一種變曲率螺旋打樁機鑽頭的製作方法

2023-07-02 05:21:36

一種變曲率螺旋打樁機鑽頭的製作方法
【專利摘要】一種變曲率螺旋打樁機鑽頭，包括鑽杆、鑽尖、螺旋刀片以及鑽鎬，鑽鎬的兩側曲面分別為內觸土曲面和外觸土曲面，鑽鎬的縱切斷面中的內觸土曲面的輪廓曲線和外觸土曲面的輪廓曲線分別符合不同的方程；所述的鑽尖由繞鑽杆入土端面的圓心中心對稱的三個鑽尖基體組成。本實用新型中，鑽頭所用方程曲線是基於試驗優化而來，應用於鑽鎬內外觸土曲面的仿生曲線源於公雞足趾觸土曲面，其腳趾內外輪廓觸土曲線具有良好的土壤減阻脫附能力，將此結構應用在打樁機鑽頭的鑽鎬部位，不但使打樁機具有很好的挖掘土壤能力，同時減小鑽頭所受的土壤阻力，提高鑽頭的使用壽命和工作效率。
【專利說明】一種變曲率螺旋打粧機鑽頭

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及鑽探設備用破巖工具領域，具體的說是一種變曲率螺旋打樁機鑽 頭。

【背景技術】
[0002] 螺旋打樁機作為一種常見的工程機械，在橋梁、路基和隧道等工程中有著重要應 用。目前，工程建設中常用的鑽頭由鑽杆、鑽尖、鑽鎬和螺旋導片等組成，螺旋刀片固定在鑽 杆上，鑽尖和鑽鎬焊接在鑽桿頭部，與鑽杆成為不可分離的一體，鑽杆為空心結構。此種結 構的打樁鑽頭存在以下問題：1、在打樁的過程中鑽尖和鑽鎬磨損嚴重；2、在打樁的過程中 螺旋刀片粘土問題嚴重；3、鑽尖受力結構不合理，在實際的打樁過程中以上問題會嚴重影 響打樁效率，延長施工時間，同時，降低了打樁機鑽頭的壽命。 實用新型內容
[0003] 由於打樁機鑽頭在打樁過程中存在的問題不僅與鑽頭材料和結構有關，還和與土 壤滑動接觸的鑽頭表面幾何形狀有關，本實用新型的目的是為了解決現有鑽頭結構不合 理、粘土嚴重和壽命短的問題，重新設計鑽頭的形狀，提供了一種變曲率螺旋打樁機鑽頭。
[0004] 本實用新型為實現上述目的所採用的技術方案為：一種變曲率螺旋打樁機鑽 頭，包括呈圓柱形的鑽杆、設在鑽杆入土端部的鑽尖、沿鑽杆外周面螺旋盤列的螺旋刀片 以及固定在螺旋刀片入土端部的兩個鑽鎬，鑽鎬的兩側曲面分別為內觸土曲面和向內 觸土曲面彎曲的外觸土曲面，鑽鎬的縱切斷面中的內觸土曲面的輪廓曲線分別符合方程 F =〇j)〇7C〇45124Z - 0J74.J4：2059 r - 2.627550Π 61 f, t 的取值 範圍為5~12 ;外觸土曲面的輪廓曲線分別符合方程 I = |76廠-197/ - CU5065SlS6lr - 和 Γ = 0-紐39362765廠-W》2SS66：!S8?3 -0.097〇?)87，： - 1.4723S1S02T, t 的取值 範圍為5~12;
[0005] 所述的鑽尖由繞鑽杆入土端面的圓心中心對稱的三個鑽尖基體組成,鑽尖基體從 鑽尖頂部中心到鑽尖底部的外輪廓曲線符合方程： I =0,196817 XlOraV -0,663959了4 κΚΓ:，： +l,5SS4557SNS2r, 】，= 0J91967 κΙΟ-Υ +0·：Β2229704?2 - 1·1014443698? ,t取值範圍 為5?145。
[0006] 本實用新型中，鑽鎬側面中過內觸土曲面與外觸土曲面的縱切斷面中，內觸土曲 面的輪廓曲線末端與外觸土曲面的輪廓曲線末端圓弧相接，該圓弧半徑為30cm。
[0007] 各鑽尖基體的側面均沿順時針或逆時針方向扭轉40°。
