CN113513254A - 一种旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头及其钻进方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头及其钻进方法，动力头包括动力头箱体、钻杆组件、柔性回转机构以及扭转振动机构，所述柔性回转机构和扭转振动机构均安装在所述动力头箱体内，且分别与回转动力输入装置和振动动力输入装置驱动连接，所述柔性回转机构驱动所述钻杆组件转动，所述扭转振动机构用于对钻杆组件施加按正弦规律变化的高频扭转振动。可实现钻杆组件回转运动或回转、高频扭转振动叠加运动。本发明将扭转振动切削的工艺应用到旋挖钻成孔中，可有效降低旋挖钻机在入岩作业时对动力头扭矩的需求，实现小扭矩动力头快速入岩的效果，进而可有效减低整机的功率需求，提高入岩效率，且性能稳定，成本较低，适应性好。

Description

一种旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头及其钻进方法

技术领域：

本发明涉及地表覆盖地层高效钻进技术领域，具体涉及应用离心力产生的激振扭矩与回转运动和纵向进给运动相结合，实现高频扭转振动回转钻进的钻进工具及其钻进方法。

背景技术：

现有旋挖钻钻进入岩时，须具备大的加压力能力和大的动力头功率(即动力头大扭矩和高转速)，为满足大的加压力能力和大的动力头功率，旋挖钻机整机设备重量急剧增大，整机发动机功率急剧增加，因此在入岩作业时，功率消耗很大，不符合环保要求。

在钻孔时施加高频冲击振动，能快速入岩成孔的技术，已广泛应用于凿岩钻机、声波钻机等小孔成型领域。当前对旋挖钻振动成孔的研究，也主要在冲击振动方向，但由于旋挖钻机成孔直径大，深度深，钻杆多为多节伸缩式钻杆，重量大，冲击振动能量消耗大，且很难传递到几十米深的钻头处，所以冲击振动钻孔的方法，一直没有在旋挖钻机上得到应用。目前旋挖钻机用小功率动力头即小扭矩动力头入岩能力差的困境是迟迟未解决的一个难题，这限制了有入岩需求作业时，采用小扭矩动力头的旋挖钻机的使用。在满足入岩需求的情况下如何，降低整机功率消耗，即降低动力头功率的消耗成为亟待解决的问题。

发明内容：

为解决上述问题，本发明提供了一种旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头及其钻进方法。

为实现上述技术效果，本发明的技术方案为：

一种旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，包括动力头箱体、钻杆组件、柔性回转机构以及扭转振动机构，所述柔性回转机构和扭转振动机构均安装在所述动力头箱体内，所述柔性回转机构与回转动力输入装置驱动连接，且与所述钻杆组件固定连接，并可驱动所述钻杆组件转动；所述扭转振动机构与振动动力输入装置驱动连接，并通过所述柔性回转机构与所述钻杆组件固定连接，其用于对钻杆组件施加按正弦规律变化的高频扭转振动，实现难钻进工况下钻杆组件的快速切削入岩的钻进动作。

可在动力头箱体内注入润滑油，对各运动部件进行润滑，为保证油液清洁，确保润滑效果，动力头箱体各结合部位均需有相应的密封零件，确保密封良好。

优选地，所述柔性回转机构包括回转大齿圈、主动回转块、柔性连接件、被动回转块，所述被动回转块与主动回转块同轴安装，且两者之间通过若干柔性连接件连接，相互间有一定的绕轴向旋转的旋转自由度。所述主动回转块与所述回转大齿圈固定连接，所述回转大齿圈在所述回转动力输入装置的驱动下旋转，所述钻杆组件安装在所述被动回转块上。

优选地，所述回转动力输入装置安装在所述动力头箱体上。

优选的，所述柔性连接件为弹簧或橡胶连接件。

优选地，所述扭转振动机构包括振动支架及设在所述振动支架内的振动下齿圈、振动上齿圈、若干偏心块及与其配套的振动齿轮轴，所述振动齿轮轴与所述振动支架转动连接，所述偏心块通过所述振动齿轮轴安装在所述振动支架内，所述振动齿轮轴与所述振动上齿圈啮合，所述振动上齿圈通过振动连接座与所述振动下齿圈固定连接，并可与所述振动下齿圈的同步旋转，所述振动下齿圈在所述振动动力输入装置的驱动下转动。

