CN102174876B - 具有直列扩展翼的探孔钻孔装置以及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有直列扩展翼的探孔钻孔装置和其驱动方法。所述钻孔装置包括在探孔外壳内上下升降同时旋转的导向装置、扩大钻孔直径的扩展翼和与上述导向装置的下部结合冲击探孔的地面的导向钻头，其中形成在导向装置的下表面的螺旋凸部和形成在扩展翼的侧面的导向槽相互滑动结合，以及在导向钻头的侧面形成窗口以用于扩展翼的出入，从而它们能够从导向钻头的中心直线地扩展和退回。

Description

具有直列扩展翼的探孔钻孔装置以及其驱动方法
本申请是申请号为200580029643.8、申请日为2005年09月02日、发明名称为“具有直列扩展翼的探孔钻孔装置以及其驱动方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种具有直列扩展翼的探孔钻孔装置和其驱动方法。更详细地说，涉及一种根据包括由高压空气驱动的导向装置、扩展翼以及导向钻头的具有直列扩展翼的探孔钻孔装置，扩展翼被构造成以直列(In-line)方式推进和回退以扩展探孔的直径，从而防止在扩展翼返回的空间里堆积挖泥(sludge)，以及其驱动方法。
背景技术
一般，钻探孔时使用的震击钻头(Hammer bit)设备包括旋转装置、冲击装置以及钻孔装置。本发明涉及位于震击钻头设备的最下部的钻孔装置。钻孔装置根据用于扩展探孔直径的装置例如扩孔钻(reamer)或扩展刀片或者臂(arms)结构而被区分为偏心型、扩展型以及刀片扩展型。
如美国专利第4,770,259号(1988年9月13日公开)，偏心型钻孔装置包括钻柱(drill string)和连接在此钻柱下端部的切断器(cutting apparatus)。然后，切断器由在钻柱内旋转的中间部(intermediate portion)和外表面(outer surface)构成。另外，一个扩孔钻安装在上述中间部中从而扩孔钻(reamer)相对于中心轴偏心设置。因此，通过在偏心型钻孔装置中的偏心旋转上述扩孔钻扩展探孔直径。
然后，如日本专利公布第2710192号(1994年11月29日公开)所述，扩展型钻孔装置包括借助于气泵驱动的装置和安装在其远端的钻头装置，以及安装在上述装置和钻头装置之间的扩展刀片。上述扩展刀片在上端部通过销固定到所述装置，从而其可以在垂直方向倾斜地移动，并且钻头装置的上端部形成有倾斜面。因此扩展刀片的下端部被构造成当所述装置和钻头装置相互接近时，扩展刀片的下端部沿着钻头装置的倾斜面撑开。
并且，如美国专利第5,787,999号(1999年8月4日公开)所述，刀片扩展型钻孔装置包括驱动器(driver)、下扩孔钻臂(under-reamerarms)以及导向钻头，其中多个臂被构造成在借助于驱动器的旋转力从导向钻头到倾斜的方向旋转的同时进行突出和回退。
可是，相对于偏心型钻孔装置，因为扩孔钻偏心旋转，所以不能快速进行钻头作业，以及存在如下的问题，即在高负荷下中间部的连接部位易于破损。另外，相对于扩展型钻孔装置，由于扩展刀片被扩展成具有相对于同样长度方向的角运动，因此在高负荷下不能使用，并且固定销易于破损。
然后，与偏心型或扩展型钻孔装置相比，虽然刀片扩展型可以用于高负荷钻孔装置，但是存在如下问题，即在臂和导向钻头之间的接触部易于严重磨损，因此驱动器的旋转力强制展开臂的同时通过臂旋转导向钻头，以及固定臂的固定销经常破损。并且，挡钻头作业完毕之后臂返回原位时，在臂返回的空间里易于堆积挖泥(sludge)，于是会阻碍臂返回原位，从而从探孔外壳不能取出钻孔装置的情况。
发明内容
