CN120626102B - 一种岩土工程勘察岩石样本采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程设备领域，公开了一种岩土工程勘察岩石样本采集装置，包括两个底座，底座的顶端分别固定安装在支撑板的底端两侧，支撑板的顶端两侧均固定安装有立杆，横架的底端中部活动安装有螺纹杆且螺纹杆的底端活动安装在支撑板的顶端中部，螺纹杆的外径螺纹连接在箱体的后端中部，箱体的内底部活动安装有外筒，箱体的内中部活动安装有中筒且中筒的底端贯穿外筒的内部并延伸至其下方，中筒的内部通过定位轴承安装有内筒。本发明防断裂、缓冲夹持设计保障岩心完整，利用高效冷却排屑系统减少污染，结合过载保护与稳固结构，实现设备可靠运行，显著提升采样效率与样本质量。

Description

一种岩土工程勘察岩石样本采集装置

技术领域

本发明涉及岩土工程设备领域，具体为一种岩土工程勘察岩石样本采集装置。

背景技术

岩土工程领域，岩石样本的采集是开展地质分析、工程设计的关键环节。随着基础设施建设的不断推进，如桥梁、隧道、高层建筑等大型工程的增多，对岩土工程勘察的准确性和高效性提出了更高要求。岩石样本采集装置作为获取原始数据的核心设备，其性能优劣直接影响样本质量与工程安全评估的可靠性。

目前，传统的岩石样本采集装置普遍存在以下技术瓶颈。其一，岩心采集过程中岩心完整性难以保障。多数装置采用刚性夹持方式提取岩心，在钻取和取出过程中，易因旋转剪切力或夹持力度过大导致岩心断裂、崩解，尤其在处理硬度差异较大或层理发育的岩石时，样本受损严重，无法真实反映岩石力学特性，影响后续地质参数的准确测定。其二，冷却与排屑系统效率低下。现有装置多依赖外部高压水冲洗进行冷却和排屑，水流量难以精准控制，常导致泥浆量过大，不仅污染岩心样本，还可能堵塞钻孔，影响钻探进度；部分装置缺乏有效的排屑机制，碎屑堆积易造成钻头磨损加剧，降低设备使用寿命，增加施工成本。其三，设备安全性与适应性不足。面对高硬度岩石时，传统装置动力系统易因过载损坏，缺乏可靠的保护措施；同时，装置结构设计单一，难以适应复杂多变的地质环境，在狭窄空间或地形起伏较大区域操作不便，限制了其应用范围。

此外，现有采集装置功能集成度较低，冷却、排屑、岩心采集等环节相对独立，无法实现协同作业，导致操作流程繁琐，人工干预频繁，降低了勘察效率。因此，研发一种能够有效保障岩心完整性、提升冷却排屑效率、具备过载保护功能且适应多种工况的岩石样本采集装置，成为岩土工程勘察领域亟待解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种岩土工程勘察岩石样本采集装置，解决了传统岩石样本采集装置岩心易断裂、冷却排屑差、设备易过载损坏及适应性不足等问题，通过创新结构设计，实现岩心完整采集、高效冷却排屑与设备保护，提升岩土工程勘察效率与可靠性。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种岩土工程勘察岩石样本采集装置，包括两个底座，所述底座的顶端分别固定安装在支撑板的底端两侧，所述支撑板的顶端两侧均固定安装有立杆，所述立杆的顶端分别固定安装在横架的底端两侧，所述横架的底端中部活动安装有螺纹杆且螺纹杆的底端活动安装在支撑板的顶端中部，所述螺纹杆的外径螺纹连接在箱体的后端中部，所述箱体的内底部活动安装有外筒，所述箱体的内中部活动安装有中筒且中筒的底端贯穿外筒的内部并延伸至其下方，所述中筒的内部通过定位轴承安装有内筒，所述外筒的底端固定安装有取芯钻头，所述中筒的外径上均匀固定安装有若干个磁环，所述外筒的外径上与每个磁环相对应的位置处均活动安装有铝环，所述铝环的外径上均固定安装有螺旋导板。

