FGQ-600型潜孔锤钻头冲击应力作用下强度可靠性分析
杨合，戚波，曹品鲁，陈宝义，博坤
（吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130061）
近年来，我国滑坡、泥石流等自然灾害频发，对经济发展和人民生命财产安全造成了极大威胁［1-3］，因此，灾害发生区域的岩土体稳定性建设和灾害快速治理至关重要。20世纪80年代以来，设置抗滑桩支挡［4-5］逐渐发展为滑坡、泥石流等灾害防治的重要手段，但是灾害发生区域往往地层条件复杂、地层破碎［5-7］，常规钻探技术容易引起孔壁坍塌等各种孔内事故［8］。大直径潜孔锤空气反循环跟管钻进技术集潜孔锤跟管钻进、空气反循环钻进于一身，依靠高压气体在冲锤上下端面形成压差，推动活塞往复冲击钻头进而达到碎岩效果，钻进速度快、排渣效果好，同步下入套管稳定孔壁，能够快速成桩，适用于坚硬、破碎地层，被广泛应用于地质灾害防治中［9-17］。大直径反循环跟管钻头是实现反循环跟管钻进的关键结构，同时起着直接碎岩的作用［9，15，18］。活塞碰撞钻头产生的应力波在钻头体内传播，遇岩石时会发生反射引起波的叠加，钻头总受力迅速增加［19-20］。且在钻进过程中钻头承受较大的冲击功，一旦发生故障将导致钻进效率低、进尺困难或无法进尺，严重时会延误灾害防治，威胁人民的生命安全［1，21］。因此，对大直径反循环跟管钻头进行应力传递特性及强度分析至关重要。
与常规反循环钻头不同，FGQ-600型潜孔锤钻头分为上、下钻头体，二者依靠悬挂销轴连接，通过轴槽配合实现跟管钻进。钻头体内有复杂的气体通道和变径机构，对钻头强度产生了一定的影响。因此，本文利用有限元分析软件［15，22］对冲击应力作用下的钻头强度进行分析，并对起下钻过程中悬挂销轴的强度进行了校核。
FGQ-600大直径潜孔锤反循环偏心式跟管钻头如图1（a）所示，钻头由上、下钻头体，悬挂销轴组成。上、下钻头体中心有相互配合的弧形凹槽与凸轴，二者依靠悬挂销轴连接。钻进前，下钻头体处于收缩位置，直径为530 mm。到达孔底后钻具带动上钻头体回转，下钻头体弧形凸轴受到上钻头体凹槽的挤推力而沿凹槽伸出，到达最大位置后在凹槽的限位作用下下钻头体随上钻头体一起回转实现大直径孔施工，钻孔直径为600 mm，如图1（b）所示。钻进时，活塞在压差作用下往复运动冲击上钻头体上端面将冲击功传递给下钻头体，进而实现碎岩。扭矩通过花键套传递给上钻头体的花键，之后通过环形凹槽与凸轴传递给下钻头体，同时上钻头体上的环形台阶带动套管随钻...
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