十字型冲击钻头结构、含有该结构的旋挖机钻头及其应用的制作方法

本发明属于钻探技术的旋挖钻机领域，具体涉及一种十字型冲击钻头结构、含有该结构的旋挖机钻头及其应用。
背景技术：
：目前的旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中进行成孔作业的施工机械，主要适用于砂土、粘性土和软质易碎的岩层等土地施工，广泛应用于公路桥梁、高层建筑等地的基础施工工程。但是，目前的旋挖钻机钻头无法应对较为复杂的地质岩层，传统的钻头存在机械冲击力度弱、钻孔作业效率低下，经济性能较差等缺点，无法满足用户对各种地质岩层的钻孔要求。传统旋挖钻机的钻头主要有两种，一种是双底门截齿钻头，但是当该钻头钻入坚硬岩层时，由于岩层硬度较大，钻头冲击力度小，无法插入岩层内部进行挖取，通常只能在岩层表面做研磨状态钻进，钻进速度十分缓慢；而且在长时间、高强度、高压力的钻进作业中很容易对设备本身造成损坏，会加大钻头检修的频率，而且还会进一步浪费材料、延长作业时间与增加人力成本，降低了人工效率；另一种是桶钻岩芯，该种钻头在钻孔作业时需要多次反复取芯，且一次性取芯只能针对一米及一米以下的孔径，对孔径达一米以上的只能采用多次分层取芯，且不论孔径大小，分多次取芯的取芯成功率较低，岩芯很容易落于孔底，且岩芯易碎裂，当岩芯掉落孔底及岩芯碎裂后，不利于后续的钻孔作业，且再次处理十分麻烦，不仅费时、费力，而且工作的风险大、成功率低，很容易造成岩芯既取不出来，又难以破碎的情况。为了解决传统的旋挖机钻头存在的问题，国内外研发者生产出了一种风动冲击锤或气动冲击锤，其原理是采用气动冲击或风动冲击提供较强冲击力的方法，该方法在一定程度上提高了传统钻头的工作效率和冲击强度，但是气动冲击锤存在较大安全隐患，工作过程中容易产生火花且一旦产生火花气动冲击很容易发生爆炸；而风动冲击锤的设备造价较高，约300万人民币以上每台/套，并且需要额外增加施工成本(比如：耗电，耗油)和工作人员成本等，另外需要高千瓦电能或者柴油机组来传递动能；并且需要宽阔的场地摆放设备及人员工作空间；同时风动冲击锤只能完成干孔作业，不能完成水下孔内作业，因为风动锤是依靠风压力，将被破碎后的岩渣吹起上扬，再掉落入锤上端的储渣筒内，如果孔内有水它将无法完成取出渣土；且该冲击锤操作过程复杂，因为冲击锤上带有高压气管，为风动冲击锤输送高压气体，使锤产生动力，在起钻和下钻时高压气管需要与锤一同上下，此时还需要人工或者机械帮助完成，钻孔越深越困难；并且该风动冲击锤在机械结构方面也过于复杂，维修、保养也费时费力，且经济性极低，无法大面积推广使用。因此，急需对现有的钻头结构进行改进，开发出一种适合岩层开孔的钻头，既能解决传统的钻头工作效率低下、冲击力度较弱的问题，又能具备结构简单，操作方便，成本低廉，安全隐患小，且无需反复检修的特点。技术实现要素：针对现有的旋挖钻机技术上的不足，本发明的目的之一在于提供一种十字型冲击钻头结构，该钻头结构简单，使用方便，将其用于旋挖机钻孔作业时，能够收集旋挖机自身转动的能量，增加钻孔的冲击力度，起到节约能源，减少资源浪费的作用，并通过机械式反复循环的冲击能有效提高钻头的工作效率，采用水平方向旋转力和垂直方向冲击力的结合形成十字型的钻孔冲击力度，加快孔的钻进速度，并且降低了成本，在检修时省时省力，且机械式钻头结构安全隐患小，不会发生爆炸等危险。