CN101871326B - 钻杆装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻杆装置，该钻杆装置具有：内杆和至少一个外杆，其中，该内杆相对于至少一个外杆以可轴向移动但旋转固定的方式布置；以及，弹簧机构，其布置于内杆的下部区域中用于缓冲内杆相对于至少一个外杆的轴向移动。根据本发明，提供了将被设计为弹性体弹簧的弹簧机构。

Description

钻杆装置

技术领域

本发明涉及一种钻杆装置(Kelly bar arrangement)。这种类型的钻杆装置被设计成具有内杆和至少一个外杆，其中内杆被布置成相对于至少一个外杆可在轴向但以旋转固定的方式移动，且还具有弹簧机构，其布置于内杆的下部区域中用于缓冲内杆相对于至少一个外杆的轴向移动。

背景技术

这种伸缩的钻杆装置可用于所谓的钻杆钻进(Kelly drilling)中，其是例如用于产生建筑物基桩的最灵活的技术之一。为此目的，伸缩的钻进棒(drilling rod)(所谓的钻棒(Kelly rod))布置于钻进设备的旋转驱动装置上。该钻棒包括一个位于另一个内部的若干管状钻杆。最内部的钻杆悬挂于钻进设备的绳上，且可利用这个绳上下移动。因此，钻棒是伸缩的。在最内部钻杆的底部紧固钻进工具。通过位于各个钻杆管的外表面上的竖直条带和相应邻接钻杆上的相对应的竖直驱动凹槽，扭矩和因此的旋转移动从一个钻杆传输到在每种情况下邻接的钻杆。以此方式，旋转移动从旋转驱动装置传输到钻孔中的钻进工具。

除了传输旋转移动之外，所谓的“可锁定的钻棒”也允许从旋转驱动装置传输竖直力，旋转驱动装置经由位于钻进设备的钻塔上的托架上下移动到钻进工具上，以便产生移除土壤所需的接触压力。为此，锁定腔以特定间隔安装于各个钻杆上。

例如从EP 1 445 418 A1已知这种钻棒。从JP 2004-278170已知另一钻棒装置。

为了能使延伸的钻棒再次缩回，支撑凸缘设于钻棒的内杆上。当利用钻进工具的绳再次向上拉内杆时，位于更外部的杆搁置于这个支撑凸缘上且随后也被向上拉。可在支撑凸缘上设有带螺旋弹簧的弹簧机构，以便在棒缩回期间缓冲邻接的钻杆元件的冲击。这种弹簧元件例如在EP 0 798 444 A1、JP 2-256788、JP 6-185283和JP 2003-278474中描述。根据EP 0 798 444 A1、JP 6-185283和JP 2003-278474，额外阻尼主体可设于弹簧机构上方。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻杆装置，其虽然具有特别简单构造，但可以特定可靠方式且特别地以低噪声水平操作。

这个目的由一种钻杆装置来解决，该钻杆装置具有：内杆和至少一个外杆的，其中，所述内杆相对于所述至少一个外杆以可轴向移动但旋转固定的方式布置；以及，弹簧机构，布置于所述内杆的下部区域中用于缓冲所述内杆相对于所述至少一个外杆的轴向移动。其中，所述弹簧机构被设计为弹性体弹簧。

本发明的基本构思可见于以下事实，作为已知螺旋弹簧的替代，弹性体弹簧设于内杆下端。这种弹性体弹簧也可被称作橡胶弹簧，通常具有弹性体材料制成的主体，例如天然橡胶或合成橡胶。由于弹性体材料的内部摩擦，这种弹性体弹簧除了弹簧效果外还具有阻尼效果。由于这种阻尼效果，利用根据本发明的弹簧机构不仅能缓冲而且也至少部分地吸收内杆上发生的冲击。因此可防止在钻杆上发生的任何不良振动且可减小作用于钻杆装置上的负载。此外，利用弹簧体弹簧，也可达成特别好的噪声阻尼。由于根据本发明弹簧机构不仅用作弹簧元件而且也用作阻尼元件起到双重作用的事实，根据本发明可省掉任何额外阻尼元件，根据现有技术，提供任何额外阻尼元件作为弹簧机构的补充。但是，如果要进一步改进阻尼，根据本发明一般也能提供这种额外阻尼元件。

根据本发明，也可被称作内钻杆的内杆布置于外杆内部径向至少某些区域使得提供伸缩布置。对于特别大的钻进深度，根据本发明也可提供在一个在另一个内部伸缩地布置的若干外杆。有利地，各个杆同轴布置。至于结合本发明对轴向和径向的提及，这特别地参考各个杆的纵向轴线。

