CN1125212C - 可测控的差动式钻扩孔两用钻机 - Google Patents
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Abstract
一种可测控的差动式钻扩孔两用钻机，在潜水电机轴和行星式减速器的太阳轮轴和钻机轴中心开设的中心通孔内设有控制轴，控制轴的停转、或与潜水电机同速转动受其上端设置的电磁制动器和电磁离合器的控制；在钻头上部有一钻头横梁，横梁下部对称设置有两根头部带有齿爪刀的扩孔刀杆，钻头中心轴与钻头横梁由差速传动机构驱动扩孔刀杆作水平伸缩扩孔运动；在电机轴和控制轴旁设有检测电机轴和控制轴转数的两组转数检测器，可满足多种扩孔形状的要求。
Description
技术领域
本发明属于建筑工程桩基础施工用的钻机，主要用于多级扩孔桩的钻扩孔施工。
背景技术
在当前，围绕多级扩孔桩的成孔问题，已公开了多项专利技术方案。例如：在钻成孔中采用二连杆挤压板分步旋转挤压孔壁成盘为特征的专利(ZL89107846.0)和(ZL99205417.6)；以钻头铤杆及滑套上铰接二连杆扩孔刀，靠挤压使二连杆扩孔刀悬臂伸出旋转切削扩孔为特征的专利有(ZL95213581.2)、(ZL97213085.3)和(ZL99228453.8)；以扩盘机输出轴上的旋转挤压扩孔刀靠悬臂伸出旋转切削扩孔为特征的专利有(ZL97213123.8)和(ZL97213124.6)。上述专利中所提出的解决扩孔问题的技术方案，由于受其所选择的扩孔方式及扩孔机构制约，存在着诸如：钻孔扩孔两次成型的工序复杂和效率抵之不足，和因扩孔刀受力不合理致使钻头机构过大而笨重低效之不足，以及对扩孔过程不能进行监测和控制的问题。
分析上述各项专利技术方案后可发现，其解决方案中均缺乏把改进钻机功能与钻头的改进作为整体解决方案中的要素进行统一考虑和改进设计，而是对现有的钻机简单地加以利用，并在传统钻孔观念的基础上，试图仅仅通过对钻头的改进来解决扩孔的难题，因而难免有遗憾。
发明内容
本发明的目的，是在现有的潜水钻机及钻头结构的基础上，对其进行总体改进设计，改进后的潜水钻机具有可测可控的双轴三速的输出功能，改进后的钻头具有可由差速驱动按固定速比伸缩扩孔的扩孔刀杆，通过控制轴将钻机与钻头的差速功能有机地结合在本钻机之中，使该钻机成为一种新型的可测可控的钻扩孔两用钻机。
本发明的技术方案：可测控的差动式钻扩孔两用钻机，包括潜水电机和连在其下部的行星式减速器和钻机轴，钻机轴与钻头连接，其特征在于：
a.在潜水电机轴和行星式减速器的太阳轮轴和钻机轴中心开设的中心通孔内设有控制轴，控制轴的停转、或与潜水电机同速转动受其上端设置的电磁制动器和电磁离合器的控制；
b.在钻头上部有一钻头横梁，钻头横梁下部对称水平设置有两根头部带有齿爪刀的扩孔刀杆，钻头中心轴与钻头横梁由差速传动机构驱动扩孔刀杆作水平伸缩扩孔运动；
c.在电机轴和控制轴旁设有检测电机轴和控制轴转数的两组转数检测器。
上述电磁制动器由控制轴上部固装的连接环，连接环上面的上衔铁与固装在电机小端盖下面的静磁轭组成，当静磁轭通电，上衔铁与静磁轭吸合时，控制轴的转速为零。
