CN106761453A - 基于莱洛三角形原理设计的钻杆及多功能钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于莱洛三角形原理设计的钻杆及多功能钻机，它解决了方孔和圆孔钻切的问题，钻杆横截面采用莱洛三角形的形式，同时借助行星轮系的特点来实现莱洛三角形的运动轨迹，利用莱洛三角形等宽特性，达到钻出方孔的效果，可以解决某些特殊工艺上要求方孔桩的需求；其技术方案为：其横截面包括三个顶点，三个顶点的位置与莱洛三角形的三个顶点位置重合；所述的钻杆的三个顶点之间通过三条形状相同的弧线依次连接，且所述的三条弧线上有用于切削的切削点，同时在每条弧线上设有排土槽。

Description

基于莱洛三角形原理设计的钻杆及多功能钻机

技术领域

本发明涉及桩机工程设备领域，具体的说，是基于莱洛三角形原理而设计的钻杆以及多功能钻机。

背景技术

目前，现有的桩工机械如长螺旋钻机、旋挖钻机等大多以成圆形孔为主，很少有能够成方形孔的钻机，既能成方形孔又能成圆形孔的多功能钻机更是少之又少。

在现有的申请号为【CN 201510168474.1】的专利中公开了一种矩形孔钻挖机，工作时，钻杆①、钻杆②、钻杆③、钻杆④、钻杆⑤分别驱动下面的钻头转动，同时，每根钻杆进入的高压水由钻头下端的注水孔注出，钻头在转动中将土切割与水搅拌成泥浆；钻杆①通过驱动箱①驱动曲轴①、曲轴③正转，曲轴①在转动中驱动铰动臂①摆动，曲轴③在转动中驱动铰动臂③同步摆动，钻杆④通过驱动箱②驱动曲轴②、曲轴④反转，曲轴②在转动中驱动铰动臂②同步摆动，曲轴④在转动中驱动铰动臂④同步摆动；铰动臂①、铰动臂②、铰动臂③、铰动臂④在摆动中将钻头钻的多圆孔切削成矩形孔，切下的土，掉到钻头处，钻头在转动中将土与水搅拌成泥浆，泥浆由孔内流到孔外；该专利是通过多个钻头配合使用实现矩形孔的切削，这种方式工作效率低，同时，矩形钻孔的精度难以保证；且这种钻机孔结构复杂、无法实现方形孔以及圆形孔的多功能钻切。然而，在一些特殊情况下或者特殊工艺要求下，对方形孔桩有着很大的需求空间，且有些工艺对方形桩的精度要求比较高。

综上所述，现有技术中对于方形桩孔的钻切效率以及精度问题，尚缺乏有效的解决方案，因此需要设计一种满足精度要求且切削效率高的钻机。

发明内容

为了克服方形桩孔的钻切效率以及精度问题，本发明提供了一种基于莱洛三角形原理而设计的钻杆以及多功能钻机，该钻杆以及方形多功能钻机一方面提高了方形桩孔的精度，另一方面工作效率高。

为了达成上述目的，本发明提供的一种基于莱洛三角形原理设计的用于切削方形桩孔的钻杆，其横截面包括三个顶点，三个顶点的位置与莱洛三角形的三个顶点位置重合；所述的钻杆的三个顶点之间通过三条形状相同的弧线依次连接，且所述的三条弧线上包含有用于切削的切削点，同时在每条弧线上设有排土槽；其具有的效果是：钻杆横截面采用莱洛三角形的形式，利用莱洛三角形等宽特性，达到钻出方孔的效果，可以解决某些特殊工艺上要求方孔桩的需求。

该装置的切削原理如下：

在转杆旋转过程中，始终有四点接触桩孔进行切削，在某些位置是三个顶点和某一条圆弧上的点形成四个切削点；在某些位置又是两个顶点和某两条圆弧上的点形成四个切削点；最终实现方形桩孔的切削。

进一步的，本发明每条弧线包括两段平滑连接的弧线，一段弧线向钻头的中心凹，形成排土槽，另一段弧线与莱洛三角形的边重合；沿着逆时针方向，三个排土槽位于每个切削点的右侧；以达到最佳的排土效果；

