的运动原理和结构，般只能采取加大直径，增加配套功率和扭矩，以及选用高硬刃具材料等办法，因而有趋向高功率配置和笨重方向发展的趋势，不仅固有的弱点问题没有解决，而且又更加大了施工设备投资，影响工程建设效益。如湖南省道线周家店至常德公路改建工程，在柳叶湖大桥四根.米直径桩基础施工中，由于施工成本的原因，第个枯水施工季节，没有进场大直径成孔设备，施工单位采取沉井明挖法施工失败。在第二个枯水施工季节，终于以多万的价格，新购置到重型冲击钻机设备，开始进行返工施工。韶关产冲击锤重达吨，配套设备均是个别设计生产，使用直径.公分钢丝绳。由于锤重绳粗，常规的设备匹配和连接方式，在这“重型”面前显得非常脆弱，出现了每两个工作班必须更换连接，每次需三小时，每个工作班，损坏次导轮或轴，每次更换需时间天的情况，另外桩基出现了严重的孔壁失圆现象，明显地影响了工程质量进度和效率。适应桩基础沉井护壁不排水施工的设备缺乏。而不排水施工可避免发生沉井严重偏位沉井滞留和井口沉陷以及下沉缓慢等诸多问题。各项工程基础的施工进度往往是影响整个项目建设工期的关键，其造价也是影响项目投资的主要不定因素。鉴于以上情况，为适应各类建筑工程材料设计和施工技术的发展需要，如何从钻孔桩基础施工成孔设备着手，综合冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点，研究开发出新型成孔钻具，以解决桩基工程施工，要求快速高效稳定可靠广泛适用和适应超大直径方向发展的问题，是长期以来国内外业内人士不乏探索的命题。第章概述在桩基工程施工中大量使用的冲击钻和回旋钻，它们工作状态的个共同特点，是切削刀刃与孔壁和孔底保持整体的或线或面的接触，摩擦阻力大，切削相对速度低，能量分散，分布不合理，无效功耗大，效率低。如果单个刃具能实现如下图所示的平面单迹线星形运动，并同时具有径向旋削软散颗粒，轴向冲击破碎整体岩石的功能。则数个小直径的刃具也将会产生高效率的复合运动和作用，由若干连续点的运动，形成连续的曲线运动，若干曲线的运动，使施工面呈周边包络线为圆形的细密网状曲面，实现钻具逐层从上至下的整体成孔运动。本课题设计源于年以来件孩童游戏工具，因其游戏时规则均匀的迹线运动如右图所示，令人眼花的组合变化，激起了我的思考和对生产及生活现象的观察。星形运动的钻具主要由钻架动力轴齿轮组钻杆钻头组成。其特征在于钻架由外支架圈和斜支杆组成，动力轴是中空的圆管，位于钻架的中心轴线上，与支架用轴承连接，在外支架圈内，有齿轮组，齿轮组由个中心齿轮三个行星齿轮齿轮圈和托盘组成，中心齿轮用键固定在动力轴上，大小相同的个行星齿轮均匀分布在中心齿轮周围，行星齿轮与中心齿轮和齿轮圈上段的内齿同时啮合，齿轮圈与外支架圈固定在起，齿轮圈内圆周的下段为光滑的圆柱面，与托盘外圆周动配合，托盘为侧面光滑的圆盘，其上有个与行星齿轮相对应的个行星孔，行星孔内为齿轮圈，每个行星轮外侧周边的下部用轴承均匀固定着个或若干个钻杆，钻杆的下端安装有钻头刃具，钻杆的中部用键固定有被动转动齿轮，此转动齿轮与托盘上的行星孔的内齿相啮合，齿轮圈上部和下部都有内沿，上部内沿的表面和行星齿轮上沿的下表面接触，下部内沿的表面和行星齿轮下沿的上表面接触。第章设计中要考虑的问题和方案采用弹簧蓄能，增强间歇锤的冲击破石能效。由于该机械间歇锤难能产生高频大幅的冲击运动，每次冲击破石也不在固定点，而对于脆性的岩石面的破碎，也数首次的冲击破碎效果最佳，所以必须保证每次冲击的能量足够大。如采取加大锤重和行程的办法，则钻具空间有限，冲击频率会更降低，也与轻型化设计要求不相适应，仅自由落体能量是远远不够的。