专利名称：钻杆及旋挖钻机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械设备领域，更具体而言，涉及一种新型钻杆及具有该新型钻杆的旋挖钻机。
背景技术：
目前，各国所用钻杆的外键条横截面都是类矩形，S卩外键条的两侧边与至少一个底面垂直，外键条的一个底边为圆弧面或两个底边都为圆弧面或两个底边都是平直面的情况。 在具体的钻杆制造过程中，将键条一底边(有圆弧面的键条在有圆弧面的底边)双面倒角。将倒角的键条焊接到钢管外表面(使键条圆弧面与钢管表面配合)，并在管子内侧一端焊接内键，内键长度为I米左右，一端与管子端部平齐。目前，矩形的外键条钻杆在应用过程中经常出现键条和焊缝受力不均匀、管体变形严重进而导致管体纵向或横向开裂，T型焊缝开裂等破坏形式。这种钻杆的传扭和传压的能力都受到很大的限制，即增加了制造成本和技术难度，又使该结构钻杆在大压力和大扭矩工作条件下很难有发展空间。
实用新型内容为了解决现有技术的上述问题，本实用新型的第一目的在于提供一种钻杆，克服现有钻杆经常出现键条和焊缝受力不均匀、管体变形等缺陷。本实用新型还提供了一种旋挖钻机。为了实现本实用新型的第一目的，本实用新型提供了一种钻杆，其由同心的多个管套接而成，相邻两个管之间处于外层的管的内壁设置有内键条，处于内层的管的外壁设置有与所述内键条相配合的外键条，所述外键条的腰所在的平面与过所述管的轴线和所述外键条的腰的端点的平面之间的夹角为a，其中，0° < a <90°。本实用新型提供的技术方案，通过将外键条横截面的结构由类矩形改为类梯形，使钻杆在传递压力和扭矩的过程中将圆周切向力分解为径向力和沿着键条接触面的摩擦力，减少了外力对键条和焊缝的冲击；自动对芯进而实现3组键条均匀传递压力和扭矩，增加轴向稳定性，减少钢管由于受力不均匀而发生的变形，可以提高钻杆的使用寿命。在上述技术方案中，优选地，所述外键条的横截面呈四边形，所述四边形截面的下底边与所述处于内层的管的外壁固定连接，所述四边形截面的两腰为工作边，所述四边形截面的下底边的长度大于所述四边形截面的上底边的长度。外键条的腰与内键条的腰相互配合传递压力和动力，这种结构使得外键条的腰与过管的轴线及腰的端点的平面之间存在一定的夹角，可以将外力分解为沿接触面的摩擦力和垂直于接触面的力，而垂直于接触面的力有助于形成径向力，增强钻杆轴向的稳定性。在上述技术方案中，优选地，所述四边形截面的上底边和/或下底边呈圆弧形。所述四边形的下底为圆弧形可以方便外键条与管外壁的固定连接，增大接触面积，保证外键条与管的连接强度。四边形截面的上底为圆弧形更加适应管的形状，减少磨损。在上述技术方案中，优选地，所述四边形截面的两腰与所述四边形截面的下底边相交处设有倒角。外键条与管外壁接触的部分两端设置倒角，可以防止焊接时将外键条的侧面损伤，影响外键条的耐磨性，进而降低钻杆的使用寿命。在上述技术方案中，优选地，所述四边形截面的下底边焊接于所述处于内层的管的外壁。焊接可以保证良好的连接强度，同时技术成熟，操作方便，可以显著提高生产效率。在上述技术方案中，优选地，所述四边形截面的上底边所在的面为平面。四边形截面的上底所在的面为非工作面，做成平面不仅可以节省材料，同时降低了加工难度，提高生
产效率。在上述技术方案中，优选地，所述四边形截面的腰与所述四边形截面的上底边之间呈钝角，所述四边形截面的上底边的中点与所述截面上的管的圆心的连线垂直于所述四 边形截面的上底边。这样可以保证将外键条受到的圆周切向力分解为径向力和沿着键条接触面的摩擦力，减少了外力对键条和焊缝的冲击。在上述技术方案中，优选地，在非工作状态下，所述外键条与所述内键条之间留有间隙；在工作状态下，所述外键条与所述内键条之间为面接触。外键条与内键条之间的间隙可以保证多层管的伸缩。在工作状态时，外键条和内键条为面接触，可以减少对内键条和外键条的磨损，提高钻杆的使用寿命。在上述技术方案中，优选地，处于最内层的管为芯杆，所述芯杆端部设置有钻斗。芯杆位于钻杆机构的最内层，上面安装有钻斗，可进行旋挖作业。本实用新型还提供了一种旋挖钻机，包括上述方案中的钻杆。本实用新型提供的技术方案具有如下有益效果内外键的接触面与受力面有一定角度，会分解冲击力，缓和力对钢管、焊缝和键条的冲击，提高焊缝和钢管的寿命；同时三组键条均匀传递扭矩和压力，并在径向上配合紧密，减少了钢管的变形和失稳。
