CN115069682A - 旋挖钻高效脱附粘土的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋挖钻高效脱附粘土方法和装置，基于分离式电渗减粘脱附技术，采用高表面积电极，负极磁吸接触模块，红外限位机构及低压直流电源结合，解决旋挖钻地下施工时高粘性土壤在筒钻内壁的粘附问题，且无需改变筒钻内壁结构，有效解决现有通过改变筒钻内壁结构导致装配复杂，及因筒壁内部增加凸起结构导致地下施工钻土与卸土时阻力增加，施工效率降低的问题，以及采用刮土装置对封闭式空间内土壤脱附时，由于刮土装置结构限制，使得筒钻内土壤无法全部清除以及后期仍需驱动机械抖动筒钻的问题，保证施工质量并提高施工效率，有效降低设备正反转循环抖动土壤时对设备的损害与噪声污染。

Description

旋挖钻高效脱附粘土的方法及装置

技术领域

本发明属于土壤减粘脱附技术领域，更具体地，涉及一种旋挖钻高效脱附粘土的方法及装置。

背景技术

旋挖钻是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工设备，广泛用于市政建设、公路桥梁、高层建筑等地基施工工程。在旋挖钻施工过程中，高含水量与粘性土壤是其典型的施工介质，极易粘附在筒钻内表面，导致介质脱附困难或内壁介质脱附不彻底等问题。针对上述问题，行业通常基于惯性的原理，采用高速抖动、碰撞筒钻等方式，实现粘附介质的脱附。但上述方式存在以下问题：1、高速抖动、碰撞筒钻产生巨大的噪声(超过100dB)，导致噪声污染严重；2、巨大的惯性冲量对钢丝绳造成巨大的损坏，严重影响产品可靠性；3、高速抖动、碰撞筒钻时发动机全力运行，导致作业油耗高；4、筒钻内壁粘附介质脱附不彻底，板结后增加钻进工作阻力，造成钻机功耗大，钻进效率低等问题。其中，由于小孔径筒钻比表面积大，导致介质脱附阻力远大于重力与惯性力，使小直径筒钻的介质脱附尤为困难，上述问题更加明显。因此，降低土壤对作业机具表面的粘附力，探究一种高效脱附的方法，是提升施工效率与质量的关键。

目前市场上针对旋挖钻减粘脱附装置及方法开展的相关技术研究如下：

(1)公开号CN214532808U的实用新型专利《钻斗及具有其的旋挖钻机》提供了一种钻抖及具有其的旋挖钻机，其中筒钻多个凸条设置在钻筒的内侧面，凸条具有位于侧部的连接面，连接面与筒钻的内壁连接，其中，连接面为向内凹陷的弧形面，防止土壤存留在筒钻和凸条之间的连接处，解决钻斗内壁面因土壤粘附导致开斗和卸土困难的问题。

(2)公开号CN212508081U的实用新型专利《钻斗及旋挖钻机》提供了钻斗包括筒钻、多个封堵件以及多个凸形件；筒钻的内壁上开设有多个定位孔，且多个凸形件的一端能够分别插入多个定位孔中的部分定位孔，并封堵定位孔；凸形件与定位孔为可拆卸连接，当凸形件插入定位孔时，凸形件背离定位孔的一端凸出于筒钻的内壁面设置。

(3)公开号CN208734283U的实用新型专利《用于清理旋挖钻机的筒钻的刮泥装置》解决由于筒钻容积小、使得成孔效率低的问题，其包括清洁组件，所述清洁组件包括底座，底座竖直设置有支杆，支杆上设置有刮板，刮板与筒钻的内壁接触。当筒钻将孔内的土卸至孔外的场地后，将筒钻置于刮板的上方，然后筒钻的下降，从而使得刮板对筒钻的内壁进行刮泥处理，从而使得可以保证筒钻内有足够的空间，提高成孔的效率。

现有的旋挖钻土筒钻解决土壤粘附问题时，采用筒壁内部设置凸条和凸形件，通过若干个此类结构与筒壁装配，实现减粘脱附，此外，通过设置插入式的刮土板对旋挖钻筒钻内高粘性土壤进行清理，上述方法一定程度上可以实现旋挖钻内壁土壤减粘脱附，但是具有诸多局限，具体如下：

