一种带套管钻的大直径气动潜孔锤的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种带套管钻的大直径气动潜孔锤，包括大直径气动潜孔锤(24)、螺旋输送管(2)和套管钻(13)，以上部件同轴布置，所述螺旋输送管(2)外套位于所述大直径气动潜孔锤(24)的外部，以传递动力和防止在冲击过程中使所述螺旋输送管(2)与所述大直径气动潜孔锤(24)相互分离，所述套管钻(13)位于所述螺旋输送管(2)的外部。本发明提供的带套管钻的大直径气动潜孔锤由于采用了潜孔锤与套管钻逆向双回转，再加上潜孔锤的冲击回转作用，该钻进设备在各种软硬地层、碎石层、卵石层及飘石岩层等各种复杂地质条件下，具有很高的钻进效率，且孔壁质量好，垂直精度高及施工迅速等优点。
【专利说明】一种带套管钻的大直径气动潜孔锤【技术领域】
[0001]本发明属于岩土钻凿工程与基础建筑桩基【技术领域】，尤其涉及一种带套管钻的大直径气动潜孔锤。
【背景技术】
[0002]人类利用冲击做功的方法从事生产劳动可以追溯到遥远的古代。古代人类在伐木、制造工具、狩猎等最早的生产劳动中就已学会了利用冲击方式进行破碎和加工。我国劳动人民在古代就制造了绳钻钻凿水井，到战国时代又根据冲击原理发明了弩机。在火药发明之后，利用火药爆炸产生强烈冲击作用的原理发明了火箭、火炮等。细看中国古代劳动人民的智慧史，经常可以发现冲击作用原理的应用。
[0003]虽然人类很早就用到了冲击来帮助更好的生产与劳动，但这些应用都是一次性(如弓箭)或者不连续的(如斧头)，而且应用在钻孔、水井上也较少，真正利用连续冲击实现钻进是近一、二百年的事情。1813年英国人理查.特里维锡科首先发明了以蒸汽为动力的冲击式凿岩机，连续的冲击动作才真正得以成为一种现实。意大利工程师巴特里特和杰曼?萨梅特又对以往的凿岩机进行了改进，于1857年8月15日宣布实验研究成功，这是现代冲击钻进技术的开端。
[0004]随后凿岩机在不断的发展，但人们发现对钻头顶部施加冲击力的方式存在能量浪费严重，效率低的问题，于是人们考虑如何在钻头的底部施加冲击力。通过不断的实践与研究，真正与现代潜孔冲击器(潜孔凿岩机)结构相近的潜孔冲击器，在1951年由比利时工程师安德烈?斯坦 纽伊科设计制造。潜孔冲击器不仅能够充分利用设备的冲击能量，而且可使噪音大为降低，改善作业环境，减轻工人繁重的体力劳动。由于潜孔冲击器露天钻孔效率比传统的纲绳冲击式钻机高2-3倍，一时被公认为是钻凿坚硬矿石的经济而有效的钻孔设备。
[0005]潜孔冲击钻孔在日本、韩国也得到广泛的应用。中国幅员广阔，各个地区的地质情况差异很大，东南沿海这带地质情况多以硬岩，卵石漂石为主，地质情况较复杂。对于复杂地质情况，多使潜孔锤用跟管钻进，潜孔锤跟管撞见虽然可以很有效的对孔进行护壁，但潜孔锤跟管钻进技术对于这种地质，存在着入岩钻进施工难度较大且效率低的问题。潜孔锤跟管钻进也多用于小直径桩基孔的施工，对于大直径桩基孔的施工还很少见。
[0006]随着城市化进程不断加快，很多大型建设项目面临着工期紧任务重的难题，如何在有限的工期内安全高效环保地完成既定任务成为岩土凿岩与基础建设一大难题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种带套管钻的大直径气动潜孔锤，通过双速双向动力头分别驱动大直径气动潜孔锤与套管钻实现双旋转钻进，以达到孔径、孔壁质量良好，垂直精度高及施工迅速的效果。
[0008]为达到以上目的，本发明所采用的解决方案如下:[0009]本发明提供了一种带套管钻的大直径气动潜孔锤，包括大直径气动潜孔锤、螺旋输送管和套管钻，以上部件同轴布置，所述螺旋输送管外套位于所述大直径气动潜孔锤的外部，以传递动力和防止在冲击过程中使所述螺旋输送管与所述大直径气动潜孔锤相互分离，所述套管钻位于所述螺旋输送管的外部，其间隙有利于上升的压缩空气带走孔底岩屑。
