CN110107221A - 一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置及方法；该工作装置包括起吊装置、回转马达、驱动座、回转齿轮、钻头、底座、键、升降法兰、升降油缸、承力梁、回转轴、液压抓斗、上支架、上横拉梁、升降导轨和外支架；工作装置安装于平整后的地面，用锚杆固定，利用液压泵站提供压力油源，获得回转扭矩与推进力，实现切屑钻孔，利用液压抓斗实现中心取渣工作。本发明装置实现了在复杂地质条件下(如野外、山区、沉积区域)采用非爆破法，易拆装、运输的简易结构设备，一次成型1.5米以上孔径，且深度可达百米以上的建筑桩孔或特殊地质勘探孔，解决了这一领域机械化施工的空白。

Description

一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置及方法

技术领域

本发明属于孔径钻孔设备领域，尤其涉及一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置及方法。

背景技术

我国目前在复杂地质条件下采用非爆破法一次性成型超大孔径钻孔设备领域没有合适的解决方案。一，野外钻建筑桩孔目前主要采用旋挖钻或者人工方式，旋挖钻使用成本高昂，并且受施工环境限制，不能在山区等不适应大型设备运输、行走的场合应用；人工成孔效率低，且有孔壁坍塌、缺氧等安全风险。二，在松软的沉积区域成孔时，有孔壁坍塌风险，只能采用大开挖方式，效率低、成本高。三，遇到硬岩时，旋挖钻或者人工方式成孔能力极差。

发明内容

本发明提出了一种适应于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置及方法，以解决目前旋挖钻使用成本高昂，并且受施工环境限制，人工成孔效率低，且有安全风险，在松软的沉积区域成孔时，有孔壁坍塌风险，遇到硬岩时，成孔能力极差等问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置，包括起吊装置、回转马达、驱动座、回转齿轮、钻头、底座、键、升降法兰、升降油缸、承力梁、回转轴、液压抓斗、上支架、上横拉梁、升降导轨和外支架；

四个外支架用锚杆锚固在平整后的地面上，外支架内侧的底部固定有底座，中部固定有驱动座，上部竖直方向设有升降导轨，外支架上端由承力梁和上横拉梁约束固定，四个外支架承担整个工作装置的升降、回转扭矩反作用力；

升降法兰安装在回转轴上，可相对旋转，升降油缸安装在升降法兰和承力梁之间，由升降油缸通过升降法兰带动回转轴上下运动；键安装在回转轴的键槽中，回转齿轮插入回转轴，由键定位，回转齿轮可以在回转轴和键中上下移动，回转马达安装在驱动座上，并与回转齿轮啮合，液压泵站作为动力源为回转马达供油，带动回转齿轮旋转，通过键提供回转轴旋转扭矩；

钻头与回转轴可拆卸连接，接管的一端可拆卸连接回转轴，另一端可拆卸连接钻头；

上支架套入回转轴上端，上支架具有四个凸台，凸台插入升降导轨的凹槽，钻孔时上支架沿升降导轨上下运动；回转轴和钻头连接后，由上支架和底座上下扶持，保持钻孔角度，实现钻孔时的定位；

上支架顶部安装有通过起吊装置调整高度的液压抓斗。

进一步地，该装置还包括防护销，所述底座、接管和钻头均具有侧向开孔，用于在钻孔完成后拆卸接管、钻头时，防止下方接管、钻头掉入已完成孔中。

进一步地，所述起吊装置包括绞车、滑轮支架、滑轮座、钢丝绳、胶管和滑轮；所述滑轮支架固定在外支架顶部，滑轮座和滑轮支架连接，滑轮安装在滑轮支架上，绞车固定在地面，液压抓斗由绞车上的钢丝绳通过滑轮吊装在工作装置上方，通过绞车、钢丝绳和滑轮带动液压抓斗上下运动；胶管通过滑轮和液压抓斗连接，通过液压泵站、胶管为液压抓斗提供工作液压油。

进一步地，所述回转轴的下端具有两个法兰，升降法兰夹在上下两个法兰之间，使得升降法兰上下运动被回转轴约束，又能在回转轴中自由转动。

进一步地，所述回转轴上部具有台阶，所述上支架下端由回转轴上部的台阶支撑，上端由安装在回转轴顶部的上支架压板夹持，当回转轴上下运动时，上支架沿升降导轨上下同步运动，始终起到扶持回转轴的作用。

