CN108291444A - 可伸展装置、钻头和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可伸展装置，特别是用于钻头的可伸展装置。本发明进一步涉及一种包括可伸展装置的钻头以及操作钻头的方法。所述可伸展装置(50)包括基础部分(550)和驱动部分(560)；伸展部分(650)和功能部分(660)；所述基础部分(550)和驱动部分(560)能够沿纵向轴线(LA)相对于所述伸展部分(650)和功能部分(660)移动；所述驱动部分(560)和功能部分(660)在旋转上彼此刚性联接；所述基础部分(550)和伸展部分(650)在旋转上彼此刚性联接；所述驱动部分(560)和功能部分(660)可旋转移动地联接到所述伸展部分(650)。

Description

可伸展装置、钻头和方法
技术领域
本发明涉及一种可伸展装置，具体地是一种用于钻头的可伸展装置。本发明进一步涉及一种包括可伸展装置的钻头以及操作钻头的方法。
背景技术
例如，从US2007/0086862A1、JPH03125788A、WO2005/047649A1、US2007/0114070A1或US2009/0304455A1中已知用于安装地面锚固系统的设备和方法，包括钻岩或张紧岩石锚杆或其它连接器。然而，寻求上述设备和方法的进一步改进。例如，特别是与操作温度相关的操作安全性以及例如关于提供供应介质(诸如液压油)的更低复杂性是针对改进的重要领域。
发明内容
因此，本发明的目的是提供可伸展装置、钻头和操作钻头的方法，相对于上述目标中的至少一个目标，其相对于现有的解决方案得到改进。
该目的通过特别是用于钻头的可伸展装置来解决，所述可伸展装置包括基础部分和驱动部分；伸展部分和功能部分；所述基础部分和驱动部分沿纵向轴线相对于伸展部分和功能部分能够移动；所述驱动部分和功能部分在旋转上彼此刚性联接；所述基础部分和伸展部分在旋转上彼此刚性联接；所述驱动部分和功能部分可旋转移动地联接到伸展部分。
例如，所述可伸展装置可用于钻头或与钻头一起使用。优选地是，所述可伸展装置也可称为可伸展气缸，特别是当涉及其内部时，至少部分的气缸部分相互作用，以实现沿纵向轴线的平移移动。在这里，该术语可伸展气缸还包括如本文中所述的可伸展装置，其可以不具有圆柱形或旋转对称的外表面或外观，而是包括另外的单元或元件，像如下面进一步描述的驱动部分。
所述可伸展装置包括基础部分和驱动部分，所述基础部分和驱动部分能够一起沿所述可伸展装置的纵向轴线相对于伸展部分和功能部分移动。为了便于参考，基础部分和驱动部分也能够一起称为第一平移单元，并且伸展部分和功能部分也能够称为第二平移单元。在这些术语中，第一平移单元和第二平移单元能够执行沿着可伸展装置的纵向轴线相对于彼此的平移移动。特别地是，通过第一平移单元相对于第二平移单元的平移移动能够实现可伸展装置的伸展以及可伸展装置的缩回，其中，第一平移单元包括基础部分和驱动部分，第二平移单元包括伸展部分和功能部分。
此外，驱动部分和功能部分在旋转上彼此刚性联接。而且，基础部分和伸展部分彼此旋转地联接。这意味着横跨第一平移单元和第二平移单元，一方面在驱动部分和功能部分之间以及另一方面在基础部分和伸展部分之间形成了旋转单元。因此，尽管基础部分和驱动部分能够沿着纵向轴线相对于伸展部分和功能部分移动，但在基础部分和伸展部分之间以及在驱动部分和功能部分之间实现了在旋转上刚性的联接。
更进一步，驱动部分和功能部分以可旋转移动的方式联接到伸展部分。
可伸展装置具有以下优点，总的来说，在可伸展装置的操作期间，特别是在可伸展装置的钻孔操作或旋转操作期间，特别是在被应用于钻头中时，将产生较低的操作温度。尤其是，本发明基于以下发现：当平移单元与旋转机械分开时，且特别是在所述部分之间选择在旋转上刚性的联接而使得基础部分和伸展部分能够在旋转的方面上与驱动部分和功能部分分离时，能够采用较不复杂的构造和更容易的密封布置结构，特别是旋转密封布置结构。通过产生较低的操作温度，操作安全性能够随着(alongside)以下全部一起而增加，即：更长的寿命，对密封布置结构和构造的其它元件的更少磨损以及可伸展装置的适用性的更广泛范围，例如在具有有限范围的操作温度的区域中。