为了确保杆相对于彼此可轴向移动且旋转固定的布置，驱动条带和/或驱动凹槽可设于杆上，这确保扭矩传输伴有轴向移位能力。这在圆形杆截面的情况下是特别有利的。在原则上，也可由(例如)多边形，更特别地由正方形杆截面来确保旋转固定但可轴向移动的布置。为了能容纳位于更内部的杆，有利地至少一个外杆具有中空，即管状设计。出于重量节省的原因，内杆也合适地具有管状设计。但，为了特别好地接受力，其也可至少在某些区域中是实心的。

上面布置有弹簧机构的下部区域可特别地理解为内杆从至少一个外杆突伸和/或布置用于钻进工具的紧固机构的区域，即，在利用竖直钻杆装置进行钻进操作期间位于底部的区域。

特别优选的是弹性体弹簧具有若干弹性体弹簧元件。根据本发明的这个方面，弹性体弹簧包括若干单独的弹性体弹簧元件。因此，可以特别简单的方式获得特别耐负载的弹性体弹簧，其特别地具体地适应相应钻杆装置的要求。

而且，优选地弹性体弹簧元件在轴向串联布置。根据此实施例，可提供弹性体弹簧元件的组件，其沿着钻杆的纵向轴线一个布置于另一个的顶部。通过串联布置，可达成特别好的阻尼，因为由于串联布置使阻尼效果加倍。

特别有用的是弹性体弹簧元件具有环形设计。这使得弹性体弹簧元件能以特别容易的方式滑到内杆上。最好，环形弹性体弹簧元件布置于内杆的外表面上，优选地与内杆同轴。

此外，优选地环形弹性体弹簧元件具有向外弯曲弧形。特别地，径向突伸的弧形可已提供在弹簧元件的未加载状态使得在负载施加时，可发生定向弹簧压缩以及弧形加宽。在弹性体弹簧元件环的内侧上，凹槽可形成于弹性体弹簧元件中与弧形齐平。

本发明的另一优选实施例在于以下事实：提供至少两个弹性体弹簧元件，其经由中间支承环(bearing ring)连接到彼此。这种中间支承环可防止弹性体弹簧元件之间的摩擦和因此的弹性体弹簧元件的不良磨损。为了保持生产中涉及的工件(work)特别低，有利地使中间支承环具有板形设计。最好，提供三个或三个以上的弹性体弹簧元件，且邻接的弹性体弹簧元件经由它们自己的中间支承环连接到彼此。

根据本发明，有利地中间支承环具有轴向突伸的连接元件，其穿入邻接的弹性体弹簧元件。这些连接元件可被设计成(例如)突出件(knobs)。利用这种穿入弹性体的连接元件，能以有利方式实现各个弹性体弹簧元件的相互引导，其也可被称作弹性体缓冲件。

有利地，至少一个中间支承环由金属制成，特别是由钢制成。因此，给出特别高的承载能力。

关于在生产中涉及的工件和承载能力，还有利地，突伸连接元件被整体地(in one piece)设计在中间支承环上，特别地通过金属成形。举例而言，连接元件可成形为钢板上的卷边或深拉突出件。

给出一种从构造观点而言特别简单且特别可靠的布置，其中环形支承圈(bearing collar)以轴向固定方式设于内杆上，其中提供环形支撑凸缘用于至少一个杆，其可相对于内杆在轴向调整且在轴向支撑于支承圈上方，特别是在内杆上，且其中被设计成弹性体弹簧的弹簧机构布置于轴向固定的支承圈与可轴向调整的支撑凸缘之间。可轴向调整的支撑凸缘可用作驱动器，当向上拉内杆时，其带动至少邻接的外杆且因此造成钻杆装置伸缩缩回。此外，支撑凸缘也可形成用于最外部外杆的挡止件，当钻杆缩回时，其将内杆固定于最外部外杆上。布置于环形支撑凸缘与支承圈之间的弹簧机构缓冲支撑凸缘与内杆之间的冲击和因此的外杆与内杆之间的冲击。由于根据该实施例弹性体弹簧在轴向布置于支撑凸缘与支承圈之间的事实，弹性体部件受到支撑凸缘的保护而防止与至少一个外杆接触，由此对抗不良磨损。

此外，有利地，根据本发明，在内杆下端，布置用于工具(特别是钻进工具)的紧固机构。紧固机构可具有(例如)外部多边形轮廓，特别是外部正方形，例如所谓的方钻杆(Kelly square)。