进一步地，所述回转齿轮装入驱动座，由驱动座和回转齿轮档板上下夹持。

进一步地，所述驱动座上对称安装两个回转马达，对称安装两个升降油缸；

回转齿轮和两个回转马达齿轮啮合，将回转扭矩传递给回转轴，通过接管传递到钻头，实现岩石切割；

两个升降油缸固定在升降法兰和承力梁之间，升降油缸伸缩，带动升降法兰上下运动，由于升降法兰夹持在回转轴中，最终带动回转轴、接管、钻头上下运动，实现钻孔推进。

该工作装置的野外安装方法包括以下步骤：

(1)在需要成孔的野外平整待成孔地面，将底座准确放置在需要成孔的位置，以底座为定位，安装四个外支架、驱动座、承力梁、上横拉梁；

(2)用手持液压凿岩机按外支架底部的固定孔位置在地面钻孔，用锚杆将外支架和地面固定；

(3)用起吊装置起吊安装回转轴和升降法兰，用升降油缸初步固定回转轴和升降法兰；在回转轴上安装键、回转齿轮，将回转马达安装到驱动座，用起吊装置起吊上支架，将上支架安装在回转轴上端，将四个升降导轨插入上支架的凸台中，将升降导轨固定在外支架内侧上部；

(4)将钻头安装到回转轴下端，安装液压抓斗。

该工作装置的成孔作业方法包括以下步骤：

(1)利用液压泵站同时驱动回转马达，带动回转轴旋转，驱动升降油缸向下推动升降法兰，带动回转轴、钻头向下钻孔推进；

(2)当钻头完全钻入后，将防护销插入底座和钻头侧向孔中，松开钻头和回转轴连接，用升降油缸将回转轴升起，装入接管，将接管和回转轴及钻头连接，重复前述钻孔操作继续向下钻孔，钻头和接管中间的岩土用液压抓斗取出，重复以上操作使孔达到预定深度；

(3)成孔作业完成后，利用升降油缸反复提升回转轴、接管、钻头，并且逐次拆除接管，使本装置可以循环使用。

本发明的有益效果是：本发明采用易拆装、运输的简易结构，实现了在复杂地质条件下(如野外、山区、沉积区域)，采用非爆破法一次性成孔，成本低廉，对施工环境要求低，避免在松软的沉积层成孔时孔壁坍塌，同时具有足够的硬岩成孔能力。可用于一次成型1.5米以上孔径，且深度百米以上的建筑桩孔或特殊地质勘探孔，能极大提高工作效率、节省人工成本、提高施工安全，具有广泛的市场前景。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为本发明的回转轴和升降法兰结构示意图，(a)为侧视图，(b)为立体图；

图3为本发明在钻孔时的定位示意图，(a)为立体图，(b)为侧视图；

图4为本发明的底座示意图；

图5为本发明的升降导轨示意图；

图6为本发明的上支架示意图；

图7为本发明在钻孔时的推进、回转原理示意图；

图8为本发明的回转轴、回转齿轮、键装配关系示意图；

图9为本发明的驱动座示意图；

图10为本发明的回转齿轮示意图；

图11为本发明的钻头示意图，(a)为立体图，(b)为侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-11所示，本发明提供的一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置，包括起吊装置、回转马达3、驱动座4、回转齿轮5、钻头8、底座9、键11、升降法兰12、升降油缸13、承力梁14、回转轴15、液压抓斗21、上支架22、上横拉梁23、升降导轨24和外支架25；

如图3所示，四个外支架25用锚杆26锚固在平整后的地面上，外支架25内侧的底部固定有底座9，如图4所示，中部固定有驱动座4，上部竖直方向设有升降导轨24，如图5所示，外支架25上端由承力梁14和上横拉梁23约束固定，四个外支架25承担整个工作装置的升降、回转扭矩反作用力；

升降法兰12安装在回转轴15上，可相对旋转，升降油缸13安装在升降法兰12和承力梁14之间用螺栓连接，由升降油缸13通过升降法兰12带动回转轴15上下运动；如图8、10所示，键11用螺栓安装在回转轴15的键槽中，回转齿轮5插入回转轴15，由键11定位，回转齿轮5可以在回转轴15和键11中上下移动，回转马达3用螺栓安装在驱动座4上，并与回转齿轮5啮合，液压泵站2作为动力源为回转马达3供油，带动回转齿轮5旋转，通过键11提供回转轴15旋转扭矩，由于齿数比足够大，回转轴15可以获得巨大的回转切削扭矩；

如图11所示，钻头8采用螺栓和回转轴15连接，接管10采用螺栓连接在回转轴15及钻头8之间，重复钻孔、安装接管10，可以使工作装置达到需要的钻孔深度，同时，接管10可以实现孔壁支护作用，避免孔壁坍塌；当钻头8钻入岩层后，在钻头8和回转轴15之间装入接管10，底座9扶持接管10继续钻孔；如图3、4所示，钻孔完成后，在拆卸接管10、钻头8时，防护销6起到防止下方接管10、钻头8掉入已完成孔中的作用。