采用如本文中所述的构造，能够实现约80-100℃的操作温度。本文中所述的可伸展装置的一个特别的优点是：旋转密封不需要耐受用于操作可伸展装置所需的液压流体的高压力，而只需要耐受大气压力。然而，密封上的较低负荷和应力导致较低的操作温度。密封上的较低较低负荷和应力的进一步优点，特别是不需要高压力旋转密封的构造的进一步优点是部件的较高寿命。例如，现有的解决方案可能依靠带有密封的旋转接头(rotary union)，从而在旋转期间导致了高温。根据本文中所述的解决方案，诸如液压油的供应介质能够通过非旋转部分供应，且因此不需要旋转接头。较低的操作温度导致润滑或润滑膜的退化、磨损或破裂的较低的风险，并因此增强可伸展装置的可靠性和使用寿命。
可伸展装置的实施例是特别优选的，其中基础部分和驱动部分相对于彼此可旋转地移动，和/或其中，基础部分和驱动部分相对于纵向轴线彼此相对固定。
另外地或替代地是，一个实施例是优选的，其中伸展部分和功能部分相对于彼此可旋转地移动，和/或其中，伸展部分和功能部分相对于纵向轴线彼此相对固定。
例如，在优选实施例中，驱动部分可以包括围住功能部分的大致轴形式结构。
在进一步优选实施例中，功能部分可在其近侧端处包括突起或花键联接，其中优选地是，该突起或花键联接与驱动部分在旋转上刚性联接，并且相对于驱动部分能够纵向移动。
进一步特别优选的是，伸展部分和/或基础部分在旋转上刚性联接到壳体。在该实施例中，基本上，伸展部分和/或基础部分被固定以抵抗旋转，同时驱动部分和功能部分能够旋转。进一步优选地是，基础部分和/或驱动部分在平移上刚性地联接到壳体，使得伸展部分和功能部分能够沿纵向轴线相对于基础部分和驱动部分以及壳体平移地移动。特别优选的是，基础部分是在旋转上刚性的并且在平移上刚性的联接到壳体的。
在进一步优选实施例中，基础部分和/或伸展部分包括用于提供供应介质的至少一个连接器。供应介质能够是操作可伸展装置所需的任何介质，特别是用于例如经由驱动单元驱动可伸展装置的驱动部分和/或功能部分，和/或用于使可伸展装置伸展和/或缩回。供应介质例如能够是液压流体，诸如液压油，或是电能。通过提供用于在基础部分和/或伸展部分处、优选地是在基础部分处提供供应介质的至少一个连接器，其中所述基础部分在旋转上刚性的且在平移上刚性的联接到壳体，供应介质的提供能够与旋转单元或旋转部分分开。特别地是，当用于提供诸如加压液压油的供应介质的连接器位于基础部分和/或伸展部分处时，特别是当基础部分和/或伸展部分在旋转上刚性联接到壳体时，不再需要例如通过旋转单元输送加压液压油。
进一步优选地是，该功能部分和/或驱动部分适合于由驱动单元绕纵向轴线旋转地驱动。优选地是，驱动部分联接到驱动单元，以由驱动单元旋转地驱动并且将来自驱动单元的转矩传递到功能部分。以这种方式，转矩能够从驱动单元经由驱动部分施加到功能部分，并且施加到例如连接到功能部分以用于钻孔操作的功能钻孔元件。
根据进一步优选实施例，可伸展气缸包括：流体通道，流体通道是基础部分的一部分；和/或卡盘，卡盘是功能部分的一部分；其中流体通道和/或卡盘形成用于供应流体的中央空腔，特别是向伸展部分和/或功能部分供应流体。穿过可伸展装置的该中央空腔或中央腔室用于通过可伸展装置供应诸如水或空气的流体，并且特别是向伸展部分和/或功能部分，特别是功能部分的远侧端供应流体。
进一步优选实施例的特征在于，包括第一密封套件，其被布置在流体通道和伸展部分之间，和/或特征在于，包括第二密封套件，其被布置在卡盘和伸展部分之间。
优选地是，第一密封套件和/或第二密封套件是流体密封，其将中央空腔抵靠伸展部分密封，以抵抗中央空腔内携带或供应的流体，特别地是，第一密封套件和/或第二密封套件可以是水密封。特别优选的是，第一密封套件和第二密封套件中的一个密封套件被设计用于密封以抵抗旋转移动，而另一个被设计用于平移移动。特别优选的是，第一密封套件被设计用于平移移动或密封，并且第二密封套件被设计用于旋转移动和/或密封。这种分开具有增加密封套件的可靠性和寿命的优点。此外，优选的是，第一密封套件和第二密封套件被设计为部分或完全相同和/或可互换的。以这样的方式，能够减少构造的复杂性和不同部件的数目。