[0010]所述大直径气动潜孔锤包括上接头、外缸、活塞、导向套、卡环、密封圈、哈呋、衬套、垫片、下接头和钻头，以上部件依次同轴布置；所述上接头和所述下接头通过螺纹与所述外缸内壁进行固定连接，所述卡环内嵌在所述外缸内壁，并对所述活塞进行轴向限位以防止在装配钻头时所述活塞因自重从缸体内掉下来，所述导向套通过过盈配合固定在所述钻头中心孔上，使所述活塞能够垂直撞击所述钻头，所述哈呋通过所述外缸内壁和所述衬套进行轴向定位，并对所述钻头起限位作用，所述密封圈内嵌在所述哈呋外侧凹槽中，在所述外缸和所述哈呋之间进行密封，防止压缩空气泄漏，所述垫片位于所述外缸和所述下接头之间，增大所述外缸和所述下接头的作用面积，防止螺纹连接处在高频冲击下受到破坏，所述下接头通过花键配合将动力传递给所述钻头。
[0011 ] 所述大直径气动潜孔锤通过钻杆与双动力头进行连接以传递动力。
[0012]所述钻头底部嵌齿面的直径为574mm，顶部与活塞相撞击面的直径为228mm，中心通气孔的直径为80_，包括外花键、4个排气孔、8个纵向排渣口和4个横向排渣口 ；所述外花键与下接头矩形内花键进行连接以传递扭矩，所述排气孔、所述纵向排渣口和所述横向排渣口组成孔底排渣系统，所述排气孔与钻头中心通气孔成30°，对称布置，使气体射流能均匀地复盖整个孔底。
[0013]所述外花键的形状为矩形，键宽为36mm。
[0014]所述排气孔的直径均为45mm。
[0015]所述纵向排渣口和所述横向排渣口的直径均为60mm，具有弧形内陷式结构，对称布置，能够在保证钻头本体强度的前提下，减小压力损失，使岩屑能更快的排出孔底。
[0016]所述螺旋输送管包括螺旋管接头、螺旋焊片和钢管，所述螺旋管接头位于所述钢管的一端，所述螺旋管接头和4块所述螺旋焊片焊接固定位于所述钢管上。
[0017]所述螺旋输送管通过螺旋管接头的内六角结构与上接头的外六角结构进行过盈配合以传递动力。
[0018]所述螺旋焊片的内径为406mm,外径为570mm,螺距为440mm。
[0019]所述钢管的内径为375mm,外径为405mm,厚度为15mm,长度为1800mm。
[0020]所述螺旋管接头具有内六角结构，外径为405mm,厚度为50mm,内六角形边长为127mm，能够与上接头的外六角结构进行配合，使动力从上接头传递到螺旋输送管。
[0021]所述套管钻上部开有通孔，能把随压缩空气上来的石屑和土块排出，所述套管钻下端面镶嵌有钻齿，能旋转破碎岩石。
[0022]所述套管钻与双动力头的回转装置进行连接以传递动力。
[0023]所述套管钻的内径为600mm,厚度为20mm。
[0024]所述钻齿为片状钻齿或球状钻齿,根据不同工况合理选择片状钻齿或球状钻齿，同时也可以调整套管钻与大直径气动潜孔锤相对位置，来适应不同的地层状况。
[0025]本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果:
[0026]本发明提供的带套管钻的大直径气动潜孔锤在各种软硬地层、碎石层、卵石层及飘石岩层等各种复杂地质条件下高效率的钻进成孔，同时由于套管钻的旋转跟进，达到了孔径、孔壁质量良好，垂直精度高及施工迅速的效果；克服传统凿岩钻机的噪音、振动、泥浆污染等问题，是一种环保绿色的钻机。
[0027]本发明提供的带套管钻的大直径气动潜孔锤由于采用了潜孔锤与套管钻逆向双回转，再加上潜孔锤的冲击回转作用，该钻进设备在各种软硬地层、碎石层、卵石层及飘石岩层等各种复杂地质条件下，具有很高的钻进效率，且孔壁质量好，垂直精度高及施工迅速等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是实施例1所示大直径气动潜孔锤的结构示意图。
[0029]图2是实施例1所示螺旋输送管的结构示意图。
