专利名称：用于将钻探件引入到土壤中的钻进设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将钻探件引入到土壤中的钻进设备，其包括支撑在钻架上以引入钻探件的驱动装置，以及具有可通过至少一个工作缸体而被转动的夹头的夹头转动装置。本发明还涉及一种用于将钻探件引入到土壤中的方法，其中可通过夹头转动装置来在钻探件上施加扭矩。
背景技术：
在现有技术中已经知道了多种钻土机，其尤其用于针对地基测量的专家地基工程中。利用这些钻土机就可通过钻具来得到钻孔，然后例如用混凝土来填充该孔，以便生成基桩。此外，利用钻进设备还可以将带有螺旋尖端的锚定螺栓或螺旋钻孔桩直接旋入到土壤中。尤其是在后一种情况下，对于较大的桩长来说需要有较大的钻进扭矩，以便将桩旋入到土壤中。
钻进设备的驱动装置按照预期的最大扭矩来设计，因此，驱动装置构成了钻进设备中的最大成本因素。
另外，为了生产出加固的钻孔，已经知道可以采用另外设有所谓的钻孔加固机的钻进设备。钻孔加固机用于拧入到支撑套管中。这种钻孔加固机具有可通过工作缸体而转动的夹头。
在德国专利DE3809626C2中公开了一种带有相连的钻孔加固机的可动钻进设备。该钻孔加固机包括可由液压缸来提升和放下的支撑台。可旋转地支撑于支撑台中的支承环通过固定在支撑台上的两个液压缸而来回转动。支承环在一个上侧面上承载有两个夹紧爪，它们可相互间相向地运动，并通过液压缸来打开和闭合。作为支承环旋转的结果，可通过夹紧爪来夹紧管柱的端部，并将其引入到土壤中或从中抽出来。
在德国专利DE1215624B中公开了另一种用于将套管钻进到钻出的深井筒中的设备。在该设备中，套管在循环交替的旋转运动的相应方向变化的瞬时之前向下运动。该循环交替的旋转运动通过固定在钻杆上的套管夹来实现，套管夹的两个臂通过压力缸而交替地来回运动。套管夹和压力缸的框架可通过压力缸而在垂直方向上运动。
发明内容
本发明的目的是提供一种钻进设备，利用这种设备就可以通过低成本的结构来有效地进行需要有特别大动力的钻进操作。此外，本发明的另一目的是提供一种用于将钻探件引入到土壤中的有效的方法。
关于装置方面的目的可通过这样一种用于将钻探件引入到土壤中的钻进设备来实现，其包括支撑在钻架上以引入钻探件的旋转驱动装置，以及具有可通过至少一个工作缸体而被转动的夹头的夹头转动装置。关于方法方面的目的可通过其中由夹头转动装置来将扭矩施加到钻探件上的方法来实现。在下文中还阐述了本发明的优选根据本发明的钻进设备的特征在于，设置了至少两个夹头转动装置，它们可与钻探件相接合以实现扭矩传递。本发明的基本思想在于，除了施加到通常由液压电动机构成的旋转驱动装置上之外，扭矩还施加到钻探件上，或者，扭矩仅由两个夹头转动装置来施加。因此，除了正常的旋转驱动之外，至少可在一些特定时间点处在钻探件上施加额外的扭矩加强。钻探件可以是在引入后可从钻孔中再次抽出的钻具、将被引入的支撑套管，或者是直接用作地基件并留在土壤中的螺旋钻孔桩或锚固件。
使用带有工作缸体以使其自身转动的夹头可允许在有限的转动角度下产生非常大的扭矩。由于经验表明，在钻进期间，最大钻进扭矩并不需要存在于整个钻进期间内，而是只需在非常有限的时间点处针对峰值载荷而存在，因此对于正常的钻进扭矩来说，钻进设备的驱动装置能够以成本效率合算的方式来设置。为了渡过存在有扭矩峰值的期间，可以使用夹头转动装置。
关于这一点，根据本发明，为了实现扭矩传递，夹头转动装置可以同时地和/或在时间上相互错开地与钻探件接合。作为所述至少两个夹头转动装置在时间上明确错开的操作的结果，就可在调整出更加均匀的扭矩加强，在某些情况下甚至可调整出准连续的钻进操作，而这与夹头转动装置的有限转动角度无关。在存在有非常高的特定扭矩峰值时，原则上应当同时操作所述若干个夹头转动装置，以便使最大扭矩相应地增加。