本发明为了解决上述传统冲击型探孔钻孔装置的问题，本发明的目的在于提供一种改进结构的探孔钻孔装置，其中其可进行高负荷以及高速钻头作业，易于展开以及返回扩展翼，由于在扩展翼空间里不堆积挖泥而作业效率优秀，大大减少维修管理费用。
为了实现这些目的，本发明提供具有以下特征的探孔钻孔装置以及其驱动方法，所述钻孔装置包括在外壳内上下升降同时旋转的导向装置、扩大钻孔直径的扩展翼和安装在上述导向装置的下部以冲击探孔的底面的导向钻头，其中形成在导向装置的下表面的螺旋凸部和形成在扩展翼的侧面的导向槽相互滑动结合，以及在导向钻头的侧面形成窗口以用于扩展翼的出入，从而它们能够从导向钻头的中心直线地扩展和退回。
本发明中，如上所述，术语“直列(In-line)”驱动方式是指扩展翼从导向钻头中心成直线地上相互远离，并且在成直线上地互接近返回复原的驱动方式。
本发明提供了一种具有直列扩展翼的探孔钻孔装置，包括：导向装置、用于扩展探孔的翼和导向钻头，
其中导向装置被构造成圆筒形结构，沿着其中心轴空气孔贯通导向装置，并且包括上轴部、活塞部和下轴部，
其中活塞部在其外圆周面上形成有多个挖泥排出槽；和下轴部在其下表面形成有螺旋凸部，所述螺旋凸部分别具有半径从中心逐渐增大的曲面，以及下轴部在其侧面形成保持凸部和销结合装置；
其中所述翼整体被构造为矩形结构，并且在其侧面形成有导向槽，用于与在导向装置下面的螺旋凸部的曲面滑动地结合；以及
其中导向钻头被构造成在其中接纳导向装置的下轴部和所述翼的凹形结构，导向钻头在其侧面形成有用于所述翼的出入窗口，在其内圆周面形成有保持台阶和销接合装置，用于通过保持突起限制导向装置的旋转，在其下表面形成有空气孔，以及在其外圆周面形成有多个挖泥排出槽。
另外，本发明提供了一种探孔钻孔装置的驱动方法，所述探孔钻孔装置包括导向装置、用于扩展探孔的翼和导向钻头，所述驱动方法包括步骤：
当在所述翼接纳在导向钻头内的状态下所述翼与导向装置整体旋转并下降并且导向钻头的底面冲击探孔的底面时，通过摩擦力抑制导向钻头的旋转；
当在抑制导向钻头的旋转状态下导向装置继续旋转时，通过形成在导向装置的下表面的螺旋凸部的运动，将所述翼从在导向钻头的侧面形成的翼出入窗口向外扩展，其中所述螺旋凸部的运动借助于导向装置的旋转力沿着在所述翼的侧面形成的导向槽在螺旋凸部的半径增大的方向进行；
当形成在导向装置的外圆周的保持凸部被在导向钻头的内圆周面上形成的保持台阶卡住时，在所述翼停止扩展之后，通过导向装置、所述翼和导向钻头的一体旋转进行探孔钻孔；
在展开所述翼的状态下导向装置逆向旋转并上升之后，通过当所述翼的上表面与外壳的靴接触时产生的摩擦力抑制扩展翼的旋转；
当在抑制所述翼旋转的状态下导向装置继续逆向旋转时，通过导向装置的螺旋凸部的运动，将所述翼返回到导向钻头的翼出入窗口内，其中所述螺旋凸部的运动借助于导向装置的旋转力沿着所述翼的导向槽在螺旋凸部的半径减小的方向进行；以及
当形成在导向装置的侧面的保持凸部接触到形成在导向钻头的内部的保持台阶时，在所述翼停止返回之后，在导向装置、所述翼和导向钻头一体旋转的同时使它们从外壳退出。
附图说明
图1是本发明探孔钻孔装置的结构的截面图；
图2是图1所示的导向装置100的结构图；
图3是图1所示的扩展翼200的结构图；
图4A是扩展翼200的平面图、以及图4B是沿着S-S线的扩展翼的截面图；
图5是图1所示的导向钻头300的结构图；
图6A是导向钻头300的平面图、图6B是沿着S-S线的导向钻头的截面图(B)以及图6C是沿着S’-S’线的导向钻头的截面图；
图7是根据本发明实施例的环形销结构图；
图8以及图9是本发明另一实施例的固定销的安装结构图；
图10以及图11是本发明直列驱动方法的说明图。
具体实施方式
以下，参照优选的实施例对本发明进行如下详细说明。