在进一步优选的实施例中，功能部分经由轴承、优选地是双列径向止推滚珠轴承(angular ball bearing)联接到伸展部分。优选地是，功能部分经由轴承、优选地是双列径向止推滚珠轴承联接到伸展部分的远侧端。该轴承优选地是抗摩擦轴承，优选地是滚珠轴承和/或滚子轴承。优选地是，在功能部分和伸展部分之间的联接是密封的和/或润滑的，特别是根据可伸展装置的预期寿命，这是因为在可伸展装置的寿命期间，该轴承的使用和维护(例如使用附加润滑)可能不是意图的。
可伸展装置的进一步优选实施例的特征在于，包括处在基础部分和伸展部分之间的伸展容积，其中，可伸展装置通过向伸展容积提供液压流体而是可伸展的。
进一步优选实施例的特征在于，包括处在基础部分和伸展部分之间的缩回容积，其中，可伸展装置通过向缩回容积提供液压流体而是可缩回的。
优选地是，该基础部分和/或伸展部分包括双壁，并且进一步优选地是，所述伸展容积能够形成在其中，使得可伸展装置可以通过向其提供液压流体而伸展。
进一步优选实施例的特征在于，包括处在功能部分和驱动部分之间的至少一个扭转刚性联接，用于在不同于与纵向轴线平行的方向的至少一个方向上传递侧向力。
除了侧向力的传递之外，还能够施加附加的侧力。优选地是，例如侧力优选地能够通过传动元件，像功能部分和驱动部分之间的滑动轴承或者功能部分和驱动部分之间的花键联接来支撑。进一步优选地是，功能部分包括围住伸展部分的大致轴形式结构。
根据进一步方面，该目的通过钻头来解决，该钻头包括：如上所述的可伸展装置；驱动单元，该驱动单元用于绕纵向轴线旋转地驱动可伸展装置的驱动部分和/或功能部分。关于钻头及其优选实施例的优点、优选实施例和细节，参考上文关于可伸展装置描述的对应方面和实施例。
根据进一步方面，该目的通过操作如上所述的钻头的方法来解决，该方法包括：将功能钻孔元件连接到功能部分；通过旋转地驱动可伸展装置的驱动部分来使可伸展装置的功能部分旋转；沿着纵向轴线使可伸展装置伸展和/或缩回。
关于操作钻头的方法及其优选实施例的优点、优选实施例和细节，参考上述对应方面和实施例，特别是关于可伸展装置和钻头的对应方面和实施例。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1：示出了在可伸展装置处在缩回位置中的情况下钻头的纵向截面侧视图；
图2：示出了图1的钻头的纵向截面平面图；
图3：从如在图2中所示的相反视角示出了钻头的侧视图；
图4：示出了在正齿轮减速的区域中剖开的钻头横截面平面图；
图5：示出了钻头的前视图；
图6：示出了在流体通道的区域中图1的放大视图；
图7：示出了在远侧端的区域中剖开的钻头横截面视图；并且
图8：示出了钻头的第一三维描绘图。
具体实施方式
在图1-8中示出了具有带驱动单元5100的可伸展装置50的钻头5000的优选示例。尽管在图中示出了可伸展装置50处于缩回位置中，但可伸展装置50能够通过第二平移单元600相对于第一平移单元500的平移移动而沿着其纵向轴线LA伸展，第二平移单元600包括伸展单元650和功能部分660，第一平移单元500包括基础部分550和驱动部分560。驱动部分560和功能部分660在旋转上彼此刚性联接，并且基础部分550和伸展部分650在旋转上彼此刚性联接。驱动部分560和功能部分660可旋转移动地联接到伸展部分650。
此外，基础部分和驱动部分相对于彼此可旋转地移动，并且相对于纵向轴线LA彼此相对固定。类似地是，伸展部分650和功能部分660相对于彼此可旋转地移动，并且相对于纵向轴线LA彼此相对固定。伸展部分650和基础部分550两者都在旋转上刚性联接到壳体。功能部分660和驱动部分560适合于由驱动单元5100绕纵向轴线LA旋转地驱动。驱动单元5100适合于经由正齿轮减速级5300驱动该驱动部分560，所述正齿轮减速级5300将转矩传递到驱动部分。可伸展装置50由背靠背布置的圆锥滚子轴承5400支撑。圆锥滚子轴承5400的两个环圈适合用于接收来自操作钻头5000的负荷和力。邻接圆锥滚子轴承5400定位有V形环702。在远侧上，这些布置为双V形环。基于有限的可用空间，这些旋转密封或V形环702需要具有紧凑的设计。速度传感器5700适合用于控制旋转的速度。