优选的，所述箱体的两端均固定安装有连接臂且连接臂的末端分别活动安装在对应侧所述立杆的外径上，所述横架的后端两侧均固定安装有斜撑杆且斜撑杆的底端分别固定安装在对应侧所述底座的顶端后侧。

优选的，所述底座的后端分别固定安装在扶手的两侧，所述底座的底端两侧均固定安装有万向轮，所述螺纹杆的顶端延伸至横架的上方并固定安装有手轮。

优选的，所述内筒的内底部开设有内凹槽，所述内凹槽的内部活动设置有岩心爪，所述岩心爪的内侧端固定安装有聚氨酯缓冲环。

优选的，所述箱体的顶端一侧固定安装有三相异步电动机，所述三相异步电动机的驱动端延伸至箱体的内部并固定安装有传动轴，所述传动轴的上侧外径上固定安装有主动锥齿轮，所述中筒的上侧外径上设置有从动锥齿轮，所述中筒的外径靠近从动锥齿轮的上方位置处固定安装有压紧弹簧且压紧弹簧的底端抵触在从动锥齿轮的顶端。

优选的，所述中筒的外径靠近从动锥齿轮的下方位置处固定安装有卡板，所述卡板的顶端外侧开设有若干个圆头槽，所述从动锥齿轮的底端均匀固定安装有若干个圆头卡销且圆头卡销的末端均延伸至对应侧所述圆头槽的内部。

优选的，所述传动轴的下侧外径上固定安装有缸体，所述缸体的外径上开设有倾斜设置的滚珠槽且滚珠槽内活动安装有斜轴承座，所述斜轴承座的一端固定安装有摆杆且摆杆的末端活动安装在外筒的一侧。

优选的，所述内筒的内顶部开设有腔室，所述腔室的顶端固定安装有冷却水导入管且冷却水导入管的末端延伸至箱体的外部，所述腔室的内壁侧两端均开设有渗水孔，所述中筒与内筒之间设置有水槽，所述取芯钻头的内部两侧均开设有流出通道，所述流出通道的顶端与水槽的内部相连通且流出通道的底端与外界相连通。

本发明提供了一种岩土工程勘察岩石样本采集装置。具备以下有益效果：

1、本发明通过外筒、中筒和内筒的三层套筒设计，内筒通过定位轴承与中筒连接，中筒旋转时内筒保持静止，避免岩心因旋转剪切力断裂，有效保护岩心完整性，内凹槽内的岩心爪内侧设置聚氨酯缓冲环，采样完成后岩心爪自动收紧时，通过缓冲环的弹性挤压而非刚性夹持岩心，防止末端岩心崩解，提升岩心完整率。

2、本发明通过冷却水导入管将冷却水引入腔室，经渗水孔流入水槽，再通过取芯钻头内部的流出通道输送至钻头下方，实现对钻头的实时冷却，减少钻探过程中的高温磨损，延长钻头使用寿命，该冷却系统可精确控制水流量，减少泥浆产生，避免泥浆污染取样岩心，保证岩心样本的清洁度和检测准确性。

3、本发明通过中筒旋转时带动磁环转动，根据电磁感应原理，铝环受安培力作用跟随旋转，其外径的螺旋导板将钻芯废屑向上输送，传动轴带动缸体旋转时，因滚珠槽倾斜设置，斜轴承座通过摆杆带动外筒上下摆动，进一步将废屑向上推送。双重排屑机制确保取样过程中废屑实时顺畅排出，防止碎屑堆积影响钻探效率。

4、本发明当钻取岩心硬度较高导致中筒停止旋转时，从动锥齿轮会压缩压紧弹簧，使圆头卡销与圆头槽频繁脱扣卡合，切断动力传输，避免三相异步电动机和取芯钻头因过载损坏，提高设备可靠性，通过外筒、中筒、内筒及取芯钻头的分层设计，结合磁环、铝环、螺旋导板、传动轴、缸体等组件的协同工作，实现了钻探、冷却、排屑、岩心保护等功能的一体化集成，提升装置实用性。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明中箱体的内部结构示意图；

