專利名稱：一種單體大直徑氣動潛孔錘的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙芯管單體大直徑氣動潛孔錘，該潛孔錘用作大直徑鉆孔灌注樁 施工的旋沖鉆具，適合各類旋挖鉆機在復雜地層、堅硬地層進行鉆孔作業(yè)。
背景技術(shù)：
旋挖鉆機進行鉆孔灌注樁施工是目前建筑業(yè)普遍運用的高效優(yōu)質(zhì)成孔作業(yè)技術(shù)， 但旋挖鉆機所采用的常規(guī)鉆具在硬地層施工卻遇到較大困難?，F(xiàn)代高層建筑、高鐵及高速 公路橋梁基礎(chǔ)都要求鉆孔灌注樁嵌入基巖，以提高承載能力和抗災能力，使其達到更長的 使用年限，此外，沿海地區(qū)、山區(qū)施工時成孔作業(yè)也經(jīng)常鉆遇硬巖。為使旋挖鉆機具有硬地 層施工能力，已經(jīng)實施了多種措施，如采用巖石筒鉆、鑲截齒鉆斗、組合牙輪鉆頭等，上述方 案均以旋轉(zhuǎn)切削為破巖手段，增強了對硬地層的施工能力，但其不足是效率低、刀具磨損 快，且在抗壓強度超過120MPa的微風化巖層進尺相當緩慢，甚至無法鉆進。專利CN2066480U曾提供了一種濕式閉型反循環(huán)氣動潛孔錘，是采用沖擊回轉(zhuǎn)結(jié) 合反循環(huán)排渣的技術(shù)進行硬巖鉆進，可在硬巖地區(qū)獲得較高的效率，但其存在的不足是采 用雙層外缸套構(gòu)造的排氣通道，至使結(jié)構(gòu)笨重，加工難度大、成本高；僅采用泵吸反循環(huán)方 式排渣，對鉆具密封效果要求嚴格，易堵塞；泥漿易通過縫隙進入缸體導致活塞急劇磨損， 鉆頭結(jié)構(gòu)未經(jīng)優(yōu)化，孔底流場不利于吸渣。專利KR2005011865A、KR20060096240A所提出的正循環(huán)或反循環(huán)組合式潛孔錘，
采用了局部循環(huán)方式，鉆具上設(shè)有集渣筒，操作時需要將巖渣屑收集在集渣筒內(nèi)，而后提至 地表卸渣，鉆進效率低，因頻繁起下鉆還易導致配氣膠管損壞；此外因組合錘耗氣量大，各 錘工作狀態(tài)不易均衡，影響整體沖擊破巖效果；由于組合錘上方增加了集渣筒，鉆具整體高 度大幅度增加，在旋挖鉆機上拆裝不便。每一回次鉆進結(jié)束后組合錘及集渣筒總重量較大， 對旋挖鉆機主卷揚提升能力要求高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述技術(shù)的不足，提供一種單體大直徑氣動潛孔錘，與旋 挖鉆機配套應用，實現(xiàn)高效的硬地層旋沖鉆進。本發(fā)明的目的是通過以下方案實現(xiàn)的所述單體大直徑氣動潛孔錘，包括旋流式鉆頭、花鍵軸、花鍵套、氣缸體、配氣套、 襯套、上法蘭、過渡法蘭、活塞和中心氣管，上述部件依次同軸布置，外部以減震防松螺栓組 相聯(lián)結(jié)，內(nèi)部通過端面接觸并以隔套進行軸向定位，中心氣管安裝在活塞內(nèi)孔，所述氣缸體 為單缸體，而中心氣管為雙芯管，由內(nèi)芯管和外芯管組成，其中內(nèi)芯管插接在外芯管的內(nèi) 部，外芯管內(nèi)孔與內(nèi)芯管之間開設(shè)導氣環(huán)槽；與旋流式鉆頭相連的花鍵軸上設(shè)置有與內(nèi)芯 管相通的引射孔，引射孔進口處設(shè)有排氣逆止閥，頂部的過渡法蘭中設(shè)有與外芯管及外部 連通的排氣通道，排氣通道內(nèi)設(shè)有排氣節(jié)流閥，同時還設(shè)有與缸體和襯套所形成的環(huán)形槽 連通的進氣通道。
所述氣動潛孔錘鉆頭底唇面結(jié)構(gòu)為流線型，其刃口形式為正前角或負前角，鉆頭 體上所布硬質(zhì)合金齒為柱齒或錐齒。本發(fā)明單體大直徑氣動潛孔錘通過雙芯管實現(xiàn)供氣、排氣通道及反循環(huán)排渣通道 全內(nèi)置，結(jié)構(gòu)緊湊合理、重量輕，制造成本低且便于裝配維護。此外，本發(fā)明所述氣動潛孔錘 由于配套使用了旋流式反循環(huán)鉆頭，并通過孔底流場優(yōu)化設(shè)計、增置引射結(jié)構(gòu)、加裝排氣逆 止閥等措施可獲得良好的氣舉反循環(huán)吸渣和排渣效果，有效防止泥漿回灌引起內(nèi)部運動零 部件磨蝕的現(xiàn)象。


