CN102900375A - 旋挖钻机及其旋挖钻杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋挖钻机及其旋挖钻杆，其中，该旋挖钻杆整体为圆筒状，包括组合键和连接壁，其中，组合键包括连接部和从连接部沿径向凸出的受力部，连接部和受力部一体成型；连接部与连接壁周向对接围成旋挖钻杆；受力部用于与相邻的旋挖钻杆的受力部或键条配合，传递作用力。本发明一方面避免使用现有的采用T型焊接将键条焊接至钻杆壁上的方式，将旋挖钻杆的应力集中位置与焊缝分离，改善焊缝和热影响区的受力，提高旋挖钻杆的使用寿命；另一方面，本发明的旋挖钻杆的作用力传递可以由组合键直接传递给组合键，提升传递效率的同时，不会使旋挖钻杆产生较大的弹性变形，从另一方面提高旋挖钻杆的使用寿命。

Description

旋挖钻机及其旋挖钻杆

技术领域

本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种旋挖钻机及其旋挖钻杆。 

背景技术

目前，市场上各国旋挖钻机所用钻杆都是采用矩形（带环弧面或不带圆弧面）键条，将一底边双面倒角。将倒角的键条焊接到钢管外表面，并在管子内侧距离端部一米内，焊接相应的内键条或内键圆弧板，具体结构如图1和图2所示。其中，旋挖钻杆包括第一级管1、第二级管2、第三级管3和芯杆4；钻杆的内键都位于下管处，与管子端头平齐，长度为1米左右，标记5、6和7分别指代第一级管1的内键、第二级管2的内键和第三级管3的内键；标记8、9、10和11分别指代第一级管1的外键、第二级管2的外键、第三级管3的外键和芯杆的外键；以机锁杆为例，钻杆还包括加压台12或外键补板。 

这样旋挖钻杆结构无论是传递扭矩还是传递下压力，都是先传递给钢管，再通过钢管传递给键条或加压台等过程。传递流程为：动力头→外键条（或外键补板）→钢管→内键条→钢管→外键条……，依次循环传递。机锁杆的具体传递下压力和扭矩的过程如下： 

1、动力头将力传递给第一级管1的外键补板12，同时将扭矩传递给第一级管1的外键8； 

2、第一级管1的外键补板12和外键8将下压力和扭矩传给第一级管1，第一级管1又将下压力和扭矩传递给第一级管1的内键5； 

3、第一级管1的内键5将力下压传递给第二级管2的外键补板，将扭矩传递给第二级管2的外键9（只有一米左右的接触长度）； 

4、第二级管2的外键补板和第二级管2的外键将下压力和扭矩传递给第二 级管2，第二级管2又将下压力和扭矩传递给第二级管2的内键6； 

5.第二级管2的内键6将下压力传递给第三级管3的外键补板，将扭矩传递给第三级管3的外键10（只有一米左右的接触长度）； 

6、第三级管3的外键补板和第三级管3的外键将下压力和扭矩传递给第三级管3，第三级管3又将下压力和扭矩传递给第三级管3的内键7； 

7、第三级管3的内键7将下压力传递给芯杆4外键补板，将扭矩传递给芯杆4的外键11（只有一米左右的接触长度）；

8、芯杆4的外键补板和外键将下压力和扭矩传递给芯杆4，芯杆4通过方头将下压力和扭矩传递给钻具，实现钻孔的功能。 

摩阻杆的具体传递下压力和扭矩的过程如下： 

1、动力头将扭矩传递给第一级管1的外键； 

2、第一级管1的外键将扭矩传递给第一级管1，第一级管1又将扭矩传递给第一级管1的内键； 

3、第一级管1的内键将扭矩传递给第二级管2的外键； 

4、第二级管2的外键将扭矩传递给第二级管2，第二级管2又将扭矩传递给第二级管2的内键； 

5、第二级管2的内键将扭矩传递给第三级管3的外键； 

6、第三级管3的外键将扭矩传递给第三级管3，第三级管3又将扭矩传递给第三级管3的内键； 

7、第三级管3的内键将扭矩传递给芯杆4的外键； 

8、芯杆4的外键将扭矩传递给芯杆4，芯杆4再将扭矩传递给钻具，实现钻孔的功能。 

现有的这种结构的缺点主要有以下几个方面： 

1、这种结构钻杆是将一定尺寸和形状的键条焊接在管子的外表面或内表面，不可避免的是采用T型焊接，而T型焊接结构的应力集中和焊缝重叠，焊缝处受力状况复杂，力学性能较差，在工作过程中经常引起焊缝开裂和热影响区开裂； 

