一种气动冲击螺旋钻头的制作方法

本发明涉及一种钻头，具体的涉及一种气动冲击螺旋钻头。

背景技术：

在现有的建筑桩基础施工中，螺旋钻孔泵压灌混凝土成桩占有很大的市场份额，它以施工效率高、无泥浆、无振动、适应地质条件广等优势，得到了广大建筑开发单位和建设单位的认可。但由于受地质岩土层硬度的影响，在中风化硬质岩土层的成孔施工中，螺旋钻孔很难完成，多采用气动潜孔辅助完成，一是造成施工工期延长；二是增加了桩基础的建筑成本，特别是地下水位较高的地区，造成灌注混凝土得采用导管装置，致使桩孔内的水漫延到桩孔外地表，影响施工效率。

技术实现要素：

针对上述技术问题，根据硬岩的最佳破碎机理是冲击加旋转切削方式，本发明提出了一种气动冲击螺旋钻头，扩大了螺旋钻孔泵灌注桩在中风化硬岩层中的应用，实现高效节能的桩基础施工。

本发明采用的技术方案是：一种气动冲击螺旋钻头，包括接头、外管ⅰ、外管ⅱ、芯管和钻尖装置，外管ⅰ上端与接头同心地固定成一体后外表面缠绕螺旋叶片ⅰ，外表面缠绕螺旋叶片ⅱ的外管ⅱ下端设有钻尖装置，由接头内孔腔、芯管内腔和外管ⅱ内腔形成混凝土通道；设有滑移套和气动冲击装置；所述气动冲击装置安装在外管ⅰ内腔中，由上盖、活塞、缸体和冲锤构成，缸体外表面通过台阶与外管ⅰ内表面的台阶相接触，形成轴向定位，并通过固定螺栓将缸体和外管ⅰ固定，缸体上端与上盖密封固定联接，缸体下端内壁与冲锤上端外壁密封配合且相对轴向滑动联接，活塞安装在缸体内，活塞击打冲锤沿缸体内壁轴向向下滑动；所述滑移套安装在外管ⅰ内腔的下端，滑移套外壁上部与外管ⅰ下端部内壁通过花键副和限位销键滑动联接，滑移套上端与冲锤下端固定联接，滑移套下端与外管ⅱ上端同心地固定联接；芯管上端固定在接头上，下端贯穿气动冲击装置和滑移套，芯管与上盖内孔密封配合，芯管下端部的外表面与滑移套的内孔密封且轴向滑动联接。

进一步的，上述的一种气动冲击螺旋钻头，上盖下端面上制有活塞后限位槽，活塞外表面的上部制有后腔凸台，下部制有前腔凸台，缸体的下端，缸体内壁和冲锤上端面之间形成活塞前限位槽，活塞内壁、冲锤内壁和芯管外壁之间形成排气环道；滑移套内孔上端制有环形槽，环形槽一端与排气环道相通，另一端与贯穿滑移套的直角排气孔道相通；缸体上端部壁内或壁外设有进气孔道、后腔进气孔道和前腔进气孔道，后腔进气孔道和前腔进气孔道都与进气孔道相通，通过后腔凸台和前腔凸台沿缸体内壁的移动，将后腔进气孔道或前腔进气孔道打开或关闭；活塞前腔凸台下端面、冲锤上端面及两面间的缸体内腔形成气动冲击装置的前腔；活塞后腔凸台上端面、上盖下端面及两面间的缸体内腔形成气动冲击装置的后腔；进气管与气动冲击装置上的进气孔道相联通，排气管一端与滑移套上的直角排气孔道相联通，另一端安装单向气嘴。

进一步的，上述的一种气动冲击螺旋钻头，外管ⅰ下端内壁上设有密封防尘件，与相配合的滑移套外表面形成密封且相对轴向滑动；滑移套内孔壁上设有密封防尘件，与相配合的芯管外表面形成密封且相对轴向滑动。

进一步的，上述的一种气动冲击螺旋钻头，所述钻尖装置为一体旋开式钻尖装置，包括钻尖板、堵板、耳板和轴，钻尖板和堵板固定成一体结构，堵板通过轴和耳板与外管ⅱ联接，钻尖板与堵板一同绕轴旋转，实现关闭和打开混凝土通道出口；钻尖板或堵板上设有切削齿ⅰ。

