CN1051598C - 冲击与转动的自控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一些需要冲击与转动工作的设备，特别是钻孔机械。它将传动系统和冲击机构加以改进，通过特殊离合器与工况反馈信号配合来自控制钻孔。这种装置可应用到需要随工况变化自动调整转动或冲击的设备上，如凿岩机、潜孔钻机的冲击器，各种电钻，天井钻机和油井钻机之中，将它们改进为自控设备，让其能根据条件变化，自动选择可适应岩石状态的最佳工作方式，并可节约能源，降低噪声，提高使用寿命。

Description

冲击与转动的自控装置

本发明涉及到一些需要冲击与转动工作的设备，特别是对于钻孔机械，如凿岩机、潜孔钻机、电钻、天井钻机和油井钻机等。

现有的冲击与转动工作设备多数没有自控装置，无论钻头是否接触工作面，经常是一开机就立刻产生冲击与转动，为防止空打引起的机构损坏，需在活塞冲击前特设气垫或油垫，当活塞尚未冲击到钻杆时就撤去冲击推力，靠惯性工作。这样就降低了效率，并且还可能由于冲击无法控制造成卡钻。

有部分可控制冲击功的机械是采用在机器结构中设置行程可调的活塞，靠人根据经验改变推阀孔位置来改变行程，从而改变机器的冲击功和冲击频率，或用旁路节流装置，旁路掉部分能量以减低冲击功。但是，由于岩层千差万别，各处地质情况不同，即使是同一个钻孔，内外也会相差很大，当外面岩层很硬，把冲击功调大时，如里面突然碰到夹层裂缝后，就往往造成卡钻事故；当外面很软，把冲击功调小时，如里面又碰到硬的岩石，就会影响钻孔速度。如用微机通过采集和处理装在钻头上的传感器发出信号，来测量传感器所处岩石硬度，用电脑控制机器工作的办法，又常常由于工作条件恶劣，精致的电子部分受到冲击、振动、潮湿、粉尘等影响，造成电子控制失效，花费太多，事倍功半。

本发明的任务是：设计一种简单可靠的自控装置，装在需要冲击与转动工作的设备上，如凿岩机、天井钻机让其能根据复杂的工作环境变化，自动控制冲击与转动，既节约能源又保持高速钻孔。

解决任务的方法是：在冲击机构与动力源之间串连入离合器；或在转动机构与动力源之间串连入离合器；或用离合器分别与冲击机构同动力源，转动机构同动力源串连；或在冲击机构与转动机构同动力源共同连接的传动系统之间串连离合器，离合器的控制机构由它所控制之机构传来的反馈信号控制。当冲击机构的部件或转动机构的部件受到工作面对钻杆的反作用力而得到信号时，其反馈信号就通过离含器控制机构来压紧离合器，这时动力源的动力通过离合器传给冲击机构或转动机构。于是它们开始工作。反之，冲击机构的部件或转动机构的部件没有受到钻杆的反作用力，离合器控制机构没有信号，离合器在扭矩分力的作用下自动分离，动力源只带动离合器的另一半运动，冲击机构或转动机构不工作。如果离合器是串连在冲击机构与转动机构同动力源共同连接的转动系统之间，那么，有反馈信号时，离合器啮合，冲击与转动机构同时工作，无反馈信号时，离合器分离，冲击与转动机构同时停止运行。

装置中的离合器分为固定板和滑动板，滑动板可沿轴向移动，在两块坂的啮合面上，可以装入滚珠，啮合时分别靠两块板上的每两个相邻滚珠来传递扭矩。也可以在一块板的啮合端面装入滚珠，另一块板的啮合端面开出相应的槽，啮合后，滚珠进入相应的槽中，带动另一块板一起运动。滚珠既可以用圆球形的，也可以用圆柱形的。

装置中的离合器控制机构可以是控制压套与斜面板配合，斜面板的控制柄伸入所控机构的相应台阶中。当所控机构受到外负荷的压力而后移一定的距离时，相应台阶即通过控制柄把斜面板推开一定距离，斜面板通过楔力推动控制套压紧离合器滑动板，离合器啮合。当没有外负荷时，斜面板控制柄悬空，斜面板在离合器分开力的作用下，退回原位，离合器分离。斜面板控制柄与相应台阶接触处可装上滚珠，以降低阻力。

