CN214576759U - 一种轻便可拆分式超声波振动钻机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种轻便可拆分式超声波振动钻机，包括回转机构、给进机构、支撑机构、卷扬机构及超声波振动器；所述回转机构包括钻杆和钻头，所述钻头能够回转钻进；所述钻杆一端连接钻头，另一端依次连接水龙头环状外壳、超声波振动器以及驱动装置；所述超声波振动器与驱动装置柔性连接，所述超声波振动器外部设有绝缘壳体，内部设有若干片环状压电陶瓷片、若干片环状电极片以及导电通道。本实用新型在正常回转振动钻进时，通过超声波振动机构将压电陶瓷产生的超声波频率振动力作用于岩石上提高了钻机的成孔深度及钻头的使用寿命；本实用新型采用可拆分式结构设计，极大的减轻了山地钻机的重量，结构简单，易于装拆和搬迁。

Description

一种轻便可拆分式超声波振动钻机

技术领域

本实用新型属于勘探设备技术领域，是山地勘探、隧道勘察专用设备，主要用于山区的土层、砂层、岩石地层的钻进、取样和成孔，具体涉及到一种适用于陡峻山地勘探的可拆分式轻便振动钻机。

背景技术

随着铁路、公路、电力等行业的发展，山地勘察的工作量增加，经常遇到地形陡峻、树木茂密、交通不便的“难进入”钻探施工区。勘探区域已经由最初的海拔较低、较平缓的平原、丘陵、戈壁转向真正意义上的山区，复杂的地形地质条件对山地钻机的适应性、方便性及经济性等各个方面都有了更高的要求。在山地隧道孔的地质勘察中需要进行大量的浅层岩石钻孔取样工作，由于山地遇到的岩石致密、强度高、研磨性强，使得山地钻机设备能力大幅度下降、钻进深度不够、钻头寿命短、钻进成本高的问题。山地和丘陵地区的勘探技术一直没有突破性的进展，这些地形对钻机的要求严苛，不得不放弃已布置且必要的钻探孔，从而使工程地质勘察精度受到影响，无法保证地质勘察工作有质量的完成。在山高林密的陡峻山地，传统的、常规的的山地钻机存在机具搬运困难、施工难度大、设备笨重、成本高等问题，现有山地钻机存在以下弊端：

一、现有型号最小的山地岩芯钻机重量在数百公斤以上，解体困难，无法适应山地搬迁，运输车式或者履带式钻机根本不具备陡峻山地的进场能力，极易造成整车翻车的事故；钻孔作业面狭窄、高差起伏大，如采取人力、畜力搬运，则劳动强度极大，易造成人员伤亡；山区钻探设备进场需砍伐大量树木和贵重农作物，以进行道路处理等，特殊费用甚至高于单孔报价；

二、目前市场上“轻便山地钻机”存在两方面问题，①采用液压控制，存在结构复杂、解体困难、难以搬迁、维修困难、成本高等弊病，且适用范围有限，大多只适用于松散（软）地层，遇到坚硬的岩石地层则无用武之地；②手持式背包钻机存在钻进深度浅的问题，例如46mm口径手持式背包钻机钻进深度50米、60mm口径手持式背包钻机钻进深度40米、75mm口径手持式背包钻机钻进深度30米、91mm口径手持式背包钻机钻进深度20米等，口径越大的钻机能达到的钻进深度越浅。

目前人们对低频（150Hz以下）振动钻机进行了较深入的研究，与岩石自振频率相当的超声波振动钻机的研发尚属探索阶段。超声波振动碎岩（频率>20000Hz）利用共振-疲劳共同破坏，即完整岩石的固有频率一般为20KHz～40KHz，超声波振动使得岩石受到合理地共振，周期性的激振力作用于岩石致使内部快速产生裂纹，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂，岩石的强度会大幅度急剧下降，设备钻进深度、钻进速度、钻头寿命会得以提高，岩石从局部区域开始损伤累积，最终引起整体破坏。

综上所述，在这样的陡峻山地或者作业面狭窄区域（山区钻探、水上钻探、市区内管线密布地段钻探）迫切需要有一种性能优越、简单耐用、易拆解、易搬运的轻便钻机。一种适应复杂山地的轻便式超声波振动钻机的研发势在必行，故现有技术有待改进和发展。

