CN110219583B - 一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器及破碎方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器及破碎方法，该冲击器通过行星轮系实现冲击器的间歇式配气，通过优化钻头的安装位置，使主钻头外的其余副钻头间歇工作，实现较高的冲击能量传递效率；配气阀块工作时，压缩空气由传动轴进入支撑座空腔至导向套，然后从传动轴至导向套的压缩空气直接连通主钻头并一直供气，只有当配气块与钻头安装板上的通孔相连通，压缩空气才能进入其他副钻头，从而实现循环配气。本发明利用间歇式配气及菠萝头式最优化结构布局，极大程度的降低了工作噪音；在工作过程中，由于循环配气装置的进气时间差，致使除主钻头外的其余副钻头间歇工作，避免了因“空打”造成的钻头回转结构的损坏，提高了钻头的使用寿命。

Description

一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器及破碎方法
技术领域
本发明属于桩基技术领域，具体涉及一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器及破碎方法。
背景技术
为保证沿海复杂地层高层建筑风载荷下的稳定性，确保建筑物基础的抗拉强度，建筑规范要求桩基础入硬岩深度500-1000mm。
在桩基的施工过程中，通常需要用到冲击器。传统夯锤和大孔径螺旋钻机已经无法满足硬岩、特别是抗压强度90MPa以上微风化花岗岩这类复杂地质条件下的基础施工；传统900mm以上大孔径冲击器采用单配气机构，能量转化效率低，周期内一次破碎面积大，所需压力和流量均特别大，必须采用多台空压机联合提供动力源才能保证冲击器的正常工作，造成硬岩施工的巨大能耗和噪声污染。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器及破碎方法，利用间歇式配气及菠萝头式最优化结构布局，极大程度的降低了工作噪音；在工作过程中，由于循环配气装置的进气时间差，致使除主钻头外的其余副钻头间歇工作，避免了因“空打”造成的钻头回转结构的损坏，提高了钻头的使用寿命。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器，通过行星轮系实现冲击器的间歇式配气，通过优化钻头的安装位置，使主钻头外的其余副钻头间歇工作，实现较高的冲击能量传递效率。
优选地，所述冲击器包括传动轴、上连接套、支撑座、下行星架、钻头安装板、导向套、上行星架、若干配气块和若干模拟钻头；所述支撑座上设有内齿圈，用于齿轮间的传动；所述传动轴位于上连接套的中部位置，传动轴上设有通孔，用于给冲击器输入高压气体；传动轴与导向套相连接，导向套上安装有配气块；所述支撑座与钻头安装板连接，钻头安装板上安装有若干模拟钻头，用于进行破碎冲击；所述下行星架和上行星架分别布置在支撑座的下方和上方，用于实现传动轴的传动；所述上连接套位于支撑座的上方并与支撑座固定连接，上连接套既作为连接装置，又作为密封装置。
优选地，所述配气块设有两个，分别是第一配气块和第二配气块，所述第一配气块和第二配气块均通过导向套与钻头安装板相接触；所述模拟钻头包括3种，分别是第一模拟钻头、第二模拟钻头和第三模拟钻头；第一模拟钻头为主钻头，位于传动轴的正下方位置；第二模拟钻头和第三模拟钻头均为副钻头，位于钻头安装板上距离圆心不同半径的圆周上；所述第一模拟钻头、第二模拟钻头和第三模拟钻头分别处于三个不同的平面。
优选地，所述上连接套和支撑座通过第一M3螺钉和第一φ3弹簧垫圈固定连接。
优选地，所述下行星架和上行星架之间通过贯穿于支撑座的太阳轮、第一深沟球轴承和套筒连接在一起，下行星架的下方设有φ6开口挡圈，用于挡住下部开口。
优选地，所述传动轴和导向套之间通过第二M3螺钉和第二φ3弹簧垫圈固定连接；所述传动轴和上连接套之间设有第二深沟球轴承，第二深沟球轴承的下方设有挡圈。
优选地，所述钻头安装板与支撑座之间通过第三M3螺钉固定连接，第三M3螺钉的外围设有分割环。
优选地，所述分割环和支撑座之间通过第一O型圈进行密封，所述支撑座与导向套之间通过第二O型圈进行密封。
