进时，钻杆在动力头加压力Fy的作用下向下钻进，根据作用力与反作用力的原理，钻机将受到地面给予的反向加压力，它与Fy大小相等，方向相反。当钻具处于最小回转半径位置时，由于该工况整机重心后移，导致钻机加稳定性最差。由于钻杆可在动力头内上下滑动，故计算稳定性可不考虑钻斗、钻杆和随动架的重量。可由该工况各主要部件的重心坐标xi、yi，求出该工况钻机整机重心坐标Xt、Yt。钻机纵向加压和横向加压稳定性计算。又由于当钻机横向加压时，钻机的倾翻始点与倾翻线距离远小于纵向加压时的距离，因此仅需计算横向加压的情况即可。
当施加在动力头上的加压力为Fy时，机锁钻杆作用在动力头上的反力为：
Ny=k（Fy+G4）kN（1）
式中：k――传动效率，考虑动力头在桅杆上滑动等因素，取k=0.9～1
Fy――施加在动力头上的加压力，kN
G4――动力头的重量，kN
1.2.1 静态稳定性计算
按照《钻机安全标准》（EN791：1995）（以后简称标准）的规定，当钻机进行纵向加压时，倾翻点在履带驱动轮中心线与地面的交点；当钻机进行横向加压时，倾翻点在后面履带承重轮外缘与地面的交点。
根据《钻机安全标准》，该工况钻机静态稳定性计算如下：
根据《钻机安全标准》，该工况动态稳定性计算如下：
加压倾翻力矩：Mf=Ny（R1+L）=k（Fy+G4）（R1+L）kN・mm（3）
1.3 钻机提升稳定性计算
当钻机提升时，当变幅动臂处于水平位置时钻具处于最大回转半径位置，该工况由于整机重心前移使钻具提升稳定性最差。由该工况各主要部件的重心坐标xi、yi，求出该工况钻机整机重心坐标Xt、Yt。
1.3.1 静态稳定性计算
按照《钻机安全标准》的规定，当钻机纵向提升作业时，倾翻点在履带导向轮中心线与地面的交点B处；钻机横向提升作业时，倾翻点在前面履带承重轮外缘与地面的交点D处。
2 结论与评价
2.2 整机质心的设计
由整机的质心应放在距回转中心0.6―0.7较为合适，若放的过远，将会使机器回转机构受偏载过大，而导致寿命的下降，若放的过近，则会使稳定性降低，从而影响安全使用。
2.3 底盘质量比
根据稳定性计算及力学相关知识，加大底盘质量，会使稳定性坐标系的Y的取值减小，从而减小倾翻角，提高稳定性，但是底盘质量的提升又会使整机质量提高，降低经济性。因此底盘质量比必须选择合适，建议底盘质量占整机的0.6―0.7。2.4 解决方法
为提升整机稳定性，可以通过更改旋挖钻机结构来减小倾翻的可能性，如采用可伸缩的配重，以提高整机稳定性，采用镂空桅杆来降低风对于钻机的影响等这些手段都可以改善整机的稳定性。
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