全套管全回转钻机设备的制作方法

1.本申请涉及工程机械设备技术，尤其是涉及一种全套管全回转钻机设备。


背景技术：

2.随着城市建设进程加快、路网的不断完善，如何在高铁、市政、桥梁等基础设施下方进行净空受限条件下的围护结构施工、地基加固处理及施工，且又不能影响基础设施的安全稳定运行，是长期困扰建筑行业的难题。
3.在围护结构施工等场景中，通常需利用全套管全回转钻机来成桩。全套管全回转钻机一般指利用全回转钻机对套管施加扭矩和垂直荷载，使套管在地层中边旋转边压拔的装置。如图1所示，现有的全套管全回转式钻机的结构示意图，包括套管01、动力回转机构02、压拔油缸03、支撑底座04；在施工过程中，由动力回转机构02提供回转力使套管01旋转，压拔油缸03提供向下的垂直力使套管压入地层，形成护壁，通过外围设备将套管内土体取出，下放钢筋笼，灌入混凝土，再通过动力回转机构02的回转力和压拔油缸03提供向上的垂直力将套管旋转拔出，从而成桩。该过程脱离了泥浆护壁，为干式作业，对周围地层扰动小，成桩质量高，在国内外得到了广泛的应用。
4.垂直度是衡量成桩质量的重要参数。如果桩倾斜超过一定角度，会造成桩承载力降低，不能使用而被废掉，从而造成经济损失，也会影响施工进度和工程质量。套管的垂直度在一定程度上决定了混凝土灌注后桩的垂直度。相关技术中，套管垂直度的检测没有专门的设备，通常通过肉眼观察、水平尺测量、经纬仪定位或者通过夹紧装置自身的垂直来控制夹持套管的垂直度。这些常规办法存在精度不准、操作不便、耗费时间和人力的问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术缺陷之一，本申请实施例中提供了一种全套管全回转钻机设备。
6.本申请第一方面实施例提供一种全套管全回转钻机设备，包括：
7.主机架，具有竖向支撑柱、水平支撑柱、第一传感器及调节件；所述竖向支撑柱、水平支撑柱分别为多个，多个竖向支撑柱、水平支撑柱连接形成框架；所述第一传感器及调节件设置于所述竖向支撑柱的下端；
8.回转钻进装置，连接于所述主机架上位于下端的水平支撑柱，用于带动套管进行回转运动；
9.纠偏杆，具有安装端、伸缩杆、第二传感器及接触端；所述安装端连接于所述主机架的竖向支撑柱，所述接触端用于与套管的外柱面接触；所述伸缩杆设置于所述安装端与接触端之间，所述第二传感器设置于所述接触端与伸缩杆之间；
10.控制器，所述控制器用于根据所述第一传感器的检测结果确定所述主机架倾斜时，控制所述调节件对相应竖向支撑杆进行调节；所述控制器还用于根据所述第二传感器的检测结果确定所述套管倾斜时，控制所述伸缩杆对所述套管进行调节，直至所述套管的
垂直度满足预设要求。
11.本申请实施例提供一种全套管全回转钻机设备，在低净空环境下，控制器能够通过第一传感器的检测结果控制调节件实现对设备的自动纠偏，控制器还能够根据第二传感器的检测结果控制伸缩杆以实现套管的自动纠偏，如此，实现了对设备和套管垂直度的双重控制，利于提高对套管垂直度的控制精准性及设备自身的稳定性。进一步地，本实施例提供的设备还能适用于多个尺寸的套管，能够适用于更多的工况场景，灵活性较高，重复利用率较高，利于降低基建成本。
附图说明
12.此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
13.图1为相关技术中提供的套管全回转钻进装置的结构示意图；
14.图2为一示例性实施例提供的全套管全回转钻机设备的结构示意图；
15.图3为一示例性实施例提供的纠偏杆的结构示意图；
16.图4为另一示例性实施例提供的全套管全回转钻机设备取管时的状态示意图；
17.图5为另一示例性实施例提供的全套管全回转钻机设备调节设备垂直度时的状态示意图；
18.图6为另一示例性实施例提供的全套管全回转钻机设备调节套管垂直度时的状态示意图。
19.附图标记说明：
20.1-主机架；11-竖向支撑柱；12-水平向支撑柱；13-竖向导槽；14-第一传感器15-竖向调节液压油缸；16-抬高连接板；17-抬高千斤顶；18-移动滑轮；19-导向滑槽；
