CN101668922A - 用于联接岩钻钻柄的联接装置 - Google Patents

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CN101668922A CN200880013617A CN200880013617A CN101668922A CN 101668922 A CN101668922 A CN 101668922A CN 200880013617 A CN200880013617 A CN 200880013617A CN 200880013617 A CN200880013617 A CN 200880013617A CN 101668922 A CN101668922 A CN 101668922A
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Abstract

本发明涉及一种用于以不可旋转但是可轴向移动的方式联接岩钻的钻柄(3)的联接装置。所述联接装置在钻柄(3)和旋转衬套(6)的表面之间包括动力传递构件(8；8a，8b)，该传递构件在钻柄(3)向旋转衬套(6)纵向移动时沿着所述表面旋转，并且该传递构件将旋转扭矩从所述旋转衬套(6)传递到所述钻柄(3)。

Description

用于联接岩钻钻柄的联接装置
技术领域
本发明涉及一种以相对于旋转衬套以不可旋转但是可轴向移动的方式联接岩钻的钻柄的联接装置，该旋转衬套在钻柄在岩钻中安装就位时围绕钻柄定位并且旋转钻柄，在该装置中，该旋转衬套关于旋转方向包括基本沿着旋转轴线的方向、横向于旋转方向且面向旋转方向的至少一个动力传递表面，并且相应地，该钻柄包括基本沿着相同方向并且从动力传递表面面向旋转方向的、相等数目的动力接收表面，由此旋转扭矩在旋转期间从旋转衬套通过动力传递表面和动力接收表面传送到钻柄。
背景技术
在钻岩设备中，钻杆在钻削期间利用在大多数情形中是液压马达的、独立的旋转马达而旋转。该旋转马达旋转独立的联接件，通常是旋转衬套。该旋转衬套顺次地旋转钻柄，钻杆利用标准的螺纹接头联接到该钻柄，并且利用岩钻的冲击活塞或者类似机构在该钻柄中诱发钻削时所需的冲击脉冲。
通常，在旋转衬套和钻柄之间的联接是通过旋转衬套中和相应地，钻柄中使用的轴向切槽而实现，由此它们以不可旋转但是可轴向移动的方式相互接合。在该情形中，凹槽的侧向表面用作旋转扭矩的传递和接收表面。
当前方案具有的问题在于，当旋转马达的旋转扭矩将表面朝向彼此挤压时，凹槽的侧向表面在钻削期间相互摩擦。这引起表面发热和退化。所传递的旋转扭矩、钻柄和旋转衬套之间的轴向运动以及钻的冲击频率越大，则作用于表面之间的摩擦作用力越高。
已经提出各种方案以解决这个问题。一种方法采用倾斜切槽，因此由于冲击产生的平移运动，表面脱离接合并且在表面之间无摩擦地进行运动。另一方面，在这种方案中，由反射脉冲产生的运动引起相反的现象，因此反射压缩波在接触表面上引起冲击状载荷峰值。因此，因为摩擦和载荷峰值这两者均影响表面，所以接触表面可能以机械方式被损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种联接装置，由此可以显著地减弱当前的问题。
本发明装置的特征在于，该装置在每一个动力传递表面和相应的动力接收表面之间包括动力传递构件，当钻柄沿其纵向方向相对于旋转衬套移动时，该动力传递构件沿着动力传递表面并且相应地沿着动力接收表面旋转，并且通过该动力传递构件，旋转扭矩从动力传递表面传送到动力接收表面。
本发明的基本思想在于，在旋转衬套的动力传递和动力接收表面与钻柄之间，安装用作轴承的传递构件，当钻柄和旋转衬套相对于彼此纵向地移动时，该传递构件沿着所述表面旋转。本发明实施例的基本思想在于，在旋转衬套中并且在钻柄中，设置多个相互对准的凹槽，并且在凹槽中放置滚珠，所述滚珠用作传递构件，并且，一方面，将旋转扭矩从旋转衬套传动到钻柄，并且，另一方面，允许在凹槽之间进行基本上无滑动摩擦的轴向运动。