为了达到上述的目的，本发明所采用的技术方案是：一种十字型冲击钻头结构，该钻头结构包括从下到上依次安装的钻头体、卡孔壁稳定盘、砸击体和弹性装置；所述钻头体包括钻体和与钻体上表面中心部位呈垂直一体连接的钻头方头，所述钻头方头呈圆柱状，钻头方头外壁上下依次设有第一压力盘和第二压力盘，所述钻体上表面以钻头体圆心呈中心对称分布有多个呈楔子状的凸块；所述卡孔壁稳定盘呈圆环且位于第一压力盘和第二压力盘之间，卡孔壁稳定盘中间设有供钻头方头穿过的钻头方头穿越孔，卡孔壁稳定盘侧壁内嵌有多个可旋转活动的卡孔装置，卡孔壁稳定盘上还设有砸击杆穿越孔；所述砸击体包括基础锤和砸击杆，所述基础锤贯穿安装在钻头方头上部，基础锤中间设有供钻头方头穿过的钻杆穿越孔，基础锤底部固定有与所述砸击杆穿越孔相对应的砸击杆；砸击体上固定连接有弹性装置。传统的旋挖机钻头大多是通过具有尖形的钻头发生高速旋转从而向岩层内部进行深入，但是这种结构仅仅靠水平方向的旋转力很难在短时间内对硬质岩层进行钻孔，而本发明提供的钻头结构不仅具备水平方向的旋转冲击力，还在垂直方向上产生了向下的冲击力，进而形成了一种十字型的冲击力度，能够快速钻入复杂的硬质岩层，从而达到钻孔的高效和满足钻孔的深度。本发明能够在钻头体进行快速旋转时，借住于钻头体自身旋转的惯性和动力，通过呈楔子状的凸块自行将基础锤底部的砸击杆顶起，砸击杆带动基础锤向上运动，将钻头体的动能转化为砸击体的势能，另外，砸击体上连接的弹性装置会随着砸击体的上升而发生形变，从而产生一定的弹性势能，而在砸击体越过凸块之后，由于砸击体自身的重力作用，再加上弹性装置产生的弹力作用，会给砸击体一个巨大的向下冲击的力，而此时砸击体直接砸向钻头体，带动钻头体顺利地向下钻入岩层；通过在不断旋转过程中多个凸块共同产生的势能和弹性装置产生的弹性势能，从而在水平方向的旋转冲击力的基础上在竖直方向上也形成了强大的向下冲击力，这种十字型的冲击力度能够大大提高钻头体下钻的动力，并提高了钻孔效率。本发明上述钻头结构的卡孔壁稳定盘以圆环形为佳，但是也可将其设计成十字型卡孔壁稳定盘或者方形的卡孔壁稳定盘，十字型卡孔壁稳定盘也能在钻出孔之前具备较好的将钻头卡在岩层壁上的效果。作为优选的方案，本发明中的凸块选定为18-36个，砸击杆穿越孔设定为8-12个，砸击杆穿越孔以卡孔壁稳定盘的中心点呈中心对称分布，能够在使用过程中具备很好的冲击力和提高钻孔效率，但有必要指出的是，本发明并不限定凸块的数量以及砸击杆穿越孔的数量和对称分布，只要其能行使该结构的相应功能即可。进一步的是，所述弹性装置为多根拉伸式弹簧；所述卡孔壁稳定盘上表面边缘设有10-20个以卡孔壁稳定盘圆心呈中心对称的第一挂钩，所述基础锤上方设有与第一挂钩相对应的第二挂钩，所述拉伸式弹簧均呈倾斜角度连接在第一挂钩和第二挂钩上；钻头体在旋转时，通过呈楔子状的凸块将基础锤底部的砸击杆顶起，通过拉伸式弹簧施加弹力，再加砸击体自身的重力，砸击杆通过凸块后直接砸向钻头体，从而为钻头的钻进提供更多的冲击力；而拉伸式弹簧的倾角式设计，能够给与更大的弹性形变空间，从而提供充足的弹性冲击力度，且一定程度上能减缓砸击杆与凸块之间的磨损。