CN115853422A - 基于液压系统的冻土钻孔机及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液压系统的冻土钻孔机及其驱动方法，冻土钻孔机包括液压系统、动力传动机构、执行机构。液压系统包括液压马达，以及为液压马达提供动力的动力源。动力传动机构包括与液压马达的输出轴连接的行星减速器，连接在行星减速器的输出轴上的主传动轴，连接在主传动轴上的主传动齿轮，以及与主传动齿轮啮合的多个执行齿轮。执行机构包括与执行齿轮机械连接的钻杆，以及安装在钻杆末端的钻头。本发明采用液压系统取代传统的机械直联传动机构，通过调节液压系统的工作压力，解决了传统钻孔机入土力无法控制的缺陷；通过调节液压系统的输出流量，能够实现大范围的无级调速，解决了钻头转速调节范围小的缺陷。

Description

基于液压系统的冻土钻孔机及其驱动方法

技术领域

本发明涉及钻孔机械技术领域，具体涉及一种基于液压系统的冻土钻孔机及其驱动方法。

背景技术

目前的钻孔机都是通过电动机或者柴油机连接减速机来直接驱动钻头的旋转动作，属于传统的机械传动设备，该类型钻孔机体积均比较大，功率质量比小，钻孔区域小，且使用灵活性差。此外，市面上的钻孔机由于输出功率较小，钻头转速调节范围小，入土力无法准确控制，导致入土性能不佳，只能用于松散的土壤，对冻土很不适应。

发明内容

发明目的：提供一种基于液压系统的冻土钻孔机，并进一步提出一种基于上述冻土钻孔机的驱动方法，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种基于液压系统的冻土钻孔机，该冻土钻孔机包括动力源、液压系统、动力传动机构、执行机构、导向及限位机构以及移动框架小车。

其中，液压系统包括液压马达，以及为液压马达提供动力的动力源。

动力传动机构与液压系统中的液压马达机械连接；动力传动机构包括与液压马达的输出轴连接的行星减速器，连接在行星减速器的输出轴上的主传动轴，连接在主传动轴上的主传动齿轮，以及与主传动齿轮啮合的多个执行齿轮。考虑空间布局的紧凑性和美观性，方案中减速机构选用90度结构形式的行星减速器。

执行机构包括与执行齿轮机械连接的钻杆，以及安装在钻杆末端的钻头。其中，液压系统、动力源、动力传动机构、执行机构都架设在移动框架小车上。

冻土钻孔机的钻杆具有三种工作状态：钻杆静止状态、钻杆顺时针旋转状态和钻杆逆时针旋转状态，工作过程中可实现钻杆状态实时快速切换。

在进一步的实施例中，为了适应野外作业的特殊工况要求，冻土钻孔机选用柴油机作为动力源，通过柴油机带动高压齿轮泵旋转为液压系统提供所需压力和流量的液压油，驱动液压马达工作。液压马达连接行星减速器，并经齿轮组传动后驱动四根钻杆和钻头转动，进而完成对冻土的快速钻孔作业。

在进一步的实施例中，冻土钻孔机采用四钻杆结构，四根钻杆同时工作，大大增加了钻孔区域和钻孔效率。钻杆采用双刀片焊接结构，大大增强了钻孔效果，出土率可高达90%。钻头采用高锰钢合成材质，硬度更高，耐磨性更强，具有很高的耐冲击性，适用全国大部分地区的土质结构，尤其适用于超硬土质、粘土、冻土等等。

在进一步的实施例中，液压系统主要由液压油箱、吸油滤芯、空气滤清器、柴油机、高压齿轮泵、溢流阀、手动换向阀、液压马达和连接管路组成。吸油滤芯与所述液压油箱连通；高压齿轮泵与所述吸油滤芯连通；手动换向阀与所述高压齿轮泵连通；液压马达与所述手动换向阀连通；柴油机与所述高压齿轮泵的动力输入端连接；溢流阀与高压齿轮泵的动力输出端连通。

