CN112943082A - 一种智能自驱式旋挖钻机装置 - Google Patents

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Abstract

一种智能自驱式旋挖钻机装置，包括刀头（1），内侧刀盘（2），外侧刀盘（3），钻斗（4），动力室（5），撑靴（6），传动轴（7），可伸缩杆（8），链接轴（9），陀螺仪（10）。刀盘置于最下端，刀盘上面连有钻斗；动力室通过传动轴连接在钻斗的正上方，动力室的上部安装有链接轴；刀盘由内侧刀盘和外侧刀盘构成，内侧刀盘的中轴线与外侧刀盘的中轴线重合，外侧刀盘和内侧刀盘为同心的圆形刀盘；两个刀盘旋转方向相反；通过调节输出内侧刀盘和外侧刀盘的输出功率达到扭矩自平衡。本发明通过采用不同旋转方向的内外侧刀盘结构，通过分别调节内外侧刀盘的输出功率来使得链接轴上的扭矩为零，从而达到扭矩自平衡的目的，降低能耗。

Description

一种智能自驱式旋挖钻机装置
技术领域
本发明涉及一种智能自驱式旋挖钻机装置，属建筑工程机械技术领域。
背景技术
随着我国土木工程的快速发展，旋挖钻机已经朝着大型化和巨型化方向发展。旋挖钻机因其自身施工速度快、环境污染小、自动化程度高、操作灵活方便、安全性能高、适用性强等特点，广泛应用于基础工程的成孔作业中，尤其是高层建筑、铁路及桥梁的施工作业。
旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械，主要适于砂土、粘性土、粉质土等土层施工，在灌注桩、连续墙、基础加固等多种地基基础施工中得到广泛应用。通常旋挖钻机动力头装置为钻杆提供扭矩、加压装置通过加压的方式将压力传递给钻杆，钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻斗内，然后再由钻机提升装置将钻斗提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土、卸土，直至钻至设计深度。然而，传统的旋挖钻机的动力装置都位于上部机车中，这使得随开挖深度的增加，旋挖钻机转轴将承担很大的扭矩，且传统的旋挖钻机由于力臂较长，所需扭矩较大，导致其耗能较大。
此外，传统旋挖钻机无法判别岩层的软硬程度及无法根据软硬情况自动调节旋挖钻机的转速，这使得钻孔过程中由软岩进入硬岩层时，土体刚度的突变，对转轴造成一定的损害。
发明内容
本发明的目的是，为了解决传统旋挖钻机存在的诸多问题，提供一种智能自驱式旋挖钻机装置。
本发明实现的技术方案如下，一种智能自驱式旋挖钻机装置，包括刀盘、钻斗、动力室、传动轴、链接轴和可伸缩杆。所述刀盘置于最下端，刀盘上面连有钻斗；所述动力室通过传动轴连接在钻斗的正上方，动力室的上部中心安装有链接轴；所述刀盘由内侧刀盘和外侧刀盘构成，所述内侧刀盘的中轴线与外侧刀盘的中轴线重合，外侧刀盘和内侧刀盘为同心的圆形刀盘；两个刀盘旋转方向相反，一个顺时针切土，另一个逆时针切土；通过调节输出内侧刀盘和外侧刀盘的输出功率达到扭矩自平衡。
所述外侧刀盘为圆环形刀盘，刀盘面上均匀嵌有刀头；所述内侧刀盘为圆形刀盘，刀盘面上均匀嵌有刀头；所述内侧刀盘的外径小于外侧刀盘的内圆直径；所述内侧刀盘位于外侧刀盘的内圆中心，内侧刀盘与外侧刀盘之间留有均匀间隙。
所述外侧刀盘和内侧刀盘的刀盘直径和刀盘转速计算方法如下：
匀速切削岩土层时，外侧刀盘和内侧刀盘受到来自岩土层的阻力矩分别为：
Figure BDA0002984746320000021
假定同一岩土层的破岩应力相等：τ(x)＝τ0；得：
Figure BDA0002984746320000022
在扭矩平衡条件下MN1＝MN2，可确定内外侧刀盘的直径之比和刀盘的转速：
Figure BDA0002984746320000023
其中，PN1为外侧刀盘传动轴的输出功率；PN2为内侧刀盘传动轴的输出功率；D1为外侧刀盘的直径；D2为内侧刀盘直径；n1为工作过程中后置刀盘的转速；n2为工作过程中刀盘的转速；MN1为外侧刀盘受到来自岩土层的阻力矩；MN2为内侧刀盘受到来自岩土层的阻力矩；τ0为同一岩土层的破岩应力；ρ为切削土体离刀盘中心的距离。
所述动力室为圆筒状结构，设置在链接轴上；所述动力室内安装有两个电机；一个电机驱动外侧刀盘的第一传动轴，另一个电机则驱动内侧刀盘的第二传动轴；动力室内加装有水平陀螺仪，所述水平陀螺仪起到智能识别扭矩不平衡的作用。
所述水平陀螺仪智能识别扭矩不平衡的方法如下：
