CN112282658A - 连续钻进循环浇筑一体化打桩工具 - Google Patents

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Abstract

本发明属于建筑工程与机械工程领域，具体涉及连续钻进循环浇筑一体化打桩工具。采用的技术方案为：连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，所述连续钻进循环浇筑一体化打桩工具包括动力连接件、循环装置、钻头部件、清底机构和浇筑机构；所述循环装置包括循环钻筒和螺旋件，所述循环钻筒两端分别与动力连接件和钻头部件或循环钻筒连接，所述螺旋件与循环钻筒连接；所述钻头部件包括钻头基座、钻头座及钻头，所述钻头座与钻头基座连接，所述钻头与钻头座连接。所述清底机构包括连杆和清底叶片，所述浇筑机构包括浇筑通道、控制件。本发明提供了一种全新的连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，提升打桩钻进、循环排屑和连续浇筑的效率。

Description

连续钻进循环浇筑一体化打桩工具
技术领域
本发明属于建筑工程与机械工程领域，具体涉及连续钻进循环浇筑一体化打桩工具。
背景技术
在建筑基建打桩过程中，在不同地区由于地质构造的复杂性和不可预见性，打桩工具性能要求可能出现与桩井内情况的不吻合及滞后的情况，从而导致钻进、排岩屑、浇筑效率低。像这类打桩工具性能不能满足高效的打桩需要，由于在钻进过程中打桩机钻头结构设计未能综合考虑偶遇砂土、黏性土、粉质土、岩石夹层等地质因素；在排屑循环依次进行停止钻进、提升钻筒及倾倒岩屑三个过程，在作业较深的桩井时，提升钻筒和倾倒岩屑过程占用的较多时间，钻进和排屑过程交替进行的钻进排屑循环方式；浇筑工艺需要完成打桩后提升打桩设备，更换其它专用的浇筑工具，方可实现连续浇筑混凝土。造成在硬质层中钻进施工、排屑循环、浇筑作业的“间断性”现象。存在“间断性” 钻挖后，需要花费更多时间、财力、物力和人力。
因此，如何实现高效钻进、同步循环排屑及连续浇筑混凝土，是本领域渴望解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种纯机械控制、高效、可靠实现建筑与高铁基建的连续钻进循环浇筑一体化打桩工具。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，其特征在于：所述连续钻进循环浇筑一体化打桩工具包括动力连接件、循环装置、钻头部件、清底机构、浇筑机构；所述循环装置包括循环连接套筒、循环钻筒、螺旋件、螺旋加强筋、循环连接头、循环连接半圆槽、循环固定孔，所述循环装置首尾两端分别与动力连接件和钻头部件连接，可实现多个循环钻筒首尾依次连接；在打桩钻进过程中岩屑通过螺旋件连续输送至地面；所述钻头部件包括钻头主体、钻头连接套筒、螺旋传输件、钻头刀架、钻齿、固定件、钻头连接半圆孔,所述钻头刀架上设置可拆卸钻齿，钻齿与钻头刀架可拆卸连接；所述钻齿可实现切削和冲击破岩，所述螺旋传输件将岩屑由里向外、由下向上送至螺旋件；所述浇筑机构包括浇筑通道、销轴、阀门，混凝土通过循环装置、所述钻头部件组成的浇筑通道冲开阀门，实现混凝土浇筑。
优选的，所述循环装置上端设有与动力连接件多边形连接头形状、大小适配的循环连接套筒，固定半圆槽与循环固定孔形成圆形固定孔，通过固定销b将循环装置与动力连接件固定；述循环装置下端设有与钻头部件多边形套筒形状、大小相适配的循环连接头，循环连接半圆槽与钻头连接半圆孔形成圆形固定孔，通过固定销c将循环装置与钻头部件固定；循环装置内侧均匀设置螺旋加强筋。
优选的，所述螺旋件的螺距P通过机械钻速V、打桩直径D、循环钻筒直径d确定为P=[(D/2)2-(d/2)2]/ (D/2)2，螺旋件外径可以小于打桩直径D；螺旋件与循环钻筒同轴连接。