进一步的，本发明所述钻杆内为中空结构，一方面减轻钻杆的重量，另一方面以方便浆液的流通。

进一步的，本发明所述的钻杆的头部安装有钻头，钻头下方开有浆液孔，可以利用浆液孔进行喷浆，或者从浆液孔中抽排出土屑，实现正、反循环排土方式。

为了达成上述目的，本发明还提供了一种设有该钻杆的钻机，该钻机可以实现方形桩孔的钻切。

进一步的，本发明所述的钻机包括桩机机体，所述的钻机上安装有与其垂直的导轨，在所述的导轨上安装有驱动钻杆旋转的驱动装置，且驱动装置的顶部通过牵引装置牵引其上下移动，进而实现钻杆的上下移动；

进一步的，本发明所述桩机机体上还安装有调整导轨角度的调节装置(斜撑油缸)，通过该装置可以调节导轨的角度，进而实现对钻杆位置的调节，同时调节装置可以起到支撑作用。

进一步的，本发明所述的驱动装置包括一个电动机，所述的电动机与一个变速箱相连，通过变速箱上的换挡机构实现钻杆钻切方-圆孔运动的转换。

进一步的，本发明所述的变速箱内设有内齿圈、中心齿轮和行星齿轮，所述的中心齿轮和行星齿轮啮合，且两者通过行星架固定；中心齿轮与电动机主轴连接；行星齿轮用于驱动钻杆；所述的内齿圈在外力的驱动下或与行星齿轮啮合，或者不啮合；

当内齿圈进入啮合区与行星齿轮啮合时，行星齿轮既能自转又能绕着中心齿轮公转，当内齿圈退出啮合区时，整个齿轮机构变成定轴轮系，行星齿轮只能自转，即通过换挡实现行星轮系与定轴轮系的转换，也即实现了钻杆方-圆孔运动的转换。

进一步的，本发明所述钻杆内中空，上端通过键与行星齿轮连接，并获得旋转动力，下端与钻头连接。

钻杆竖向整体为螺旋形，利于钻孔渣土的排出，横截面为优化了的莱洛三角形，增加了排土槽，利于排土。

进一步的，本发明所述钻头，连接于钻杆下方，钻进时更利于破土。钻头下方开有浆液孔，可以利用浆液孔进行喷浆，或者从浆液孔中抽排出土屑，实现正、反循环排土方式。

进一步的，本发明在位于钻头上方的钻杆部分设有护筒，所述的护筒为可拆卸式，其安装在导轨上，主要起导向钻杆作用，可根据钻孔的形式，选择圆形或者方形护筒。

进一步的，本发明所述的钻机主要通过履带轮进行行走，依靠支撑腿固定于作业地面，桩机机体上安装有斜撑油缸、卷扬机、导轨等。卷扬机通过钢丝绳可以提升、下降动力头及其附属连接的变速箱、钻杆、钻头。所述动力头可由电动机来作为动力源，提供旋转动力，通过变速箱来调节旋转速度。

所述变速箱包括变速箱体及其内部的变速齿轮机构。变速箱体内壁上有导向槽，起导向作用。

该钻机利用换挡方式，方便的实现方孔-圆孔钻机的转换，增加了钻机的适用范围，节省了现场的作业空间，减少了设备投入的费用。

本发明的有益效果是：

第一：钻杆横截面采用莱洛三角形的形式，同时借助行星轮系的特点来实现莱洛三角形的运动轨迹，利用莱洛三角形等宽特性，达到钻出方孔的效果，可以解决某些特殊工艺上要求方孔桩的需求；同时其仅仅是对钻杆本身进行的改进，操作和常规的钻机很接近，因此效率高；同时利用莱洛三角形的原理提高了钻孔的精度。