图I是现有技术中钻杆的总装结构示意图；图2是图I中A-A向视图；图3是图2中的局部结构示意图；图4是图3所示结构中的力学示意图；图5是根据本实用新型所述钻杆的总装结构示意图；图6是图5中B-B向视图；图7是图6中的局部结构示意图；图8是图7所示结构的力学结构示意图。其中，图I至图8中附图标记与部件名称之间的对应关系为I第一管2第二管3第三管4芯杆5第三管的内键条 6第二管的内键条 7第一管的内键条8第一管的外键条 9第二管的外键条 10第三管的外键条11芯杆的外键条8a第一管的新型外键条9a第二管的新型外键条 IOa第三管的新型外键条[0032]Ila芯杆的新型外键条100过管的轴线和外键条的腰的端点的平面200过管的圆心和矩形截面中心的平面
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，
以下结合附图和具 体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开的具体实施例的限制。如图I至图3所示，在现有技术中，钻杆包括套接的第一管I、第二管2、第三管3及芯杆4，第一管I上设置有第一管的外键条8，可以连接旋挖钻机的动力头，第一管的内键条7与第二管的外键条9相配合，第二管的内键条6与第三管的外键条10相配合，第三管的内键条5与所述芯杆的外键条11相配合，进行传动作业。但是第一管的外键条8、第二管的外键条9、第三管的外键条10的横截面均为矩形或类矩形，即包含外键条的两侧边与至少一个底面垂直，外键条的一个底边为圆弧面或两个底边都为圆弧面或两个底边都是平直面的情况。这样钻杆结构无论是传递扭矩还是传递下压力，都是先传递给钢管，再通过钢管传递给键条或加压台等过程。传递流程为动力头-外键条(或外键补板)_钢管-内键条(一米长度或端头)-钢管-外键条等依次循环传递。如图3所示，在传递扭矩过程中，不同管子之间在外力作用下产生相对运动，当外管内键(如第二管的内键条6和第三管的内键条5)与下一级管子的外键(如第三管的外键条10和芯杆的外键条11)接触的时候，内键就会将力传递给相应的外键，依次这样传递，就会将动力头的扭矩传递到芯杆，芯杆再将扭矩传递给钻具实现打孔功能。如图3、图4所示，第三管的外键条10的截面呈矩形，矩形截面的一个腰101和另一个腰102所在的平面与过管的圆心和矩形截面中心的平面200平行，在图4中的力学结构图中，外力F沿第三管3的周向，即与第三管的外键条10的切线平行，这样外力不会被分解，第三管的外键只受圆周切向力，因此容易出现以下一些问题内键条传递给外键条的力主要是沿着圆周方向的切向力；当圆周均匀分布的外键与内键分度不准确的时候，就会只有个别的内键和外键接触，不能实现圆周三组键条(内键与外键)的均匀传递扭矩；容易造成个别组键条或焊缝受到较大的冲击载荷和超负荷工作，从而造成破坏；这种圆周受力不均匀的传递过程，也容易造成管体变形，进而导致管体开裂或焊缝开裂；这种结构由于没有径向力，因此在传递压力和扭矩的过程中轴向容易失稳；钻杆对材料和制造过程要求严格，但是不可避免的会产生大小不等的不匹配性。为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型提供的一种具体实施方式