(1)采用筒壁设置凸条时，凸条通过其位于侧面的具有弧形的连接面与筒壁内壁连接，凸条的与筒壁连接的一面需要进行弧面加工，且旋挖钻筒壁内壁需要加工与凸条数量一致的连接孔槽，凸条的凸起高度、宽度及间距等参数的设置，需要考虑筒钻内壁粘附土壤的含水率、压实密度与凸条加工参数匹配性，否则会对土壤脱附过程起到阻碍作用，因此上述专利在应用时具有较多局限性；

(2)将筒钻的内壁上设置多个凸形件，其缺点在于：旋挖钻筒件需要加工若干定位孔，定位孔内侧边缘需加工凹槽，定位孔部分位置需加工螺纹处理，施工前需对若干凸形件进行装配，上述方法均需对筒钻进行预先机加工，增加机加工工序，若干凸形件均需预先装配到筒钻上并封装紧固，由于改变了筒壁内壁结构，凸起部分会增加筒钻地下施工阻力，较多的凸起结构也会减少筒体对土壤的容纳空间，当土壤粘性较大时，卸土时凸起结构对土壤脱附过程起到抑制作用，导致壁面大量土壤残留，因此上述专利在应用时具有较多局限性；

(3)采用外加具有刮土功能的辅助装置，当筒钻将孔内的土卸至孔外的场地后，将筒钻置于刮板的上方，通过控制筒钻的升起和下降，从而使得刮板对筒钻的内壁进行刮泥处理，这种依靠刮土板的方式对封闭式空间内土壤脱附时，由于刮土装置结构限制，筒钻内土壤无法全部清除，后期仍需驱动机械抖动筒钻，使残留土壤脱附，加重设备正反转带来的能耗，产生施工噪音。

电渗法作为一种减粘脱附手段，无需对工件表面进行处理，通过采用外加电源，匹配合适正极材料，在一定条件下可快速降低土壤对零件表面的粘附力，为解决土壤粘附问题提供新思路。目前，电渗技术多应用在具有平面结构的农业机械零件表面，对地下高粘性土壤环境施工特点以及非平面类的工程机械零部件尚无专用的装置与方法，导致该技术在工程机械领域的应用长期处于空白。因此，开发一种面向旋挖钻高效脱附粘土的方法及装置对推动该技术的全面应用及促进工程机械的绿色施工工法具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对以上不足，提供一种旋挖钻高效脱附粘土的方法及装置，基于分离式电渗减粘脱附技术，解决旋挖钻地下施工时高粘性土壤在筒钻内壁的粘附问题，且无需改变筒钻内壁结构，有效解决现有通过改变筒钻内壁结构导致装配复杂，及因筒壁内部增加凸起结构导致地下施工钻土与卸土时阻力增加，施工效率降低的问题，以及采用刮土装置对封闭式空间内土壤脱附时，由于刮土装置结构限制，使得筒钻内土壤无法全部清除以及后期仍需驱动机械抖动筒钻的问题。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种旋挖钻高效脱附粘土装置，包括正电极、负极磁吸模块及电源，

所述正电极包括电渗电极板和底座，所述电渗电极板与底座固定连接，底座上设有正极连接端口，用于连接电源的正极输出端口；

所述负极磁吸模块包括伸缩连杆、强磁铁和负极触头，所述伸缩连杆的一端与强磁铁铰接，另一端与电源所在的固定位置铰接，所述强磁铁通过绝缘板与负极触头固定，且强磁铁和负极触头的端部处于同一垂直面，用于与待脱附的旋挖钻筒钻的筒体外壁贴合，所述负极触头通过伸缩连杆中内置的负极导线连接电源的负极输出端口。

进一步的，所述电渗电极板为十字形结构，由四个等尺寸的电极薄板拼接而成，电渗电极板的尺寸根据筒钻的尺寸确定，其关系式为：

式中，h为电渗电极板的高度(电极尖端面积忽略不计，)，l为电极薄板的宽度，d为电极薄板的厚度，H为筒钻的高度，D为筒钻的直径(内径)。

进一步的，所述电源的正极输出端口通过正极导线连接底座上的正极连接端口，所述正极导线通过导线自动伸缩装置调节伸缩长度，以适应电源与正电极之间的距离调整。

进一步的，所述电渗电极板通过连接板固定于底座上，所述底座包括依次连接固定的第一固定板、第二固定板和第三固定板，所述正极连接端口设置于第一固定板的侧面，以保证其导电性。所述连接板与第一固定板通过紧固螺栓连接，三个固定板通过紧固螺栓依次连接。所述连接板、第一固定板、第二固定板和第三固定板均为钢制板，底座采用三块固定板拼接的设计既能满足底部配重的需求，又容易拆卸，便于运输携带。