2、传力和扭矩的效率低，旋挖钻机动力头传递的下压力和扭矩都要经过钢管和T型焊缝传递到钻具，由于钢管和T型焊缝的弹性变形较大使得有效下压力和扭矩降低； 

3、传递扭矩过程中，只有1米左右某级管的内键接触到下一级管的外键，且只有钢管端部传递压力，传递压力和扭矩不均匀，容易造成管的扭曲和弯曲变形，导致管体开了或焊缝开裂，这种结构钻杆的传递扭矩能力受到很大的限制； 

4、扭矩和压力都要经过T型焊缝传递，而T型焊缝本身传递力的能力低，焊缝抗冲击能力差，很容易造成焊缝开裂； 

综上，由于现有的旋挖钻杆结构具有短距离传递扭矩，T型焊缝传递力和扭矩，应力集中和焊缝及脆性区重合等缺点，使得目前的钻杆结构在应用过程中经常出现：管体纵向/横向开裂，T型焊缝开裂等；这种钻杆传扭和传压的能力都受到很大的限制，即增加了制造成本和技术难度，又使得该结构钻杆在大压力和大扭矩条件下很难有发展空间。 

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种旋挖钻机及其旋挖钻杆，本发明的旋挖钻杆采用一体式的内外键条，避免采用T形焊缝焊接，能够有效解决上述问题。 

一方面，本发明提供了一种旋挖钻杆，整体为圆筒状，包括组合键和连接壁，其中， 

所述组合键包括连接部和从所述连接部沿径向凸出的受力部，所述连接部和所述受力部一体成型； 

所述连接部与所述连接壁周向对接围成所述旋挖钻杆； 

所述受力部用于与相邻的旋挖钻杆的受力部或键条配合，传递作用力。 

进一步地，所述组合键的受力部包括内受力部和/或外受力部，其中， 

所述内受力部从所述连接部向所述旋挖钻杆的内部延伸，所述旋挖钻杆的所述内受力部与下一级的旋挖钻杆的外受力部或外键条配合； 

所述外受力部从所述连接部向所述旋挖钻杆的外部延伸，所述旋挖钻杆的外受力部与上一级的旋挖钻杆的内受力部或内键条配合。 

进一步地，所述内受力部和所述外受力部的截面形状为类梯形； 

所述类梯形与所述连接部连接的底边的长度大于所述类梯形远离所述连接部的底边的长度。 

进一步地，所述连接部和所述连接壁均为弧形，且二者的曲率相同。 

进一步地，所述类梯形的远离所述连接部的底边为弧形，该弧形的曲率与所述连接部的曲率相同。 

进一步地，所述受力部与所述旋挖钻杆的长度相等；或者； 

所述外受力部与所述旋挖钻杆的长度相等；所述内受力部的长度小于所述旋挖钻杆的长度，并且所述组合键包括多段内受力部或一段内受力部，所述多段内受力部在所述旋挖钻杆轴向方向均匀间隔设置，所述一段内受力部设置在所述旋挖钻杆的端部。 