为了能提升内杆和因此使钻杆装置以特别简单方式向内伸缩，还优选地在内杆上端布置用于起重机构(特别是绳)的紧固机构。紧固机构具有(例如)孔眼。

为了特别容易地进行扭矩传输，还有利地在径向外部的外杆的上端布置用于钻进驱动装置的紧固机构。

特别地关于阻尼性质，有利地，弹性体弹簧元件由具有高内部摩擦的弹性体材料形成，特别是橡胶混合物(rubber mixture)。

附图说明

在下文中利用在附图中示意性地示出的优选实施例更详细地解释本发明，在附图中示出：

图1是根据本发明沿着带有弹簧机构的钻杆装置的钻杆的纵向轴线的纵向截面图；

图2是图1的弹簧机构的透视详细图；

图3是图1的弹簧机构的详细纵向截面图；

图4是图1至图3的弹簧机构的中间支承环的顶视图；

图5是根据本发明的钻杆装置的另一实施例带有弹簧机构的内杆的下部区域的侧视图；

图6是根据图5的内杆的下部区域的透视图；以及

图7是图5和图6的内杆的下部区域的纵向截面图。

具体实施方式

在图1中示出根据本发明的钻杆装置的实施例。钻杆装置具有三个管状外杆5’、5”和5”’以及另一管状内杆4。各个杆4和5’至5”’同轴地一个在另一个内部且以伸缩方式布置。其中，外杆5”’构成在径向位于最外部的杆。在这个外杆5”’内，以邻接方式提供外杆5”且在外杆5”中外杆5’又以邻接方式布置。最后，在外杆5’内以邻接方式提供内杆4。

为了在被设计成具有圆形截面的各个杆4与5之间进行扭矩传输，提供驱动条带61，驱动条带61仅示意性地示出，其在轴向在各个杆4和/或5上延伸。为了传输轴向力(即，为了暂时轴向锁定各个杆4和5)，提供锁定腔62(仅示意性地示出)，当在轴向观察时，锁定腔62处于不同高度(different level)。

在最外部外杆5”’的上端，当在轴向观察时，在最外部外杆5”’上提供用于钻进驱动装置的紧固机构51，其在附图中未描绘出。这种紧固机构具有凸缘形设计以防止最外部的外杆5”’通过钻进驱动装置的中空轴杆滑移。在最外部外杆5”’上的紧固机构51的区域，还可提供用于形式锁定(form-locking)从钻进驱动装置到外杆5”’的扭矩传输的机构。

在下部区域中，当在轴向观察时，内杆4具有延伸部40，延伸部40甚至在缩回状态从外杆5’、5”和5”’向下突伸。延伸部40也可为管状或甚至具有实心设计。在内杆4的延伸部40的下端布置用于钻进工具(在图中未示出)的紧固机构49，在此情况下，这个紧固机构49被设计成带有固持孔的外部正方形轮廓。在位于轴向相对处的内杆4上端，在内杆4上提供具有孔眼的用于起重绳的紧固机构48。

内杆4在其下端(即，在其延伸部40上)具有环形支承圈42，环形支承圈42从内杆4在径向突伸。在这个支承圈上方，提供支撑凸缘41，其以环形方式包围内杆4。这个支撑凸缘41构成外杆5’、5”和5”’的挡止件。虽然支承圈42以轴向固定的方式设于内杆4上，但支撑凸缘41相对于内杆4以可轴向移动的方式支撑于内杆4上。在支撑凸缘41与支承圈42之间提供根据本发明的弹簧机构1，其以环形方式包围内杆4。利用这种弹簧机构1，相对于固定支承圈42缓冲可移动的支撑凸缘41，弹簧机构1在下文中结合图2至图4更详细地解释。

在钻杆装置操作期间，经由在紧固机构51区域中的钻进驱动装置(此处未图示)将扭矩施加到位于最外部的外杆5”’上。扭矩经由驱动条带61连续地传递到位于更内部的外杆5”和5’且最后到内杆4，内杆4又经由紧固机构49传输扭矩到钻进工具(此处未图示)。如果钻杆装置将在轴向延伸，通过下放起重绳来降低内杆4，起重绳紧固于紧固机构48上。通过这样做，各个杆4、5以伸缩方式连续地延伸。

为了缩回钻杆装置，由紧固机构48上的起重绳提升内杆4。这样做使内杆4上的支撑凸缘41连续地首先搁靠在外杆5’下端且然后搁靠在外杆5”下端且从而在向上方向中带动这些外杆5’和5”。一旦支撑凸缘41搁靠在最外部外杆5”’的下端上就完成缩回过程。