21.2-取管定位装置；21-可伸缩导轨；22-滑动滚珠；
22.3-回转钻进装置；31-动力回转装置；32-竖向压拔装置；33-滑轮；34-底座；35-固定板；
23.4-纠偏杆；41-圆弧滚针排；42-第二传感器；43-水平液压油缸；44-水准管；45-安装端；
24.5-套管；
25.6-控制器；
26.7-取管连接装置；71-滑块；72-可伸缩螺杆；72a-螺纹部；
27.8-信号传输线；
28.9-升降平台；91-升降杆。
具体实施方式
29.为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。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。
30.垂直度是衡量成桩质量的重要参数。如果桩倾斜超过一定角度，会造成桩承载力
降低，不能使用而被废掉，从而造成经济损失，也会影响施工进度和工程质量。套管的垂直度在一定程度上决定了混凝土灌注后桩的垂直度。
31.相关技术中，套管垂直度的检测没有专门的设备，通常通过肉眼观察、水平尺测量、经纬仪定位或者通过夹紧装置自身的垂直来控制夹持套管的垂直度。这些常规办法存在精度不准、操作不便、耗费时间和人力的问题。
32.目前市场上出现了全套管钻机纠偏装置，通过设置于套管外周的弹性部件在各个方向的受力情况实现检测全套管钻机上套管的倾斜情况，在套管发生倾斜时可以通过控制器对套管进行倾斜度调整，保证套管成孔的垂直度。
33.发明人在研究过程中发现：导致套管垂直度出现偏差主要体现在一下几个方面：1、套管安放初期或者钻进过程中由于地质条件变化等原因受力不均匀导致第一层套管倾斜；2、钻进过程中套管在地层中受力突变，这种作用力通过套管传递到设备上，导致设备自身受力倾斜，进而影响套管钻进过程中的垂直度。
34.然而，在相关技术的纠偏装置中，仅能够实现对套管的纠偏，无法适应于设备自身倾斜的场景，且其面对不同工程和套管时的灵活性较差，重复利用率较低。
35.为了克服上述问题中的至少一个，本申请实施例提供一种全套管全回转钻机设备，能够在低净空环境下，对设备自身和套管进行自动纠偏，提高对套管垂直度的控制精准性及设备自身的稳定性。进一步地，本实施例提供的装置适用于多个尺寸的套管，能够适用于更多的工况场景，灵活性较高，重复利用率较高，利于降低基建成本。
36.下面结合附图对本实施例提供的全套管全回转钻机设备的结构、功能及实现过程进行举例说明。
37.如图2所示，本实施例提供一种全套管全回转钻机设备，包括：
38.主机架1，具有竖向支撑柱11、水平支撑柱12、第一传感器14及调节件；竖向支撑柱11、水平支撑柱12分别为多个，多个竖向支撑柱11、水平支撑柱12连接形成框架；第一传感器14及调节件设置于竖向支撑柱11的下端；
39.回转钻进装置3，其底座34通过固定板35连接于主机架1，用于带动套管5进行回转钻进运动；
40.纠偏杆4，具有安装端45、伸缩杆、第二传感器42及接触端；安装端45连接于主机架1的竖向支撑柱11，接触端用于与套管5的外柱面接触；伸缩杆设置于安装端45与接触端之间，第二传感器42设置于接触端与伸缩杆之间；
41.控制器6，分别与第一传感器14及第二传感器42电连接；
42.其中，控制器6用于根据第一传感器14的检测结果确定主机架1倾斜时，控制调节件对相应竖向支撑柱11进行调节，直至主机架1的垂直度满足预设要求；
43.控制器6还用于根据第二传感器42的检测结果确定套管5倾斜时，控制伸缩杆对套管5进行调节，直至套管5的垂直度满足预设要求。
44.主机架1的竖向支撑柱11及水平支撑柱12均采用具有一定承载能力的材料制成。竖向支撑柱11的轴向平行于竖直方向，水平支撑柱12的轴向平行于水平方向。竖向支撑柱11及水平支撑柱12相互连接，且形成的框架呈立方体状。
