CN110805032A - 可任意方位角度定向摆喷的高压旋喷钻机及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可任意方位角度定向摆喷的高压旋喷钻机及施工方法，包括动力头和钻杆，所述动力头上钻杆最终驱动级的主动轴上安装有多圈式绝对值编码器I；所述钻杆上设有滑移架总成；该滑移架总成上设有多圈式绝对值编码器II；所述多圈式绝对值编码器I和多圈式绝对值编码器II均通过CAN总线与工控机相连；所述钻杆为多节式，各节钻杆之间通过定位连接组件相连，确保各节钻杆之间的位置保持一致。本发明参数设置方便，自动化程度高，可根据施工需要任意选择起摆喷射点和回摆喷射点，获得连续旋喷、连续摆喷、定点旋喷、定点摆喷、连续定喷等不同模式，并在增加或减少钻杆后，依然保持摆喷方向和角度，可靠传递摆喷运动。

Description

可任意方位角度定向摆喷的高压旋喷钻机及施工方法

技术领域

本发明涉及一种建筑施工设备及其施工方法，尤其是一种高压旋喷钻机及其施工方法，具体的说是可任意方位角度定向摆喷的高压旋喷钻机及施工方法。

背景技术

喷射注浆法是以高压旋喷钻机为主要施工设备。施工时需要首先利用钻机钻进成孔后插入专用注浆钻杆或用钻机的动力头将带有注浆功能的钻杆钻进至土层预定的深度；然后以20-40Mpa的压力把水泥浆、水和高压空气从钻头上的喷嘴中喷射出来，行成喷射流冲击破坏土层；在用高压水泥浆(水)切割土层的同时，缓慢用钻机的动力头将钻杆提升至地面；这样将土层中的颗粒与水泥浆搅拌混合，待水泥浆凝固后，会在土层中形成一个固结体。

目前，根据工程需求，不但要求桩体的直径越来越大，还要求桩体为不同角度的扇形。现有的高压旋喷钻机大都采用锥形螺纹对多节钻杆进行连接，因而其只能朝一个方向旋转。一旦反向旋转时，钻杆与钻杆之间的螺纹连接就会产生脱落，不能正常的工作。而且，多节钻杆联接后，其喷嘴喷射方向和初始的喷射方向不容易保持一致，导致摆喷施工的“对位”十分困难和粗糙，很难按设计要求成桩。同时，现有的普通高压旋喷钻机不具备间断提升和任意方位角度定向功能，无法形成任意夹角的扇形摆喷，难以满足施工要求。

因此，需要对现有的高压旋喷钻机进行改进，以便更好的满足当前工程施工的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可任意方位角度定向摆喷的高压旋喷钻机及施工方法，可以根据施工需要，通过遥控器或控制器显示屏设置施工参数，可任意选择起摆喷射点和回摆喷射点，可获得连续旋喷、连续摆喷、定点旋喷、定点摆喷、连续定喷等不同模式，并在接杆或减杆后保持摆喷方向和角度，可靠传递摆喷运动。

本发明的技术方案是：

一种可任意方位角度定向摆喷的高压旋喷钻机，该钻机为全液压驱动，包括动力头和钻杆，所述动力头上的钻杆最终驱动级的主动轴上安装有多圈式绝对值编码器I；所述钻机的桅杆上设有滑移架总成；该滑移架总成上设有多圈式绝对值编码器II；所述多圈式绝对值编码器I和多圈式绝对值编码器II均通过CAN总线与工控机相连；该工控机通过四条数字输出通道分别连接钻杆驱动液压马达顺时针转比例换向阀电磁铁、钻杆驱动液压马达逆时针转比例换向阀电磁铁、钻杆升降液压缸提升比例换向阀电磁铁和钻杆升降液压缸下降比例换向阀电磁铁；所述工控机通过三个开关输出通道分别输出控制高压水、高压气和压力浆阀的开关信号；所述钻杆为多节式，各节钻杆之间通过定位连接组件相连，确保各节钻杆之间的位置保持一致。