图1是显示了本发明探孔钻孔装置的结构的截面图。图2是图1所示的导向装置100的结构图。图3是图1所示的扩展翼200的结构图。图4A是扩展翼200的平面图以及图4B是沿着S-S线的扩展翼地截面图。图5是图1所示的导向钻头300的透视图。图6A是导向钻头300的平面图，图6B是沿着S-S线的导向钻头的截面图以及图6C是沿着S’-S’线的导向钻头的截面图。
如图1所示，本发明的探孔钻孔装置包括与冲击装置(未图示)结合的导向装置100、安装在导向装置100的下部而扩大探孔直径的扩展翼200、和在对地面钻孔的同时支撑上述扩展翼200的导向钻头300。在本发明实施例中，环形销400被构造成用于将上述导向装置100和导向钻头300相结合的销结合装置。
首先，如图2所示，导向装置100包括上轴部120、具有较小直径的下轴部130、和活塞部110，活塞部110的具有比上和下轴部大的较大直径。如图1所示，活塞部110被安装在外壳10内，同时保持彼此之间的小的间距，从而其进行操作以冲击安装在外壳10的下部的靴12的上端，以借此使外壳10进入探孔内。在活塞部110的外圆周面上形成多个挖泥排出槽30，用于从探孔中排出在钻孔过程中产生的泥土或石头等挖泥。如图1所示，沿着活塞部110的中心轴线形成空气孔20，同时该空气孔20贯通活塞部110、上轴部120以及下轴部130，用于沿着长度方向从外部供应高压空气。
上轴部120设置有形成在其外圆周面上的轴结合槽121，用于与冲击装置(未图示)相结合，其是钻孔装置的上部结构。在下轴部130的底部形成有带有曲面的螺旋凸部131，其中曲面的直径从中心逐渐增大，并且在下轴部130的外圆周上形成有保持凸部132。另外，在活塞部110紧下面，即下轴部130的上侧，沿着外圆周面形成有销槽133，环形销400与上述销槽相结合。
扩展翼200被构造成如图3以及图4所示的形状，在扩展翼的内侧形成有导向槽210，用于与导向装置100的螺旋凸部131相结合。另外，在扩展翼200的外侧上表面上形成有阶梯表面220，在扩展翼的下部拐角形成为倾斜面230。并且，多个由用特殊钢制造的按钮状尖端40被嵌入到倾斜面230上，以易于进行钻孔作业。
另一方面，如图5以及图6所示，导向钻头300被构造成圆筒形容器形状，并且上述导向装置100的下轴部130和上述扩展翼200被收纳在导向钻头300中。
导向钻头300的侧面形成有用于上述扩展翼200出入的矩形形状窗口310。从导向钻头300的内圆周面向内形成有保持台阶320，以对应于上述导向装置100的保持凸部132，并且在与上述下轴部130的销槽133对应的内圆周面的位置上形成有销槽330。销槽330通过销插入孔331与外部贯通连接。另外，在导向钻头300的下表面形成空气孔20，并且在导向钻头的外圆周面形成多个挖泥排出槽30，以及在导向钻头的下表面嵌入按钮状尖端40。
图7显示了是本发明实施例的环形销400的结构，其中多个弧形销410结合在一起形成一个圆。上述环形销400装配到形成在导向装置100的下轴部130的外圆周面的销槽133，和导向钻头300的内圆周面上限定的销槽330形成了销孔从而夹持导向装置100和导向钻头300。这时，上述每个弧形销410通过在导向钻头300的销槽330上形成的销插入孔331分别插入到销孔中。销插入孔331里插入销支撑件332，从而弧形销410不会从销孔中脱落。在螺钉孔333中结合螺钉(未图示)从而完成环形销的夹持。
同时，图8以及图9显示了本发明的不同的实施例，其中用于夹持导向装置100和导向钻头300的销结合装置包括固定销450和销支撑棒460，而不是环形销400。图8显示了扩展翼200和导向钻头300的纵截面图，图9显示了沿着图8的S-S线的截面图。如上述图所示，在导向钻头300的侧面倾斜地形成销插入孔350，并且在导向钻头的内圆周面形成销保持槽360。并且，从销插入孔350延伸的销插入孔135在导向装置100的下轴部130的上端倾斜地形成，并且在销插入孔135内形成有销接收槽136，以对应于销保持槽360。