实用新型内容

本实用新型为解决公知技术中存在的结构复杂造价高、重量大“不轻便”难以搬迀、维修困难不易操作的技术问题提供一种轻便可拆分式超声波振动钻机，具有轻便、方便拆装并且能够提高山地钻机钻探深度的特点。本实用新型属于山地勘探专用设备，尤其适合用于山区的土层、砂层、岩石地层的钻进、取样和钻探成孔。

本实用新型包括如下技术方案：

一种轻便可拆分式超声波振动钻机，包括回转机构、给进机构、支撑机构、卷扬机构及超声波振动器；所述回转机构包括钻杆和钻头，所述钻头能够回转钻进；所述钻杆一端连接钻头，另一端依次连接水龙头环状外壳、超声波振动器以及驱动装置；所述超声波振动器与驱动装置柔性连接，所述超声波振动器外部设有绝缘壳体，内部设有若干片环状压电陶瓷片、若干片环状电极片以及导电通道；所述给进机构控制超声波振动器和驱动装置的升降； 所述支撑机构包括支撑底盘和支撑立柱，所述支撑立柱固装在支撑底盘上；所述超声波振动器和驱动装置安装在支撑立柱侧面的导块支座上并可在支撑立柱上滑动；所述卷扬机构控制钻杆的升降。

由于驱动装置与超声波振动器的柔性连接，超声波振动器与钻杆构成振动-回转机构核心部件，整个振动部分（具体包括若干片环状压电陶瓷片、若干片环状电极片）处于密闭空间中，既能够将环状压电陶瓷片的超声波频率振动锤击钻杆台阶，并沿着钻杆传递给钻头，又能够保证其密封性。因此，钻头在正常回转-振动钻进时，提高山地钻机钻进深度的能力，能够稳定地进行与岩石“自然频率”一致的超声波频率振动。

进一步的，所述驱动装置为柴油动力机，所述超声波振动器底座板与所述柴油动力机之间是通过缓冲弹簧连接的；所述超声波振动器上座板两侧设置四根双头螺栓，每根双头螺栓设置两个缓冲弹簧，构成超声波振动器的外部结构。

进一步的，所述超声波振动器位于柴油动力机下方，每片所述环状压电陶瓷片的上下端面分别贴上环状电极片，最上端的环状压电陶瓷片的上面依次设置弹簧和环状绝缘垫片。

超声波振动器外部绝缘壳体和上下端环状绝缘垫片能防止超声波振动器导电、漏电，使导电通道更加稳定，若干片环状电极片和上下端环状绝缘垫片可随环状压电陶瓷片在超声波振动器的绝缘壳体内上下振动；超声波振动器内设有导电通道，电流沿柴油动力机、超声波振动器体内表面导线槽进入到导电通道并分别连接若干片环状电极片的不同正负极从而形成闭合回路；弹簧下方贴紧绝缘垫片并与超声波振动器的绝缘壳直接接触，进而挤压环状压电陶瓷片，并给与环状压电陶瓷片初始压应力；超声波振动器、柴油动力机和钻杆连接后，超声波振动器下部内腔相通，形成钻杆通道；由于环状压电陶瓷片的抗拉强度较低，因此当环状压电陶瓷片与弹簧压紧后，使环状压电陶瓷片始终处于一定压应力下，减少受拉破坏，延长使用寿命。

进一步的，所述水龙头环状外壳侧面设有水龙头，所述水龙头连接潜水泵；所述钻头通过螺纹连接所述钻杆，所述钻杆顶端连接钢丝绳；所述支撑底盘上固装垫叉座，卸下钻杆时下方垫叉座上放置垫叉以固定钻杆。

进一步的，所述给进机构包括固定滑轮、手轮和链条；所述固定滑轮固定在支撑立柱上，所述链条缠绕在固定滑轮上并与导块连接，转动手轮带动链条和导块移动。所述导块上通过螺栓固装导块支座，所述导块支座顶部设有可挂钩式钢丝绳金属扣，钢丝绳金属扣下端可拧卸提引器。