优选的，所述钻头刀架的外圈设置为圆形结构，内圈与外圈同轴，内圈与外圈之间设置刀翼，靠近内圈设置钻头刀架凹槽，在钻头刀架底部端面上设置钻齿，钻头刀架与钻头主体连接。
优选的，所述钻齿轴线与钻头刀架所在水平面成α（60°≦α≦85°）角度。
优选的，所述螺旋传输件包括第一螺旋传输叶片第二螺旋传输叶片、第三螺旋传输叶片，螺旋传输件不限于由三个螺旋传输叶片构成，在钻头刀架所在平面均匀设置；螺旋传输件具有锥度。
优选的，所述浇筑通道依次由动力连接件的内孔、循环套筒的内径通道、钻头主体的内部环空通道构成。
优选的， 所述阀门圆周设有与钻头刀架凹槽相配合的凸台；靠近井底面一侧设置安装可拆卸钻齿；阀门与钻头固定件通过销轴铰接连接。
优选的，所述动力连接件包括多边形套筒、固定半圆孔、多边形连接头、固定半圆槽，所述多边形套筒与动力输入轴间隙配合；所述固定半圆孔在多边形套筒周向对称分布设置，固定半圆孔与固定半圆槽组成圆孔，通过固定销a将动力连接件与动力输入轴轴向固定；所述多边形连接头与循环连接套筒连接。
优选的，所述清底机构包括清底刀盘、连杆机构、控制件、固定件；所述清底刀盘与固定件通过销轴铰接连接，清底刀盘与连杆机构末端铰链连接，通过外部控制控制件使清底刀盘伸出。
本发明与现有技术比较，其具有以下有益效果：本发明提供了一种全新的高效钻进、同步循环排屑、连续浇筑打桩工具；通过钻头部件结构设计，使得在打桩钻进效率提升；在循环装置结构设计，使得钻进过程与排屑同步进行；在完成打桩后，利用现有的打桩工具高效浇筑混凝土。这种设置方式结构简单，且完全依赖于机械结构，无需电器等在井下复杂多变环境中容易失效的结构。打桩高效，循环可靠，操作简单。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的A-A视图；
图3为图1的B-B视图；
图4为一种实施方式下，图1的仰视图；
图5为一种实施方式下，阀门结构示意图；
图6为另一种实施方式下，循环装置结构示意图。
其中：1-动力输入轴、11-固定半圆槽、2-动力连接件、21-多边形套筒、22-固定半圆孔、23-多边形连接头、24-固定半圆槽、3-循环装置、31-循环连接套筒、32-循环钻筒、33-螺旋件、331-螺旋件a、332-螺旋件b、333-螺旋件c、34-螺旋加强筋、35-循环连接头、36-循环连接半圆槽、37-循环固定孔、41-钻头主体、42-钻头连接套筒、43-螺旋传输件、431-第一螺旋传输叶片、432-第二螺旋传输叶片、433-第三螺旋传输叶片、44-钻头刀架、444-刀架凹槽、45-钻齿、46-固定件、47-钻头连接半圆孔、51-清底刀盘、52-连杆机构、53-控制件、54-固定件、61-浇筑通道、611-内孔、612-内径通道、613-环空通道、62-销轴、63-阀门、631-轴向凸台、632-周向凸台a、633-周向凸台b、71-固定销a、72-固定销b、73-固定销c、74-销轴。
具体实施方式
如图1-5所示的，连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，其特征在于：所述连续钻进循环浇筑一体化打桩工具包括动力连接件2、循环装置3、钻头部件、清底机构、浇筑机构。
所述动力连接件2包括多边形套筒21、固定半圆孔22、多边形连接头23、固定半圆槽24，所述多边形套筒21与动力输入轴1间隙配合；所述固定半圆孔22在多边形套筒21周向对称分布设置，固定半圆孔22与动力输入轴固定半圆槽11组成圆孔，通过固定销a71将动力连接件2与动力输入轴1轴向固定；所述多边形连接头23与循环连接套筒31连接。