进一步的，还包括红外限位机构，所述红外限位机构通过与电源连接进行供电，红外限位装置用于确定待脱附的旋挖钻筒钻安装到预定位置。所述预定位置为刚好将正电极的电渗电极板完全插入至筒体土壤内部，且保证筒壁底部不与正电极的任何部位接触造成短路。

进一步的，所述直流电源安装于电源箱内，所述红外限位装置和导线自动伸缩装置均安装于电源箱的箱体底板上。

进一步的，所述伸缩连杆的一端通过第一铰接座与绝缘板连接，另一端通过第二铰接座与电源箱的箱体底板连接。伸缩连杆的运动带动强磁铁与负极触头运动，使其紧密贴合于筒壁。

本发明还提供了一种旋挖钻高效脱附粘土的方法，采用上述的脱附装置，包括以下步骤：

将电渗电极板插入待脱附的旋挖钻筒钻的筒体中心，使电渗电极板完全插入至筒体土壤内部，且筒壁不与正电极的任何部位接触；

将电源的正极输出端口连接正极连接端口，负极输出端口连接筒体外壁；

采用电源恒压模式，调节电压至24～30V，进行脱附，根据筒内土壤含水率的不同，通电时间范围为120～300s；

将旋挖钻筒钻匀速向上提起，依靠土壤内壁形成的水膜润滑作用及土壤自身重力，将内壁土壤脱附。

进一步的，所述将电渗电极板插入筒体中心的具体操作包括：

将正电极固定，待脱附的旋挖钻筒钻置于正电极上方，电渗电极板对准筒体中心位置，将筒钻向下垂直插入，同时，通过红外限位机构确定筒钻底端下降的终止位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明所述旋挖钻高效脱附粘土的方法及装置，采用电渗技术解决旋挖钻地下施工时高粘性土壤在筒钻内壁的粘附问题，无需改变筒钻内壁结构，有效解决因筒壁内部增加凸起结构导致地下施工钻土与卸土时阻力增加，保证施工质量并提高施工效率，有效降低设备正反转循环抖动土壤时对设备的损害与噪声污染。

(2)将筒壁作为阴极，通过施加正极，在低压直流条件下，依靠电场作用下土壤内部水分迁移在筒壁内侧形成水膜，依靠重力作用实现同内土壤完自由脱落，内壁光滑无残留。

(3)本发明所述装置与方法，适用于任意尺寸的环形封闭结构零件，不受刮土装置结构限制，从而使得筒钻内土壤全部清除，后期无需驱动机械进行筒钻二次抖动。

(4)采用最优正负面积比设计高表面积电极，解决正电极结构及尺寸定量设计无依据的问题，弥补传统板状与棒状电极体积与重量较大携带不便的缺点，实现轻量化设计，增强现场可操作性。

(5)采用充电式低压直流输出电源组件，无需随车设置额外供电装置，现场应用具有安全性与便捷性。

(6)本发明中负极采用铰接式伸缩连杆与强磁吸接头，可实现负极与筒壁准确快速定位贴合；正极采用自动伸缩装置，保证正极与电极固定板快速贴合，并可自动回弹，提升电渗效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种旋挖钻高效脱附粘土装置的整体结构示意图；

图2为实施例所述的正电极的连接固定示意图；

图3为实施例所述的电渗电极板的横向截面及尺寸示意图；

图4为实施例所述的筒钻的横向截面及尺寸示意图；

图5为实施例所述的旋挖钻电渗减粘脱附过程示意图。

图中：1-筒钻，2-电极电渗板，3-连接板，4-第一紧固螺栓孔，5-第一固定板，6-第二固定板，7-第三固定板，8-第二紧固螺栓孔，9-正极连接端口，10-箱体底板，11-第一铰接座，12-伸缩连杆，13-第二铰接座，14-强磁铁，15-绝缘板，16-负极触头，17-导线自动伸缩装置，18-红外测距仪，19直流电源，20-正极输出端口，21-负极输出端口，22-高粘性土壤，23-第一紧固螺栓，24-第二紧固螺栓。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例更详细地描述本发明的优选实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-图4所示的一种旋挖钻高效脱附粘土装置，包括正电极、负极磁吸模块、红外限位机构和低压直流电源19。

