动力头装置、动力头系统和控制方法与流程

本发明涉及建筑施工技术领域，特别是涉及一种动力头装置、动力头系统和控制方法。

背景技术：

高压旋喷灌浆是将底部装有喷嘴的喷射杆在送达地下深处后边旋转边提升，同时泵送高能量流体及水泥浆液，在地下形成一个个孤立的或有一定规则排布的圆柱状水泥土固结体的工艺。为减少费用及提高效率，近年来在如何把喷杆送达地下的环节多采用自成孔方式。

目前高喷灌浆的自成孔方式有重力加压、油缸链条加压和全链条加压三种方式。

其中，重力加压方式是利用动力头的自重压力向下钻进，在遇到硬质地层时，喷杆下沉很慢或者根本难以继续下沉；油缸链条方式是通过油缸的活塞杆伸缩带动链条的上下移动，链条再牵引动力头及喷射杆向下钻进或提起，这种方式提升或下沉力大，但因油缸的往复，卡盘的锁紧松开等浪费的时间较多，致使施工效率降低，甚至在遇到松软土层时，效率远低于重力加压方式；全链条加压方式是通过电机链轮带动链条上升下降，不需频繁上下往复及锁紧松开喷射杆，但链条传动速度较慢，给进力不是太大，且改变链条向上或向下的方向需要执行电机停止再反向启动的过程故较慢。

技术实现要素：

本发明一实施例提供一种动力头装置、动力头系统和控制方法，用于解决常自成孔方式钻头进给力不足、施工效率低下的问题。

本发明实施例第一方面，提供了一种动力头装置，包括提篮外框、推拉组件、动力头组件和连接组件，所述推拉组件的一端与所述提篮外框的顶部连接，所述推拉组件的另一端与所述动力头组件连接，所述动力头组件包括设置于所述提篮外框内部的动力头主体和伸出于所述提篮外框底部的动力头钻头，所述动力头主体的两侧与所述提篮外框的内壁滑动连接，以实现所述动力头主体在所述提篮外框内的升降，所述连接组件设置在所述提篮外框的外壁上，用于与桁架连接，以实现提篮外框与桁架的相对移动或者锁紧状态。

进一步地，所述动力头主体的两侧分别设有第一配合件，所述提篮外框内壁上设有与所述第一配合件相适配的第二配合件，通过所述第一配合件和所述第二配合件实现所述动力头主体与所述提篮外框的滑动连接。

进一步地，所述连接组件包括第一连接件和第二连接件，所述第一连接件和所述第二连接件在所述提篮外框的外壁上相对设置，且所述第一连接件和第二连接件均与所述外壁平行设置；

所述第一连接件包括第一外滚轮和第一伸缩件，所述第二连接件包括第二外滚轮和第二伸缩件，所述桁架上设有与所述第一连接件相适配的第一滑道，以及与所述第二连接件相适配的第二滑道。

进一步地，所述动力头装置包括第一状态和第二状态；在所述第一状态下，所述第一连接件抵住所述第一滑道，所述第二连接件抵住所述第二滑道，使得提篮外框与桁架处于锁紧状态；在所述第二状态下，所述第一连接件脱离所述第一滑道，所述第二连接件脱离所述第二滑道，使得所述第一外滚轮和所述第一滑道相对滑动，所述第二外滚轮和所述第二滑道相对滑动。

进一步地，所述第一连接件还包括第一上缸体和第一下缸体，第一上缸体上设置有第一上连杆；所述第一上连杆的一端设置在第一上缸体内，所述第一上连杆的另一端连接第一伸缩件的上端；第一下缸体上设置有第一下连杆；所述第一下连杆的一端设置在第一下缸体内，所述第一下连杆的另一端连接第一伸缩件的下端；

所述第二连接件还包括第二上缸体和第二下缸体，第二上缸体上设置有第二上连杆；所述第二上连杆的一端设置在第二上缸体内，所述第二上连杆的另一端连接第二伸缩件的上端；第二下缸体上设置有第二下连杆；所述第二下连杆的一端设置在第二下缸体内，所述第二下连杆的另一端连接第二伸缩件的下端。

进一步地，所述连接组件还包括第一驱动缸和第二驱动缸，第一驱动缸上设置有第一左连杆和第一右连杆；所述第一左连杆的一端设置在第一驱动缸内，所述第一左连杆的另一端连接第一伸缩件的上端；所述第一右连杆的一端设置在第一驱动缸内，所述第一右连杆的另一端连接第二伸缩件的上端；