当刀盘从一种土层进入另一种土层时，内外侧刀盘传动轴上的扭矩不再平衡，当扭矩不平衡时，水平陀螺仪转速发生改变，继而通过调节电机的转动速度，使扭矩达到新的平衡；电机的转动的角速度与不平衡扭矩和陀螺仪角速度存在如下关系：
Figure BDA0002984746320000031
其中，ω为电机的旋转角速度；ΔM为不平衡扭矩；I为陀螺仪的转动惯量；Ω为陀螺仪的旋转角速度；
Figure BDA0002984746320000032
为陀螺仪转子转向与陀螺仪旋进方向的夹角。
所述撑靴设置在动力室外圆周围并固定在其上，撑靴共设有上下两排，且均匀对称布置；通过调节撑靴，能在一定范围内改变掘进的方向。
所述撑靴调节方法如下：
上下两排撑靴之间的垂向距离为l，假定下排撑靴液压顶的径向缩进距离为x，则偏转角
Figure BDA0002984746320000033
方位为(x,θ)，则各撑靴液压顶的缩进位移量为：Δi＝-xcos(θ-45i)；其中，θ为极坐标下旋挖钻机的偏转方位角；i为撑靴液压顶的编号(1-8)，如图6所示。
所述钻斗为中空筒状结构，为旋挖钻机装置破碎后的渣土留有足够的空间储存。
所述动力室与所述钻斗之间设有两根对称布置可伸缩杆，可伸缩杆的上部安装固定在动力室上，下部插入钻斗的安装孔中；能灵活调节动力室与钻斗之间的距离，并保持装置工作的整体稳定性。
所述装置通过调节内侧刀盘和外侧刀盘的输出功率达到扭矩自平衡；使旋挖钻机的链接轴不承受扭矩作用。
所述传动轴(包括传动外侧刀盘的第一传动轴和传动内侧刀盘的第二传动轴)是用于连接刀盘与动力装置的构件，也是承担扭矩的主要构件。
本发明的有益效果是，本发明通过采用不同旋转方向的内外侧刀盘结构，通过分别调节内外侧刀盘的输出功率来使得链接轴上的扭矩为零，从而达到扭矩自平衡的目的，降低能耗。本发明装置在掘进过程中，电机功率和刀盘转速的变化关系反馈出岩土层的阻力扭矩的变化，通过反馈出来数据可以用来判别土层的分布。本发明装置在动力室的周围安置了上下两排撑靴装置，通过调节撑靴缩进，能在一定范围内改变掘进的方向。
附图说明
图1是本发明实施例刀盘结构示意图；
图2是本发明实施例刀盘面平面结构示意图；
图3是本发明实施例该新型旋挖钻机的整体结构示意图；
图4是本发明实施例动力室的平面结构示意图；
图5是本发明实施例新型旋挖钻机工作示意图；
图6是本发明实施例改变掘进方向的计算简图，图中的1-8表示撑靴的序号；
图7是本发明实施例动力室的立体结构示意图；
图标记说明：1为刀头，2为内侧刀盘；3为外侧刀盘；4为钻斗；5为动力室；6为撑靴；7为传动轴；8为可伸缩杆；9为链接轴；10为陀螺仪。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如附图所示。
如图3所示，本实施例一种智能自驱式旋挖钻机装置包括：刀头1，内侧刀盘2，外侧刀盘3，钻斗4，动力室5，撑靴6，传动轴7，可伸缩杆8，链接轴9，陀螺仪10。
本实施例的链接轴9上设有动力室5，并与动力转轴7相连。
本实施例的内侧刀盘2和外侧刀盘3共同组成该新型旋挖钻机的刀盘结构，内侧刀盘2和外侧刀盘3的刀盘面上均匀嵌有刀头，如图2所示。
本实施例的刀盘置于最下端，刀盘上面连有钻斗。所述钻斗为中空筒状，钻斗直径略小于外刀盘直径。
本实施例的外侧刀盘2和内侧刀盘3一个顺时针切土，另一个逆时针切土，即前后刀盘旋转方向相反，可达到扭矩自平衡目的。本实施例作业过程中内侧刀盘2逆时针旋转，外侧刀盘2顺时针旋转，如图5所示。
本实施例的内侧刀盘的中轴线与外侧刀盘的中轴线重合，如图1所示。
在扭矩平衡条件下，已确定内外侧刀盘的直径之比为
Figure BDA0002984746320000051
本实施例中内侧刀盘直径优选为0.8m，则外侧刀盘直径优选为1m。
如图4所示，本实施例的动力室5为圆筒状，设置在链接轴上；本实施例的动力室内装有动力装置，动力装置包括两个电机，一个电机驱动外侧刀盘的第一传动轴，另一个电机则驱动内侧刀盘的第二传动轴；电机上加装有水平陀螺仪10。
本实施例的撑靴6设置在动力室5周围，共设有上下两排，且均匀对称布置。通过调节撑靴缩进，能在一定范围内改变掘进的方向，图6为改变掘进方向的计算简，图中的1-8表示撑靴的序号。上下两排撑靴之间的垂向距离为l。
如图7所示，本实施例中优选为一圈设有8个撑靴，且均匀对称布置；上下两排撑靴之间的垂向距离优选为0.5m。
所述动力室5与所述钻斗4之间设有两根可伸缩杆8，可伸缩杆上部安装固定在动力箱，下部与钻斗之间可相对运动；所述两根可伸缩杆对称布置，可伸缩杆基础长度优选为0.3m。