进一步的，所述工控机通过CAN总线连接显示器或遥控器的接收机。

进一步的，所述钻杆定位连接组件包括相互对应的外花键和内花键，以及螺母锁扣，该外花键和内花键均为少齿花键，使两者能够按唯一的方式相互啮合；每节所述钻杆的两端分别设有所述外花键和内花键，且该外花键和内花键的定位位置一致，使各节钻杆连接时能够保持位置的一致性；所述螺母锁扣旋接在所述外花键和内花键的连接处外侧面上。

进一步的，所述动力头包括马达，该马达内设有转速传感器，该转速传感器与所述工控机相连，能够感测所述马达的转速，并将信息传输至工控机。

进一步的，所述钻杆上设有能够表示方向和喷口位置的标记。

一种根据权利要求1所述的可任意方位角度定向摆喷高压旋喷钻机的施工方法，包括以下步骤：

1）查看施工现场土质，按设计对桩位进行勘测放样，安装起喷和回喷的方向桩；

2）启动旋喷模式，设置旋喷角速度ω，联接钻杆；设定钻杆提升的起始点L1，终止点L2，旋喷行程L=L2-L1；设定钻杆提升速度V1，下降速度V2，设定钻杆升降循环作业次数N；启动控制系统的旋喷开关，水、压缩空气、浆液经多重导流器进入，通过钻杆达到多功能喷头后喷出，钻杆进行360°旋转，所成桩为圆柱体；

3）启动摆喷模式时，设置摆喷角速度ω，联接钻杆，以每根钻杆上的喷口方向标记校准摆角α₁、α₂：钻杆喷口对准摆角方向桩1设定为摆喷起始角α₁，转动钻杆喷口对准摆角方向桩2设定为摆喷回摆角α₂；由此实现摆喷角度的控制，且摆喷角度可为任意方位角；与旋喷同样设置L₁/L₂、V₁/V₂、N；同时，水、压缩空气、浆液经多重导流器进入，通过钻杆达到多功能喷头后喷出；钻杆以α°摆动，所成桩为扇形柱体。同样参数设置时设定终止点 L₂=L₁为定点摆喷；

4）启动定喷模式时，设置摆喷角速度ω=0，联接钻杆，以每根钻杆上的喷口方向标记校准摆角α₁、α₂：钻杆喷口对准摆角方向桩1设定为摆喷起始角α₁，设定为摆喷回摆角α₂=α₁；与旋喷同样设置L₁/L₂、V₁/V₂、N；同时，水、压缩空气、浆液经多重导流器进入，通过钻杆达到多功能喷头后喷出；钻杆以α₁为方向0°摆动，所成桩为板型体；同样参数设置时，设定钻杆提升的终止点 L₂=L₁，即为定深定喷；

5）施工完成后，停止喷射水、压缩空气、浆液；将钻杆从土层拔出，清洗钻喷杆，完成施工作业。

本发明的有益效果：

本发明参数设置方便，自动化程度高，容易控制，成桩效果好，可在高压注浆时，根据施工需要，通过遥控器或控制器显示屏设置施工参数，可任意选择起摆喷射点和回摆喷射点，获得连续旋喷、连续摆喷、定点旋喷、定点摆喷、连续定喷等不同模式，并在增加或减少钻杆后，依然保持摆喷方向和角度，可靠传递摆喷运动。

附图说明

图1是本发明的工作示意图。

图2是钻杆驱动动力头示意图。

图3是图1中I处的纵向剖视图。

图4是图3中A-A剖视图。

图5是控制系统框图。

其中：1-导流器；2-钻杆；3-动力头；4-滑移架总成；5-钻杆夹持器；6-加固体；7-喷口；8-机身； 201-钻杆回转驱动；202-多圈式绝对值编码器I；203-马达；204-变速箱；101-内花键；102-螺母锁扣；103-外花键。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至图5所示。

