[发明专利]一种旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头及其钻进方法

权利要求书

1.一种旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：包括动力头箱体(16)、钻杆组件(1)、柔性回转机构以及扭转振动机构，所述柔性回转机构和扭转振动机构均安装在所述动力头箱体(16)内，且所述柔性回转机构与回转动力输入装置(2)驱动连接，所述扭转振动机构与振动动力输入装置(15)驱动连接；所述柔性回转机构与所述钻杆组件(1)固定连接，并可驱动所述钻杆组件(1)转动；所述扭转振动机构通过所述柔性回转机构与所述钻杆组件(1)固定连接，其用于对钻杆组件(1)施加按正弦规律变化的高频扭转振动。

2.根据权利要求1所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：所述柔性回转机构包括回转大齿圈(4)、主动回转块(5)、柔性连接件(6)、和被动回转块(7)，所述被动回转块(7)与主动回转块(5)同轴安装，且两者之间通过若干柔性连接件(6)连接，相互间有一定的绕轴向旋转的旋转自由度，所述主动回转块(5)与所述回转大齿圈(4)与固定连接，所述回转大齿圈(4)在所述回转动力输入装置(2)的驱动下旋转，所述钻杆组件(1)安装在所述被动回转块(7)上。

3.根据权利要求2所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：所述柔性连接件(6)为弹簧或橡胶连接件。

4.根据权利要求1所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：所述扭转振动机构包括振动支架(8)及设在所述振动支架(8)内的振动下齿圈(13)、振动上齿圈(10)、若干偏心块(12)及与其配套的振动齿轮轴(9)，所述振动齿轮轴(9)与所述振动支架(8)转动连接，所述偏心块(12)通过所述振动齿轮轴(9)安装在所述振动支架(8)内，所述振动齿轮轴(9)与所述振动上齿圈(10)啮合，所述振动上齿圈(10)通过振动连接座(11)与所述振动下齿圈(13)固定连接，并可与所述振动下齿圈(13)同步旋转，所述振动下齿圈(13)在所述振动动力输入装置(15)的驱动下转动。

5.根据权利要求4所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：所述偏心块(12)数量为偶数，且沿所述振动上齿圈(10)所在的圆周对称分布。

6.根据权利要求5所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：所述扭转振动机构对钻杆组件(1)施加按正弦规律变化的高频扭转振动的过程为：

当振动上齿圈(10)受到外力作用转动时，振动齿轮轴(9)带动其上的偏心块(12)向相反方向转动，且每件偏心块(12)具有相同的角速度和相位；各偏心块(12)的转动会产生指向相应振动齿轮轴(9)回转中心的离心力F_离，当偏心块(12)相位角为α时，离心力F_离可以分解为指向振动上齿圈(10)回转中心的径向分力F_离r与切线方向的切向分力F_离τ，且有

F_离r＝F_离×cosα

F_离τ＝F_离×sinα

由于各偏心块(12)的重量、尺寸、转速、相位角相同，所以产生的离心力F_离大小相等，故所有离心力F_离的径向分力F_离r通过振动上齿圈(10)回转中心，且合力为0；每个离心力的切向分力F_离τ产生一个相对于振动上齿圈(10)回转中心的转矩M，

M＝F_离τ×R

当有n组偏心块时，所有离心力F_离产生的合转矩为

∑M＝n×F_离×sinα×R

由合扭距的公式可知，合转矩为偏心块(12)旋转相位角的正弦函数，合转矩的大小和方向随着偏心块(12)的转动呈周期性变化，此合转矩作用在振动支架(8)上，通过柔性回转机构传递给与之连接的钻杆组件(1)，从而对钻杆组件(1)施加按正弦变化的高频扭转振动。

7.根据权利要求1所述的旋挖钻机用高频扭转振动回转动力头，其特征在于：所述回转动力输入装置(2)安装在所述动力头箱体(16)上。