第二：钻机利用换挡方式，即：当内齿圈进入啮合区与行星齿轮啮合时，行星齿轮既能自转又能绕着中心齿轮公转，实现对方孔的钻切；当内齿圈退出啮合区时，整个齿轮机构变成定轴轮系，行星齿轮只能自转，实现对圆孔的钻切；即通过换挡实现行星轮系与定轴轮系的转换，也即实现了钻杆方-圆孔运动的转换；

增加了钻机的适用范围，节省了现场的作业空间，减少了设备投入的费用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1、图2为本发明的整体结构示意图；

图3、图4为变速箱结构示意图；

图5为方形钻杆A-A截面图；

图6、图7为莱洛三角形钻头演变原理图；

图中，1、桩机机体，2、支撑腿，3、履带轮，4、斜撑油缸，5、卷扬机，6、钢丝绳，7、导轨，8、动力头，9、变速箱，10、钻杆，11、钻头，12、护筒，13、浆液孔，14、内齿圈，15、换挡油缸，16、导向槽，17、变速箱体，18、行星齿轮，19、中心齿论，20、主轴，21、行星架，22-1、键,22-2、键，23、莱洛三角形,24、钻杆横截面，25、排土槽。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释部分：本发明中所述的莱洛三角形，是现有的三角形中的一种，具有等宽特性，它是除了圆形以外，最简单的一个等宽曲线(等宽曲线，是将一个曲线图放在两条平行线中间，使之与这两平行线相切，则可以做到：无论这个曲线图如何运动，只要它还是在这两条平行线内，就始终与这两条平行线相切，但中心点会形成一个圆)，且是等宽曲线所能构成的面积中最小的图形。因此，基于莱洛三角形原理而设计的钻杆，可以钻出方形孔。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在矩形钻孔的精度难以保证；且钻机孔结构复杂、无法实现方形孔以及圆形孔的多功能钻切的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于莱洛三角形原理设计的钻杆及多功能钻机。

本申请的一种典型的实施方式中，如图5、图6、图7所示，提供了一种基于莱洛三角形23原理设计的用于切削方形桩孔的钻杆，其横截面包括三个顶点，三个顶点的位置与莱洛三角形的三个顶点位置重合；所述的钻杆的三个顶点之间通过三条形状相同的弧线依次连接，且所述的三条弧线上包含有用于切削的切削点，同时在每条弧线上设有排土槽25；其具有的效果是：钻杆横截面采用莱洛三角形的形式，利用莱洛三角形等宽特性，达到钻出方孔的效果，可以解决某些特殊工艺上要求方孔桩的需求。

该装置的切削原理如下：

在转杆旋转过程中，始终有四点接触桩孔进行切削，在某些位置是三个顶点和某一条圆弧上的点形成四个切削点；在某些位置又是两个顶点和某两条圆弧上的点形成四个切削点；最终实现方形桩孔的切削。

其具有的效果是：钻杆横截面采用莱洛三角形的形式，利用莱洛三角形等宽特性，达到钻出方孔的效果，可以解决某些特殊工艺上要求方孔桩的需求。

沿着逆时针方向，三个排土槽位于每个切削点的右侧，以达到最佳的排土效果。

上述的钻杆内为中空结构，一方面减轻钻杆的重量，另一方面以方面浆液的流通；钻杆竖向整体为螺旋形，利于钻孔渣土的排出，横截面为优化了的莱洛三角形，增加了排土槽，利于排土。

上述的所述的钻杆的头部还可以安装有钻头，钻头的形式可以使多种多样的，可以实际需要进行选择即可；当需要通过浆液时，可以在钻头下方开有浆液孔，可以利用浆液孔进行喷浆，或者从浆液孔中抽排出土屑，实现正、反循环排土方式。

本申请还提供了另一种实施例，如图1、2、3、4所述的钻机，该钻机的钻杆采用上述的钻杆的结构，即其横截面包括三个顶点，三个顶点的位置与莱洛三角形的三个顶点位置重合；所述的钻杆的三个顶点之间通过三条形状相同的弧线依次连接，且所述的三条弧线上包含有用于切削的切削点，同时在每条弧线上设有排土槽；每条弧线包括两段平滑连接的弧线，一段弧线向钻头的中心凹，形成排土槽，另一段弧线与莱洛三角形的边重合；具体的钻机的结构如下：

