CN102720451B - 立轴式钻机自动拧管机的冲扣机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种立轴式钻机自动拧管机的冲扣机构，所述自动拧管机包括拧卸机构、夹持机构以及一冲扣机构；所述拧卸机构包括一用于带动上段钻杆旋转的大齿轮；所述冲扣机构包括一直线油缸、一杠杆、至少一弹性棘爪装置；所述杠杆包括一体设置的连接部和环形旋转部，连接部连接所述直线油缸的直线活塞，环形旋转部与所述大齿轮相邻同轴设置，且所述弹性棘爪装置设于环形旋转部与大齿轮之间，且所述弹性棘爪装置在一状态下将环形旋转部与大齿轮连接为一体，并在另一状态下将环形旋转部与大齿轮松开。本发明结构简单合理，冲击力大，且占地面积小，且能耗小。

Description

立轴式钻机自动拧管机的冲扣机构

【技术领域】

本发明涉及一种立轴式钻机的自动拧管机，特别涉及一种立轴式钻机自动拧管机的冲扣机构。

【背景技术】

立轴式钻机是地质钻探中常用的一种回转式钻机。这种钻机的回转机构有一段较长的立轴(1米左右),用其带动钻具回转、实现给进并导正钻具,故名立轴式钻机。它可以在各种硬度的岩石中钻垂直孔和一定范围的倾斜孔。在钻进浅孔和斜孔时，立轴的导正作用尤为显著。

拧管机是在地质钻探的起下钻具时，用于拧卸钻杆的一种机械。它可代替人力拧卸钻杆，减轻工人劳动强度，提高升降工作效率。按传动方式，拧管机分液压传动和机械传动两种，中国普遍使用的是液压拧管机。

目前针对拧管机的研发也有不少，如在2011-07-06公开的，申请号为201020635083.9的中国实用新型，揭示了一种用于钻杆拧卸的液压拧管机,其主要包括上钳体、下钳体和吊钳三部分。其中下钳体固定在孔口,用于夹持孔内钻杆,防止落杆事件发生;上钳体是拧管机的主体部分,用于实现上部钻杆的大扭矩拧卸扣,作用是夹紧钻杆和拧卸钻杆;吊钳主要用于拧管机的让开孔口,从而减小钻井平台的面积,减少钻探成本。该液压拧管机通过上钳和下钳来充当冲扣机构，虽然能提供较大的冲扣力，但整个液压拧管机占地面积很大。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题，在于提供一种立轴式钻机自动拧管机的冲扣机构，结构简单合理，冲击力大，且占地面积小，且能耗小。

本发明是这样实现的：一种立轴式钻机自动拧管机的冲扣机构，所述自动拧管机包括一用于拧卸上段钻杆的拧卸机构、一用于夹持下段钻杆的夹持机构以及一为拧卸机构提供瞬时冲力的冲扣机构；所述拧卸机构包括一用于带动上段钻杆旋转的大齿轮；所述冲扣机构包括一直线油缸、一杠杆、至少一弹性棘爪装置；所述杠杆包括一体设置的连接部和环形旋转部，连接部连接所述直线油缸的直线活塞，环形旋转部与所述大齿轮相邻同轴设置，且所述弹性棘爪装置设于环形旋转部与大齿轮之间，且所述弹性棘爪装置在一状态下将环形旋转部与大齿轮连接为一体，并在另一状态下将环形旋转部与大齿轮松开。