驱动部分560具有围住功能部分660的大致轴形式的结构。功能部分660具有围住伸展部分650的大致轴形式的结构。此外，功能部分660在其近侧端处包括突起或花键联接662，其中该突起或花键联接622与驱动部分560在旋转上刚性联接，并且相对于驱动部分560纵向或平移地移动。此外，至少一个扭转刚性联接60位于功能部分660和驱动部分560之间，用于在不同于与纵向轴线LA平行的方向的至少一个方向上传递侧向力。额外的侧力能够由花键联接622和/或由呈处在功能部分660和驱动部分560之间的滑动轴承的形式的传动元件530支撑。基础部分550经由第一主密封套件700和第二主密封套件701抵靠伸展部分650密封。伸展部分650包括具有内壁610和外壁620的双壁。在外壁的近侧端621处定位有密封套筒623。
用于提供呈液压流体供应800的形式的液压流体的连接器在基础部分550处实现，即：以径向液压流体供应810和纵向液压流体供应820的形式实现，径向液压流体供应810和纵向液压流体供应820馈送第一液压流体通道830和第二液压流体通道840，以向基础部分550和伸展部分650之间的伸展容积850以及基础部分550和伸展部分650之间的缩回容积860供应加压液压流体。可伸展装置50通过向伸展容积850提供液压流体而可伸展，并且其通过向缩回容积860提供液压流体而可缩回。空间880连接到通气装置(breather)，以便允许可伸展装置伸展和缩回。可伸展装置50的完整功能通过压力阀870在液压上是安全的，不受过载或过压力。
流体通道540是基础部分550的一部分，并且卡盘900是功能部分660的一部分。流体通道540和卡盘900一起形成中央空腔541或中央腔室，用于向伸展部分650以及特别是功能部分660，特别是功能部分660的远侧端供应流体，特别是水或者空气。第一密封套件710被布置在流体通道540和伸展部分650之间，并且适合于平移移动或者密封。第二密封套件720被布置在卡盘900和伸展部分650之间并适合于旋转移动或密封。正如特别是从图6能够看出的那样，两个密封套件710，720均与第一水密封750、第二水密封760以及第一水密封套筒730和第二水密封套筒740相同的或可互换地实现。在卡盘900的近侧端以及在流体通道540的远侧端处定位有螺母703。
功能部分660经由定位于内轴承套筒910、保持套筒920、第一轴承壳体930和第二轴承壳体940之间的双列径向止推滚珠轴承5200联接到伸展部分650。
附图标记的列表
LA纵向轴线
d远侧
p近侧
50可伸展装置
60扭转刚性联接
500第一平移单元
530传动元件
540流体通道
541中央空腔
550基础部分
560驱动部分
600第二平移单元
610伸展部分的内壁
620伸展部分的外壁
621伸展部分的近侧端
622花键联接
623密封套筒
650伸展部分
660功能部分
700第一主密封套件
701第二主密封套件
702 V形环
703螺母
710第一密封套件
720第二密封套件
730第一水密封套筒
740第二水密封套筒
750第一水密封
760第二水密封
800液压流体供应
810径向液压流体供应
820纵向液压流体供应
830第一液压流体通道
840第二液压流体通道
850伸展容积
860缩回容积
870压力阀
880空间
900卡盘
910内轴承套筒
920保持套筒
930第一轴承壳体
940第二轴承壳体
5000钻头
5100驱动单元
5200双列径向止推滚珠轴承
5300正齿轮减速级
5400圆锥滚子轴承
5700速度传感器

Claims (14)

1.可伸展装置(50)，特别是用于钻头(5000)，包括：
-基础部分(550)和驱动部分(560)；
-伸展部分(650)和功能部分(660)；
-所述基础部分(550)和所述驱动部分(560)能够沿纵向轴线(LA)相对于所述伸展部分(650)和所述功能部分(660)移动；
-所述驱动部分(560)和所述功能部分(660)在旋转上彼此刚性联接；
