一种方形桩桩孔旋挖设备及其使用方法

技术领域

本发明属于混凝土灌注桩桩孔开挖技术领域，特别是涉及一种方形桩桩孔旋挖设备及其使用方法。

背景技术

目前，混凝土灌注桩根据桩身截面形状的不同，可分类为圆形桩和方形桩，虽然圆形桩最为普遍，但方形桩与圆形桩相比，当截面面积相同时，方形桩具有更大的侧向表面积，使得桩身在地下能够获得更大的侧摩阻力，从而可以有效提高单桩的承载力，并且方形桩具有更加优异的抗剪能力和抗震性能。

然而，在混凝土灌注桩基工程施工中，桩孔通常采用旋挖钻进方式制备，因此制备圆形桩桩孔最为容易，但若是采用方形桩，通常采用人工开挖方式制备，因而存在开挖效率低、开挖周期长、作业风险高的弊端。

为此，申请号为202021692933.9的中国专利申请，公开了一种抗滑桩方孔成孔设备，其利用一个与目标钻孔等大的方形框做为限制，使用勒洛三角形钻刀在限制范围内进行桩孔钻进。但是，该成孔设备存在占用空间大、灵活较差的缺点，且该成孔设备未设置向下的钻进压力，使得钻进速度缓慢，同时还要求钻刀长度必须大于目标桩孔的长度，这就导致目标桩孔的深度完全受限于钻刀长度，影响了该成孔设备的适用范围。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种方形桩桩孔旋挖设备及其使用方法，采用了区别于传统成孔设备的结构形态，省去了方形框的限制结构，大幅度降低了设备占用的空间，有效提高了灵活性，并且设备的钻杆不仅为钻头提供扭矩，同时通过打桩机立柱上的液压升降机构并由设备钻杆对钻头提供向下压力，从而大幅度提高了钻进的工作速度，并摆脱了传统方孔钻钻刀长度须大于目标桩孔长度的束缚，使本发明具有了适用范围广、可操作性强、动力输出大、效率高的特点，有效满足了方形桩桩孔旋挖的工艺要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种方形桩桩孔旋挖设备，包括动力机构、传动机构及开挖机构；所述传动机构与打桩机立柱上的液压升降机构相连；所述动力机构设置在传动机构的动力输入端；所述开挖机构设置在传动机构的动力输出端，通过开挖机构制备方形桩桩孔。

所述动力机构采用电驱齿轮传动式结构，动力机构的动力输出端为齿轮组。

所述传动机构包括齿轮、齿圈、实心钻杆、空心钻杆及转接支架；所述转接支架一端与打桩机立柱上的液压升降机构连接，转接支架可沿打桩机立柱上下滑动；所述空心钻杆竖直设置在转接支架另一端；所述齿圈同心固装在空心钻杆顶部，在空心钻杆底端内表面设有内螺纹；所述实心钻杆同心设置在空心钻杆内部，所述齿轮同心固装在实心钻杆顶部且位于齿圈上方；所述实心钻杆与空心钻杆之间通过第一轴承转动连接；所述空心钻杆与转接支架之间通过第二轴承转动连接；在所述实心钻杆底端固设有第一转接法兰盘；所述动力机构通过其动力输出端的齿轮组与齿轮和齿圈进行啮合传动配合。

所述齿轮与齿圈的转向相反，齿轮与齿圈的转速比为1:3。

所述开挖机构包括传动轴、空心钻头及转接套；所述空心钻头的截面形状为勒洛三角形；所述传动轴竖直固装在空心钻头的顶板形心处，在传动轴与空心钻头顶板之间固设有加强肋板，在传动轴顶端固设有第二转接法兰盘，传动轴顶端的第二转接法兰盘通过万向节与实心钻杆底端的第一转接法兰盘传动连接；所述传动轴与实心钻杆偏心分布；所述转接套偏心套装在传动轴外侧，转接套与传动轴之间通过第三轴承转动连接；在所述转接套外表面设有外螺纹，所述空心钻杆与转接套同轴螺接固连在一起。