进一步的是，所述弹性装置为多根压力式弹簧；所述基础锤上方设有弹簧限位盘，所述弹簧限位盘上设有多个以弹簧限位盘圆心呈中心对称的穿孔，所述弹簧限位盘套在钻头方头上，钻头方头侧壁还设有对弹簧限位盘起限位作用的第三压力盘，第三压力盘位于弹簧限位盘上方；基础锤在竖直方向上设有与穿孔相对应的导向孔，所述导向孔底部固定有导向杆，所述导向杆由导向孔穿过穿孔并向外延伸，所述压力式弹簧套在导向杆上，压力式弹簧顶部和底部分别与弹簧限位盘和基础锤底部接触；钻头体在旋转时，通过呈楔子状的凸块将基础锤底部的砸击杆顶起，通过压力式弹簧施加弹力，再加砸击体自身的重力，砸击杆在通过凸块后直接砸向钻头体，通过往复循环的冲击力提高钻头体下钻的动力。进一步的是，所述卡孔装置为偏心块，每个偏心块均通过销钉旋转固定在卡孔壁稳定盘侧壁，且偏心块上均设有与卡孔壁稳定盘连接的回位弹簧；当钻杆旋转时，卡孔壁稳定盘会随着钻头一起旋转，与此同时卡孔壁稳定盘上的多个偏心块会随之向外扩张，扩张后会由于摩擦力卡在孔壁上，此时卡孔壁稳定盘卡在孔壁上不做旋转运动，砸击体上的砸击杆在卡孔壁稳定盘上的砸击杆穿越孔上进行往复的上下移动对钻头体进行冲击，当不需要冲击时，只需将钻头反转，偏心块便泄力脱离孔壁。进一步的是，所述凸块上表面均设有滚轮；当凸块带动砸击杆向上移动时，通过滚轮的滑动减小了装置的摩擦力，延长了装置的使用年限。进一步的是，所述基础锤上设有组合锤，基础锤上设有螺杆，组合锤套在螺杆上并进行固定；可通过不同数量的组合锤来增加砸击体的重量，从而增加该结构结构的往复冲击力，达到更好的冲击效果。进一步的是，所述钻头体下方设有用于收集岩石渣的钻筒，可以在钻孔过程中将产生的岩石渣从孔内带出。进一步的是，所述钻筒有三个，由外而内依次包括第一钻筒、第二钻筒和第三钻筒，三个钻筒底部均设有均匀布置的钻齿，所述第三钻筒中心设有定位钻，所述定位钻下端设有多个钻齿，所述定位钻由钻头体底部向下延伸并伸出钻筒外；该钻头体采用多层钻筒结构进行取芯，减少了传统取芯钻筒的表面积，增加了取芯钻孔的动力，并且通过中间的定位钻能达到良好的定位效果，可避免发生偏孔现象。本发明的目的之二在于提出一种含有该结构的旋挖机钻头。可以将钻头直接安装在旋挖机上使用，能够替代旋挖机传统的现有钻头。本发明的目的之三在于提供上述钻头在旋挖机钻孔方面的应用，可以很好的用于旋挖机钻孔作业，且特别适用于硬质岩层的钻孔作业，另外也可以在其它钻孔工具上进行钻孔使用。本发明的有益效果如下：(1)本发明提供的钻头结构及其钻头，用于旋挖机钻孔作业时，将水平旋转力与垂直冲击力结合形成十字型的下钻动力，具备冲击力度大，钻进速度快，工作效率高，节约能耗的优点；(2)本发明的钻头结构，具备结构简单，成本低廉，检修方便，能够在不需要额外添加风力装置和风管输送装置等条件下即具备很强的冲击力；(3)本发明的钻头结构，能够收集旋挖机自转时多余的能源，实用了能源的重复利用化，很好地节约了能源资源。附图说明图1是实施例1的整体结构示意图；图2是实施例1的卡孔壁稳定盘俯视图；图3是实施例1的砸击体的结构示意图；图4是实施例1的钻头体的结构示意图；图5是实施例2的整体结构示意图；图6是实施例2的卡孔壁稳定盘俯视图；图7是实施例2的砸击体的结构示意图；图8是实施例2的钻头体的结构示意图；图9是实施例3的整体结构示意图；图10是实施例3的钻头体正面局部剖视图；图11是实施例3的钻头体仰视局部剖视图；图12是实施例4的整体结构示意图；图13是实施例5的整体结构示意图；图14是实施例5的开启底门压力盘装置的结构示意图；图15是实施例6的卡孔壁稳定盘的侧视图；图16是带有滚轮的凸块的示意图；图17是十字型的卡孔壁稳定盘俯视图。