解决方案可采用加簧的蓄能锤，从而有效保证钻具的破石能力。解决冲击碎石功能的第二种方法。冲击碎石能量的输入传递和转换的问题，这是个涉及本钻具是否有实用价值的关键问题。为了提高刃具在大粒径砾石层和岩石层等特殊地质条件的成渣能力，加强刃具冲击碎石能量的输入传递和转换，是解决问题的关键。为此还可采取“气动力冲击盘锤”的概念解决。即利用星动齿轮组以上钻架圈以内的空间，在上钻架圈设置“气动力缸”，在三个星形轮钻杆群上，再设置联体的“冲击动盘”,汽缸与动盘体间弹性且滑动约束。压缩空气驱动“气动缸”使“冲击动盘”往复连动,其能量通过“冲击动盘”向其下面的钻杆群传递和作用，以提高和强化冲击碎石的频率和能量，从而充分发挥刃具复合运动扭掰撬削等效应的作用，确保“星动钻具”适应硬岩地质条件的成孔能力。气动冲击的排气可作为气举排渣动力的利用和补充。为有利于成孔垂直度的控制，根据需要星形齿轮及托盘可采取适宜的圆锥形布置设计，但将会加大机械设计和加工的难度。另外，主轴排渣管的端头要求能安装绞削式刃具或小径牙轮中心钻头，以适应在不同地质条件下，有利于稳定成孔中心位置和控制钻进面均衡程度。配套采购标准部件，以减少设计和生产的工作量以及投入。如Ⅱ型结构中的“万向传动结”，可采购汽车标准配件设计配套。增加泥渣拢耙功能和适配泥渣分离器以及排渣动力。能否及时的排空出渣，直接影响着钻具的安全稳定运行和成孔效率。所以需要在托板上以主动轴为圆心，分别围绕星形齿轮侧，安装三条带状螺旋机构，以将渣土实时拢耙集中在中空轴孔中排出。对于反循环排渣，要求压缩机或泥浆泵功率相匹配，且及时和充分的分离泥渣，返回泥浆确保施工泥浆面高度。另外气升排渣除需解决气体密封问题外，还需在气道安装活门，解决意外停机时泥渣反流沉淀堵塞气管的问题。保证Ⅰ型结构的钻杆，具有定的轴向弹性自由度。为保证间歇锤对钻杆的冲击能完全传递到刃具尖部，从而充分作用于岩石面，另外在刃具未触及到孔底面，而升举钻杆使螺旋间歇机构足以生效时，不使钻杆轴产生间歇运动的举力，都必须使钻杆在轴向向上方向，具有定的弹性约束的自由度。合理布置Ⅰ型结构中刃具的数量和位置。理论上只需在星形轮周边均匀布满钻杆轴和刃具，就可获得最大细密和均匀的网状迹线运动面积。但实际上是只要钻具固定圈与孔底摩擦产生的反向平衡扭矩能得到保证后有祥述，则无论在星形轮面范围内，还是托板上空出的周边，都可以分布安装钻杆轴和刃具，从而加大星形运动产生的网状迹线密度。从模块化的概念出发，设计上可从密布置，在实际施工应用时，可根据不同配套设备和功率以及地质情况，留待现场决定安装的数量和位置。合理确定Ⅰ型结构中刃具的工作层面高度。安装在三个行星轮上的钻杆及刃具，如在松软地质层施工，以均衡的分布在个不同的工作层面高度为宜，这样可以提高整体工作效率。但在大砾石和岩体层面破碎施工时，则宜使钻杆及刃具工作在两个层面高，以增加岩体破碎临空面，提高冲击破石效率。以上要求钻杆及刃具能方便更换或调整其工作高。合理确定Ⅰ型结构中刃具的形状和直径。要求刃具既能绞削软散颗粒，又能冲击破碎和侧挤破碎对于孔壁边缘岩石，同时又便于刃具随孔底地面高度变化而滑动过度此是冲击破石功能的需要，宜使刃具呈圆锥状造型，不过锥侧面均匀布设三道刃口和数条齿槽，锥顶呈三菱锥形刃尖。另外必须保证每个星形轮，至少有组刃具的最大绞削范围超出钻具固定圈厘米左右，以使钻具顺利的整体钻进进尺。这需要在不与其它刃具和排渣管运动相扰的情况下，综合考虑确定其最大刃具直径。要求钻具适配性好。既能适配般回旋钻机，也可适配潜水钻机。