[0030]图3是实施例1所示钻头的结构示意图。
[0031]图4是实施例1所示整台钻机工作原理的示意图。
[0032]图5是实施例1所示在普通地质条件下大直径气动潜孔锤与套管钻相对位置的示意图。
[0033]图6是实施例1所示在倾斜基岩地质条件下大直径气动潜孔锤与套管钻相对位置的示意图。
[0034]图7是实施例1所示套管钻下端面镶嵌有钻齿的一种结构示意图。
[0035]图8是实施例1所示套管钻下端面镶嵌有钻齿的另一种结构示意图。
[0036]其中:1为上接头,2为螺旋输送管,3为外缸,4为活塞,5为导向套,6为卡环，7为密封圈，8为哈呋，9为衬套，10为垫片，11为下接头，12为钻头，13为套管钻，14为螺旋管接头，15为螺旋焊片，16为钢管，17为外花键，18为排气孔，19为纵向排渣口，20为横向排渣口，21为桩架，22为双动力头，23为钻杆，24为大直径气动潜孔锤，25为片状钻齿，26为球状钻齿。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图所示实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0038]实施例1
[0039]如图1?3所示，图1是实施例1所示大直径气动潜孔锤的结构示意图；图2是实施例I所示螺旋输送管的结构示意图；图3是实施例1所示钻头的结构示意图。一种带套管钻的大直径气动潜孔锤，包括大直径气动潜孔锤24、螺旋输送管2和套管钻13，以上部件同轴布置，所述螺旋输送管2外套位于所述大直径气动潜孔锤24的外部，以传递动力和防止在冲击过程中使所述螺旋输送管2与所述大直径气动潜孔锤24相互分离，所述套管钻13位于所述螺旋输送管2的外部，其间隙有利于上升的压缩空气带走孔底岩屑。
[0040]所述大直径气动潜孔锤24包括上接头1、外缸3、活塞4、导向套5、卡环6、密封圈
7、哈呋8、衬套9、垫片10、下接头11和钻头12，以上部件依次同轴布置；所述上接头I和所述下接头11通过螺纹与所述外缸3内壁进行固定连接，所述卡环6内嵌在所述外缸3内壁，并对所述活塞4进行轴向限位以防止在装配钻头12时所述活塞4因自重从缸体内掉下来，所述导向套5通过过盈配合固定在所述钻头12中心孔上，使所述活塞4能够垂直撞击所述钻头12，所述哈呋8通过所述外缸3内壁和所述衬套9进行轴向定位，并对所述钻头12起限位作用，所述密封圈7内嵌在所述哈呋8外侧凹槽中，在所述外缸3和所述哈呋8之间进行密封，防止压缩空气泄漏，所述垫片10位于所述外缸3和所述下接头11之间，增大所述外缸3和所述下接头11的作用面积，防止螺纹连接处在高频冲击下受到破坏，所述下接头11通过花键配合将动力传递给所述钻头12。哈呋8由一整体部件线切割成两半而来，起到装配方便和对钻头的限位作用。
[0041]来自空压机的压缩空气经过钻杆23中心孔后进入上接头1，此时压缩空气会分成两部分， 一部分通过活塞4与钻头12内部的中心孔，最终排到钻头12孔底，这一部分空气起到了冷却钻头12与更好地让土屑、石块排出的作用；另一部分通过大直径气动潜孔锤24内部各元件之间的配合，使活塞4按照一定的频率冲击钻头12，同时钻头12和套管钻13在双动力头22的驱动下以不同的速度双向旋转，最终达到冲击旋转破岩的最佳效果。
[0042]所述大直径气动潜孔锤24通过钻杆23与双动力头22进行连接以传递动力。
[0043]所述钻头12底部嵌齿面的直径为574mm，顶部与活塞4相撞击面的直径为228mm，中心通气孔的直径为80_，包括外花键17、4个排气孔18、8个纵向排渣口 19和4个横向排渣口 20 ;所述外花键17与下接头11矩形内花键进行连接以传递扭矩，所述排气孔18、所述纵向排渣口 19和所述横向排渣口 20组成孔底排渣系统，所述排气孔18与钻头12中心通气孔成30°，对称布置，使气体射流能均匀地复盖整个孔底。