图中：1、钻头体；2、卡孔壁稳定盘；3、砸击体；4、弹性装置；5、钻体；6、钻头方头；7、第一压力盘；8、第二压力盘；9、凸块；10、偏心块；11、钻头方头穿越孔；12、砸击杆穿越孔；13、第一挂钩；14、销钉；15、基础锤；16、砸击杆；17、第二挂钩；18、组合锤；19、螺杆；20、螺帽；21、钻杆；22、导向孔；23、导向杆；24、弹簧限位盘；25、第三压力盘；26；第一钻筒；27、第二钻筒；28、第三钻筒；29、定位钻；30、钻齿；31、穿孔；32钻杆穿越孔；33、底门；34、固定挂钩；35、底门开关连杆；36、开启盘；37、压力支柱；38、倒扣；39、锁止柱；40、中心钻；41、滚轮。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述
发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。实施例1在实施例1中，参照图所示，十字型冲击钻头结构，该钻头结构包括由下往上依次连接的钻头体1、卡孔壁稳定盘2和砸击体3；砸击体3与卡孔壁稳定盘2之间通过多个拉伸式弹簧连接；钻头体1包括钻体5和固定钻杆21的钻头方头6，所述钻头方头6与钻体5上表面中心部位垂直连接，钻头方头6外壁设有第一压力盘7和第二压力盘8，所述钻体5上表面以钻头体1圆心呈中心对称分布有18-36个呈楔子状的凸块9；卡孔壁稳定盘2呈圆环且位于第一压力盘7和第二压力盘8之间，卡孔壁稳定盘2中间设有供钻头方头6穿过的钻头方头穿越孔11，卡孔壁稳定盘2侧壁内嵌有多个以卡孔壁稳定盘2圆心呈中心对称的偏心块10，所述偏心块10可旋转活动，卡孔壁稳定盘2上设有8-12个以卡孔壁稳定盘2圆心呈中心对称的砸击杆穿越孔12，卡孔壁稳定盘2上表面边缘设有10-20个以卡孔壁稳定盘2圆心呈中心对称的第一挂钩13；砸击体3包括基础锤15和砸击杆16，所述基础锤15中间设有供钻杆21穿过的钻杆穿越孔32，基础锤15底部固定有与砸击杆穿越孔12相对应的砸击杆16，基础锤15上方设有与第一挂钩13相对应的第二挂钩17，所述拉伸式弹簧均倾斜连接在第一挂钩13和第二挂钩17上。所述偏心块10均通过销钉14旋转固定在卡孔壁稳定盘2侧壁，且偏心块10与卡孔壁稳定盘2通过回位弹簧连接。所述凸块9上表面均设有滚轮41，当凸块9带动砸击杆16向上移动时，节省了装置的摩擦力。所述钻头体1底部设有带钻齿的中心钻40，所述中心钻40可防止在钻孔作业中产生偏孔现象，可有效冲击和破坏岩层。为了节省材料，可将卡孔壁稳定盘2设置成十字型结构，具体如图17所示。本实施例在具体实施时，将该结构的钻头放入孔中，钻杆21带动钻头体1旋转进行钻进作业，同时卡孔壁稳定盘2旋转，与此同时卡孔壁稳定盘2上的多个偏心块10被带动，偏心块10随之向外扩张，扩张之后由于摩擦力的作用卡在孔壁上，此时卡孔壁稳定盘10处于不被钻杆21带动旋转的状态下，砸击体3上的多根砸击杆16穿过了卡孔壁稳定盘2上的砸击杆穿越孔12，此时砸击体3在卡孔壁稳定盘2的约束下，也不做旋转运动，钻杆21带动钻头体1旋转钻进的同时，钻头体1上表面部的凸块9及滚轮41将砸击杆16向上挤压，同时使砸击体3向上移动，并且拉伸