一種變曲率螺旋打樁機(jī)鉆頭的制作方法
【專利摘要】一種變曲率螺旋打樁機(jī)鉆頭，包括鉆桿、鉆尖、螺旋刀片以及鉆鎬，鉆鎬的兩側(cè)曲面分別為內(nèi)觸土曲面和外觸土曲面，鉆鎬的縱切斷面中的內(nèi)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；所述的鉆尖由繞鉆桿入土端面的圓心中心對(duì)稱的三個(gè)鉆尖基體組成。本實(shí)用新型中，鉆頭所用方程曲線是基于試驗(yàn)優(yōu)化而來，應(yīng)用于鉆鎬內(nèi)外觸土曲面的仿生曲線源于公雞足趾觸土曲面，其腳趾內(nèi)外輪廓觸土曲線具有良好的土壤減阻脫附能力，將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用在打樁機(jī)鉆頭的鉆鎬部位，不但使打樁機(jī)具有很好的挖掘土壤能力，同時(shí)減小鉆頭所受的土壤阻力，提高鉆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(jī)鉆頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及鉆探設(shè)備用破巖工具領(lǐng)域，具體的說是一種變曲率螺旋打樁機(jī)鉆 頭。

【背景技術(shù)】
[0002] 螺旋打樁機(jī)作為一種常見的工程機(jī)械，在橋梁、路基和隧道等工程中有著重要應(yīng) 用。目前，工程建設(shè)中常用的鉆頭由鉆桿、鉆尖、鉆鎬和螺旋導(dǎo)片等組成，螺旋刀片固定在鉆 桿上，鉆尖和鉆鎬焊接在鉆桿頭部，與鉆桿成為不可分離的一體，鉆桿為空心結(jié)構(gòu)。此種結(jié) 構(gòu)的打樁鉆頭存在以下問題：1、在打樁的過程中鉆尖和鉆鎬磨損嚴(yán)重；2、在打樁的過程中 螺旋刀片粘土問題嚴(yán)重；3、鉆尖受力結(jié)構(gòu)不合理，在實(shí)際的打樁過程中以上問題會(huì)嚴(yán)重影 響打樁效率，延長施工時(shí)間，同時(shí)，降低了打樁機(jī)鉆頭的壽命。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0003] 由于打樁機(jī)鉆頭在打樁過程中存在的問題不僅與鉆頭材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，還和與土 壤滑動(dòng)接觸的鉆頭表面幾何形狀有關(guān)，本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有鉆頭結(jié)構(gòu)不合 理、粘土嚴(yán)重和壽命短的問題，重新設(shè)計(jì)鉆頭的形狀，提供了一種變曲率螺旋打樁機(jī)鉆頭。
[0004] 本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案為：一種變曲率螺旋打樁機(jī)鉆 頭，包括呈圓柱形的鉆桿、設(shè)在鉆桿入土端部的鉆尖、沿鉆桿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(gè)鉆鎬，鉆鎬的兩側(cè)曲面分別為內(nèi)觸土曲面和向內(nèi) 觸土曲面彎曲的外觸土曲面，鉆鎬的縱切斷面中的內(nèi)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 范圍為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 范圍為5~12;
[0005] 所述的鉆尖由繞鉆桿入土端面的圓心中心對(duì)稱的三個(gè)鉆尖基體組成,鉆尖基體從 鉆尖頂部中心到鉆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取值范圍 為5?145。
[0006] 本實(shí)用新型中，鉆鎬側(cè)面中過內(nèi)觸土曲面與外觸土曲面的縱切斷面中，內(nèi)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] 各鉆尖基體的側(cè)面均沿順時(shí)針或逆時(shí)針方向扭轉(zhuǎn)40°。
[0008] 本實(shí)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(jié)構(gòu)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 取值范 圍為：Γ147,螺旋刀片由該曲線方程在一定的螺旋直徑和導(dǎo)程下，繞鉆桿的外周面螺旋盤列 而成。其中，主螺旋刀片的螺距為30cm，副螺旋刀片的導(dǎo)程為5cm，兩個(gè)鉆鎬以鉆桿中軸線 為對(duì)稱軸，分別設(shè)在副螺旋刀片的入土端部。