液压系统采用柴油机+高压齿轮泵+溢流阀的调节方式，为液压马达工作提供所需的压力和流量。当钻杆转动过程中遇到异物被卡住、无法转动时，设备具有过载保护功能。

在进一步的实施例中，液压马达的输出轴直联所述行星减速器的输入接口，在所述液压马达的驱动下，所述行星减速器的输出轴输出正、反向旋转运动。

在进一步的实施例中，手动换向阀包括A、B、P、T四个油口，P油口与所述高压齿轮泵的出油端连通，T油口与所述液压油箱连通，A油口和B油口与所述液压马达的两个油口连通。

在进一步的实施例中，当所述手动换向阀处于a工位时，P油口与B油口连通，T油口与A油口连通，所述高压齿轮泵将油液输送进所述液压马达使液压马达的动力输出端正向旋转；

当所述手动换向阀处于b工位时，P油口与A油口连通，T油口与B油口连通，所述高压齿轮泵将油液输送进液压马达使液压马达的动力输出端反向旋转；

当所述手动换向阀处于中间工位时，P油口、A油口、B油口、T油口之间均互相连通，且P油口、A油口、B油口均通过T油口与所述液压油箱连通，所述高压齿轮泵输出的油液直接回到液压油箱，液压马达的动力输出端无动作；

在进一步的实施例中，当所述高压齿轮泵与所述手动换向阀之间压力超过设定的工作压力阈值时，溢流阀自动开启，所述高压齿轮泵输出的多余流量的油液经溢流阀溢流后回到液压油箱。

在进一步的实施例中，每个所述执行齿轮分别连接一个执行主轴，在所述主传动齿轮的驱动下，执行齿轮带动执行主轴作正、反向旋转运动；

所述执行主轴与钻杆刚性连接，所述钻杆与钻头直联，所述钻杆和钻头在执行主轴的带动下，作正、反向旋转运动，从而完成冻土钻孔作业。

在进一步的实施例中，所述行星减速器的输出轴与主传动轴之间、主传动轴与主传动齿轮之间、执行主轴与执行齿轮之间均通过键连接进行动力传递；

所述主传动轴、执行主轴均通过两个反向安装的圆锥滚子轴承支承旋转；两个圆锥滚子轴承各限制轴在一个方向的轴向移动，并承受钻杆与钻头在作业过程中受到的双向轴向载荷。

在进一步的实施例中，动力传动机构还包括齿轮箱；主传动齿轮、执行齿轮、主传动轴、执行主轴设置在所述齿轮箱内。

在进一步的实施例中，冻土钻孔机还包括导向及限位机构；导向及限位机构包括滑块、导轨。在导向及限位机构中，滑块与齿轮箱刚性连接，滑块在导轨上来回滑动，动力传动机构和执行机构也跟随滑块在导轨上作直线运动。导向及限位机构主要在钻孔机钻孔时起到导向作用。此外，通过对滑块位置的限制，可起到对动力传动机构和执行机构的限位作用。

第二方面，提出一种冻土钻孔机的驱动方法，冻土钻孔机有运输状态位、钻孔初始位和钻孔终止位三个状态位；

当冻土钻孔机随操作人员携行时，钻孔机处于所述运输状态位；

当需要开展钻孔作业时，动力传动机构、执行机构、导向及限位机构一起绕移动框架小车的旋转轴旋转90°，冻土钻孔机状态切换为所述钻孔初始位；

钻孔作业开始后，所述执行机构以预定压力下压对冻土执行钻孔作业，当所述执行机构的行程走完，即进入所述钻孔终止位。

在进一步的实施例中，钻孔作业包括如下步骤：

通过动力源带动高压齿轮泵为液压系统提供所需压力和流量的液压油，驱动液压马达工作；

为了实现钻孔时钻杆旋转方向的自由调整，液压系统中采用手动换向阀实现液压马达旋转方向的调节，操作设备时，通过手动换向阀上的旋钮实现液压马达正转、液压马达反转及液压马达停止动作之间的快速切换；