进一步的，所述卷扬机构包括轴承齿轮箱、卷扬筒、从动轮、主动轮以及伞形齿轮；所述卷扬筒一端设有手刹和从动轮，另一端依次设有离合器手杆和轴承齿轮箱；所述主动轮设置在金属外壳内，主动轮上设有伞形齿轮，所述金属外壳一侧设有连接杆，所述连接杆与伞形齿轮之间齿轮传动，所述主动轮与从动轮之间皮带传动。

所述超声波振动器通过位于两侧的第一定位螺栓和第二定位螺栓固装在导块支座上，提卸钻杆时首先将驱动装置和超声波振动器下放到连接杆处，将靠近手轮侧的第一定位螺栓取出，此时驱动装置和超声波振动器以另一侧第二定位螺栓为中轴旋转90度使驱动装置坐在连接杆上，启动驱动装置正转并关闭超声波振动器，驱动装置回转带动连接杆转动，连接杆传递扭矩给伞形齿轮，伞形齿轮带动主动轮旋转，主动轮带动从动轮转动，从动轮配合轴承齿轮箱通过横轴带动卷扬筒卷扬钢丝绳，钢丝绳通过鹅颈头上的定滑轮提引钻杆上升；驱动装置反转时，钢丝绳通过鹅颈头上定滑轮下放钻杆入孔。通过手刹、离合器手杆进行油离配合，完成卷扬筒工作。

进一步的，所述支撑底盘在四脚处均安装丝杠支腿，所述丝杠支腿和支撑底盘之间设有支腿手轮，摇动支腿手轮可以调节支撑底盘的高度，在现场可方便调平和固定钻机；所述丝杠支腿下连接圆板，位于前端的丝杠支腿的圆板上钻有两个圆孔，可固定地锚以便于快速固定钻机。

进一步的，所述支撑立柱顶部通过鹅颈头支座固装鹅颈头；所述支撑立柱底部两侧固装立柱支腿，所述立柱支腿通过横杆与支撑杆的一端螺栓连接，所述支撑杆的另一端与支撑立柱侧面的支座进行螺栓连接，形成三角形稳定结构；所述支撑底盘在四脚处均安装丝杠支腿，所述丝杠支腿和支撑底盘之间设有支腿手轮。

进一步的，所述立柱支腿与支撑底盘通过插销快速固定，所述支撑立柱与支撑底盘螺栓连接。支撑立柱、立柱支腿和支撑底盘形成稳定骨架结构。

本实用新型具有的优点和积极效果：

1、本实用新型采用可拆分式结构设计，极大的减轻了山地钻机的重量，结构简单，易于装拆和搬迁，能适应山高林密等复杂路况的迁移需要。

2、本实用新型将超声波频率振动力、压力和回转力三者结合在一起使岩石裂纹加速扩展形成共振-疲劳破碎，其碎岩效率、能量利用率更高。

3、本实用新型在正常回转振动钻进时，通过超声波振动机构将压电陶瓷产生的超声波频率振动力作用于岩石上，提高了钻机的成孔深度并延长了钻头的使用寿命，能够稳定地进行与岩石固有频率一致的共振-疲劳破坏，降低山地岩石破碎强度，实现大体积破碎，提高钻进速度，降低钻进成本。

4、本实用新型的支撑底盘与丝杠支腿之间设有支腿手轮，摇动支腿手轮可以调节支撑底盘的高度，在现场可方便调平和固定钻机。

附图说明

图1是轻便可拆分式超声波振动钻机的立体图；

图2是轻便可拆分式超声波振动钻机的正视图；

图3是超声波振动器的内部结构示意图；

图4是一般状态下超声波振动器安装结构放大示意图；

图5是卷扬机构准备工作前超声波振动器安装结构放大示意图；

图中，1-柴油动力机，2-超声波振动器，3-水龙头环状外壳，4-钻杆，5-链条，6-钻头，7-固定滑轮，8-连接杆，9-金属外壳，10-伞形齿轮，11-垫叉座，12-支腿手轮，13-支撑底盘，14-离合器手杆，15-轴承齿轮箱，16-丝杠支腿，17-卷扬筒，18-手刹，19-立柱支腿，20-手轮，21-支座，22-水龙头，23-钢丝绳金属扣，24-鹅颈头支座，25-潜水泵，26-鹅颈头，27-支撑立柱，28-支撑杆，29-从动轮，30-主动轮，31-双头螺栓，32-缓冲弹簧，33-弹簧，34-环状压电陶瓷片，35-环状电极片，36-导电通道，37-环状绝缘垫片；