进一步地，旋挖钻杆包括三个组合键，所述组合键的受力部包括内受力部和外受力部，并且三个所述组合键周向均匀设置。 

进一步地，旋挖钻杆包括九个组合键，其中， 

三个所述组合键的受力部包括内受力部，并且包括内受力部的三个所述组合键周向均匀设置； 

另外六个所述组合键的受力部包括外受力部，并且包括外受力部的六个所述组合键周向均匀设置。 

另一方面，本发明还提供一种旋挖钻机，设置有如上所述的旋挖钻杆。 

本发明的旋挖钻杆采用整体式的组合键，用组合键和连接壁对接焊接成钻杆，组合键的受力部作为键条与相邻的旋挖钻杆的受力部或键条配合，传递作用力，进而带动下一级旋挖钻杆旋转。首先，本发明避免使用现有的采用T型焊接将键条焊接至钻杆壁上的方式，将旋挖钻杆的应力集中位置与焊缝分离，改善焊缝和热影响区的受力，提高旋挖钻杆的使用寿命；其次，本发明的旋挖钻杆的作用力传递可以由组合键直接传递给组合键，提升传递效率的同时，不 会使旋挖钻杆产生较大的弹性变形，从另一方面提高旋挖钻杆的使用寿命。该发明钻杆在传递扭矩过程中，可以动态对芯，实现圆周均匀分布键条受力均匀，从而提高钻杆使用寿命。 

本发明的旋挖钻机设置有上述旋挖钻杆，因此也具有上述的有益效果，兹不赘述。 

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 

图1为现有技术中的旋挖钻杆的结构示意图； 

图2为图1所示的旋挖钻杆的C向剖视示意图； 

图3为本发明的一种旋挖钻杆实施例的结构示意图； 

图4为图3所示的旋挖钻杆的A向剖视示意图； 

图5为图4所示的旋挖钻杆的局部放大示意图； 

图6为本发明的一种旋挖钻杆实施例的结构示意图； 

图7为图6所示的旋挖钻杆的B向剖视示意图； 

图8为图7所示的旋挖钻杆的局部放大示意图。 

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。 

本发明的基本思想在于：现有的旋挖钻杆的键条和钻杆筒壁之间采用T型焊接，由于这种焊接方式在旋挖钻杆传力过程中经常会出现键条断裂、焊缝开裂、管子断裂等问题，本发明特提出一种新型的旋挖钻杆，包括组合键，其键条与钻杆壁的一部分为整体成型，然后与其他部分钻杆壁周向连接，避免现有的键条与钻杆壁之间的T型焊接，是旋挖钻杆的受力性能得到提升。 

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步详细说明： 

如图3至图8所示为本发明提供的旋挖钻杆实施例，旋挖钻杆整体为圆筒状，包括组合键100和连接壁200，其中，组合键100包括连接部110和从连接部沿径向凸出的受力部120，连接部110和受力部120一体成型；连接部110与连接壁200周向对接围成旋挖钻杆300；受力部用于与相邻的旋挖钻杆300的受力部120或键条配合，传递作用力。 

本发明的旋挖钻杆实施例采用组合键100和连接壁200对接形成旋挖钻杆的主体结构，组合键100的连接部110与连接壁200连接，组合键100的受力部120作为键条与相邻的旋挖钻杆300的受力部120或键条配合，传递作用力；多个直径大小不同的旋挖钻杆300依次套设组合成旋挖钻机使用的旋挖钻杆组，旋挖钻机的动力头驱动第一旋挖钻杆300（最外层旋挖钻杆）旋转，进而依次带动下一级旋挖钻杆旋转，直至最后一级旋挖钻杆300（最内层旋挖钻杆，亦称为芯杆）带动钻具进行钻孔工作。本发明的旋挖钻杆采用整体式的组合键，用组合键和连接壁对接焊接成钻杆，首先，本发明避免使用现有的采用T型焊接将键条焊接至钻杆壁上的方式，将旋挖钻杆的应力集中位置与焊缝分离，改善焊缝和热影响区的受力，提高旋挖钻杆的使用寿命；其次，本发明的旋挖钻杆的作用力传递可以由组合键直接传递给组合键，提升传递效率的同时，不会使旋挖钻杆产生较大的弹性变形，从另一方面提高旋挖钻杆的使用寿命。 

本发明上述实施例中的组合键的受力部120优选包括内受力部121和/或外受力部122，如图5和图8所示，其中，内受力部121从连接部110向旋挖钻杆300的内部延伸，旋挖钻杆300的内受力部121与下一级的旋挖钻杆300的外受力部122或外键条配合；外受力部122从连接部110向旋挖钻杆300的外部延伸，旋挖钻杆300的外受力部122与上一级的旋挖钻杆300的内受力部121或内键条配合。本发明的内受力部121和外受力部122相当于现有的旋挖钻杆的内键条和外键条，用于相互配合传递力矩。 