是改善外键条的形状和结构，本实施例是将外键条的截面形状改为类梯形，传递扭矩的腰(梯形截面中的腰)或两个腰至少与一个底边的夹角为钝角。[0047]类梯形包括很多形状类似梯形的结构，如梯形的上底或下底为圆弧形，或者梯形的上底和下底均为圆弧形，或者在梯形下底两端做倒角，均包含在本实用新型所指的大致为梯形的范围。本实用新型提供的新型钻杆，由同心的多个管套接而成，相邻两个管之间处于外层的管的内壁设置有内键条，处于内层的管的外壁设置有与所述内键条相配合的外键条，所述外键条的腰所在的平面与过所述管的轴线和所述外键条的腰的端点的平面100之间的夹角为a，其中，0° < a < 90°。如图6所示，第一管的新型外键条8a、第二管的新型外键条9a、第三管的新型外键条IOa和芯杆的新型外键条Ila均为本实施例提供的新型结构。采用新型的外键条后，内外键的接触面与受力面有一定角度，钻杆在传压力和扭矩的过程中会将圆周切向力分解为径向力和沿着键条接触面的摩擦力。 如图7和图8所示，新型的外键条如第三管的新型外键条10a，其截面形状呈四边形，四边形截面的一个腰IOla(或另一个腰102a)与过所述管的轴线和过所述腰(四边形截面的一个腰IOla)的端点的平面100之间的夹角为a，其中，0° < a < 90°。在本具体实施方式
中，所述四边形截面的下底边104a与第三管3的外壁固定连接，所述四边形截面的两腰(一个腰IOla和另一个腰102a)为工作边，所述四边形截面的下底边104a的长度大于所述四边形截面的上底边103a的长度。进一步，所述四边形截面的下底边104a呈圆弧形。四边形截面的上底边为圆弧形更加适应管的形状，减少磨损。所述四边形截面的两腰(包括一个腰IOla和另一个腰102a)与所述四边形截面的下底边104a相交处设有倒角。外键条与管外壁接触的部分两端设置倒角，可以防止焊接时将外键条的侧面损伤，影响外键条的耐磨性，进而降低钻杆的使用寿命。所述四边形截面的下底边104a焊接于所述第三管的外壁。焊接可以保证良好的连接强度，同时技术成熟，操作方便，可以显著提高生产效率。所述四边形截面的上底边103a所在的面为平面。四边形截面的上底所在的面为非工作面，做成平面不仅可以节省材料，同时降低了加工难度，提高生产效率。当然，所述四边形截面的上底边103a所在的面也可以为圆弧面。四边形截面的上底为圆弧形更加适应管的形状，减少磨损。所述四边形截面的腰(包括一个腰IOla和另一个腰102a)与所述四边形截面的上底边103a之间呈钝角，所述四边形截面的上底边103a的中点与所述截面上的第三管3的圆心01的连线垂直于所述四边形截面的上底边103a。这样可以保证将外键条受到的圆周切向力分解为径向力和沿着键条接触面的摩擦力，减少了外力对键条和焊缝的冲击。优选地，在非工作状态下，所述外键条与所述内键条之间留有间隙；在工作状态下，所述外键条与所述内键条之间为面接触。外键条与内键条之间的间隙可以保证多层管的伸缩。在工作状态时，外键条和内键条为面接触，可以减少对内键条和外键条的磨损，提闻钻杆的使用寿命。优选地，处于最内层的管为芯杆4，所述芯杆4端部设置有钻斗。芯杆位于钻杆机构的最内层，上面安装有钻斗，可进行旋挖作业。如图8所示，外力F作用在第三管的新型外键条IOa上后，分解为沿接触面的第一分力Fl和与所述第一分力的方向垂直的第二分力F2，其中第一分力2是一种摩擦力，第二分力F2有助于提供径向力，易于实现自动对芯功能，实现三组键条的受力均匀，稳定轴向传递压力，增加钻杆轴向稳定性。另外将外力分解为摩擦力和第二分力，在传递扭矩和压力的过程中，缓和 了对钢管、焊缝和键条的冲击，提高焊缝和钢管的寿命。本实施例的具体工作原理为旋挖钻机动力头将压力和扭矩是通过键条组合传递给芯杆的，而键条组合又都分别焊接在不同的管子上。因此，内外键条传递力的方式是至关重要的。对于新结构钻杆在传递扭矩过程中，内外键接触面(如图6中第二管的外键条9a和第三管的新型外键条IOa)将圆周切向力分解为径向力和摩擦力(作用在内外键接触面上与接触面平行的力)，假设开始只有I组键条接触开始传递扭矩，则内外键在径向分力和摩擦力作用下会在径向和圆周产生相对运动，进而实现圆周3组键条的全部接触，实现3组键条均匀受力。