41-导块；42-导块支座；43-第一定位螺栓；44-第二定位螺栓。

具体实施方式

为能进一步公开本实用新型的实用新型内容、特点及功效，特例举以下实例并结合附图详细说明如下。

实施例：参阅附图1-3，一种轻便可拆分式超声波振动钻机，包括回转机构、给进机构、支撑机构、卷扬机构及超声波振动器2；所述回转机构包括钻杆4和钻头6，所述钻头6能够回转钻进；所述钻杆4一端连接钻头6，另一端依次连接水龙头环状外壳3、超声波振动器2以及驱动装置；所述水龙头环状外壳3侧面设有水龙头22，所述水龙头22连接潜水泵25；所述钻头6通过螺纹连接所述钻杆4，所述钻杆4顶端连接钢丝绳；所述驱动装置为柴油动力机1，所述超声波振动器2底座板与所述柴油动力机1之间是通过缓冲弹簧32连接的；所述超声波振动器2上座板两侧设置四根双头螺栓31，每根双头螺栓31设置两个缓冲弹簧32，构成超声波振动器2的外部结构。

所述超声波振动器2与柴油动力机1柔性连接，所述超声波振动器2外部设有绝缘壳体，内部设有若干片环状压电陶瓷片34、若干片环状电极片35以及导电通道36；所述超声波振动器2位于柴油动力机1下方，每片所述环状压电陶瓷片34的上下端面分别贴上环状电极片35，最上端的环状压电陶瓷片34的上面依次设置弹簧33和环状绝缘垫片37。

由于柴油动力机1与超声波振动器2的柔性连接，超声波振动器2与钻杆4构成振动-回转机构核心部件，整个振动部分（具体包括若干片环状压电陶瓷片34、若干片环状电极片35）处于密闭空间中，既能够将环状压电陶瓷片34的超声波频率振动锤击钻杆台阶，并沿着钻杆4传递给钻头6，又能够保证其密封性。因此，钻头6在正常回转-振动钻进时，提高山地钻机钻进深度的能力，能够稳定地进行与岩石“自然频率”一致的超声波频率振动。

超声波振动器2外部绝缘壳体和上下端环状绝缘垫片37能防止超声波振动器2导电、漏电，使导电通道36更加稳定，若干片环状电极片35和上下端环状绝缘垫片37可随环状压电陶瓷片34在超声波振动器2的绝缘壳体内上下振动；超声波振动器2内设有导电通道36，电流沿柴油动力机1、超声波振动器2体内表面导线槽进入到导电通道36并分别连接若干片环状电极片35的不同正负极从而形成闭合回路；弹簧33下方贴紧环状绝缘垫片37并与超声波振动器2的绝缘壳直接接触，进而挤压环状压电陶瓷片34，并给与环状压电陶瓷片34初始压应力；超声波振动器2、柴油动力机1和钻杆4连接后，超声波振动器2下部内腔相通，形成钻杆4通道；由于环状压电陶瓷片34的抗拉强度较低，因此当环状压电陶瓷片34与弹簧33压紧后，使环状压电陶瓷片34始终处于一定压应力下，减少受拉破坏，延长使用寿命。

所述支撑机构包括支撑底盘13和支撑立柱27，所述支撑立柱27固装在支撑底盘13上；所述超声波振动器2和柴油动力机1安装在支撑立柱27侧面的导块支座42上并可在支撑立柱27上滑动；所述支撑底盘13在四脚处均安装丝杠支腿16，所述丝杠支腿16和支撑底盘13之间设有支腿手轮12，摇动支腿手轮12可以调节支撑底盘13的高度，在现场可方便调平和固定钻机；所述丝杠支腿16下连接圆板，位于前端的丝杠支腿16的圆板上钻有两个圆孔，可固定地锚以便于快速固定钻机。