优选地，所述振动动力输入装置安装在所述动力头箱体上。

优选地，所述偏心块数量为偶数，且沿所述振动上齿圈所在的圆周对称分布。

优选地，所述扭转振动机构对钻杆组件施加按正弦规律变化的高频扭转振动的过程为：

当振动上齿圈受到外力作用转动时，振动齿轮轴带动其上的偏心块向相反方向转动，且每件偏心块具有相同的角速度和相位；各偏心块的转动会产生指向相应振动齿轮轴回转中心的离心力F_离，当偏心块相位角为α时，离心力F_离可以分解为指向振动上齿圈回转中心的径向分力F_离r与切线方向的切向分力F_离τ，且有

F_离r＝F_离×cosα

F_离τ＝F_离×sinα

由于各偏心块的重量、尺寸、转速、相位角相同，所以产生的离心力F_离大小也相等，故所有离心力F_离的径向分力F_离r通过振动上齿圈回转中心，且合力为0；每个离心力的切向分力F_离τ产生一个相对于振动上齿圈回转中心的转矩M，

M＝F_离τ×R

当有n组偏心块时，所有离心力F_离产生的合转矩为

∑M＝n×F_离×sinα×R

由合扭距的公式可知，合转矩为偏心块旋转相位角的正弦函数，合转矩的大小和方向随着偏心块的转动呈周期性变化，此合转矩作用在振动支架上，通过柔性回转机构传递给与之连接的钻杆组件，从而对钻杆组件施加按正弦变化的高频扭转振动。

本发明还提供了一种旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头的钻进方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、判断工况，若属于易钻进切削入岩的工况，则转到步骤S2，若属于难钻进切削入岩的工况，则转到步骤S3；

S2、将振动动力输入装置关闭，开启回转动力输入装置，柔性回转机构带动钻杆组件旋转，从而实现旋挖钻机在普通切削入岩的工况下旋转钻进作业；

S3、将振动动力输入装置与回转动力输入装置均开启，在柔性回转机构带动钻杆组件旋转的同时，扭转振动机构产生按正弦规律变化的高频扭转振动作用于钻杆组件，从而实现旋挖钻机在难钻进切削入岩的工况下，快速切削入岩的钻进作业。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头及其钻进方法，动力头包括动力头箱体、钻杆组件、柔性回转机构以及扭转振动机构，将扭转振动切削的工艺应用到旋挖钻成孔中，扭转振动机构产生按正弦规律变化的合力矩，通过柔性回转机构的传递对钻杆组件施加按正弦规律变化的高频扭转振动，使旋挖钻机在入岩作业时可有效减低对动力头扭矩的需求，实现小扭矩动力头快速入岩的效果，进而可有效减低整机的功率需求，提高入岩效率，且性能稳定，成本较低，适应性好，从而解决小扭矩动力头旋挖钻机的入岩难题。且本申请的柔性回转机构与扭转振动机构可分别驱动、分别调节转速、扭矩等，另外由于柔性连接件的缓冲作用，能保护柔性回转机构在扭转振动机构工作时，不受到刚性冲击。

附图说明：

图1是本发明旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头的结构示意图；

图2为本发明中柔性回转机构的结构示意图；

图3为本发明中柔性回转机构的爆炸结构示意图；

图4为本发明中扭转振动机构的结构示意图；

图5为本发明中偏心块安装位置示意图；

图6为本发明所述动力头的工作示意图。

图中：1-钻杆套组件；2-回转动力输入装置；3-回转齿轮；4-回转大齿圈；5-主动回转块；51连接部a；6-柔性连接件；7-被动回转块；71连接部b；8-振动支架；9-振动齿轮轴；10-振动上齿圈；11-振动连接座；12-偏心块；13-振动下齿圈；14-振动齿轮；15-振动动力输入装置；16-动力头箱体；17连接件；001-加压油缸；1a-钻杆；003-高频扭转振动回转动力头；1b-钻头。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