上支架22套入回转轴15上端，如图6所示，上支架22具有四个凸台，凸台插入升降导轨24的凹槽，钻孔时上支架22沿升降导轨24上下运动；回转轴15和钻头8连接后，由上支架22和底座9上下扶持，保持钻孔角度，实现钻孔时的定位；

上支架22顶部安装有通过起吊装置调整高度的液压抓斗21。

所述起吊装置的一种实现方式如下：起吊装置包括绞车1、滑轮支架16、滑轮座17、钢丝绳18、胶管19和滑轮20；所述滑轮支架16用螺栓固定在外支架25顶部，滑轮座17用螺栓和滑轮支架16连接，滑轮20用螺栓安装在滑轮支架16上，绞车1固定在地面，液压抓斗21由绞车1上的钢丝绳18通过滑轮20吊装在工作装置上方，通过绞车1、钢丝绳18和滑轮20带动液压抓斗21上下运动；胶管19通过滑轮20和液压抓斗21连接，通过液压泵站2、胶管19为液压抓斗21提供工作液压油。

如图2所示，所述回转轴15的下端具有两个法兰，升降法兰12夹在上下两个法兰之间，使得升降法兰12上下运动被回转轴15约束，又能在回转轴15中自由转动。

所述回转轴15上部具有台阶，所述上支架22下端由回转轴15上部的台阶支撑，上端由安装在回转轴15顶部的上支架压板27夹持，当回转轴15上下运动时，上支架22沿升降导轨24上下同步运动，始终起到扶持回转轴15的作用。

如图9所示，所述回转齿轮5装入驱动座4，由驱动座4和回转齿轮档板28上下夹持；所述驱动座4上对称安装两个回转马达3，对称安装两个升降油缸13；

如图7、8所示，回转齿轮5和两个回转马达3齿轮啮合，将回转扭矩传递给回转轴15，通过接管10传递到钻头8，实现岩石切割；两个升降油缸13固定在升降法兰12和承力梁14之间，升降油缸13伸缩，带动升降法兰12上下运动，由于升降法兰12夹持在回转轴15中，最终带动回转轴15、接管10、钻头8上下运动，实现钻孔推进。

该超大孔径成孔工作装置的野外安装方法包括：

(1)在需要成孔的野外平整出5.5×5.5米长宽的地面，将底座9准确放置在需要成孔的位置，以底座9为定位，安装四个外支架25、驱动座4、两件承力梁14、两件上横拉梁23；

(2)用手持液压凿岩机7按外支架25底部的固定孔位置在地面钻孔，用锚杆26将外支架25和地面固定；

(3)安装滑轮支架16、滑轮座17、滑轮20，在合适的位置安装绞车1，用绞车1作为吊机，起吊安装回转轴15和升降法兰12，用升降油缸13初步固定回转轴15和升降法兰12；在回转轴15上安装键11、回转齿轮5，将回转马达3安装到驱动座4，用绞车1起吊上支架22，将上支架22安装在回转轴15上端，将四个升降导轨24插入上支架22的凸台中，并用螺栓将升降导轨24固定在外支架25内侧上部；

(4)将钻头8安装到回转轴15下端，安装液压抓斗21并连接胶管19。

该超大孔径成孔工作装置的成孔作业方法包括：

(1)利用液压泵站2同时驱动回转马达3，带动回转轴15旋转，驱动升降油缸13向下推动升降法兰12，带动回转轴15、钻头8向下钻孔推进；

(2)当钻头8完全钻入后，将防护销6插入底座9和钻头8侧向孔中，松开钻头8和回转轴15连接，用升降油缸13将回转轴15升起，装入接管10，将接管10和回转轴15及钻头8连接，重复前述钻孔操作继续向下钻孔，钻头8和接管10中间的岩土用液压抓斗21取出，液压抓斗21具备一定的岩石破碎能力，在遇到特别硬的岩石时，液压抓斗21无法破碎抓取时，采用手持液压凿岩机7在硬岩上钻孔，用液压劈裂机破碎岩石，重复以上操作使孔达到预定深度，期间，接管10同时起到了孔壁支护作用，避免出现孔壁坍塌；

(3)成孔作业完成后，利用升降油缸13反复提升回转轴15、接管10、钻头8，并且逐次拆除接管10，使本装置可以循环使用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置，其特征在于，包括起吊装置、回转马达、驱动座、回转齿轮、钻头、底座、键、升降法兰、升降油缸、承力梁、回转轴、液压抓斗、上支架、上横拉梁、升降导轨和外支架；

