《岩土工程用泵》PPT课件.ppt

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1、,第二篇 岩土工程用泵,第一章 概述,1-1 岩土工程用泵的类型与用途,泥浆泵 离心泵 沙石泵,螺杆泵,混凝土泵,1-2 钻孔工艺对泵的要求1.泥浆泵的流量应能在较大范围内方便而迅速地调节，以便适应不同钻进条件下对冲洗液量的要求;2.泥浆泵的流量应趋于稳定,流量的波动愈小愈好；3.泥浆泵排送的冲洗液必须有足够的压头；4.在一定工况下，泥浆泵的流量应不受压力变化的影响；5.泥浆泵中液力端的零部件的数量应尽可能少,耐磨性高，且维修方便；6.要求泥浆泵重量轻、体积小、解体性好。,1-3 洗孔参数的确定 一、冲洗液量的确定 一般认为，从能排出岩粉出发的冲洗液量能够满足冷却钻头的需要。其确定计算为：冲洗

2、液的上返速度v必须大于重量最大的岩屑在冲洗液中的沉降速度，即:v=v0+u m/s 一般可取：u=(0.10.3)v0 则：v=(1.11.3)v0,关于岩屑在冲洗液中的沉降速度v0的理论计算方法：假定岩屑为球形，则其重力为：,岩屑在液体中的浮力为：,球形岩屑在液体中的沉降阻力为：,G,P,R,当G大于P时，岩屑下降，速度逐渐增大，R值也随之增大。由上面几个式子可得平衡式：,则可得沉降速度为：,式中K为岩屑形状系数，对于圆形岩屑K取44.5，不规则形状的岩屑K取2.51。此式即为雷霆格尔公式。式中K取决于阻力系数C。,由实验数值建立起来的阻力系数C与运动物体雷诺数Re的关系可以较精确的确定C值

3、。Re值按流体力学可分为三个值区，不同值区的阻力系数R不同，沉降速度v0也不同。,二.压力损失的确定,冲洗也在循环系统中的压力损失有下式计算:,(一)在钻杆内的压力损失:,(二)在环状空间中的压力损失:,(三)在接头中的压力损失:,(四)岩心管和钻头中的压力损失由相关资料可以查的。,三.洗孔功率,洗孔功率就是泥浆泵的输出功率或有效功率,即:,1-1 往复泵的工作原理及其分类,一、往复泵的工作原理,第一章 往复泵,二、往复泵的分类 1、按作用次数划分：单作用泵和双作用泵 2、按活塞的形式分：活塞式和柱塞式 3、按缸的数目分：单缸、双缸和三缸 4、按往复次数分：低速泵、中速泵和高速泵 5、按压力大

4、小分：低压泵、中压泵和高压泵,一、理论平均流量 往复泵在单位时间内排送的液体体积的理论平均值由泵的每个液压油缸在单位时间内完成的每个排出行程中扫过的体积总和决定。对于单作用泵:对于双作用泵：,1-2 往复泵的流量,二、理论瞬时流量及流量不均匀度 1.往复泵每个液缸无杆腔排送液体的理论瞬时流量为：2.往复泵每个液缸有杆腔排送液体的理论瞬时流量为：,活塞的运动是有曲柄-连杆机构带动的，因此，活塞的运动速度可用下式近似计算：,往复泵每个液缸无杆腔排送液体的理论瞬时流量又可为：或 往复泵每个液缸有杆腔排送液体的理论瞬时流量又可为：或 由上面的式子可以看出：理论瞬时流量的变化规律近似地按正弦规律变化。两

5、者的 区别仅在于有杆腔的活塞杆占据了一定的体积，因而理论瞬时流量稍小于无杆腔。多缸泵的理论瞬时流量使所有液缸在同一瞬时流量的叠加值，其合成曲线也按正弦规律变化。,下图是不同液缸数的单作用往复泵的理论瞬时流量曲线图:,单缸单作用,双缸单作用,三缸单作用,四缸单作用,为了 表示各种往复泵流量的不均匀度，引入流量不均匀度系数，其取值经常用最大和最小理论瞬时流量的差值与理论平均流量之比表示。一般取值如下表：,三、实际流量及流量调节 往复泵单位时间排出液体的体积量称为实际流量，以Q表示，实际流量小于理论流量，其表达式为：实际流量减小的原因：1.吸入过程，当吸入管路中的压力较低时，将会从吸入液体中分离出溶

6、解在液体中的气体；2.当吸入管路密封不严时，外界空气也会渗入泵缸内，使得吸入液缸内的液体量减少；3.排出过程开始时，由于泵阀滞后活塞的运动，这时吸入阀滞后关闭，使吸入到泵缸内的液体倒流;4.排除过程，随着泵缸内压力的升高，接受活塞能量的液体会经液力端各密封处泄露，减少液体的排除量。,由理论平均流量公式可知，往复泵调节流量的方法有：1.改变活塞的往复次数；2.改变缸套和活塞杆直径；3.改变活塞的往复行程；,1-3 往复泵的压头,一、实际液体不稳定流的伯努利方程 在往复泵中，活塞运动的速度是变化的，因此，液流量是不稳定的。在不稳定流量中，速度和压力不仅是位置的函数，也是时间的函数，所以，理想液体不