[0044]所述外花键17的形状为矩形,键宽为36mm。
[0045]所述排气孔18的直径均为45mm。
[0046]所述纵向排渣口 19和所述横向排渣口 20的直径均为60mm，具有弧形内陷式结构，对称布置，能够在保证钻头12本体强度的前提下，减小压力损失，使岩屑能更快的排出孔
。
[0047]所述螺旋输送管2包括螺旋管接头14、螺旋焊片15和钢管16，所述螺旋管接头14位于所述钢管16的一端，所述螺旋管接头14和4块所述螺旋焊片15焊接固定位于所述钢管16上。
[0048]所述螺旋输送管2通过螺旋管接头14的内六角结构与上接头I的外六角结构进行过盈配合以传递动力。与传统的气流强吹孔底排渣相比，螺旋输送管2排渣既减小了空压机的出风量与出风压力，同时降低了对工作现场的环境污染。
[0049]所述螺旋焊片15的内径为406mm,外径为570mm,螺距为440mm。
[0050]所述钢管16的内径为375mm,外径为405mm,厚度为15mm,长度为1800mm。
[0051]所述螺旋管接头14具有内六角结构，外径为405mm,厚度为50mm,内六角形边长为127mm，能够与上接头I的外六角结构进行配合，使动力从上接头I传递到螺旋输送管2。
[0052]所述套管钻13上部开有通孔，能把随压缩空气上来的石屑和土块排出，所述套管钻13下端面镶嵌有钻齿，能旋转破碎岩石。
[0053]所述套管钻13与双动力头22的回转装置进行连接以传递动力。
[0054]所述套管钻13的内径为600mm,厚度为20mm。
[0055]所述钻齿为片状钻齿25或球状钻齿26，根据不同工况合理选择片状钻齿25或球状钻齿26，同时也可以调整套管钻13与大直径气动潜孔锤24相对位置，来适应不同的地层状况。[0056]图4是实施例1所示整台钻机工作原理的示意图。双动力头22分别驱动大直径气动潜孔锤24与套管钻13以不同的速度反方向旋转，桩架21给整个钻杆23与套管钻13施加静压力，同时压缩机不断地给大直径气动潜孔锤24供气使其完成冲击运动。在多种力作用下，双动力潜孔锤钻机可以高效高质量的完成钻进任务，螺旋输送管2通过套管钻13上的孔不断地将石屑排出钻机。套管钻13虽然没有冲击作用，但是在静压力与旋转力作用下，通过下端面钻齿仍然可以不断钻进，同时起到护壁的作用。
[0057]如图5和图6所示，图5是实施例1所示在普通地质条件下大直径气动潜孔锤与套管钻相对位置的示意图；图6是实施例1所示在倾斜基岩地质条件下大直径气动潜孔锤与套管钻相对位置的示意图。图5是在普通地质条件下，大直径气动潜孔锤24的工作位置应该在套管钻13的下面；图6是在倾斜基岩地质条件下，大直径气动潜孔锤24的工作位置应该在套管钻13的上面，这样布置有利于提高钻孔质量和效率。
[0058]如图7和图8所示，图7是实施例1所示套管钻下端面镶嵌有钻齿的一种结构示意图；图8是实施例1所示套管钻下端面镶嵌有钻齿的另一种结构示意图。球状钻齿26具有抗冲击能力大、坚固耐磨的特点，但球状钻齿26容易钝化，钝化后会影响套管钻13钻进速度；片状钻齿25钝化速度比球状钻齿26慢得多，但坚固性和抗径向磨损不如球状钻齿26。可以针对不同的工况条件，合理选择套管钻13齿形。
[0059]上述的对实施例的描述是为便于该【技术领域】的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种带套管钻的大直径气动潜孔锤，其特征在于:包括大直径气动潜孔锤(24)、螺旋输送管(2)和套管钻(13)，以上部件同轴布置，所述螺旋输送管(2)外套位于所述大直径气动潜孔锤(24)的外部，以传递动力和防止在冲击过程中使所述螺旋输送管(2)与所述大直径气动潜孔锤(24)相互分离，所述套管钻(13)位于所述螺旋输送管(2)的外部。