为了实现夹头转动装置的所需同步，根据本发明提供了联接器，通过它便可协调夹头转动装置的运动。联接器可由机械联接器构成，当在扭矩加强期间沿着钻进方向移动其中一个夹头转动装置时，同时会使处于相应的自由运动位置中的第二夹头转动装置复位到其起始位置。因此，第二夹头便可随后夹紧钻探件，在钻探件被驱动到土壤中时在钻探件上施加扭矩，或者，第一夹头转动装置通过联接器尤其是连杆来复位。除了这种纯机械式的联接器之外，还可以设置受控操作的电子联接器。为了使带有钻探件的单个夹头转动装置移动，设置了单独的操作装置如液压工作缸，其由中央控制装置按照预定的程序来控制，以便实现所需的同步。连杆本身也可设计成工作缸体，尤其是液压缸。
根据本发明，夹头转动装置优选固定在钻架的下端部分上。即使钻探件几乎完全地插入到土壤内，这也允许实现扭矩加强。
根据本发明所实现的一项有效的钻进操作是，夹头转动装置在钻进方向上被可枢轴转动地和/或可动地支撑。结果，即使在钻探件的进给运动期间，扭矩加强也可以作用在钻探件上。
本发明的另一实施例的特征在于，夹头具有两个夹紧爪，它们可通过夹紧缸体而在夹紧位置和自由运动位置之间进行调节。可调节的夹头允许在整个长度上夹紧钻探件，还能够补偿钻探件的直径差异。夹紧爪可适配于相应的夹紧件，以便在夹紧位置中保证良好的传动力，并在自由运动位置中维持距钻探件的充足距离。夹头转动装置的夹紧缸体和工作缸体优选设计为液压缸，其能够产生非常大的作用力。
最后，根据本发明设置了控制装置，旋转驱动装置、进给驱动装置和夹头转动装置可通过该控制装置而以协调的方式工作。因此，控制装置能够使连续式旋转驱动装置、尤其是液压电动机与非连续式夹头转动装置协调地工作。
根据本发明的方法的特征在于，设置了至少两个夹头转动装置，通过该夹头转动装置便可将扭矩施加到钻探件上。通过这种结构相对简单的钻进设备，就可通过这些夹头转动装置以简单的方式在钻探件上施加相对较大的扭矩。
关于这一点，根据本发明，夹头转动装置可以同时地和/或在时间上相互错开地将扭矩传递给钻探件。因此，通过该夹头转动装置，就可以实现特别大的最大扭矩或更均匀的扭矩加强，或者甚至可实现准连续的钻进操作。
本发明的另一优选实施例基于这样的事实，即在扭矩传递期间，夹头转动装置可沿着钻进方向至少部分地与钻探件一起运动，直到所述夹头转动装置复位到其起始位置时为止，并且其中一个夹头转动装置可与钻探件一起运动，而另一夹头转动装置复位到其起始位置。作为单个夹头转动装置的这种错开操作模式的结果，可以调整出改进的扭矩加强，而这与有限的转动角度无关。根据夹头转动装置的转动角度以及它们的可能总计为两个以上的数量，就可以实现准连续的转动操作。
为了协调不连续的和连续的驱动装置或者使它们同步，根据本发明，对于旋转驱动装置的旋转而言，可通过协调的方式来控制钻探件的进给运动以及夹头转动装置的操作。这可以通过一般由计算机构成的中央控制装置来实现。
此外，根据本发明，扭矩加强仅在特定的时期才进行，尤其是在最终钻进阶段的期间。当钻探件钻入到土壤中时，扭矩载荷随钻进深度的增加以及摩擦表面的增大而增加。因此，扭矩加强优选在最终阶段进行，以便在该时间点处也能保证可靠的转动运动。
一般来说，钻探件可由能够再次从钻孔中取出的钻具构成，例如钻探螺杆或任何其它能够以连续或非连续方式工作的钻具或支撑套管。然而，根据本发明，优选使用螺旋桩、尤其是具有锥形螺旋尖端的螺旋桩来用作钻探件。尤其是在这种带有螺杆螺纹的基桩的钻入期间，通常必须施加很大的扭矩，这是因为有相当大量的土壤被排出，因此产生了很大的表面摩擦。
本发明的另一实施例在于，在进行地基测量时，应驱动螺旋桩穿过松散土层直至实心土层，并进行扭矩加强以便将其引入到实心土层中。因此，通过旋转驱动装置，螺旋桩便可螺旋式穿过松散土层，并在钻孔加固机的帮助下有效地锚固于实心土层中。
