专利名称：一种单体大直径气动潜孔锤的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种双芯管单体大直径气动潜孔锤，该潜孔锤用作大直径钻孔灌 注桩施工的旋冲钻具，适合各类旋挖钻机在复杂地层、坚硬地层进行钻孔作业。
背景技术：
旋挖钻机进行钻孔灌注桩施工是目前建筑业普遍运用的高效优质成孔作业技术， 但旋挖钻机所采用的常规钻具在硬地层施工却遇到较大困难。现代高层建筑、高铁及高速 公路桥梁基础都要求钻孔灌注桩嵌入基岩，以提高承载能力和抗灾能力，使其达到更长的 使用年限，此外，沿海地区、山区施工时成孔作业也经常钻遇硬岩。为使旋挖钻机具有硬地 层施工能力，已经实施了多种措施，如采用岩石筒钻、镶截齿钻斗、组合牙轮钻头等，上述方 案均以旋转切削为破岩手段，增强了对硬地层的施工能力，但其不足是效率低、刀具磨损 快，且在抗压强度超过120MPa的微风化岩层进尺相当缓慢，甚至无法钻进。专利CN2066480U曾提供了一种湿式闭型反循环气动潜孔锤，是采用冲击回转结 合反循环排渣的技术进行硬岩钻进，可在硬岩地区获得较高的效率，但其存在的不足是采 用双层外缸套构造的排气通道，至使结构笨重，加工难度大、成本高；仅采用泵吸反循环方 式排渣，对钻具密封效果要求严格，易堵塞；泥浆易通过缝隙进入缸体导致活塞急剧磨损， 钻头结构未经优化，孔底流场不利于吸渣。专利KR2005011865A、KR20060096240A所提出的正循环或反循环组合式潜孔锤，
采用了局部循环方式，钻具上设有集渣筒，操作时需要将岩渣屑收集在集渣筒内，而后提至 地表卸渣，钻进效率低，因频繁起下钻还易导致配气胶管损坏；此外因组合锤耗气量大，各 锤工作状态不易均衡，影响整体冲击破岩效果；由于组合锤上方增加了集渣筒，钻具整体高 度大幅度增加，在旋挖钻机上拆装不便。每一回次钻进结束后组合锤及集渣筒总重量较大， 对旋挖钻机主卷扬提升能力要求高。
发明内容本实用新型的目的是为克服上述技术的不足，提供一种单体大直径气动潜孔锤， 与旋挖钻机配套应用，实现高效的硬地层旋冲钻进。本实用新型的目的是通过以下方案实现的所述单体大直径气动潜孔锤，包括旋流式钻头、花键轴、花键套、气缸体、配气套、 衬套、上法兰、过渡法兰、活塞和中心气管，上述部件依次同轴布置，外部以减震防松螺栓组 相联结，内部通过端面接触并以隔套进行轴向定位，中心气管安装在活塞内孔，所述气缸体 为单缸体，而中心气管为双芯管，由内芯管和外芯管组成，其中内芯管插接在外芯管的内 部，外芯管内孔与内芯管之间开设导气环槽；与旋流式钻头相连的花键轴上设置有与内芯 管相通的引射孔，引射孔进口处设有排气逆止阀，顶部的过渡法兰中设有与外芯管及外部 连通的排气通道，排气通道内设有排气节流阀，同时还设有与缸体和衬套所形成的环形槽 连通的进气通道。
3[0008]所述气动潜孔锤钻头底唇面结构为流线型，其刃口形式为正前角或负前角，钻头 体上所布硬质合金齿为柱齿或锥齿。本实用新型单体大直径气动潜孔锤通过双芯管实现供气、排气通道及反循环排渣 通道全内置，结构紧凑合理、重量轻，制造成本低且便于装配维护。此外，本实用新型所述气 动潜孔锤由于配套使用了旋流式反循环钻头，并通过孔底流场优化设计、增置引射结构、加 装排气逆止阀等措施可获得良好的气举反循环吸渣和排渣效果，有效防止泥浆回灌引起内 部运动零部件磨蚀的现象。
图1为本实用新型所述单体大直径气动潜孔锤整体结构示意图；图2为本实用新型潜孔锤中花键副剖视图；图3为本实用新型潜孔锤中旋流式钻头底唇面结构示意图；图4为本实用新型潜孔锤中外芯管结构示意图；图5为本实用新型潜孔锤工作时活塞位移、速度曲线图。图中1-旋流式钻头、2-花键轴、3-花键套、4-气缸体、5-配气套、6-衬套、7-上 法兰、8-过渡法兰、9-双芯管、10-内芯管、11-外芯管、12-活塞、13-排气逆止阀、14-引射 孔、15-排气节流阀、16-导气环槽、17-进气通道、18-排气通道。