CN102606084B - 钻杆及旋挖钻机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻杆及旋挖钻机。本发明提供的钻杆包括：芯杆和依次套装在芯杆外部的多个节杆，各节杆上均设置有外键条部和内键条部，至少一个节杆上设置有键条安装孔，键条安装孔内嵌设有键条，键条凸出于对应的节杆外壁的部分形成该节杆的外键条部，键条凸出于对应的节杆内壁的部分形成该节杆的内键条部。采用本发明的技术方案，键条与节杆的链接稳固可靠，使钻杆可以传递大的扭矩和压力。本发明提供的旋挖钻机应用有上述的钻杆。

Description

钻杆及旋挖钻机

技术领域

本发明涉及工程机械领域，更具体地，涉及钻杆及旋挖钻机。

背景技术

钻杆是向钻头传递动力，随同钻头进入钻孔的杆状零件，在工程技术领域应用广泛，例如旋挖钻机领域。

旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的大型基础施工机械设备，钻孔作业时，旋挖钻机的钻杆将旋挖钻机动力头输出的扭矩、压力传递给钻头。

参见图1和图2，图1为一种典型的钻杆结构示意图；图2为图1所示钻杆的A’-A’剖面图。如图所示，钻杆包括：扁头5’、方头6’、减震环7’、芯杆4’和依次套设在芯杆外部的节杆1’、2’、3’，其中芯杆4’和节杆3’相邻，各节杆一般为钢管管体。各节杆上均设置有外键条部和内键条部，外键条部单独焊接在对应的节杆的外周壁上，内键条部单独焊接在对应的节杆的内孔壁上，各节杆上的外键条部和内键条部都是单独设置的键条。外键条部和内键条部都是采用矩形(带环弧面或不带圆弧面)的键条，将矩形键条其与节杆接触的表面双面倒角后焊接到节杆上。如钻杆在钻孔过程中还需动力头传递下压力，则在各节杆以及芯杆的外周壁上还设置有加压台(外键补板)，图1中示意性示出了节杆1’外的一个加压台13’。

该钻杆在传递扭矩的过程中，始终都需经过管体的传递。具体的传扭过程如下所述：

(1)动力头将扭矩传递给节杆1’的外键条部11’，节杆1’的外键条部11’将扭矩传递给节杆1’的管体，节杆1’的管体又将扭矩传递给节杆1’的内键条部12’；(2)节杆1’的内键条部12’将扭矩传递给节杆2’的外键条部21’，节杆2’的外键条部21’将扭矩传递给节杆2’的管体，节杆2’的管体又将扭矩传递给节杆2’的内键条部22’；(3)节杆2’的内键条部22’将扭矩传递给节杆3’的外键条部31’，节杆3’的外键条部31’将扭矩传递给节杆3’的管体，节杆3’的管体又将扭矩传递给节杆3’的内键条部32’；(4)节杆3’的内键条部32’将扭矩传递给芯杆4’的外键条部41’，芯杆4’的外键条部41’将扭矩传递给芯杆4’，芯杆4’通过方头6’将扭矩传递给钻头，以实现钻孔功能。

该钻杆在传递下压力的过程中，始终也需要经过管体的传递。具体的传力过程如下所述：(1)动力头将下压力传递给节杆1’的加压台13’，节杆1’的加压台13’将下压力传递给节杆1’的管体，节杆1’的管体又将下压力传递给节杆1’的内键条部12’；(2)节杆1’的内键条部12’将下压力传递给节杆2’的加压台，节杆2’的加压台将下压力传递给节杆2’的管体，节杆2’的管体又将下压力传递给节杆2’的内键条部22’；(3)节杆2’的内键条部22’将下压力传递给节杆3’的加压台，节杆3’的加压台将下压力传递给节杆3’的管体，节杆3’的管体又将下压力传递给节杆3’的内键条部32’；(4)节杆3’的内键条部32’将下压力传递给芯杆4’的加压台，芯杆4’的加压台将下压力传递给芯杆4’，芯杆4’通过方头6’将扭矩传递给钻头，以实现钻孔功能。

因为该钻杆的外键条部和内键条部都分别采用T型单边焊接的方式焊接在各节杆管体的表面上，各节杆扭矩的传递通过T型焊接结构传递，受T型单边焊接结构的影响，钻杆的传扭能力受到很大的限制。