第二驱动缸上设置有第二左连杆和第二右连杆；所述第二左连杆的一端设置在第二驱动缸内，所述第二左连杆的另一端连接第二伸缩件的下端；所述第二右连杆的一端设置在第二驱动缸内，所述第二右连杆的另一端连接第二伸缩件的下端。

进一步地，所述推拉组件为伸缩油缸，所述伸缩油缸包括第二撑杆和第二缸体，所述第二撑杆的一端设置在第二缸体内，所述第二撑杆的另一端与所述提篮外框的框顶固定连接，所述第二缸体与所述动力头组件的顶部固定连接。

进一步地，所述推拉组件包括多个伸缩油缸，所述多个伸缩油缸在所述提篮外框的顶部与所述动力头组件的顶部之间间隔排布。

进一步地，所述提篮外框包括外框主体，所述外框主体为内空的钢结构框架，所述外框主体的顶部设有上滑轮。

本发明实施例第二方面，提供了一种动力头系统，包括桁架和上述动力头装置。

本发明实施例第三方面，提供了一种上述动力头装置的控制方法，包括：

控制所述动力头装置进入第一工作模式，或者，控制所述动力头装置进入第二工作模式；

在所述第一工作模式中，所述提篮外框与桁架处于锁紧状态，所述动力头装置通过自身重力实现钻进；

所述第二工作模式包括第一阶段和第二阶段，在第二工作模式中，所述动力头装置循环执行第一阶段和第二阶段，以实现钻进；

在第一阶段中，所述提篮外框与桁架处于锁紧状态，所述推拉组件施加推力，使得所述提篮外框的顶部与所述动力头组件相互远离，以使动力头组件实现钻进；

在第二阶段中，所述提篮外框与桁架处于相对移动状态，所述推拉组件施加拉力，使得所述提篮外框的顶部与所述动力头组件相互靠近，以使提篮外框向下跟进。

本发明实施例提供的动力头装置、动力头系统和控制方法中，包括提篮外框、推拉组件、动力头组件和连接组件，所述推拉组件的一端与所述提篮外框的顶部连接，所述推拉组件的另一端与所述动力头组件连接，所述动力头组件包括设置于所述提篮外框内部的动力头主体和伸出于所述提篮外框底部的动力头钻头，所述动力头主体的两侧与所述提篮外框的内壁滑动连接，以实现所述动力头主体在所述提篮外框内的升降，所述连接组件设置在所述提篮外框的外壁上，用于与桁架连接，以实现提篮外框与桁架的相对移动或者锁紧状态。

当施工需要时，连接组件将提篮外框锁紧固定在桁架上，推拉组件对所述动力头组件施加推力，以提供足够大的进给力。在遇到软地层时，连接组件解除对提篮外框的锁定，推拉组件不再施加推力，动力头组件依靠自身重力实现进给。本发明提供的进给力充足稳定，钻进方便快捷，适用场景灵活，使得施工效率大大提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种动力头装置的一结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种动力头装置的一侧面示意图；

图3为本发明实施例提供的一种动力头装置的俯视结构图；

图4为本发明一实施例提供的地层柱状图；

其中，图中各附图标记：

10-提篮外框；

20-动力头组件；21-主箱体；22-导流器；23-电动机；24-动力头钻头；

30-推拉组件；31-第二缸体；32-第二撑杆；

40-连接组件；41-第一外滚轮；42-第一伸缩件；43-第二外滚轮；44-第二伸缩件；45-第一驱动缸；451-第一左连杆；452-第一右连杆；461-第二左连杆；462-第二右连杆；

50-内滚轮；

60-桁架；61-第一滑道；62-第二滑道。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

参照图1，本发明一实施例提供了一种动力头装置，包括提篮外框10、动力头组件20、推拉组件30和连接组件40，推拉组件30的一端与提篮外框10的顶部连接，推拉组件30的另一端与动力头组件20连接，动力头组件20包括设置于所述提篮外框内部的动力头主体和伸出于所述提篮外框底部的动力头钻头24，动力头主体的两侧与提篮外框10的内壁滑动连接，以实现动力头主体在提篮外框10内的升降，连接组件设置在提篮外框的外壁上，用于与桁架60连接，以实现提篮外框与桁架的相对移动或者锁紧状态。