优选地，所述上连接套的上方设有端盖，所述端盖与上连接套之间通过第四M3螺钉固定连接。
一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器的破碎方法，配气阀块工作时，压缩空气由传动轴进入支撑座空腔至导向套；然后从传动轴至导向套的压缩空气直接连通第一模拟钻头并一直供气，齿轮之间的齿数比使得导向套与支撑座形成了差速，第一配气块、第二配气块通过导向套与钻头安装板相接触，只有当第一配气块、第二配气块与钻头安装板上的通孔相连通，压缩空气才能进入其余副钻头，从而实现循环配气。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)利用间歇式配气及菠萝头式最优化结构布局，极大程度的降低了工作噪音。
(2)在工作过程中，由于循环配气装置的进气时间差，致使除主钻头外的其余副钻头间歇工作，避免了因“空打”造成的钻头回转结构的损坏，提高了钻头的使用寿命。
(3)由于硬岩的抗张应力和抗循环应力低，通过菠萝头式结构布局得到较高的冲击能量传动效率。
(4)提供了一种适应复杂硬岩大孔径施工的低耗、高可靠性桩基础施工装置，促进了大孔径硬岩桩基础施工工法的应用和推广。
附图说明
图1是本发明所提供的一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器的剖视结构示意图。
图2是本发明所提供的一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器的机构原理图。
图3是钻头的安装位置示意图。
图4是导向套的平面布置示意图。
附图标记说明：1、传动轴；2、上连接套；3、第一M3螺钉；4、第一φ3弹簧垫圈；5、支撑座；6、太阳轮；7、第一深沟球轴承；8、套筒；9、下行星架；10、φ6开口挡圈；11、第三模拟钻头；12、第二模拟钻头；13、第一模拟钻头；14、第一配气块；15、第二M3螺钉；16、第二φ3弹簧垫圈；17、第二配气块；18、钻头安装板；19、分割环；20、第三M3螺钉；21、第一O型圈；22、第二O型圈；23、导向套；24、上行星架；25、端盖；26、第四M3螺钉；27、挡圈；28、第二深沟球轴承。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明公开了一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器，通过行星轮系实现冲击器的间歇式配气，通过优化钻头的安装位置，使主钻头外的其余副钻头间歇工作，实现较高的冲击能量传递效率。
具体地，如图1所示，所述冲击器包括传动轴1、上连接套2、支撑座5、下行星架9、钻头安装板18、导向套23、上行星架24、若干配气块和若干模拟钻头；所述支撑座5上设有内齿圈，用于齿轮间的传动；所述传动轴1位于上连接套2的中部位置，传动轴1上设有通孔，用于给冲击器输入高压气体；传动轴1与导向套23相连接，导向套23上安装有配气块；所述支撑座5与钻头安装板18连接，钻头安装板18上安装有若干模拟钻头，用于进行破碎冲击；所述下行星架9和上行星架24分别布置在支撑座5的下方和上方，用于实现传动轴1的传动；所述上连接套2位于支撑座5的上方并与支撑座5固定连接，上连接套2既作为连接装置，又作为密封装置。冲击器的机构原理如图2所示。
具体地，所述配气块设有两个，分别是第一配气块14和第二配气块17，所述第一配气块14和第二配气块17均通过导向套23与钻头安装板18相接触；所述模拟钻头包括3种，分别是第一模拟钻头13、第二模拟钻头12和第三模拟钻头11；第一模拟钻头13为主钻头，位于传动轴1的正下方位置；第二模拟钻头12和第三模拟钻头11均为副钻头，位于钻头安装板18上距离圆心不同半径的圆周上；所述第一模拟钻头13、第二模拟钻头12和第三模拟钻头11分别处于三个不同的平面。钻头的安装位置如图3所示。
具体地，所述上连接套2和支撑座5通过第一M3螺钉3和第一φ3弹簧垫圈4固定连接。
具体地，所述下行星架9和上行星架24之间通过贯穿于支撑座5的太阳轮6、第一深沟球轴承7和套筒8连接在一起，下行星架9的下方设有φ6开口挡圈10，用于挡住下部开口。