发明内容

本发明旨在提出一种钻杆，以解决现有技术的钻杆其节杆的键条部与节杆通过T型单边焊接的方式连接，连接强度较弱，使钻杆的传扭能力受到很大限制的问题。

一个方面，本发明提供了一种钻杆，包括：芯杆和依次套装在芯杆外部的多个节杆，各节杆上均设置有外键条部和内键条部，至少一个节杆上设置有键条安装孔，键条安装孔内嵌设有键条，键条凸出于对应的节杆外壁的部分形成该节杆的外键条部，键条凸出于对应的节杆内壁的部分形成该节杆的内键条部。

进一步地，键条安装孔沿至少一个节杆的轴向分段设置。

进一步地，各节杆上均设置有键条安装孔，各键条安装孔内均嵌设有键条。

进一步地，同一节杆上设置在同一横截面上的键条为一组键条，且一组键条中包括的多个键条在周向上均匀分布；各节杆上的每组键条所包含的键条个数相同。

进一步地，同一节杆上轴向相邻的两组键条在圆周方向上相差预设角度。

进一步地，同一节杆上轴向隔组设置的两组键条的轴向投影相重叠。

进一步地，至少部分键条的第一端端面为与节杆轴线垂直的平面，第二端端面为与节杆轴线相交的楔形面。

进一步地，键条的横截面呈扇形，扇形横截面包括：内弧形段、外弧形段以及位于内弧形段和外弧形段两端的直线段；键条与对应的键条安装孔焊接在一起。

进一步地，键条相邻的两个表面之间为圆滑过渡。

另一个方面，本发明还提供了一种旋挖钻机，包括动力头和由动力头驱动的钻杆，该钻杆为上述的钻杆。

根据本发明的技术方案，因为在节杆上开设键条安装孔，键条以嵌设的方式安装在键条安装孔，且在键条上分别形成对应节杆的外键条部和内键条部，键条嵌设在节杆内的连接方式相对于现有技术的T型单边焊接方式来说，连接强度大，可以承受较大的扭矩，从而提高了钻杆的使用性能。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示意性示出了现有技术的钻杆的结构；

图2示意性示出了图1的A’-A’剖视结构；

图3示意性示出了本发明的钻杆的第一实施例的结构；

图4示意性示出了本发明第一实施例中一个节杆的剖面结构；

图5示意性示出了图3的A-A剖视结构；

图6示意性示出了本发明的钻杆的第二实施例的结构；

图7示意性示出了本发明第二实施例中一个节杆的剖面结构；以及，

图8示意性示出了图6的B-B剖视结构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参见图3至图5，示出了本发明提供的钻杆的第一实施例的结构；如图所示，该钻杆以应用于旋挖钻机的钻杆为例，其包括芯杆4和依次套设在芯杆外部的节杆1、2、3，其中芯杆4和节杆3相邻。结合现有技术容易理解，钻杆通常还包括扁头5、方头6、减震环7等零部件。

结合图3和图5中可以看出，在各节杆上设置有键条安装孔，在键条安装孔内嵌设有键条，该键条凸出于对应的节杆外壁的部分形成该节杆的外键条部，键条凸出于对应的节杆内壁的部分形成该节杆的内键条部，外部节杆的内键条部的侧壁与内部节杆的外键条部的侧壁抵压接触，用于传递扭矩。因键条嵌设在节杆上的连接方式相对于现有技术的T型单边焊接方式来说明显增大了二者之间的连接强度，使得本发明提供的钻杆可以承受较大的扭矩，从而提高了钻杆的使用性能。需要说明的是，本实施例中，外部节杆通常指的是相邻设置的两个节杆中位于外部的节杆，内部节杆通常指的是相邻设置的两个节杆中位于内部的节杆。

具体地，以节杆1为例，参见图4，设置在节杆1同一横截面上的键条安装孔有三个，且三个键条安装孔沿节杆1周向均匀设置，三个键条安装孔内分别嵌设有键条10，在该横截面上的键条10为一组键条。键条10凸出于节杆1外壁的部分形成节杆1的外键条部101，节杆1的外键条部101由动力头驱动；键条10凸出于节杆1内壁的部分形成节杆1的内键条部102，节杆1的内键条部102用于向节杆2的外键条部传递扭矩。为使键条10和节杆1的连接更加稳定可靠，可以将键条10和对应的键条安装孔焊接在一起。