为了组装根据本发明的实施例的探孔钻孔装置，首先将固定销450插入在导向装置100的销接收槽136中，将导向装置100插入到导向钻头300并且与之结合，以及随后将销支撑棒460通过上述销插入孔350强制推入到插入孔135内。在这样的状态下，销支撑棒460将固定销450往外推出从而其能够与导向钻头300的销保持槽360结合，以借此将导向装置100和导向钻头300相互夹持。
以下，说明根据本发明的探孔钻孔装置的直列驱动方法。图10以及图11是作为说明根据本发明的实施例在直线上并排布置的两个扩展翼200的钻孔装置的驱动原理的图示。
首先，如图10所示，在扩展翼200(粗虚线表示)被接收在导向钻头300(细实线表示)内的状态下，导向装置100(粗实线表示)顺时针方向旋转以便与导向钻头(300)一起下降。当导向钻头300的下表面开始冲击探孔的底面时，通过摩擦力将抑制导向钻头300的旋转，并且如果在此状态下导向装置100继续旋转，螺旋凸部131(画点部分表示)沿着扩展翼200的导向槽210(反向斜线部分表示)在半径加大的方向旋转，以便将扩展翼200扩张和伸展到翼出入窗口310的外侧。这时，扩展翼200通过所述出入窗口310远离导向钻头300的中心在直线方向展开和延伸。
接着，如图11所示，当导向装置100的保持凸部132接触到导向钻头300的保持台阶320(斜线部分表示)时，扩展翼200停止展开，并且导向装置100的旋转力直接传送到导向钻头300自身，以整体地旋转导向装置100、扩展翼200和导向钻头300从而进行钻孔作业。在钻孔作业中产生石头、沙子等挖泥通过空气孔20供给的压缩空气，通过挖泥排出槽30往外排出。
同时，用于探孔的扩展翼200的返回过程是在导向装置100逆旋转以及上升时开始进行。换句话说，如图11所示，当在扩展翼200展开的状态下导向装置100按逆时针方向旋转并上升时，扩展翼200的阶梯表面220接触到在外壳10中的靴12的下端。通过摩擦力抑制用于探孔的扩展翼200的旋转。在此状态下，如果导向装置100继续逆向旋转，螺旋凸部131(画点部分表示)沿着扩展翼200的导向槽210(反向斜线部分表示)在缩小半径的方向上移动，以借此将扩展翼200返回到导向钻头300的翼出入窗口310内。这时，扩展翼200通过用于翼的出入窗口310向导向钻头300中心在直线方向相互靠近返回。
当导向装置100逆向旋转以接触到导向钻头300的保持台阶320(斜线部分表示)时，如图10所示，扩展翼200返回完成，并且导向装置100、扩展翼200和导向钻头300一起旋转并从外壳10退出。
在本发明中，如上述实施例优选在两侧设置两个扩展翼200，但是根据需要可设置三个扩展翼200。扩展翼200为三个时，驱动原理基本与两个的情况相同。只是，为了对应三个扩展翼200，把导向装置100的螺旋凸部131和导向钻头300的翼出入窗口310分别形成三个。
以上说明了本发明的实施例，但是本发明并不限定于这些实施例。直接适用本发明技术思想的范围内，本发明的技术领域的普通技术人员可试图各种设计变更。但是，这些设计变更都属于本发明的保护范围内。
工业应用性
如上所述，根据本发明的探孔钻孔装置，因此扩展翼以直列方式出入，所以可实现高负荷和高速钻孔作业，尤其是，在扩展翼的出入的位置上不堆积挖泥。
另外，考虑到传统钻孔装置因挖泥的堆积经常停止作业或发生故障的，因而本发明大大缩短钻探孔所需的作业周期。
特别是，当在扩展翼之间堆积挖泥而扩展翼不能正常返回时，从探孔不能取出整个钻孔装置而要抛弃的情况也会发生。由此，根据本发明，可实现节约由于设备损失而造成的费用的效果。

Claims (4)

