CN202510025U

CN202510025U - 非开挖钻孔设备

Info

Publication number: CN202510025U
Application number: CN2012200870082U
Authority: CN
Inventors: 刘海兰; 李小平; 芮延年
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2022-03-09

Abstract

本实用新型涉及一种非开挖钻孔设备，具有钻孔机器人、泥屑输送系统和位置检测装置；泥屑输送系统和位置检测装置均与钻孔机器人固定连接；钻孔机器人包括钻头、螺旋推料器、减速机、主推进气缸和爬行气缸；泥屑输送系统包括依次相通的接料斗、泥斗、输泥管、气力压送罐、控制柜和气刀；位置检测装置包括上下位置检测装置和左右位置检测装置。本实用新型的钻孔机器人由减速机驱动钻头旋转，由主推进气缸推动其步进，由位置检测装置对钻孔直线度和位置度检测，通过对各爬行气缸压力的控制，实现对机器人钻孔直线度和位置度的控制，钻下的泥屑通过钻孔机器人的螺旋推料器输送到接引料斗中，然后通过振动栓流气力输送系统将泥屑输送到地面上。

Description

非开挖钻孔设备

技术领域

本实用新型涉及市政道路建设用设施，特别涉及一种非开挖钻孔设备。

背景技术

非开挖技术是指在地面不开挖沟槽的情况下铺设、修复和更换地下管道和电缆的施工技术。由于它具有施工速度快、对地面干扰小、综合成本低、安全性好等优点，近年来已越来越多地被应用于市政道路的建设施工中。虽然近年来国内外的非开挖管线施工技术与设备发展的比较快，功能自动化程度也越来越高。但是大多数非开挖管线施工设备占地面积都较大、设备价格昂贵且采用高压水泥浆系统来实现排泥，这样做不仅浪费水资源和能源，而且大量冲洗后的泥浆水很难进行泥水分离，未经泥水分离的泥浆水对环境也造成比较严重的污染。因此，研究开发适合我国城市的市政道路非开挖管线施工要求的、可在人行道和花坛上开挖工作坑的、环境污染小的非开挖市政道路施工钻孔技术与设备是时代发展的需求，而由此产生的泥屑的输送问题如何解决，更是显重要。

气力输送技术是利用气流在管道中输送松散状物料的一种方法，也就是利用具有一定压力和一定速度的气流，来输送松散状物料的一种输送装置。近些年来，气力输送技术发展得很快，由于它具有管道布置灵活、效率高费用低、系统密封环境好、维修方便等优点而被广泛应用于粮食、水泥、粉煤灰、化工物料、矿粉、食盐、面粉、型砂等物料的输送。气力输送虽然比机械输送有前述许多优点，但它也存在着一些问题，如所需功率较大；不适用于粒度大、密度大、粘性大而难于悬浮飞翔的物料以及含水量较高的物料的输送等。因此若想将气力输送技术用于非开挖市政道路施工中的泥屑的输送，需要钻下的泥屑越薄越碎越好，最好呈松散的泥屑状。由于泥土的钻削与金属的钻削有很大差别，虽然泥土较金属容易钻的多，但是其粘性较大，碎泥屑较难形成，因此，迫切需要设计出一种不破坏原有的路面和建筑物、施工占地面积小、且施工效率高的钻孔机器人；而这种钻孔机器人在进行钻孔时需要实时监控并调整钻头的方向，以确保钻孔方位的正确性，这就需要设计出方位测量装置，在钻头偏离正确方向时能及时发现。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种不破坏原有的路面和建筑物、施工占地面积小、且施工效率高的非开挖钻孔设备。