较佳的，所述弹性棘爪装置进一步包括一棘爪、一第二压缩弹簧；所述杠杆的环形旋转部设在所述大齿轮的底部，且所述大齿轮上设有至少一凹槽，所述第二压缩弹簧的上端固定连接于所述凹槽的底部，下端连接棘爪，所述环形旋转部的上端面环形布设有复数个棘孔，所述棘爪在直线油缸的直线活塞前进的状态下轴向插入其中一所述棘孔，并在直线活塞后退的状态下退出所述棘孔。所述棘爪的上端为调节端，下端具有一滑行面，所述调节端轴向设有两开口槽，所述滑行面具有一高端及一低端；所述弹性棘爪装置还包括棘爪调向机构，所述棘爪调向机构包括一作为所述凹槽底板的调向压盖和一紧固螺钉，所述第二压缩弹簧的上端固定连接在该调向压盖上，所述调向压盖上设有至少一第一螺孔；且所述调向压盖的上表面设有一直槽，下表面轴向设有两卡柱与所述两开口槽对应；所述拨环对应所述直槽开设有一调向孔，及对应所述第一螺孔开设有两相隔180度第二螺孔；所述调向压盖通过直槽来旋转调节所述滑行面的高端及低端的朝向，并使第一螺孔与其中一第二螺孔对准后通过紧固螺钉锁紧。所述弹性棘爪装置为两两成对布置，其数量为两对，每对的两个弹性棘爪装置的中心相隔180度；两对弹性棘爪装置中心的连线相隔80度；所述杠杆上的棘孔数量为9个，任两相邻棘孔的中心相隔40度；所述杠杆的转动行程为37度。

或者是：所述弹性棘爪装置进一步包括一棘爪、一第二压缩弹簧；所述杠杆的环形旋转部设在所述大齿轮的底部，所述环形旋转部上表面还设有一凹槽，所述第二压缩弹簧下端固定连接在凹槽的底部，第二压缩弹簧的上端连接所述棘爪，所述大齿轮的底面环形布设有复数个棘孔，所述棘爪在直线油缸的直线活塞前进的状态下插入其中一所述棘孔，并在直线活塞后退的状态下退出所述棘孔。所述杠杆环形旋转部的凹槽的底部为一可拆卸的盖板，所述第二压缩弹簧下端固定连接在该盖板上。

进一步的，所述拧卸机构包括一驱动马达、一小齿轮、所述大齿轮、一拨环以及一搬叉；所述驱动马达通过所述小齿轮带动大齿轮旋转，所述拨环包括两挡柱和连接在挡柱底部的固定环，所述固定环固定连接在大齿轮之上，所述搬叉包括一叉口和卡柄，所述叉口夹持所述钻机的上段钻杆，所述卡柄卡设在所述拨环的两挡柱之间。

本发明具有如下优点：本发明的冲扣机构的设置可在大齿轮力量不够的情况下，传输一个瞬时的冲击力给大齿轮，以协助大齿轮顺利拧卸，本发明的拧管机结构简单合理，冲击力大，且占地面积小，能耗小，是一理想立轴式钻机的自动拧管机。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为利用本发明冲扣机构的自动拧管机的立体结构示意图。

图2为上述自动拧管机的俯视结构示意图，其中有部分剖视。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图2的C-C剖视图。

图5为上述自动拧管机的夹持机构中环形油缸的夹紧活塞的结构示意图。

图6为上述自动拧管机的夹持机构中卡瓦结构示意图。

图6A为上述自动拧管机的夹持机构中两个卡瓦相向设置的结构示意图。

图7和图8为上述自动拧管机的夹持机构夹紧状态和放松状态结构示意图。

图9为上述自动拧管机的拧卸机构中大齿轮一实施例的结构示意图。

图10为本发明冲扣机构中杠杆的一实施例俯视和前视结构示意图。

图10A为图10的B-B剖视图。

图11为本发明冲扣机构与大齿轮配合的结构示意图。

图12A和图12B为本发明冲扣机构的弹性棘爪装置一实施例的两种状态示意图。

图13和图13A为棘爪的立体结构示意图及轴向剖视结构示意图。

图14和图14A为棘爪调向结构的立体结构示意图及俯视结构示意图。

图15为本发明冲扣机构的弹性棘爪装置另一实施例的结构示意图。

【具体实施方式】

如图1至图4所示，利用本发明冲扣机构的立轴式钻机的自动拧管机10，包括一拧卸机构1、一夹持机构2、一本发明的冲扣机构3、一基座4和一上盖5。其中，夹持机构1用于夹持钻杆的下部，拧卸机构2用于旋转上段钻杆20以将上段钻杆40从下段钻杆20卸下或者将上段钻杆20旋入下段钻杆40，所述冲扣机构3用于给拧卸机构1瞬间的冲击力，使拧卸机构1有足够的力量将上段钻杆20从下段钻杆40旋开。冲扣机构3通过调整棘爪方向，也可用于上段钻杆20拧入下段钻杆40后锁扣，保证两段钻杆锁紧程序。