[0009] 本實(shí)用新型的打樁機(jī)鉆頭包括仿生型的鉆鎬、擺線型的螺旋刀片、扭曲型漸近線 型的鉆尖和圓柱形的鉆桿四部分，打樁機(jī)鉆頭的工作直徑為60cm，鉆桿橫截?cái)嗝娴闹睆綖?25cm，鉆頭的工作長度可根據(jù)需要進(jìn)行的設(shè)定，同時(shí)改變相關(guān)參數(shù)進(jìn)行匹配。以上方程曲線 均為原始曲線，在實(shí)際的生產(chǎn)加工中可根據(jù)實(shí)際工況需要進(jìn)行縮放，曲線的內(nèi)蘊(yùn)幾何形式 不發(fā)生改變。
[0010] 本實(shí)用新型基于仿生和解析幾何的方法，達(dá)到延長使用壽命，提高生產(chǎn)效率的目 的。應(yīng)用于螺旋刀片的擺線型曲線，在螺旋刀片上表現(xiàn)為平緩的凹凸結(jié)構(gòu)，這種特殊結(jié)構(gòu)的 應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)為連續(xù)的波動(dòng)性能，應(yīng)力場(chǎng)的持續(xù)波動(dòng)導(dǎo)致土壤粘附刀盤的的幾率大大降低， 此種結(jié)構(gòu)在土槽實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)良的減粘脫附性能。
[0011] 有益效果：
[0012] (1)、本實(shí)用新型中，鉆頭所用方程曲線是基于試驗(yàn)優(yōu)化而來，具有特殊的幾何土 壤性能。其中，應(yīng)用于鉆鎬內(nèi)外觸土曲面的仿生曲線源于公雞足趾觸土曲面，公雞在日常的 覓食過程中，腳趾具有很強(qiáng)的土壤挖掘能力，且在長時(shí)間的進(jìn)化過程中，其腳趾內(nèi)外輪廓觸 土曲線具有良好的土壤減阻脫附能力，將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用在打樁機(jī)鉆頭的鉆鎬部位，不但使打 樁機(jī)具有很好的挖掘土壤能力，同時(shí)減小鉆頭所受的土壤阻力，提高鉆頭的使用壽命和工 作效率；
[0013] (2)、鉆尖基體的曲線方程為漸近線型曲線，在土壤仿真試驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)良的脫土 性能，同時(shí)漸近線型幾何結(jié)構(gòu)單體能夠?qū)\(yùn)動(dòng)的土壤產(chǎn)生引導(dǎo)效應(yīng)和對(duì)土壤顆粒產(chǎn)生滾動(dòng) 效應(yīng)，這樣就降低了土壤與鉆尖表面的粘附幾率，同時(shí)，各鉆尖基體的側(cè)面均沿順時(shí)針或逆 時(shí)針方向扭轉(zhuǎn)40°，鉆尖在工作時(shí)，挖掘的土壤能夠輕松的送進(jìn)螺旋刀片，進(jìn)而提高挖掘速 度，降低鉆機(jī)粘附的可能，與現(xiàn)有技術(shù)相比，表現(xiàn)出優(yōu)良的脫附減阻效果；
[0014] (3)、本實(shí)用新型將打樁機(jī)鉆頭進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將一種漸近線型曲線應(yīng)用于鉆尖設(shè) 計(jì)，將一種仿生型曲線應(yīng)用于鉆鎬設(shè)計(jì)，鉆尖和鉆鎬所對(duì)應(yīng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)運(yùn)動(dòng)的土壤產(chǎn)生平滑的切削效應(yīng)，從而 降低打樁機(jī)的工作阻力；此種結(jié)構(gòu)還能夠使土壤的應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)為連續(xù)的波動(dòng)性能，應(yīng)力場(chǎng) 的持續(xù)波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致土壤粘附鉆頭的的幾率大大降低，使鉆頭具有較強(qiáng)的入土能力和較好的 脫土效果，同時(shí)，在作業(yè)時(shí)，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(shí)用新型不但使打樁機(jī)具有很好的土壤挖掘能力，同時(shí)減小了土壤的挖掘阻力， 提高了鉆頭的使用壽命和工作效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為鉆頭的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0016] 圖2為圖1的俯視圖；