在一个具体实施方式中，参照图4，动力头装置在向地下层钻进过程中，当遇上硬质土层，仅凭动力头自身重力无法顺利进给，此时，连接组件开始工作，连接组件将提篮外框10锁紧固定在桁架60上，使得包括提篮外框10和动力头组件20在内的各组件固定，随即推拉组件30开始工作，将动力头钻头24及喷杆向下推送，达到加压钻进的目的。在遇到软地层时，连接组件解除对提篮外框10的锁定，推拉组件30不再施加推力，动力头组件20依靠自身重力实现进给。

在一个具体实施方式中，动力头主体包括主体箱21、导流器22以及容纳二者的外框，这些组件都设置在提篮外框10的内部。

在本实施例中，在常规以重力加压自成孔钻进的动力头装置的基础上，增加了液压加压钻进功能，进给力充足稳定，且该功能可以视钻进的地质情况对动力头装置的钻进方式进行切换，故能够大幅提高自成孔钻进效率，扩大了钻机自成孔施工的应用范围。

在一个实施例中，所述动力头主体的两侧分别设有第一配合件，所述提篮外框内壁上设有与所述第一配合件相适配的第二配合件，通过所述第一配合件和所述第二配合件实现所述动力头主体与所述提篮外框的滑动连接。即在动力头主体的一侧设有第一配合件，在动力头主体的另一侧也设有第一配合件，在提篮外框内壁上和第一配合件位置相对应处设置有第二配合件，且第二配合件与所述第一配合件相适配。可选地，第一配合件为内滚轮，第二配合件为滑槽；或者，第一配合件为滑槽，第二配合件为内滚轮。

优选地，如图1所示，动力头主体的两侧分别设有内滚轮50，提篮外框10内壁上设有与所述内滚轮50相适配的滑槽。可选地，在动力头主体的外框上每一侧的内滚轮50的数量可以是4个、5个、6个、8个或者10个等。在本实施例中，每一侧的内滚轮50的数量优选为8个，内滚轮50对称设置在动力头主体的外框两侧，在推拉组件30工作的过程中，内滚轮50沿滑槽移动。通过设置内滚轮50和滑槽，不仅能对动力头主体起到一个限位的作用，防止动力头组件20位置出现偏移，也能降低工作过程中各组件的磨损。

在一个实施例中，如图2和图3所示，所述连接组件包括第一连接件和第二连接件，所述第一连接件和所述第二连接件在所述提篮外框的外壁上相对设置，且所述第一连接件和第二连接件均与所述外壁平行设置。

具体地，第一连接件和所述第二连接件分别设置在所述提篮外框的外壁上的左右两侧，相对设置。其中，所述第一连接件和第二连接件均与所述外壁平行设置的具体体现为，第一连接件和第二连接件的朝向方向与所述外壁平行。

如图2所示，所述第一连接件包括第一外滚轮41和第一伸缩件42，所述第二连接件包括第二外滚轮43和第二伸缩件44。如图3所示，所述桁架上设有与所述第一连接件相适配的第一滑道61，以及与所述第二连接件相适配的第二滑道62。

可选地，第一外滚轮为2组，且每一组第一外滚轮分别位于所述第一伸缩件的上侧和下侧。第二外滚轮为2组，且每一组第二外滚轮分别位于所述第一伸缩件的上侧和下侧。每一组外滚轮的个数可以为1个、2个或者3个等。

在本实施例中，通过在所述提篮外框的外壁上相对设置第一连接件和所述第二连接件，并且第一连接件包括第一外滚轮和第一伸缩件，第二连接件包括第二外滚轮和第二伸缩件，通过伸缩件和外滚轮和桁架上的滑道(第一滑道和第二滑道)的相互配合，以保证提篮外框与桁架的相对移动或者锁紧状态的很好地实现。

在一个实施例中，所述动力头装置包括第一状态和第二状态；在所述第一状态下，所述第一连接件抵住所述第一滑道，所述第二连接件抵住所述第二滑道，使得提篮外框与桁架处于锁紧状态。在该状态下，动力头装置实现液压加压钻进功能。

在所述第二状态下，所述第一连接件脱离所述第一滑道，所述第二连接件脱离所述第二滑道，使得所述第一外滚轮和所述第一滑道相对滑动，所述第二外滚轮和所述第二滑道相对滑动。在该状态下，动力头装置实现重力加压钻进功能。