上述电磁离合器由控制轴上部固装的连接环，连接环上面的下衔铁与固装在电机轴上端的动磁轭组成，当动磁轭通电，下衔铁与动磁轭吸合时，控制轴与电机轴同速转动。
上述差速传动机构是由钻头中心轴下端锥齿轮、通过与两根和钻头同速转动的锥齿轮轴的轴端锥齿轮、锥齿轮轴另一端锥齿轮与对应的蜗杆轴上端锥齿轮、蜗杆轴的蜗杆与连接扩孔刀杆的蜗轮轴上的蜗轮依次啮合构成。
上述控制轴由电机小端盖上的轴承和电机轴下端孔内的轴承支撑。
上述两根扩孔刀杆的内螺纹与差速传动机构中蜗轮轴上的外螺纹套啮合，其内侧端部有刀杆密封端盖。
上述两组转数检测器设置在电机轴和控制轴旁的动磁轭下面挡环及连接环外侧电机端盖套筒内侧筒壁上。
本发明采用在普通潜水钻机中的潜水电机轴及行星减速器的太阳轮轴和钻机轴中开设中心通孔，孔内设有一根控制轴，控制轴上端固装一连接环，连接环上下两面各设有一只带端齿盘的衔铁，上衔铁与固定在电机小端盖下面的静磁轭及端齿盘构成了控制轴的电磁制动器，下衔铁与固定在电机轴上端的动磁轭及端齿盘构成了控制轴的电磁离合器。在连接环及电磁离合器的动磁轭外侧电机端盖的套筒内侧筒壁上，还设有用于检测电机轴转数和控制轴转数的两组由接近开关组成的转数检测器。
在钻机中，电机动力经行星减速器减速增矩后由固装在钻机轴上的法兰驱动钻头旋转钻孔；受电磁制动器或电磁离合器控制的控制轴的转动通过其下端花键轴头插入钻头中心轴的花键套内传递到差动式钻扩孔两用钻头中，并因中心轴下端锥齿轮与随钻头同速转动的两根锥齿轮轴轴端锥齿轮的啮合而形成了差速传动机构。该差速传动机构将控制轴与钻头转速的差速通过上述两根锥齿轮轴另一轴端锥齿轮分别与其下方蜗杆轴上端锥齿轮的啮合，并通过蜗杆蜗轮的啮合驱动蜗轮轴及轴上外螺纹套转动。所述蜗轮轴上的两只外螺纹套在分别与其滑动刀杆的内螺纹啮合时产生的水平力，可同时驱动差动式钻扩孔两用钻头上的两根扩孔刀杆做等速相向水平伸缩扩孔运动。
因上述电磁制动器或电磁离合器的工作，使控制轴上的控制转速与潜水电机转速的差速具有大小不等方向相反的确定关系，并使得控制轴上的控制转速与钻机轴上的输出转速具有大小不等方向相反的确定比例关系，还使得扩孔刀杆伸缩位移的数值与用差速驱动扩孔刀杆位移的转数也具有确定的比例关系。因此在所述的可测控的差动式钻扩孔两用钻机中，可通过对控制轴和电机轴驱动扩孔刀杆位移的转数的检测，来确定扩孔的准确数值；可通过电磁制动器或电磁离合器工作状态的转换，来确定钻机或是钻孔或是扩孔，并确定扩孔时扩孔刀杆的伸缩状态及位移数值。
本发明比照现有技术具有以下优点：
一、在不改变普通潜水钻机的外型尺寸及钻孔功能的同时，通过对其内部机构中闲置空间和闲置功能的合理开发利用，使钻机在保留其结构简单轻便高效等优点的同时，又增加了扩孔的功能，并因此改进使得普通潜水钻机的功得以充分发挥。
二、扩孔刀水平伸出单层扩孔，摆脱了前述扩孔刀悬臂伸出扩孔的扩孔模式，其两点支撑受力形式使扩孔刀杆及其支座受力简单合理，从而可保证扩孔刀杆运动的灵活性和伸缩扩孔的可靠性。