所述转接套与传动轴的偏心距为空心钻头截面勒洛三角形任意两顶点距离的

在所述空心钻头的底部设有静刀盘，静刀盘的形状为勒洛三角形，静刀盘的其中一个勒洛三角形单边与空心钻头之间通过合页相铰接，且合页的铰接位置位于勒洛三角形单边中间处；所述静刀盘的另外两个勒洛三角形单边与空心钻头之间设置有卡扣，且卡扣的安装位置位于勒洛三角形单边中间处。

在所述静刀盘上沿周向分布有三处扇形镂空孔，在静刀盘的勒洛三角形顶点处固设有静齿；在所述静刀盘的底部中心处轴向铰接有动刀盘，动刀盘采用扇形三叶片式结构，在动刀盘的叶片上固设有动齿；所述动刀盘的扇形叶片尺寸等于静刀盘上扇形镂空孔的尺寸。

在所述静齿与动齿之间设有对接卡裆定位块结构，通过对接卡裆定位块结构对动刀盘的回转角度范围进行限定。

一种方形桩桩孔旋挖设备的使用方法，具体为：

当需要制备方形桩桩孔时，首先将打桩机移动到打孔位置处，使方形桩桩孔旋挖设备位于方形桩桩孔标定点位正上方，之后启动动力机构，通过其动力输出端的齿轮组分别向传动机构的齿轮和齿圈传动动力，此时齿轮与齿圈的转向相反，且齿轮与齿圈的转速比为1:3；

当齿轮在设定转速下进行转动时，会依次通过实心钻杆、万向节和传动轴带动空心钻头进行自转；同时，当齿圈在特定转速下进行转动时，会通过空心钻杆带动转接套同步转动，进而通过转接套带动传动轴及空心钻头绕着转接套中心做公转运动，此时空心钻头的自转与公转的转速比为1:3且转向相反，空心钻头的截面勒洛三角形顶点的运动轨迹构成方形。

当空心钻头按照设定转速和运动轨迹旋转运动后，控制转接支架沿着打桩机立柱匀速向下滑动，直到空心钻头底部的动刀盘首先接触地面，当动刀盘接触地面后，在阻力作用下，动刀盘的运动被阻滞，而静刀盘会随着空心钻头继续旋转，直到动刀盘上的动齿与静刀盘上的静齿在对接卡裆定位块结构处完全卡死，此时动刀盘与静刀盘保持相对静止，静刀盘上的扇形镂空孔完全露出；

随着空心钻头的旋转以及转接支架沿着打桩机立柱匀速向下滑动，空心钻头逐渐旋入地面，同时随着空心钻头的不断旋入，地面内的土壤通过扇形镂空孔进入空心钻头内部进行临时存储；

当空心钻头内部的土壤存储满后，先暂停空心钻头的旋转，之后反向启动动力机构，使空心钻头进行反向旋转，在阻力作用下，动刀盘的运动再次被阻滞，而静刀盘会随着空心钻头继续旋转，直到动刀盘上的动齿与静刀盘上的静齿在对接卡裆定位块结构处完全卡死，此时动刀盘与静刀盘保持相对静止，动刀盘完全将扇形镂空孔遮挡；

当扇形镂空孔由动刀盘完成遮挡封闭后，暂停空心钻头的旋转，之后控制转接支架沿着打桩机立柱匀速向上滑动，直到空心钻头完全从桩孔内移出，然后调整打桩机转向，使空心钻头转到桩孔旁边的地面上方，随后打开卡扣，静刀盘在重力作用下绕着合页向下翻转，使空心钻头内部存储的土壤倾斜而出，实现排土作业；

当排土作业完成后，将静刀盘向上翻转回水平状态并由卡扣锁死固定，之后再次调整打桩机转向，使空心钻头重新转到桩孔正上方，然后将空心钻头再次送入桩孔孔底，继续进行打孔作业；依次类推，直至完成设定深度的方形桩桩孔的制备。

本发明的有益效果：

本发明的方形桩桩孔旋挖设备及其使用方法，采用了区别于传统成孔设备的结构形态，省去了方形框的限制结构，大幅度降低了设备占用的空间，有效提高了灵活性，并且设备的钻杆不仅为钻头提供扭矩，同时通过打桩机立柱上的液压升降机构并由设备钻杆对钻头提供向下压力，从而大幅度提高了钻进的工作速度，摆脱了传统方孔钻钻刀长度须大于目标桩孔长度的束缚，使本发明具有了适用范围广、可操作性强、动力输出大、效率高的特点，有效满足了方形桩桩孔旋挖的工艺要求。