所述支撑立柱27顶部通过鹅颈头支座24固装鹅颈头26；所述支撑立柱27底部两侧固装立柱支腿19，所述立柱支腿19通过横杆与支撑杆28的一端螺栓连接，所述支撑杆28的另一端与支撑立柱27侧面的支座21进行螺栓连接，形成三角形稳定结构；所述支撑底盘13在四脚处均安装丝杠支腿16，所述丝杠支腿16和支撑底盘13之间设有支腿手轮12。所述立柱支腿19与支撑底盘13通过插销快速固定，所述支撑立柱27与支撑底盘13螺栓连接。支撑立柱27、立柱支腿19和支撑底盘13形成稳定骨架结构。所述支撑底盘13上固装垫叉座11，卸下钻杆4时下方垫叉座11上放置垫叉以固定钻杆4。

所述给进机构控制超声波振动器2和柴油动力机1的升降；所述给进机构包括固定滑轮7、手轮20和链条5；所述固定滑轮7固定在支撑立柱27上，所述链条5缠绕在固定滑轮7上并与导块41连接，转动手轮20带动链条5和导块41移动。所述导块41上通过螺栓固装导块支座42，所述导块支座42顶部设有可挂钩式钢丝绳金属扣23，钢丝绳金属扣23下端可拧卸提引器。

所述卷扬机构控制钻杆4的升降，所述卷扬机构包括轴承齿轮箱15、卷扬筒17、从动轮29、主动轮30以及伞形齿轮10；所述卷扬筒17一端设有手刹18和从动轮29，另一端依次设有离合器手杆14和轴承齿轮箱15；所述主动轮30设置在金属外壳9内，主动轮30上设有伞形齿轮10，所述金属外壳9一侧设有连接杆8，所述连接杆8与伞形齿轮9之间齿轮传动，所述主动轮30与从动轮29之间皮带传动。

如图4-5所示，所述超声波振动器2通过位于两侧的第一定位螺栓43和第二定位螺栓44固装在导块支座42上，提卸钻杆4时首先将柴油动力机1和超声波振动器2下放到连接杆8处，将靠近手轮20侧的第一定位螺栓43取出，此时柴油动力机1和超声波振动器2以另一侧的第二定位螺栓44为中轴可旋转90度使柴油动力机1坐在连接杆8上，安装有多个第二定位螺栓44时仅保留一个作为转轴。启动柴油动力机1正转并关闭超声波振动器2，柴油动力机1回转带动连接杆8转动，连接杆8传递扭矩给伞形齿轮10，伞形齿轮10带动主动轮30旋转，主动轮30带动从动轮29转动，从动轮29配合轴承齿轮箱15通过横轴带动卷扬筒17卷扬钢丝绳，钢丝绳通过鹅颈头26上的定滑轮提引钻杆4上升；柴油动力机1反转时，钢丝绳通过鹅颈头26上定滑轮下放钻杆4入孔。通过手刹18、离合器手杆14进行油离配合，完成卷扬筒17工作。连接杆8上也可另外安装其他驱动装置作为卷扬机构的动力源，本实用新型出于减轻山地勘探设备负担的目的，依旧使用柴油动力机1作为卷扬机构的动力源，减少一个驱动装置，减轻了钻机总重量。

工作流程：步骤如下，S1根据需要组装山地超声波振动钻机，摇动丝杠支腿16上的支腿手轮12以调节支撑底盘13的高度并进行现场调平，钻头6对准孔位后，通过位于前端的丝杠支腿16的圆板上的两个圆孔固定地锚进而固定钻机；S2启动柴油动力机1并开启潜水泵25，通过水龙头22为钻孔供水，转动手轮20带动链条5移动从而使柴油动力机1和超声波振动器2随导块41升降，同时对钻孔施加一定的预压力；S3启动超声波振动器2，柴油动力机1对超声波振动器2输出电流，超声波振动器2产生超声波振动力，在钻头6的回转与给进力联合超声波振动作用下，实现山地钻机超声频率钻进；S4提卸钻杆4时，柴油动力机1坐在连接杆8处以提供动力使卷扬机构控制钻杆4的升降，钻杆4提升到钻孔以上时在垫叉座11上放置垫叉以固定钻杆4；S5依次关闭柴油动力机1、卷扬机构、潜水泵25以及超声波振动器2，最后整理工作平面。