本发明还提供一种优选的旋挖钻杆实施例，如图4和图5所示，旋挖钻杆300包括三个组合键100，组合键100的受力部120包括内受力部121和外受力 部122，并且三个组合键100优选周向均匀设置。该实施例中的内受力部121和外受力部122的截面形状优选为类梯形；类梯形与连接部110连接的底边的长度大于该类梯形远离连接部110的底边的长度。 

本发明的旋挖钻杆300的内受力部121和外受力部122采用类梯形的截面形状有利于受力部之间的力矩传递。具体地，如图4所示，由于类梯形的与连接部110连接的底边的长度大于该类梯形远离连接部110的底边的长度，即类梯形的腰在远离连接部110的方向聚集。连接部110相互接触配合，传递作用力过程中，受力部120的接触面（即类梯形的腰形成面）能有效地将受力部120之间的作用力分解为指向旋挖钻杆300中心的分力和沿旋挖钻杆300的周向方向的分力，实现旋挖钻杆的自动动态对芯功能。 

该实施例中的连接部110和连接壁200均为弧形，且二者的曲率相同，以便能够对接后形成完整的圆筒状钻杆，并且便于相邻钻杆之间的配合。进一步地，该实施例中的内、外受力部的截面形状所呈现的类梯形，其远离连接部110的底边为弧形，该弧形的曲率与连接部110的曲率相同，便于旋挖钻杆旋转工作过程中，内、外受力部作为键条与相邻的钻杆壁之间的配合，并改善内、外受力部的受力状况。 

根据旋挖钻杆工作方式的不同，旋挖钻杆可以分为摩阻杆和机锁杆。本旋挖钻杆实施例优选应用于摩阻杆，则旋挖钻杆300的受力部120与旋挖钻杆300的长度相等。此处应当理解的是，内受力部121和外受力部122都与所述旋挖钻杆300的长度相等，以使受力部120之间的摩擦接触面积更大，传递力矩的效果更好。 

本旋挖钻杆实施例也可以应用于机锁杆，机锁杆需要在旋挖钻杆的轴向上不同位置设置加压台或外键补板，然后借助于上一级旋挖钻杆的内键条传递下压力。因此，本实施例中可以在将组合键100的外受力部122配置为与旋挖钻杆300的长度相等；内受力部121的长度小于所述旋挖钻杆的长度，并且所述组合键100包括多段，多段内受力部121在旋挖钻杆300的轴向方向均匀间隔设置。在其他实施例中，组合键100也可以仅包括一段内受力部121，该一段 内受力部优选设置在旋挖钻杆的端部。 

根据上述描述，旋挖钻机的芯杆（最内层旋挖钻杆）同样可以采用上述的旋挖钻杆300的结构进行设计制造，但需要说明的是，本发明并不限制芯杆或者旋挖钻杆组的每一级旋挖钻杆都采用上述的旋挖钻杆300的结构进行设计制造。例如，图3至图5所示的芯杆（最内层旋挖钻杆）没有采用本发明的旋挖钻杆300的结构，而是在现有的旋挖钻杆的外壁上焊接一定长度的弧形板作为外键条，该外键条的截面形状也优选为如上述的类梯形，即外键条与外围的内受力部的接触面为斜面。 

加工制造时，本实施例的组合键100可以采用轧钢成型，连接壁200可以由板材或带材折弯或滚压制成，然后将组合键100和连接壁200对接焊接成旋挖钻杆300。如果需要制造机锁杆，则在组合键100成型后，将内受力部121进行切割，使内受力部121形成上述的间隔配置形式，然后将组合键100与连接壁200对接焊接成旋挖钻杆300。 

该实施例中的组合键整合了旋挖钻杆的内键条和外键条，其他实施例中的组合键也可以仅整合内键条或外键条，然后将整合了内键条的组合键和整合了外键条的组合键以及连接壁对接，围成完整的旋挖钻杆。 