所述循环装置3包括循环连接套筒31、循环钻筒32、螺旋件33、螺旋加强筋34、循环连接头35、循环连接半圆槽36、循环固定孔37，所述循环装置3两端分别与动力连接件2和钻头部件钻头连接套筒42连接；当单个循环装置3不能满足打桩深度需求，可将多个循环装置3首尾依次串行连接，组建更长的循环装置以满足打桩需要。
所述钻头部件包括钻头主体41、钻头连接套筒42、螺旋传输件43、钻头刀架44、钻齿45、固定件46、钻头连接半圆孔47,所述钻头刀架44上设置安装钻齿45，且钻齿45与钻头刀架44可拆卸同轴连接。
所述清底机构包括清底刀盘51、连杆机构52、控制件53、固定件54；所述清底刀盘51与固定件54、连杆机构52铰接连接；所述控制件53一端连接外部，另一端连接连杆机构52；所述连杆机构52活动安装在钻头主体41上，钻头主体41与连杆52的铰接安装点等同一个支点，通过外部控制控制件53伸缩，使得连杆52两端向相反方向运动，推动清底刀盘51伸出，即清底刀盘51与钻头刀架44所在平面形成一个角度β（0＜β＜90），此时，则可以按钻进时的旋转方向进行清底作业，减少井底残留的岩屑。
所述浇筑机构包括浇筑通道61、销轴62、阀门63，所述浇筑通道61依次由动力连接件2的内孔611、循环套筒32的内径通道612、钻头主体41的内部环空通道613构成，浇筑混凝土通过浇筑通道61冲开阀门63，流至井底实现混凝土浇筑。当在复杂地质状况下打桩较深时，所设计的单个循环装置3不能满足打桩深度要求，此时，可将多个循环装置3进行首尾串行连接，即所述浇筑通道61可先由多个循环钻筒32内径通道612首尾依次串接，再与内孔611、内部环空通道613串联构成。
如图2所示，在一种实施方式下，所述循环装置3的上端设有与动力连接件2多边形连接头23形状、大小适配的多边形套筒31，下端设有与钻头部件钻头连接套筒42形状、大小相适配的循环连接头35，；循环连接头35上设置有固定半圆槽24，即动力连接件2的多边形连接头23与多边形套筒31之间形成公母连接头形式，固定半圆槽24与循环固定孔37形成圆形固定孔，通过固定销b72将循环装置3与动力连接件2固定，实现动力连接件2与循环装置3的周向和轴向固定。循环钻筒32内侧均匀设置螺旋加强筋34，螺旋加强筋34与螺旋件33的螺距一致，不限于采用单个螺旋加强筋34与循环钻筒32内侧或外侧通过焊接连接方式同轴连接。在这种设置方式下，钻进过程中，自身重量轻，结构强度高，满足单位时间内的钻进吞吐量大于循环排屑量，岩屑通过螺旋件33连续输送到地面，达到高效排屑目的。
如图2所示，在一种实施方式下，钻头部件包括钻头主体41、钻头连接套筒42、螺旋传输件43、钻头刀架44、钻齿45、固定件46、钻头连接半圆孔47；所述钻头刀架44上设置可拆卸同轴安装钻齿45；所述钻头部件4上设有与循环连接头35、动力连接件多边形连接头23形状、大小相适配的钻头连接套筒42，可将循环装置3与钻头部件4通过公头、母头形式有效连接，亦可将动力连接件2与钻头部件中钻头连接套筒42以同种连接方式实现连接，实现传递钻压和扭矩。
如图5所示，在一种实施方式下，阀门63上设置有轴向凸台631、周向凸台a632、周向凸台b633；在阀门63靠近井底一面上设置安装钻齿45；所述轴向凸台641的形状、大小与钻头刀架44上设置钻头刀架凹槽444形状、大小相适配，使钻头刀架44将轴向力传递至阀门63；阀门63依靠周向凸台a632、周向凸台b633承受来自钻头刀架44的周向力。因此，在钻进过程中，阀门63关闭浇筑通道61，与此同时，阀门63可以承受来自钻头刀架44的载荷。
如图6所示，另一种实施方式下，所述螺旋件33内部包括了多个相互独立、对称设置且等螺距的螺旋件a331、螺旋件b332、螺旋件c333。当然，在这种实施方式下，螺旋件a331或螺旋件b332或螺旋件c333可以设置为一个整体，只是等截面大小的螺旋件33设置为多个。在这种设置方式下，螺旋件33的成本相对提高，但循环装置3的结构强度增加，循环排屑的能力适当增加。上述两种实施方式均可以实现高效排屑发明目的，在本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。