实现本实用新型目的的技术方案是：一种非开挖钻孔设备，具有钻孔机器人、泥屑输送系统和位置检测装置；所述泥屑输送系统和位置检测装置均与钻孔机器人固定连接；所述钻孔机器人包括钻头、螺旋推料器、减速机、主推进气缸和爬行气缸；所述钻头与减速机的输出轴连接；所述减速机和主推进气缸设置在螺旋推料器的内腔中，减速机的尾部连接主推进气缸；所述爬行气缸有2对，其中一对对称设置在螺旋推料器的头部，另一对对称设置在螺旋推料器的尾部；所述泥屑输送系统包括依次相通的接料斗、泥斗、输泥管、气力压送罐、控制柜和气刀；所述接料斗与螺旋推料器连通；所述气力压送罐的出口分为两路，分别通过管路连通接料斗和泥斗的进口；所述气刀设置于输泥管上方，由控制柜控制上下运动；所述接料斗、泥斗和输泥管悬空设置；所述位置检测装置包括上下水平位置检测装置和左右位置检测装置。

上述技术方案所述泥屑输送系统还包括旁吹管；所述旁吹管设置在控制柜与泥斗之间，并与泥斗相通。

上述技术方案所述泥屑输送系统还包括多个增压器、一个拉法尔管和两个振动器；所述多个增压器沿输泥管设置，每个增压器均由控制柜控制，且分别与输泥管相通；所述拉法尔管设置于气力压送罐与泥斗连通的管路上；所述两个振动器分别与泥斗和输泥管相通。

上述技术方案所述泥屑输送系统还包括六个阀；所述六个阀分别设置在接料斗的出口、泥斗的出口、气力压送罐的出口、气力压送罐与接料斗连通的管路上、气力压送罐与泥斗连通的管路上以及旁吹管上。

上述技术方案所述左右位置检测装置包括指南针、定位指针和微动开关；所述定位指针与指南针的指针同轴设置，并可在指南针的表盘上转动；所述微动开关设置于定位指针上。

上述技术方案所述左右位置检测装置还包括挡块、支撑钉和滑槽；所述挡块设置于定位指针上，微动开关安装在挡块上；所述滑槽有两条，平行设置在指南针的表盘上；所述支撑钉有两个，分别设置在挡块的底面的两端，一端与挡块固定，一端在对应的一条滑槽内滑动定位。

上述技术方案所述钻头为群钻结构，钻头包括主刃、后刀面、断屑槽和横刃；在与两条主刃相连的后刀面上非对称的开设有多个变螺距的螺旋形的断屑槽；所述横刃由两条相交的弧线构成，前述两条弧线在钻头的钻尖末端汇合为与钻尖轴线相重合的凸起的尖顶，横刃俯视为“S”形。

上述技术方案所述钻头上沉积有金刚石薄膜。

上述技术方案所述外刃顶角2φ=118°～120°；内刃顶角2φ_τ＝20°～30°；横刃斜角ψ＝65°～75°；内刃斜角τ＝25°～30°；内刃前角γ_τc＝-15°～-20°；外刃后角α_c＝8°～15°；圆弧刃后角α_Rc＝12°～15°；外刃长l＝0.2d；尖高h＝0.06d；圆弧半径R＝0.1d；横刃直线长b_ψ＝0.03d；横刃直线长b_ψ＝0.03d；断屑槽宽l₂＝5～10 mm；断屑槽间距l₁＝10～20mm；断屑槽深c＝1～1.5f；其中d为钻头直径，f为进给量。

上述技术方案所述钻头直径d有五个规格，分别为450mm、500mm、560mm、630mm、700mm。

本实用新型具有积极的效果：

（1）本实用新型的钻孔机器人由减速机驱动钻头旋转，由主推进气缸推动其步进，由位置检测装置对钻孔直线度和位置度检测，通过对各爬行气缸压力的控制，实现对机器人钻孔直线度和位置度的控制，钻下的泥屑通过钻孔机器人的螺旋推料器输送到接引料斗中，然后通过振动栓流气力输送系统将泥屑输送到地面上，不仅结构简单紧凑，而且性能可靠、造价低廉，设备的总体尺寸小，施工占地面积小，特别适用于市政道路钻孔施工。