所述拧卸机构1包括一驱动马达11（可以是液压马达）、一小齿轮12、一大齿轮13、中空状的芯管14、一拨环15、一搬叉16以及一压环17；所述驱动马达11通过所述小齿轮12带动大齿轮13旋转，所述芯管14设于所述大齿轮13的轴部，为大齿轮13提供旋转轴，所述拨环15包括两挡柱151和连接在挡柱151底部的固定环152，所述固定环152通过螺丝18固定连接在大齿轮13之上，所述搬叉16包括一叉口161和卡柄162，所述叉口161夹持所述钻机的上段钻杆20，所述卡柄162卡设在所述拨环15的两挡柱151之间，所述压环17压紧于所述大齿轮13和芯管14的顶部。

如图3至图8所示，所述夹持机构2包括一环形油缸21、一第一压缩弹簧22、一底板23以及复数个对应设置的滚子排24和卡瓦25；所述环形油缸21还包括夹紧缸筒211、夹紧活塞212以及夹紧缸底213，所述夹紧活塞212设在夹紧缸筒211内，所述夹紧缸底213连接于夹紧缸筒211的底部，所述夹紧活塞212内具有上大下小的容置槽2122，所述复数个卡瓦25上大下小，放置于所述容置槽2122内并夹持所述钻机的下段钻杆40，容置槽2122的内壁形成与卡瓦数量对应的斜面2124，所述斜面2124的方向是上端向外，下端向内，所述卡瓦25的背面252通过所述滚子排24滑设于所述斜面2124上，所述第一压缩弹簧22设在复数个卡瓦25的底部与所述底板23之间，底板23上设有钻杆通过孔232。在本实施例中，所述夹持机构2中的卡瓦数25量为2，且两卡瓦25相向设置，卡瓦25的一夹持面上还设有一卡瓦镶件256。并围成六角状的夹持腔254，但发明不限于此，也可以通过更换卡瓦镶件256获得圆形的夹持腔254。为了防止第一压缩弹簧22稳定地限位于所述卡瓦25的底部，所述夹持机构2还包括一用于卡设所述第一压缩弹簧22的挡头26，该挡头26包括两立柱262及一连接环264，两立柱262连接在所述连接环264一直径两端的下方，并且该两立柱262分别位于所述夹持腔254的两侧。第一压缩弹簧22的设置是在夹紧活塞212下移而松开卡瓦25时，产生向上的弹力以抵消卡瓦25因自身的重力下沉而卡紧钻杆。

请主要参考图9至图14A，所述冲扣机构3包括一直线油缸31、一杠杆32、至少一弹性棘爪装置33；所述杠杆32包括一体设置的连接部321和环形旋转部322，连接部321连接所述直线油缸31的直线活塞311，环形旋转部322与所述大齿轮13相邻同轴设置，且所述弹性棘爪装置33设于环形旋转部322与大齿轮13之间，且所述弹性棘爪装置33在一状态下将环形旋转部322与大齿轮13连接为一体，并在另一状态下将环形旋转部322与大齿轮13松开。其中，所述弹性棘爪装置33包括一棘爪331以及一第二压缩弹簧332，其有如下两种设置形式：

第一种、是将棘爪331和第二压缩弹簧332固定在大齿轮13，并在大齿轮13旋转一定的角度时插入杠杆32内连接为一体。具体是：所述杠杆32的环形旋转部322同轴设在所述大齿轮13的底部，且所述大齿轮13上设有至少一开口朝下的凹槽131，所述第二压缩弹簧332的上端固定连接于所述凹槽131的底部（凹槽的上端为凹槽底部），下端连接棘爪331，所述环形旋转部322的上端面环形布设有复数个棘孔3225，所述棘爪331在直线油缸31的直线活塞311前进的状态下轴向插入其中一所述棘孔3225，并在直线活塞311后退的状态下退出所述棘孔3325。