如图2所示，本实施例所述正电极包括电渗电极板2、连接板3、第一固定板5、第二固定板6和第三固定板7，所述连接板3上设有4个第一螺栓孔4，第一固定板5、第二固定板6和第三固定板7上各设有4个第二螺栓孔8，使电渗电极板2通过连接板3和第一紧固螺栓23固定于第一固定板5上，第一固定板5、第二固定板6和第三固定板7通过第二紧固螺栓24依次连接作为底座。所述第一固定板5的侧面设有正极连接端口9。

本实施例所述电渗电极板2为十字形结构，由四个等尺寸的电极薄板拼接而成，其中，相邻电极薄板之间夹角α为90°，电渗电极板2的尺寸根据待脱附的筒钻1的尺寸确定。

所述电渗电极板2和筒钻1的尺寸如图3和图4所示，电极尖端面积忽略不计，H记为筒钻1的高度，D记为筒钻1的直径(内径)，根据正负极最优面积比为1比3，分别计算出电极高度为h，电极薄板宽度为l，厚度为d，计算公式如(1)所示：

本实施例所述负极磁吸模块包括第一铰接座11、伸缩连杆12、第二铰接座13、强磁铁14、绝缘板15和负极触头16，所述伸缩连杆12的一端通过第一铰接座11与直流电源19所在电源箱的箱体底板10铰接，伸缩连杆12的另一端通过第二铰接座13与强磁铁14铰接，所述强磁铁14通过绝缘板15与负极触头16固定，且强磁铁14与负极触头16的端部处于同一垂直面，用于与筒钻1的外壁贴合。伸缩连杆12的运动带动强磁铁14与负极触头16运动，使其紧密贴合于筒钻1外壁。

本实施例所述直流电源19提供包括红外限位机构所需电压与电渗过程所需的电压，其中电渗电压为直流模式，包括正极输出端口20、负极输出端口21，电压范围24～36V。

本实施例所述直流电源19的正极输出端口20通过正极导线连接正电极的正极连接端口9，所述正极导线通过导线自动伸缩装置17调节伸缩长度，所述导线自动伸缩装置17固定于箱体底板10上。所述直流电源19的负极输出端口21通过负极导线连接负极触头16，所述负极导线内置于伸缩连杆12内部。

本实施例所述红外限位机构为红外测距仪18，固定于箱体底板10上，并与直流电源19连接供电，红外测距仪18用于确定待脱附的旋挖钻筒钻1安装到预定位置。所述预定位置为刚好将正电极的电渗电极板2完全插入至筒体土壤内部，且保证筒壁底部不与正电极的任何部位接触造成短路。

实施例2

本实施例提供一种旋挖钻高效脱附粘土的方法，采用实施例1所述的脱附装置，包括以下步骤：

步骤一：选取内径尺寸D为600mm的旋挖钻筒钻1，通过上述公式(1)设计如图2所示结构的正电极高度，单个电极薄板宽度l为150mm，厚度d为8mm，计算到电极高度h(忽略电极尖端部分)为1019mm，将上述计算得到的单个电极板加工成如图2和图3所示电渗电极板2；

步骤二：正电极进行现场固定，通过连接板3将电渗电极板2与底座依次连接，并由紧固螺栓进行防松处理；

步骤三：当旋挖钻在施工至地下粘土层时，将装满高粘性土壤的筒钻1置于上述正电极上方，将正电极对准筒体中心位置，向下垂直插入；

步骤四：开启直流电源19的总开关，接通红外测距仪18，确定筒钻1底端下降至预先设定的位置，该位置刚好将正电极的电渗电极板2完全插入至筒体土壤内部，且保证筒壁底端不与正电极的任何部位接触造成短路；