45.示例性地，竖向支撑柱11为4个，水平支撑柱12为8个，其中4个水平支撑柱12连接于竖向支撑柱11的上端，剩余4个水平支撑柱12连接于竖向支撑柱11的下端，每个水平支撑
柱12连接于相邻的2个竖向支撑柱11。在其它示例中，还可主机架1还可包括加强柱，连接于相邻的水平支撑柱12，或连接于相平行的水平支撑柱12，或连接于相平行的竖向支撑柱11，或连接于一竖向支撑柱11与一水平支撑柱12。
46.在竖向支撑柱11的下端还可设置有第一传感器14及调节件，或者说，在竖向支撑柱11的下端与其下的水平支撑柱12之间设置有第一传感器14及调节件。可选地，各竖向支撑柱11的下端分别设置有调节件。调节件包括竖直液压油缸，竖直液压油缸的轴向竖直设置。第一传感器14设置于竖向支撑柱11与竖直液压油缸之间。第一传感器14具体可以为应力/应变传感器。第一传感器14用来感应主机架1由于倾斜引起的竖向支撑柱11的变形或受力变化。调节件用于根据控制指令调整相应竖向支撑柱11的高度，或者调整相应竖向支撑柱11与其下方的水平支撑柱12之间的距离。
47.另外，主机架1上位于上端的水平支撑柱12连接有回转钻进装置3，回转钻进装置3用于承载并带动套管5进行回转运动。回转钻进装置3包括：动力回转装置31，用于承载套管5；竖向压拔装置32，竖向压拔装置32的上端通过固定板35连接于主机架1的上端，竖向压拔装置32的下端通过固定板35连接于主机架1的下端；底座34，用于承载动力回转装置31，且连接于竖向压拔装置32下端的固定板35；滑轮33，设置于底座34的侧部，可滑动地设置于竖向支撑柱11的竖向导槽13中，以确保回转钻进装置3带动套筒沿竖直方向运动。
48.纠偏杆4用于检测套管5的倾斜情况，且在套管5倾斜时能够根据控制器6的控制指令及时对套管5进行纠正，利于确保套管5的垂直度。具体地，如图3所示，纠偏杆4具有安装端45、伸缩杆、第二传感器42及接触端；安装端45连接于主机架1的竖向支撑柱11，接触端用于与套管5的外柱面接触；伸缩杆设置于安装端45与接触端之间，第二传感器42设置于接触端与伸缩杆之间。第二传感器42用于与控制器6通信连接。第二传感器42具体可以为压力传感器。
49.纠偏杆4具体可以为伸缩结构，以利于调整套管5的垂直度。示例性地，伸缩杆包括水平液压油缸43，水平液压油缸43的轴向平行于水平面。纠偏杆4包括多个，多个纠偏杆4沿套筒的周向均匀分布。示例性地，纠偏杆4为4个，每两个相对的纠偏杆4关于套筒的中轴线对称设置。水平液压缸的柱面设置有水准管44；水准管44用于标识纠偏杆4的水平情况，利于确保纠偏杆4的水平度。
50.纠偏杆4的一端为安装端45，安装端45用于与主机架1的竖向支撑柱11连接。可选地，安装端45可与竖向支撑柱11可拆卸连接，以利于后续对纠偏杆4进行检修及更换。示例性地，安装端45为块状结构，主机架1的竖向支撑柱11设置有相匹配的安装孔，块状结构与该安装孔可通过过盈配合、粘接等连接方式固定。
51.纠偏杆4的另一端为接触端，接触端包括圆弧滚针排41，圆弧滚针排41具有弧形板及设置于弧形板的多个均匀排布的柱状滚针，柱状滚针的轴向垂直于纠偏杆4的轴向设置；柱状滚针能够与套管5光滑无缝接触。
52.纠偏杆4可灵活水平安装于支撑纠偏架上，通过其上的水准管44调整其水平状态，位于端部的圆弧滚针排41上的柱状滚针可同套管5光滑无缝接触，套管5垂直则柱状滚针不受力，套管5倾斜则柱状滚针轴向受力，并将力传递给压力传感器，并通过控制器6控制纠偏杆4上的伸缩油缸，自动调节套管5垂直度，纠偏杆4可通过伸缩油缸控制其长度大小，适合于各种直径的套管5。
53.具体地，在套管5呈垂直状态时，圆弧滚针排41的柱状滚针受径向摩擦力，随着套管5的钻进而旋转；圆弧滚针排41的柱状滚针受的轴向力为零。
54.如图5所示，在套管5倾斜时，套管5倒向的一端的柱状滚针除了受径向摩擦力之外，还受到套管5倾斜带来的轴向压力f，该轴向压力f大小可由第二传感器42感应，并将该感应信息通过信号传输线8传递到控制器6，控制器6根据接收到的第二传感器42传递的感应信号，控制对应纠偏杆4上的水平液压油缸43产生相应的反向推力f，将套管5推回原位置，当各第二传感器42感应到的压力值均为零时，套管5即垂直。