在下文中将通过由附图示意性示出的优选实施例来描述本发明。在附图中图1是显示了包括有夹头转动装置的钻进设备的侧视图；图2是显示了根据本发明的夹头转动装置的顶视图；和图3是显示了具有机械联接器的两个夹头转动装置的设置的侧视图。
具体实施例方式
图1所示的钻进设备10具有设计成履带的钻架车20，在其上铰接了钻架14，该钻架可枢轴转动地铰接于水平传送位置和所示出的垂直工作位置之间。钻架14可通过已知的方式并通过液压缸而枢轴转动，其被设计成所谓的导杆，并带有固定的钻架基部16，在钻架基部16上可滑动地支撑了包括有可动装置的可动钻架15。
在可动钻架15上通过进给驱动装置26可滑动地支撑了旋转驱动装置12，该旋转驱动装置用于驱动这里未示出的钻探件。在钻架14的下端设置了夹头转动装置，为更清楚起见，在图1中只显示了一个夹头转动装置30。
在图2中显示了带有夹头32的转动装置30的基本结构，夹头32包围了钻探件50。图2所示的夹头32处于可自由运动的位置，其中夹头32与被包围的钻探件50的所有侧面均间隔开，使得钻探件50可穿过夹头32而在钻进方向上自由地运动，该钻进方向垂直于图面延伸。
夹头32包括弧形的夹头基体31，在其两端处分别可枢轴转动地铰接了夹紧爪33，34。这两个夹紧爪33，34的自由端设置成彼此相对，并通过夹紧缸体46相连。通过使夹紧缸体46收回，夹紧爪33，34便可彼此相对地运动，因此便可与钻探件50建立起强制锁定连接。
夹头基体31经由长度可调节的支撑臂38并通过支承轴承40而固定在钻架14上。对于万向悬架来说，支承轴承40具有水平枢销42，其可旋转地支撑在支承块45中。在水平枢销42上设有垂直定向的垂直枢销44，在该枢销44上可枢轴转动地支撑了支撑臂38的朝向钻架的端部以及两个工作缸体35，36的朝向钻架的端部。工作缸体35，36用于使夹头32相对于支承轴承40转动，并且工作缸体35，36的朝向夹头的端部分别在其中夹紧爪33，34也支撑于夹头基体31上的位置点处可枢轴转动地支撑于夹头基体31上。
支承轴承40使得夹头32能够在钻探件50沿钻进方向运动时随从被夹紧的钻探件而运动。当在钻进操作期间钻探件50产生进给运动时，处于夹紧位置中的夹头32与其工作缸体35，36一起随从钻探件50朝向土地的运动。在夹紧缸体46打开之后，夹头32通过重新开始的转动操作来向上复位。
在图3所示的示意图中，第一夹头转动装置30和第二夹头转动装置70沿着钻进方向一个设置在另一个之上，它们均只是部分地示出。两个夹头转动装置30，70的基本结构均对应于结合图2所作的描述，不同之处在于到钻架上的连接。
两个夹头转动装置30，70均安装到摇臂84上，摇臂84围绕着水平轴线可枢轴转动地支撑在支承块82上，而支承块82又固定在横梁形承载件80a或80b上。在图3所示的停止位置中，两个横梁形承载件80a，80b均处于水平，并且通过相应的水平枢轴承86而被可动地支撑在基部框架88上。基部框架88固定地连接到钻进设备的钻架上。
为了机械式地协调两个夹头转动装置30，70的运动或者使它们的运动同步，设置了连杆90，其一方面铰接到上承载件80a上的水平枢轴承86和支承块82之间。另一方面，连杆90铰接到下承载件80b的杠杆臂81上。杠杆臂81以刚性的方式设计在横梁形承载件80b上，但是通过背离水平枢轴承86的方式而在与承载件80b相反的方向上延伸。