为了便于岩屑在钻进时连续快速排除，优选的方案为：所述螺旋件33与钻头部分的连接螺旋件43有效衔接时，螺旋件33与连接螺旋件43的数目相同、螺距相等。例如，在循环连接头35与钻头连接套筒42连接时，使螺旋件33与连接螺旋件43之间平滑、连续衔接，实现连续快速排屑。
在上述一种实施方式下，利用动力连接件2、循环装置3、钻头部件、清底机构以及浇筑机构实现高效钻进、同步排屑、连续浇筑。在这种实施方式下，通过所述动力连接件2、循环装置3传递扭矩和钻压，驱动钻头部件4旋进，且通过循环装置3实现同步排屑；钻进至符合要求地质层时，外部控制通过拉伸控制件52，推动清底刀盘51伸出，实现井底岩屑清除；完成井底清底作业后，无需更换浇筑设备，实现高效连续浇筑作业。当正常钻进时，钻齿45在轴向压力和周向力的作用下，将岩石或土块通过压碎或切削的方式破碎，并将岩屑由内向外排出；排至外围的岩屑通过岩屑之间的相互挤压作用，依次通过连螺旋传输件43、螺旋件33将岩屑由下至上的方式带出地面。钻进至符合要求地质层时，外部控制通过拉伸控制件53，推动清底刀盘51伸出，此时不需要产生较大的轴向压力，同理依靠岩屑之间的相互挤压作用将岩屑排除。在完成井底岩屑清除后停止钻进，适当提升钻头部件，钻齿45及清底刀盘51至井底一定高度后，开始浇筑混凝土，浇筑混凝土流经浇筑通道61，依靠自身能量冲开阀门63，最终流至井底。实现钻头部件高效钻进、循环装置2同步排屑以及混凝土连续浇筑。
本发明提供的连续钻进循环浇筑一体化打桩工具可应用于复杂地质状况的场所。在一种实施方式下，所述连续钻进循环浇筑一体化打桩工具为建筑打桩器。本发明提供了一种全新的高效钻进、同步循环排屑、连续浇筑打桩工具；通过钻头部件结构设计，使得在打桩钻进效率提升；在循环装置结构设计，使得钻进过程与排屑同步进行；在完成打桩后，利用现有的打桩工具高效浇筑混凝土。这种设置方式结构简单，且完全依赖于机械结构，无需电器等在井下复杂多变环境中容易失效的结构。打桩高效，循环可靠，操作简单。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，其特征在于：所述连续钻进循环浇筑一体化打桩工具包括动力连接件（2）、循环装置（3）、钻头部件、清底机构、浇筑机构；
所述循环装置（3）包括循环连接套筒（31）、循环钻筒（32）、螺旋件（33）、螺旋加强筋（34）、循环连接头（35）、循环连接半圆槽（36）、循环固定孔（37），所述循环装置（3）首尾端分别与动力连接件（2）和钻头部件连接，可实现多个循环钻筒（32）首尾依次连接；在打桩钻进过程中岩屑通过螺旋件（33）连续输送至地面；
所述钻头部件包括钻头主体（41）、钻头连接套筒（42）、螺旋传输件（43）、钻头刀架（44）、钻齿（45）、固定件（46）、钻头连接半圆孔（47）,所述钻头刀架（44）上设置钻齿（45），钻齿（45）与钻头刀架（44）可拆卸连接；所述钻齿（45）可实现切削和冲击破岩，所述螺旋传输件（43）将岩屑由里向外、由下向上送至螺旋件（33）；
所述浇筑机构包括浇筑通道（61）、销轴（62）、阀门（63），混凝土通过循环装置（3）浇筑通道（61）冲开阀门（63），实现混凝土浇筑。
2.根据权利要求1所述的连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，其特征在于：所述循环装置（3）上端设有与动力连接件（2）的多边形连接头（23）形状、大小适配的循环连接套筒（31），固定半圆槽（24）与循环固定孔（37）形成圆形固定孔，通过固定销b（72）将循环装置（3）与动力连接件（2）固定；所述循环装置（3）下端设有与钻头部件多边形套筒（42）形状、大小相适配的循环连接头（35）；循环连接半圆槽（36）与钻头连接半圆孔（47）形成圆形固定孔，通过固定销c（73）将循环装置（3）与钻头部件固定；循环装置（3）内侧均匀设置螺旋加强筋（34），循环装置（3）与循环钻筒（32）连接。