7、稳定流的伯努利方程式为：可以看出，它比理想稳定流的伯努利方程多一项，这一项是液体变速运动产生的，称为惯性水头，即：当液体在管路中流动时，管路截面一般是不变的，若沿管路流动方向上的变动加速度 不变，则惯性水头为：因此，实际液体不稳定流的伯努利方程为：,二、吸入过程液压缸内压头变化规律,左图是往复泵吸、排水示意图。吸入过程吸入管路始、末端液流截面的能量平衡方程式为：,整理后可得吸入过程液缸内压头变化的关系式：下面逐项分析式中各项与活塞位移x关系：（一）和 值 在确定的工况下均为定值，它们与活塞位移x无关。（二）速度水头,（三）惯性水头（四）阻力水头,（五）吸入阀的损失水头,a,b,d,c,0 r

8、2r,0 0 0 0,三、往复泵的吸入高度 为了保证正常吸入，液缸内最小吸入压头 必须大于饱和蒸汽压头，即：吸入开始时，液缸内压头最小。X=0，则有：往复泵的安装高度为：最大允许安装高度为：,四、往复泵的有效压头往复泵的有效压头可用下式表示：有效压头可简化为：在冲洗液循环系统中，泵的有效压头为：,1-4 往复泵的功率和效率,一、往复泵的功率（一）泵的有效功率：或（二）泵的轴功率：（三）泵的转化功率：,二、往复泵的效率（一）泵的容积效率：（二）泵的水力效率：（三）泵的转化效率：（四）泵的机械效率：（五）泵的总效率：,三、泵的驱动功率 当 时，=1.21.5;当 时，=1.051.2。,1-5 空

9、气室的工作原理与计算,空气室的计算：空气室的有效容积：因：所以：则：,空气室对应于预压力的气体平均容量V0,按等温过程有：一般空气室的体积V为：,1-6 往复泵的工作特性及其运行,一、往复泵的特性 理论上说往复泵的泵量不随泵压的变化而变化，而实际上往复泵的泵量随泵压的上升，由于泄漏量的增加而有所减小。,Q,0,P,Qtp,Q,二、往复泵管路的特性,往复泵管路中损失的总水头可用下式计算：,令：,则：,三、往复泵与管路的联合特性,四、往复泵的临界工作特性1、以泵的主要传动件的强度极限作为泵的临界工作条件2、泵的强度足够、以泵配备动力机输出的最大功率为临界工作条件3、如果管路的耐压强度底，以管路的耐

10、压强度为临界工作条件,Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,P1 P2P3P4 P5,第三章 螺杆泵,2-1 螺杆泵的结构与特点,一、螺杆泵的结构,二、螺杆泵的特点1、结构简单、重量轻、体积小、易损减少；2、流量和压力波动小，运动较平稳；3、衬套螺杆副的制造工艺较复杂，使用寿命短。,2-2 螺杆与衬套的形状 一、螺杆的形状,二、衬套的形状,2-3 装配状态的衬套螺杆副,2-4 衬套螺杆副的运动状态,2-4 螺杆泵的流量、压力和功率一.流量 泵的实际流量：泵的理论流量：二.压力 三.功率和效率 泵的输出功率：泵的输入功率：泵的总效率：,第四章 离心泵,3-1 离心泵的构造,离心泵示意图：,离心泵由多种形

11、式，可按下列特征分类：1.按泵体形式分类 2.按吸入方式分类3.按级数分类 4.按泵壳形式分类,窝壳泵,导叶式泵,单吸式,双吸式,单级泵,多级泵,阶段式,筒式,中开式,常见的几种离心泵的典型结构：1.单级单吸悬臂式窝壳泵,2.单级双吸式离心泵,3.节段式单吸多级泵,3-2 离心泵的工作原理,叶轮内液面的速度 为便于研究液体在叶轮泵中的流动规律，作如下假设：1、通过叶轮的液流，看成是无数层流面的总和，各层流面的流动互不干扰，液体的流线在流面上；2、叶轮具有无限多叶片，液体质点完全按照叶片形状规律的轨迹运动；3、液体在叶片间的流动呈轴对称。,工作原理：液体以绝对速度流入叶片进口，当叶轮以角速度旋转

12、时，半径为的叶片进口处的圆周速度等于，则和的向量差等于液体对叶轮进口的相对速度。其后液体沿叶轮流道流动，在叶轮出口，以同叶片曲面或切线方向的相对速度流出叶轮。它与叶轮出口的圆周速度的向量和等于叶轮出口的绝对速度。,二.离心泵的基本能量方程 根据动量矩定理，通过叶轮的流体对旋转轴的动量矩的时间变化率等于给液体施加外力的叶轮对同一旋转轴的转矩。则叶轮的旋转力矩为：叶轮的轴功率为：叶轮数无限多时的理论扬程或欧拉扬程（欧拉方程式）为：,由叶轮内液体的速度图可得：带入欧拉方程式可得：,如果叶片进口的绝对速度没有圆周分量，即a1=90度、则欧拉方程式变为：,又根据出口速度图可得此时的欧拉方程式为：,反应系