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型所述单体大直径气动潜孔锤作详细说明如图1所示，本实用新型所述单体大直径气动潜孔锤包括旋流式钻头1、花键轴2、 花键套3、气缸体4、配气套5、衬套6、上法兰7、过渡法兰8、活塞12和中心气管，上述部件 依次同轴布置，外部以减震防松螺栓组相联结，内部通过端面接触并以隔套进行轴向定位， 中心气管安装在活塞内孔，为改善其工作性能，本实用新型气动潜孔锤的气缸体4选择单 缸体，而中心气管为双芯管9，由内芯管10和外芯管11组成，其中内部的细长内芯管10用 于构成贯穿内腔的排渣通道，该内芯管10插接在外芯管11的内部，二者同轴布置，且内芯 管10通过外芯管11上端面及上法兰内孔止口进行轴向定位；内芯管10下端与花键轴2的 中心孔配合，二者之间采用两道密封圈构成浮动密封结构；而外芯管11套在内芯管10的外 部，外芯管11内孔与内芯管10之间开设导气环槽16，用于排气分流。所述旋流式钻头1底唇面采用流线型结构，可在孔底形成利于吸渣的旋转流场， 钻头体设计为两侧不同的刃口形式，充分利用旋挖钻机动力头可双向回转驱动的优势以获 得最佳的钻进效果。钻头体上所布硬质合金齿类型可为柱齿或锥齿。旋流式钻头1与花键 轴2采用抗震防松螺栓组连接。本实用新型潜孔锤中与旋流式钻头1相连的花键轴2上设置有与内芯管10相通 的引射孔14，引射孔14进口处装有由插装式阀芯、阀座和弹簧所组成的排气逆止阀13，所 述引射孔14直径约为30 50mm，数量为3 4个，与轴线倾角为45 60度；同时潜孔锤 顶部的过渡法兰8中设有与外芯管11及外部连通的排气通道18，排气通道18内设有排气 节流阀15。此外，本实用新型潜孔锤在减小气缸体4外部尺寸的同时最大程度地增加了活塞12的质量(大于1吨)，确保其具有足够的冲击能量，配合钻头体合理布齿，以便在该冲击 能量作用下获得良好的破岩效果。本实用新型所提出的单体大直径气动潜孔锤与现有各类气动潜孔锤及潜孔冲击 器最大的不同在于其内部配置双芯管9，其中内芯管10用于排渣并封闭内缸空间，外芯管 11与内芯管10之间的环形空间设置有配气、排气的导气环槽，且主要用于排气。外芯管11 上特殊设置有配气孔，活塞12运动过程中始终与其具有一定的配合关系，故外芯管11还同 时具有导向作用。配气套5、衬套6及定位隔套构成了活塞的运动空间，压气经衬套6上的 进气孔输入之缸内，将压力作用于活塞各个有效断面，优化设计的无阀配气结构可驱动活 塞12往复运动，在冲程终了获得8m/s以上的冲击速度，撞击花键轴并将冲击能量传递给与 花键轴联接为一体的钻头体及刃齿，从而在钻进过程中破碎岩石。随后活塞回程，回程终了 活塞速度已自动降低至不高于0.5m/s，有效防止了活塞撞击上座所引起的钻具损坏。图5 为所描述活塞运动过程的速度和位移曲线。钻进时无论采用湿法或干法施工，本实用新型均可利用底部开设的直径30 50mm，数量为3 4个，倾角为45 60度的引射孔排出潜孔锤工作废气，用以形成射吸式 结构对孔底包含岩渣屑的多相流体进行抽吸，进而利用高速的上返气流形成气举反循环排 渣管流。事实上，多数地层含水，松散覆盖层施工过程中大多需要泥浆护壁，因此即便采用 干法施工，中心通道上返介质也是含有岩渣屑的混气泥浆，为防止钻孔达一定深度时泥浆 压力过高引起浆液回灌，本实用新型在引射通道进口处加设排气逆止阀。在泥浆压力过高 不能形成气举反循环的条件下，本实用新型提供了排气流量分配节流阀，通过更换小孔径 的节流阀阀芯可提高引射通道排气量，必要时可将节流阀所在排气通道完全封堵，从而获 得最大引射流量，但上述工作需要提钻后完成。对于深度超过40米的湿法施工大直径桩 孔，本实用新型考虑了采用泵吸反循环与气举反循环相结合的工艺方法。本实用新型中旋 流式反循环钻头1作用原理为旋挖钻机动力头正转施工时，可利用负前角唇面钻削韧度 较大岩石；而反转时则采用正前角钻削，有利于破碎脆性岩石，提钻时则继续正转进行孔壁 修磨。底部岩石利用密镶的柱齿合金造成体积破碎，当进尺速度快，排渣不畅时宜打反转， 岩渣屑可沿旋流通道流畅地进入吸渣口，进而沿中心通道连续返至地表。