本发明具有的优点在于，当在旋转衬套和钻柄之间使用滚动传递构件、例如滚珠时，在旋转衬套和钻柄中不存在任何相互磨蚀表面。此外，每一个凹槽中的足够数目的滚动传递构件能够传动所需的旋转扭矩而不引起过度的表面压力，由此将不会发生机械损坏。进而，当钻柄相对于旋转衬套沿着其纵向方向移动时，传递构件靠着旋转衬套和钻柄的配对表面滚动，由此最有利地使得所有摩擦基本上只是旋转摩擦。
附图说明
下面将结合附图更加详细地描述本发明，其中：
图1是传统岩钻的示意性视图，
图2是部分剖开并且设有本发明的联接装置的岩钻的前端的示意性视图，
图3a到3c是沿着图2的线A-A剖开的岩钻的前端和一些方案细节的示意性视图，
图4a和4b示出本发明的已剖开的一些其他实施例，
图5a和5b示出本发明的另一些其他的实施例，并且
图6是本发明的又一个实施例的示意性视图。
具体实施方式
在图1到6中，除了当实施例在某些方面彼此不同时，类似的附图标记表示类似的部件。因此，除非为了清楚起见而必要时，类似的部件在所有图中并未单独设置附图标记。
图1是岩钻1的示意性视图。该岩钻包括旋转马达2，该旋转马达以本质上已知的方式联接，以通过独立的、不可视的旋转衬套旋转钻柄3。钻杆和钻头使用螺纹(未示出)以本质上已知的方式联接到钻柄3。
图2示出沿其纵向方向剖开的岩钻的前端。该岩钻包括本体1a，其它部件安装到该本体上。图中示出旋转马达2的轴上的齿轮4如何通过传动齿轮5接合，以旋转在示意性示出的轴承1b上旋转的旋转衬套6。旋转衬套6进而围绕钻柄3定位。在这里仅示出其端部的、本质上已知的冲击活塞7，当岩钻工作时，该冲击活塞在钻柄3的端头上撞击并且使得连接到此的钻柄3和本质上已知并且在这里未示出的钻杆朝向待钻削的岩石、即图2所示状况中朝左移动。
在图2的方案中，钻柄3的外径稍微小于旋转衬套6的内径，并且因此钻柄和旋转衬套并不直接相互接触。相反，在钻柄3中并且在旋转衬套6中设置凹槽3a和6a，使得所述凹槽沿着径向对准。根据实施例，存在三个凹槽，由此所述凹槽在钻柄的外表面上并且相应地在旋转衬套6的内表面上以120度的间隔对称地隔开。凹槽3a、6a进一步设有用作传递构件8并且尺寸与凹槽基本相等的滚珠，并且所述滚珠使得钻柄3和旋转衬套5基本上沿着径向方向保持对准。可以根据所传动的旋转扭矩和钻杆/钻头的直径选择滚珠的数目。
如图2中所示，在旋转衬套的并且以相应的方式钻柄的凹槽的一端处，分别存在防止滚珠脱落的肩台3b和6b。因此，旋转衬套6的肩台6b朝向岩钻的后端、即朝向冲击活塞7一侧上的端部定位，并且钻柄的肩台3b朝向岩钻1的前端定位。
图3a和3b示意性示出沿着图2的线A-A剖开的前端和方案细节。该图示出旋转衬套6和钻柄3如何分别包括沿着周向方向并且优选围着周边对称地相互对准的凹槽3a、6a。在图3a和3b的实施例中，凹槽3a、6a每一个的数目都是三个。在这种方案中，在钻柄3和旋转衬套6之间无任何表面相互接触，而钻柄和旋转衬套仅利用在凹槽中用作传递构件8的滚珠而相互连接，并且所有的作用力均经由滚珠从旋转衬套6传动到钻柄3，并且反之亦然。半圆形凹槽6a的截面为弧形的部分6c沿着正常旋转方向、即在钻削期间用作旋转衬套的动力传递表面，并且相应地，凹槽6a的截面为弧形的部分6d沿着例如用于拧开螺丝的相反的旋转方向发生作用。相应地，钻柄凹槽3a的半圆形凹槽3a的截面为弧形的部分3c和3d用作动力接收表面。
图3c示意性地示出沿着如图2中所示的线A-A剖开的、图3b方案的可替代细节。在此情形中，设于旋转衬套6中的凹槽6a的形状如下，即该凹槽的截面弧超过180度。凹槽6a和滚珠8的尺寸确定为，使得面向钻柄3的凹槽6a中的开口的宽度W小于用作传递构件8的滚珠的直径D。于是，在安装期间，滚珠不能够从凹槽6a脱离。相应地，替代旋转衬套6的是，这种凹槽还可以设置在钻柄3中。
图4a和4b在线A-A处的局部截面中以与图3相同的方式示意性地示出本发明的一些其他实施例。
图4示出圆柱形辊子替代圆形滚珠用作滚动传递构件8的实施例。在该实施例中，凹槽3a和6a基本上是矩形的，并且滚动传递构件8、即圆柱形辊子沿着轴向横向于钻柄3和相应地旋转衬套6的旋转轴线安装。因此，辊子的圆形表面沿着凹槽3a和6a的、用作将旋转扭矩从旋转衬套传动到钻柄的动力传递表面和动力接收表面的侧面滚动。当然在该实施例中，辊子的端表面可以在某种程度上朝着任一个凹槽的底部滑动，但是因为无任何显著的作用力沿着该方向，即沿着径向方向传动，所以将不会发生任何显著的滑动摩擦，并且因此也不会出现任何显著的磨损。