（2）根据动力指数的计算公式，欲要降低动力指数，必须减小气流速度和增加负荷比。而负荷比的增加在一般气力输送中是受到限制的，唯有物料在管道内呈栓状流动，才能大大增加负荷比，而且还能适用于难以悬浮的、大而重的、含有水分而带粘性的物料的气力输送。本实用新型设置了气力压送罐，为接料斗、泥斗和输泥管提供气流动力，同时气刀将泥屑离散成由泥屑塞和气体塞组成的栓流，从而实现了对泥屑进行干法气力输送。这样不但大大降低了输送功率的消耗，提高了施工效率，而且也能较好地解决目前国内外水力输送泥屑存在的泥水难以分离的问题，从而使施工周围的环境卫生得以改善。

（3）本实用新型利用指南针的原理，对指南针进行简单而巧妙的改装，即可准确地检测出钻孔机器人钻孔的方位，当测量出钻孔机器人钻孔工作产生误差时，会反馈信号给钻孔机器人的控制系统来调整机器人钻孔的直线度误差，结构简单、性能可靠、造价低廉，有效地保证了非开挖钻孔机器人在开挖地下管线孔时的钻孔的直线度。

（4）本实用新型还设置了挡块，不仅方便了微动开关的安装，还能有效防止档块的重量对定位指针造成负担，固定在档块两头的支撑钉都是既可以和档块形成固定，也可以在设置在指南针表盘上的滑槽内自由滑动的，这也方便了定位指针的设定。

（5）本实用新型设置旁吹管，能使泥屑进一步松散，同时沿着输泥管设置的多个增压器作为沿线补气装置，能根据需要向输泥管通入高压空气，避免了泥屑堵塞，保证了输送效果。

（6）由于料栓运动阻力主要来自管壁的摩擦，振动时的壁摩擦因数总是小于不振动时的壁摩擦因数，如若将料壁界面处于振动状态，则能进一步改善栓流气力输送的效果，因此本实用新型还设置了与泥斗和输泥管相通的振动器，使得料壁间界面处于振动状态，进一步有利于料流通畅。

（7）本实用新型将接料斗、泥斗和输泥管悬空设置，能更好地减少泥屑与壁之间的摩擦，从而使栓流通畅。

（8）本实用新型还设置有六个阀，从而可以实现全程自动化控制。

（9）由于要想获得气力干法输送要求的碎泥屑，就要求在土体剪切滑移的过程中，被剪切下来的泥屑滑移速度不一致，即在产生泥屑过程中泥屑要进行错位滑移，本实用新型采用在刀面上开设断屑槽的方式，使泥屑由于错位而发生断裂，同时考虑到泥屑的粘性，为了保证其在前刀面排屑时的流畅性，断屑槽采用变螺距的非对称结构，非对称结构即两处的断屑槽相互错开，这样不但可以起到断屑作用，而且钻下的泥屑相互不干扰，有利于泥屑排出。而螺旋面采取变螺距的设计，能减少泥屑在钻头轴向流动过程的阻力，在泥土钻进切削过程中，使泥屑在变螺距螺旋面上的旋转速度不同，从而更有利于产生碎泥屑。

（10）本实用新型的钻头的横刃结构不同于一般的钻头的平直横刃，俯视为S型，侧视为中央凸起的尖顶，由此大大减小了钻头尖部的顶角，增大了横刃部的前角，使得它与常用的普通钻尖相比，具有特别好的自动定心性能、钻孔进给力也较小、孔的加工精度高、使用寿命长的优点。

（11）由于钻头用于切削地下泥土，而泥土有时具有一定的粘性，为使在钻孔过程中泥屑顺利从钻头上排出，减少到面上的刀屑瘤，对钻头导流屑面进行表面处理，同时考虑到钻削过程中可能遇到坚硬物质，如石头、金属等，所以在钻头上沉积有金刚石薄膜来对钻头进行保护，有效延长钻头的使用寿命。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中