由于连杆90的对角线式地联接，因此就可以实现在上承载件80a的向下枢轴转动的期间下承载件80b同时地向上枢轴转动。或者，下承载件80b再次向下枢轴转动，同时上承载件80a向上复位。作为两个夹头转动装置30，70的枢轴转动的这种协调的结果，可以实现更加均匀的扭矩加强。因此，在通过夹头转动装置30来进行扭矩加强的期间，处于其夹紧位置中的夹头转动装置30可沿着钻进方向与钻探件一起枢轴转动，而处于其自由运动位置中的另一夹头转动装置70枢轴转动回到其向上的起始位置。之后，两个夹头转动装置30，70的夹紧位置可以改变，使得钻探件的进给运动使之后被夹紧的第二夹头转动装置70向下运动，而处于其自由运动位置中的上方的第一夹头转动装置30同时复位到其起始位置。
权利要求
1.一种用于将钻探件引入到土壤中的钻进设备，包括支撑在钻架上以引入所述钻探件的旋转驱动装置，以及具有可通过至少一个工作缸体而被转动的夹头的夹头转动装置，其中，设置了至少两个所述夹头转动装置，和所述夹头转动装置可与由所述旋转驱动装置所驱动的钻探件相接合，以便加强扭矩。
2.根据权利要求1所述的钻进设备，其特征在于，所述夹头转动装置可同时地和/或在时间上相互错开地与所述钻探件接合，以便实现扭矩传递。
3.根据权利要求1所述的钻进设备，其特征在于，设置了可通过它来协调所述夹头转动装置的运动的联接器。
4.根据权利要求1所述的钻进设备，其特征在于，所述夹头转动装置固定在所述钻架的下端部分上。
5.根据权利要求1所述的钻进设备，其特征在于，所述夹头转动装置可在所述钻进方向上被可枢轴转动地和/或可动地支撑。
6.根据权利要求1所述的钻进设备，其特征在于，所述夹头设有两个夹紧爪，所述夹紧爪可通过夹紧缸体而在夹紧位置和自由运动位置之间进行调节。
7.根据权利要求1所述的钻进设备，其特征在于，设置了控制装置，所述旋转驱动装置、进给驱动装置和夹头转动装置可通过所述控制装置而以协调的方式工作。
8.一种尤其是通过根据权利要求1所述的钻进设备来将钻探件引入到土壤中的方法，其中通过夹头转动装置来将扭矩施加到所述钻探件上，设置了至少两个所述夹头转动装置，通过所述夹头转动装置来在时间上相互错开地将扭矩施加到所述钻探件上。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在扭矩传递期间，所述夹头转动装置可至少部分地与所述钻探件一起运动到所述钻进方向上，直到它们复位到其起始位置时为止，和其中一个所述夹头转动装置可与所述钻探件一起运动，而另一所述夹头转动装置复位到其起始位置。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述旋转驱动装置的旋转、所述钻探件的进给运动以及所述夹头转动装置的操作可通过协调的方式来进行控制。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述扭矩加强仅在特定的时期才进行，尤其是在最终钻进阶段期间进行。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，采用螺旋桩、尤其是具有锥形螺旋尖端的螺旋桩来用作所述钻探件。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在进行地基测量时，驱动所述螺旋桩穿过松散土层直至实心土层，并进行扭矩加强以便引入到实心土层中。
全文摘要
本发明涉及一种钻进设备和一种用于将钻探件引入到土壤中的方法，该钻进设备包括支撑在钻架上以引入钻探件的驱动装置，以及具有可通过至少一个工作缸体而被转动的夹头的夹头转动装置。为了提高扭矩传递，设置了至少两个夹头转动装置，所述夹头转动装置可与钻探件相接合以传递扭矩。
文档编号E21B19/00GK1637229SQ20041001150
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月23日 优先权日2003年12月23日
发明者N·格拉斯, P·J·昂莱尔特 申请人:包尔机械有限公司