圖1為本發(fā)明所述單體大直徑氣動潛孔錘整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明潛孔錘中花鍵副剖視圖；圖3為本發(fā)明潛孔錘中旋流式鉆頭底唇面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明潛孔錘中外芯管結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明潛孔錘工作時活塞位移、速度曲線圖。圖中1-旋流式鉆頭、2-花鍵軸、3-花鍵套、4-氣缸體、5-配氣套、6-襯套、7-上 法蘭、8-過渡法蘭、9-雙芯管、10-內(nèi)芯管、11-外芯管、12-活塞、13-排氣逆止閥、14-引射 孔、15-排氣節(jié)流閥、16-導氣環(huán)槽、17-進氣通道、18-排氣通道。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明所述單體大直徑氣動潛孔錘作詳細說明如圖1所示，本發(fā)明所述單體大直徑氣動潛孔錘包括旋流式鉆頭1、花鍵軸2、花鍵 套3、氣缸體4、配氣套5、襯套6、上法蘭7、過渡法蘭8、活塞12和中心氣管，上述部件依次 同軸布置，外部以減震防松螺栓組相聯(lián)結(jié)，內(nèi)部通過端面接觸并以隔套進行軸向定位，中心 氣管安裝在活塞內(nèi)孔，為改善其工作性能，本發(fā)明氣動潛孔錘的氣缸體4選擇單缸體，而中 心氣管為雙芯管9，由內(nèi)芯管10和外芯管11組成，其中內(nèi)部的細長內(nèi)芯管10用于構(gòu)成貫 穿內(nèi)腔的排渣通道，該內(nèi)芯管10插接在外芯管11的內(nèi)部，二者同軸布置，且內(nèi)芯管10通過 外芯管11上端面及上法蘭內(nèi)孔止口進行軸向定位；內(nèi)芯管10下端與花鍵軸2的中心孔配 合，二者之間采用兩道密封圈構(gòu)成浮動密封結(jié)構(gòu)；而外芯管11套在內(nèi)芯管10的外部，外芯 管11內(nèi)孔與內(nèi)芯管10之間開設(shè)導氣環(huán)槽16，用于排氣分流。所述旋流式鉆頭1底唇面采用流線型結(jié)構(gòu)，可在孔底形成利于吸渣的旋轉(zhuǎn)流場， 鉆頭體設(shè)計為兩側(cè)不同的刃口形式，充分利用旋挖鉆機動力頭可雙向回轉(zhuǎn)驅(qū)動的優(yōu)勢以獲 得最佳的鉆進效果。鉆頭體上所布硬質(zhì)合金齒類型可為柱齒或錐齒。旋流式鉆頭1與花鍵 軸2采用抗震防松螺栓組連接。本發(fā)明潛孔錘中與旋流式鉆頭1相連的花鍵軸2上設(shè)置有與內(nèi)芯管10相通的引 射孔14，引射孔14進口處裝有由插裝式閥芯、閥座和彈簧所組成的排氣逆止閥13，所述引 射孔14直徑約為30 50mm，數(shù)量為3 4個，與軸線傾角為45 60度；同時潛孔錘頂部 的過渡法蘭8中設(shè)有與外芯管11及外部連通的排氣通道18，排氣通道18內(nèi)設(shè)有排氣節(jié)流 閥15。此外，本發(fā)明潛孔錘在減小氣缸體4外部尺寸的同時最大程度地增加了活塞12的