所述棘爪331的上端为调节端，下端具有一滑行面3312，所述调节端轴向设有两开口槽3314，所述滑行面3312具有一高端33121及一低端33122。

所述弹性棘爪装置33还包括棘爪调向机构333，所述棘爪调向机构333包括一作为所述凹槽3314底板的调向压盖3331和一紧固螺钉3332，所述第二压缩弹簧332的上端固定连接在该调向压盖3331上，所述调向压盖3331上设有至少一第一螺孔3333；且所述调向压盖3331的上表面设有一直槽3334，下表面轴向设有两卡柱3335与所述两开口槽3314对应；所述拨环15对应所述直槽3334开设有一调向孔153，及对应第一螺孔3333开设有两相隔180度第二螺孔154；所述调向压盖3331通过直槽3334来旋转调节所述滑行面3312的高端33121及低端33122的朝向，并使第一螺孔3333与其中一第二螺孔154对准后通过紧固螺钉3332锁紧。

将所述弹性棘爪装置33为两两成对布置可使大齿轮13与杠杆32的固定更稳定，本实施例其数量为两对共4个，每对的两个弹性棘爪装置的中心相隔180度；两对弹性棘爪装置33的中心的连线相隔80度；所述环形旋转部322上的棘孔3225数量为9个，任两相邻棘孔3225的中心相隔40度；所述杠杆32的行程（最大转角）为37度。如此设置，杠杆32最多旋转20度就会有一对棘爪331插入棘孔3225，而杠杆32与大齿轮13的连接后行程至少为17度，完全可保证大齿轮13能够获得足够的冲击力。

如图15所示，第二种、是将棘爪331和第二压缩弹簧332固定在杠杆32上，并在杠杆32旋转一定的角度时插入大齿轮13内连接为一体。具体是：所述杠杆的环形旋转部322设在所述大齿轮13的底部，所述环形旋转部322上表面还设有一凹槽324，所述第二压缩弹簧332下端固定连接在凹槽324的底部，第二压缩弹簧332的上端连接所述棘爪331，所述大齿轮13的底面环形布设有复数个棘孔132，所述棘爪331具有一滑行面3312，所述滑行面3312具有一高端33121及一低端33122，所述高端33121位于大齿轮13前进的方向，低端33122位于大齿轮13后退的方向，滑行面3312的设置用以保证所述棘爪331在直线油缸31的直线活塞311前进的状态下插入其中一棘孔132，并在直线活塞311后退的状态下退出所述棘孔132。所述杠杆环形旋转部322的凹槽324的底部为一可拆卸的盖板323，所述第二压缩弹簧332下端固定连接在该盖板323上，如此，安装棘爪33时比较方便。

上述两实施例中，所述上盖5连接于所述基座4的上方，并使基座4和上盖5围成一空间，所述拧卸机构1的小齿轮12、大齿轮13、芯管14以及所述冲扣机构3的直线油缸31的一端、杠杆32、棘爪33以及第二压缩弹簧34均设在所述基座4和上盖5连接围成的空间内，所述驱动马达11和拨环15设在上盖5上方。

参见图1至图15，本发明的工作原理是：首先将钻杆插入本发明的拧管机，并使钻杆连接头以下的部位处于夹持机构2的卡瓦25形成的夹持腔254内，连接头30以上的部位处于拧卸机构1芯管14及以上的位置；再用搬叉16的叉口161部分夹持上段钻杆20，并使卡柄162架设在两卡设在所述拨环15的两挡柱151之间。启动环形油缸21，使夹紧活塞212向上移动，斜面2124及滚子排24对卡瓦25施以向内的作用力，使卡瓦25向内移动，并且卡瓦25在自重的作用下沉，大大地加大了夹持力，以抱死钻杆，处于如图7所示的状态。（如果要松开卡瓦25，则反向启动环形油缸21，使夹紧活塞212向下移动，斜面2124及滚子排24对卡瓦25向内的作用力减小直到消失，在第一压缩弹簧22产生向上的弹力以抵消卡瓦25因自身的重力，使卡瓦25不会下沉，从而保持松开钻杆的状态，即如图8所示的状态。）启动拧卸机构1的电机11，以带动大齿轮13旋转，由于刚开始拧卸，钻杆连接头的阻力很大，电机11给大齿轮13的力不足以使大齿轮13顺利旋转，此时再启动冲扣机构3的直线油缸31，直线油缸31的直线活塞311前进并带动杠杆32绕环形旋转部322的中心也即大齿轮13的中心旋转。