进一步的，上述的一种气动冲击螺旋钻头，所述钻尖装置为一体伸缩式钻尖装置，包括钻尖板、堵板、导流板、导向杆、吊梁和限位杆；钻尖板和堵板固定成一体结构，两个导向杆安装在堵板上，导向杆上端安装吊梁，堵板上两个导向杆之间制有导流板，限位杆的两端与外管ⅱ固定，导向杆沿外管ⅱ内壁上的导向槽上下移动，带动钻尖板与堵板一同沿外管ⅱ轴向相对伸缩，实现关闭和打开混凝土通道出口；钻尖板或堵板上设有切削齿ⅰ。

进一步的，上述的一种气动冲击螺旋钻头，所述钻尖装置为分体下开式钻尖装置，包括钻尖板、堵板、轴和挡板；钻尖板与外管ⅱ固定，钻尖板两侧平面上分别设置一组挡板，挡板上端与外管ⅱ下端固定，每组挡板间的外管ⅱ下端口构成混凝土通道出口，每组挡板之间设置一个堵板，两个堵板分别通过轴与外管ⅱ和挡板联接，通过堵板绕轴旋转，堵板向内旋转将混凝土通道出口关闭，向外旋转将混凝土通道出口打开；钻尖板上设有切削齿ⅰ。

进一步的，上述的一种气动冲击螺旋钻头，所述钻尖装置为分体上开式钻尖装置，包括钻尖板、堵板、轴和挡板；钻尖板与外管ⅱ固定，钻尖板的两侧平面上分别安装一个轴，每个轴的两端固定有两个挡板构成一组，挡板固定在钻尖板的两侧平面上及外管ⅱ的下端，每组挡板间的外管ⅱ下端口构成混凝土通道出口，每组挡板之间安装一个堵板，两个堵板分别通过轴与挡板联接，堵板绕轴旋转，堵板向上旋转将混凝土通道出口关闭，向下旋转将混凝土通道出口打开；钻尖板上设有切削齿ⅰ。

进一步的，上述的一种气动冲击螺旋钻头，外管ⅰ呈柱形体，外管ⅱ呈柱形体或锥台形体。

进一步的，上述的一种气动冲击螺旋钻头，螺旋叶片ⅰ和螺旋叶片ⅱ的端截面为四边形，叶片外缘上设有或不设有缺口；螺旋叶片ⅰ的外缘构成柱形体，螺旋叶片ⅱ的外缘构成柱形体或锥台形体。

进一步的，上述的一种气动冲击螺旋钻头，螺旋叶片ⅱ上设有若干切削齿ⅱ；螺旋叶片ⅰ和螺旋叶片ⅱ的外缘构成等径柱形体结构时，切削齿ⅱ设置在螺旋叶片ⅱ的底端，切削齿ⅱ的齿尖外缘绕钻头中心旋转所形成的最大直径等于所成桩孔的直径；螺旋叶片ⅰ外缘呈柱形体结构、螺旋叶片ⅱ外缘呈锥台形体结构时，切削齿ⅱ分段设置在螺旋叶片ⅱ外缘上，且排列方式为：从螺旋叶片ⅱ底端开始，随着锥台形体结构的半径逐渐增大，设置在其外缘处的切削齿ⅱ的齿尖外缘绕钻头中心旋转所形成的直径逐渐增大，直至等于所成桩孔的直径。

本发明的有益效果是：

1、硬质岩层成孔效率高。硬岩破碎的最佳机理是竖向冲击与圆周旋切的有机组合，采用本发明，气动冲击装置的冲击功作用在旋转的钻头下部，完美地实现了硬岩层的高效破碎。

2、节能。采用本发明，对于桩孔深范围内，岩土层软硬分布的，可选择性使用气动冲击装置，软质岩土层采用旋转钻进，硬质岩土层采用气动冲击与旋转钻进组合使用，节能高效；充分利用气动冲击装置排放的残气来冷却钻头切削齿，延长了钻头切削齿的使用寿命，同时也有利于桩孔底岩渣的向上传送，提高钻进效率。

3、成桩灌注效率高，成桩质量好，环保。采用本发明，桩孔钻进到设计标深后，提钻过程中同时进行泵压灌混凝土，不受地下水位的影响，无泥浆、地下水等排放，不存在桩孔坍塌现象。