步骤五：将正极导线端部夹持在底座的正极连接端口9，将伸缩连杆12伸长至合适位置，调节第一铰接座11与第二铰接座13，使得负极导线端部的强磁铁14及负极触头16分别与筒体外壁贴合，进而带动负极触头16与筒壁接触通上负电，连接完成的状态如图5所示；

步骤六：开启直流电源19的直流低压输出按钮，采用电源恒压模式，调节电渗电压为30V，根据筒内土壤的含水率，通电时间确定为240s，将电源关闭。

步骤七：将旋挖钻筒钻1匀速向上提起，依靠土壤内壁形成的水膜润滑作用及土壤自身重力，将内壁土壤脱附。

本实施例所述电渗脱附方法中涉及到的各部件参数及脱附过程参数如表1所示。

表1电渗脱附参数

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和技术原理的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的，这些修改和变更也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种旋挖钻高效脱附粘土装置，其特征在于，包括正电极、负极磁吸模块及电源，

所述正电极包括电渗电极板和底座，所述电渗电极板与底座固定连接，底座上设有正极连接端口，用于连接电源的正极输出端口；

所述负极磁吸模块包括伸缩连杆、强磁铁和负极触头，所述伸缩连杆的一端与强磁铁铰接，另一端与电源所在的固定位置铰接，所述强磁铁通过绝缘板与负极触头固定，且强磁铁和负极触头的端部处于同一垂直面，用于与待脱附的旋挖钻筒钻的筒体外壁贴合，所述负极触头通过伸缩连杆中内置的负极导线连接电源的负极输出端口。

2.根据权利要求1所述的旋挖钻高效脱附粘土装置，其特征在于，所述电渗电极板为十字形结构，由四个等尺寸的电极薄板拼接而成，电渗电极板的尺寸根据筒钻的尺寸确定，其关系式为：

式中，h为电渗电极板的高度，l为电极薄板的宽度，d为电极薄板的厚度，H为筒钻的高度，D为筒钻的直径。

3.根据权利要求2所述的旋挖钻高效脱附粘土装置，其特征在于，所述电源的正极输出端口通过正极导线连接底座上的正极连接端口，所述正极导线通过导线自动伸缩装置调节伸缩长度。

4.根据权利要求3所述的旋挖钻高效脱附粘土装置，其特征在于，所述电渗电极板通过连接板固定于底座上，所述底座包括依次连接固定的第一固定板、第二固定板和第三固定板，所述正极连接端口设置于第一固定板的侧面。

5.根据权利要求4所述的旋挖钻高效脱附粘土装置，其特征在于，还包括红外限位机构，所述红外限位机构通过与电源连接进行供电，红外限位装置用于确定待脱附的旋挖钻筒钻安装到预定位置。

6.根据权利要求5所述的旋挖钻高效脱附粘土装置，其特征在于，所述直流电源安装于电源箱内，所述红外限位装置和导线自动伸缩装置均安装于电源箱的箱体底板上。

7.根据权利要求6所述的旋挖钻高效脱附粘土装置，其特征在于，所述伸缩连杆的一端通过第一铰接座与绝缘板连接，另一端通过第二铰接座与电源箱的箱体底板连接。

8.根据权利要求1所述的旋挖钻高效脱附粘土装置，其特征在于，所述电源为输出电压范围24～36V的直流电源或直流脉冲电源。

9.一种旋挖钻高效脱附粘土的方法，采用权利要求1-8中任意一项所述的旋挖钻高效脱附粘土装置，其特征在于，包括以下步骤：

将电渗电极板插入待脱附的旋挖钻筒钻的筒体中心，使电渗电极板完全插入至筒体土壤内部，且筒壁不与正电极的任何部位接触；

将电源的正极输出端口连接正极连接端口，电源的负极输出端口连接筒体外壁；

采用电源恒压模式，调节电压至24～30V，进行脱附，通电时间范围为120～300s；

将旋挖钻筒钻匀速向上提起，依靠土壤内壁形成的水膜润滑作用及土壤自身重力，将内壁土壤脱附。

10.根据权利要求9所述的旋挖钻高效脱附粘土的方法，其特征在于，所述将电渗电极板插入筒体中心的具体操作包括：

将正电极固定，待脱附的旋挖钻筒钻置于正电极上方，电渗电极板对准筒体中心位置，将筒钻向下垂直插入，同时，通过红外限位机构确定筒钻底端下降的终止位置。

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