三、在对只有单一钻孔功能的普通潜水钻机经重新设计和改进后，使得用一台潜水电机及其上部的电磁离合制动器可同时驱动两根套装的差速轴。经钻头中差速机构对二轴上差速比较后，使钻头既能钻孔，又能扩孔，还使钻头在扩孔时其扩孔刀杆既能慢速伸出扩孔切削，又能快速退缩回钻头，并使扩孔刀伸缩位移的方向仅与电磁离合制动器的控制状态有关，其伸缩位移的大小仅与电机驱动扩孔刀杆运动的转数的多少比例。这种扩孔与否与电磁离合制动器的控制状态的对应关系，和扩孔大小与电机驱动转数多少的比例关系，不仅使得对钻机的钻孔和扩孔过程的检测和程序控制变得简便易行，还使本钻机能满足多种扩孔形状的要求。
四、在改进后的潜水钻扩孔两用钻机中，扩孔刀分层扩孔的功能与对扩孔刀运动状态监测和程序控制装置的有机结合，可将人们长期以来在地面之上对钻机深入地下的扩孔过程进行监视和程序控制之愿望变成现实，因此可摆脱现有扩孔过程需要人工控制暗箱操作的无序状态，并使得扩孔的质量得以控制和保障。
附图说明
下面结合附图对本发明的最佳实施方案作进一步详细的描述。
图1是本发明的可测控的差动式钻扩孔两用钻机最佳实施方案的剖面图。
图2是进一步说明图1中电磁离合制动器的局部放大的剖视图；
图3是图1A-A剖面图；
图4是图1B-B剖面图；
图5是图1C-C剖面图。
其中：钻机1，潜水电机2，电机轴3，控制轴4，动磁轭5、连接环6，
静磁轭7，动力电缆8，控制电缆9，电机小端盖10，上轴承11，
转数检速器12，电机端盖13，滑动轴承14，行星减速器15，太阳轮轴16，
钻机轴17，法兰18，钻头19，钻头中心轴20，锥齿轮轴21，
扩孔刀杆22，外螺纹套23，蜗轮轴24，刀杆密封端盖25，蜗轮26，
蜗轮杆27，钻头横梁28，横梁上盖29，轴承30，钻头导正圈31，
刀杆护板32，挡环52，上衔铁61，下衔铁62。
具体实施方式
图1所示的可测控的差动式钻扩孔两用钻机1，是由潜水电机2、行星减速器15、钻机轴17及轴上法兰18构成了钻机1钻孔的动力传动路线。此时，动力电缆8将电流通入到潜水电机2的定子线圈，在其磁场力作用下使电机转子和电机轴3转动，轴3通过花键连接驱动星减速器15上的太阳轮轴16及其星轮和行星轮架转动，并驱动与行星轮架固连的钻机轴17转动，通过钻机17上的法兰18与钻头19的法兰连接，将动力传递给钻头19并驱动钻头19旋转钻孔。
为使钻机1形成差速输出，在电机轴3、太阳轮轴16和钻机轴17中心开磁轭5及其端齿盘构成了控制轴4的电磁离合器。设一中心通孔，孔内增设一根控制轴4，该轴由电机小端盖10上的上轴承11和电机轴3下端孔内的滑动轴承14支撑。在控制轴上部固装一只连接环6，连接环上下两面各设有一只带端齿盘的衔铁，连接环6的上衔铁61与固装在电机小端盖10下面的静磁轭7及其端齿盘构成了控制轴4的电磁制动器，连接环6的下衔铁62与固装在电机轴3上端的动磁轭5及其端齿盘构成了控制轴4的电磁离合器。
控制电流经控制电缆9通入静磁轭7的线圈时，在其磁场力作用下使连接环6上的上衔铁61与静磁轭7吸合，并使控制轴4转速为零；当控制电流通入动磁轭5的线圈时，在其磁场力作用下使连接环6上的下衔铁62与动磁轭5吸合，并使控制轴4与电机轴3同速转动，这种因所述电磁离合器和电磁制动器工作状态不同使控制轴4可输出不同控制转速的输出特性，使改进后潜水电机1也具有双轴三速的输出功能，因而可为钻扩孔两用钻头19的扩孔刀杆伸缩运动提供所需要的差速。