在一个实施例中，如图3所示，所述第一连接件还包括第一上缸体和第一下缸体，第一上缸体上设置有第一上连杆；所述第一上连杆的一端设置在第一上缸体内，所述第一上连杆的另一端连接第一伸缩件的上端；第一下缸体上设置有第一下连杆，所述第一下连杆的一端设置在第一下缸体内，所述第一下连杆的另一端连接第一伸缩件的下端。

其中，第一上缸体和第一下缸体可以通过连接件固定在所述提篮外框的外壁上。

所述第二连接件还包括第二上缸体和第二下缸体，第二上缸体上设置有第二上连杆；所述第二上连杆的一端设置在第二上缸体内，所述第二上连杆的另一端连接第二伸缩件的上端；第二下缸体上设置有第二下连杆，所述第二下连杆的一端设置在第二下缸体内，所述第二下连杆的另一端连接第二伸缩件的下端。

其中，第二上缸体和第二下缸体可以通过连接件固定在所述提篮外框的外壁上。

可以理解地，第一上缸体和第二上缸体可以分别位于所述提篮外框的外壁上的两侧，且对称设置。第一下缸体和第二下缸体可以分别位于所述提篮外框的外壁上的两侧，且对称设置。进一步地，第一上缸体和第二上缸体位于所述提篮外框的外壁上的上侧，第一下缸体和第二下缸体位于所述提篮外框的外壁上的下侧。

在本实施例中，第一连接件和第二连接件分别通过不同的缸体进行驱动，以更好地实现了对动力头装置的灵活控制。

在一个实施例中，如图2所示，所述连接组件还包括第一驱动缸45和第二驱动缸46，第一驱动缸45上设置有第一左连杆451和第一右连杆452。所述第一左连杆的一端设置在第一驱动缸45内，所述第一左连杆的另一端连接第一伸缩件的上端。所述第一右连杆的一端设置在第一驱动缸45内，所述第一右连杆的另一端连接第二伸缩件的上端。

第二驱动缸46上设置有第二左连杆461和第二右连杆462。所述第二左连杆的一端设置在第二驱动缸46内，所述第二左连杆的另一端连接第二伸缩件的下端。所述第二右连杆的一端设置在第二驱动缸46内，所述第二右连杆的另一端连接第二伸缩件的下端。

第一驱动缸45和第二驱动缸46可以分别通过连接件固定在所述提篮外框的外壁上。通过第一驱动缸45驱动第一左连杆和第一右连杆的伸展或者收缩，以及第二驱动缸46驱动第二左连杆和第二右连杆伸展或者收缩，以带动第一伸缩件和第二伸缩件的伸展或者收缩，从而实现提篮外框与桁架的锁紧状态或者相对移动状态。

具体地，第一驱动缸45和第二驱动缸46分别设置在所述提篮外框的外壁上的上侧和下侧。第一驱动缸45驱动第一左连杆和第一右连杆具有横向的自由度，第二驱动缸46驱动第二左连杆和第二右连杆具有横向的自由度。

在本实施例中，通过统一的第一驱动缸45和第二驱动缸46共同控制第一伸缩件和第二伸缩件的伸展或者收缩，以实现更加精准有效的控制，更好地保证了动力头装置的顺利作业。

在一个实施例中，如图1所示，所述推拉组件为伸缩油缸，所述伸缩油缸包括第二撑杆31和第二缸体32，所述第二撑杆的一端设置在第二缸体内，所述第二撑杆的另一端与所述提篮外框的框顶固定连接，所述第二缸体与所述动力头组件的顶部固定连接。优选地，所述推拉组件包括多个伸缩油缸，所述多个伸缩油缸在所述提篮外框的顶部与所述动力头组件的顶部之间间隔排布。

具体地，当动力头装置由软地层进入硬质土层时，连接组件40完成对提篮外框10的锁紧，第二缸体32推动动力头向下。伸缩油缸的数量可以是1个，2个或多个，在本实施例中，伸缩油缸的数量优选为2个。这样不仅能保证动力头的进给力足够大，也不会造成功率过剩。

在本实施例中，通过伸缩油缸实现提篮外框和动力头组件的相互作用，当伸缩油缸的第二撑杆伸出或收缩时，动力头组件就可以在伸缩油缸的推动下沿提篮外框内滑道作下降和上升的运动，从而带动动力头钻头24实现钻进。