图4b示出本发明的又一个实施例，其中具有弯曲表面的辊子用作滚动传递构件8，和相应地用作基本上滚动传递构件的形状的表面。在此情形中，滚动沿着弯曲表面进行，并且不会发生任何显著的滑动和相应的滑动摩擦。
图5a和5b是在截面中以与图3相同的方式示出的本发明的其他实施例的示意性前视图。在这些实施例中，钻柄3的外径大于旋转衬套6的内径。因此，钻柄和旋转衬套6这两者均包括凹槽3a和6a，所述凹槽的尺寸如此之大，以至于在钻柄的和相应旋转衬套的凹槽之间的部分、即突脊3e和6e配合在彼此的凹槽中。
图5a示出一种方案，其中钻柄3和旋转衬套6的凹槽3a和6a的尺寸确定为，使得在传递表面之间将存在用于传递构件8a和8b的空间。在该实施例中，在六个空间中存在传递构件，从而在传递构件8a和8b的任一侧上的传递表面均具有与传递构件8a或8b基本相等的高度。在该实施例中，利用三个传递构件组8a和8b，在钻削期间，并且相应地，当沿着相反方向进行旋转时发生从旋转衬套到钻柄的动力传递，由此一个传递构件组可以在相同的动力传递表面和动力接收表面之间包括一个或多个传递构件。因此，当沿着箭头B的方向发生旋转时，传递构件8a在钻削期间传动旋转扭矩。相应地，当钻杆向后旋转时，例如，当其被拆卸时，传递构件8b传递旋转扭矩。
图5b示出本发明的又一个实施例。该实施例在钻柄和旋转衬套之间仅在一侧上沿着旋转方向包括传递构件8，由此在正常钻削期间，即当沿着箭头B的方向发生旋转时，所述传递构件将旋转扭矩传动到钻柄3。当然，在拆卸钻杆时，沿着相反的方向发生旋转。整体上，与正常钻削所关联的旋转相比，这是比较不重要的，并且因此沿着相反方向的旋转可以采用图5b的方案，其中利用本质上已知的传统滑动表面3f和6f在拆卸阶段实现旋转扭矩从旋转衬套到钻柄的传动。
图6示出本发明的又一个实施例，示出如图2中那样沿着纵向方向剖开的岩钻的前端。这个实施例在所有的其他方面对应于图2，但是它示出也在钻柄3的、在冲击活塞7一侧上的端部处的第二肩台3g，由此旋转衬套不必需要肩台6b。可替代地，肩台可以仅处在旋转衬套6中。此外，该图示出的弹簧9，所述弹簧分别在钻柄3和旋转衬套6的滚珠和肩台3b和6b之间置于用作传递构件8的滚珠两侧上。在以如此方式安装时，所述弹簧朝向肩台3b和6b之间的空间的中心推动传递构件8。在仅钻柄或旋转衬套6包括肩台的情形中，弹簧当然仅分别置于钻柄3和旋转衬套的肩台与传递构件8之间。
本发明仅通过实例对以上说明和附图中进行描述，并且本发明绝不以任何方式限于此。根据需要，凹槽的数目可以改变，并且可以存在一个或多个凹槽。然而，因为对称性和紧密接触表面，有利的是，具有两对或三对动力传递表面和动力接收表面，且传递构件在所述表面之间滚动。当使用圆柱形或某种其它形状的传递构件且该传递构件具有确定的与形状相关的旋转轴线时，凹槽和表面可以相对于钻柄和旋转衬套的径向方向沿着周向方向倾斜，从而使得传递构件的轴被倾斜地设定。在本创造性思想的范围内，所阐述的各种实施例的细节可以被修改并且与其他实施例相结合地使用。

Claims (12)

1.一种用于以相对于旋转衬套(6)不可旋转但是可轴向移动的方式联接岩钻的钻柄(3)的联接装置，所述旋转衬套(6)在所述钻柄在所述岩钻中安装就位时围绕钻柄定位，并且所述旋转衬套旋转所述钻柄，在所述装置中，所述旋转衬套(6)关于旋转方向包括基本沿着旋转轴线的方向、横向于旋转方向和面向旋转方向的至少一个动力传递表面，并且相应地，所述钻柄包括基本沿着相同方向并且从所述动力传递表面面向旋转方向的、相等数目的动力接收表面，由此，旋转扭矩在旋转期间从所述旋转衬套(6)通过所述动力传递表面和动力接收表面被传递到所述钻柄(3)，其特征在于：所述装置在每一个动力传递表面与相应的动力接收表面之间包括动力传递构件(8；8a，8b)，当所述钻柄(3)沿其纵向方向相对于所述旋转衬套(6)移动时，所述传递构件沿着所述动力传递表面且相应地沿着所述动力接收表面旋转，并且所述旋转扭矩通过所述传递构件从所述动力传递表面被传递到所述动力接收表面。