一种可任意方位角度定向摆喷的高压旋喷钻机，采用全液压系统驱动，包括机身8、导流器1、动力头3、钻杆2、钻杆夹持器5和滑移架总成4。所述动力头3的回转和升降驱动是采用电比例控制液压负载传感压力流量补偿系统。该动力头3包括钻杆回转驱动、马达和变速箱。其中，所述马达为高速定量柱塞马达；所述液压系统中设有电比例控制闭芯式负载传感多路换向阀、负载传感控制变量柱塞变量泵和液压油缸。所述换向阀与工控机相连，可通过工控机控制电比例换向阀，使马达和液压缸按程序动作，实现无级调速。所述高速定量柱塞马达设有转速传感器。该转速传感器与所述工控机相连，能够感测所述动力头内的马达转速，并将信息传输至工控机，便于实现对马达转速的调节。

所述动力头3上钻杆最终驱动级的主动轴（减速比为定值i=n）通过弹性安装座和弹性联轴节联接多圈式绝对值编码器I 202。该多圈式绝对值编码器I 202通过CAN总线与所述工控机相连，可将编码值输入工控机。工控机解算出编码器偏转角θ₁，并在任意方位角位置上设置摆喷起始角α₁（对应编码器的偏转角为θ₁）和摆喷终止角α₂（对应编码器的偏转角为θ₂），摆喷角速度ω。当钻杆和多圈式绝对值编码器I之间的传动速比i=n时，摆喷角α=α₂-α₁=（θ₂-θ₁）/n。

所述钻杆夹持器5可在油缸驱动下，在所述滑移架总成4上作上下往复运动。该滑移架总成4上安装有多圈式绝对值编码器II。优选的，该多圈式绝对值编码器II为拉线式，可通过测量拉线长度而获得钻杆夹持器在滑移架上的位置和行程。该多圈式绝对值编码器II通过CAN总线与所述工控机相连，可将编码值输入工控机，并由工控机解算出编码器偏转角θ。该多圈式绝对值编码器II的拉线轮直径φ=d，则拉线长度L=πdθ，可在油缸行程范围设置摆喷起始点L₁（对应多圈式绝对值编码器II的偏转角为θ₃）、摆喷终止点L₂（对应多圈式绝对值编码器II的偏转角为θ₄）。当摆喷提升速度为V₁，摆喷下降速度为V₂时，摆喷行程L=L₂-L₁=πd（θ₄-θ₃）。

所述工控机通过CAN总线联接工控显示器，以便通过该工控显示器进行参数输入，并显示相关施工参数、整机工作状态。或者，所述工控机可通过CAN总线联接无线遥控器的接收机，利用无线遥控器进行参数输入，并操作整机。

所述工控机通过四条数字输出通道分别连接钻杆驱动液压马达顺时针转比例换向阀电磁铁、钻杆驱动液压马达逆时针转比例换向阀电磁铁、钻杆升降液压缸提升比例换向阀电磁铁和钻杆升降液压缸下降比例换向阀电磁铁。通过控制钻杆驱动液压马达顺时针转比例换向阀电磁铁和钻杆驱动液压马达逆时针转比例换向阀电磁铁，可以控制马达的旋转方向，进而驱动钻杆往复摆动。往复摆动切换点由α₁/α₂控制，并通过输出电流大小，控制比例换向阀的开度，从而调节液压马达转速，控制钻杆摆动的角速度ω。同时，通过控制钻杆升降液压缸提升比例换向阀电磁铁和钻杆升降液压缸下降比例换向阀电磁铁，使液压油缸伸缩，驱动钻杆往复升降。往复升降切换点由L₁/L₂控制，并通过输出电流大小，控制比例换向阀的开度，从而调节液压缸伸缩速度，控制了钻杆升降的速度V₁/V₂。