四个外支架用锚杆锚固在平整后的地面上，外支架内侧的底部固定有底座，中部固定有驱动座，上部竖直方向设有升降导轨，外支架上端由承力梁和上横拉梁约束固定；

升降法兰安装在回转轴上，可相对旋转，升降油缸安装在升降法兰和承力梁之间，由升降油缸通过升降法兰带动回转轴上下运动；键安装在回转轴的键槽中，回转齿轮插入回转轴，由键定位，回转齿轮可以在回转轴和键中上下移动，回转马达安装在驱动座上，并与回转齿轮啮合，回转马达带动回转齿轮旋转，通过键提供回转轴旋转扭矩；

钻头与回转轴可拆卸连接，接管的一端可拆卸连接回转轴，另一端可拆卸连接钻头；

上支架套入回转轴上端，上支架具有四个凸台，凸台插入升降导轨的凹槽，上支架能够沿升降导轨上下运动；上支架顶部安装有通过起吊装置调整高度的液压抓斗。

2.根据权利要求1所述的一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置，其特征在于，该装置还包括防护销，所述底座、接管和钻头均具有侧向开孔，用于在拆卸接管、钻头时，防止下方接管、钻头掉入已完成孔中。

3.根据权利要求1所述的一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置，其特征在于，所述起吊装置包括绞车、滑轮支架、滑轮座、钢丝绳、胶管和滑轮；所述滑轮支架固定在外支架顶部，滑轮座和滑轮支架连接，滑轮安装在滑轮支架上，绞车固定在地面，液压抓斗由绞车上的钢丝绳通过滑轮吊装在工作装置上方，通过绞车、钢丝绳和滑轮带动液压抓斗上下运动；胶管通过滑轮和液压抓斗连接，通过液压泵站、胶管为液压抓斗提供工作液压油。

4.根据权利要求1所述的一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置，其特征在于，所述回转轴的下端具有两个法兰，升降法兰夹在上下两个法兰之间，使得升降法兰上下运动被回转轴约束，又能在回转轴中自由转动。

5.根据权利要求1所述的一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置，其特征在于，所述回转轴上部具有台阶，所述上支架下端由回转轴上部的台阶支撑，上端由安装在回转轴顶部的上支架压板夹持。

6.根据权利要求1所述的一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置，其特征在于，所述回转齿轮装入驱动座，由驱动座和回转齿轮档板上下夹持。

7.根据权利要求1所述的一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置，其特征在于，所述驱动座上对称安装两个回转马达，对称安装两个升降油缸。

8.根据权利要求1所述的一种适用于复杂地质条件的超大孔径成孔工作装置，其特征在于，所述回转齿轮和回转马达啮合，将回转扭矩传递给回转轴，通过接管传递到钻头，实现岩石切割；所述升降油缸伸缩，带动升降法兰上下运动，由于升降法兰夹持在回转轴中，最终带动回转轴、接管、钻头上下运动，实现钻孔推进。

9.一种权利要求1-8所述超大孔径成孔工作装置的野外安装方法，其特征在于，该方法包括：

(1)在需要成孔的野外平整待成孔地面，将底座准确放置在需要成孔的位置，以底座为定位，安装四个外支架、驱动座、承力梁、上横拉梁；

(2)用手持液压凿岩机按外支架底部的固定孔位置在地面钻孔，用锚杆将外支架和地面固定；

(3)用起吊装置起吊安装回转轴和升降法兰，用升降油缸初步固定回转轴和升降法兰；在回转轴上安装键、回转齿轮，将回转马达安装到驱动座，用起吊装置起吊上支架，将上支架安装在回转轴上端，将四个升降导轨插入上支架的凸台中，将升降导轨固定在外支架内侧上部；

(4)将钻头安装到回转轴下端，安装液压抓斗。

10.一种权利要求1-8所述超大孔径成孔工作装置的成孔作业方法，其特征在于，该方法包括：

(1)利用液压泵站同时驱动回转马达，带动回转轴旋转，驱动升降油缸向下推动升降法兰，带动回转轴、钻头向下钻孔推进；

(2)当钻头完全钻入后，将防护销插入底座和钻头侧向孔中，松开钻头和回转轴连接，用升降油缸将回转轴升起，装入接管，将接管和回转轴及钻头连接，重复前述钻孔操作继续向下钻孔，钻头和接管中间的岩土用液压抓斗取出，重复以上操作使孔达到预定深度；

(3)成孔作业完成后，利用升降油缸反复提升回转轴、接管、钻头，并且逐次拆除接管，使本装置可以循环使用。