具体地，所述传动轴1和导向套23之间通过第二M3螺钉15和第二φ3弹簧垫圈16固定连接；所述传动轴1和上连接套2之间设有第二深沟球轴承28，第二深沟球轴承28的下方设有挡圈27。
具体地，所述钻头安装板18与支撑座5之间通过第三M3螺钉20固定连接，第三M3螺钉20的外围设有分割环19。
具体地，所述分割环19和支撑座5之间通过第一O型圈21进行密封，所述支撑座5与导向套23之间通过第二O型圈22进行密封。
具体地，所述上连接套2的上方设有端盖25，所述端盖25与上连接套2之间通过第四M3螺钉26固定连接。
本发明还公开了一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器的破碎方法，配气阀块工作时，压缩空气由传动轴1进入支撑座5空腔至导向套23；然后从传动轴1至导向套23的压缩空气直接连通第一模拟钻头13并一直供气，齿轮之间的齿数比使得导向套23与支撑座5形成了差速，第一配气块14、第二配气块17通过导向套23与钻头安装板18相接触，只有当第一配气块14、第二配气块17与钻头安装板18上的通孔相连通，压缩空气才能进入其余副钻头，从而实现循环配气。导向套的平面布置如图4所示。
实施例
一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器，主要部件包括：传动轴1、支撑座5、上连接套2、钻头安装板18、导向套23、第一配气块14、第二配气块17、第一模拟钻头13、第二模拟钻头12、第三模拟钻头11、下行星架9、上行星架24、3个z＝26的齿轮、1个z＝47的齿轮。
在支撑座5上设有有z＝50的内齿圈；传动轴1上设有通孔，主要负责给冲击器输入高压气体，同时传动轴1与导向套23相连接，导向套23上安装有第一配气块14和第二配气块17；支撑座5与钻头安装板18连接；上连接套2既作为连接装置，又作为密封装置。配气槽布置如图4所示。
单个冲击器的冲击频率为f，周期
Figure BDA0002091954870000051
最大冲击能
Figure BDA0002091954870000052
功率P大＝pQ(p为气压，Q为流量)，ω1为输入角速度，ω3为齿轮转动角速度。
假设：半径为r1的圆周上布置有m1个冲击器；
半径为r2的圆周上布置有m2个冲击器。
若配气相对转速为ωΔ，
则有
Figure BDA0002091954870000053
即
Figure BDA0002091954870000061
由此可得：
Figure BDA0002091954870000062
ωΔ＝ω1-ω3，
配气槽角度:Φ≥T.ωΔ。
冲击性能分析：
冲击器的工作周期：
Figure BDA0002091954870000063
半径为r1的圆周上分布m1个冲击器：
Figure BDA0002091954870000064
对于半径为r1的圆周上所有冲击器的冲击功率
Figure BDA0002091954870000065
对于整个冲击器的冲击功率
Figure BDA0002091954870000066
由已知可知p为气压为一固定值，则流量
Figure BDA0002091954870000067
代入公式化简可得
冲击器平均功率：P大＝n1m1frE
大周期内每环冲击器冲击频率：
Figure BDA0002091954870000068
冲击器工作一个周期所需要的流量：
Figure BDA0002091954870000069
配气阀块工作时，压缩空气由传动轴1进入支撑座5空腔至导向套23。然后从传动轴1至导向套23的压缩空气直接连通主钻头(即第一模拟钻头13)并一直供气，齿轮之间的齿数比使得导向套23与支撑座5形成了差速，第一配气块14、第二配气块17通过导向套23与钻头安装板18相接触，只有当第一配气块14、第二配气块17与钻头安装板18上的通孔相连通，压缩空气才能进入其他副钻头，从而实现循环配气。