1.一种具有直列扩展翼的探孔钻孔装置，包括：导向装置、用于扩展探孔的翼和导向钻头，
其中导向装置被构造成圆筒形结构，沿着其中心轴空气孔贯通导向装置，并且包括上轴部、活塞部和下轴部，
其中活塞部在其外圆周面上形成有多个挖泥排出槽；和下轴部在其下表面形成有螺旋凸部，所述螺旋凸部分别具有半径从中心逐渐增大的曲面，以及下轴部在其侧面形成保持凸部和销结合装置；
其中所述翼整体被构造为矩形结构，并且在其侧面形成有导向槽，用于与在导向装置下面的螺旋凸部的曲面滑动地结合；以及
其中导向钻头被构造成在其中接纳导向装置的下轴部和所述翼的凹形结构，导向钻头在其侧面形成有用于所述翼的出入窗口，在其内圆周面形成有保持台阶和销结合装置，用于通过所述保持凸部限制导向装置的旋转，在其下表面形成有空气孔，以及在其外圆周面形成有多个挖泥排出槽；
销结合装置包括销槽和环形销，每个销槽形成在沿着导向装置的下轴部的外圆周面和导向钻头的内圆周面相互对应的位置上，环形销由插入在销槽中的多个弧形销构成。
2.一种具有直列扩展翼的探孔钻孔装置，包括：导向装置、用于扩展探孔的翼和导向钻头，
其中导向装置被构造成圆筒形结构，沿着其中心轴空气孔贯通导向装置，并且包括上轴部、活塞部和下轴部，
其中活塞部在其外圆周面上形成有多个挖泥排出槽；和下轴部在其下表面形成有螺旋凸部，所述螺旋凸部分别具有半径从中心逐渐增大的曲面，以及下轴部在其侧面形成保持凸部和销结合装置；
其中所述翼整体被构造为矩形结构，并且在其侧面形成有导向槽，用于与在导向装置下面的螺旋凸部的曲面滑动地结合；以及
其中导向钻头被构造成在其中接纳导向装置的下轴部和所述翼的凹形结构，导向钻头在其侧面形成有用于所述翼的出入窗口，在其内圆周面形成有保持台阶和销结合装置，用于通过所述保持凸部限制导向装置的旋转，在其下表面形成有空气孔，以及在其外圆周面形成有多个挖泥排出槽；
销结合装置包括在导向钻头的侧面倾斜形成的插入孔、在导向钻头的内圆周面形成的销保持槽、形成在导向装置中的下轴部的上端以从导向钻头的插入孔延伸的插入孔、形成在导向装置的插入孔内部以对应于销保持槽的销接收槽、与导向装置的销接收槽和导向钻头的销保持槽相接合的固定销以及插入在导向钻头和导向装置的插入孔中的销支撑棒。
3.根据权利要求1或2的探孔钻孔装置，其特征在于，所述翼在数量上设置为两个或者三个。
4.一种探孔钻孔装置的驱动方法，所述探孔钻孔装置包括导向装置、用于扩展探孔的翼和导向钻头，所述驱动方法包括步骤：
当在所述翼接纳在导向钻头内的状态下所述翼与导向装置整体旋转并下降并且导向钻头的底面冲击探孔的底面时，通过摩擦力抑制导向钻头的旋转；
当在抑制导向钻头的旋转状态下导向装置继续旋转时，通过形成在导向装置的下表面的螺旋凸部的运动，将所述翼从在导向钻头的侧面形成的翼出入窗口向外扩展，其中所述螺旋凸部的运动借助于导向装置的旋转力、沿着在所述翼的侧面形成的导向槽、在螺旋凸部的半径增大的方向进行；
当形成在导向装置的外圆周的保持凸部被在导向钻头的内圆周面上形成的保持台阶卡住时，在所述翼停止扩展之后，通过导向装置、所述翼和导向钻头的一体旋转进行探孔钻孔；
在展开所述翼的状态下导向装置逆向旋转并上升之后，通过当所述翼的上表面与外壳的靴接触时产生的摩擦力抑制扩展翼的旋转；
当在抑制所述翼旋转的状态下导向装置继续逆向旋转时，通过导向装置的螺旋凸部的运动，将所述翼返回到导向钻头的翼出入窗口内，其中所述螺旋凸部的运动借助于导向装置的旋转力、沿着所述翼的导向槽、在螺旋凸部的半径减小的方向进行；以及
当形成在导向装置的侧面的保持凸部接触到形成在导向钻头的内部的保持台阶时，在所述翼停止返回之后，在导向装置、所述翼和导向钻头一体旋转的同时使它们从外壳退出。
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