55.如图6所示，当主机架1倾斜时，倾斜端的竖向支撑柱11的下端压力变化，通过第一传感感应受力变化，并将感应信号通过信号传输线8传递到控制器6，控制器6根据接收到的感应信号变化值判断倾斜的方向，并调节相应的竖向液压油缸15动作以进行纠偏，直至各竖向支撑柱11受力均匀，第一传感器的数值不再变动，各第一传感器的检测结果趋向于一致，主机架1处于垂直状态。
56.在其中一种可能的实现方式中，该设备还包括：抬高连接板16、抬高千斤顶17及移动滑轮18；抬高连接板16连接于主机架1的下端；抬高千斤顶17，用于支撑抬高连接板16；抬高千斤顶17的下端设置有移动滑轮18，移动滑轮18可滑动地设置于预设的导向滑槽19中，以引导主机架1沿导向滑槽19的长度方向走行。
57.在具体实现时，抬高连接板16、抬高千斤顶17及移动滑轮18可设置于主机架1相对的两侧，利于主机架1沿着预设的导向滑槽19行走至其他工位处。其中，导向滑槽19可根据实际需要来设置，本实施例此处对于导向滑槽19的走向及设置位置不做具体限定。
58.抬高连接板16可以为弯折板，以利于将主机架1下端的水平支撑柱12与抬高千斤顶17的上端连接且连接可靠。例如：抬高连接板16包括用于与抬高千斤顶17的上端连接的上连接板以及连接于上连接板的竖向连接板，竖向连接板可连接于将主机架1下端的水平支撑柱12；在其它示例中，竖向连接板的下端可连接有下连接板，竖下连接板连接于主机架1下端的水平支撑柱12。
59.抬高千斤顶17的下端设置有移动滑轮18，抬高千斤顶17的上端连接于抬高千斤顶17。移动滑轮18的类型可根据实际需要来选择，本实施例此处对于移动滑轮18的类型及具体结构不做限定。示例性地，移动滑轮18可采用具有自锁功能的滑轮33，以利于在带动主机架1到达设定位置时，将主机架1锁定在该设定位置。
60.在需要变更设备的工作位置时，可通过抬高千斤顶17将主机架1抬高，在将主机架1抬高至设定位置时，可通过移动滑轮18带动设备沿着导向滑槽19的延伸方向行走。其中，移动滑轮18可以为电动轮，此时，电动轮可以与控制器6或者其它终端通信连接，以利于接收控制指令；或者，移动滑轮18需在外力作用下移动，此时，工作人员可通过推动或者拉动主机架1来给移动滑轮18提供驱动力。
61.在其中一种可能的实现方式中，该设备还包括：取管连接装置7及取管定位装置2；取管定位装置2设于主机架1的上端；取管连接装置7与取管定位装置2滑动连接，且用于与待取的套管5可拆卸连接；其中，取管连接装置7可带动待取的套管5沿着取管定位装置2朝向或远离回转钻进装置3运动。
62.可选地，取管定位装置2包括：多个设置于主机架1的上端的可伸缩导轨21，可伸缩导轨21的第一滑槽中设置有滑动滚珠22；各可伸缩导轨21与主机架1的上端滑动连接，以使
相邻的可伸缩导轨21的间距可调。
63.取管连接装置7包括：多个可伸缩螺杆72，可伸缩螺杆72的上端设置有滑块71，滑块71与可伸缩导轨21配合，可伸缩螺杆72的下端设置有螺纹部72a，螺纹部72a用于与待取的套管5上端螺纹孔51配合。其中，套管5的上端设置有若干个螺纹孔51，以利于与可伸缩螺杆72配合。在外力作用下，取管连接装置7带动待取的套管5沿可伸缩导轨21的第一滑槽的长度方向运动。
64.进一步地，该设备还包括：升降平台9，设置于取管连接装置7下方，用于将待取的套管5举升至设定高度；其中，套管5定位装置带动待取的套管5的运动轨迹将升降平台9的竖向中心线、回转转进装置的中轴线连接。示例性地，升降平台9包括：支撑台，用于承载待取的套管5；多个升降杆91，均匀地设置于支撑台的下端。在具体实现时，升降平台9可将套管5举升至与回转钻进装置3相适配的高度，以利于减少取放套管5导致套管5倾斜的可能性。