第三模拟钻头11、第二模拟钻头12、第一模拟钻头13分别处于三个不同平面，当冲击器入岩时，菠萝头式结构能够减小接触面积，从而增大单位面积的正压力，避免了传统大直径单冲击器入岩难的状况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器，其特征在于：通过行星轮系实现冲击器的间歇式配气，通过优化钻头的安装位置，使主钻头外的其余副钻头间歇工作，实现较高的冲击能量传递效率；所述冲击器包括传动轴(1)、上连接套(2)、支撑座(5)、下行星架(9)、钻头安装板(18)、导向套(23)、上行星架(24)、若干配气块和若干模拟钻头；所述支撑座(5)上设有内齿圈，用于齿轮间的传动；所述传动轴(1)位于上连接套(2)的中部位置，传动轴(1)上设有通孔，用于给冲击器输入高压气体；传动轴(1)与导向套(23)相连接，导向套(23)上安装有配气块；所述支撑座(5)与钻头安装板(18)连接，钻头安装板(18)上安装有若干模拟钻头，用于进行破碎冲击；所述下行星架(9)和上行星架(24)分别布置在支撑座(5)的下方和上方，用于实现传动轴(1)的传动；所述上连接套(2)位于支撑座(5)的上方并与支撑座(5)固定连接，上连接套(2)既作为连接装置，又作为密封装置；所述配气块设有两个，分别是第一配气块(14)和第二配气块(17)，所述第一配气块(14)和第二配气块(17)均通过导向套(23)与钻头安装板(18)相接触；所述模拟钻头包括3种，分别是第一模拟钻头(13)、第二模拟钻头(12)和第三模拟钻头(11)；第一模拟钻头(13)为主钻头，位于传动轴(1)的正下方位置；第二模拟钻头(12)和第三模拟钻头(11)均为副钻头，位于钻头安装板(18)上距离圆心不同半径的圆周上；所述第一模拟钻头(13)、第二模拟钻头(12)和第三模拟钻头(11)分别处于三个不同的平面。
2.根据权利要求1所述的一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器，其特征在于：所述上连接套(2)和支撑座(5)通过第一M3螺钉(3)和第一φ3弹簧垫圈(4)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器，其特征在于：所述下行星架(9)和上行星架(24)之间通过贯穿于支撑座(5)的太阳轮(6)、第一深沟球轴承(7)和套筒(8)连接在一起，下行星架(9)的下方设有φ6开口挡圈(10)，用于挡住下部开口。
4.根据权利要求1所述的一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器，其特征在于：所述传动轴(1)和导向套(23)之间通过第二M3螺钉(15)和第二φ3弹簧垫圈(16)固定连接；所述传动轴(1)和上连接套(2)之间设有第二深沟球轴承(28)，第二深沟球轴承(28)的下方设有挡圈(27)。
5.根据权利要求1所述的一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器，其特征在于：所述钻头安装板(18)与支撑座(5)之间通过第三M3螺钉(20)固定连接，第三M3螺钉(20)的外围设有分割环(19)。
6.根据权利要求5所述的一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器，其特征在于：所述分割环(19)和支撑座(5)之间通过第一O型圈(21)进行密封，所述支撑座(5)与导向套(23)之间通过第二O型圈(22)进行密封。
7.根据权利要求1所述的一种大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器，其特征在于：所述上连接套(2)的上方设有端盖(25)，所述端盖(25)与上连接套(2)之间通过第四M3螺钉(26)固定连接。
8.一种如权利要求1至7中任一项所述的大孔径菠萝头式硬岩破碎冲击器的破碎方法，其特征在于：配气阀块工作时，压缩空气由传动轴(1)进入支撑座(5)空腔至导向套(23)；然后从传动轴(1)至导向套(23)的压缩空气直接连通第一模拟钻头(13)并一直供气，齿轮之间的齿数比使得导向套(23)与支撑座(5)形成了差速，第一配气块(14)、第二配气块(17)通过导向套(23)与钻头安装板(18)相接触，只有当第一配气块(14)、第二配气块(17)与钻头安装板(18)上的通孔相连通，压缩空气才能进入其余副钻头，从而实现循环配气。
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