[0017] 圖3為扭曲后漸近線型的鉆尖正視圖；
[0018] 圖4為鉆鎬縱切斷面的輪廓曲線圖；
[0019] 圖5為鉆鎬的立體圖；
[0020] 圖6為螺旋刀片的部分示意圖。
[0021] 附圖標(biāo)記：1、鉆桿，2、鉆尖，201、鉆尖基體，3、鉆鎬，301、內(nèi)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(shí)施方式】
[0022] -種變曲率螺旋打樁機(jī)鉆頭，如圖1所示，包括呈圓柱形的鉆桿1、設(shè)在鉆桿1入土 端部的鉆尖2、沿鉆桿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(gè) 鉆鍋3。
[0023] 其中，兩個(gè)鉆鎬3對(duì)稱于鉆桿1的中軸線對(duì)稱設(shè)置，且兩個(gè)鉆鎬3均向鉆 桿1的中軸線方向彎曲，鉆鎬3的其中兩個(gè)相對(duì)側(cè)面為彎曲曲面，分別為內(nèi)觸土曲 面301以及向內(nèi)觸土曲面301彎曲的外觸土曲面302 ;鉆鎬3的另兩個(gè)相對(duì)側(cè)面 為堅(jiān)直平面。沿鉆鎬3堅(jiān)直平面的斷面中的內(nèi)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 != 0,0()70245124. ^ _CU?515I3W13-?).Π 4442?59 r _ 2.627.5501761 f, t 取值范 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 取值范 圍為5~12 ;鉆鎬3側(cè)面的縱切斷面中，內(nèi)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] 鉆尖2由繞鉆桿入土端面的圓心中心對(duì)稱的三個(gè)鉆尖基體201組 成，鉆尖基體201從鉆尖2頂部中心到鉆尖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 取值范圍 為5~145 ;各鉆尖基體201的側(cè)面均沿順時(shí)針或逆時(shí)針方向扭轉(zhuǎn)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(gè)鉆鎬3以鉆桿1中 軸線為對(duì)稱軸，分別設(shè)在副螺旋刀片5的入土端部。
[0026] 進(jìn)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 取值范 圍為：Γ147,螺旋刀片由該曲線方程在一定的螺旋直徑和導(dǎo)程下，繞鉆桿1的外周面螺旋盤 列而成。
[0027] 如圖1所示，鉆頭包括仿生型鉆鎬3、擺線型螺旋刀片、扭曲型漸近線鉆尖2和圓柱 形的鉆桿1四部分，鉆尖曲線在漸近線的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性的順時(shí)針扭曲40°，鉆尖在工作時(shí) 挖掘的土壤能夠輕松的送進(jìn)螺旋刀片，進(jìn)而提高挖掘速度，降低鉆機(jī)粘附的可能。鉆頭刀片 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，鉆桿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(dǎo)程為5cm。鉆尖2與鉆 桿1為無縫焊接，螺旋刀片與鉆桿1為無縫焊接，旋轉(zhuǎn)角度為180度，各刀片均經(jīng)圓角處理。 鉆鎬3焊接在副螺旋刀片5的入土端部，兩鉆鎬3為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，鉆頭的工作長度可根據(jù)需要 進(jìn)行的設(shè)定，同時(shí)改變相關(guān)參數(shù)進(jìn)行匹配。