图3为本发明中取芯钻头的内部结构示意图；

图4为图2中A处放大图；

图5为图2中B处放大图；

图6为本发明中腔室的内部结构示意图。

其中，1、底座；2、支撑板；3、立杆；4、横架；5、螺纹杆；6、箱体；7、连接臂；8、斜撑杆；9、扶手；10、万向轮；11、手轮；12、外筒；13、中筒；14、内筒；15、取芯钻头；16、内凹槽；17、岩心爪；18、聚氨酯缓冲环；19、磁环；20、铝环；21、螺旋导板；22、三相异步电动机；23、传动轴；24、主动锥齿轮；25、压紧弹簧；26、从动锥齿轮；27、卡板；28、圆头槽；29、圆头卡销；30、缸体；31、斜轴承座；32、摆杆；33、腔室；34、冷却水导入管；35、渗水孔；36、水槽；37、流出通道。

具体实施方式

下面将结合本发明的说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

请参阅附图1-附图6，本发明提供一种岩土工程勘察岩石样本采集装置，如图1所示，包括两个底座1，底座1的顶端分别固定安装在支撑板2的底端两侧，底座1呈矩形板状，通过螺栓与支撑板2底面两侧固定，形成装置底部支撑结构。支撑板2的顶端两侧均固定安装有立杆3，支撑板2为水平设置的钢板，立杆3垂直焊接于其顶端两侧，形成竖直支撑柱。立杆3的顶端分别固定安装在横架4的底端两侧，立杆3顶端与横架4通过法兰盘连接，横架4横跨于两立杆3顶部，构成门型框架。横架4的底端中部活动安装有螺纹杆5且螺纹杆5的底端活动安装在支撑板2的顶端中部，螺纹杆5贯穿横架4中部的轴承座，底端通过转动座与支撑板2连接，可绕自身轴线旋转，螺纹杆5的外径螺纹连接在箱体6的后端中部，箱体6后端开设螺纹孔，与螺纹杆5配合，当螺纹杆5旋转时可带动箱体6升降，箱体6的内底部活动安装有外筒12，外筒12通过轴承安装于箱体6内底部，可绕竖直轴线转动。箱体6的内中部活动安装有中筒13且中筒13的底端贯穿外筒12的内部并延伸至其下方，中筒13位于外筒12内侧，底端伸出外筒12底部，形成嵌套式转动结构，中筒13的内部通过定位轴承安装有内筒14，内筒14通过定位轴承与中筒13内壁连接，可保持静止状态，外筒12的底端固定安装有取芯钻头15，取芯钻头15为圆筒状钻探部件，通过螺栓固定于外筒12底端，用于钻取岩心，中筒13的外径上均匀固定安装有若干个磁环19，磁环19等距分布于中筒13外周，随中筒13同步旋转，外筒12的外径上与每个磁环19相对应的位置处均活动安装有铝环20，铝环20套设于外筒12外侧，与磁环19位置对应，可自由转动，铝环20的外径上均固定安装有螺旋导板21，螺旋导板21呈螺旋状固定于铝环20外周，用于输送钻探废屑。

本实施例中，箱体6的两端均固定安装有连接臂7且连接臂7的末端分别活动安装在对应侧立杆3的外径上，连接臂7为L型结构，一端焊接于箱体6两侧，另一端通过轴套与立杆3滑动连接，限制箱体6升降时的径向位移，横架4的后端两侧均固定安装有斜撑杆8且斜撑杆8的底端分别固定安装在对应侧底座1的顶端后侧，斜撑杆8倾斜设置，两端分别与横架4和底座1焊接，增强框架结构的稳定性。