3. 根据权利要求1所述的连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，其特征在于：所述螺旋件（33）的螺距P通过打桩直径D、循环钻筒直径d确定为P ≤[(D/2)2-(d/2)2]/ (D/2)2，螺旋件(33)的外径可以小于打桩机直径D；螺旋件（33）与循环钻筒(32)同轴连接。
4.根据权利要求1所述的连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，其特征在于：所述钻头刀架（44）的外圈（441）设置为圆形结构，内圈（442）与外圈（441）同轴，内圈（442）与外圈（441）之间设置刀翼（443），靠近内圈（442）设置钻头刀架凹槽（444），在钻头刀架（44）底部端面上设置钻齿（45），钻头刀架（44）与钻头主体（41）连接。
5.根据权利要求1所述的连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，其特征在于：所述钻齿（45）轴线与钻头刀架（44）所在水平面成α（60°≦α≦85°）角度。
6.根据权利要求1所述的连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，其特征在于：所述螺旋传输件（43）包括第一螺旋传输叶片（431）、第二螺旋传输叶片（432）、第三螺旋传输叶片（433），螺旋传输件（43）不限于由三个螺旋传输叶片构成；第一螺旋传输叶片（431）、第二螺旋传输叶片（432）、第三螺旋传输叶片（433）在钻头刀架（44）所在平面均匀设置；螺旋传输件（43）具有锥度。
7.根据权利要求1所述的连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，其特征在于：所述浇筑通道（61）依次由动力连接件（2）的内孔（611）、循环套筒（32）的内径通道（612）、钻头主体（41）的内部环空通道（613）构成。
8.根据权利要求1所述的连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，其特征在于：所述阀门（63）圆周设有与钻头刀架凹槽（444）相配合的凸台（641）；靠近井底面一侧设置可拆卸钻齿（45）；阀门（63）与钻头固定件（46）通过销轴（62）连接。
9.根据权利要求1所述的连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，其特征在于：所述动力连接件（2）包括多边形套筒（21）、固定半圆孔（22）、多边形连接头（23）、固定半圆槽（24），所述多边形套筒（21）与动力输入轴（1）间隙配合；所述固定半圆孔（22）在多边形套筒（21）周向对称分布设置，固定半圆孔（22）与固定半圆槽（11）组成圆孔通过固定销a（71）将动力连接件（2）与动力输入轴（1）轴向固定；所述多边形连接头（23）与循环连接套筒（31）连接。
10.根据权利要求1所述的连续钻进循环浇筑一体化打桩工具，其特征在于：所述清底机构包括清底刀盘（51）、连杆机构（52）、控制件（53）、固定件（54）；清底刀盘（51）与固定件（54）通过销轴（74）铰接连接，清底刀盘（51）与连杆机构（52）末端铰链连接，通过外部控制控制件（53）使清底刀盘（51）伸出。
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