摘要： 全回转全套管钻机中平台是该钻机工作时的主要受力构件，针对全回转全套管钻机中平台的工作特点，采用ANSYS软件对起拔和下压两种工况进行静力学分析，为改善全回转套管钻机结构受力和结构优化设计提供理论依据。
Abstract： Full rotary casing drilling rig platform is main stress component while working. According to working characteristics of middle platform of full rotary casing drilling rig， two kinds of working situations—lifting and lining， and underdraught， are analyzed on statics by using ANSYS software， which provides theoretical analysis for improving structural stress and structural optimization design.
关键词： 全回转套管钻机；中平台；强度校核；有限元分析
Key words： full rotary casing rig；middle platform；strength checking；finite element analysis
中图分类号：TE922 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）12-0088-02
0 引言
全回转套管钻机是就地灌注的施工机械之一。在易塌孔和复杂地层地层，采用全回转全套管钻进工艺，配合如冲锤、抓斗等钻具，钻进岩石层和卵砾石层，对防滑坡和基础桩桩的进行施工。近几年，在城市一次开发利用的地区多次处理原有的基桩。施工时装有带回转钻头的套管，垂直钻入地基。旋进施工中套管一边保持孔壁，一边作往复圆周回转以及垂直钻进，进行强力钻削并压入地基。
全回转套管钻机工作时首先由夹紧油缸加紧套管，然后回转马达驱动套管对土进行360°旋转切削，最后由起拔油缸带动套管上下运动。夹紧油缸在夹紧套管时有两种基本形式。一种是中平台固定夹紧油缸带动上平台上下运动进行夹紧。另一种是上平台固定夹紧油缸带动中平台上下运动进行夹紧。本文以中平台固定上平台随动的全回转套管钻机为研究对象，对其上中下平台进行强度分析，为结构的进一步改进提供基础。
1 全回转套管钻机的组成
全回转套管钻机主要由全套管钻机机架本体、夹持装置、回转装置、压入起拔装置四部分构成。其中全回转套管钻机机架本体是整个钻机的主要支撑构件，它主要由上平台、中平台和下平台组成。上平台与中平台通过夹紧油缸连接，夹紧油缸带动上平台、楔形块向下运动对套筒进行夹紧。中平台与下平台由四个起拔油缸连接。下平台带调平油缸对地面不平引起的机器偏斜进行调整，保证钻孔垂直度。其结构如图1所示。
2 全回转套管钻机中平台受力析
本文主要探讨全回转套管钻机中平台受力最大的两种工况：钻进工况与套管起拔工况，中平台的结构受力及强度校核。如图2所示。钻进状态的受力简图如图2a所示，夹紧油缸提供夹紧力F1将套管与中平台相对固定，然后由回转减速机提供扭矩T使套管进行360°旋转，起拔油缸提供压入力F2使中平台受向下力，使套管边旋转边下压。F3为楔形块楔紧套管时对中平台产生的反力与中平台重力的合力。由于中平台在两种工况下主要载荷都是竖直的，水平方向上受力可以忽略。
3 全回转套管钻机中平台静力学分析
ANSYS系统对每一个单元进行刚度矩阵后，叠加生成总体体刚度矩阵，生成节点载荷，通过引入位移边界条件修正总体刚度矩阵和载荷向量后，开始求解位移方程而得到各个位移值，再次调用单位刚度矩阵计算各个单位的内力，各个位移约束处的反例等[1]。针对全回转套管钻机的压入和起拔工作工况，对中平台进行有限元分析，求解完毕后的输出结果包括位移和应力云图，该应力是按照第四强度理论分析计算的。
建立全套管回转钻机中平台模型的假设和简化如下：①材料为均质材料；②在有限元分析时，所有外载荷均按集中载荷进行加载，除重力外；③对焊缝处的材料、强度简化为与母材完全相同。
中平台有限元模型使用Q345B材料，材料密度为7.85×103kg·m-3，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3。根据150型全回转套管钻机施工时的实际情况进行加载分析，按照全回转套管钻机的实际尺寸进行三维建模，约束载荷均与实际施工情况相同
3.1 全回转套管钻机钻进工况中平台分析 全回转套管钻机在最大扭矩1468kN-m和最大下压力360kN状态下进行钻孔，夹紧套管时夹紧油缸的反作用力也由中平台承受。计算结果如图3和如图4所示。
由图3可知，最大位移值为1mm，发生在中平台导套处，变形量符合使用要求。从应力图4可以看出，在最大扭矩和最大下压力的极限状态时，中平台应力较小，安全系数较大，中平台满足使用要求。
3.2 全回转套管钻机起拔工况中平台分析 全回转套管钻机在起拔状态时，中平台承受马达减速机反作用的最大扭矩1468kN-m，同时还承受起拔油缸给中平台的向上最大起拔力2430kN，夹紧套管时夹紧油缸的反作用力也由中平台承受。计算结果如图5和如图6所示。
从变形图5可以看出，最大位移发生在中平台导套上，其值为3.2mm，变形量满足使用要求。从应力图6可以看出，应力最大为265MPa，低于材料的屈服强度，所以安全。中平台应力最大应力满足材料强度要求，但安全系数较小，焊接时必须保证焊缝质量，如果焊缝处存在残余应力，也是很危险的。
4 结论
4.1 全回转套管钻机中平台承受载荷比较大比较复杂，以上分析可以看出全回转套管钻机起拔工况中平台承受载荷最大，最大应力点、最大变形都发生在导套处，在设计时要保证导套与中平台体连接处强度。
4.2 起拔工况时导套处变形量过大，在工作时上平台与中平台配合处容易产生卡滞现象，设计时要保证导套足够刚度。这样才能保证全回转套管钻机的使用寿命。
参考文献：
[1]邢静忠，王永岗，陈晓霞等.ANSYS分析实例与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2]李志刚，王放.铝合金内胆端部螺纹强度校核[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2010/03.
[3]王桂平，刘国彬.考虑时空效应的软土深基坑变形有限元分析[J].土木工程学报，2009/04.