[0028] 由于生物經(jīng)過長期與自然界進(jìn)行的物質(zhì)、能量及信息交換，造就了適應(yīng)生態(tài)環(huán)境 的系統(tǒng)，許多科學(xué)技術(shù)難題在生物界已經(jīng)獲得圓滿解決，本實(shí)用新型中，應(yīng)用于鉆鎬內(nèi)外觸 土曲面的仿生曲線源于公雞足趾觸土曲面，在公雞足趾與土壤的主動(dòng)適應(yīng)過程中，形成的 最大特點(diǎn)是挖掘足發(fā)達(dá)，將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用在打樁機(jī)鉆頭的鉆鎬部位，不但使打樁機(jī)具有很好 的挖掘土壤能力，同時(shí)減小鉆頭所受的土壤阻力，提高鉆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(shí)際的生產(chǎn)加工中可根據(jù)輪廓尺寸需要進(jìn)行縮 放，曲線的內(nèi)蘊(yùn)幾何形式不發(fā)生改變。上述幾何結(jié)構(gòu)實(shí)體的具體尺寸和分布間距還應(yīng)根據(jù) 具體的工作環(huán)境和土壤性質(zhì)來確定；同時(shí)，應(yīng)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(yīng)根據(jù)材料特性，現(xiàn)有加工方法來具體制定。
【權(quán)利要求】
1. 一種變曲率螺旋打樁機(jī)鉆頭，包括呈圓柱形的鉆桿（1)、設(shè)在鉆桿（1)入土端部的 鉆尖（2)、沿鉆桿（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(gè)鉆 鎬（3)，其特征在于：鉆鎬（3)的兩側(cè)曲面分別為內(nèi)觸土曲面（301)和向內(nèi)觸土曲面（301) 彎曲的外觸土曲面（302)，鉆鎬（3)的縱切斷面中的內(nèi)觸土曲面的輪廓曲線分別符合方程 .Y = 0.0077^W76f4 0農(nóng)％齡- CU92CS5SI8C，lr - l〇JB717142S7f和 F = 0.0071-以5124 ^ -10515130913 r，-OJ柯 r -2.6275501761，，t 的 取值范圍為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 取值范圍為5~12 ; 所述的鉆尖（2)由繞鉆桿（1)入土端面的圓心中心對(duì)稱的三個(gè)鉆尖基體（201) 組成，鉆尖基體（201)從鉆尖（2)頂部中心到鉆尖（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 范圍為5~145。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變曲率螺旋打樁機(jī)鉆頭，其特征在于：鉆鎬（3)側(cè)面的縱 切斷面中，內(nèi)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種變曲率螺旋打樁機(jī)鉆頭，其特征在于：各鉆尖基體（201) 的側(cè)面均沿順時(shí)針或逆時(shí)針方向扭轉(zhuǎn)40°。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變曲率螺旋打樁機(jī)鉆頭，其特征在于：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(gè)鉆鎬（3)以鉆桿（1)中軸線為對(duì)稱軸，分別設(shè)在 副螺旋刀片（5)的入土端部。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種變曲率螺旋打樁機(jī)鉆頭，其特征在于：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 值范圍為:T147,螺旋刀片由該曲線方程在一定的螺旋直徑和導(dǎo)程下，繞鉆桿（I)的外 周面螺旋盤列而成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種變曲率螺旋打樁機(jī)鉆頭，其特征在于：所述主螺旋刀片 (4)的螺距為30cm，副螺旋刀片（5)的導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種變曲率螺旋打樁機(jī)鉆頭，其特征在于：所述鉆桿（I)的橫 截?cái)嗝娴闹睆綖?5cm。
【文檔編號(hào)】E21B10/43GK204139978SQ201420537225
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】郭志軍, 倪利偉, 余浩, 馬海英, 張陽, 李濤 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)