13、数 如前所述，叶轮传给液体的能量有动扬程和静扬程之分，这两者的比例会对离心泵的性能产生很大的影响。为了表示这一比例，定义了反应系数，它是用静扬程相对总扬程的比值来表示的：或者：对于普通离心泵：,由上式可得叶片出口角 和反应系数 R 的关系为：后弯叶片：径向叶片：前弯叶片：以上关系表明，当 时，叶片产生的静扬程占总能量的一半；当 时，静扬程占总能量的一半以上；当 时，静扬程达不到总能量的一半。离心泵叶轮出口角，一般在 范围内。最多采用的是,四、有限叶片叶轮的理论扬程,第三篇 钻 塔,第一章 钻塔的类型和结构 第一节 钻塔的类型及其参数 一、钻塔的使用要求 钻塔是钻探设备的重要组成部分。它用于安放

14、天车和悬挂游动滑车、大钩、提引器等，以便提放钻进设备和工具、起下和存放钻杆、起下套管柱等。对钻塔的使用要求是：（1）应有足够的承载能力，以保证能够起下或者悬持一定长度的管柱（钻杆柱 套管柱）；（2）应有足够的有效高度和空间，以安放有关设备和工具。钻塔的有效高度直接影响立根长度，因而直接影响起下钻速度。钻塔的上顶尺寸应能安装天车并考虑检修的方便；底框大小应考虑钻机及其他设备的安装、钻场的合理布置及工人的操作安全。钻塔内部空间尺寸不宜过窄，否则使游动滑车运行不便，影响钻工的视野及操作安全；,（3）应有合理的结构，尽可能减轻自重使钻塔轻便化；钻塔的结构应便于拆装、运移和维修。尽可能采用水平安装及整体

15、起放等快速而安全的安装方法；（4）尽可能降低成本 目前钻塔有向轻便化及整体起放的发展趋势。金刚石绳索取芯钻进技术的推广和应用，使钻进过程中起下钻作业比重不断下降，从而用轻便钻塔或桅杆代替笨重的四脚钻塔，可以获得较好的经济效益。在钻塔设计和制造中，提高钻塔的运移性、整体起放和减轻自重，受到特别的关照。二、钻塔的类型 钻探中使用的钻塔类型很多。通常将桅杆（独杆式、小断面桁架结构式、封闭板箱结构式）、三脚架、四脚钻塔等统称为钻塔。制造钻塔的材料，除了轻便的三脚架尚有采用木材的以外，一般均用钢材（型钢、管材）。钻塔按其结构特点分为：,（1）四脚钻塔 它是一种横截面为正方形或矩形的空间桁架结构。所谓桁架

16、结构，是利用单件重量不大的杆件，组成大尺寸的刚性结构体系。这类钻塔，其内部具有较大的空间，承载能力和稳定性均较好。图示为石油钻井用的四脚金属钻塔。空间桁架结构形式的钻塔，一般能够靠自重稳定，绷绳在这里仅作为保险机构而不作为基本支承。,（2）三脚钻塔 包括木质脚架、钢管或铝合金管材制的轻便三脚架。,（3）A型钻塔 用小断面桁架结构或管子组成的两脚式钻塔。这种钻塔要用绷绳及自身的支架使之获得整体稳定。A型钻塔可减轻钻塔自重，整体立放。,（4）桅杆 有独杆式、管式、封闭断面式和小断面桁架结构式等多种形式。不能靠自重稳定，绷绳在这里作为基本支承构件使桅杆整体稳定。桅杆自重轻，便于整体立放。,1,2,3

17、,三、钻塔的基本参数 钻塔的基本参数有：钻塔高度和二层台高度、额定负荷和最大负荷、顶部尺寸和底部尺寸、自重等。（一）钻塔高度H和立根长度L 钻塔高度是指塔腿支承面到天车轴轴线之间的距离。合理的塔高受以下两个因素制约：一是尽量缩短起下钻作业的时间消耗，二是尽可能降低制造、安装及运移的成本。回转钻进用钻塔高度H由下列公式计算：HLh1h2h3h4h5Lh（31）式中 H钻塔高度，m;h1孔口装置的高度及垫叉厚度，根据所用的拧管装置 确定，m；h2立根卸开时所必须的最小距离，决定于钻杆接头螺纹的长度，m；h3提引器高度，一般为0.50.6m；h4 大钩和动滑车高度，一般为0.8m；,H,L,h5,h

18、4,h3,h1,h2,H5过提安全高度，一般取24m，塔高为12m时，取 3m；塔高为2225时，取4m；L立根长度，一般规定如下：表31 在初步确定塔高时，可按下式计算：HpL 式中 p系数，与起下钻具的尺寸和过提高度有关，一般为1.251.4；立根短、提升速度快时，取大值。由此可见，钻塔高度直接与立根长度有关。增加立根长度可以缩短起下钻作业时间，但加大立根长度使钻塔高度增大，从而使钻塔的制造成本增加，同时也增加了钻塔运移安装费用。因此，存在着合理的经济立根长度，这 就是使消耗于起下钻作业的费用和钻塔折旧费及其安装运输费用最小的最优经济立根长度。,令S为钻进一个钻孔与立根长度有关的成本费用，