桩机机体1，主要通过履带轮3进行行走，依靠支撑腿2固定于作业地面，桩机机体1上安装有斜撑油缸4、卷扬机5、导轨7等。导轨7垂直于桩机机体1，竖直设置。

斜撑油缸4可以通过调节油缸行程来调整导轨的角度，同时可以起到支撑作用。

卷扬机5通过钢丝绳6以及导向轮等可以提升、下降动力头及其附属连接的变速箱、钻杆、钻头；

动力头8可由电动机来作为动力源，提供旋转动力，通过变速箱9来调节钻杆10的旋转速度。

变速箱9包括变速箱体17及其内部的变速齿轮机构。变速箱体17内壁上有导向槽16，起导向作用。

变速机构通过齿轮传动来实现变速，通过换挡使钻杆实现方-圆孔运动的转换，主要由内齿圈、换挡油缸、行星齿轮、中心齿轮、行星架和主轴等组成。

主轴与中心齿轮19通过键22-2连接，传递动力头的动力，中心齿轮19与行星齿轮18啮合，行星架21连接中心齿轮19和行星齿轮18，起支撑行星齿轮的作用；行星齿轮18通过键22-1与钻杆相连。

内齿圈14可通过换挡油缸15提供动力，沿着导向槽16运动，实现进入、退出啮合区，当内齿圈14进入啮合区与行星齿轮18啮合时，行星齿轮18既能自转又能绕着中心齿轮19公转，当内齿圈14退出啮合区时，整个齿轮机构变成定轴轮系，行星齿轮只能自转。通过换挡实现行星轮系与定轴轮系的转换，也即方-圆孔运动的转换。

钻杆10内中空，上端通过键与行星齿轮连接，并获得旋转动力，下端与钻头连接。钻杆竖向整体为螺旋形，利于钻孔渣土的排出，横截面为优化了的莱洛三角形，增加了排土槽，利于排土。

钻头11，连接于钻杆下方，钻进时更利于破土，钻头为现有的钻头，其结构型号可以根据需要进行选择。

当钻杆在钻切过程中需要喷射浆液时，可以在钻头11下方开有浆液孔，可以利用浆液孔进行喷浆，或者从浆液孔中抽排出土屑，实现正、反循环排土方式。

护筒12为可拆卸式，安装在导轨上，主要起导向钻杆作用，可根据钻孔的形式，选择圆形或者方形护筒。

上述钻机具体的工作方式如下：

工作时，桩机机体1通过履带轮3到达待钻桩孔位置，伸出支撑腿2以固定桩机位置，通过调节斜撑油缸4来调整导轨7的倾斜角度。卷扬机5通过钢丝绳6依次连接动力头8、变速箱9、钻杆10、钻头11，实现钻进和提钻动作。

(1)钻机进行钻圆孔作业时的工作过程如下：

钻圆孔时，护筒12选择圆形护筒，内齿圈14如图2中a图所处位置，主轴20一端与动力头8相连，获得旋转的动力，另一端通过键22-2与中心齿轮19相配合，中心齿轮19与行星齿轮18相啮合，同时，行星架21一端连接中心齿轮19，另一端连接行星齿轮18及钻杆10，起着支撑作用。钻杆10通过键22-1与行星齿轮18相配合，钻杆10最下端一节为钻头11。

钻进时，动力通过齿轮啮合的方式进行转速的调节，钻头11进行破土，土屑可通过钻杆螺旋排土。同时，钻杆10及钻头11内中空，钻头11上有浆液孔13，所以也可以选择利用此浆液孔13进行正循环或反循环排土的方式。

由于行星齿轮18相对固定，且带动钻杆10做圆周运动，同时在圆形护筒12的导向下，钻出的桩孔为圆孔。

(2)钻机进行钻方孔作业时的工作过程如下：

钻方孔时，护筒12选择安装方形护筒，利用换挡油缸15沿着变速箱体17内壁上的导向槽16推进内齿圈14到配合位置，如图2中b图所处位置，与行星齿轮18啮合。内齿圈14由换挡油缸定位及固定，与行星齿轮18、中心齿轮19、行星架21共同构成行星轮系。