所述工控机通过三个开关输出通道分别输出控制高压水、高压气和压力浆阀的开关信号，可分别在摆喷开始阶段以水、气、浆顺序输出开始信号控制高压水、高压气和压力浆打开，并在摆喷中断或结束阶段以浆、气、水顺序输出关闭信号控制高压水、高压气和压力浆关闭。

所述钻杆2为多节式，各节钻杆2之间通过定位连接组件相连，确保各节钻杆之间的位置保持一致。所述定位连接组件包括相互对应的外花键103和内花键101，以及螺母锁扣102。该外花键103和内花键101均为少齿花键，使两者能够按唯一的方式相互啮合。所述螺母锁扣102旋接在所述外花键103和内花键101的连接处外侧面上，将所述外花键103和内花键101牢固连接，并可锁止钻杆2之间的轴向运动，使摆喷时变换的扭矩完全由花键传递，实现可靠的顺时针和逆时针转动。每节所述钻杆2的两端分别设有所述外花花键103和内花键101，且该外花键103和内花键101的定位位置一致，使各节钻杆连接时能够保持位置的一致性，确保当钻杆加、减节后，喷口方向不会改变。安装时，每节钻杆的内、外花键必须使缺齿对称面完全重合。所述内、外花键还可以是渐开线花键等其他形式。

所述外花键103的外表面上还可设置不易磨损并表示喷射方向或喷口位置的醒目标记，方便校准喷射方向。所述喷口7位于钻杆2的下端侧壁上，通过喷射水泥浆而形成加固体6。

本发明一种可任意方位角度定向摆喷高压旋喷钻机的施工方法，包括以下步骤：

1）查看施工现场土质，按设计对桩位进行勘测放样，安装始喷和回喷的方向桩；

2）启动旋喷模式，设置旋喷角速度ω，联接钻杆；设定钻杆提升的起始点L₁，终止点L₂，旋喷行程L=L₂-L₁；设定钻杆提升速度V₁，下降速度V₂，设定钻杆升降循环作业次数N；启动控制系统的旋喷开关，水、压缩空气、浆液经多重导流器进入，通过钻杆达到多功能喷头后喷出，钻杆进行360°旋转，所成桩为圆柱体；

3）启动摆喷模式时，设置摆喷角速度ω，联接钻杆，以每根钻杆上的喷口方向标记校准摆角α₁、α₂：钻杆喷口对准摆角方向桩1设定为摆喷起始角α₁，转动钻杆喷口对准摆角方向桩2设定为摆喷回摆角α₂；由此实现摆喷角度的控制，且摆喷角度可为任意方位角；与旋喷同样设置L₁/L₂、V₁/V₂、N；同时，水、压缩空气、浆液经多重导流器进入，通过钻杆达到多功能喷头后喷出；钻杆以α°摆动，所成桩为扇形柱体。同样参数设置时设定终止点 L₂=L₁为定点摆喷；

4）启动定喷模式时，设置摆喷角速度ω=0，联接钻杆，以每根钻杆上的喷口方向标记校准摆角α₁、α₂：钻杆喷口对准摆角方向桩1设定为摆喷起始角α₁，设定为摆喷回摆角α₂=α₁；与旋喷同样设置L₁/L₂、V₁/V₂、N；同时，水、压缩空气、浆液经多重导流器进入，通过钻杆达到多功能喷头后喷出；钻杆以α₁为方向0°摆动，所成桩为板型体；同样参数设置时，设定钻杆提升的终止点 L₂=L₁，即为定深定喷；