4質(zhì)量(大于1噸)，確保其具有足夠的沖擊能量，配合鉆頭體合理布齒，以便在該沖擊能量作 用下獲得良好的破巖效果。本發(fā)明所提出的單體大直徑氣動潛孔錘與現(xiàn)有各類氣動潛孔錘及潛孔沖擊器最 大的不同在于其內(nèi)部配置雙芯管9，其中內(nèi)芯管10用于排渣并封閉內(nèi)缸空間，外芯管11 與內(nèi)芯管10之間的環(huán)形空間設(shè)置有配氣、排氣的導氣環(huán)槽，且主要用于排氣。外芯管11上 特殊設(shè)置有配氣孔，活塞12運動過程中始終與其具有一定的配合關(guān)系，故外芯管11還同時 具有導向作用。配氣套5、襯套6及定位隔套構(gòu)成了活塞的運動空間，壓氣經(jīng)襯套6上的進 氣孔輸入之缸內(nèi)，將壓力作用于活塞各個有效斷面，優(yōu)化設(shè)計的無閥配氣結(jié)構(gòu)可驅(qū)動活塞 12往復運動，在沖程終了獲得8m/s以上的沖擊速度，撞擊花鍵軸并將沖擊能量傳遞給與花 鍵軸聯(lián)接為一體的鉆頭體及刃齒，從而在鉆進過程中破碎巖石。隨后活塞回程，回程終了活 塞速度已自動降低至不高于0. 5m/s，有效防止了活塞撞擊上座所引起的鉆具損壞。圖5為 所描述活塞運動過程的速度和位移曲線。鉆進時無論采用濕法或干法施工，本發(fā)明均可利用底部開設(shè)的直徑30 50mm，數(shù) 量為3 4個，傾角為45 60度的引射孔排出潛孔錘工作廢氣，用以形成射吸式結(jié)構(gòu)對孔 底包含巖渣屑的多相流體進行抽吸，進而利用高速的上返氣流形成氣舉反循環(huán)排渣管流。 事實上，多數(shù)地層含水，松散覆蓋層施工過程中大多需要泥漿護壁，因此即便采用干法施 工，中心通道上返介質(zhì)也是含有巖渣屑的混氣泥漿，為防止鉆孔達一定深度時泥漿壓力過 高引起漿液回灌，本發(fā)明在引射通道進口處加設(shè)排氣逆止閥。在泥漿壓力過高不能形成氣 舉反循環(huán)的條件下，本發(fā)明提供了排氣流量分配節(jié)流閥，通過更換小孔徑的節(jié)流閥閥芯可 提高引射通道排氣量，必要時可將節(jié)流閥所在排氣通道完全封堵，從而獲得最大引射流量， 但上述工作需要提鉆后完成。對于深度超過40米的濕法施工大直徑樁孔，本發(fā)明考慮了采 用泵吸反循環(huán)與氣舉反循環(huán)相結(jié)合的工藝方法。本發(fā)明中旋流式反循環(huán)鉆頭1作用原理為旋挖鉆機動力頭正轉(zhuǎn)施工時，可利用 負前角唇面鉆削韌度較大巖石；而反轉(zhuǎn)時則采用正前角鉆削，有利于破碎脆性巖石，提鉆時 則繼續(xù)正轉(zhuǎn)進行孔壁修磨。底部巖石利用密鑲的柱齒合金造成體積破碎，當進尺速度快，排 渣不暢時宜打反轉(zhuǎn)，巖渣屑可沿旋流通道流暢地進入吸渣口，進而沿中心通道連續(xù)返至地 表。本發(fā)明亦設(shè)計有“強吹”結(jié)構(gòu)，將鉆頭提離孔底60mm后活塞落至下方極限位置，壓縮空 氣瞬間從引射通道高速排出，在孔底形成強烈抽吸作用，在中心通道則獲得最大上返流速， 有效防止巖渣屑卡堵，確保了連續(xù)排渣的可靠性。采用本發(fā)明進行大口徑硬巖旋沖鉆進時，動力頭扭矩由鉆桿傳遞至過渡法蘭8及 上法蘭7并驅(qū)動缸體4帶動整套鉆具回轉(zhuǎn)，通過圖2所示BB剖視圖可觀察到花鍵軸2由缸 體4聯(lián)接的花鍵套所驅(qū)動，進而使鉆頭1回轉(zhuǎn)。所施加的鉆壓通過以上傳動鏈中個零部件 間的端面接觸進行傳遞。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計及有限元分析后，在極限載荷條件下，缸體變形量不超 過1/2000，使內(nèi)部各零部件間的配合間隙得以保持。本發(fā)明氣動潛孔錘無外缸，通過雙芯管實現(xiàn)供氣、排氣通道及反循環(huán)排渣通道全 內(nèi)置，結(jié)構(gòu)緊湊合理、重量輕，相對于CN2066480U所提出的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)而言制造成本低且便 于裝配維護。此外，與新型單體大直徑氣動潛孔錘配套使用了旋流式反循環(huán)鉆頭，通過孔底 流場優(yōu)化設(shè)計、增置引射結(jié)構(gòu)、加裝排氣逆止閥等措施獲得良好的氣舉反循環(huán)吸渣和排渣 效果，并有效防止了泥漿回灌所引起的內(nèi)部運動零部件磨蝕。