底座1的后端分别固定安装在扶手9的两侧，扶手9为U型钢管，两端焊接于底座1后端，便于工作人员推动装置移动，底座1的底端两侧均固定安装有万向轮10，万向轮10通过螺栓固定于底座1底端，可360°旋转，实现装置灵活移动，螺纹杆5的顶端延伸至横架4的上方并固定安装有手轮11，手轮11固定于螺纹杆5顶端，工作人员旋转手轮11可驱动螺纹杆5转动。

内筒14的内底部开设有内凹槽16，内凹槽16位于内筒14底部中心，用于容纳岩心爪17，内凹槽16的内部活动设置有岩心爪17，岩心爪17由多个弧形钢片组成，铰接于内凹槽16内壁，可向内收拢夹持岩心，岩心爪17的内侧端固定安装有聚氨酯缓冲环18，聚氨酯缓冲环18粘贴于岩心爪17内侧，通过弹性挤压避免岩心受到刚性损伤。

箱体6的顶端一侧固定安装有三相异步电动机22，三相异步电动机22通过支架固定于箱体6顶端，为装置提供动力，三相异步电动机22的驱动端延伸至箱体6的内部并固定安装有传动轴23，传动轴23与电动机输出轴连接，贯穿箱体6顶部，传递旋转动力，传动轴23的上侧外径上固定安装有主动锥齿轮24，主动锥齿轮24固定于传动轴23上部，与从动锥齿轮26啮合传动，中筒13的上侧外径上设置有从动锥齿轮26，从动锥齿轮26套设于中筒13上部，与主动锥齿轮24啮合，带动中筒13旋转，中筒13的外径靠近从动锥齿轮26的上方位置处固定安装有压紧弹簧25且压紧弹簧25的底端抵触在从动锥齿轮26的顶端，压紧弹簧25一端固定于中筒13，另一端抵压从动锥齿轮26，确保锥齿轮啮合紧密。

中筒13的外径靠近从动锥齿轮26的下方位置处固定安装有卡板27，卡板27为环形板，固定于中筒13外周，位于从动锥齿轮26下方，卡板27的顶端外侧开设有若干个圆头槽28，圆头槽28均匀分布于卡板27顶端，用于与圆头卡销29配合，从动锥齿轮26的底端均匀固定安装有若干个圆头卡销29且圆头卡销29的末端均延伸至对应侧圆头槽28的内部，圆头卡销29固定于从动锥齿轮26底端，插入圆头槽28中，形成卡合结构传递扭矩；

当钻取的岩心硬度较高时，中筒13会停止旋转，此时三相异步电动机22驱动传动轴23和主动锥齿轮24还在旋转，此时旋转的从动锥齿轮26就会压缩压紧弹簧25，使得圆头槽28和圆头卡销29之间会不停的脱扣卡合，而此时从动锥齿轮26便不再向中筒13施加旋转的力，可以起到保护三相异步电动机22和取芯钻头15的作用。

传动轴23的下侧外径上固定安装有缸体30，缸体30固定于传动轴23下部，随传动轴23同步旋转，缸体30的外径上开设有倾斜设置的滚珠槽且滚珠槽内活动安装有斜轴承座31，滚珠槽倾斜开设于缸体30外周，斜轴承座31通过滚珠与滚珠槽接触，可沿槽滑动，斜轴承座31的一端固定安装有摆杆32且摆杆32的末端活动安装在外筒12的一侧，摆杆32两端分别与斜轴承座31和外筒12铰接，将斜轴承座31的滑动转化为外筒12的上下摆动。

具体地，旋转的中筒13会带动外径上所有的磁环19旋转，当磁环19旋转时，会导致铝环20磁通量发生变化，根据电磁感应原理，此时铝环20会受到安培力的作用，跟随磁场运动方向进行磁环19跟随旋转，铝环20旋转时会带动外径上的螺旋导板21旋转，从而将钻芯过程中产生的废屑向上输送，而传动轴23旋转时还会带动缸体30旋转，由于缸体30外径上的滚珠槽与缸体30的中轴线存在一定夹角，当缸体30旋转时，会带动滚珠槽外的斜轴承座31进行轴线摆动，再通过摆杆32的作用，带动外筒12上下摆动，将废屑再次向上输送，从而实现取样过程中的实时顺畅排屑工作。

