螺旋钻杆是物探钻孔、锚杆钻孔等的常用工具，其主要参数有中心管外径、中心管壁厚、螺旋升角、螺旋外径、叶片厚度等。为了能够以最少的试验次数，实现螺旋钻杆参数的优化设计，利用正交试验法，结合有限元计算，对螺旋钻杆进行分析。根据经验设定螺旋钻杆的外径150mm，长度3m，钻杆重量70kg，施加阻力扭矩1000N·m。

 

　　正交试验法是应用正交表的正交原理和数理统计分析，用最少的试验次数优选出各因素较优参数或条件的组合[2]。常见的正交表类型和格式见表1。

 

　　本次试验采用正交表如表3，这里“L”表示正交表；“9”表示总共要作9次试验；“3”表示每个因素都有3个水平；“4”表示这个表有4列，最多可以安排4个因素。

 

　　表2因素水平表

 

　　正交设计在挑选代表点时有两个特点：均匀分散和整齐可比。“均匀分散”使试验点有代表性；“整齐可比”便于试验数据的分析。整齐可比指试验点在试验范围内排列规律整齐；均匀分散是指如果将正交设计的9个试验点点成图，我们发现9个试验点在试验范围内散布均匀[3].[4]。

 

　　2.强度试验分析

 

　　（c）叶片加载截面径向受力曲线（d）内螺旋受力曲线（e）外螺旋受力曲线

 

　　图2试验1曲线

 

　　因篇幅所限，只列出试验1的强度云图及曲线如图1、图2，其他略掉。仿真试验中各因素可以随意安排，本例按A、B、C、D依次安排。并在正交表的右边加“最大应力”（最大应力来自上图的有限元分析）栏，下边加Kij和Rj记录栏（见表4）。

 

　　分析计算结果，找出各因素对考核指标影响的主次顺序。采用极差分析法，首先计算各因素不同位级考核指标的极差Rj。

 

　　由Rj值的大小可看出，各因素对考核指标（最大应力）影响的主次顺序为：B、A、D、C。

 

　　确定各因素的较优位级组合。由表4中K1j、K2j、K3j的大小可看出，各因素较优位级组合为：A3B3C3D1。

 

　　从表4可以看出，中心管直径越大、叶片越厚、中心管壁厚越大、螺旋升角越小，钻杆的强度越大。

 

　　3.刚度试验分析

 

　　图3、图4、图5例举了试验1、试验2、试验3的位移云图。各因素可以随意安排。本例按A、B、C、D依次安排。并在正交表的右边加“最大位移”（最大位移来自上图的有限元分析）栏，下边加Kij和Rj记录栏（见表5）。

 

　　分析计算结果，找出各因素对考核指标影响的主次顺序。采用极差分析法，首先计算各因素不同位级考核指标的极差Rj。

 

　　由Rj值的大小可看出，各因素对考核指标（最大位移）影响的主次顺序为：A、B、C、D。

 

　　确定各因素的较优位级组合。由表5中K1j、K2j、K3j的大小可看出，各因素较优位级组合为：A3B3C3D2。

 

　　综合考虑钻杆的强度和刚度特征，分析表4和表5，确定各因素较优位级组合。由表4可见C2与C3相差较小，且C是最次要影响因素，而表5中C也不是主要影响因素，且C2与C3相差不大，所以考虑降低钻杆重量，实现最大经济效益，中心管壁厚选7mm最合适；由表4可见D不是主要影响因素，而表5中D是最次要影响因素，且D2最小，故综合考虑，螺旋升角选20°最合适，这也是与实验分析相吻合的，能够实现最好的输土效果。所以选用A3B3C2D2方案，钻杆在强度上和刚度上都好于其它参数匹配的钻杆，且3m长钻杆质量是72.56kg，满足要求，为最优方案。

 

　　4.结论

 

　　螺旋锚杆具在土体性态、钻孔参数和所需功率确定后，对于刀具来说，一般宜采用低速大扭矩切削；对于输土的螺旋来说需要较高的转速。将锚杆动力装置设计为同轴心双驱动，刀具与低速内杆连接，外螺旋与高速连接，以双转速进行动力供给，可充分发挥螺旋锚杆钻具的作用，减少不必要的功耗。

 

　　本文在螺旋钻杆仿真分析过程中，利用正交试验法，对螺旋钻杆进行有限元分析，确定螺旋钻杆的最优参数为A3B3C2D2，结果显示此方法可以实现螺旋钻杆参数的优化设计。

 

　　参考文献：

 

　　[1]鄢泰宁.岩土钻掘工程学[M].武汉：中国地质大学出版社，2001，15~17.

 

　　[2]曾德超.机械土壤动力学[M].北京：北京科学技术出版社出版，1995：705~712.

 

　　[3]郭峰.岩土掘削的数值分析新方法与新型装置的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007：1~6.

 

　　[4]赵伟民，顾迪民，迟大华，牛红.螺旋钻具上的土的动力分析[J].哈尔滨建筑大学学报，1999(4)：90~93.