液压马达连接行星减速器，并经齿轮组传动后驱动四根钻杆和钻头转动，进而完成对冻土的快速钻孔作业；

行星减速器的输出轴连接主传动轴、主传动齿轮，在液压马达的驱动下，行星减速器带动主传动齿轮作正、反向旋转；

与主传动齿轮啮合传动的执行齿轮分别连接执行主轴，在主传动齿轮的驱动下，执行齿轮带动执行主轴作正、反向旋转运动；

执行主轴与钻杆刚性连接，钻杆与钻头直联，钻杆和钻头在执行主轴的带动下，作正、反向旋转运动，从而完成冻土钻孔作业；

主传动轴、执行主轴均通过两个反向安装的圆锥滚子轴承支承旋转，两个圆锥滚子轴承各限制轴在一个方向的轴向移动，并承受钻杆与钻头在作业过程中受到的双向轴向载荷；

在导向及限位机构中，滑块与下齿轮箱座刚性连接，滑块在导轨上来回滑动，动力传动机构和执行机构也跟随滑块在导轨上作直线运动；导向及限位机构在钻孔机钻孔时起到导向作用；通过对滑块位置的限制，起到对动力传动机构和执行机构的限位作用。

有益效果：本发明提出一种基于液压系统的冻土钻孔机及其驱动方法，采用液压系统取代传统的机械直联传动机构，通过调节液压系统的工作压力，解决了传统钻孔机入土力无法控制的缺陷；通过调节液压系统的输出流量，能够实现大范围的无级调速，解决了钻头转速调节范围小的缺陷。

附图说明

图1为冻土钻孔机的组成及工作原理框图。

图2为冻土钻孔机的三维结构组成示意图。

图3为冻土钻孔机液压系统的工作原理图。

图4为冻土钻孔机动力传动机构其中一个视角的三维结构示意图。

图5为冻土钻孔机动力传动机构其中一个视角的三维结构示意图。

图6为冻土钻孔机动力传动机构的截面图。

图7为执行机构三维结构示意图。

图8为冻土钻孔机钻孔初始位示意图。

图9为冻土钻孔机钻孔终止位示意图。

图中各附图标记为：动力源1、液压系统2、动力传动机构3、执行机构4、导向及限位机构5、移动框架小车6、液压油箱7、吸油滤芯8、空气滤清器9、柴油机10、高压齿轮泵11、溢流阀12、手动换向阀13、液压马达14、行星减速器15、主传动齿轮16、执行齿轮17、下齿轮箱座18、上齿轮箱座19、主传动轴20、执行主轴21、深沟球轴承22、圆锥滚子轴承23、钻头24、螺钉25、钻杆26、导轨27、滑块28。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

申请人研究发现，目前的钻孔机都是通过电动机或者柴油机连接减速机来直接驱动钻头的旋转动作，属于传统的机械传动设备，该类型钻孔机体积均比较大，功率质量比小，钻孔区域小，且使用灵活性差。此外，市面上的钻孔机由于输出功率较小，钻头转速调节范围小，入土力无法准确控制，导致入土性能不佳，只能用于松散的土壤，对冻土很不适应。

液压系统是利用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式，液压系统具有如下优点：能够实现大范围的无级调速，使用灵活性好，控制简单便利；在同等输出功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、运动惯量小、动态性能好；能够便捷的实现过载控制，具有很高的安全性。如今，液压系统已广泛应用在各行业的各种机械设备中。

基于液压系统的一系列优点，结合目前市面上钻孔机对冻土适应性差的背景，将液压系统集成到钻孔机械后应用到冻土土壤的钻孔施工，具有很高的功率质量比，能耗低、效率高，并且可实现远程的自动控制。

为此，本发明旨在提供一种基于液压系统的冻土钻孔机及其驱动方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本实施例提出一种基于液压系统的冻土钻孔机，该冻土钻孔机包括动力源1、液压系统2、动力传动机构3、执行机构4、导向及限位机构5、移动框架小车6。