Claims (9)

1.一种智能自驱式旋挖钻机装置，其特征在于，所述装置包括刀盘、钻斗、动力室、传动轴、链接轴和可伸缩杆；所述刀盘置于最下端，刀盘上面连有钻斗；所述动力室通过传动轴连接在钻斗的正上方，动力室的上部中心安装有链接轴；所述刀盘由内侧刀盘和外侧刀盘构成，所述内侧刀盘的中轴线与外侧刀盘的中轴线重合，外侧刀盘和内侧刀盘为同心的圆形刀盘；两个刀盘旋转方向相反，一个顺时针切土，另一个逆时针切土；通过调节输出内侧刀盘和外侧刀盘的输出功率达到扭矩自平衡。
2.根据权利要求1所述的一种智能自驱式旋挖钻机装置，其特征在于，所述外侧刀盘为圆环形刀盘，刀盘面上均匀嵌有刀头；所述内侧刀盘为圆形刀盘，刀盘面上均匀嵌有刀头；所述内侧刀盘的外径小于外侧刀盘的内圆直径；所述内侧刀盘位于外侧刀盘的内圆中心，内侧刀盘与外侧刀盘之间留有均匀间隙。
3.根据权利要求1所述的一种智能自驱式旋挖钻机装置，其特征在于，所述动力箱为圆筒状结构，设置在链接轴上；所述动力箱内安装有两个电机；一个电机驱动外侧刀盘的第一传动轴，另一个电机则驱动内侧刀盘的第二传动轴；动力室内加装有水平陀螺仪，所述水平陀螺仪起到智能识别扭矩不平衡的作用。
4.根据权利要求1所述的一种智能自驱式旋挖钻机装置，其特征在于，所述撑靴设置在动力室外圆周围并固定在其上，撑靴共设有上下两排，且均匀对称布置；通过调节撑靴，能在一定范围内改变掘进的方向。
5.根据权利要求1所述的一种智能自驱式旋挖钻机装置，其特征在于，所述动力室与所述钻斗之间设有两根对称布置可伸缩杆，可伸缩杆的上部安装固定在动力室上，下部插入钻斗的安装孔中；能灵活调节动力室与钻斗之间的距离，并保持装置工作的整体稳定性。
6.根据权利要求1所述的一种智能自驱式旋挖钻机装置，其特征在于，所述装置通过调节内侧刀盘和外侧刀盘的输出功率达到扭矩自平衡；使旋挖钻机的链接轴不承受扭矩作用。
7.根据权利要求2所述的一种智能自驱式旋挖钻机装置，其特征在于，所述外侧刀盘和内侧刀盘的刀盘直径和刀盘转速计算方法如下：
匀速切削岩土层时，外侧刀盘和内侧刀盘受到来自岩土层的阻力矩分别为：
Figure FDA0002984746310000021
假定同一岩土层的破岩应力相等：τ(x)＝τ0；得：
Figure FDA0002984746310000022
在扭矩平衡条件下MN1＝MN2，可确定内外侧刀盘的直径之比和刀盘的转速：
Figure FDA0002984746310000023
其中，PN1为外侧刀盘传动轴的输出功率；PN2为内侧刀盘传动轴的输出功率；D1为外侧刀盘的直径；D2为内侧刀盘直径；n1为工作过程中后置刀盘的转速；n2为工作过程中刀盘的转速；MN1为外侧刀盘受到来自岩土层的阻力矩；MN2为内侧刀盘受到来自岩土层的阻力矩；τ0为同一岩土层的破岩应力；ρ为切削土体离刀盘中心的距离。
8.根据权利要求3所述的一种智能自驱式旋挖钻机装置，其特征在于，所述水平陀螺仪智能识别扭矩不平衡的方法如下：
当刀盘从一种土层进入另一种土层时，内外侧刀盘传动轴上的扭矩不再平衡，当扭矩不平衡时，水平陀螺仪转速发生改变，继而通过调节电机的转动速度，使扭矩达到新的平衡；电机的转动的角速度与不平衡扭矩和陀螺仪角速度存在如下关系：
Figure FDA0002984746310000031
其中，ω为电机的旋转角速度；ΔM为不平衡扭矩；I为陀螺仪的转动惯量；Ω为陀螺仪的旋转角速度；
Figure FDA0002984746310000032
为陀螺仪转子转向与陀螺仪旋进方向的夹角。
9.根据权利要求4所述的一种智能自驱式旋挖钻机装置，其特征在于，所述撑靴调节方法如下：
上下两排撑靴之间的垂向距离为l，假定下排撑靴液压顶的径向缩进距离为x，则偏转角
Figure FDA0002984746310000033
方位为(x,θ)，则各撑靴液压顶的缩进位移量为：Δi＝-x cos(θ-45i)；其中，θ为极坐标下旋挖钻机的偏转方位角；i为撑靴液压顶的编号。
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