装置中的离合器控制机构也可以把控制压套做成能伸缩的蓄能器，并与所控机构台阶后的蓄能器连通。当所控机构把外负荷的压力传递给台阶后的蓄能器时，这个蓄能器被压缩，继而控制压套蓄能器伸长并压紧滑动板，离合器啮合工作。当失去外负荷时，台阶后蓄能器没有压力，控制压套蓄能器在离合器的分力作用下将压力传给台阶后蓄能器，控制压套蓄能器压缩，台阶后蓄能器伸长复位，离合器分离。上述的蓄能器既可制成油缸活塞式，也可制成纲丝软轴拉动机械式，还可制成电磁式。

装置中的冲击机构可以是在冲击锤的相应台阶后部安有弹性系统，在冲击锤的中部套上螺旋套，并与冲击锤上的滑键配合，冲击锤又通过滑键与机壳连接。当螺旋套转动时，螺旋面带动冲击锤上的滑键，由于冲击锤与机壳用滑键连接，不能转动只能移动，冲击锤在螺旋面的推力下后移压缩弹性系统，当转过螺旋面的峰顶后，跌入峰谷，冲击锤突然失去阻力，弹性系统释放能量推动冲击锤高速向前冲击钻杆；螺旋套继续转动，冲击锤上的滑键又碰到螺旋套上的另一个峰谷，在螺旋面的推力作用下再次后退，在弹性系统的推力作用下又向前冲击，两个力的反复配合，形成冲击运动。

装置中的冲击机构还可以是在冲击锤的相应台阶后部安有弹性系统，在冲击锤的突出部分置有凸轮机构。当凸轮机构转动时，压迫冲击锤的突出部分，推动冲击锤后移压缩弹性系统，凸轮工作廓线上有一跌落台阶，每当凸轮转到台阶时，冲击锤的突出部分失去接触，弹性系统释放能量带动冲击锤高速冲击钻杆，凸轮不断转动，冲击锤在凸轮后压，弹性系统前推的作用下就反复冲击。凸轮机构可用共轭凸轮带动冲击锤突出的滚子运动，也可以在冲击锤身开出相应的槽，把凸轮置其中带动运行。

冲击机构中的弹性系统可以为圆柱弹簧、圆锥弹簧、片弹簧、蝶形弹簧等各类弹簧，也可以为蓄能器，蓄能器内可用柔性橡胶隔膜预先充高压气体，也可制成压力油蓄能器。在弹簧或蓄能器的后部连接调力套，调力套后部连接调整螺钉，或通过管路与推进机构的压力系统连接。当调整螺钉前进推动调力套时，或推进机构的压力系统压力增大推动调力套时，调力套向前移动压缩弹簧或蓄能器，形成预紧力，弹性系统释放能量后，对冲击锤的推力就大，也就是钻孔的冲击功随着推进机构的压力增大而变大，反之则变小。

为了钻孔时顺利排出岩屑，冲击锤的后面带动压水缸内的活塞，活塞上装有密封件以防漏水，在压水缸进水管处装有圆球，圆球可用塑料做成，并在圆球靠进水口处制成凹坑与圆球配合，普通水压从外面进来时，可顺利推开圆球进水，一旦活塞挤压水流时，压水缸内水压很高，能把圆球挤进凹坑，防止水倒流，既可以增加压水缸内水压，形成高压脉冲水帮助排屑，同时也可削减对外部水管的影响。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

在动力源与工作机构之间串连入离合器，离合器的控制机构由冲击或转动机构传来的反馈信号控制，只有在冲击或转动机构碰到外负荷的一定压力时，反馈信号传来，离合器才啮合，冲击和转动机构才工作。反之，则动力源只带动离合器的一半运行。这样一方面减少了机器的空磨损，降低了噪音，另一方面防止了钻孔机构工作中碰到岩缝时，发生卡钻故障。

另外冲击机构冲击锤向前冲击做功的推力是依靠弹性系统释放弹力进行，并在弹性系统后安设了调力套，将调力套与推进机构的压力系统连接，调力套的位移与推进机构的压力有关，当岩石硬时，推进机构的压力也大，迫使调力套前进的位移也多，就使得弹性系统产生了相应的预紧力，造成弹性释放时的力更大，冲击锤对岩石的冲击功也相应增大；如果碰到软岩，推进机构的压力小，弹性系统产生的预紧力小，弹性释放时力小，冲击锤对软岩的冲击功也相应减小；如果碰到裂缝空隙，推进机构没有阻力，不但弹性系统不产生预紧力，离合器还脱开，不会盲目冲击。