2.根据权利要求1所述的联接装置，其特征在于：所述钻柄(3)和相应地，所述旋转衬套(6)沿着它们的纵向方向包括至少一个凹槽(3a，6a)，使得在所述钻柄(3)安装就位时，所述凹槽(3a，6a)相对准，且在所述凹槽中存在至少一个滚动传递构件(8；8a，8b)，所述滚动传递构件防止所述钻柄(3)和所述旋转衬套(6)相互旋转，并且来自所述旋转衬套(6)的旋转扭矩通过所述滚动传递构件影响所述钻柄(3)，使得当所述旋转衬套(6)旋转时所述钻柄(3)旋转，并且当所述钻柄向所述旋转衬套(6)纵向地移动时，所述传递构件(8；8a，8b)围绕横向于所述钻柄(3)的轴线旋转，从而使得所述传递构件分别沿着所述钻柄(3)和所述旋转衬套(6)中的所述凹槽(3a，6a)的表面滚动。
3.根据权利要求1所述的联接装置，其特征在于：所述钻柄(3)和相应地，所述旋转衬套(6)沿着它们的纵向方向设有至少一个凹槽(3a，6a)，使得所述凹槽中的每一个均包括突脊(3d，6d)，从而当所述钻柄(3)安装就位时，所述钻柄(3)的所述突脊(3d)延伸到所述旋转衬套(6)中的所述凹槽(6a)，并且相应地，所述旋转衬套(6)的所述突脊(6d)延伸到所述钻柄(3)中的所述凹槽(3a)；且所述动力传递表面和相应地，所述动力接收表面设置在所述凹槽(3a，6a)和所述突脊(3d，6d)的侧面上；并且所述滚动传递构件(8a)置于至少沿着所述岩钻的旋转方向的所述动力传递表面与所述钻柄(3)的相应的所述动力接收表面之间。
4.根据权利要求3所述的联接装置，其特征在于：所述滚动传递构件(8b)还置于与所述旋转衬套(6)的所述突脊相对的所述动力传递表面与所述钻柄(3)的相反旋转方向的所述动力接收表面之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的联接装置，其特征在于：所述滚动传递构件(8；8a，8b)是圆形滚珠，并且所述动力传递表面和相应地，所述动力接收表面具有基本圆弧形的截面。
6.根据权利要求2所述的联接装置，其特征在于：所述滚动传递构件(8；8a，8b)是圆形滚珠；并且所述动力传递表面和相应地，所述动力接收表面具有基本圆弧形的截面；并且分别在所述钻柄(3)和所述旋转衬套(6)中的所述凹槽(3a，6a)中的一个具有如下截面，即，所述一个凹槽的弧超过180度，并且所述一个凹槽的开口的宽度(W)小于所述滚珠的直径(D)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的联接装置，其特征在于：存在至少两个凹槽(3a，6a)，优选存在三个凹槽；并且所述凹槽分别对称地设置在所述钻柄(3)和所述旋转衬套(6)中。
8.根据权利要求1到4中任一项所述的联接装置，其特征在于：所述滚动传递构件(8；8a，8b)具有柱形的形状并且所述动力接收表面是基本平的。
9.根据权利要求1到4中任一项所述的联接装置，其特征在于：所述滚动传递构件(8；8a，8b)基本上是桶形的，并且所述动力传递表面和相应地，所述动力接收表面为基本上与所述滚动传递构件的走向面的弓形形状一致的弓形表面。
10.根据前述权利要求中任一项所述的联接装置，其特征在于：在每一个动力传递表面与相应地，动力接收表面之间存在多个滚动传递构件(8；8a，8b)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的联接装置，其特征在于：至少在所述旋转衬套(6)的前端处，所述钻柄(3)包括肩台(3b)，所述肩台(3b)防止所述滚动传递构件(8；8a，8b)从所述钻柄(3)与所述旋转衬套(6)之间移开，并且相应地，在冲击活塞(7)一侧上的所述旋转衬套(6)的端部处和/或在所述冲击活塞(7)一侧上的所述钻柄(3)的端部处存在肩台(6b；3f)，所述肩台(6b；3f)防止所述传递构件从所述钻柄(3)与所述旋转衬套(6)之间向着所述冲击活塞(7)一侧移开。
12.根据权利要求10所述的联接装置，其特征在于：在所述肩台(3b，6b；3b，3f)之间存在沿着所述钻柄的轴向方向的弹簧(9)，使得所述弹簧朝向所述肩台(3b，6b；3b，3f)之间的空间的中心推动所述传递构件(8；8a，8b)。
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