见图1至图5，一种旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，包括动力头箱体16、钻杆组件1、柔性回转机构以及扭转振动机构，所述钻杆组件1包括钻杆1a和钻头1b，所述柔性回转机构和扭转振动机构均安装在所述动力头箱体16内，且所述柔性回转机构与回转动力输入装置2驱动连接，所述扭转振动机构与振动动力输入装置15驱动连接。此外，所述柔性回转机构与所述钻杆组件1固定连接，并驱动所述钻杆组件1转动，实现钻杆组件1的普通工况下切削入岩钻进动作；所述扭转振动机构通过所述柔性回转机构与钻杆组件1固定连接，其用于对钻杆组件1施加按正弦规律变化的高频扭转振动，实现难钻进切削入岩的工况钻杆组件1的快速切削入岩的钻进动作。

具体的，所述柔性回转机构包括回转大齿圈4、主动回转块5、柔性连接件6、被动回转块7，所述被动回转块7与主动回转块5同轴安装，且两者之间通过若干柔性连接件6固定连接，所述柔性连接件6可以为弹簧或橡胶连接件等弹性件，被动回转块7与主动回转块5相互间有一定的绕轴向旋转的旋转自由度。所述主动回转块5与所述回转大齿圈4通过连接件17固定连接，所述回转大齿圈4在所述回转动力输入装置2的驱动下旋转，所述钻杆组件1安装在所述被动回转块7上。具体的，主动回转块5上具有若干连接部a 51，被动回转块7上具有若干连接部b 71，安装后连接部a 51和连接部b 71间隔排布。在连接部a 51和连接部b71之间设置若干弹簧等柔性连接件6，使所述被动回转块7与主动回转块5同轴安装，且相互之间有一定的绕轴向的旋转自由度。

所述回转动力输入装置2安装在所述动力头箱体16上，回转动力输入装置2由至少一组回转驱动马达与减速器(回转驱动马达与减速器可采用单独组装形式也可以采用一体集成形式)及相匹配数量的回转齿轮3构成。

回转动力输入装置2的驱动马达转动时，通过回转齿轮3带动回转大齿圈4转动，回转大齿圈4带动主动回转块5转动，主动回转块5通过柔性连接件6推动被动回转块7转动，从而带动钻杆组件1转动，实现钻杆组件1的普通回转钻进动作。

所述扭转振动机构包括振动支架8及设在所述振动支架8内的振动下齿圈13、振动上齿圈10、及若干振动齿轮轴9和偏心块12，所述振动齿轮轴9和偏心块12的数量相等。所述振动齿轮轴9与所述振动支架8旋转连接，所述偏心块12通过所述振动齿轮轴9安装在所述振动支架8内，所述振动齿轮轴9与所述振动上齿圈10啮合，所述振动上齿圈10通过振动连接座11与所述振动下齿圈13固定连接，并可与所述振动下齿圈13的同步旋转，所述振动下齿圈13在所述振动动力输入装置15的驱动下转动。振动支架8与被动旋转块7可通过螺栓、卡扣、铆钉等方式固定连接。

所述振动动力输入装置15安装在所述动力头箱体16上。振动动力输入装置15由至少一组振动驱动马达与其相匹配数量的振动齿轮14构成。所述偏心块12数量≥2，且为偶数，具体数量可根据实际需要以及扭转振动机构空间大小来定，且偏心块12沿所述振动上齿圈10所在的圆周对称分布。通过振动马齿轮14带动与其啮合的振动下齿圈13转动，振动上齿圈10与振动下齿圈13通过振动连接座11连在一起，从而振动上齿圈10也随之转动，继而带动安装在振动支架8上，且与振动上齿圈10啮合的振动齿轮轴9转动，从而带动偏心块12转动，各组偏心块12自转时产生的离心力形成按照正弦规律变化的合力矩，此合力矩作用在振动支架8上，并传递给与其连接的被动回转块7、钻杆组件1，对钻杆组件1施加按正弦规律变化的高频扭转振动。

由于安装在振动支架8上的多组振动齿轮轴9对称布置于同一回转半径R上，其上的小齿轮与振动上齿圈10的外齿圈啮合，每个振动齿轮轴9上的偏心块12相对于振动齿轮轴9轴心与振动上齿圈10的回转中心连线相位相同。所述扭转振动机构对钻杆组件1施加按正弦规律变化的高频扭转振动的过程为：