再来结合参考图5，本实施例中其他节杆2、3上键条的设置方式与节杆1上键条的设置方式相同，具体地，设置在节杆2横截面上的一组键条20的键条个数和设置在节杆3横截面上的一组键条30的键条个数也均为三个，各节杆上嵌设的键条同时形成该节杆的外键条部和内键条部。在本实施例中芯杆4的外周壁表面焊接有三个键条40，用于和节杆3的内键条部抵压接触。这样改善了各节杆上的内外键条部与节杆的连接方式，可以使钻杆的传扭能力得到大幅提升。

优选地，各键条10、20、30为圆弧形板材，各键条的横截面呈扇形，扇形横截面包括内弧形段、外弧形段以及位于内弧形段和外弧形段两端的直线段。具体地，内弧形段与内部节杆的表面曲率配合，外弧形段与外部节杆的表面曲率相配合；各键条的直线段与对应的键条安装孔焊接在一起。采用圆弧形板材制成的键条可以使相邻两节杆的传扭接触面达到最大化，以提高传扭能力。

再来参见图3可以看出，优选地，节杆1上的键条安装孔沿节杆1的轴向分段设置，沿节杆1的轴向上分布有多组键条10。节杆2和节杆3上键条安装孔的设置方式与节杆1相同，考虑到钻杆各节杆之间键条的传扭配合，容易理解，每节节杆上轴向相邻的两键条安装孔的轴向距离也大体相等。键条安装孔的开设方式例如是通过在各节杆管体上按照规律间断地切出的方式获得，键条嵌入对应的键条安装孔中后与键条安装孔焊接为一体。这样，一方面可以保证每节节杆结构的完整性，而且键条与节杆之间的焊接主要起到固定键条位置的作用，焊缝在传扭过程中受到的影响很小；另一方面没有在节杆表面形成连续的因焊接造成的纵向热影响区(脆性区)，从而可以避免现有技术中因外键条部T型单边焊接在节杆上产生纵向贯穿节杆的焊接热影响区，节杆容易沿着焊接脆性区纵向或横向开裂的可能。同理，在芯杆4上的外键条部40也可以沿轴向分段设置。

另外，现有技术的钻杆，其内键条部焊接在节杆的内孔壁上，因节杆孔径较小，只能在离节杆底部一米以内的范围内进行焊接作业，即内键条部只能被焊接在离节杆底端1米以内的范围内，为使内键条部尽可能的长，内键条部与节杆底端平齐设置。因此现有技术的钻杆当其任一节杆的内键条部向其相邻节杆的外键条部传递扭矩时，只有1米左右接触到相邻节杆的外键条部，即节杆底部1米以内的范围内受到的冲击和扭矩更大，加上键条受力和扭矩不均匀，容易造成节杆管体的扭曲变形，进而容易导致节杆管体开裂或者焊缝的开裂，影响传扭能力；而且如果需要传递轴向下压力时，因下压力的传递是通过外部节杆内键条部的底端与内部节杆的加压台抵触的方式传递，从上文得知外部节杆内键条部的底端又与外部节杆管体底端平齐，对于外部节杆来说加压时相当于杆件结构底端端部平面受力，使外部节杆在轴向上处于不稳定加压状态，容易造成钻杆的各节杆之间轴向失稳而使伸长的节杆之间轴线发生弯曲，进而导致节杆管体开裂，最终影响钻杆的传压能力。

而采用本发明的技术方案，因嵌设在节杆上的键条同时形成该节杆的外键条部和内键条部，使得内键条部也可以沿节杆的整个轴向长度分布，而且最底部的内键条部可以不用与节杆底端平齐设置，这样当相邻的两个节杆相对伸出时，外部节杆的内键条部和内部节杆的外键条部用于传扭的接触长度并不局限于外部节杆底部1米范围内，尤其在内部节杆完全套设于外部节杆内时，相当于整个节杆的长度都可以用于传扭；加压时，外部节杆的底端与外部节杆最底部键条的底端之间可以预留出用于包覆内部节杆的管体，这样外部节杆的轴向受力不再是杆件端部受力方式，因此使各节杆在轴向上处于稳定加压状态，不容易使伸长的节杆之间轴线发生弯曲，从而解决了现有技术的节杆底部1米范围内由于受扭或受力，造成节杆底部开裂或端部变形的问题，提高了钻杆的传扭和传力性能。而且，键条在节杆上沿轴向分段设置，相当于增加了内键条部的数量，在内部节杆上可以对应设置多个加压台，实现多平面传递压力，使节杆受力和变形更合理均匀，避免节杆在工作中出现轴向失稳和变形的问题。