当内杆4的支撑凸缘41搁靠在外杆5’、5”或5”’上时，在支撑凸缘41中出现轴向向下导向的冲击力。这些力经由弹簧机构1相对于支承圈42和因此的内杆4被缓冲。

如在图2至图4中特别地示出的那样，内杆4的环形弹簧机构1被设计为弹性体弹簧。在图示的实施例中，其具有三个单独的弹性体弹簧元件10’、10”、10”’，它们布置成在轴向一个在另一个上方的弹簧组件。如在图3中特别地描绘的那样，各个弹性体弹簧元件10’、10”、10”’各具有相同形状，且最好也具有相同材料。如图3所示，在特别地弹性体弹簧元件10’的实例中，这些弹性体弹簧元件10具有环形设计且在外表面上在径向向外的方向中提供环形凸出，其在纵向部段中形成弧形14。在弹性体弹簧元件10的环的相对定位的内侧上与弧形14齐平地提供环形凹槽15。因此，弹性体弹簧元件10具有径向向外导向的弓形，其能在弹簧机构1压缩期间径向向外扩展。

如在图1、图2和图3中特别地示出的那样，各个弹性体弹簧元件10在轴向方向上由板形中间支承环21分开，板形中间支承环21以环形方式包围内杆4。在弹性体弹簧元件10’与10”之间提供第一中间支承环21’且在弹性体弹簧元件10”与10”’之间提供第二中间支承环21”，在此情况下，中间支承环21’与21”具有基本上相同的设计。

在弹簧机构1的相对端部(即，在最下方弹性体弹簧元件10’的底部和在最上方弹性体弹簧元件10”’的顶部)，分别提供端部支承环26’与26”。弹簧机构1经由端部支承环26’搁靠在支承圈42上且其经由端部支承环26”搁靠在支撑凸缘41上。

如在图4中特别地描绘但也在图2和图3中描绘的那样，中间支承环21各具有在轴向从中间支承环21突伸的若干突出形(knob-shaped)连接元件22。这些连接元件22优选地被设计成与中间支承环21成整体，且可(例如)通过卷边或拉伸成形，其适当地在引入适当的孔之后发生。连接元件22接合到邻接的弹性体弹簧元件10内且相对于中间支承环21固定这些邻接的弹性体弹簧元件10。如图4中特别地示出的那样，沿着中间支承环21的圆周以交替方式提供向上突伸的连接元件22’和向下突伸的连接元件22”，它们分别接合到下一上部弹性体弹簧元件10和下一下部弹性体弹簧元件10内。

如在图2和图3中特别地示出的那样，端部支承环26还具有连接元件27，其从端部支承环26在轴向突伸且被设计成类似于连接元件22。由于与中间支承环21相比，在端部支承环26上未在两个轴向侧而是在仅一侧提供弹性体弹簧元件10的事实，在端部支承环26的情况下，连接元件27仅需要设于一个轴向侧上，而在中间支承环21的情况下，在两个相对的轴向侧上需要连接元件22’、22”。因此，在端部支承环26的情况下，总体上比在中间支承环21的情况下提供更少的连接元件27。

在弹簧机构操作期间，轴向力经由端部支承环26引入到弹性体弹簧元件10上。当内杆4由其支撑凸缘41撞击外杆5时产生的这些轴向力不仅由弹性体弹簧元件10缓冲而且也由弹性体弹簧元件10阻尼。中间支承环21使各个弹性体弹簧元件10彼此分开，防止各个弹性体弹簧元件10之间的摩擦和因此的不良磨损。同时，连接元件22和27确保各个弹性体弹簧元件10和环21和26相对于彼此保持在限定的位置。在弹簧压缩期间，各个弹性体弹簧元件10在轴向压缩。这伴有径向扩展，其表现为弧形14的径向加宽。

在图5至图7中示出根据本发明的钻杆装置的另一实施例。为了清楚起见，仅在这些图中示出内杆4的下部区域，而省略了外杆。这些可类似于图1的实施例布置。在图5至图7的实施例中采用的弹簧元件1对应于图1至图4的弹簧元件1，因此将不再详细地解释。

在图5至图7中利用相同的附图标记来标注具有与先前实施例相同作用的元件。

如在图7中特别地示出的那样，在图5至图7的实施例中，内杆4具有上部管46和自上部管46继续下来的部分实心的延伸部40。在到上部管46的连接区域45中，延伸部40被设计成具有与上部管46相同的直径且具有内孔。在延伸部40的相对端部，提供用于钻进工具的紧固机构49，其上面的延伸部40是实心的。在连接区域45与紧固机构49之间，形成环形台阶44，在环形台阶44上延伸部40朝向紧固机构49渐缩。