当振动上齿圈受到外力作用转动时，振动齿轮轴9带动其上的偏心块12向相反方向转动，且每件偏心块12具有相同的角速度和相位；各偏心块12的转动会产生指向相应振动齿轮轴9回转中心的离心力F_离，当偏心块12相位角为α时，离心力F_离可以分解为指向振动上齿圈回转中心的径向分力F_离r与切线方向的切向分力F_离τ，且有

F_离r＝F_离×cosα

F_离τ＝F_离×sinα

由于各偏心块12的重量、尺寸、转速、相位角相同，所以产生的离心力F_离大小也相等，故所有离心力F_离的径向分力F_离r通过振动上齿圈10回转中心，且合力为0；每个离心力的切向分力F_离τ产生一个相对于振动上齿圈10回转中心的转矩M，

M＝F_离τ×R

当有n组偏心块时，所有离心力F_离产生的合转矩为

∑M＝n×F_离×sinα×R

由合转距的公式可知，合转矩为偏心块12旋转相位角的正弦函数，合转矩的大小和方向随着偏心块12的转动呈周期性变化，此合转矩作用在振动支架8上，由于振动支架8与被动旋转块7固定连接，被动旋转块7受到偏心块12转动产生的扭矩后，会对柔性连接块6产生周期性变化的压力，使柔性连接块6产生变形，因而使得被动回转块7与主动回转块5产生周期性的相对转动，也即使钻杆组件1产生扭转振动。即通过柔性回转机构的传递给钻杆组件1施加按正弦变化的高频扭转振动。

此外，本发明旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头的钻进方法，包括以下步骤：

S1、判断工况，若属于易钻进切削入岩的工况，则转到步骤S2，若属于难钻进切削入岩的工况，则转到步骤S3；

工况判断：单位作业时间内进尺均值显著下降或加压钻进作业时，明显无进尺，则可判定为难钻进切削入岩的工况；否则为易钻进切削入岩的工况。

S2、将振动动力输入装置15关闭，开启回转动力输入装置2，柔性回转机构带动钻杆组件1旋转，从而实现旋挖钻机在普通切削入岩的工况下旋转钻进作业；

S3、将振动动力输入装置15与回转动力输入装置2均开启，在柔性回转机构带动钻杆组件1旋转的同时，扭转振动机构产生按正弦规律变化的高频扭转振动作用于钻杆组件1，从而实现旋挖钻机在难钻进切削入岩的工况下，快速切削入岩的钻进作业。

此外，步骤S2中，只开启回转动力输入装置2，振动动力输入装置15关闭输入，回转动力输入装置2驱动回转大齿圈4，带动主动回转块5转动，通过多组柔性连接件6推动被动回转块7转动，从而带动钻杆组件1转动，实现驱动钻杆组件1的普通回转钻进动作。此时振动动力输入装置15关闭，故没有主动振动动力源输入。但是因为振动支架8与被动回转块7连接，此时振动支架8跟随被动回转块7转动，从而带动安装在振动支架8上的多组振动齿轮轴9和偏心块12自转，由于此时转速很低(约10-20r/min)，故多组偏心块12产生的正弦规律变化的扭转振动力矩的频率较低，则类似于普通旋挖钻进，即此时为普通旋转钻进施工方法。

步骤S3中，开启回转动力输入装置2时，再叠加开启振动动力输入装置15，振动动力输入装置15驱动振动下齿圈13高速旋转，进而带动振动上齿圈10、振动齿轮轴9和偏心块12高速旋转，多组偏心块12产生的正弦规律变化的高频扭转振动力矩，作用于振动支架8上，并最终作用于钻杆组件1上，对钻杆组件施加按正弦规律变化的高频扭转冲击振动，即为高频扭转振动钻进施工方法，从而实现旋挖钻机的快速切削入岩的钻进作业。

见图6，高频扭转振动回转动力头003上连接有加压油缸001，在钻杆组件回转运动或回转、高配扭转振动叠加运动时，再附加上加压油缸001施加的向下压力和钻杆组件1自重，钻头1b在上述各力作用下实现扭转振动钻进。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部分的结构关系而确定的关系词，不能理解为对本公开的限制。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：包括动力头箱体(16)、钻杆组件(1)、柔性回转机构以及扭转振动机构，所述柔性回转机构和扭转振动机构均安装在所述动力头箱体(16)内，且所述柔性回转机构与回转动力输入装置(2)驱动连接，所述扭转振动机构与振动动力输入装置(15)驱动连接；所述柔性回转机构与所述钻杆组件(1)固定连接，并可驱动所述钻杆组件(1)转动；所述扭转振动机构通过所述柔性回转机构与所述钻杆组件(1)固定连接，其用于对钻杆组件(1)施加按正弦规律变化的高频扭转振动。