本实用新型亦设 计有“强吹”结构，将钻头提离孔底60mm后活塞落至下方极限位置，压缩空气瞬间从引射通 道高速排出，在孔底形成强烈抽吸作用，在中心通道则获得最大上返流速，有效防止岩渣屑 卡堵，确保了连续排渣的可靠性。采用本实用新型进行大口径硬岩旋冲钻进时，动力头扭矩由钻杆传递至过渡法兰 8及上法兰7并驱动缸体4带动整套钻具回转，通过图2所示BB剖视图可观察到花键轴2 由缸体4联接的花键套所驱动，进而使钻头1回转。所施加的钻压通过以上传动链中个零 部件间的端面接触进行传递。经优化设计及有限元分析后，在极限载荷条件下，缸体变形量 不超过1/2000，使内部各零部件间的配合间隙得以保持。本实用新型气动潜孔锤无外缸，通过双芯管实现供气、排气通道及反循环排渣通 道全内置，结构紧凑合理、重量轻，相对于CN2066480U所提出的产品结构而言制造成本低 且便于装配维护。此外，与新型单体大直径气动潜孔锤配套使用了旋流式反循环钻头，通过 孔底流场优化设计、增置引射结构、加装排气逆止阀等措施获得良好的气举反循环吸渣和 排渣效果，并有效防止了泥浆回灌所引起的内部运动零部件磨蚀。[0025] 采用双芯管配气实现进气、排气和排渣三通道全内置结构是本实用新型最主要的 特点，外芯管同时起到配气和导向作用实现了无阀配气单体大直径活塞的冲击运动，采用 内加厚结构的活塞以增加其质量，中心通道底部设置引射孔并结合旋流式反循环钻头增强 了吸渣和排渣效果，引射孔的进气端安装有逆止阀，有效防止了泥浆回灌，过渡法兰8内安 装有排气流量分配阀，可对引射孔排气量进行调节。
权利要求1.一种单体大直径气动潜孔锤，包括旋流式钻头(1)、花键轴O)、花键套(3)、气缸体 (4)、配气套(5)、衬套(6)、上法兰(7)、过渡法兰(8)、活塞(12)和中心气管，上述部件依次 同轴布置，外部以减震防松螺栓组相联结，内部通过端面接触并以隔套进行轴向定位，中心 气管安装在活塞(1 内孔，其特征在于所述气缸体(4)为单缸体，而中心气管为双芯管 (9)，由内芯管(10)和外芯管(11)组成，内芯管(10)插接在外芯管(11)的内部，外芯管 (11)内孔与内芯管(10)之间开设导气环槽(16)；与旋流式钻头⑴相连的花键轴(2)上 设置有与内芯管相通的引射孔(14)，引射孔(14)进口处设有排气逆止阀(13)，顶部的过渡 法兰(8)中设有与外芯管(11)及外部连通的排气通道(18)，排气通道内设有排气节流阀 (15)，同时还设有与缸体和衬套所形成的环形槽连通的进气通道(17)。
2.如权利要求1所述的单体大直径气动潜孔锤，其特征在于所述气动潜孔锤钻头(1) 底唇面结构为流线型，其刃口形式为正前角或负前角，钻头体上所布硬质合金齿为柱齿或 锥齿。
3.如权利要求1所述的单体大直径气动潜孔锤，其特征在于所述花键轴(2)上的引 射孔(14)数量为3-4个，直径30-50mm，与潜孔锤轴线的倾角为45-60度。
4.如权利要求1所述的单体大直径气动潜孔锤，其特征在于所述内芯管(10)通过外 芯管(11)上端面及上法兰(7)内孔止口进行轴向定位；内芯管(10)下端与花键轴O)的 中心孔配合，二者之间采用两道密封圈构成浮动密封结构。
专利摘要一种单体大直径气动潜孔锤，包括钻头、花键轴、花键套、缸体、配气套、衬套、上法兰、过渡法兰、活塞和中心气管，上述部件同轴布置连接，中心气管安装在活塞内孔，该中心气管为双芯管，双芯管的外芯管与内芯管之间设有导气环槽，与钻头相连的花键轴上设置有与内芯管相通的引射孔，引射孔进口处设有排气逆止阀，过渡法兰中设有排气通道和进气通道，其中排气通道内设有排气节流阀。本实用新型潜孔锤可获得良好的气举反循环吸渣和排渣效果，有效防止泥浆回灌引起内部运动零部件磨蚀，结构紧凑合理、重量轻，制造成本低且便于装配维护，工作效率高。
文档编号E21B10/42GK201857895SQ20102056486
公开日2011年6月8日 申请日期2010年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者余德海, 康文波, 张高峰, 王东华, 王清岩, 高翼 申请人:贵州航天天马机电科技有限公司