由于本装置是采用机械本身控制，不怕振动，冲击和潮湿的影响，结构简单，安全可靠，可装入凿岩机、潜孔钻机的冲击器，各种电钻、天井钻机和油井钻机之中，经过设备改造就成为自控凿岩机、自控冲击器、自控电钻、自控钻机。把过去纯冲击或转动的设备，改进为可随复杂的工况变化而时冲击时转动，并能自动调整冲击功的高效钻孔机械。

图面说明：

图1是冲击机构与动力源之间串连离合器的方框图；

图2是转动机构与动力源之间串连离合器的方框图；

图3是用离合器分别与冲击机构和动力源、转动机构和动力源串连的方框图；

图4是在冲击与转动机构同动力源共同连接的传动系统之间串连离合器的方框图；

图5是离合器固定板的啮合端面上装入钢球的正视图；

图6是离合器固定板的啮合端面上装入钢球的侧剖视图；

图7是离合器固定板的啮合端面上开有槽的正视图；

图8是离合器固定板的啮合端面上开有槽的侧剖视图；

图9是两块板的啮合端面都装入钢球的离合器与斜面板和控制压套配合的控制机构，下部分是螺旋套和冲击锤上的滑键配合，蝶形弹簧受调力套和调整螺钉控制的一个示意图。

图10是固定板装入钢球，滑动板上开有相应槽的离合器，并由控制压套蓄能器与台阶后蓄能器控制离合，凸轮机构与冲击锤突出部分配合，冲击锤后部连接压水缸内活塞，压水缸进水管处有一个圆球，调力套用管路与推进机构的压力系统连接的一个示意图。

本发明以下将结合附图中的实施例进一步详述：

在生产使用中实现本发明的较好方式如图9所示，当动力通过离合器输入轴带动离合器滑动板3转动时，在图示位置，由于没有外负荷，斜面板5的控制柄落在冲击锤7的相应台阶中，如果需要单独控制转动，则将图中下半部分换成转动机构，把斜面板5的控制柄落入转动套与机壳之间的轴承后面。这时，动力仅带动离合器输入轴和滑动板空转；当钻杆碰到岩石后，抵紧工作面，反作用力迫使冲击锤7后移一定距离通过斜面板5的控制柄把斜面板推上去，因为斜面板5和控制压套4的相互接触面是斜面，斜面板5的另一面和机壳滑动连接，在楔力的作用下就推动控制压套4去压紧离合器滑动板，使得如图5所示的两块板之间的钢球2两两相错，互相用侧面接触，开始传递扭矩，冲击过程中，只要钻杆抵紧岩石，所产生的反作用力就可抵住冲击锤7不冲过预定位置，斜面板5的控制柄就常在冲击锤7的较大外径上滑动，斜面板5落不下来就一直通过控制压套4压紧离合器，冲击机构保持工作。如果钻杆碰到岩缝或打空时，前面没有阻力，冲击锤7冲过预定位置，又回到如图9所示位置，下半部分停止工作，不再进行冲击。图示下半部分的6是螺旋套，通过齿轮与上半部分离合器固定板1连接，当1转动时6也跟着转动，通过螺旋面推动冲击锤7上的滑键，滑键的后半部分被机壳上开出的相应槽所限制，只能移动不能转动，于是在螺旋面的推力下，冲击锤7后移压缩蝶形弹簧8，当螺旋面由蜂谷转过峰顶时，突然出现一个垂直的台阶，冲击锤7上的滑键失去阻力，弹簧8释放能量，推动冲击锤7高速向前冲击钻杆，滑键又回到图9所示位置，跌入下一个峰谷；螺旋套不断转动，冲击就不停地运行。蝶形弹簧8的后部安设了一个调力套9；在调整螺钉10的推力下可以向前运动给弹簧8施加预紧力，从而改变弹簧8释放的力量以达到对钻杆施加不同冲击功的目的，调整螺钉10既可用手调整，也可和推进机构的推力相应连接，使得推力与调整螺钉10的位移成正比。