附图说明

图1是本发明气动冲击螺旋钻头结构示意图(一体旋开式钻尖装置闭合状态)。

图2是本发明气动冲击螺旋钻头结构示意图(一体旋开式钻尖装置打开状态)。

图3是本发明气动冲击螺旋钻头切削齿ⅱ排布(一体旋开式钻尖装置打开状态)。

图4是本发明气动冲击螺旋钻头结构示意图(一体伸缩式钻尖装置打开状态)。

图5是本发明气动冲击螺旋钻头结构示意图(一体伸缩式钻尖装置闭合状态)。

图6是本发明气动冲击螺旋钻头结构示意图(分体下开式钻尖装置打开状态)。

图7是本发明气动冲击螺旋钻头结构示意图(分体上开式钻尖装置打开状态)。

图8是本发明气动冲击装置结构示意图。

图9是图8中a-a剖视图。

图10是无缺口螺旋叶片ⅰ示意图。

图11是有缺口螺旋叶片ⅰ示意图。

图12是无缺口螺旋叶片ⅱ示意图。

图13是有缺口螺旋叶片ⅱ示意图。

其中，1——接头；2——螺旋叶片ⅰ；3——外管ⅰ；4——固定螺栓；

5——限位销键；6——排气管；7——单向气嘴；8——花键副；

9——密封防尘件；10——外管ⅱ；11——螺旋叶片ⅱ；12——滑移套；

13——气动冲击装置；14——芯管；15——进气管；16——钻尖板；

17——堵板；18——耳板；19——轴；20——导流板；

21——导向杆；22——吊梁；23——限位杆；24——挡板。

具体实施方式

实施例

如图1-图13所示，一种气动冲击螺旋钻头，包括接头1、螺旋叶片ⅰ2、外管ⅰ3、外管ⅱ10、螺旋叶片ⅱ11、滑移套12、气动冲击装置13、芯管14和钻尖装置。

气动冲击螺旋钻头由钻头上部和钻头下部构成。接头1、螺旋叶片ⅰ2、外管ⅰ3、固定螺栓4、限位销键5、气动冲击装置13和进气管15组成钻头上部。滑移套12、外管ⅱ10、螺旋叶片ⅱ11、钻尖装置、排气管6和单向气嘴7组成钻头下部。通过外管ⅰ3与滑移套12间的花键副及滑移套12上限位槽与限位销键5的配合，实现钻头上部与钻头下部相对轴向移动的极限位置。

外管ⅰ3上端与接头1同心地固定成一体后外表面缠绕螺旋叶片ⅰ2。当然，接头1也可以替换成法兰。外管ⅰ3下端通过花键副8及限位销键5与滑移套12轴向滑动联接，当然，限位销键5也可以替换成限位螺栓。外管ⅰ3内腔中安装气动冲击装置13。滑移套12下端与外管ⅱ10上端同心地固定联接，外管ⅱ10外表面缠绕螺旋叶片ⅱ11，外管ⅱ10下端设有钻尖装置。芯管14上端固定在接头1上，下端贯穿气动冲击装置13和滑移套12。由接头1内孔腔、芯管14内腔和外管ⅱ10内腔形成混凝土通道。

滑移套12和气动冲击装置13安装在外管ⅰ3内腔中。

如图8和图9所示，所述气动冲击装置13由上盖13-1、活塞13-2、缸体13-3和冲锤13-4构成。缸体13-3的外表面制有台阶，外管ⅰ3内表面制有台阶3-1，缸体13-3通过台阶与外管ⅰ3内表面的台阶3-1相接触，形成轴向定位，并通过固定螺栓4将缸体13-3和外管ⅰ3固定。缸体13-3上端与上盖13-1密封固定联接，缸体13-3下端内壁与冲锤13-4上端外壁密封配合且相对轴向滑动联接。活塞13-2安装在缸体13-3内，活塞13-2击打冲锤13-4沿缸体13-3内壁轴向向下滑动。

进一步的，上盖13-1下端面上制有活塞后限位槽13-2-1，活塞13-2外表面的上部制有后腔凸台13-2-2，下部制有前腔凸台13-2-3，缸体13-3的下端，缸体13-3内壁和冲锤13-4上端面之间形成活塞前限位槽13-2-4。活塞13-2内壁、冲锤13-4内壁和芯管14外壁之间形成排气环道13-5。缸体13-3上端部壁内设有进气孔道13-3-1、后腔进气孔道13-3-2和前腔进气孔道13-3-3，后腔进气孔道13-3-2和前腔进气孔道13-3-3都与进气孔道13-3-1相通，通过后腔凸台13-2-2和前腔凸台13-2-3沿缸体13-3内壁的移动，将后腔进气孔道13-3-2或前腔进气孔道13-3-3打开或关闭；活塞13-2的前腔凸台13-2-3下端面、冲锤13-4上端面及两面间的缸体13-3内腔形成气动冲击装置的前腔13-6；活塞13-2的后腔凸台13-2-2上端面、上盖13-1下端面及两面间的缸体13-3内腔形成气动冲击装置的后腔13-7。冲锤13-4下端与滑移套12上端固定联接。