冻土钻孔机的动力源1选用柴油机，能够适应冻土钻孔机野外作业的特殊工况要求。

冻土钻孔机的液压系统2包括液压油箱7、吸油滤芯8、空气滤清器9、柴油机10、高压齿轮泵11、溢流阀12、手动换向阀13、液压马达14。吸油滤芯8与所述液压油箱7连通；高压齿轮泵11与所述吸油滤芯8连通；手动换向阀13与所述高压齿轮泵11连通；液压马达14与所述手动换向阀13连通；柴油机10与所述高压齿轮泵11的动力输入端连接；溢流阀12与高压齿轮泵11的动力输出端连通。液压系统2采用柴油机10+高压齿轮泵11+溢流阀12的调节方式，为液压马达14工作提供所需的压力和流量。当钻杆26转动过程中遇到异物被卡住、无法转动时，设备具有过载保护功能。液压马达14的输出轴直联所述行星减速器15的输入接口，在所述液压马达14的驱动下，所述行星减速器15的输出轴输出正、反向旋转运动。手动换向阀13包括A、B、P、T四个油口，P油口与所述高压齿轮泵11的出油端连通，T油口与所述液压油箱7连通，A油口和B油口与所述液压马达14的两个油口连通。当所述手动换向阀13处于a工位时，P油口与B油口连通，T油口与A油口连通，所述高压齿轮泵11将油液输送进所述液压马达14使液压马达14的动力输出端正向旋转。当所述手动换向阀13处于b工位时，P油口与A油口连通，T油口与B油口连通，所述高压齿轮泵11将油液输送进液压马达14使液压马达14的动力输出端反向旋转。当所述手动换向阀13处于中间工位时，P油口、A油口、B油口、T油口之间均互相连通，且P油口、A油口、B油口均通过T油口与所述液压油箱7连通，所述高压齿轮泵11输出的油液直接回到液压油箱7，液压马达14的动力输出端无动作；在进一步的实施例中，当所述高压齿轮泵11与所述手动换向阀13之间压力超过设定的工作压力阈值时，溢流阀12自动开启，所述高压齿轮泵11输出的多余流量的油液经溢流阀12溢流后回到液压油箱7。

冻土钻孔机的动力传动机构3包括液压马达14、行星减速器15、主传动齿轮16、执行齿轮17、下齿轮箱座18、上齿轮箱座19、主传动轴20、执行主轴21、深沟球轴承22、圆锥滚子轴承23。

所述冻土钻孔机的执行机构4包括钻头24、螺钉27、钻杆26。

所述冻土钻孔机的采用以下工作原理。

通过动力源1的柴油机带动高压齿轮泵11为液压系统2提供所需压力和流量的液压油，驱动液压马达14工作。液压马达14连接行星减速器15，并经齿轮组传动后驱动四根钻杆26和钻头24转动，进而完成对冻土的快速钻孔作业。

所述冻土钻孔机的液压系统2采用以下技术方案。

高压齿轮泵11用于实现机械-液压的能量转换。通过动力源1的柴油机的驱动，带动高压齿轮泵11旋转，高压齿轮泵11将柴油机的旋转机械能转化为液体的压力能，为液压系统2提供所需压力和流量的液压油，从而为钻杆26和钻头24工作提供足够的动力。

液压马达14用于实现液压-机械的能量转换。液压系统2的执行元件是液压马达14，将液体的压力能转化为旋转机械能，该旋转机械能经过一系列传动之后，最终输出形式为钻杆26和钻头24的旋转。

为了实现钻孔时钻杆26旋转方向的自由调整，液压系统2中采用手动换向阀13实现液压马达14旋转方向的调节，操作设备时，可以通过手动换向阀13上的旋钮实现液压马达14正转、液压马达14反转及液压马达14停止动作之间的快速切换。

液压系统2采用溢流阀12来设定马达的工作压力以及限制系统的最高工作压力，并且当液压马达14堵转时，溢流阀12可以自动开启并溢流，从而对液压系统2起到很好的安全保护作用。

液压马达14的输出轴直联行星减速器15的输入接口，在液压马达14的驱动下，行星减速器15的输出轴可输出正、反向旋转运动。

所述冻土钻孔机的动力传动机构3采用以下技术方案。

行星减速器15的输出轴连接主传动轴20、主传动齿轮16，在液压马达14的驱动下，行星减速器15带动主传动齿轮16作正、反向旋转。

与主传动齿轮16啮合传动的是4个执行齿轮17，4个执行齿轮17分别连接四根执行主轴21，在主传动齿轮16的驱动下，4个执行齿轮17带动四根执行主轴21作正、反向旋转运动。