[0008] 本實用新型的螺旋刀片由單線的副螺旋刀片和多線的主螺旋刀片通過 圓弧連接而成，且副螺旋刀片和主螺旋刀片的螺旋直徑均為60cm，主螺旋刀片 和副螺旋刀片的結構相同，螺旋刀片呈擺線型，螺旋刀片的外輪廓曲線方程為 X = 0.21542 xlO^V-〇j〇(E3SgSg51i: +l.S_9<S69372i 和 Γ =-CL35187 X ΚΤΥ+ + 〇·〇Β7025821，： - L363515913i, t 取值範 圍為：Γ147,螺旋刀片由該曲線方程在一定的螺旋直徑和導程下，繞鑽杆的外周面螺旋盤列 而成。其中，主螺旋刀片的螺距為30cm，副螺旋刀片的導程為5cm，兩個鑽鎬以鑽杆中軸線 為對稱軸，分別設在副螺旋刀片的入土端部。
[0009] 本實用新型的打樁機鑽頭包括仿生型的鑽鎬、擺線型的螺旋刀片、扭曲型漸近線 型的鑽尖和圓柱形的鑽杆四部分，打樁機鑽頭的工作直徑為60cm，鑽杆橫截斷面的直徑為 25cm，鑽頭的工作長度可根據需要進行的設定，同時改變相關參數進行匹配。以上方程曲線 均為原始曲線，在實際的生產加工中可根據實際工況需要進行縮放，曲線的內蘊幾何形式 不發生改變。
[0010] 本實用新型基於仿生和解析幾何的方法，達到延長使用壽命，提高生產效率的目 的。應用於螺旋刀片的擺線型曲線，在螺旋刀片上表現為平緩的凹凸結構，這種特殊結構的 應力場表現為連續的波動性能，應力場的持續波動導致土壤粘附刀盤的的機率大大降低， 此種結構在土槽實驗中表現出優良的減粘脫附性能。
[0011] 有益效果：
[0012] (1)、本實用新型中，鑽頭所用方程曲線是基於試驗優化而來，具有特殊的幾何土 壤性能。其中，應用於鑽鎬內外觸土曲面的仿生曲線源於公雞足趾觸土曲面，公雞在日常的 覓食過程中，腳趾具有很強的土壤挖掘能力，且在長時間的進化過程中，其腳趾內外輪廓觸 土曲線具有良好的土壤減阻脫附能力，將此結構應用在打樁機鑽頭的鑽鎬部位，不但使打 樁機具有很好的挖掘土壤能力，同時減小鑽頭所受的土壤阻力，提高鑽頭的使用壽命和工 作效率；
[0013] (2)、鑽尖基體的曲線方程為漸近線型曲線，在土壤仿真試驗中表現出優良的脫土 性能，同時漸近線型幾何結構單體能夠對運動的土壤產生引導效應和對土壤顆粒產生滾動 效應，這樣就降低了土壤與鑽尖表面的粘附機率，同時，各鑽尖基體的側面均沿順時針或逆 時針方向扭轉40°，鑽尖在工作時，挖掘的土壤能夠輕鬆的送進螺旋刀片，進而提高挖掘速 度，降低鑽機粘附的可能，與現有技術相比，表現出優良的脫附減阻效果；
[0014] (3)、本實用新型將打樁機鑽頭進行重新設計，將一種漸近線型曲線應用於鑽尖設 計，將一種仿生型曲線應用於鑽鎬設計，鑽尖和鑽鎬所對應的曲線分別具有特殊的土壤幾 何性能，能夠改變土壤與其接觸表面的運動狀態，對運動的土壤產生平滑的切削效應，從而 降低打樁機的工作阻力；此種結構還能夠使土壤的應力場表現為連續的波動性能，應力場 的持續波動會導致土壤粘附鑽頭的的機率大大降低，使鑽頭具有較強的入土能力和較好的 脫土效果，同時，在作業時，能夠分散土壤壓力，減小觸土面積，從而減少土壤粘附，降低土 壤阻力；本實用新型不但使打樁機具有很好的土壤挖掘能力，同時減小了土壤的挖掘阻力， 提高了鑽頭的使用壽命和工作效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為鑽頭的整體結構圖；
[0016] 圖2為圖1的俯視圖；
[0017] 圖3為扭曲後漸近線型的鑽尖正視圖；
[0018] 圖4為鑽鎬縱切斷面的輪廓曲線圖；
[0019] 圖5為鑽鎬的立體圖；
[0020] 圖6為螺旋刀片的部分示意圖。
[0021] 附圖標記：1、鑽杆，2、鑽尖，201、鑽尖基體，3、鑽鎬，301、內觸土曲面，302、外觸土 曲面，4、主螺旋刀片，5、副螺旋刀片。

【具體實施方式】
[0022] -種變曲率螺旋打樁機鑽頭，如圖1所示，包括呈圓柱形的鑽杆1、設在鑽杆1入土 端部的鑽尖2、沿鑽杆1外周面螺旋盤列的螺旋刀片以及固定在螺旋刀片入土端部的兩個 鑽鍋3。