附图说明

图1为本发明的方形桩桩孔旋挖设备的传动机构结构示意图；

图2为本发明的方形桩桩孔旋挖设备的传动机构结构示意图(剖视)；

图3为本发明的方形桩桩孔旋挖设备的开挖机构结构示意图；

图4为本发明的方形桩桩孔旋挖设备的开挖机构静刀盘结构示意图；

图5为本发明的方形桩桩孔旋挖设备的开挖机构动刀盘结构示意图；

图6为本发明的方形桩桩孔旋挖设备的开挖机构静刀盘与动刀盘配装后的结构示意图(静齿与动齿对接在一起且扇形镂空孔未被动刀盘遮挡)；

图7为本发明的方形桩桩孔旋挖设备的开挖机构静刀盘与动刀盘配装后的结构示意图(静齿与动齿彼此脱离且扇形镂空孔被动刀盘完全遮挡)；

图8为本发明的方形桩桩孔旋挖设备的局部结构示意图(包含了空心钻头、静刀盘、动刀盘及卡扣)；

图9为本发明的方形桩桩孔旋挖设备的空心钻头的截面勒洛三角形顶点运动轨迹示意图；

图中，1—齿轮，2—齿圈，3—实心钻杆，4—空心钻杆，5—转接支架，6—第一轴承，7—第二轴承，8—第一转接法兰盘，9—传动轴，10—空心钻头，11—转接套，12—静刀盘，13—卡扣，14—扇形镂空孔，15—静齿，16—动刀盘，17—动齿，18—对接卡裆定位块结构，19—加强肋板，20—第三轴承，21—第二转接法兰盘，22—合页。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～8所示，一种方形桩桩孔旋挖设备，包括动力机构、传动机构及开挖机构；所述传动机构与打桩机立柱上的液压升降机构相连；所述动力机构设置在传动机构的动力输入端；所述开挖机构设置在传动机构的动力输出端，通过开挖机构制备方形桩桩孔。

所述动力机构采用电驱齿轮传动式结构，动力机构的动力输出端为转速特定的齿轮组。

所述传动机构包括齿轮1、齿圈2、实心钻杆3、空心钻杆4及转接支架5；所述转接支架5一端与打桩机立柱上的液压升降机构连接，转接支架5可沿打桩机立柱上下滑动；所述空心钻杆4竖直设置在转接支架5另一端；所述齿圈2同心固装在空心钻杆4顶部，在空心钻杆4底端内表面设有内螺纹；所述实心钻杆3同心设置在空心钻杆4内部，所述齿轮1同心固装在实心钻杆3顶部且位于齿圈2上方；所述实心钻杆3与空心钻杆4之间通过第一轴承6转动连接；所述空心钻杆4与转接支架5之间通过第二轴承7转动连接；在所述实心钻杆3底端固设有第一转接法兰盘8；所述动力机构通过其动力输出端的齿轮组与齿轮1和齿圈2进行啮合传动配合。

所述齿轮1与齿圈2的转向相反，齿轮1与齿圈2的转速比为1:3。

所述开挖机构包括传动轴9、空心钻头10及转接套11；所述空心钻头10的截面形状为勒洛三角形；所述传动轴9竖直固装在空心钻头10的顶板形心处，在传动轴9与空心钻头10顶板之间固设有加强肋板19，在传动轴9顶端固设有第二转接法兰盘21，传动轴9顶端的第二转接法兰盘21通过万向节与实心钻杆3底端的第一转接法兰盘8传动连接；所述传动轴9与实心钻杆3偏心分布；所述转接套11偏心套装在传动轴9外侧，转接套11与传动轴9之间通过第三轴承20转动连接；在所述转接套11外表面设有外螺纹，所述空心钻杆4与转接套11同轴螺接固连在一起。