砸击体1与卡孔壁稳定盘2之间的拉伸式弹簧，砸击杆16运行到凸块9的最高点，此时砸击体3与拉伸式弹簧储存了大量能量，钻头体1继续旋转，砸击杆16突然从凸块9的最高点砸击到钻头体1的上表面，此时之前砸击体2的重力与弹簧储存的弹力瞬间释放能量，砸击杆16对钻头体1进行砸击，钻头体1受力对孔底岩层进行破碎，一直重复工作将下部岩层破碎，砸击杆16压住钻头体1持续向下，钻头方头6处的第一压力盘7和第一压力盘8稳住卡孔壁稳定盘2也同时带动卡孔壁稳定盘2向下运行，此时砸击体1等各部件也都向下运行，当钻进到一定深度，钻机停止旋转，并做反向运转，此时卡孔壁稳定盘2随钻头做反向运转，卡孔壁稳定盘2上的偏心块10泄力，从孔壁上松脱，起钻到地面卸掉岩渣，再次下钻周而复始。实施例2在实施例2中，将实施例1中的拉伸式弹簧改为压力式弹簧，同时实施例1中的弹簧连接结构做如下改动：在基础锤15上方增加弹簧限位盘24，在弹簧限位盘24上设有多个以弹簧限位盘24圆心呈中心对称的穿孔31，弹簧限位盘24套在钻头方头6上，钻头方头6侧壁还设有对弹簧限位盘24起限位作用的第三压力盘25，第三压力盘25位于弹簧限位盘24上方；基础锤15在竖直方向上设有与穿孔31相对应的导向孔22，导向孔22底部固定有导向杆23，导向杆23由导向孔22穿过穿孔31并向外延伸，压力式弹簧套在导向杆23上，压力式弹簧顶部和底部分别与弹簧限位盘24和基础锤15底部接触。实施例2与实施例1不同的是，实施例1靠的是拉伸式弹簧的拉力和砸击体3的重力对钻头体1进行反复敲击从而加大钻头的效率与速度，而实施例2靠的是压力式弹簧的压缩力和砸击体3的重力推动砸击杆16对钻头体1进行反复敲击从而加大钻头的工作效率。当实施例1和实施例2的钻头体1均不含有钻筒时，其排渣方式主要是采用泵抽法和浮浆法将钻孔时所产生的岩渣排出孔外。实施例3在实施例3中，在实施例1或实施例2的基础上，在钻头体1下端增加钻筒结构，所述钻头体1下方设有三个收集岩石渣的钻筒，由外而内依次包括第一钻筒26、第二钻筒27和第三钻筒28，三个钻筒底部均设有均匀布置的钻齿30，所述第三钻筒28中心设有定位钻29，所述定位钻29下端设有多个钻齿30，所述定位钻29由钻头体1底部向下延伸并位于三个钻筒下方。该钻头体1采用分层多筒式结构钻筒，在分层多筒式钻头进行钻进时，可同时对岩层内外进行破碎，在钻进到一定深度之后可同时对内外层岩心同时捞取，相对于传统钻头，更为方便，省时省力，减少了传统取芯钻筒的表面积，增加了取芯钻孔的动力，并且通过中间的定位钻29能达到良好的定位效果，可避免发生偏孔现象。实施例3中的定位钻29和实施例1中的中心钻40作用一样。实施例4在实施例4中，在实施例1-3的基础上，在砸击体1上增加组合锤18，所述基础锤15上设有组合锤18，基础锤15上设有螺杆19，组合锤18套在螺杆19上并通过螺帽20进行固定；可通过添加不同数量的组合锤18来增加砸击体3的重量，从而增加该结构的往复冲击力，达到更好的冲击效果。实施例1-4中的钻头在具体使用时均能达到良好的冲击效果，相比传统旋挖钻头在钻岩层时具有更高的效率，并且进尺速度更快，相对国外的冲击锤结构和操作更为简单，设备制造成本更低。