钻进时，动力通过齿轮啮合的方式进行转速的调节，钻头11进行破土，土屑可通过钻杆螺旋排土。同时，钻杆10及钻头11内中空，钻头11上有浆液孔13，所以也可以选择利用此浆液孔13进行正循环或反循环排土的方式。

行星齿轮18与中心齿轮19外啮合，按照传动比自转，同时又与内齿圈14内啮合，绕着中心齿轮18公转，也就使得钻杆10既自转又公转，加之钻杆10的截面如图3所示为莱洛三角形,钻杆的运动轨迹正好可以近似仿照莱洛三角形在等宽正方形内的运动轨迹，所以，钻出的桩孔为方形。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

钻杆横截面采用莱洛三角形的形式，同时借助行星轮系的特点来实现莱洛三角形的运动轨迹，利用莱洛三角形等宽特性，达到钻出方孔的效果，可以解决某些特殊工艺上要求方孔桩的需求；同时其仅仅是对钻杆本身进行的改进，操作和常规的钻机很接近，因此效率高；同时利用莱洛三角形的原理提高了钻孔的精度。

钻机利用换挡方式，即：当内齿圈进入啮合区与行星齿轮啮合时，行星齿轮既能自转又能绕着中心齿轮公转，实现对方孔的钻切；当内齿圈退出啮合区时，整个齿轮机构变成定轴轮系，行星齿轮只能自转，实现对圆孔的钻切；即通过换挡实现行星轮系与定轴轮系的转换，也即实现了钻杆方-圆孔运动的转换；

增加了钻机的适用范围，节省了现场的作业空间，减少了设备投入的费用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于莱洛三角形原理设计的用于切削方形孔桩的钻杆，其特征在于，其横截面包括三个顶点，三个顶点的位置与莱洛三角形的三个顶点位置重合；所述的钻杆的三个顶点之间通过三条形状相同的弧线依次连接，且所述的三条弧线上包含有用于切削的切削点，同时在每条弧线上设有排土槽。

2.如权利要求1所述的钻杆，其特征在于，每条所述的弧线包括两段平滑连接的弧线，其中一段弧线向钻头的中心凹，形成排土槽，另一段弧线与莱洛三角形的边重合。

3.如权利要求1所述的钻杆，其特征在于，沿着逆时针方向，三个排土槽位于每个切削点的右侧。

4.一种多功能钻机，其特征在于，包括权利要求1-3任一所述的钻杆。

5.如权利要求4所述的多功能钻机，其特征在于，包括桩机机体，所述的钻机上安装有与其垂直的导轨，在所述的导轨上安装有驱动钻杆旋转的驱动装置，且驱动装置的顶部通过牵引装置牵引其上下移动，进而实现钻杆的上下移动。

6.如权利要求5所述的多功能钻机，其特征在于，所述的驱动装置包括一个电动机，所述的电动机与一个变速箱相连，通过变速箱上的换挡机构实现钻杆钻切方-圆孔运动的转换。

7.如权利要求6所述的多功能钻机，其特征在于，所述的变速箱内设有内齿圈、中心齿轮和行星齿轮，所述的中心齿轮和行星齿轮啮合，且两者通过行星架固定；中心齿轮与电动机主轴连接；行星齿轮用于驱动钻杆；所述的内齿圈在外力的驱动下或与行星齿轮啮合，或者不啮合。

8.如权利要求3所述的多功能钻机，其特征在于，在所述钻杆的下方设有钻头，钻头下方开有浆液孔。

9.如权利要求8所述的多功能钻机，其特征在于，在位于所述钻头上方的钻杆部分设有护筒，所述的护筒安装在导轨上，其根据钻孔的形式，选择圆形或者方形护筒。

10.如权利要求3所述的多功能钻机，其特征在于，所述桩机机体上还安装有调整导轨角度的调节装置。