进一步地，内筒14的内顶部开设有腔室33，腔室33位于内筒14顶部，用于储存冷却水，腔室33的顶端固定安装有冷却水导入管34且冷却水导入管34的末端延伸至箱体6的外部，冷却水导入管34连接外部水源，将冷却水引入腔室33，腔室33的内壁侧两端均开设有渗水孔35，渗水孔35位于腔室33侧壁，使冷却水流入水槽36，中筒13与内筒14之间设置有水槽36，水槽36为环形空间，位于中筒13与内筒14之间，储存冷却水，取芯钻头15的内部两侧均开设有流出通道37，流出通道37的顶端与水槽36的内部相连通且流出通道37的底端与外界相连通，流出通道37贯穿取芯钻头15，将水槽36中的冷却水导向钻头底部，实现冷却功能。

工作原理：首先通过扶手9和万向轮10将装置移动至采样区，随后启动三相异步电动机22，通过三相异步电动机22驱动传动轴23旋转，带动主动锥齿轮24旋转，旋转的主动锥齿轮24带动从动锥齿轮26和中筒13旋转，从而带动中筒13底端的取芯钻头15旋转，随后工作人员旋转手轮11，通过手轮11带动螺纹杆5旋转，利用连接臂7和立杆3的限位作用，带动箱体6下降，从而带动旋转的取芯钻头15下降，开始钻芯采样工作，钻取的岩心会将岩心爪17顶入内凹槽16内并进入到内筒14的内部，内筒14通过定位轴承与中筒13连接，所以不会随着中筒13的旋转而跟随旋转，可以避免产生旋转剪切力导致岩心断裂，此时通过冷却水导入管34导入冷却水，冷却水进入到腔室33内，再通过渗水孔35流入到水槽36内，并最终通过流出通道37流动至取芯钻头15下方，实现对取芯钻头15的实时冷却，同时更容易控制水流量减少泥浆的产生，从而避免泥浆污染取样岩心，在钻取岩心的过程中，旋转的中筒13会带动外径上所有的磁环19旋转，当磁环19旋转时，会导致铝环20磁通量发生变化，根据电磁感应原理，此时铝环20会受到安培力的作用，跟随磁场运动方向进行磁环19跟随旋转，铝环20旋转时会带动外径上的螺旋导板21旋转，从而将钻芯过程中产生的废屑向上输送，而传动轴23旋转时还会带动缸体30旋转，由于缸体30外径上的滚珠槽与缸体30的中轴线存在一定夹角，当缸体30旋转时，会带动滚珠槽外的斜轴承座31进行轴线摆动，再通过摆杆32的作用，带动外筒12上下摆动，将废屑再次向上输送，从而实现取样过程中的实时顺畅排屑工作，完成岩心采样工作后，工作人员反向旋转手轮11，带动箱体6和中筒13上升，此时岩心爪17从内凹槽16内滑出并自动收紧，带动聚氨酯缓冲环18内收卡紧岩心，通过聚氨酯缓冲环18的弹性挤压而非刚性夹持岩芯，避免造成末端岩芯崩解，提高岩心完整率，当钻取的岩心硬度较高时，中筒13会停止旋转，此时三相异步电动机22驱动传动轴23和主动锥齿轮24还在旋转，此时旋转的从动锥齿轮26就会压缩压紧弹簧25，使得圆头槽28和圆头卡销29之间会不停的脱扣卡合，而此时从动锥齿轮26便不再向中筒13施加旋转的力，可以起到保护三相异步电动机22和取芯钻头15的作用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种岩土工程勘察岩石样本采集装置，包括两个底座（1），其特征在于，所述底座（1）的顶端分别固定安装在支撑板（2）的底端两侧，所述支撑板（2）的顶端两侧均固定安装有立杆（3），所述立杆（3）的顶端分别固定安装在横架（4）的底端两侧，所述横架（4）的底端中部活动安装有螺纹杆（5）且螺纹杆（5）的底端活动安装在支撑板（2）的顶端中部，所述螺纹杆（5）的外径螺纹连接在箱体（6）的后端中部，所述箱体（6）的内底部活动安装有外筒（12），所述箱体（6）的内中部活动安装有中筒（13）且中筒（13）的底端贯穿外筒（12）的内部并延伸至其下方，所述中筒（13）的内部通过定位轴承安装有内筒（14），所述外筒（12）的底端固定安装有取芯钻头（15），所述中筒（13）的外径上均匀固定安装有若干个磁环（19），所述外筒（12）的外径上与每个磁环（19）相对应的位置处均活动安装有铝环（20），所述铝环（20）的外径上均固定安装有螺旋导板（21）。

