新型扭振式旋挖钻斗结构简析

摘要： 本文介绍了为提高旋挖钻机对较坚硬地层的作业能力而开发的液压振动旋挖钻斗的结构与工作机理，并对激振器等某些核心部件做了简单介绍。

Abstract： In order to improve the operational capacity of rotary drilling rig on the harder formations， this paper describes the structure and working principle of a new torsional vibration type rotary drilling bucket， and describes the structure of some core components such as the vibration exciter， etc.

关键词： 旋挖钻机；激振器；钻斗；连接轴；减振装置

Key words： rotary drilling rig；vibration exciter；drilling bucket；connecting shaft；damping device

0 引言

改革开放以来，国家建设项目与日俱增，各种大主体、多框架类项目不断立项开工，对于承载能力要求如：桩基础的直径和质量等，日趋严格。现有普通旋挖钻机的打桩范围一般是针对第四系以及强风化地层，当遇到泥灰岩、灰岩、砂岩等较坚硬地层时，普通的钻具难以掘进或作用低下。各类冲击破碎型施工设备如各潜孔锤逐渐涌现并在上述岩石层施工中体现了不错的效率和使用价值。

目前我国振动式钻具发展缓慢，类型较国外单一，虽然国内诸多施工企业进口或研制了振动设备如潜孔锤等，进行破岩和凿岩施工，但是施工工法数十年来一成不变，并不科学。譬如针对潜孔锤应用，本适合于硬度较高的各型岩层。而某些硬度较普通土层略高，而又达不到如第四纪胶结、半胶结地层和卵、砾石层的硬度时，潜孔锤效果不明显。开发一种针对工作对象硬度适中，使用范围介于短螺旋钻头等普通钻具和高能量潜孔锤等高频振动设备之间的新型扭振式钻斗，就显得尤为必要了。

1 钻斗主参数

1.1 激振器模块

激振方案 液压马达+回转偏心块

激振力 300kN

激振力矩 120Nm

马达初选 萨奥丹佛斯90系列双位变量马达

变位方式 电控式/液控式

马达排量 65 /100 （ml/r）

极限转速 3300 （rpm）

工作压力 ≤420 （bar）

单位扭矩（大排量） 1.59（Nm/bar）

1.3 斗体参数

最大钻孔直径 1500 mm

最大钻孔深度 40 m

最大扭矩 120 kN

回转速度 ≤30 rpm

设计重量 3.2 t

2 钻斗结构

2.1 连接轴

连接机锁钻杆与斗体。因为液压布管需要，连接轴处应安装中心回转接头，其作用是满足安装在斗体内部的双位马达所需的压力油路、回油路、泄油路、控制油路或电路的布管要求。

2.2 钻斗主体

钻斗主体通过连接轴与钻杆相连，通过径向设置的传扭块起到传递扭矩的作用，是将钻杆传递扭矩的受力部件，同时通过螺旋钻具与点冲式截齿将扭矩传施加于土层、岩层。同时，主体部分也是减震装置的安装座。

2.3 减振装置

减振装置采用设置在振动器四周的一组螺旋弹簧通过导向螺栓与导向套定位而成。在本钻斗中共设置四组减振装置。

2.4 激振器

扭振式旋挖钻斗激振器激振动作是由液压马达通过伞齿轮传动进而带动偏心块回转实现的。为保护伞齿轮传动机构，激振器采用飞溅式润滑。并设置有油标、排气孔、换油孔。具体结构见图2。

激振器主要部件介绍：

①联接法兰：用于安装双位马达。

②驱动齿轮：通过花键与竖轴联接，是双位马达的受力部件。

③从动齿轮：与驱动齿轮啮合，通过深沟球轴承安装在横轴上。将主动齿轮的驱动力传递给偏心块，同时也是飞溅式润滑的实现机构。一对从动齿轮对称布置。

④偏心块：通过铆钉或高强螺栓与从动齿轮联接，同时通过深沟球轴承与横轴联接。通过将伞齿轮传递的马达扭矩转换为冲击力。是激振器的振动实现机构。一对偏心块对称布置。

激振力的计算通常通常是计算垂直分量的合力获得。本钻斗为偏心亏对称布置，激振力计算公式为：

F=2fv=2ma？棕2sin？棕t

F-偏心块激振力，N；fv-离心力垂直分量，N；m-偏心块质量，N；a-重心、轴心距离，m；ω-偏心块角速度，rad/s。

偏心块安装爆炸图如图3所示。

①排气孔：排气作用，避免气体膨胀产生的偏心力损坏轴承。

②箱体：是激振器的主体安装部分，设计标准是保证防尘防漏前提下，尽量方便竖轴、横轴、端盖、联接法兰的装配。箱体下端通过高强度螺栓安装在斗体连接板上。

2.5 联接板

减震装置、激振器箱体与螺旋钻具的安装或限位的部件。起到承上启下作用。

2.6 弹簧

起调整螺旋钻具轴向位置的作用。

2.7 螺旋钻具

钻斗斗体内设置了可上下活动的螺旋钻具，工作时收纳于斗体内，随着斗体的旋转而切取土；卸土时逆向反转；设置在螺旋外周的两个定位块离开定位槽，使得螺旋可以沿着旋挖斗体中部设置的导向杆向下移动，再通过旋转或人工方式将土卸掉。

2.8 点冲式截齿

点冲式截齿用来破碎岩层，通过点式振动冲击来有效地传递掘削能量，点冲式截齿能有效的集中冲击力，同时本身具有耐磨性好的特点，有利于提高成孔速度。

3 工作原理

当钻机钻进到上述地层时，更换普通钻斗为扭振式钻斗，并按照技术说明连接油路，并在入土前进行试机，试机成功后进入下一步。首先，在起振前将扭振式钻斗下放至被切削岩层，然后开动振动器一边回转一边切削。并视岩层硬度调整回转速度和马达排量，这时振动通过螺旋取土器前端的截齿传给岩层，振动冲击破坏岩层并由沿工作方向回转的螺旋取土器将切削下的岩屑收集于钻斗内部。当遇到高硬度地层，除控制双位马达在大排量工作以外，还应适当降低钻斗转速，并适当采用钻机的加压装置（油缸加压或卷扬加压）进行加压，以增大钻具对地层的正压力进而优化破岩效果。切削取土后，将钻斗提升至地面集土位置，使斗底与地面相接触，反转钻具，使螺旋取土器的导向块进入可上下位移位置。靠螺旋取土器的自重和其上部的定位缓冲弹簧的作用进入卸土状态，反向旋转钻具甩土或由人工卸土。卸土后，再将钻具下放到地面适当位置，将螺旋取土器压入旋挖斗体内，正向回转，使螺旋取土器外周侧的定位块进入旋挖斗体上的定位槽孔处。再将钻斗放入桩孔，进入下一个循环。

4 结束语

扭振式旋挖钻斗是根据工程实际开发的，具有对地层适应性强、作业范围广、施工效率高等特点，作为一种新型钻具，对钻机的多功能发展和施工技术的进步起到了积极的推动作用。

参考文献：

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