而在传递压力中，内外键接触传递扭矩过程中产生的径向力和摩擦力，又对传递压力起到轴向稳定和导向作用，增加了传递压力过程中轴向的稳定性。本实用新型提供的技术方案还具有如下的优点首先，钻杆结构更加合理，这种结构工作中，减少了外力对键条和焊缝的冲击；自动对芯进而实现3组键条均匀传递压力和扭矩，增加轴向稳定性，减少钢管由于受力不均匀而发生的变形；使得键条和钢管焊接的焊缝受力更合理(主要受到压力和摩擦力)；其次，可以实现自动对芯更能，在径向力和摩擦力作用下，不同管子产生相对运动，进而调整不同管子间的相对位置，实现自动对芯；再次，实现3组键条的均匀受力，在径向力和摩擦力作用下，自动对芯实现管子受到的力在3组键条间均匀分布。另外，增加钻杆轴向稳定性，在径向力和摩擦力作用下，一米管内键可以与相应的外键紧密配合，实现传递压力的后抱紧导向，进而增加了轴向稳定性，减少管子失稳产生的管体变形；同时，还提高了钻杆寿命，内外键的接触面与受力面有一定角度，会分解冲击力，缓和力对钢管、焊缝和键条的冲击，提高焊缝和钢管的寿命；同时3组键条均匀传递扭矩和压力，并在径向上配合紧密，减少了钢管的变形和失稳。本实用新型还提供了一种旋挖钻机，包括上述实施例中的钻杆。以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种钻杆，其特征在于，由同心的多个管套接而成，相邻两个管之间处于外层的管的内壁设置有内键条，处于内层的管的外壁设置有与所述内键条相配合的外键条，所述外键条的腰所在的平面与过所述管的轴线和所述外键条的腰的端点的平面(100)之间的夹角为Ct，其中， 0° < a < 90°。
2.根据权利要求I所述的钻杆，其特征在于，所述外键条的横截面呈四边形，所述四边形截面的下底边与所述处于内层的管的外壁固定连接，所述四边形截面的两腰为工作边，所述四边形截面的下底边的长度大于所述四边形截面的上底边的长度。
3.根据权利要求2所述的钻杆，其特征在于，所述四边形截面的上底边和/或下底边呈圆弧形。
4.根据权利要求3所述的钻杆，其特征在于，所述四边形截面的两腰与所述四边形截 面的下底边相交处设有倒角。
5.根据权利要求4所述的钻杆，其特征在于，所述四边形截面的下底边焊接于所述处于内层的管的外壁。
6.根据权利要求2所述的钻杆，其特征在于，所述四边形截面的上底边所在的面为平面。
7.根据权利要求6所述的钻杆，其特征在于，所述四边形截面的腰与所述四边形的上底边之间呈钝角，所述四边形截面的上底边的中点与所述截面上的管的圆心的连线垂直于所述四边形截面的上底边。
8.根据权利要求6或7所述的钻杆，其特征在于在非工作状态下，所述外键条与所述内键条之间留有间隙；在工作状态下，所述外键条与所述内键条之间为面接触。
9.根据权利要求8所述的钻杆，其特征在于，处于最内层的管为芯杆(4)，所述芯杆(4)端部设置有钻斗。
10.一种旋挖钻机，其特征在于，包括如权利要求I至9中任一项所述的钻杆。
专利摘要本实用新型钻杆及旋挖钻机，提供了一种钻杆，其由同心的多个管套接而成，相邻两个管之间处于外层的管的内壁设置有内键条，处于内层的管的外壁设置有与所述内键条相配合的外键条，所述外键条的腰所在的平面与过所述管的轴线和所述外键条的腰的端点的平面之间的夹角为α，其中，0°＜α＜90°。本实用新型提供的技术方案，通过将外键条横截面的结构由类矩形改为类梯形，使钻杆在传递压力和扭矩的过程中将圆周切向力分解为径向力和沿着键条接触面的摩擦力，减少了外力对键条和焊缝的冲击；自动对芯进而实现多组键条均匀传递压力和扭矩，增加轴向稳定性，减少钢管由于受力不均匀而发生的变形，可以提高钻杆的使用寿命。
文档编号E21B17/00GK202500506SQ20122010237
公开日2012年10月24日 申请日期2012年3月16日 优先权日2012年3月16日
发明者于兴哲 申请人:北京市三一重机有限公司