19、它包括起下钻的费用和钻塔折旧费及其拆迁安装费用，可用下式表达：（33）式中 A每米钻塔的制造成本；K钻塔折旧率，即每副钻塔能钻进的钻孔数目；B安装拆卸每米钻塔的成本；C起下钻作业每小时成本；钻一个钻孔过程中起下钻杆立根的总长度；,（34）式中 h平均回次进尺；T起下一根立根所需的平均时间消耗；pH/L1.251.4;H0孔深，m。,由式（33）知，总成本是立根长度的函数。令ds/dL0，得最优经济立根长度为：（35）由式（45）计算得到的最优经济立根长度，还应进行立根稳定性校核。搁靠于二层台折立根，可以近似地视为两端铰支的压杆，在其上作用有集中载荷，大小等于立根自重的一半。两端铰支受集中载荷的

20、压杆稳定计算公式为：,（36）式中 由两端支点性质所决定的系数。两端铰支时，1，则临界长度应是：（37）式中 q立根每米重力，N/m；Llj立根的临界长度，m；E管材的弹性模量，Pa；J管材断面的轴惯性矩，m4；,实际选用的立根长度L应小于临界长度Llj。即：LLlj/（38）式中 稳定储备系数，1.21.3。计算所得的结果应圆整到标准钻杆的长度。钢绳冲击钻进用的钻塔高度，决定于整套冲击钻具的长度，包括冲击钻头，冲击钻杆，钢绳卡等的长度。同时，在钢绳冲击钻进时，还应考虑到在套管内用抽筒捞砂的工艺要求。因此，该种钻塔的高度应满足下列条件：HLtLe(2.53)m(39)式中 Lt套管在孔中外的长

21、度，Le抽筒长度，式中第三项是天车与抽筒之间必要 的距离。,（二）钻塔大钩起重量 钻塔大钩起重量是钻塔承受钻进过程中所产生的载荷能力。有额定起重量和最大起重量两项指标。钻塔大钩的额定起重量是相应于额定孔深和额定终孔直径时所用钻具或套管柱重量而产生于钻塔的静负荷。可用下式计算：QnqH0k1k2(310)式中 H0孔深，k1接头加重系数，(k11.051.1）；k21m/s考虑泥浆浮力的系数，k20.85；m泥浆密度 s钻杆钢材密度。大钩最大起重量，除了静负荷外还应考虑提升钻柱时的磨擦阻力、动载、卡钻等因素。QmaxqH0k1k2k3(1a/g)(311)式中 k3卡钻系数，k31.52；浅孔取

22、2，深孔取1.5；石油钻井中k31.25；a提升钻具时大钩处的平均加速度。,（三）钻塔的天车载荷Q0 钻塔的天车负载能力根据大钩最大载荷确定。升降系统采用两种不同的滑车系统：有死绳的滑车系统和无死绳的滑车系统。若不计滑车系统的效率，则滑车系统中钢绳的拉力（包括动绳和死绳）均相等，它等于 PQmax/m(312)式中 m滑车系统中工作钢绳数目。则钻塔天车负载的计算分别为：1.有死绳的滑车系统 Q0Qmax2PQmax(12/m)(313)2.无死绳的滑车系统 Q0Qmax2PQmax(11/m)(314)式中忽略了快绳和死绳拉力方向与铅垂线间微小夹角的影响。,（四）钻塔的上顶、下底尺寸 钻塔上顶

23、尺寸是指上顶大腿轴线安装天车梁底面的平面尺寸。它决定于天车的尺寸及其布置方法。考虑到对天车维修保养方便及操作安全，天车轮缘到上顶框架边的距离不应小于0.40.6m。钻塔下底尺寸应根据设备的布置、操作、维修及安全规程的要求确定，并考虑存放钻具所需钻场面积。上、下底尺寸之间是相互关联的。其尺寸之间的合理配备，关系到钻塔的整体稳定性和经济性。对A型钻塔及桅杆，由于设备不是安装在底框，因此不受设备安装的限制。（五）工作台高度 岩芯钻探中广泛采用活动工作台，可以停留在任意高度进行必要的塔上作业。但是对钻塔而言，有两层台板的高度必须加以考虑。其一是上部搁靠立根的工作台应略低于立根长度11.25m；其二是下

24、层台板高度应适合于对机上钻杆及水龙头的操作需要，一般距离塔底33.5m。（六）大门高度 钻塔 大门高度应能满足用绞车从塔外拉进标准长度的钻杆。,（七）钻塔自重G 钻塔自重与钻塔的类型、结构、天车负荷及材料有关。常用钻塔自重系数来衡量钻塔设计的优劣。自重系数是一项技术经济指标。它用下式表达：KG/HQmax(315)式中 K自重系数；H塔高，m；Qmax钻塔的最大大钩起重量，kN；G钻塔自重，N。在保证钻塔有足够的强度和稳定性的前提下，降低自重系数有重大意义。它对于节约金属材料，降低制造成本，节省安装运输费用有直接作用。我国目前使用的SG系列管式四脚金属钻塔，与同级的角铁四脚钻塔相比，其自重系数

25、大大降低。在设计钻塔时，利用同级别的钻塔自重系数初步估算自重载荷，以便根据钻塔杆件所受应力确定其断面尺寸。然后，再将实际的钻塔自重与初选自重对比，如果其差值在计算的安全系数许可范围内，则无需调整。否则，需进行适当修正。,一、钻塔的结构形式,钻塔的整体结构形式 塔形 三角形 A字形 桅杆形2.钻塔桁架面形状 梯形 三角形 矩形3.内部腹杆的布置形式 人字型 交叉型 菱形,第二节 钻塔的结构,内部腹杆的布置原则：(1)形状简单,加工方便;(2)使桁架面构成几何稳定型;(3)杆件的内力分布要均匀;(4)在满足刚度与强度的条件下,尽可能减少杆件的数目、接点的数目及类型、腹杆的长度;(5)尽可能减少杆件