尽管上面对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轻便可拆分式超声波振动钻机，包括回转机构、给进机构、支撑机构、卷扬机构及超声波振动器，其特征在于：所述回转机构包括钻杆和钻头，所述钻头能够回转钻进；所述钻杆一端连接钻头，另一端依次连接水龙头环状外壳、超声波振动器以及驱动装置；所述超声波振动器与驱动装置柔性连接，所述超声波振动器外部设有绝缘壳体，内部设有若干片环状压电陶瓷片、若干片环状电极片以及导电通道；所述给进机构控制超声波振动器和驱动装置的升降； 所述支撑机构包括支撑底盘和支撑立柱，所述支撑立柱固装在支撑底盘上；所述超声波振动器和驱动装置安装在支撑立柱侧面的导块支座上并可在支撑立柱上滑动；所述卷扬机构控制钻杆的升降。

2.根据权利要求1所述的轻便可拆分式超声波振动钻机，其特征在于：所述驱动装置为柴油动力机，所述超声波振动器底座板与所述柴油动力机之间是通过缓冲弹簧连接的；所述超声波振动器上座板两侧设置四根双头螺栓，每根双头螺栓设置两个缓冲弹簧，构成超声波振动器的外部结构。

3.根据权利要求1所述的轻便可拆分式超声波振动钻机，其特征在于：所述超声波振动器位于柴油动力机下方，每片所述环状压电陶瓷片的上下端面分别贴上环状电极片，最上端的环状压电陶瓷片的上面依次设置弹簧和环状绝缘垫片。

4.根据权利要求1所述的轻便可拆分式超声波振动钻机，其特征在于：所述水龙头环状外壳侧面设有水龙头，所述水龙头连接潜水泵；所述钻头通过螺纹连接所述钻杆，所述钻杆顶端连接钢丝绳；所述支撑底盘上固装垫叉座，卸下钻杆时下方垫叉座上放置垫叉以固定钻杆。

5.根据权利要求1所述的轻便可拆分式超声波振动钻机，其特征在于：所述给进机构包括固定滑轮、手轮和链条；所述固定滑轮固定在支撑立柱上，所述链条缠绕在固定滑轮上并与导块连接，转动手轮带动链条和导块移动；所述导块上通过螺栓固装导块支座，所述导块支座顶部设有可挂钩式钢丝绳金属扣，钢丝绳金属扣下端可拧卸提引器。

6.根据权利要求1所述的轻便可拆分式超声波振动钻机，其特征在于：所述卷扬机构包括轴承齿轮箱、卷扬筒、从动轮、主动轮以及伞形齿轮；所述卷扬筒一端设有手刹和从动轮，另一端依次设有离合器手杆和轴承齿轮箱；所述主动轮设置在金属外壳内，主动轮上设有伞形齿轮，所述金属外壳一侧设有连接杆，所述连接杆与伞形齿轮之间齿轮传动，所述主动轮与从动轮之间皮带传动。

7.根据权利要求1所述的轻便可拆分式超声波振动钻机，其特征在于：所述支撑底盘在四脚处均安装丝杠支腿，所述丝杠支腿和支撑底盘之间设有支腿手轮；所述丝杠支腿下连接圆板，位于前端的丝杠支腿的圆板上钻有两个圆孔。

8.根据权利要求1所述的轻便可拆分式超声波振动钻机，其特征在于：所述支撑立柱顶部通过鹅颈头支座固装鹅颈头；所述支撑立柱底部两侧固装立柱支腿，所述立柱支腿通过横杆与支撑杆的一端螺栓连接，所述支撑杆的另一端与支撑立柱侧面的支座进行螺栓连接。

9.根据权利要求8所述的轻便可拆分式超声波振动钻机，其特征在于：所述立柱支腿与支撑底盘通过插销快速固定，所述支撑立柱与支撑底盘螺栓连接。

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