本发明还提供了另外一种旋挖钻杆实施例，该旋挖钻杆300包括九个组合键100，其中，三个组合键100的受力部120包括内受力部121，并且包括内受力部121的三个组合键100周向均匀设置；另外六个组合键的受力部包括外受力部122，并且该包括外受力部122的六个组合键100周向均匀设置。 

其中，受力部120的结构特征如上述实施例相同，例如： 

内受力部121和外受力部122的截面形状为类梯形；所述类梯形与连接部110连接的底边的长度大于所述类梯形远离连接部110的底边的长度，以使类梯形的腰在远离连接部110的方向上逐渐汇聚，达到良好的传递力矩的效果。 

该实施例中的连接部110和连接壁200也优选均为弧形，且二者的曲率相同；进一步地，类梯形的远离连接部110的底边为弧形，该弧形的曲率与连接部110的曲率相同，完善旋挖钻杆旋转工作过程中，受力部之间以及受力部与 相邻的钻杆壁之间的配合。 

内受力部121和外受力部122的长度可以配置为与旋挖钻杆300的长度相等，以实现全键条传递力矩，可以适用于摩阻杆。 

然而，由于该实施例中的内受力部121与外受力部122独立配置，因此，内受力部121更方便单独加工成包括间隔设置的多段，并均匀配置在旋挖钻杆300的轴向上，而外受力部122保持与旋挖钻杆300等长，因此，该实施例优选采用此种加工制造方式进行加工，并优选应用于机锁杆。 

在其他实施例中，如图6至图8所示，也可以只包括六个组合键100，其全部配置为只包括外受力部122，而旋挖钻杆的内壁上，优选在连接壁200的内侧焊接1m~2m长的弧形钢板，作为旋挖钻杆内键条，弧形钢板的与外受力部122接触的端面配置为斜面，以便与外受力部122的表面配合。 

需要说明的是，上述两种实施例可以组合使用；对于旋挖钻杆的第一级钻杆，即最外层钻杆可以采用组合键的受力部只包括内受力部的形式；旋挖钻杆的芯杆，即最内层钻杆可以采用组合键的受力部只包括外受力部的形式。

旋挖钻机的旋挖钻杆组包括的上述旋挖钻杆均优选采用组合键的形式，其在工作时的传递力矩和压力的过程是相同的。即旋挖钻机的动力头将扭矩和下压力（对于机锁杆而言）通过动力头内键传递至第一级旋挖钻杆300（最外层旋挖钻杆）的组合键100，第一级旋挖钻杆300的组合键100将扭矩和下压力传递给第二级旋挖钻杆300的组合键100，依次类推，直至扭矩和下压力传递至最内层旋挖钻杆300（芯杆）的组合键100（其仅包括外受力部），然后再传递至旋挖钻机的方头，再传递至钻具，钻具在扭矩和下压力的作用下进行钻孔工作。

因此，本发明的旋挖钻机的扭矩和下压力的传递过程是：动力头-组合键—方头—钻具，相比现有的旋挖钻机的传递过程（参见现有技术中的描述，此处不再赘述），本发明的传递过程会使扭矩和下压力的传递更直接、更有效。 

综上，与现有的旋挖钻杆相比，本发明的旋挖钻杆具有以下优点： 

1、本发明的旋挖钻杆的结构更合理：本发明的旋挖钻杆是一种组合焊接式 钻杆，是将组合键和连接壁对接焊接成圆筒状钻杆，因此，避免了T形焊接。将应力集中和焊缝分离，使得焊缝和热影响区的受力状态更加合理，提高钻杆使用寿命； 

2、本发明的键条结构更合理：与现有技术比，本发明的组合键的受力部即为旋挖钻杆的键条结构，其的横截面为类梯形结构，类梯形键条的上下表面（类梯形的底边对应的面）为圆弧或直边，腰为斜边。在传递扭矩过程中，腰有效的将力分解为指向钻杆圆心的分力和周向分力，实现钻杆的自动动态对芯功能，实现键条的均匀受力传递扭矩； 