26、的类型;(6)尽可能做到长杆受拉、短杆受压。3.接点的结构 钻塔各杆件多用接点板连接。对接点板的要求是：结构简单、尽可能不出显锐角、尖角不暴露在杆件之外。各杆件在接点板上的连接原则是：各杆件的重心线应汇交与一点。,二、四脚钻塔 四脚钻塔是由四个桁架面构成的空间桁架。按用途可分为直塔和斜塔两类，分别用于钻进直孔和斜孔。但斜塔也可用打直孔的。管子四脚钻塔已经形成产品系列，有：塔高分别为18m和23m的SG18和SG23型直塔；塔高为13m和17m的SGX13和SGX17型斜塔。此外还有塔高为23m的SGX23型重型直塔。图33为17m角钢四脚钻塔桁架面结构 示意图。两个侧面桁架结构相同，后桁架面

27、也与侧面相同，而前桁架面为了便于将钻杆 从钻塔外用绞车拖进钻台，大门处的结构略 有不同。钻塔各结点的结构细节，与结点A 的结构图相似。在下层塔腿短节6上焊有连 接板5。上层塔腿短节4、横拉手2、上斜拉 手3、下层斜拉手1均用螺钉与连接板联结。,图34为12m角钢四脚斜塔结构示意图。其特点是前后桁架面结构相同，但不对称。前面桁架面与水平面的夹角打斜孔的最大角度。若以后面桁架面作下面安装钻机时，则可用于垂直也钻进。侧面桁架面由于横拉手长度较大，采用人字形结构。,图35为SG18管子四脚钻塔结构示意图。塔腿和横拉手为钢管构件，斜拉手为钢筋构件。每组斜拉手中的一根是定距斜拉手，别扭一根是安装有调距器的

28、调距斜拉手。根据力学计算，十字形桁架结构中的两根斜拉手，当钻塔承受水平风载时，其中一根为受压杆，而另一根为受拉杆。该钻设计中采用调距斜拉手，以便斜拉手拉紧后承受一定的预定力，从而保证了结构的刚度。只有这样，才能承受额定载荷。如果斜拉手不作预拉紧，将降低钻塔的负载能力。这是使用SG型预拉紧管子四脚钻塔所必须注意的事项。,三、A型钻塔 A型钻塔是一种结构简单的轻便钻塔。广泛应用于石油钻井设备中。近年来已经开始应用于岩芯钻探设备。A型钻塔的两根塔腿有管式和桁架式两种。与同级四脚钻塔相比，A型钻塔结构简单、重量轻、可整体竖立和安装、运移方便。图37为一种桁架式两脚钻塔。塔腿是由三根733.25mm的岩

29、芯管组成的结构件，其横截面呈等腰三角形，管子之间用圆钢作为横拉手焊接起来构成一个整体。每根塔腿分为三节，用法兰5联接。用三节组合的钻塔高度为16.5mm；用两节组合时（去除中间一节），钻塔高度为12.5m。塔腿的底脚铰支在底座7的轴6上，底座固定在基台枕木上。当钻塔在地面上组装完毕后，可绕轴6旋转进行整体竖立。钻塔竖立后用斜撑杆8支撑。斜撑杆长度可能调节以改变塔腿的倾角（9070)。因此，该钻塔可用于钻进直孔和斜孔。此外，钻塔用四脚钢绳对角绷住。绷绳是保持钻塔整体稳定性的关键，其固定必须牢靠。,四、三脚钻塔 三脚钻塔一般适用于深度在300m以内的钻孔。塔高912m，提升高度69m。可打9070

30、O的钻孔。三脚钻塔结构简单，拆、迁、安装均简易。三脚钻塔通常用木材制造。图38为三脚钻塔顶结构。三根塔腿1均用圆木制成并在顶部包有铁皮4。用穿钉3穿连起来，在穿钉上装置U形环5以悬挂天车。底脚呈等边或等腰三角形放置。根据塔高不同，可设置一组事二组横拉手和斜拉手以回固塔腿，构成三棱锥状空间桁架体。三脚钻塔可用于钻进直孔和斜孔。一般都采用双前腿布置。根据岩芯钻探规程规定，木质三脚钻塔的塔腿长度、梢径及适应孔深应附合表42的规定。表32,三脚钻塔的塔腿，需要根据天车载荷进行强度及稳定性校核。图39为三脚钻塔受力示意图。其尺寸关系如图所示。设天车载荷为Q0，从OP1Q0中可得：(416)(417)同理

31、，从OQ0R中可得(418),R为前两腿之合力，分解后得：MPa(319)根据算出的钻塔三条腿所受之力，再按压杆稳定公式校核其强度和稳定性。对木材，当l/i100时，用欧拉公式计算其临界力为：MN(320)式中 l 杆柱增腿长度，m；i 惯性半径，m：细长比；稳定性安全系数，对木材47。,当l/i100时，用经验公式计算其极限应力，然后再求其临界力。MPa(321)MN(322)式中 F塔腿断面积，m2。钻塔三条腿所受的力P1、P2和P3均应小于塔腿计算所得的临界力值。五、桅杆及轻便钻塔 桅杆式钻塔的使用日益广泛，其结构形式也日渐增多。从其结构特点来看，大致可以分为：小断面桁架式；板式结构封闭