执行主轴21与钻杆26刚性连接，钻杆26与钻头24直联，钻杆26和钻头24在执行主轴21的带动下，作正、反向旋转运动，从而完成冻土钻孔作业。

行星减速器15的输出轴与主传动轴20、主传动轴20与主传动齿轮16、执行主轴21与执行齿轮17三者之间均通过键连接进行动力传递。

主传动轴20、执行主轴21均通过两个反向安装的圆锥滚子轴承23支承旋转，两个圆锥滚子轴承23各限制轴在一个方向的轴向移动，并承受钻杆26与钻头24在作业过程中受到的双向轴向载荷。

所述冻土钻孔机的执行机构4采用以下技术方案。

钻杆26和执行主轴21、钻杆26和钻头24之间均通过螺钉25连接，可实现快速拆装和更换。

所述冻土钻孔机的导向及限位机构5采用以下技术方案。

在导向及限位机构5中，滑块28与下齿轮箱座18刚性连接，滑块28在导轨27上来回滑动，动力传动机构3和执行机构4也跟随滑块28在导轨27上作直线运动。导向及限位机构5主要在钻孔机钻孔时起到导向作用。此外，通过对滑块28位置的限制，可起到对动力传动机构3和执行机构4的限位作用。

冻土钻孔机有三个状态位，分别是运输状态位、钻孔初始位和钻孔终止位。当冻土钻孔机随操作人员携行时，钻孔机处于运输位；当需要开展钻孔作业时，动力传动机构3、执行机构4、导向及限位机构5等一起绕移动框架小车6的旋转轴旋转90°，冻土钻孔机状态切换为钻孔位。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (10)

1.一种基于液压系统的冻土钻孔机，其特征在于，包括：

液压系统；所述液压系统包括液压马达，以及为所述液压马达提供动力的动力源；

动力传动机构，与所述液压系统中的液压马达机械连接；所述动力传动机构包括与所述液压马达的输出轴连接的行星减速器，连接在所述行星减速器的输出轴上的主传动轴，连接在所述主传动轴上的主传动齿轮，以及与所述主传动齿轮啮合的多个执行齿轮；

执行机构，包括与所述执行齿轮机械连接的钻杆，以及安装在所述钻杆末端的钻头；

其中，所述液压系统、动力传动机构、执行机构都架设在移动框架小车上。

2.根据权利要求1所述的冻土钻孔机，其特征在于，所述液压系统还包括：液压油箱；与所述液压油箱连通的吸油滤芯；与所述吸油滤芯连通的高压齿轮泵；与所述高压齿轮泵连通的手动换向阀；与所述手动换向阀连通的液压马达；与所述高压齿轮泵的动力输入端连接的柴油机；以及与所述高压齿轮泵的动力输出端连通的溢流阀。

3.根据权利要求1所述的冻土钻孔机，其特征在于，所述液压马达的输出轴直联所述行星减速器的输入接口，在所述液压马达的驱动下，所述行星减速器的输出轴输出正、反向旋转运动。

4.根据权利要求2所述的冻土钻孔机，其特征在于，所述手动换向阀包括A、B、P、T四个油口，P油口与所述高压齿轮泵的出油端连通，T油口与所述液压油箱连通，A油口和B油口与所述液压马达的两个油口连通。

5.根据权利要求4所述的冻土钻孔机，其特征在于，当所述手动换向阀处于a工位时，P油口与B油口连通，T油口与A油口连通，所述高压齿轮泵将油液输送进所述液压马达使液压马达的动力输出端正向旋转；

当所述手动换向阀处于b工位时，P油口与A油口连通，T油口与B油口连通，所述高压齿轮泵将油液输送进液压马达使液压马达的动力输出端反向旋转；

当所述手动换向阀处于中间工位时，P油口、A油口、B油口、T油口之间均互相连通，且P油口、A油口、B油口均通过T油口与所述液压油箱连通，所述高压齿轮泵输出的油液直接回到液压油箱，液压马达的动力输出端无动作；