[0023] 其中，兩個鑽鎬3對稱於鑽杆1的中軸線對稱設置，且兩個鑽鎬3均向鑽 杆1的中軸線方向彎曲，鑽鎬3的其中兩個相對側面為彎曲曲面，分別為內觸土曲 面301以及向內觸土曲面301彎曲的外觸土曲面302 ;鑽鎬3的另兩個相對側面 為堅直平面。沿鑽鎬3堅直平面的斷面中的內觸土曲面的輪廓曲線分別符合方程 Λ' - 0.0077580476- 0.0568923497r'?0J9265S 101Β7Π 1'4?δ7/和 != 0,070245124. ^ _CU?515I3W13-?).Π 4442?59 r _ 2.627.5501761 f, t 取值範 圍為5~12 ;外觸土曲面的輪廓曲線分別符合方程 X = 0.雜7乃8(?%- (U9265S1S(Slr - 和 = 0.0039362765/4 - .0：!8S66{)2S8f-; -0..0977508為：- 1.4723SlSt?2r, t 取值範 圍為5~12 ;鑽鎬3側面的縱切斷面中，內觸土曲面的輪廓曲線末端與外觸土曲面的輪廓曲 線末端圓弧相接，該圓弧半徑為30cm。
[0024] 鑽尖2由繞鑽杆入土端面的圓心中心對稱的三個鑽尖基體201組 成，鑽尖基體201從鑽尖2頂部中心到鑽尖2底部的外輪廓曲線符合方程 ： A* =0.196gn.>acr4r5-0.66395於4 XiCTl2 +L5SS4557962i 和 Γ 二 091967 X ICrY + 0.132229704 -1.1014443仍Sr , t 取值範圍 為5~145 ;各鑽尖基體201的側面均沿順時針或逆時針方向扭轉40°。
[0025] 其中，如圖1所示，螺旋刀片由單線的副螺旋刀片5和多線的主螺旋刀片4通過圓 弧連接而成，副螺旋刀片5和主螺旋刀片4的螺旋直徑相同，所述的兩個鑽鎬3以鑽杆1中 軸線為對稱軸，分別設在副螺旋刀片5的入土端部。
[0026] 進一步的，螺旋刀片的外輪廓曲線方程為 1 = 0.21542 XlO^f3 -〇.〇_3SSSS5lf +1.8_966937：!? 和 Γ = U5187 x ΗΤΥ +0,01370258211=+-1,2.635159131, t 取值範 圍為：Γ147,螺旋刀片由該曲線方程在一定的螺旋直徑和導程下，繞鑽杆1的外周面螺旋盤 列而成。
[0027] 如圖1所示，鑽頭包括仿生型鑽鎬3、擺線型螺旋刀片、扭曲型漸近線鑽尖2和圓柱 形的鑽杆1四部分，鑽尖曲線在漸近線的基礎上創新性的順時針扭曲40°，鑽尖在工作時 挖掘的土壤能夠輕鬆的送進螺旋刀片，進而提高挖掘速度，降低鑽機粘附的可能。鑽頭刀片 的工作直徑為60cm，即副螺旋刀片5和主螺旋刀片4的螺旋直徑均為60cm，鑽杆1的橫截 斷面的直徑為25cm，主螺旋刀片4的螺距為30cm，副螺旋刀片5的導程為5cm。鑽尖2與鑽 杆1為無縫焊接，螺旋刀片與鑽杆1為無縫焊接，旋轉角度為180度，各刀片均經圓角處理。 鑽鎬3焊接在副螺旋刀片5的入土端部，兩鑽鎬3為對稱結構，鑽頭的工作長度可根據需要 進行的設定，同時改變相關參數進行匹配。
[0028] 由於生物經過長期與自然界進行的物質、能量及信息交換，造就了適應生態環境 的系統，許多科學技術難題在生物界已經獲得圓滿解決，本實用新型中，應用於鑽鎬內外觸 土曲面的仿生曲線源於公雞足趾觸土曲面，在公雞足趾與土壤的主動適應過程中，形成的 最大特點是挖掘足發達，將此結構應用在打樁機鑽頭的鑽鎬部位，不但使打樁機具有很好 的挖掘土壤能力，同時減小鑽頭所受的土壤阻力，提高鑽頭的使用壽命和工作效率。