65.如图4所示，在取套管5时：根据套管5的直径大小对可伸缩导轨21进行调整，调整相邻可伸缩导轨21之间的间距，且调整可伸缩导轨21伸出主机架1的长度，以使得取管连接装置7能够与套管5的螺纹孔配合。调节套管5升降平台9的升降杆91到相应高度，将套管5置于套管5升降平台9上。将取管连接装置7的可伸缩螺杆72的螺纹部72a插入套管5的螺纹孔中拧紧，同时调节可伸缩螺杆72至一定高度，并调整连接滑动块的方向，使滑块71可以顺利进入套管5定位装置的可伸缩导轨21的第一滑槽中，滑块71在第一滑槽中与第一滑槽内的滑动滚珠22滚动接触并移动到指定位置。通过调节可伸缩螺杆72的长度可将套管5定位放于回转钻进装置3中。在该过程中，能够确保套管5处于垂直状态，利于减少取放套管5导致套管5倾斜的可能性。
66.下面对本示例提供的设备的操作过程进行举例说明。
67.如图4所示，在取管时：
68.(1)根据套管5直径大小对可伸缩导轨21进行移动定位，并伸长一定长度到可以连接套管5的合适位置；
69.(2)调节套管5升降平台9的升降杆91到合适高度；
70.(3)将套管5置于套管5升降平台9上；
71.(4)将取管连接装置7的可伸缩螺纹杆的螺纹部72a插入套管5的螺纹孔中拧紧，同时调节可伸缩螺杆72至一定高度，并调整滑块71的方向，使滑块71可以顺利进入套管5定位装置的可伸缩导轨21中并移动到指定位置，通过调节可伸缩螺纹杆的长度将套管5定位放于回转钻进装置3中。
72.如图5所示，对设备的垂直度的控制：
73.(1)将设备安放好之后，如果设备整体处于垂直状态，四个竖向支撑柱11下端的应力/应变传感器数值是趋向于一致的；
74.(2)如果设备安放时或者套管5转进过程中，设备垂直度出现偏差，受重力影响，朝向倾斜一侧竖向支撑柱11下端重力增加而受压，应力/应变传感器的数值会出现变化，从而传递给控制器6的信号有变动；
75.(3)控制器6根据接收到的应力/应变传感器的数值，判断出受压的方向，同时得到设备整体倾斜的方向；
76.(4)控制器6调整设备倾斜方向的竖直竖向液压油缸15伸长，设备垂直之后，四个竖向支撑柱11受力均匀，底部应力/应变传感器的数值不再变动。
77.如图6所示，对套管5的垂直度的控制：
78.(1)将纠偏杆4等装置固定好，调平，并调整好纠偏杆4的长短，使其留有同套管5直径大小相匹配的空间；
79.(2)将套管5放入回转钻进装置3就位，纠偏杆4端部的圆弧滚针排41及其上柱状滚针同套管5表面接触；
80.(3)套管5安放后及旋转钻进过程中，如果套管5倾斜，会对相应侧柱状滚针产生压力，对应的压力传感器感受到圆弧滚针排41传递到的压力，会将信号传递给控制器6，控制器6会根据受力判断出液压油缸需要调整的方向和力的大小，控制液压油缸产生一定的反力，将套管5推回原始垂直位置，最终压力传感器上的力为零时，套管5垂直。
81.本实施例提供的设备，适合在低净空环境下施工，能够实现对设备和套管5垂直度的双重精准检测及控制，达到自动纠偏的目的。进一步地，通过控制纠偏杆4的伸缩油缸，不仅能自动调节套管5垂直度，还能适合于各种直径的套管5，提高了设备的灵活性，提高了设备的利用率。通过对取管定位装置2中的可伸缩导轨21进行调整，使得该设备在应用于不同尺寸的套管5时，均能确保取放套管5过程中套管5处于垂直状态，进一步提高了设备的灵活性及利用率。
82.在本申请的描述中，需要理解的是，术语“竖向”、“水平”、“上”、“下”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
83.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
84.在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
85.尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
86.显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。