图1、2所示，在电磁离合器动磁轭下5下面挡环52及连接环6外侧电机端盖13套筒内侧筒壁上，设置的两组由接近开关组成的转数检测器121、122，用于扩孔时检测电机轴3的驱动转数和控制轴4控制转数，并可据此确定驱动扩孔刀杆22伸缩位移的控制转数与钻头转数的差数。还可据此差数来确定扩孔刀杆22位移的情况，以及为扩孔的过程控制提供依据。
图1、3、4所示的差动式钻扩孔两用钻头19，是在普通潜水钻头的导正圈31上居中加设了一根钻头横梁28，在横梁28腹板两侧对称设置了两根平行并可水平伸缩滑动的扩孔刀杆22。扩孔刀杆22中心孔内设有内螺纹，其外伸端部设有齿爪刀，从刀杆密封端盖25的透孔伸入刀杆22孔内的蜗轮轴24，其端部固接的外螺纹套23与孔内螺纹啮合时形成了可驱动刀杆22伸缩运动的螺旋副。在钻头横梁28与横梁上盖29连接所形成的钻头横梁密封腔中，上端用花键套与控制轴4相连，并由安装在钻头19中的两只轴承30支撑的钻头中心轴20，其下端锥齿轮与对称设置并随钻头同速转动的两根锥齿轮轴21的轴端锥齿轮的啮合，在钻头19之中形成了一套差速传动机构。锥齿轮轴21在与钻头19同速转动的同时，在钻头中心轴20的控制转速与钻头19转速的差速作用下使得锥齿轮轴21产生了自转，该自转由轴21另一轴端锥齿轮通过与蜗杆轴27上端锥齿轮的啮合使蜗杆轴27转动，再通过轴27上蜗杆与蜗轮26的啮合使蜗轮26、蜗轮轴24及轴上的外螺纹套23转动，并因扩孔刀杆中心孔内螺旋副运动所产生轴向力的作用，使扩孔刀杆22可作为水平伸缩运动。
在所述差动式钻扩孔两用钻头19中，为使钻头19上的两根相向伸缩运动的扩孔22在伸出扩孔时，钻头19处于动平衡状态，在驱动两根扩孔刀杆22运动的两条传动链中，对应零件的几何尺寸完全相同，并因此使两条传动链的传动比既相同且为定值。由于钻机1的行星减速器传动比为定值，因此本实用新型中由双轴输入差速驱动扩孔刀杆22伸缩扩孔时的位移，与所述控制轴4的控制转速与钻机轴17驱动转速的差速成比例。通过转数检测器12在扩孔时对电机轴3的驱动转数的检测和对控制轴4控制转数的检测，不仅可对扩孔刀位移情况进而对扩孔的尺寸及时确认，还通过所述的转数检测来判断扩孔传动链的故障。
在所述可测控的的差动式钻扩孔两用钻机1中，由于电磁制动器的吸合控制转速为零或电磁离合器5、6的吸合使控制转速为电机转速，并且使得上述控制转速与钻头转速之差数具有方向相反、大小不同的特性。因此在本可测控的差动式钻扩孔两用钻机中，利用上述特性使得扩孔刀杆22实现了慢速伸出扩孔和快速退刀。上述的扩孔刀杆22伸缩位移与之驱动转数之差成比例的可测性，和扩孔刀杆22运动方向及速度与电磁离合制动器5、6、7工作状态相关的可控性，不仅使得钻扩两用钻机1具有可在数值检测和程序控制下进行扩孔的功能，也使对其扩孔过程实行地面监视成为可能。