当所述高压齿轮泵与所述手动换向阀之间压力超过设定的工作压力阈值时，溢流阀自动开启，所述高压齿轮泵输出的多余流量的油液经溢流阀溢流后回到液压油箱。

6.根据权利要求1所述的冻土钻孔机，其特征在于，每个所述执行齿轮分别连接一个执行主轴，在所述主传动齿轮的驱动下，执行齿轮带动执行主轴作正、反向旋转运动；

所述执行主轴与钻杆刚性连接，所述钻杆与钻头直联，所述钻杆和钻头在执行主轴的带动下，作正、反向旋转运动，从而完成冻土钻孔作业。

7.根据权利要求6所述的冻土钻孔机，其特征在于，所述行星减速器的输出轴与主传动轴之间、主传动轴与主传动齿轮之间、执行主轴与执行齿轮之间均通过键连接进行动力传递；

所述主传动轴、执行主轴均通过两个反向安装的圆锥滚子轴承支承旋转；两个圆锥滚子轴承各限制轴在一个方向的轴向移动，并承受钻杆与钻头在作业过程中受到的双向轴向载荷；

所述动力传动机构还包括齿轮箱；所述主传动齿轮、执行齿轮、主传动轴、执行主轴设置在所述齿轮箱内。

8.根据权利要求7所述的基于液压系统的冻土钻孔机，其特征在于，还包括导向及限位机构；所述导向及限位机构包括滑块、导轨；所述滑块与所述齿轮箱刚性连接，所述滑块在所述导轨上滑动，所述动力传动机构和执行机构也跟随滑块在导轨上作直线运动。

9.一种冻土钻孔机的驱动方法，其特征在于，所述冻土钻孔机有运输状态位、钻孔初始位和钻孔终止位三个状态位；

当冻土钻孔机随操作人员携行时，钻孔机处于所述运输状态位；

当需要开展钻孔作业时，动力传动机构、执行机构、导向及限位机构一起绕移动框架小车的旋转轴旋转90°，冻土钻孔机状态切换为所述钻孔初始位；

钻孔作业开始后，所述执行机构以预定压力下压对冻土执行钻孔作业，当所述执行机构的行程走完，即进入所述钻孔终止位。

10.根据权利要求9所述的冻土钻孔机的驱动方法，其特征在于，钻孔作业包括如下步骤：

通过动力源带动高压齿轮泵为液压系统提供所需压力和流量的液压油，驱动液压马达工作；

为了实现钻孔时钻杆旋转方向的自由调整，液压系统中采用手动换向阀实现液压马达旋转方向的调节，操作设备时，通过手动换向阀上的旋钮实现液压马达正转、液压马达反转及液压马达停止动作之间的快速切换；

液压马达连接行星减速器，并经齿轮组传动后驱动四根钻杆和钻头转动，进而完成对冻土的快速钻孔作业；

行星减速器的输出轴连接主传动轴、主传动齿轮，在液压马达的驱动下，行星减速器带动主传动齿轮作正、反向旋转；

与主传动齿轮啮合传动的执行齿轮分别连接执行主轴，在主传动齿轮的驱动下，执行齿轮带动执行主轴作正、反向旋转运动；

执行主轴与钻杆刚性连接，钻杆与钻头直联，钻杆和钻头在执行主轴的带动下，作正、反向旋转运动，从而完成冻土钻孔作业；

主传动轴、执行主轴均通过两个反向安装的圆锥滚子轴承支承旋转，两个圆锥滚子轴承各限制轴在一个方向的轴向移动，并承受钻杆与钻头在作业过程中受到的双向轴向载荷；

在导向及限位机构中，滑块与下齿轮箱座刚性连接，滑块在导轨上来回滑动，动力传动机构和执行机构也跟随滑块在导轨上作直线运动；导向及限位机构在钻孔机钻孔时起到导向作用；通过对滑块位置的限制，起到对动力传动机构和执行机构的限位作用。

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