所述转接套11与传动轴9的偏心距为空心钻头10截面勒洛三角形任意两顶点距离的

在所述空心钻头10的底部设有静刀盘12，静刀盘12的形状为勒洛三角形，静刀盘12的其中一个勒洛三角形单边与空心钻头10之间通过合页22相铰接，且合页22的铰接位置位于勒洛三角形单边中间处；所述静刀盘12的另外两个勒洛三角形单边与空心钻头10之间设置有卡扣13，且卡扣13的安装位置位于勒洛三角形单边中间处。

在所述静刀盘12上沿周向分布有三处扇形镂空孔14，在静刀盘12的勒洛三角形顶点处固设有静齿15；在所述静刀盘12的底部中心处轴向铰接有动刀盘16，动刀盘16采用扇形三叶片式结构，在动刀盘16的叶片上固设有动齿17；所述动刀盘16的扇形叶片尺寸等于静刀盘12上扇形镂空孔14的尺寸。

在所述静齿15与动齿17之间设有对接卡裆定位块结构18，通过对接卡裆定位块结构18对动刀盘16的回转角度范围进行限定。

一种方形桩桩孔旋挖设备的使用方法，具体为：

当需要制备方形桩桩孔时，首先将打桩机移动到打孔位置处，使本发明的方形桩桩孔旋挖设备位于方形桩桩孔标定点位正上方，之后启动动力机构，通过其动力输出端的齿轮组分别向传动机构的齿轮1和齿圈2传动动力，此时齿轮1与齿圈2的转向相反，且齿轮1与齿圈2的转速比为1:3。

当齿轮1在设定转速下进行转动时，会依次通过实心钻杆3、万向节和传动轴9带动空心钻头10进行自转。同时，当齿圈2在特定转速下进行转动时，会通过空心钻杆4带动转接套11同步转动，进而通过转接套11带动传动轴9及空心钻头10绕着转接套11中心做公转运动，此时空心钻头10的自转与公转的转速比为1:3且转向相反。如图9所示，为空心钻头10的截面勒洛三角形顶点的运动轨迹，其刚好可以构成方形。

当空心钻头10按照设定转速和运动轨迹旋转运动后，控制转接支架5沿着打桩机立柱匀速向下滑动，直到空心钻头10底部的动刀盘16首先接触地面，当动刀盘16接触地面后，在阻力作用下，动刀盘16的运动被阻滞，而静刀盘12会随着空心钻头10继续旋转，直到动刀盘16上的动齿17与静刀盘12上的静齿15在对接卡裆定位块结构18处完全卡死，此时动刀盘16与静刀盘12保持相对静止，静刀盘12上的扇形镂空孔14完全露出。

随着空心钻头10的旋转以及转接支架5沿着打桩机立柱匀速向下滑动，空心钻头10逐渐旋入地面，同时随着空心钻头10的不断旋入，地面内的土壤为通过扇形镂空孔14进入空心钻头10内部进行临时存储。

当空心钻头10内部的土壤存储满后，先暂停空心钻头10的旋转，之后反向启动动力机构，使空心钻头10进行反向旋转，在阻力作用下，动刀盘16的运动再次被阻滞，而静刀盘12会随着空心钻头10继续旋转，直到动刀盘16上的动齿17与静刀盘12上的静齿15在对接卡裆定位块结构18处完全卡死，此时动刀盘16与静刀盘12保持相对静止，动刀盘16完全将扇形镂空孔14遮挡。

当扇形镂空孔14由动刀盘16完成遮挡封闭后，暂停空心钻头10的旋转，之后控制转接支架5沿着打桩机立柱匀速向上滑动，直到空心钻头10完全从桩孔内移出，然后调整打桩机转向，使空心钻头10转到桩孔旁边的地面上方，随后打开卡扣13，静刀盘12在重力作用下绕着合页22向下翻转，此时空心钻头10内部存储的土壤没了阻挡，便可倾斜而出，从而实现快速排土作业。

当排土作业完成后，将静刀盘12向上翻转回水平状态并由卡扣13锁死固定，之后再次调整打桩机转向，使空心钻头10重新转到桩孔正上方，然后将空心钻头10再次送入桩孔孔底，继续进行打孔作业。依次类推，直至完成设定深度的方形桩桩孔的制备。

当方形桩桩孔的孔口尺寸有不同要求时，只需单独更换对应尺寸的空心钻头10即可，本发明的其他部件均为通用件。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。