现以第一种弹性棘爪装置33为例说明冲扣机构3的工作原理：杠杆32旋转一定角度时，在第二压缩弹簧332的作用下，所述棘爪331会插入环形旋转部322的其中一棘孔3225，此时杠杆32并与大齿轮13卡紧，直线活塞311的冲击力并可传递给大齿轮13，使大齿轮13获得一瞬时冲击力。之后直线活塞311后退，由于棘爪331具有一个滑行面3312，在直线活塞311后退时，棘爪331可以顺利退出所述棘孔3225，这样直线油缸31传递给大齿轮13的力只有动力而非阻力。如此多次往复之后，在电机11和直线油缸31的共同作用下，使拧卸机构1有足够的力量将上段钻杆20从下段钻杆40旋开。另外，若是要安装钻杆时，即将上段钻杆20旋在下段钻杆40上并拧紧，只需将棘爪331的滑行面3312的朝向对调即可，此时可通过所述拨环15的调向孔153用螺丝刀等工具将所述调向压盖3331上的直槽3334旋转180度后，由于调向压盖3331的两卡柱3335与棘爪331的两开口槽3314对应扣紧，从而使棘爪331也旋转了180度，所述棘爪331的滑行面3312的高端33121及低端33122的朝向即发生对调，并使第一螺孔3333与其中一第二螺孔154对准后通过紧固螺钉3332锁紧。这样直线油缸31传递给大齿轮13的力方向相反，使拧管机对上段钻杆20施以拧紧的力。

如果是第二弹性棘爪装置33，其冲扣机构3的工作原理：当直线油缸31的直线活塞311前进时，带动杠杆32绕环形旋转部322的中心也即大齿轮13的中心旋转，旋转一定角度时，在第二压缩弹簧332的作用下，所述棘爪331会插入大齿轮13的其中一棘孔132，此时杠杆32并与大齿轮13卡紧，直线活塞311的冲击力并可传递给大齿轮13，使大齿轮13获得一瞬时冲击力。之后直线活塞311后退，由于棘爪331具有一个倾斜设置的滑行面3312，在直线活塞311后退时，棘爪33可以顺利退出所述棘孔132，这样直线油缸31传递给大齿轮13的力只有动力而非阻力。如此多次往复之后，在电机11和直线油缸31的共同作用下，使拧卸机构1有足够的力量将上段钻杆20从下段钻杆40旋开。但由于棘爪331是固定在杠杆32上，杠杆32又设在大齿轮的底部，因此没有条件设置棘爪调向机构，因此该拧管机只能用于拆卸钻杆，而不能拧紧钻杆。

综上所述，本发明自动拧管机的冲扣机构的设置，可在大齿轮力量不够的情况下，传输一个瞬时的冲击力给大齿轮，以协助大齿轮顺利拧卸，本发明的拧管机结构简单合理，冲击力大，且占地面积小，能耗小，是一理想立轴式钻机的自动拧管机。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种立轴式钻机自动拧管机的冲扣机构，其特征在于：

所述自动拧管机包括一用于拧卸上段钻杆的拧卸机构、一用于夹持下段钻杆的夹持机构以及一为拧卸机构提供瞬时冲力的冲扣机构；

所述拧卸机构包括一用于带动上段钻杆旋转的大齿轮；

所述冲扣机构包括一直线油缸、一杠杆、至少一弹性棘爪装置；所述杠杆包括一体设置的连接部和环形旋转部，连接部连接所述直线油缸的直线活塞，环形旋转部与所述大齿轮相邻同轴设置，且所述弹性棘爪装置设于环形旋转部与大齿轮之间，且所述弹性棘爪装置在一状态下将环形旋转部与大齿轮连接为一体，并在另一状态下将环形旋转部与大齿轮松开；