5）施工完成后，停止喷射水、压缩空气、浆液；将钻杆从土层拔出，清洗钻杆，完成施工作业。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种可任意方位角度定向摆喷的高压旋喷钻机，其特征是：该钻机为全液压驱动，包括动力头和钻杆，所述动力头上的钻杆最终驱动级的主动轴上安装有多圈式绝对值编码器I；所述钻机的桅杆上设有滑移架总成；该滑移架总成上设有多圈式绝对值编码器II；所述多圈式绝对值编码器I和多圈式绝对值编码器II均通过CAN总线与工控机相连；该工控机通过四条数字输出通道分别连接钻杆驱动液压马达顺时针转比例换向阀电磁铁、钻杆驱动液压马达逆时针转比例换向阀电磁铁、钻杆升降液压缸提升比例换向阀电磁铁和钻杆升降液压缸下降比例换向阀电磁铁；所述工控机通过三个开关输出通道分别输出控制高压水、高压气和压力浆阀的开关信号；所述钻杆为多节式，各节钻杆之间通过定位连接组件相连，确保各节钻杆之间的位置保持一致。

2.根据权利要求1所述的可任意方位角度定向摆喷的高压旋喷钻机，其特征是：所述工控机通过CAN总线连接显示器或遥控器的接收机。

3.根据权利要求1所述的可任意方位角度定向摆喷的高压旋喷钻机，其特征是：所述定位连接组件包括相互对应的外花键和内花键，以及螺母锁扣，该外花键和内花键均为少齿花键，使两者能够按唯一的方式相互啮合；每节所述钻杆的两端分别设有所述外花键和内花键，且该外花键和内花键的定位位置一致，使各节钻杆连接时能够保持位置的一致性；所述螺母锁扣旋接在所述外花键和内键的连接处外侧面上。

4.根据权利要求1所述的可任意方位角度定向摆喷的高压旋喷钻机，其特征是：所述动力头包括马达，该马达内设有转速传感器，该转速传感器与所述工控机相连，能够感测所述马达的转速，并将信息传输至工控机。

5.根据权利要求1所述的可任意方位角度定向摆喷的高压旋喷钻机，其特征是：所述钻杆上设有能够表示方向和喷口位置的标记。

6.一种根据权利要求1所述的可任意方位角度定向摆喷高压旋喷钻机的施工方法，其特征是：包括以下步骤：

1）查看施工现场土质，按设计对桩位进行勘测放样，安装始喷和回喷的方向桩；

2）启动旋喷模式，设置旋喷角速度ω，联接钻杆；设定钻杆提升的起始点L1，终止点L2，旋喷行程L=L2-L1；设定钻杆提升速度V1，下降速度V₂，设定钻杆升降循环作业次数N；启动控制系统的旋喷开关，水、压缩空气、浆液经多重导流器进入，通过钻杆达到多功能喷头后喷出，钻杆进行360°旋转，所成桩为圆柱体；

3）启动摆喷模式时，设置摆喷角速度ω，联接钻杆，以每根钻杆上的喷口方向标记校准摆角α₁、α₂：钻杆喷口对准摆角方向桩1设定为摆喷起始角α₁，转动钻杆喷口对准摆角方向桩2设定为摆喷回摆角α₂；由此实现摆喷角度的控制，且摆喷角度可为任意方位角；与旋喷同样设置L₁/L₂、V₁/V₂、N；同时，水、压缩空气、浆液经多重导流器进入，通过钻杆达到多功能喷头后喷出；钻杆以α°摆动，所成桩为扇形柱体；

同样参数设置时设定终止点 L₂=L₁为定点摆喷；

4）启动定喷模式时，设置摆喷角速度ω=0，联接钻杆，以每根钻杆上的喷口方向标记校准摆角α₁、α₂：钻杆喷口对准摆角方向桩1设定为摆喷起始角α₁，设定为摆喷回摆角α₂=α₁；与旋喷同样设置L₁/L₂、V₁/V₂、N；同时，水、压缩空气、浆液经多重导流器进入，通过钻杆达到多功能喷头后喷出；钻杆以α₁为方向0°摆动，所成桩为板型体；同样参数设置时，设定钻杆提升的终止点 L₂=L₁，即为定深定喷；

5）施工完成后，停止喷射水、压缩空气、浆液；将钻杆从土层拔出，清洗钻喷杆，完成施工作业。

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