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潜孔锤冲击挤密钻进机理及挤密钻头的设计与实验研究

曹品鲁  
【摘要】: 潜孔锤冲击挤密钻进技术集冲击钻进、振动钻进及空气钻进的优点于一体,钻进效率高,成孔质量好,在土质地层钻进工程中有着广阔的应用前景。挤密钻头的结构形式直接影响着钻进效率,是完善和发展该项技术的关键所在。 本文以接触非线性有限元理论为基础,借助通用有限元软件ANSYS建立了土体与钻具之间相互作用的有限元模型,分析不同类型挤密钻头的挤土机理及冲击载荷作用下土体的受力状态及应力应变分布规律,重点对最为常用的阶梯式钻头和圆锥钻头进行了对比分析,为合理地设计挤密钻头结构,提高冲击挤密钻进效率提供了理论依据。为了验证有限元模拟仿真结果,分别加工了五种挤密钻头进行室外试验,对其钻进效率进行了对比,试验结果与ANSYS模拟仿真结果一致。 由于阶梯钻头钻进效率高,本文利用基于APDL参数化语言的ANSYS优化设计模块,对阶梯钻头的台阶数目及其它结构尺寸进行了优化设计,以获得最佳钻进效率,并进行了试验研究,不但验证了ANSYS数值模拟的可靠性,而且为钻头结构的最优化设计提供了一种新思路和新手段。 分析了普通挤密钻头产生“桩效应”的原因,并借鉴土层滚压器旋压挤土的机理,设计了凸轮旋压式挤密钻头,并与普通圆锥钻头进行了对比试验。结果表明,凸轮旋压钻头钻进效率高,成孔质量好,为潜孔锤冲击回转挤密钻进技术提供了一种新工具。


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