下面结合图3和图5来详细说明本实施例的工作过程：

1)当本实施例提供的钻杆在顺时针转动过程中，如果节杆2、节杆3和芯杆4未相对节杆1伸出时，动力头将扭矩传递给节杆1的外键条部，与动力头直接接触的键条的内键条部以及节杆1其他部位的内键条部与节杆2的各组键条的外键条部抵压接触，节杆1的内键条部将扭矩传递给节杆2的外键条部，因每个键条的外键条部与内键条部是一体结构，因此扭矩同时传递给了节杆2的内键条部；节杆2的内键条部将扭矩传递给节杆3的外键条部，扭矩也同时传递给了节杆3的内键条部；节杆3的内键条部最终将扭矩传递给芯杆4的外键条部。可以看出，各相邻节杆之间的扭矩传递过程，是键条直接传递给键条的传递方式，而不需节杆管体的中间传递，各节杆只对其键条起到一个固定作用，因此不会引起节杆管体较大的弹性变形。从而可以高效地将扭矩传递芯杆4，使得钻杆扭矩的传递效率远远高于目前的钻杆结构。又因沿同一节杆轴线分布的多组键条同时传递扭矩，保证了所有键条均匀传递扭矩，减少了节杆变形和扭曲变形，降低了键条受到的冲击和周向力。优选地，键条10、20、30和40的材料可以采用高强度耐磨材料制成。

2)本实施例提供的钻杆在顺时针转动过程中，如果处于其他节杆从节杆1伸出的工作状态时，虽然扭矩的传递需要经过节杆管体的传递，但一方面因各键条嵌设在节杆的键条安装孔中的连接方式稳固可靠，另一方面因相邻节杆的传扭接触长度并不局限于节杆底部1米范围内，因此同样可以传递大的扭矩和下压力。

3)本实施例提供的钻杆在逆时针转动过程中，只需先将图5所示的钻杆逆向空转一段时间，使每个外部节杆的内键条部和其内部节杆或芯杆的外键条部抵触后，即可继续运转以实现正常的逆时针转动。逆时针转动过程和顺时针的转动过程原理相同。

由图中可以看出，虽然各节杆上设置的每组键条个数为三个，容易理解，根据实际应用情况，各节杆每组键条的个数还可以有其他实施方式，并不限于上述的三个。容易理解，为便于各节杆的纵向移动，不同节杆上的每组键条的键条个数也相同。另外，为使节杆周向受扭均匀，设置在同一节杆每一组的键条均应沿周向均匀分布。

优选地，至少部分键条的第一端端面(该端面为传递压力的端面)为与节杆轴线垂直的平面，第二端端面为与节杆轴线相交的楔形面。与节杆轴线垂直的平面用于传递下压力，楔形面可以起到引导内部节杆向下顺利下放的导向作用。优选地，键条的相邻的两个表面之间为圆滑过渡。可以降低键条端部的应力集中现象。

需要说明的是，虽然上述实施例中各节杆的外键条部和内键条部均是以嵌设在键条安装孔内的键条形成。但在实际应用中，可以只在其中一个节杆或者两个节杆上开设键条安装孔，以嵌设键条，嵌设在键条安装孔中的键条形成对应节杆的外键条部和内键条部。这样虽然只改善了部分节杆的键条与节杆管体的连接强度，但同样可以达到提高钻杆传扭效率的目的。

需要说明的是，在本实施例中，虽然在钻杆芯杆4的外部依次套设有三个节杆，在实际应用中，钻杆芯杆4的外部依次套设的节杆数不限于三个，同样不影响本发明技术方案的实施。当在钻杆芯杆4的外部套设大于三个节杆时，该钻杆通常为旋挖钻机的摩阻杆。

参见图6至图8，示出了本发明的第二实施例，由图中可以看出，该实施例与上述第一实施例的不同之处在于：同一节杆上轴向相邻的两组键条在圆周方向上相差预设角度。同样以节杆1的键条10为例，结合参考图6和图7，由轴向投影可以看出，轴向相邻的键条组11和键条组13在圆周方向上相差预设角度α设置，节杆2和节杆3与节杆1上键条组的设置方式基本相同，这样各节杆轴向相邻的键条组在节杆周向上形成了多个有角度偏差的受扭点，使节杆管体受扭更加均匀。