滑移套12安装在外管ⅰ3内腔的下端，滑移套12的外壁与外管ⅰ3下端内壁通过花键副8滑动联接，滑移套12下端与外管ⅱ10上端同心地固定联接，滑移套12内孔上端制有环形槽12-1，环形槽12-1一端与排气环道13-5相通，另一端与贯穿滑移套12的直角排气孔道12-2相通。

滑移套12的外表面设有一个或多个轴向限位槽12-3，与安装在外管ⅰ3对应位置上的一个或多个限位销键5滑动配合。

优选的，外管ⅰ3的下端内壁上设有密封防尘件9，与相配合的滑移套12外表面形成密封且相对轴向滑动；滑移套12内孔壁上设有密封防尘件9，与相配合的芯管14外表面形成密封且相对轴向滑动。

进气管15可通过接头与气动冲击装置13上的进气孔道13-3-1相联通，排气管6一端通过接头与滑移套12上的直角排气孔道12-2相联通，另一端穿过外管ⅰ3后安装单向气嘴7。进气管15可以安装在外管ⅰ3内，也可以安装在外管ⅰ3外。

芯管14上端固定在接头1上，下端贯穿气动冲击装置13和滑移套12，芯管14与上盖13-1内孔密封配合，芯管14下端部的外表面与滑移套12的内孔密封且轴向滑动联接。

在一个实施例中，如图1-3所示，所述钻尖装置为一体旋开式钻尖装置，包括钻尖板16、堵板17、耳板18和轴19，钻尖板16和堵板17固定成一体结构，堵板17通过轴19和耳板18与外管ⅱ10联接，钻尖板16与堵板17一同绕轴19旋转，实现关闭和打开混凝土通道出口；钻尖板16或堵板17上设有切削齿ⅰ16-1。

在一个实施例中，如图4-5所示，所述钻尖装置为一体伸缩式钻尖装置，包括钻尖板16、堵板17、导流板20、导向杆21、吊梁22和限位杆23；钻尖板16和堵板17固定成一体结构，两个导向杆21安装在堵板17上，导向杆21上端安装吊梁22，堵板17上两个导向杆21之间制有导流板20，限位杆23的两端与外管ⅱ10固定，导向杆21沿外管ⅱ10内壁上的导向槽10-1上下移动，带动钻尖板16与堵板17一同沿外管ⅱ10轴向相对伸缩，实现关闭和打开混凝土通道出口；钻尖板16或堵板17上设有切削齿ⅰ16-1。

在一个实施例中，如图6所示，所述钻尖装置为分体下开式钻尖装置，包括钻尖板16、堵板17、轴19和挡板24；钻尖板16与外管ⅱ10固定，钻尖板16两侧平面上分别设置一组挡板24，挡板24上端与外管ⅱ10下端固定，每组挡板24间的外管ⅱ10下端口构成混凝土通道出口，每组挡板24之间安装一个堵板17，两个堵板17分别通过轴19与外管ⅱ10和挡板24联接，通过堵板17绕轴19旋转，堵板17向内旋转将混凝土通道出口关闭，向外旋转将混凝土通道出口打开；钻尖板16上设有切削齿ⅰ16-1。

在一个实施例中，如图7所示，所述钻尖装置为分体上开式钻尖装置，包括钻尖板16、堵板17、轴19和挡板24；钻尖板16与外管ⅱ10固定，钻尖板16的两侧平面上分别安装一个轴19，每个轴19的两端固定有两个挡板24构成一组，挡板24固定在钻尖板16的两侧平面上及外管ⅱ10的下端，每组挡板24间的外管ⅱ10下端口构成混凝土通道出口，每组挡板24之间安装一个堵板17，两个堵板17分别通过轴19与挡板24联接，堵板17绕轴19旋转，堵板17向上旋转将混凝土通道出口关闭，向下旋转将混凝土通道出口打开；钻尖板16上设有切削齿ⅰ16-1。