[0029] 以上方程曲線均為原始曲線，在實際的生產加工中可根據輪廓尺寸需要進行縮 放，曲線的內蘊幾何形式不發生改變。上述幾何結構實體的具體尺寸和分布間距還應根據 具體的工作環境和土壤性質來確定；同時，應考慮到加工工藝性的好壞以及使用成本的高 低。加工工藝路線應根據材料特性，現有加工方法來具體制定。
【權利要求】
1. 一種變曲率螺旋打樁機鑽頭，包括呈圓柱形的鑽杆（1)、設在鑽杆（1)入土端部的 鑽尖（2)、沿鑽杆（1)外周面螺旋盤列的螺旋刀片以及固定在螺旋刀片入土端部的兩個鑽 鎬（3)，其特徵在於：鑽鎬（3)的兩側曲面分別為內觸土曲面（301)和向內觸土曲面（301) 彎曲的外觸土曲面（302)，鑽鎬（3)的縱切斷面中的內觸土曲面的輪廓曲線分別符合方程 .Y = 0.0077^W76f4 0農％齡- CU92CS5SI8C，lr - l〇JB717142S7f和 F = 0.0071-以5124 ^ -10515130913 r，-OJ柯 r -2.6275501761，，t 的 取值範圍為5~12 ;外觸土曲面的輪廓曲線分別符合方程 A\〇M_775S〇476/' -(},〇568923497, -〇j9265SlS6：ir -1〇.〇571714287，和 r = 0-0(B9362765r - 0.028866028?5 -0JB7750S7,2 -1.472381802f, t 的 取值範圍為5~12 ; 所述的鑽尖（2)由繞鑽杆（1)入土端面的圓心中心對稱的三個鑽尖基體（201) 組成，鑽尖基體（201)從鑽尖（2)頂部中心到鑽尖（2)底部的外輪廓曲線符合方程： 1 = 0.196817x10-^ -0.66395974xHT:r' +1.5884557962?和 r = 0.391%7 +〇.132229704f: -1.101444369Sf ,t取值 範圍為5~145。
2. 根據權利要求1所述的一種變曲率螺旋打樁機鑽頭，其特徵在於：鑽鎬（3)側面的縱 切斷面中，內觸土曲面的輪廓曲線末端與外觸土曲面的輪廓曲線末端圓弧相接，該圓弧半 徑為30cm。
3. 根據權利要求1所述的一種變曲率螺旋打樁機鑽頭，其特徵在於：各鑽尖基體（201) 的側面均沿順時針或逆時針方向扭轉40°。
4. 根據權利要求1所述的一種變曲率螺旋打樁機鑽頭，其特徵在於：所述的螺旋刀片 由單線的副螺旋刀片（5)和多線的主螺旋刀片（4)通過圓弧連接而成，主螺旋刀片（4)和副 螺旋刀片（5)的螺旋直徑相同，所述的兩個鑽鎬（3)以鑽杆（1)中軸線為對稱軸，分別設在 副螺旋刀片（5)的入土端部。
5. 根據權利要求1或4所述的一種變曲率螺旋打樁機鑽頭，其特徵在於：所述的螺旋 刀片的外輪廓曲線方程為 JT = 0,21542 XlO^V -0._g3S8g851f: +l.__669372f 和 F = x i(r4f?十 0,0137025821?2 - i 35351591取 值範圍為:T147,螺旋刀片由該曲線方程在一定的螺旋直徑和導程下，繞鑽杆（I)的外 周面螺旋盤列而成。
6. 根據權利要求4所述的一種變曲率螺旋打樁機鑽頭，其特徵在於：所述主螺旋刀片 (4)的螺距為30cm，副螺旋刀片（5)的導程為5cm，且副螺旋刀片（5)和主螺旋刀片（4)的 螺旋直徑均為60cm。
7.根據權利要求1所述的一種變曲率螺旋打樁機鑽頭，其特徵在於：所述鑽杆（I)的橫 截斷面的直徑為25cm。
【文檔編號】E21B10/43GK204139978SQ201420537225
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月18日 優先權日:2014年9月18日
【發明者】郭志軍, 倪利偉, 餘浩, 馬海英, 張陽, 李濤 申請人:河南科技大學