即既可设计为地面驱动，也可采用潜水变速电机体化设计或液压马达驱动。有效保证钻具运行的反向平衡力矩。钻具切削运动必须的反向平衡力矩，对于有沉井护壁施工，即由与井壁联系的定位约束产生。对于无护壁施工，Ⅱ型钻具宜采用潜水体化变速电机配套型，同时配套组同步钢丝绳滑轮组控制升降并产生反向力偶。井口地面驱动Ⅰ型钻具则由固定圈底部，与孔底地面产生相对运动的摩擦阻力产生。潜水驱动Ⅰ型钻具则由地面约束力和孔底地面产生相对运动的摩擦阻力产生。当然也可以另辅助增设接触孔壁的单向连动自锁机构，以有效增加和确保钻具运行的超强反向平衡力矩。合理解决机械运动润滑的问题。任何事物都具有两面性，由于机构特性决定和为了简化结构，建立刃具星形运动的齿轮组等大部件，不可避免的只能在泥浆中润滑，这就需要齿轮组采用高锰类耐磨钢特性材料履带锷板和道岔类材料，有适应在泥浆砂石中工作的材质要求。以解决有关部件难以密封的滚动滑动和齿轮摩擦的润滑以及锈蚀问题。另外还需加设防护罩和隔离板，以防异物影响和损坏机件运行。解决固定圈底承力土体控制切削的第二种方法。以上关于钻具固定圈下的土体，是考虑由星形轮上组专用刃具随运动周期进行切削，其随星形运动周期切削的厚度速度超切尺度和间断长度，应控制与星形轮上刃具的切削平均进度及排渣效率相适应，亦即应与钻具的整体进尺速度控制相协调，而且还要保证有足够大的切削扭矩力。为了使钻具的刃具有进步的功能性分工，现提出在托盘上每两星形齿轮间的三角区内，安装从动齿轮与外齿圈啮合，带动其轴端有个刀刃的刃具头产生间歇切削运动，以适当的间歇周期控制切削固定圈下的土体，通过保证土体承受钻具固定圈所需的压力动态平衡，从而保证钻具整体进尺的均衡性和稳定性。这样就可以充分发挥星形轮上刃具群在大面积切削中的功能性作用。有待进步考证其机械运动原理的新颖性和适用范围。据有关业内人士的感觉判断，此机械运动的机构及原理具有独立独创和实用性。目前的应用除适用于开发桩基钻具外，还可应用于开发土工“灌砂法密实度检测”取样机。其Ⅰ型机构原理还可应用于引进技术开发生产的异形大断面“地铁隧道盾构机”和“顶管掘进机”刀盘的新型化设计改造和完善。由于其具有可临空施工的条件，因而更有利于采取其他措施如电动，大大强化冲击碎石功能。主要是由对岩土体的磨削或压碎掘进，改为绞削和冲击破碎掘进。有望开发生产出掘进刀盘控制系统除外结构原理全新工况条件合理效率更高易维护和适用于各类地质情况的新刀盘类型的机械。也需要在托板上以主动轴为圆心，分别围绕星形齿轮侧，安装三条带状螺旋机构，以将渣土拢耙集中在中空轴孔中排出，实现各单元独立排渣综上所述，桩基础工程施工的效率，首先决定于成孔设备的效率，成孔设备的效率又主要决定于钻具的综合性能，而钻具的性能主要是体现对岩土的成渣和排渣能力两方面。本文提出的方案，就是综合解决钻具既具有冲击破碎和旋削岩土的成渣能力，也建立了钻具高效排渣的结构和性能条件，同时由于采用了星形运动以及模块化结构的方案，也使解决大中直径成孔钻具地质通用性施工适用性高效率轻性化和小扭矩的设计问题成为了可能。其主要是采用了“星形运动”的机械原理，构思了全新的运动机构，使钻具具有了当前多种常规钻头的优势功能。即是钻具的刃具群既可单独径向转动，以旋削软散小颗粒岩土，又可轴向冲击运动，以破碎整体和孤立岩石，所以适应各种地质条件施工。二是特别适合气举反循环排渣施工，由于钻具对成渣具有实时拢耙功能，所以对于小于排渣管直径的成渣颗粒，可直接及时快净地气举排渣。三是钻具部件大部分采取开放式泥浆润滑，局部采取封闭油润滑，相对于美日德进口设备的钻具结构大大简化。四是钻具设计既可适用于米以上至米直径，甚至