优选地，同一节杆上轴向隔组设置的两组键条的轴向投影相重叠。结合参考图6和图8，相邻的键条组11和键条组13角度偏差为α，各键条组11的轴向投影相重叠，各键条组13的轴向投影相重叠，相当于每相邻的键条组以+α、-α的角度差交错设置。同样，在芯杆4上的外键条部也可以沿轴向分段设置，并且相邻的键条组41和43也以+α、-α的角度差交错设置。这样，由图8中可以看出，通过合理设置轴向相邻的键条组之间的角度偏差，部分键条组在传扭的同时也可以用于传递下压力F，在各节杆上就可以不再另外设置加压台。

具体地，节杆1的键条组11的侧壁和节杆2的键条组21的侧壁相抵触用于传扭；节杆2的键条组21的侧壁和节杆3的键条组31的侧壁相抵触用于传扭；节杆3的键条组31的侧壁和芯杆4的键条组41的侧壁相抵触用于传扭；节杆2的键条组23的侧壁和节杆1的键条组13的侧壁相抵触用于传扭，同时键条组23承受来自键条组11的下压力；节杆3的键条组33的侧壁和节杆2的键条组23的侧壁相接触用于传扭，同时键条33承受来自键条组21的下压力；芯杆4的键条组43的侧壁和节杆3的键条组33的侧壁相抵触用于传扭，同时键条组43承受来自键条组31的下压力。而且，具有该实施例结构的节杆之间也比较容易组装或者拆卸。

根据本实施例的钻杆不需要额外设置加压台，简化了钻杆的结构，减少了钻杆配件的种类，可以大大提高钻杆的生产效率。同时，可以实现大的下压力和扭矩的传递，进而达到增大钻杆钻孔深度的效果。在各节杆的轴向上可以实现多平面传递压力，使节杆管体的受力和变形更加合理均匀，进一步避免了节杆的轴向失稳和变形，大大降低了钻杆受到冲击和疲劳负载作用下，节杆管体和焊缝开裂的问题。

本发明还提供了一种旋挖钻机，包括动力头和由动力头驱动的钻杆，该钻杆为上述的钻杆。由于上述的钻杆具有上述技术效果，具有该钻杆的旋挖钻机也应具有相应的技术效果，在此不再详细介绍。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钻杆，包括：芯杆(4)和依次套装在所述芯杆(4)外部的多个节杆(1，2，3)，各所述节杆上均设置有外键条部和内键条部，其特征在于，

至少一个所述节杆(1)上设置有键条安装孔，所述键条安装孔内嵌设有键条(10)，所述键条(10)凸出于对应的所述节杆(1)外壁的部分形成该节杆(1)的外键条部(101)，所述键条(10)凸出于对应的所述节杆(1)内壁的部分形成该节杆(102)的内键条部；所述键条与对应的所述键条安装孔焊接在一起。

2.根据权利要求1所述的钻杆，其特征在于，所述键条安装孔沿所述至少一个节杆(1)的轴向分段设置。

3.根据权利要求2所述的钻杆，其特征在于，各所述节杆(1,2,3)上均设置有所述键条安装孔，各所述键条安装孔内均嵌设有所述键条。

4.根据权利要求3所述的钻杆，其特征在于，同一节杆上设置在同一横截面上的所述键条为一组键条，且所述一组键条中包括的多个键条在周向上均匀分布；各所述节杆上的每组键条所包含的键条个数相同。

5.根据权利要求4所述的钻杆，其特征在于，同一节杆上轴向相邻的两组所述键条在圆周方向上相差预设角度。

6.根据权利要求5所述的钻杆，其特征在于，同一节杆上轴向隔组设置的两组键条的轴向投影相重叠。

7.根据权利要求5或6所述的钻杆，其特征在于，至少部分所述键条的第一端端面为与节杆轴线垂直的平面，第二端端面为与所述节杆轴线相交的楔形面。

8.根据权利要求1所述的钻杆，其特征在于，所述键条的横截面呈扇形，所述扇形横截面包括：内弧形段、外弧形段以及位于所述内弧形段和外弧形段两端的直线段；所述内弧形段与内部节杆的表面曲率配合，所述外弧形段与外部节杆的表面曲率相配合，所述直线段与对应的键条安装孔焊接在一起。

9.根据权利要求1所述的钻杆，其特征在于，所述键条相邻的两个表面之间为圆滑过渡。

10.一种旋挖钻机，包括动力头和由动力头驱动的钻杆，其特征在于，所述钻杆为权利要求1至9中任一项所述的钻杆。