32、式；适应动力运行的前面敞开式等多种形式。,图310为苏联 2型管式桅杆，由安装在基坐7上的桅杆1，侧支坐8和斜撑杆4组成。桅杆由管子焊接成直角边相等的断面形状的双边杆。桅杆的主管和两根副管用横杆与斜杆焊接成两面桁架面。此外，还用较小的管子焊成梯子。由于绳索取芯钻进技术的推广，以及边坡钻探中大量斜孔钻进的需要，出现了装备在立轴钻机上的桅杆。如图311所示。桅杆装在液压立轴钻机的分动箱和绞车轴上，由起塔液压缸驱动绕绞车轴回转整体竖立。因此，桅杆可以与立轴同步绕绞车轴回转，打斜孔十分方便。桅杆可用于钻进不同深度的倾角为9070o的钻孔。与同级承载能力的钻塔相比，其自重较轻，拆装零件少，可以整体竖立，

33、安装拆装方便。桅杆按竖立形式可分为整体竖立式（图312a），折叠式（图312b）和伸缩式（图312c）。,第二章 钻塔的计算 作用于钻塔的外载荷，按其作用方向可分为垂直载荷和水平载荷。垂直载荷有：（1）大钩有效载荷；（2）死绳和快绳拉力的垂直分力；（3）钻塔的自重载荷；（4）绷绳拉力的垂直分力。水平载荷有：（1）作用于钻塔各杆件（或塔围）上的风载；（2）搁靠载钻塔上的立根束的自重对钻塔的水平分力；（3）作用于立根束所形成的挡风面上的风载（有塔围时无此力）；（4）绷绳拉力的水平分力（绷绳一般对称布置，此力相互平衡）；（5）快绳和死绳拉力的水平分力。因拉力方向与铅垂线夹角较小，此力可忽略不计。,钻

34、进过程中的工况不同，上述载荷有不同的组合。在计算钻塔各杆件所受的应力时，可以用载荷叠加法，首先求出各工况的合成载荷，然后进行杆件的内力计算；也可以分别按不同载荷条件下计算出钻塔各杆件的内力，然后再根据不同工况，用内力叠加法计算合成应力。不管用何种方法计算，最后应根据钻塔各杆件所受的合成力进行强度及稳定性校核。第一节 钻塔的载荷计算 一、垂直载荷的计算（一）大钩有效载荷计算 大钩有效载荷Qdg决定于提升钻具的最大重量。分两种情况：提升钻杆柱的重量和下套管时提升套管柱的重量。1提升钻杆时大钩有效载荷计算 提升钻杆柱时，应考虑泥浆浮力对钻杆柱的影响、提升过程中加速所产生的惯性力以及孔内摩擦阻力的影响

35、。可按式（311）计算，即：,Qdg qHk1k2k3(1a/g)(323)式中 q每米钻杆柱重量，N/m；H钻杆柱长度，m;a提升钻具时的平均加速度；avdg/t1 vdg大钩提升速度；t1加速阶段的时间，t11.52s。式中其余符号同前。2下套管时的大钩最大有效载荷Qdg1 下套管时，大钩最大有效载荷决定于最重套管柱的重量。由于下套管时，只需提动套管，故，由提升加速度而产生的惯性力可忽略不计。因此可按式（310）进行计算，即：Qdg1 q1H1k1k2(324)式中 q1 每米套管柱的重量，N/m；H1套管柱的长度，m。,如果按下套管计算出的最大大钩载荷超过提升钻杆柱的负荷时，可以采用木塞

36、法将套管内冲洗液排空，以增加套管柱的浮力从而减小大钩载荷。3通过绞车进行减压钻进时的大钩有效载荷Qdg2 钻进过程中，有时需要通过绞车实现减压钻进。在这种情况下，大钩有效载荷为：Qdg2 gHk1k2c(325)式中 c孔底轴向压力。（二）快绳和死绳端的拉力的垂直分力 钻探提升设备用的滑车系统有两种布置形式：有死绳端的滑车系统和无死绳端的滑车系统（如图313所示）。无死绳端的滑车系统又可以有两种布置方法，即绳端固定在动滑车上和绳端固定在天车上的两种形式。比较这两种滑车系统可以看出：有死绳端的滑车系统，对钻塔负荷虽然增加了死绳的拉力，但由于死绳和快绳对称布置，钻塔所受负荷的对称性较好。同时，死绳

37、端还可安装指重表以检测钻压，或者在死绳端安上副卷筒以变更钢绳承受弯曲的部位，延长纲绳的使用寿命。所以在中深孔及深孔钻探设备中，往往采用有死绳端的滑车系统。,设P0和P分别表示死绳和快绳端的拉力，则当滑车系统静止时：PP0Qdg2/m（326）滑车系统运动时：P Qdg/m（327）式中 m工作钢绳数目；滑车系统运动时的效率，提升时：(m1)/m(1)1/m（328）每个滑车的运动阻力系数，1.021.04。表33,由于滑车系统的效率影响，滑车系统运动时，快绳端的拉力P大于死绳端的拉力P0。在工程计算中，这种差值可忽略不计，常取PP0。（三）天车载荷计算 大钩载荷、滑车系统的自重、快绳和死绳的拉