2.根据权利要求1所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：所述柔性回转机构包括回转大齿圈(4)、主动回转块(5)、柔性连接件(6)、和被动回转块(7)，所述被动回转块(7)与主动回转块(5)同轴安装，且两者之间通过若干柔性连接件(6)连接，相互间有一定的绕轴向旋转的旋转自由度，所述主动回转块(5)与所述回转大齿圈(4)与固定连接，所述回转大齿圈(4)在所述回转动力输入装置(2)的驱动下旋转，所述钻杆组件(1)安装在所述被动回转块(7)上。

3.根据权利要求2所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：所述柔性连接件(6)为弹簧或橡胶连接件。

4.根据权利要求1所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：所述扭转振动机构包括振动支架(8)及设在所述振动支架(8)内的振动下齿圈(13)、振动上齿圈(10)、若干偏心块(12)及与其配套的振动齿轮轴(9)，所述振动齿轮轴(9)与所述振动支架(8)转动连接，所述偏心块(12)通过所述振动齿轮轴(9)安装在所述振动支架(8)内，所述振动齿轮轴(9)与所述振动上齿圈(10)啮合，所述振动上齿圈(10)通过振动连接座(11)与所述振动下齿圈(13)固定连接，并可与所述振动下齿圈(13)同步旋转，所述振动下齿圈(13)在所述振动动力输入装置(15)的驱动下转动。

5.根据权利要求4所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：所述偏心块(12)数量为偶数，且沿所述振动上齿圈(10)所在的圆周对称分布。

6.根据权利要求5所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：所述扭转振动机构对钻杆组件(1)施加按正弦规律变化的高频扭转振动的过程为：

当振动上齿圈(10)受到外力作用转动时，振动齿轮轴(9)带动其上的偏心块(12)向相反方向转动，且每件偏心块(12)具有相同的角速度和相位；各偏心块(12)的转动会产生指向相应振动齿轮轴(9)回转中心的离心力F_离，当偏心块(12)相位角为α时，离心力F_离可以分解为指向振动上齿圈(10)回转中心的径向分力F_离r与切线方向的切向分力F_离τ，且有

F_离r＝F_离×cosα

F_离τ＝F_离×sinα

由于各偏心块(12)的重量、尺寸、转速、相位角相同，所以产生的离心力F_离大小相等，故所有离心力F_离的径向分力F_离r通过振动上齿圈(10)回转中心，且合力为0；每个离心力的切向分力F_离τ产生一个相对于振动上齿圈(10)回转中心的转矩M，

M＝F_离τ×R

当有n组偏心块时，所有离心力F_离产生的合转矩为

∑M＝n×F_离×sinα×R

由合扭距的公式可知，合转矩为偏心块(12)旋转相位角的正弦函数，合转矩的大小和方向随着偏心块(12)的转动呈周期性变化，此合转矩作用在振动支架(8)上，通过柔性回转机构传递给与之连接的钻杆组件(1)，从而对钻杆组件(1)施加按正弦变化的高频扭转振动。

7.根据权利要求1所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：所述回转动力输入装置(2)安装在所述动力头箱体(16)上。

8.根据权利要求1所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：所述振动动力输入装置(15)安装在所述动力头箱体(16)上。

9.根据权利要求1-8任一所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头的钻进方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、判断工况，若属于普通切削入岩的工况，则转到步骤S2，若属于难钻进切削入岩的工况，则转到步骤S3；

S2、将振动动力输入装置15关闭，开启回转动力输入装置2，柔性回转机构带动钻杆组件1旋转，从而实现旋挖钻机在普通切削入岩的工况下旋转钻进作业；

S3、将振动动力输入装置15与回转动力输入装置2均开启，在柔性回转机构带动钻杆组件(1)旋转的同时，扭转振动机构产生按正弦规律变化的高频扭转振动作用于钻杆组件(1)，从而实现旋挖钻机在难钻进切削入岩的工况下，快速切削入岩的钻进作业。

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