在一个实施例中，如图3和图7所示，外管ⅰ3呈柱形体，外管ⅱ10呈柱形体。

在一个实施例中，如图1、2、4、5和6所示，外管ⅰ3呈柱形体，外管ⅱ10呈锥台形体。

如图10-13所示，螺旋叶片ⅰ2和螺旋叶片ⅱ11的端截面为四边形，叶片外缘设有或不设有缺口。

在一个实施例中，螺旋叶片ⅰ2的整体外缘构成柱形体，螺旋叶片ⅱ11的整体外缘构成柱形体。

在一个实施例中，螺旋叶片ⅰ2的整体外缘构成柱形体，螺旋叶片ⅱ11的整体外缘构成锥台形体。

螺旋叶片ⅱ11上设有若干切削齿ⅱ11-1。切削齿ⅱ11-1安装在螺旋叶片ⅱ11的底端或在螺旋叶片ⅱ11上分段安装。

如图3所示，切削齿ⅱ11-1设置在螺旋叶片ⅱ11的底端。优选的，当螺旋叶片ⅰ2和螺旋叶片ⅱ11的外缘一起构成等径柱形体结构时，切削齿ⅱ11-1设置在螺旋叶片ⅱ11的底端，切削齿ⅱ11-1的齿尖外缘绕钻头中心旋转所形成的最大直径等于所成桩孔直径。

如图2、4、5、6和7所示，切削齿ⅱ11-1分段设置螺旋叶片ⅱ11上。优选的，当螺旋叶片ⅰ2外缘呈柱形体结构、螺旋叶片ⅱ11外缘呈锥台形体结构时，切削齿ⅱ11-1分段设置在螺旋叶片ⅱ11上且排列方式为：从螺旋叶片ⅱ11底端开始，随着锥台形体结构的半径逐渐增大，设置在其外缘处的切削齿ⅱ11-1的齿尖外缘绕钻头中心旋转所形成的直径逐渐增大，直至等于所成桩孔直径。

本发明的工作原理是：

钻头由钻头上部和钻头下部组成，钻头上部的内腔设有气动冲击装置13，气动冲击装置13中的冲锤13-4与滑移套12固定联接，滑移套12上端部的外表面与外管ⅰ3内壁通过花键副形成轴向滑动联接，滑移套12下端与外管ⅱ10固定成一体，通过滑移套12与外管ⅰ3间的相对轴向移动，来实现钻头下部相对钻头上部的轴向移动，移动距离的大小由外管ⅰ3外表面上的限位销键5沿滑移套12外壁上的限位槽滑动距离控制。

气动冲击装置的工作原理：活塞13-2从缸体13-3内腔的下端位置向上端位置移动的过程为回程过程，活塞13-2从缸体13-3内腔的上端位置向下端位置移动的过程为冲程过程，整个过程中，压力空气为动力源。

1、回程过程：压力空气经进气孔道13-3-1和前腔进气孔道13-3-3进入前腔13-6(此时后腔进气孔道13-3-2关闭)，活塞13-2向上移动，后腔13-7内空气通过排气环道13-5排气，经排气管6、单向气嘴7排放到钻头外底端部，前腔13-6不断进入压力空气，活塞13-2加速上移，随着活塞13-2上端进入活塞后限位槽13-2-1中，后腔13-7与排气通道13-5的连通被堵死，前腔13-6继续进气，后腔13-7内空气被压缩，活塞13-2继续加速上移，至前腔进气孔道13-3-3被关闭，前腔13-6和后腔13-7都处于封闭状态，前腔内空气膨胀，后腔内空气压缩，此时前腔内压力大于后腔内压力，活塞13-2继续加速上移，活塞13-2上移至后腔进气孔道13-3-2打开，后腔进入压力空气，前腔内空气继续膨胀，当后腔内压力超过前腔时，活塞13-2上移由加速变为减速，活塞13-2上移至前腔的排气环道打开，前腔内的空气通过排气环道排气，经排气管6、单向气嘴7排放到钻头外底端部，活塞13-2继续上移减慢，直至速度为零。

2、冲程过程：与回程过程相反，压力空气继续从后腔进气孔道13-3-2进入后腔，活塞13-2开始作向下加速移动，随着活塞下端进入活塞前限位槽13-2-4至冲程末端，在活塞13-2自重和后腔内压力空气作用下，活塞13-2的下端面击打冲锤13-4，使冲锤13-4下移，从而带动钻头下部向下移动一定距离，完成一次冲击。

在硬岩层钻进中时，先启动动力头作钻进旋转，并下放，使钻头底部与岩层压力接触，再启动空压机送风给钻头内气动冲击装置13，气动冲击装置13内的活塞13-2开始作上下往复运动，每一次冲程结束时都要击打一次冲锤13-4，冲锤13-4通过钻头下部的切削齿传冲击能给相接处岩层，击打岩层，加剧此处岩层的破碎，实现了岩层同时受到冲击和旋转切削的作用力，满足硬岩最佳破碎条件。气动冲击装置13内的残气排放通过排气管6引入钻头外底端部，一是有利于钻头上切削齿的冷却，二是有利于桩孔底切削下来岩渣的向上传输。