图1为本实用新型的钻孔机器人的结构示意图；

图2为本实用新型的泥屑输送系统的结构示意图；

图3为本实用新型的左右位置检测装置的结构示意图；

图4为本实用新型的钻头的结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图中 1.钻孔机器人，11.钻头，111.主刃，112.后刀面，113.断屑槽， 114.横刃，115.圆弧刃，12.螺旋推料器，13.减速机，14.主推进气缸，15.爬行气缸，2.泥屑输送系统，21.接料斗，22.泥斗，23.输泥管，24.气力压送罐，25.控制柜，26.气刀，27.增压器，28.拉法尔管，29.振动器，210.阀，211.贮料器，3.左右位置检测装置，31.指南针，311.指针，312.表盘，32.定位指针，33.微动开关，34.滑槽。

具体实施方式

见图1-5，本实用新型具有钻孔机器人1、泥屑输送系统2和位置检测装置；泥屑输送系统2和位置检测装置均与钻孔机器人1固定连接；

钻孔机器人1包括钻头11、螺旋推料器12、减速机13、主推进气缸14和爬行气缸15；钻头11与减速机13的输出轴连接；减速机13和主推进气缸14设置在螺旋推料器12的内腔中，减速机13的尾部连接主推进气缸14；爬行气缸15有2对，其中一对对称设置在螺旋推料器12的头部，另一对对称设置在螺旋推料器12的尾部；

泥屑输送系统2包括依次相通的接料斗21、泥斗22、输泥管23、气力压送罐24、控制柜25和气刀26；接料斗21与螺旋推料器12连通；气力压送罐24的出口分为两路，分别通过管路连通接料斗21和泥斗22的进口；气刀26设置于输泥管23上方，由控制柜25控制上下运动；接料斗21、泥斗22和输泥管23悬空设置；泥屑输送系统2还包括旁吹管、多个增压器27、一个拉法尔管28和两个振动器29；旁吹管设置在控制柜25与泥斗22之间，并与泥斗22相通；多个增压器27沿输泥管23设置，每个增压器27均由控制柜25控制，且分别与输泥管23相通；拉法尔管28设置于气力压送罐24与泥斗22连通的管路上；两个振动器29分别与泥斗22和输泥管23相通。

泥屑输送系统2还包括六个阀210；六个阀210分别设置在接料斗21的出口、泥斗22的出口、气力压送罐24的出口、气力压送罐24与接料斗21连通的管路上、气力压送罐24与泥斗22连通的管路上以及旁吹管上。

位置检测装置包括上下水平位置检测装置和左右位置检测装置3。

左右位置检测装置3包括指南针31、定位指针32和微动开关33；定位指针32与指南针31的指针311同轴设置，并可在指南针31的表盘312上转动；微动开关33设置于定位指针32上。

左右位置检测装置3还包括挡块、支撑钉和滑槽34；挡块设置于定位指针32上，微动开关33安装在挡块上；滑槽34有两条，平行设置在指南针31的表盘312上；支撑钉有两个，分别设置在挡块的底面的两端，一端与挡块固定，一端在对应的一条滑槽34内滑动定位。

钻头11为群钻结构，钻头11包括主刃111、后刀面112、断屑槽113和横刃114；在与两条主刃111相连的后刀面112上非对称的开设有多个变螺距的螺旋形的断屑槽113；横刃114由两条相交的弧线构成，前述两条弧线在钻头11的钻尖末端汇合为与钻尖轴线相重合的凸起的尖顶（见图4），横刃114俯视为“S”形（见图5）。

群钻结构的横刃114长度只有普通钻头的五分之一，主刃111上前角平均值增大，使进给抗力下降35% ～50%，扭矩下降10% ～30%，因而进给量比普通钻头约提高三倍，钻孔效率大大提高。同时两个圆弧刃115的结构能使得钻头具有良好的定心导向性和断屑性。为获得气力输送所需要的碎泥屑，在与两条主刃111相连的后刀面112上上分别设计了若干个断屑槽，由此每个后刀面112被磨成了一个从钻心延伸至周边的三度空间（高度、深度、宽度）的螺旋面。而且两个后刀面112上的断屑槽113采用不对称设计，即相互错开，这样不但可以起到断屑作用，而且钻下的泥屑相互不干扰，有利于泥屑排出。为减少泥屑在钻头轴向流动过程的阻力，断屑槽113的螺旋面采取变螺距的设计，在泥土钻进切削过程中，使泥屑在变螺距螺旋面上的旋转速度不同，从而更有利于产生碎泥屑。