2.根据权利要求1所述的一种岩土工程勘察岩石样本采集装置，其特征在于，所述箱体（6）的两端均固定安装有连接臂（7）且连接臂（7）的末端分别活动安装在对应侧所述立杆（3）的外径上，所述横架（4）的后端两侧均固定安装有斜撑杆（8）且斜撑杆（8）的底端分别固定安装在对应侧所述底座（1）的顶端后侧。

3.根据权利要求1所述的一种岩土工程勘察岩石样本采集装置，其特征在于，所述底座（1）的后端分别固定安装在扶手（9）的两侧，所述底座（1）的底端两侧均固定安装有万向轮（10），所述螺纹杆（5）的顶端延伸至横架（4）的上方并固定安装有手轮（11）。

4.根据权利要求1所述的一种岩土工程勘察岩石样本采集装置，其特征在于，所述内筒（14）的内底部开设有内凹槽（16），所述内凹槽（16）的内部活动设置有岩心爪（17），所述岩心爪（17）的内侧端固定安装有聚氨酯缓冲环（18）。

5.根据权利要求1所述的一种岩土工程勘察岩石样本采集装置，其特征在于，所述箱体（6）的顶端一侧固定安装有三相异步电动机（22），所述三相异步电动机（22）的驱动端延伸至箱体（6）的内部并固定安装有传动轴（23），所述传动轴（23）的上侧外径上固定安装有主动锥齿轮（24），所述中筒（13）的上侧外径上设置有从动锥齿轮（26），所述中筒（13）的外径靠近从动锥齿轮（26）的上方位置处固定安装有压紧弹簧（25）且压紧弹簧（25）的底端抵触在从动锥齿轮（26）的顶端。

6.根据权利要求5所述的一种岩土工程勘察岩石样本采集装置，其特征在于，所述中筒（13）的外径靠近从动锥齿轮（26）的下方位置处固定安装有卡板（27），所述卡板（27）的顶端外侧开设有若干个圆头槽（28），所述从动锥齿轮（26）的底端均匀固定安装有若干个圆头卡销（29）且圆头卡销（29）的末端均延伸至对应侧所述圆头槽（28）的内部。

7.根据权利要求5所述的一种岩土工程勘察岩石样本采集装置，其特征在于，所述传动轴（23）的下侧外径上固定安装有缸体（30），所述缸体（30）的外径上开设有倾斜设置的滚珠槽且滚珠槽内活动安装有斜轴承座（31），所述斜轴承座（31）的一端固定安装有摆杆（32）且摆杆（32）的末端活动安装在外筒（12）的一侧。

8.根据权利要求1所述的一种岩土工程勘察岩石样本采集装置，其特征在于，所述内筒（14）的内顶部开设有腔室（33），所述腔室（33）的顶端固定安装有冷却水导入管（34）且冷却水导入管（34）的末端延伸至箱体（6）的外部，所述腔室（33）的内壁侧两端均开设有渗水孔（35），所述中筒（13）与内筒（14）之间设置有水槽（36），所述取芯钻头（15）的内部两侧均开设有流出通道（37），所述流出通道（37）的顶端与水槽（36）的内部相连通且流出通道（37）的底端与外界相连通。