实施例5在实施例5中，将实施例3的钻筒改为带有底门33的钻筒，底门33上设有固定挂钩34，钻筒内设有底门开关连杆35，所述底门开关连杆35上端延伸至钻筒上表面，下方设有倒扣38与固定挂钩35相扣合；该钻头结构还包括开启底门压力盘装置，所述开启底门压力盘装置包括开启盘36和4个压力支柱37，4个压力支柱37均穿过基础锤15和卡孔壁稳定盘2，开启盘位于4个压力支柱37下方。在需要开启底门33排渣时，利用动力装置将压力支柱37往下压，通过压力支柱37带动开启盘36压动底门开关连杆35，从而让倒扣38与固定挂钩35脱离使得底门33开启；当排渣结束后，直接松开压力支柱37，便可使得倒扣38与固定挂钩35重新扣合，底门33关闭。实施例6在实施例6中，将实施例1-5的钻头结构进行改进，在卡孔壁稳定盘2上添加两个以卡孔壁稳定盘2中心呈中心对称的锁止柱39，在由地面刚开始进行钻孔时，可通过外界的锁止连杆或者其他装置将两个锁止柱39进行固定，从而在地面上钻孔时也可达到卡孔壁稳定盘2保持不旋转、砸击体3产生冲击力的的效果，等到卡孔壁稳定盘2完全进入孔中时，可将锁止柱39松开，让卡孔壁稳定盘2侧壁的偏心块10作用。应用例1将本发明实施例1-4中的钻头和传统的钻头与国外的风动冲击锤用于旋挖机岩层钻孔作业，选择相同的岩层地带，以平均工作1小时计算其钻孔深度，所得结果如表1所示(其中，实施例4中组合锤的重量和基础锤相等)：表1由表1中可得出：实施例1-4中相比传统旋挖钻机和风动冲击锤在相同时间内能钻动更深的岩层，并且实施例4(带有组合锤)的冲击效果更明显，同时在相对风动冲击锤采用结构更简单、成本更低的情况下，也能在相同的时间钻至更深的岩层，由于风动冲击锤结构复杂，其在进行作业时，定期消耗的辅助时间较长。应用例2将本发明实施例1-4中的钻头和传统的钻机与国外的风动冲击锤用于旋挖机岩层钻孔作业，选择相同的岩层地带，以钻孔深度均达5m时分别计算其所需时间，其结果如表2所示(其中，实施例4中组合锤的重量和基础锤相等)：表2类型传统旋挖钻头风动冲击锤实施例1实施例2实施例3实施例4时间(h)310.780.70.640.56由表2中可得出：实施例1-4中相比传统旋挖钻机在钻动相同深度岩层的情况下所花费的时间更少，并且实施例4(带有组合锤)效果更明显，同时在相对风动冲击锤采用结构更简单、成本更低的情况下，也保证在更短的时间钻至相同深度的岩层。应用例3将本发明实施例1-4中的钻头和传统的钻机与国外的风动冲击锤用于旋挖机岩层钻孔作业，选择相同的岩层地带，以完成钻孔深度达10m为准，分别计算完成工作量时的耗油量大小，其结果如表3所示其中，实施例4中组合锤的重量和基础锤相等)：表3类型传统旋挖钻头风动冲击锤实施例1实施例2实施例3实施例4耗油量(L)400200100928780由表3中可得出：实施例1-4所消耗的油耗成本比传统旋挖钻机低很多，同时比美国风动冲击锤的油耗成本降低了一倍以上，在实施例1-4在能达到更好的效果的情况下，其整体生产成本大大低于风动冲击锤的生产成本。另外本发明的整体制造成本也较低，仅仅是在传统旋挖机的钻头结构上进行改进，无需彻底改变其结构和工作方式，且本发明在较低成本的前提下，进一步保证大大提升了钻进效率，产生了巨大的钻进冲击力效果；本发明相比于美国的风动冲击锤而言，在很好保障了钻孔力度和钻孔效率的前提下，大大降低了设备的整体制造成本，现有的风动冲击锤的制造成本大约在300万元左右，而本发明的十字型冲击钻头的整体制造成本不到10万元。当前第1页1 2 3