优选地，桁架60的滑道的长度大于伸缩油缸的可伸缩长度。伸缩油缸推动动力头下移，在此过程中，第二缸体32内的压强远大于外界，因此，滑道的长度应该足够大，确保第二缸体32的正常工作，以保证动力头的正常移动。

优选地，提篮外框10包括外框主体，外框主体为内空的钢结构框架，外框主体的顶部设有上滑轮。

在一实施例中，提篮外框内部留有适度的空间，该空间可以保证动力头在其内的移动幅度达到0.8米。上滑轮为动滑轮，穿过上滑轮的钢丝绳一端栓在高喷台车的顶上，另外一端与卷扬机连接，通过卷扬机对钢丝绳的收放控制提篮外框在高喷台车上上下移动，当喷灌作业时也可以快捷地切换到慢速状态。

优选地，如图1所示，动力头组件20还包括主箱体21、导流器22和电动机23，这些构成一个可以提供给高压喷射杆旋转的动力装置，其中，电动机23电连接有高压喷射杆。

在一个实施例中，本发明还提出一种动力头系统，包括桁架和上述任一项实施例所述的动力头装置。

在一个实施例中，本发明还提出一种上述实施例所述的动力头装置的控制方法，包括：

控制所述动力头装置进入第一工作模式，或者，控制所述动力头装置进入第二工作模式。

在所述第一工作模式中，所述提篮外框与桁架处于锁紧状态，所述动力头装置通过自身重力实现钻进。

所述第二工作模式包括第一阶段和第二阶段，在第二工作模式中，所述动力头装置循环执行第一阶段和第二阶段，以实现钻进；

在第一阶段中，所述提篮外框与桁架处于锁紧状态，所述推拉组件施加推力，使得所述提篮外框的顶部与所述动力头组件相互远离，以使动力头组件实现钻进。

在第二阶段中，所述提篮外框与桁架处于相对移动状态，所述推拉组件施加拉力，使得所述提篮外框的顶部与所述动力头组件相互靠近，以使提篮外框向下跟进。

在本实施例中，在使用该动力头装置时，可以根据实际场景的需要选择第一工作模式或者第二工作模式进行作业，进一步地，也可以通过第一工作模式和第二工作模式进行实时切换的方式进行作业。可以保证该动力头装置的控制方法更具灵活性，可以适应多种不同的应用场景。

在一个实施例中，图4为一示例的地层柱状图，通过介绍在该示例情况下如何自成孔钻进、喷灌来说明本发明动力头装置的工作原理，按照地层的软硬情况，将其分为上部软层钻进、中间硬层钻进和下部软层钻进三个阶段，再加上向上提升动力头装置一共四个环节。

第一环节：也即上部软弱层自成孔钻进，指0-10米深填土及淤泥层位置，此时，动力头装置可以采用第一工作模式，即非加压模式钻进的方式。具体地，保持提篮外框与桁架为锁紧状态，在提篮外框、动力头组件和动力头钻头的重量的压力下，杆迅速下沉至预定10米深位置。

第二环节：也即中间较硬层自成孔钻进，指10-15米深粉质粘土层位置，此时可以采用第二工作模式，开启加压模式钻进。第一阶段：所述第一连接件抵住所述第一滑道，所述第二连接件抵住所述第二滑道，使得提篮外框与桁架处于锁紧状态。开启液压按钮，伸缩油缸工作，第二撑杆向外顶出，反作用于动力头组件一个向下的给进力，动力头组件带动喷杆向下加压钻进。第二阶段：伸缩油缸的油路向反方向给压，伸缩油缸的第二撑杆收缩。并且，所述第一连接件脱离所述第一滑道，所述第二连接件脱离所述第二滑道，接触提篮外框与桁架的锁紧状态。如此，伸缩油缸的第二撑杆收缩，动力头组件不动，但提篮外框向下跟进，如此循环进行第一阶段和第二阶段，执行第二轮加压，直至穿过硬塑粉质粘土层。

第三环节：也即下部软弱层自成孔钻进，指15米以下松散砂层非加压模式钻进。同第一环节，执行第一工作模式，保持提篮外框与桁架为锁紧状态，利用自身重力向下自成孔钻进。

第四环节：也即向上高压旋喷灌浆作业，喷灌深度从孔底到0米，保持提篮外框与桁架为锁紧状态，提篮外框和动力头一起在钢丝绳的提引下缓慢向上提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。