38、力等，均通过天车作用于钻塔，构成钻塔的天车载荷Q0。Q0QdgPcos1P0cos2Ghc（329）式中 1、2 分别为快绳和死绳拉力方向与铅垂线夹角；Ghc滑车系统的重力。因为1、2角度很小，计算时可以直接将快绳和死绳的拉力作为垂直载荷计算。又因为，则天车载荷的计算式为：在有死绳的滑车系统中 Q0Qdg2PGhcQdg(12/m)Ghc（330）在无死绳的滑车系统中 Q0QdgPGhcQdg(11/m)Ghc（331）天车载荷通过天车轴及顶框中的天车梁作用于塔腿。,（四）钻塔的自重载荷 钻塔的自重载荷具有均布载荷性质。当用解析法计算由自重载荷作用而产生于杆件的内力时，常用叠加法进行处理，即每

39、一层钻塔杆件承受着上部钻塔杆件的自重。但是用图解法（马克斯威尔克列蒙那法）计算杆件内力时，则各层钻塔格子的重量不应叠加。这在用图解法计算时应当特别注意的。二、水平载荷的计算（一）水平风载的计算 风载是建筑物的侧向载荷之一。对于较高的钻塔构筑物，侧向载荷对其引起的响应在总载荷中占有相当的比重。风载的作用方向，一般认为是水平方向。1 速度头风速风压的关系式 当风以一定的速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物产生压力。风压是一定的风速时，垂直于风向平面上所受到的压力。,按照风压、风速的伯努利方程式，速度头的计算公式为：kPa（332）式中 空气的重度，kN/m3；g 重力加速度，m/s2；风速，m/s。

40、由公式（332）可知，单位面积上所承受的风压，与风速的平方成正比。因此，只要知道某一施工地区的风速资料，即可求出单位面积上风压的大小。系数/2g称为风压系数。由于各地理位置不同，和g值液不相同。在自转的地球上，重力加速度不仅随高度的增加而递减，而且还随纬度的变化而变化。空气的重度是气压、气温和湿度的函数。因此，对于不同地区的地理环境和气候条件，其风压系数是不同的。表44列出全国一些地区的风压系数值。,风压系数（/2g）之值 表34,续表34,从列表数字可看出：风压系数在东南沿海约为1/1700左右；内陆随高度的增加而减小，一般约在1/1600；高原和高山地区，可减至1/2600左右。,按我国规

41、范，风速大小，以离地面10m处一般空旷平坦地面上、十分钟的平均最大风速计算。若以离地面10m处的风速折减系统为1的话，则不同高度的风速折减增值系数列于表35中。风速折减值系数 表35,若不能得到最大平均风速的气象资料，可参照我国不同地区风力情况（表36）计算。,表47为按十三个等级划分的风的等级表。2钻塔单位面积上的风压计算 作用于钻塔表面的风荷载W按下式计算。Wp0kZ kPa（333）式中 p0基本风压，按公式（332）计算，一般可按p0 2/1600(kPa)计算；Z风速高度折减增值系数（按表35确定）；,我国不同地区风压（kPa）表3 6,与钻塔结构自振周期有关的动力系数；k涡流系数。

42、（1）涡流系数k 根据钻塔杆件结构形状不同，k有不同的数值，一般按表38取值。涡 流 系 数 k 表38（2）为与钻塔结构自振周期有关的动力系数 脉动风荷载是随机载荷，它是风力中的动力部分，促使结构产生随机振动。如果钻塔自振周期与风振周期接近，就可能产生共振从而使钻塔构件的应力大大增加，钻塔的强度和稳定性将受很大影响。,关于钻塔结构自振周期的计算方法可参见附录。对于高度在30m以内，基本自振周期T0.25S的钻塔，允许不考虑脉动风压的影响，此时取 1。（3）钻塔上作用的风力计算 钻塔桁架格子的迎风面压力为：Wyp0 Z fi ki kN（334）钻塔桁架格子的背风面压力为：Wb mWy kN（

43、335）式中 fi第i 根杆件在迎风面上的投影面积，m2；ki第I根杆件的涡流系数；m系数，与承风面之间的距离b1 及其高度h0比值有关（见表39）。,系 数 m 表39表中杆件充满系数，Fr为桁架格子按外轮廓尺寸计算的面积。3水平风载的分配 计算钻塔桁架面条杆件内力时，风载还应用于各结点处。按式（334）和（335）计算的风载是作用于钻塔上的合力，必须分配到各结点。取一层桁架格子，如图314所示。按式（334）计算出桁架上的合力为W，按力矩法将该力分配到O1、O1、O2、O2两个结点上，即：,W1W1Ws/2h kN（336）W2W2W（hs）/2h kN（337）式中 W1、W 1作用在结

44、点O1、O 1上的力；W2、W 作用在结点O2、O 2上的力；W作用于该桁架格子上的风载；S风载作用点的高度。对梯形断面，s等于：sh(B2b)/3(Bb)(338)（二）立根束作用于钻塔的水平载荷 钻进过程中，通常将从孔底提出的钻具搁靠在钻塔二层台的靠架上。因此，立根束对钻塔作用的水平分力包括：（1）立根束自重作用于钻塔的水平分力；（2）无塔围时，作用于立根束上的风载通过钻杆靠架作用于钻塔的水平力。这两部分力是同时存在的。其作用点在钻塔二层台的钻杆靠架处。如图315所示，立根束自重的水平力为：Q2ngLctg N(339),式中 n立根数；g每米钻杆的重力，N/m；L立根长度，m；立根束靠置