采用雙芯管配氣實現(xiàn)進氣、排氣和排渣三通道全內(nèi)置結(jié)構(gòu)是本發(fā)明最主要的特 點，外芯管同時起到配氣和導向作用實現(xiàn)了無閥配氣單體大直徑活塞的沖擊運動，采用內(nèi) 加厚結(jié)構(gòu)的活塞以增加其質(zhì)量，中心通道底部設(shè)置引射孔并結(jié)合旋流式反循環(huán)鉆頭增強了 吸渣和排渣效果，引射孔的進氣端安裝有逆止閥，有效防止了泥漿回灌，過渡法蘭8內(nèi)安裝 有排氣流量分配閥，可對引射孔排氣量進行調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種單體大直徑氣動潛孔錘，包括旋流式鉆頭(1)、花鍵軸(2)、花鍵套(3)、氣缸體 (4)、配氣套(5)、襯套(6)、上法蘭(7)、過渡法蘭(8)、活塞(12)和中心氣管，上述部件依次 同軸布置，外部以減震防松螺栓組相聯(lián)結(jié)，內(nèi)部通過端面接觸并以隔套進行軸向定位，中心 氣管安裝在活塞(12)內(nèi)孔，其特征在于所述氣缸體(4)為單缸體，而中心氣管為雙芯管 (9)，由內(nèi)芯管(10)和外芯管(11)組成，內(nèi)芯管(10)插接在外芯管(11)的內(nèi)部，外芯管 (11)內(nèi)孔與內(nèi)芯管(10)之間開設(shè)導氣環(huán)槽(16)；與旋流式鉆頭⑴相連的花鍵軸(2)上 設(shè)置有與內(nèi)芯管相通的引射孔(14)，引射孔(14)進口處設(shè)有排氣逆止閥(13)，頂部的過渡 法蘭(8)中設(shè)有與外芯管(11)及外部連通的排氣通道(18)，排氣通道內(nèi)設(shè)有排氣節(jié)流閥 (15)，同時還設(shè)有與缸體和襯套所形成的環(huán)形槽連通的進氣通道(17)。
2.如權(quán)利要求1所述的單體大直徑氣動潛孔錘，其特征在于所述氣動潛孔錘鉆頭(1) 底唇面結(jié)構(gòu)為流線型，其刃口形式為正前角或負前角，鉆頭體上所布硬質(zhì)合金齒為柱齒或 錐齒。
3.如權(quán)利要求1所述的單體大直徑氣動潛孔錘，其特征在于所述花鍵軸(2)上的引 射孔(14)數(shù)量為3-4個，直徑30-50mm，與潛孔錘軸線的傾角為45-60度。
4.如權(quán)利要求1所述的單體大直徑氣動潛孔錘，其特征在于所述內(nèi)芯管(10)通過外 芯管(11)上端面及上法蘭(7)內(nèi)孔止口進行軸向定位；內(nèi)芯管(10)下端與花鍵軸(2)的 中心孔配合，二者之間采用兩道密封圈構(gòu)成浮動密封結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種單體大直徑氣動潛孔錘，包括鉆頭、花鍵軸、花鍵套、缸體、配氣套、襯套、上法蘭、過渡法蘭、活塞和中心氣管，上述部件同軸布置連接，中心氣管安裝在活塞內(nèi)孔，該中心氣管為雙芯管，雙芯管的外芯管與內(nèi)芯管之間設(shè)有導氣環(huán)槽，與鉆頭相連的花鍵軸上設(shè)置有與內(nèi)芯管相通的引射孔，引射孔進口處設(shè)有排氣逆止閥，過渡法蘭中設(shè)有排氣通道和進氣通道，其中排氣通道內(nèi)設(shè)有排氣節(jié)流閥。本發(fā)明潛孔錘可獲得良好的氣舉反循環(huán)吸渣和排渣效果，有效防止泥漿回灌引起內(nèi)部運動零部件磨蝕，結(jié)構(gòu)緊湊合理、重量輕，制造成本低且便于裝配維護，工作效率高。
文檔編號E21B4/14GK102003139SQ201010508290
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者余德海, 康文波, 張高峰, 王東華, 王清巖, 高翼 申請人:貴州航天天馬機電科技有限公司