实现本发明的另一个方案如图10所示，它与图9不同之处在于离合器的两块板分别是图5和图7，即固定板14的啮合端面上开有相应的槽12，啮合时是靠钢球2落入槽12中带其运行；台阶后蓄能器11与控制压套蓄能器15通过油管连接，当冲击锤7受到外负荷的压力后移一定距离时，台阶后蓄能器11压缩，控制蓄能器15伸长并迫使离合器滑动板13与固定板14挤紧传递扭矩。固定板14通过圆锥齿轮带动凸轮18转动，16通过冲击锤7上的突出部分17推动冲击锤7后移压缩蓄能器18，当凸轮16转到廓线跌落台阶时，突出部分17突然失去阻力，蓄能器18释放能量推动冲击锤高速向前冲击，凸轮16继续转动，又再次推动冲击锤后移，准备下次冲击；蓄能器的后部连接调力套9，通过液压管路与推进机构的压力系统连接，当推进机构的压力增加时调力套9前移预压蓄能器18，使18释放时能量更大，冲击锤7所作的功更大，反之，则变小。冲击锤7的后部还连接压水缸20内的活塞22，并带动其随之运行，将压水缸20内的普通水压挤压增高后通过水针射入工作面，清除岩屑，加快钻孔速度。活塞上置密封件21，以防漏水，在压水缸20与进水管连接处放一塑料球19成一简易单向逆止阀，水可以从外水管推开塑料球19进入压水缸20内，但活塞22前进时，压水缸20内水压猛增，迫使塑料球贴紧进水管处的凹坑，自动阻止水从进水管处往外流，只能沿水针射向工作面。

上述的两个实施例仅是一种典型示例，工作中根据实际情况，结合所需改进的凿岩机、潜孔钻机的冲击器、电钻、天井钻机和油井钻机的具体结构，需自动控制的部分还可再加调整，比如只想控制转动机构，就只用图9或图10两种离合器中任一种，或将滑动板3装入钢球，固定板1开出相应槽12，再随意配上斜面板5或控制压套蓄能器15都行；压水缸20视工作需用水排粉时再装上；弹性系统可为圆柱弹簧、圆锥弹簧、蝶形弹簧等等，蓄能器根据制造厂家的条件考虑制造，只要蓄存的能量释放时推动的冲击锤，足以产生所需的冲击功就行；调整弹性系统的预紧力可用机械调整螺钉10也可用液压控制；离合器输入轴可用任何原动机带动。这些结构可以有许多种组合变化来适应实际工作。

Claims (9)

1.由离合器、控制机构、冲击机构与转动装置组成的冲击与转动的自控装置，其特征是：根据实际需要，采用不同方法把离合器接入所需控制机构与动力源之间，通过反馈信号控制机构来自动控制其工作，在冲击机构与动力源之间串联入离合器，或在转动机构与动力源之间串联入离合器，或用离合器分别与冲击机构和动力源，转动机构和动力源串联，或在冲击与转动机构同动力源共同联接的传动系统之间串联离合器。

2.如权利要求1所述的自控装置，其特征是固定板(1)和滑动板(3)的啮合端面上都装入滚珠(2)。

3.如权利要求1所述的自控装置，其特征是固定板(14)或滑动板(13)中的一块板啮合端面装入滚珠，另一块板的啮合端面上开有相应的槽(12)。

4.如权利要求1至3之一所述的自控装置，其特征是控制压套(4)与斜面板(5)配合，斜面板(5)的控制柄伸入所控机构的相应台阶中。

5.如权利要求1至3之一所述的自控装置，其特征是控制压套蓄能器(15)与所控机构台阶后的蓄能器(11)连通。

6.如权利要求1所述的自控装置，其特征是冲击锤(7)的相应台阶后部安有弹性系统，冲击锤的中部套有螺旋套(6)，并与冲击锤(7)上的滑键配合，冲击锤(7)又通过滑键与机壳连接。

7.如权利要求1所述的自控装置，其特征是冲击锤的相应台阶后部安有弹性系统，冲击锤的突出部分配合凸轮机构(16)。

8.如权利要求1或8或7所述的自控装置，其特征是弹性系统为弹簧(8)或蓄能器(18)，在弹簧(8)或蓄能器(18)的后部连接调力套(9)，调力套(9)后部连接调整螺钉(10)或通过管路与推进机构的压力系统连接。

9.如权利要求1或6或7所述的自控装置，其特征是冲击锤(7)与压水缸(20)内的活塞(22)连接，活塞(22)上装有密封件(21)，压水缸(20)与进水管连接孔处装有圆球(19)。

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