旋挖鉆機是目前基礎施工中常見的鉆孔灌注的施工機械，而鉆桿是鉆機的一個重要部件。鉆桿結構至關重要，一方面鉆桿能力的強弱決定了鉆機能夠使用什么樣的鉆頭，而鉆頭的形式直接決定了鉆孔的工效和地層適應能力。另一方面，設備本身的動力配置、動力頭扭矩、液壓系統、卷揚拉力以及支撐結構的設計也都是圍繞鉆桿結構和能力進行的，以使整個系統的配置最為合理。目前國內旋挖鉆機都以大噸位為主，其底盤可分兩大類：一類是安裝在自行設計的專用旋挖鉆機可伸縮履帶底盤上；另一類安裝在進口重型液壓可伸縮履帶底盤上（多數是卡特彼勒底盤）。下面是國內旋挖鉆機常見的配置：

發動機功率（kw/r/min） 242.55/2 100

　　動力頭最大轉矩(kN·m) 200

　　最大旋挖速度(r/min) 22

　　鉆孔深度(m) 60

　　鉆孔直徑(mm) 2000

　　整機質量(t) 68

有的還有配備20KN的加壓點以應對硬地層施工。

抗扭截面系數公式

現象（一頭沉）。個別嚴重的發生過側翻現象，雖然主要原因是沒有按照操作規程操作，但是一頭沉也是導致側翻的一個因素。這就要對鉆桿的設計進行優化，在滿足強度的要求下減輕重量。

鉆桿分為摩阻式與機鎖式。機鎖式又分為間斷式和齒條式。摩阻式鉆桿用于普通地層鉆進，機鎖式用于堅硬地層鉆進。旋挖鉆機工作時，鉆桿同時承受拉壓、剪切、扭轉、彎曲等復合應力。下圖是鉆桿受力模型示意圖。

圖1、 鉆桿受力模型示意圖

一、本文將以摩擦鉆桿為例介紹鉆桿的結構優化過程。圖2是一種鉆桿的斷面圖。利用Solid3000軟件尺寸驅動的特點可以非常快速的做出各種配管方案，各節鉆桿之間的理論間隙值也就隨之更新。能夠讓我們在已有的鋼管規格中篩選出最合適的配管方案。

圖2 一種摩擦式鉆桿斷面圖

二、確定好配管方案后，就利用Solid3000建立三實體造型，并在裝配環境中利用干涉檢查、測量等工具及時發現設計中的潛在缺陷。做到這一步我們只完成了鉆桿的初步設計，優化設計是要根據運動學仿真和有限元分析進行的。通過數據接口將Solid3000的設計方案導入到MSC 4D軟件中進行運動學仿真和有限元分析。

圖2 鉆桿裝配圖 方頭部分

圖3 鉆桿裝配圖 扁頭部分

三、鉆桿的工作原理：鉆桿在施工中將動力頭的扭矩傳遞到孔底的鉆頭上，并且還將液壓缸的壓力、動力頭自重和鉆桿自重等鉆壓穩定地傳遞到幾十米以下的鉆頭上。當鉆進較堅硬的地層時，鉆桿可能同時承受大扭矩和大鉆壓，使得鉆桿的受力條件變得非常復雜。針對這些具體情況確定分析方案為：①、對于鉆桿整體進行運動學仿真，可以了解鉆桿在不同工作狀態下的運動情況；②、對于關鍵的零部件則進行有限元分析，了解關鍵的零部件能否正常工作。下面是所做的一些分析例子：

1、花管部分的回彈現象：在鉆桿正常下降過程中我們可以發現在花管部分有一個回彈現象，這是由于鉆桿的彈性碰撞引起的。同其它分析結合可以對花管部分進行改進。

2、方頭傳遞來自動力頭的扭矩，其能否正常工作對施工進度起著非常重要的作用。通過有限元分析可以及時發現設計中的不足，優化結構設計。保證產品在各種惡劣環境下安全、可靠的工作。下圖是對于方頭正常受力和受外力撞擊等原因引起的側向力時引起的應力集中現象。能夠幫助我們優化設計或者分析產品在惡劣環境下工作的可靠性。

小結：在鉆桿設計中引入Solid3000作實體造型、MSC 4D進行運動仿真、有限元分析等先進設計手段，對產品不斷進行優化設計。通過降低面壓、分散負荷等方法，實現鉆桿的長壽命、安全可靠設計。在滿足強度要求的前提下減輕了鉆桿的重量。以5×13米摩擦式鉆桿為例：鉆桿總重由最初設計的8.72噸優化到目前的7.91噸（減重10.2％）。這對旋挖鉆機的整車受力分布及鋼絲繩使用壽命有明顯改善。