所述弹性棘爪装置进一步包括一棘爪、一第二压缩弹簧；所述杠杆的环形旋转部设在所述大齿轮的底部，且所述大齿轮上设有至少一凹槽，所述第二压缩弹簧的上端固定连接于所述凹槽的底部，下端连接棘爪，所述环形旋转部的上端面环形布设有复数个棘孔，所述棘爪在直线油缸的直线活塞前进的状态下轴向插入其中一所述棘孔，并在直线活塞后退的状态下退出所述棘孔。

2.根据权利要求1所述的立轴式钻机自动拧管机的冲扣机构，其特征在于：所述拧卸机构包括一驱动马达、一小齿轮、所述大齿轮、一拨环以及一搬叉；所述驱动马达通过所述小齿轮带动大齿轮旋转，所述拨环包括两挡柱和连接在挡柱底部的固定环，所述固定环固定连接在大齿轮之上，所述搬叉包括一叉口和卡柄，所述叉口夹持所述钻机的上段钻杆，所述卡柄卡设在所述拨环的两挡柱之间。

3.根据权利要求2所述的立轴式钻机自动拧管机的冲扣机构，其特征在于：所述棘爪的上端为调节端，下端具有一滑行面，所述调节端轴向设有两开口槽，所述滑行面具有一高端及一低端；

所述弹性棘爪装置还包括棘爪调向机构，所述棘爪调向机构包括一作为所述凹槽底板的调向压盖和一紧固螺钉，所述第二压缩弹簧的上端固定连接在该调向压盖上，所述调向压盖上设有至少一第一螺孔；且所述调向压盖的上表面设有一直槽，下表面轴向设有两卡柱与所述两开口槽对应；

所述拨环对应所述直槽开设有一调向孔，及对应所述第一螺孔开设有两相隔180度第二螺孔；

所述调向压盖通过直槽来旋转调节所述滑行面的高端及低端的朝向，并使第一螺孔与其中一第二螺孔对准后通过紧固螺钉锁紧。

4.根据权利要求1所述的立轴式钻机自动拧管机的冲扣机构，其特征在于：所述弹性棘爪装置为两两成对布置，其数量为两对，每对的两个弹性棘爪装置的中心相隔180度；两对弹性棘爪装置中心的连线相隔80度；所述杠杆上的棘孔数量为9个，任两相邻棘孔的中心相隔40度；所述杠杆的转动行程为37度。

5.一种立轴式钻机自动拧管机的冲扣机构，其特征在于：所述自动拧管机包括一用于拧卸上段钻杆的拧卸机构、一用于夹持下段钻杆的夹持机构以及一为拧卸机构提供瞬时冲力的冲扣机构；

所述拧卸机构包括一用于带动上段钻杆旋转的大齿轮；

所述冲扣机构包括一直线油缸、一杠杆、至少一弹性棘爪装置；所述杠杆包括一体设置的连接部和环形旋转部，连接部连接所述直线油缸的直线活塞，环形旋转部与所述大齿轮相邻同轴设置，且所述弹性棘爪装置设于环形旋转部与大齿轮之间，且所述弹性棘爪装置在一状态下将环形旋转部与大齿轮连接为一体，并在另一状态下将环形旋转部与大齿轮松开；

所述弹性棘爪装置进一步包括一棘爪、一第二压缩弹簧；所述杠杆的环形旋转部设在所述大齿轮的底部，所述环形旋转部上表面还设有一凹槽，所述第二压缩弹簧下端固定连接在凹槽的底部，第二压缩弹簧的上端连接所述棘爪，所述大齿轮的底面环形布设有复数个棘孔，所述棘爪在直线油缸的直线活塞前进的状态下插入其中一所述棘孔，并在直线活塞后退的状态下退出所述棘孔。

6.根据权利要求5所述的立轴式钻机自动拧管机的冲扣机构，其特征在于：所述杠杆环形旋转部的凹槽的底部为一可拆卸的盖板，所述第二压缩弹簧下端固定连接在该盖板上。