3、本发明的旋挖钻杆的传递扭矩和下压力的效率更高：扭矩和下压力的传递是由组合键直接传递给组合键，不会引起旋挖钻杆整体结构产生较大的弹性变形；而组合键可以参照现有键条，采用高强度耐磨材料，这样可以有效的将力和扭矩传递至芯杆和钻具，使得传递效率远远高于现有的旋挖钻杆结构； 

4、本发明的旋挖钻杆，尤其是应用为机锁杆时，内受力部可以实现“全键条”传递扭矩，同一轴线上分布的多段内受力部可以同时传递扭矩，保证了所有组合键均匀传递扭矩，减少旋挖钻杆整体结构变形，降低组合键受到的冲击和周向力； 

5、本发明实现了扭矩和下压力由组合键传递给组合键，这种直接传递的方式，既提高了传递效率，还避免组合键和连接壁之间的焊缝受到冲击和载荷而破坏。 

相应地，本发明还提供一种旋挖钻机，其设置有如上所述的旋挖钻杆。本发明的旋挖钻机也相应地具有上述优点，兹不赘述。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种旋挖钻杆，整体为圆筒状，其特征在于，包括组合键（100）和连接壁（200），其中，

所述组合键（100）包括连接部（110）和从所述连接部（110）沿径向凸出的受力部（120），所述连接部（110）和所述受力部（120）一体成型；

所述连接部（110）与所述连接壁（200）周向对接围成所述旋挖钻杆（300）；

所述受力部（120）用于与相邻的旋挖钻杆（300）的受力部（120）或键条配合，传递作用力。

2.根据权利要求1所述的旋挖钻杆，其特征在于，所述组合键（100）的受力部（120）包括内受力部（121）和/或外受力部（122），其中，

所述内受力部（121）从所述连接部（110）向所述旋挖钻杆（300）的内部延伸，所述旋挖钻杆（300）的所述内受力部（121）与下一级的旋挖钻杆（300）的外受力部（122）或外键条配合；

所述外受力部（122）从所述连接部（110）向所述旋挖钻杆（300）的外部延伸，所述旋挖钻杆（300）的外受力部（122）与上一级的旋挖钻杆（300）的内受力部（121）或内键条配合。

3.根据权利要求2所述的旋挖钻杆，其特征在于，所述内受力部（121）和所述外受力部（122）的截面形状为类梯形；

所述类梯形与所述连接部（110）连接的底边的长度大于所述类梯形远离所述连接部（110）的底边的长度。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的旋挖钻杆，其特征在于，所述连接部（110）和所述连接壁（200）均为弧形，且二者的曲率相同。

5.根据权利要求4所述的旋挖钻杆，其特征在于，所述类梯形的远离所述连接部（110）的底边为弧形，该弧形的曲率与所述连接部（110）的曲率相同。

6.根据权利要求5所述的旋挖钻杆，其特征在于，所述受力部（120）与所述旋挖钻杆（300）的长度相等；或者；

所述外受力部（122）与所述旋挖钻杆（300）的长度相等；所述内受力部（121）的长度小于所述旋挖钻杆（300）的长度，并且所述组合键（100）包括多段内受力部（121）或一段内受力部（121），所述多段内受力部（121）在所述旋挖钻杆（300）轴向方向均匀间隔设置，所述一段内受力部（121）设置在所述旋挖钻杆（300）的端部。

7.根据权利要求6所述的旋挖钻杆，其特征在于，旋挖钻杆（300）包括三个组合键（100），所述组合键（100）的受力部（120）包括内受力部（121）和外受力部（122），并且三个所述组合键（100）周向均匀设置。

8.根据权利要求6所述的旋挖钻杆，其特征在于，旋挖钻杆（300）包括九个组合键（100），其中，

三个所述组合键（100）的受力部（120）包括内受力部（121），并且包括内受力部（121）的三个所述组合键（100）周向均匀设置；

另外六个所述组合键（100）的受力部（120）包括外受力部（122），并且包括外受力部（122）的六个所述组合键（100）周向均匀设置。

9.一种旋挖钻机，其特征在于，设置有如权利要求1-8中任意一项所述的旋挖钻杆（300）。

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