2.根据权利要求1所述的带套管钻的大直径气动潜孔锤，其特征在于:所述大直径气动潜孔锤(24)包括上接头(I)、外缸(3)、活塞(4)、导向套(5)、卡环(6)、密封圈(7)、哈呋(8)、衬套(9)、垫片(10)、下接头(11)和钻头(12)，以上部件依次同轴布置；所述上接头⑴和所述下接头(11)通过螺纹与所述外缸⑶内壁进行固定连接，所述卡环(6)内嵌在所述外缸(3)内壁，并对所述活塞(4)进行轴向限位以防止在装配钻头(12)时所述活塞(4)因自重从缸体内掉下来，所述导向套(5)通过过盈配合固定在所述钻头(12)中心孔上，使所述活塞(4)能够垂直撞击 所述钻头(12)，所述哈呋(8)通过所述外缸(3)内壁和所述衬套(9)进行轴向定位，并对所述钻头(12)起限位作用，所述密封圈(7)内嵌在所述哈呋(8)外侧凹槽中，在所述外缸(3)和所述哈呋⑶之间进行密封，所述垫片(10)位于所述外缸(3)和所述下接头(11)之间，增大所述外缸(3)和所述下接头(11)的作用面积，所述下接头(11)通过花键配合将动力传递给所述钻头(12)。
3.根据权利要求1所述的带套管钻的大直径气动潜孔锤，其特征在于:所述大直径气动潜孔锤(24)通过钻杆(23)与双动力头(22)进行连接以传递动力。
4.根据权利要求2所述的带套管钻的大直径气动潜孔锤，其特征在于:所述钻头(12)底部嵌齿面的直径为574_，顶部与活塞(4)相撞击面的直径为228_，中心通气孔的直径为80mm，包括外花键(17)、4个排气孔(18)、8个纵向排渣口 (19)和4个横向排渣口 (20)；所述外花键(17)与下接头(11矩形内花键进行连接以传递扭矩，所述排气孔(18)、所述纵向排渣口(19)和所述横向排渣口(20)组成孔底排渣系统，所述排气孔(18)与钻头(12)中心通气孔成30°，对称布置，使气体射流能均匀地复盖整个孔底。
5.根据权利要求4所述的带套管钻的大直径气动潜孔锤，其特征在于:所述外花键(17)的形状为矩形，键宽为36mm ； 或所述排气孔(18)的直径均为45mm ； 或所述纵向排渣口(19)和所述横向排渣口(20)的直径均为60_，具有弧形内陷式结构,对称布置。
6.根据权利要求2所述的带套管钻的大直径气动潜孔锤，其特征在于:所述螺旋输送管(2)包括螺旋管接头(14)、螺旋焊片(15)和钢管(16)，所述螺旋管接头(14)位于所述钢管(16)的一端，所述螺旋管接头(14)和4块所述螺旋焊片(15)焊接固定位于所述钢管(16)上； 或所述螺旋输送管(2)通过螺旋管接头(14)的内六角结构与上接头(I)的外六角结构进行过盈配合以传递动力。
7.根据权利要求6所述的带套管钻的大直径气动潜孔锤，其特征在于:所述螺旋焊片(15)的内径为406mm,外径为570mm,螺距为440mm ； 或所述钢管(16)的内径为375mm,外径为405mm,厚度为15mm,长度为1800mm; 或所述螺旋管接头(14)具有内六角结构，外径为405mm,厚度为50mm,内六角形边长为127mm，能够与上接头(I)的外六角结构进行配合，使动力从上接头(I)传递到螺旋输送管⑵。
8.根据权利要求1所述的带套管钻的大直径气动潜孔锤，其特征在于:所述套管钻(13)上部开有通孔，所述套管钻(13)下端面镶嵌有钻齿。
9.根据权利要求1所述的带套管钻的大直径气动潜孔锤，其特征在于:所述套管钻(13)与双动力头(22)的回转装置进行连接以传递动力。
10.根据权利要求8所述的带套管钻的大直径气动潜孔锤，其特征在于:所述套管钻(13)的内径为600mm,厚度为20mm ； 或所述钻齿为片状钻齿(25)或球状钻齿(26)。
【文档编号】E21B4/06GK104033101SQ201410218494
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】訚耀保, 岑斌, 张昌钧, 郭传新 申请人:同济大学