如图1、2所示，两组分别检测电机轴转数和控制轴转数的由接近开关121及122组成的转数检测器，其探头应分别对准挡环52和连接环6上的凸缘。挡环52和连接环6上的凸缘应成对对称设置。
如图1、3所示，两根水平设置的扩孔刀杆与钻头中心平面N--N平行，且关于N--N平面对称设置。
如图1、3、4所示，在钻头19上密封腔中，两根水平设置的锥齿轴21与两根竖直设置的蜗杆轴27所在的铅垂面与钻头中心平面N-N夹a角，且a＞2。
如图3、5所示，在钻头导正圈31上开设有与扩孔刀杆截面形状一致的通孔，该通孔与固定在钻头架横梁28两侧的刀杆护板32构成了扩孔刀杆22伸缩滑动的约束和支撑。
本钻机1及差动式钻扩孔两用钻头19中的各旋转轴上均设有支撑轴承，在各轴内腔与外部相邻部位均设有密封装置，因所涉及的轴承与密封对说明本实用新型的结构及工作原理无大影响故不作祥述。
总之，上述详细说明和图示的是一台可用数值检测和程序控制的差动式钻扩孔两用钻机。它适用于多级扩孔桩成孔中的钻孔和在孔中任意部位进行各种回转体形状的扩孔。
Claims (7)
1、一种可测控的差动式钻扩孔两用钻机，包括潜水电机和连在其下部的行星式减速器和钻机轴，钻机轴与钻头连接，其特征在于：
a.在潜水电机轴和行星式减速器的太阳轮轴和钻机轴中心开设的中心通孔内设有控制轴，控制轴的停转、或与潜水电机同速转动受其上端设置的电磁制动器和电磁离合器的控制；
b.在钻头上部有一钻头横梁，钻头横梁下部对称水平设置有两根头部带有齿爪刀的扩孔刀杆，钻头中心轴与钻头横梁由差速传动机构驱动扩孔刀杆作水平伸缩扩孔运动；
c.在电机轴和控制轴旁设有检测电机轴和控制轴转数的两组转数检测器。
2、根据权利要求1所述的可测控的差动式钻扩孔两用钻机，其特征在于：所述电磁制动器由控制轴上部固装的连接环，连接环上面的上衔铁与固装在电机小端盖下面的静磁轭组成，当静磁轭通电，上衔铁与静磁轭吸合时，控制轴的转速为零。
3、根据权利要求1所述的可测控的差动式钻扩孔两用钻机，其特征在于：所述电磁离合器由控制轴上部固装的连接环，连接环上面的下衔铁与固装在电机轴上端的动磁轭组成，当动磁轭通电，下衔铁与动磁轭吸合时，控制轴与电机轴同速转动。
4、根据权利要求1所述的可测控的差动式钻扩孔两用钻机，其特征在于：所述差速传动机构是由钻头中心轴下端锥齿轮、通过与两根和钻头同速转动的锥齿轮轴的轴端锥齿轮、锥齿轮轴另一端锥齿轮与对应的蜗杆轴上端锥齿轮、蜗杆轴的蜗杆与连接扩孔刀杆的蜗轮轴上的蜗轮依次啮合构成。
5、根据权利要求1所述的可测控的差动式钻扩孔两用钻机，其特征在于：所述控制轴由电机小端盖上的轴承和电机轴下端孔内的轴承支撑。
6、根据权利要求1或4所述的可测控的差动式钻扩孔两用钻机，其特征在于：所述两根扩孔刀杆的内螺纹与差速传动机构中蜗轮轴上的外螺纹套啮合，其内侧端部有刀杆密封端盖。
7、根据权利要求1所述的可测控的差动式钻扩孔两用钻机，其特征在于：所述两组转数检测器设置在电机轴和控制轴旁的动磁轭下面挡环及连接环外侧电机端盖套筒内侧筒壁上。
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