45、的倾角。立根束靠置在钻塔上，形成一个挡风面，当钻塔没有塔围时，其上所受的风载为：FpA kN(340)式中 p单位风压，kPa；A立根束所组成的挡风面积，m2。因角接近90，所以风力的方向可以假定为垂直于挡风面。立根束自重载荷的水平分力Q2和风载F的合力作用于重心处，好离地面L/2处。按力矩平衡原理，它分配到钻塔二层台钻杆靠架处，再根据靠架的结构分配到结点上。,第二节 钻塔的强度校核 钻塔的强度校核，应变包括：钻塔工作时不同工况下的载荷组合；钻塔受外载后各杆件内力的计算；根据各杆件受力的大小，进行强度及稳定性校核。此外，还必须对钻塔整体稳定性进行校核。根据前述，对钻塔工作时所受的外载进行计算后

46、，可能用解析法和图解法计算桁架中杆件的内力。解析法计算比较繁甭琐费时，但计算结果比较精确；图解法比较简单，计算方便，但精度差。然而只要比例选择恰当，图解法计算所得结果尚可满足工程的需要，即使在计算机辅助设计日益普及的今天，对探矿工程专业的工程技术人员来龙去脉说，用图解法进行钻塔的计算，仍不失为一种简便实用的方法。本章拟对图解法作一介绍。应该指出，应用电子计算机作为运算工具，采用有限元进行计算不仅计算速度快，而且计算结果精确。力学和数学工作者编制了不少通用的结构分析程序，我国也已引进“SAP6”程序，据有关科技人员在M160机上用“SAP6”程序对SPC300H钻机的桅杆进行计算，仅用8秒钟满意

47、的结果。用计算机进行钻塔的设计与计算，这无疑是今后发展的方向。,一、有关钻塔桁架结构的一般概念 钻塔是一个空间桁架结构。对钻塔进行强度校核时，将空间桁架结构分解为平面桁架进行计算。平面桁架结构分为静定结构和超静定结构两类。在几何不变的结构中，结构的自由度等于零，组成结构的全部杆件（或结点）的自由度与约束娄相等，它的内力和反力能够用静力平衡方程式唯一地确定，这种结构称之为静定结构。同样，在几何不变的结构中，另一类结构的自由度小于零，组成结构的全部杆件（或节点）的自由度少于约束数目，亦即有多余约束，它的内力和反叛力不能单用静力平衡方程式来确定，这类结构称为超静定结构。由最简单的几何不变体铰接三角形

48、扩展而成的平面桁架，是属于几何不变的结构。每增加两个杆件逐增加一个结点，从而构成静定结构。如图316所示。,判别静定结构的条件议程方程式为：LCC02j（341）式中 l多余杆件的数目；C杆件数；C0支承点反力数。在平面桁架中没有多余的支座（外部）约束时，C03；j桁架结点数。图317所示为钻塔常用的桁架结构形式。十字形结构为超静定结构，人字形结构、单斜杆结构等均为静定结构。为了能够用静力学方法解桁架结构，在超静定结构中，取消次要的多余杆件，化为静定结构来计算。这样做使计算方便，结果提高了安全系数。例如在十字形桁架结构中，取消受压的斜杆，使之变成单斜杆的静定结构（图317、b）。,二、钻塔强度

49、校核的内容及方法 钻塔应保证在各种工作载荷作用下杆件所产生的内力，不超过其许用的承载能力。因此，必须按规定的载荷组合校核各杆件的强度和稳定性，即通过静力计算求出各杆件内力，然后按材料力学关于拉压杆件强度计算及压杆稳定的计算方法，分别校核其强度和稳定性。对于某些钻塔，在其各杆件强度和稳定性满足要求的情况下，整个钻塔在其轴向载荷达到某一数值时，也会出现总体失稳现象。如图418、a所示，钻塔在轴心压力作用下，整个钻塔丧失了原来轴线稳定的直线形式，丧失纵向稳定。这时钻塔产生一种新的变形形式，钻塔轴线呈曲线形式，各杆件都产生了不同程序的弯曲变形，而整个钻塔沿轴向的各横截面并没有发生变形。这种变形发展下去

50、，将会引起钻塔中某一个或几个最薄弱的杆件损坏，以致使整个钻塔遭到破坏，它不同于那种道德由于个别杆件失稳而引起钻塔发生破坏的现象（图418、b）。为了检验钻塔是否丧失总体稳定性而进行的计算，称为整体稳定性计算。为了防止钻塔发生倾倒事故，应校核它在非工作状态竖立时的倾倒稳定性。,此外，当钻塔用整体起放的方式进行安装时，还应按起落的工况，校核其两侧面杆件及其稳定性。其支座一般按实际起落塔方式确定。三、钻塔受截时杆件内力的计算马克斯威尔克列蒙图解法 现以钻塔受水平风载为例，介绍马克斯威尔克列蒙图解法计算杆件内力。其方法及步骤如下：（1）按比例作桁架图。用式（341）检验桁架结构属静定结构还是超静定结构