由于钻头11用于切削地下泥土，而泥土有时具有一定的粘性，为使在钻孔过程中泥屑顺利从钻头11上排出，减少到面上的刀屑瘤，对钻头11导流屑面进行表面处理，同时考虑到钻削过程中可能遇到坚硬物质，如石头、金属等，所以在钻头11上沉积有金刚石薄膜。

外刃顶角2φ＝118°～120°；内刃顶角2φ_τ＝20°～30°；横刃斜角ψ＝65°～75°；内刃斜角τ＝25°～30°；内刃前角γ_τc＝-15°～-20°；外刃后角α_c＝8°～15°；圆弧刃后角α_Rc＝12°～15°；外刃长l＝0.2d；尖高h＝0.06d；圆弧半径R＝0.1d；横刃直线长b_ψ＝0.03d；横刃直线长b_ψ＝0.03d；断屑槽宽l₂＝5～10mm；断屑槽间距l₁＝10～20mm；断屑槽深c＝1～1.5f；其中d为钻头直径，f为进给量。

钻头11直径d有五个规格，分别为450mm、500mm、560mm、630mm、700mm，便于使用时根据不同的铺管直径要求来进行选择。

本实用新型的工作原理为：工作时，先由电动千斤顶将管道钻孔机器人送入泥土之中的，当钻孔机器人完全进入到泥土中后，支撑气缸开始起作用，即支撑气缸的活塞伸出支撑在孔壁上，此时电动千斤顶停止工作，由主推进气缸14推动钻头11向前进给，当一个工作行程走完后，即机器人完成一个步进行程；然后，后爬行支撑气缸松开，前爬行气缸张紧，机器人整体前进一个工步，钻下的泥屑通过钻孔机器人的螺旋推料器12输送，经过锥形的接料斗21进入泥斗22，当泥斗22中的泥屑达到规定量时，泥斗22进口处的阀210关闭，气力压送罐24提供的气流经拉法尔管28进入泥斗22，并在泥斗22内形成一定的压力，压力达到一定值后，泥斗22出口处的阀210自动开启，气刀26在控制柜25的作用下将泥屑切割成一段一段的泥栓状，于是泥屑在输泥管23内作栓流输送。

同时，左右位置检测装置3利用指南针31的指针只能够指向南北方向的特性，将定位指针2与指南针1的指针11连接在一起，在进行非开挖钻孔机器人施工时，先根据钻孔的方位要求，调整支撑钉在滑槽34内的位置来确定好定位指针32的位置，当指针311离开微动开关时，表明钻孔机器人的前进方向与指南针31的指针311指示方向不一致，这时即会对钻孔机器人的控制系统发出左右方位误差信号，伺服阀得电，对钻孔机器人的爬行气缸15进行压力的调整，当机器人回到正确的工作方位后，调整回路自动断开。

本实施例采用脉冲气刀式振动栓流气力输送，不仅可大大降低动力指数，而且可以明显提高泥屑的气力输送能力。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种非开挖钻孔设备，其特征在于：具有钻孔机器人(1)、泥屑输送系统(2)和位置检测装置；所述泥屑输送系统(2)和位置检测装置均与钻孔机器人(1)固定连接；

所述钻孔机器人(1)包括钻头(11)、螺旋推料器(12)、减速机(13)、主推进气缸(14)和爬行气缸(15)；所述钻头(11)与减速机(13)的输出轴连接；所述减速机(13)和主推进气缸(14)设置在螺旋推料器(12)的内腔中，减速机(13)的尾部连接主推进气缸(14)；所述爬行气缸(15)有2对，其中一对对称设置在螺旋推料器(12)的头部，另一对对称设置在螺旋推料器(12)的尾部；