-所述基础部分(550)和所述伸展部分(650)在旋转上彼此刚性联接；
-所述驱动部分(560)和所述功能部分(660)可旋转移动地联接到所述伸展部分(650)。
2.根据权利要求1所述的可伸展装置(50)
-其中所述基础部分(550)和所述驱动部分(560)相对于彼此可旋转地移动，和/或
-其中所述基础部分(550)和所述驱动部分(560)相对于所述纵向轴线(LA)彼此相对固定。
3.根据前述权利要求中的至少一项所述的可伸展装置(50)，
-其中所述伸展部分(650)和所述功能部分(660)相对于彼此可旋转地移动，和/或
-其中所述伸展部分(650)和所述功能部分(660)相对于所述纵向轴线(LA)彼此相对固定。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的可伸展装置(50)，
-其中所述伸展部分(650)和/或所述基础部分(550)在旋转上刚性联接到壳体。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的可伸展装置(50)，
-其中所述基础部分(550)和/或所述伸展部分(650)包括用于提供供应介质的至少一个连接器(800)。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的可伸展装置(50)，
-其中所述功能部分(660)和/或所述驱动部分(560)适合于由驱动单元(5100)绕所述纵向轴线(LA)旋转地驱动。
7.根据前述权利要求中的至少一项所述的可伸展装置(50)，包括：
-流体通道(540)，所述流体通道(540)是所述基础部分(550)的一部分，和/或
-卡盘(900)，所述卡盘(900)是所述功能部分(660)的一部分；
-其中，所述流体通道(540)和/或所述卡盘(900)形成中央空腔(541)，用于供应流体，特别是向所述伸展部分(650)和/或所述功能部分(660)供应流体。
8.根据前述权利要求中的至少一项所述的可伸展装置(50)，
-其特征在于，包括第一密封套件(710)，其被布置在所述流体通道(540)和所述伸展部分(650)之间，和/或
-其特征在于，包括第二密封套件(720)，其被布置在所述卡盘(900)和所述伸展部分(650)之间。
9.根据前述权利要求中的至少一项所述的可伸展装置(50)，
-其中所述功能部分(660)经由轴承(5200)，优选地是经由双列径向止推滚珠轴承联接到所述伸展部分(650)。
10.根据前述权利要求中的至少一项所述的可伸展装置(50)，
-其特征在于，包括处在所述基础部分(550)和所述伸展部分(650)之间的伸展容积(850)，
-其中所述可伸展装置(50)通过向所述伸展容积(850)提供液压流体而是可伸展的。
11.根据前述权利要求中的至少一项所述的可伸展装置(50)，
-其特征在于，包括处在所述基础部分(550)和所述伸展部分(650)之间的缩回容积(860)，
-其中所述可伸展装置(50)通过向所述缩回容积(860)提供液压流体而是可缩回的。
12.根据前述权利要求中的至少一项所述的可伸展装置(50)，
-其特征在于，包括处在所述功能部分(660)和所述驱动部分(560)之间的至少一个扭转刚性联接(60)，用于在不同于与所述纵向轴线(LA)平行的方向的至少一个方向上传递侧向力。
13.钻头(5000)，包括
-根据前述权利要求中的至少一项所述的可伸展装置(50)；
-驱动单元(5100)，所述驱动单元(5100)用于绕所述纵向轴线(LA)旋转地驱动所述可伸展装置(50)的所述驱动部分(560)和/或所述功能部分(660)。
14.操作根据权利要求13所述的钻头(5000)的方法，包括：
-将功能钻孔元件连接到功能部分(660)；
-通过旋转地驱动所述可伸展装置(50)的驱动部分(560)而使所述可伸展装置(50)的所述功能部分(660)旋转；
-沿所述纵向轴线(LA)使所述可伸展装置(50)伸展和/或缩回。
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