另外如图7所示，根据图5至图7的实施例，支承圈42布置于套筒43下端，套筒43包围内杆4。特别地，套筒43在延伸部40的区域和在上部管46的区域中延伸。其中，支承圈42被布置成使得其与延伸部40的台阶44对准。带有弹性体弹簧元件10的弹簧机构1滑动到套筒43上，即，当在轴向观察时，带有弹性体弹簧元件10的弹簧机构1位于与套筒43齐平处。

根据图5至图7的实施例，在弹簧机构1与支承圈42之间(即在支承圈42上方)布置间隔环71，由于其位置，间隔环71也包围套筒43。弹簧机构1由端部支承环26’搁置在这个间隔环71上。间隔环71可由金属制成，例如钢。但为了进一步改进阻尼性质，间隔环1可基本上也由阻尼材料制成，例如，弹性体材料。有利地，间隔环71被设计成圆柱形环的形状。

另外如在图7中特别地示出的那样，图5至图7的实施例的支撑凸缘41相对于套筒43偏移，即，其以可轴向移位的方式支撑于内杆4的上部管46上的套筒43上方。如在图7中特别地描绘，支撑凸缘41具有若干功能部段。更特别地，提供环形引导部段31，其中支撑凸缘41搁靠在内杆4上且其中支撑凸缘41引导于内杆4上。同时引导部段31构成挡止件用于带动外杆(在图5至图7中未示出)。在环形引导部段31的下侧上，提供环形促动部段32。这个促动部段32与内杆4间隔开。在促动部段32，支撑凸缘41搁置于弹簧机构1上，特别地搁置于上端支承环26”上。

支撑凸缘41具有凹槽34，凹槽34对应于内杆4上的驱动条带61。这些凹槽61在轴向延伸且布置于引导部段31中，这些凹槽61确保了支撑凸缘41在内杆4上的形式锁定引导(form-lockingguidance)，且防止支撑凸缘41在内杆4上扭转。出于相同的原因，也可在套筒43上提供轴向延伸的凹槽，其与驱动条带61相对应。

如在图6中特别地示出的那样，在支承圈42中，还提供轴向延伸的凹槽78，其可(例如)用于旋转固定该紧固机构49。

Claims (11)

1.一种钻杆装置，具有内杆和至少一个外杆，其中，所述内杆相对于所述至少一个外杆以可轴向移动但旋转固定的方式布置，以及

弹簧机构，布置于所述内杆的下部区域中用于缓冲所述内杆相对于所述至少一个外杆的轴向移动，

其中，所述弹簧机构被设计为弹性体弹簧，所述弹性体弹簧具有若干弹性体弹簧元件，

提供经由中间支承环连接到彼此的至少两个弹性体弹簧元件，以及

所述中间支承环具有沿轴向突伸的连接元件，所述突伸的连接元件穿入邻接的弹性体弹簧元件。

2.根据权利要求1所述的钻杆装置，其特征在于，所述弹性体弹簧元件在轴向上串联布置。

3.根据权利要求1所述的钻杆装置，其特征在于，所述弹性体弹簧元件具有带向外弯曲弧形的环形设计。

4.根据权利要求1所述的钻杆装置，其特征在于，

所述中间支承环由金属制成，并且

所述突伸的连接元件通过金属成形整体地被设计在所述中间支承环上。

5.根据权利要求1所述的钻杆装置，其特征在于，

环形支承圈以轴向固定方式设于所述内杆上；

提供环形支撑凸缘用于所述至少一个外杆，所述环形支撑凸缘可相对于所述内杆在轴向调整且在轴向支撑于所述环形支承圈上方，并且

设计为弹性体弹簧的所述弹簧机构布置于轴向固定的所述环形支承圈与可轴向调整的所述环形支撑凸缘之间。

6.根据权利要求1所述的钻杆装置，其特征在于， 

在所述内杆的下端，布置用于工具的紧固机构，并且

在所述内杆的上端，布置用于起重机构的紧固机构。

7.根据权利要求6所述的钻杆装置，其特征在于，所述工具是钻进工具。

8.根据权利要求6所述的钻杆装置，其特征在于，所述起重机构是绳。

9.根据权利要求1所述的钻杆装置，其特征在于，在径向外部的外杆的上端布置用于钻进驱动装置的紧固机构。

10.根据权利要求1所述的钻杆装置，其特征在于，所述弹性体弹簧元件由具有高内部摩擦的弹性体材料形成。

11.根据权利要求10所述的钻杆装置，其特征在于，所述弹性体弹簧元件由橡胶混合物形成。 

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