所述泥屑输送系统(2)包括依次相通的接料斗(21)、泥斗(22)、输泥管(23)、气力压送罐(24)、控制柜(25)和气刀(26)；所述接料斗(21)与螺旋推料器(12)连通；所述气力压送罐(24)的出口分为两路，分别通过管路连通接料斗(21)和泥斗(22)的进口；所述气刀(26)设置于输泥管(23)上方，由控制柜(25)控制上下运动；所述接料斗(21)、泥斗(22)和输泥管(23)悬空设置；

所述位置检测装置包括上下位置检测装置和左右位置检测装置(3)。

2.根据权利要求1所述的非开挖钻孔设备，其特征在于：所述泥屑输送系统(2)还包括旁吹管；所述旁吹管设置在控制柜(25)与泥斗(22)之间，并与泥斗(22)相通。

3.根据权利要求1或2任一所述的非开挖钻孔设备，其特征在于：所述泥屑输送系统(22)还包括多个增压器(27)、一个拉法尔管(28)和两个振动器(29)；所述多个增压器(27)沿输泥管(23)设置，每个增压器(27)均由控制柜(25)控制，且分别与输泥管(23)相通；所述拉法尔管(28)设置于气力压送罐(24)与泥斗(22)连通的管路上；所述两个振动器(29)分别与泥斗(22)和输泥管(23)相通。

4.根据权利要求3所述的非开挖钻孔设备，其特征在于：所述泥屑输送系统(2)还包括六个阀(210)；所述六个阀(210)分别设置在接料斗(21)的出口、泥斗(22)的出口、气力压送罐(24)的出口、气力压送罐(24)与接料斗(21)连通的管路上、气力压送罐(24)与泥斗(22)连通的管路上以及旁吹管上。

5.根据权利要求1所述的非开挖钻孔设备，其特征在于：所述左右位置检测装置(3)包括指南针(31)、定位指针(32)和微动开关(33)；所述定位指针(32)与指南针(31)的指针(311)同轴设置，并可在指南针(31)的表盘(312)上转动；所述微动开关(33)设置于定位指针(32)上。

6.根据权利要求5所述的非开挖钻孔设备，其特征在于：所述左右位置检测装置(3)还包括挡块、支撑钉和滑槽(34)；所述挡块设置于定位指针(32)上，微动开关(33)安装在挡块上；所述滑槽(34)有两条，平行设置在指南针(31)的表盘(312)上；所述支撑钉有两个，分别设置在挡块的底面的两端，一端与挡块固定，一端在对应的一条滑槽(34)内滑动定位。

7.根据权利要求1所述的非开挖钻孔设备，其特征在于：所述钻头(11)为群钻结构，钻头(11)包括主刃(111)、后刀面(112)、断屑槽(113)和横刃(114)；在与两条主刃(111)相连的后刀面(112)上非对称的开设有多个变螺距的螺旋形的断屑槽(113)；所述横刃(114)由两条相交的弧线构成，前述两条弧线在钻头(11)的钻尖末端汇合为与钻尖轴线相重合的凸起的尖顶，横刃(114)俯视为“S”形。

8.根据权利要求7所述的非开挖钻孔设备，其特征在于：所述钻头(11)上沉积有金刚石薄膜。

9.根据权利要求7或8任一所述的非开挖钻孔设备，其特征在于：所述外刃顶角2φ＝118°～120°；内刃顶角2φ_τ＝20°～30°；横刃斜角ψ＝65°～75°；内刃斜角τ＝25°～30°；内刃前角γ_τc＝-15°～-20°；外刃后角α_c＝8°～15°；圆弧刃后角α_Rc＝12°～15°；外刃长l＝0.2d；尖高h＝0.06d；圆弧半径R＝0.1d；横刃直线长b_ψ＝0.03d；横刃直线长b_ψ＝0.03d；断屑槽宽l₂＝5～10mm；断屑槽间距l₁＝10～20mm；断屑槽深c＝1～1.5f；其中d为钻头直径，f为进给量。

10.根据权利要求9所述的非开挖钻孔设备，其特征在于：所述钻头(11)直径d有五个规格，分别为450mm、500mm、560mm、630mm、700mm。