旋挖钻机钻杆常见故障形式及优化措施.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2023 年 12 月 28 日 作者简介:刘军(1983),男,汉族,江苏徐州人,工程师,本科,研究方向为工程机械设计。-104-旋挖钻机钻杆常见故障形式及优化措施 刘 军 徐州徐工基础工程机械有限公司,江苏 徐州 221100 摘要:摘要:旋挖钻机作为现代基础建设中不可或缺的重型机械设备,其钻杆是实现钻掘作业的关键部件。在长时间高强度的工作环境下,钻杆易发生磨损、腐蚀、疲劳和断裂等多种故障,这些故障不仅影响施工效率,增加维护成本,还可能导致严重的安全事故。因此,本研究旨在深入分析旋挖钻机钻杆的常见故障形式,并在此基础上提出相应的优化措施,通过改进材料
2、选择、设计参数和维护保养流程等方式,提高钻杆的工作性能和可靠性,从而延长其使用寿命,确保施工安全,增强旋挖钻机的工作效率和经济效益。关键词:关键词:旋挖钻机;钻杆;常见故障形及优化措施 中图分类号:中图分类号:TU67 1 旋挖钻机钻杆概述 旋挖钻机钻杆是连接钻头与动力头的关键组成部分,它将旋挖钻机的动力和扭矩传递至钻头,实现土壤的钻掘作业。钻杆通常由高强度钢材制成,以承受巨大的压力、扭矩和地下复杂环境的冲击。在旋挖作业中,钻杆必须具备良好的机械性能、耐磨损性能及足够的弯曲强度,以应对不同地质条件下的挑战。钻杆的设计和制造质量直接影响旋挖钻机的钻掘效率和安全性能,因此,钻杆的可靠性是评价旋挖钻
3、机整体性能的重要指标之一。2 钻杆常见故障类型及其影响 2.1 机械磨损 2.1.1 磨损的表现形式 钻杆在旋挖钻机的日常作业中不可避免地会经历各种形式的机械磨损,这种磨损主要表现在钻杆的外表面和与其他机械部件接触的部分。具体的磨损形式包括划痕、凹槽、剥落以及局部磨平等。在硬质地层钻探作业中,磨粒磨损是一种常见现象,表现为钻杆表面被硬质磨粒刻画出一系列的微小划痕,长期作业会使得这些划痕逐渐加深,形成显著的磨损凹槽。当钻杆与岩石或其他物料接触时,也可能产生点蚀或凿坑,这些小而尖锐的凹坑会集中应力,从而加速材料的损坏。此外,重复的摩擦负荷会导致钻杆局部发生磨平,影响其切削性能。这些磨损的表现形式最
4、终会导致钻杆的尺寸减小、形状变化,进而影响钻杆的结构完整性和旋挖作业的安全性能。2.1.2 磨损对钻杆性能的影响 机械磨损对钻杆的性能影响深远。首先,磨损会逐渐降低钻杆的直径,影响钻孔的精度和质量。随着表面材料的丢失,钻杆的强度和刚度也会受到影响,这可能导致钻杆在承受高负荷时发生变形或断裂。其次,钻杆的磨损还会加剧其表面粗糙度,这会导致摩擦力的增加,进一步增加能量消耗和减少钻探效率。同时,高度的表面粗糙度还可能导致材料更易积累,在钻杆与岩石接触面上形成夹杂物,这不仅影响切削效果,也可能加剧磨损过程。此外,磨损还可能造成钻杆接头部分的损坏,这是因为接头处经常需要承受更大的力和扭矩。接头的损坏会大
5、大减少钻杆的使用寿命,且可能导致突然断裂,增加作业过程中的安全风险。2.2 腐蚀损伤 2.2.1 腐蚀的机理 在钻杆的应用环境中,特别是在含有酸性、碱性或盐分的土壤和水中,腐蚀尤为显著。钻杆的金属材料可与这些环境中的化学物质发生反应,形成氧化物或其他化合物,导致金属离子的逸出。电化学腐蚀是最常见的腐蚀形式,当钻杆与腐蚀性介质接触,尤其是在有水分的环境中,钻杆表面就可能形成微小的电池,促使金属发生离子交换,从而造成材料损失。同时,钻杆的某些区域(如切削头附近或接头部分)可能会形成阳极区域,那里的金属材料会较快地溶解,中国科技期刊数据库 工业 A-105-而其他区域则作为阴极较为保护。此外,腐蚀过
6、程还可能因局部应力集中而加速,称为应力腐蚀开裂。在承受拉伸应力的同时发生腐蚀的金属部位,可能会出现裂纹,进而导致材料性能下降,增加破裂的风险。2.2.2 腐蚀对钻杆寿命的影响 首先,腐蚀会逐渐减薄钻杆壁厚,这不仅减少了钻杆的承载能力,也降低了其对外部冲击的抵抗力。在腐蚀介质的长期作用下,钻杆可能会因为材料强度的减弱而出现断裂,尤其是在受到高应力集中的部位,如钻头连接螺纹等关键位置。其次,腐蚀过程中产生的凹坑和裂缝为疲劳裂纹的形成提供了初始点,这可能导致钻杆在没有达到设计寿命前就失效。此外,腐蚀产物的堆积可能会影响钻杆的连接效率,使得装卸钻杆变得困难,影响作业效率。2.3 结构疲劳 2.3.1
7、疲劳裂纹的形成 在旋挖钻进作业中,钻杆会不断承受循环载荷,这种反复的应力变化是疲劳裂纹形成的主要原因。裂纹通常起始于钻杆表面的微小缺陷,如划痕、凹坑或焊接缺陷等处,这些都是应力集中的区域,易于成为疲劳裂纹的核心。随着钻杆的持续使用,这些裂纹会逐渐扩展,沿着钻杆的高应力区域扩散。裂纹扩展的速率取决于多种因素,包括应力水平、材料性质、环境条件和钻杆的使用频率等。如果不及时发现并处理,疲劳裂纹最终可能导致钻杆的突然断裂,这种断裂通常发生在无任何明显外部征兆的情况下,对钻探作业的安全性和连续性构成严重威胁。2.3.2 疲劳对钻杆结构稳定性的影响 当钻杆在长期的钻探作业中反复经历应力循环时,即使这些应力
8、低于材料的屈服极限,也会逐渐损伤材料的微观结构,导致疲劳裂纹的产生和扩展。随着裂纹的不断扩大,钻杆的截面面积实际上减小了,这降低了钻杆的承载能力,增加了其断裂的风险。疲劳损伤的累积可能在无警告的情况下突然导致钻杆的灾难性故障。这种故障不仅可能导致昂贵的停机时间和维修费用,而且还可能危及作业现场的安全。此外,结构稳定性的降低也使得钻杆在受力时变得更加易于弯曲和变形,这会影响钻进的精度,进而影响到整个钻探项目的质量与效率。2.4 过载断裂 2.4.1 过载作用机制 当钻杆在钻进过程中遇到异常负荷,如遭遇难以钻透的岩石层、意外卡钻或操作不当导致的急剧负载增加,钻杆承受的实际应力可能远远超出其设计承载
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