CN108561072B - 轮式辗轧带冲击钻进方法、钻进装置、钻进系统及钻机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮式辗轧带冲击钻进方法、钻进装置、钻进系统及钻机，轮式辗轧带冲击钻进方法是在钻进装置上配置致动轮，从转动辗轧钻进的钻头上获取扭矩力转化为冲击能量，以冲击能量向钻进的钻头施加钻进方向上的锤击作用、使转动辗轧钻进做功的钻头获得冲击功实现钻头冲击辗轧钻进的方法，钻头在承受静压力、扭矩力和冲击力的前提下实现冲击破碎入岩，在保证钻进装置的输出功率的前提下，能够提高钻进系统的钻进效率。利用致动轮转动的作用力提供锤击能量，成本较低，具有节能、环保、高效的优点。

Description

轮式辗轧带冲击钻进方法、钻进装置、钻进系统及钻机

技术领域

本发明涉及一种轮式辗轧带冲击钻进方法、钻进装置、钻进系统及钻机。

背景技术

钻进装置作为一种重要的施工机械，在隧道掘进、钻井、地质、物探、采矿、建筑桩基、交通桥梁桩的施工领域中一般采用牙轮钻进装置进行入岩钻进，而所使用的牙轮钻进装置均为静态推进辗轧破碎钻进方式，牙轮钻进装置一般包括钻头，钻头的端部设置有牙轮，牙轮上绕其周向设置有齿形结构，在实际的工作过程中钻进装置的推进力和扭矩力通过钻杆钻头作用于牙轮上，牙轮受压力和扭力作用转动辗轧破碎作业面。钻进装置的动力头是在地面以上，易做到满足钻进扭矩需要，推进力通过钻杆长距离传递到孔底、钻杆传扭能力强、承压能力弱，而这种仅仅依靠牙轮受到静态推进力和扭矩力进行入岩钻进效率较低、能耗高。使用本发明钻进方法及产品，动力传输方式便于制造可有效解决现有技术产品存在的以上问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轮式辗轧带冲击钻进方法，以解决现有技术中仅仅依靠牙轮受到推进力和扭矩力进行入岩钻进存在的钻进效率低的问题；本发明的目的还在于提供一种实现该钻进方法的钻进装置；本发明的目的还在于提供一种钻进系统；本发明的目的还在于提供一种使用本发明钻进方法、钻进装置、钻进系统的钻机。

为实现上述目的，本发明轮式辗轧带冲击钻进方法的技术方案是：

轮式辗轧带冲击钻进方法，在钻进装置上配置致动轮，从转动辗轧钻进的钻头上获取扭矩力转化为冲击能量，以冲击能量向钻进的钻头施加钻进方向上的锤击作用、使转动辗轧钻进做功的钻头获得冲击功实现钻头冲击辗轧钻进的方法；所述致动轮首先从钻头获取扭矩力被钻进地层提供反力转动驱动油泵产生液压能，液压能进而转化为锤击能量。

进一步的，为了不影响钻头的钻进作业，致动轮通过接受来自动力头的部分扭矩与被钻进地层配合取力为冲击提供动力能。

进一步的，为了简化钻进装置的结构，将钻头上的至少一个或多个牙轮配置成为油泵提供动力的致动轮。不需要另外增加致动轮，牙轮既能够破碎入岩，又能够提供锤击能量，简化了钻进装置的结构。

进一步的，为了提高取力稳定性，使用液压能作为中间能量，提高系统的稳定性。

进一步的，为了简化结构，辗轧带冲击的钻头、致动轮辗轧钻进取力和锤击同时进行。此时不需要存储中间能量，简化系统结构。

进一步的，为了保证钻进过程中钻头的稳定性，锤击作用施加在孔底钻进装置的钻头处。减小锤击作用点与钻头钻进端部之间的距离，提高钻头钻进过程中的稳定性。

本发明钻进装置的技术方案是：

钻进装置，包括钻头，钻进装置上配置有致动轮和通过致动轮提供锤击能量的锤击装置，致动轮用于从转动辗轧钻进的钻头上获取扭矩力转化为冲击能量，锤击装置用于以冲击能量向钻进的钻头施加钻进方向上的锤击作用，使转动辗轧钻进做功的钻头获得冲击功实现钻头冲击辗轧钻进；钻进装置上的辗轧带冲击的所述钻头配置有液压驱动机构，所述锤击装置为由所述液压驱动机构驱动的液压冲击锤。

进一步的，为了方便致动轮的安装，所述致动轮配置在钻头上。钻头的体积大，方便安装。

进一步的，为了简化钻进装置的结构，至少一个或多个牙轮配置成为所述致动轮。方便安装，同时不需要另外增加致动轮，简化钻进装置的结构。

进一步的，锤击装置包括一个配置在钻头上的单锤、或配置在钻头上的多个组合布置在以钻进装置为中心的周围的单锤。

进一步的，为了保证锤击作用的稳定，液压驱动机构包括油泵，所述致动轮与油泵传动连接。液压驱动机构结构简单，稳定性好，提高对钻头锤击作用的稳定性。

本发明钻进系统的技术方案是：

钻进系统，包括动力头、钻杆和钻进装置，所述钻进装置包括钻头，钻进装置上配置有致动轮和通过致动轮提供锤击能量的锤击装置，致动轮用于从转动辗轧钻进的钻头上获取扭矩力转化为冲击能量，锤击装置用于以冲击能量向钻进的钻头施加钻进方向上的锤击作用，使转动辗轧钻进做功的钻头获得冲击功实现钻头冲击辗轧钻进；钻进装置上的辗轧带冲击的所述钻头配置有液压驱动机构，所述锤击装置为由所述液压驱动机构驱动的液压冲击锤。

进一步的，为了方便致动轮的安装，所述致动轮配置在钻头上。钻头的体积大，方便安装。

进一步的，为了简化钻进装置的结构，至少一个或多个牙轮配置成为所述致动轮。方便安装，同时不需要另外增加致动轮，简化钻进装置的结构。

进一步的，锤击装置包括一个配置在钻头上的单锤、或配置在钻头上的多个组合布置在以钻进装置为中心的周围的单锤。

进一步的，为了保证锤击作用的稳定，液压驱动机构包括油泵，所述致动轮与油泵传动连接。液压驱动机构结构简单，稳定性好，提高对钻头锤击作用的稳定性。

本发明钻机的技术方案是：

钻机，包括桩架和设置在桩架上的钻进系统，钻进系统包括动力头、钻杆和钻进装置，所述钻进装置包括钻头，钻进装置上配置有致动轮和通过致动轮提供锤击能量的锤击装置，致动轮用于从转动辗轧钻进的钻头上获取扭矩力转化为冲击能量，锤击装置用于以冲击能量向钻进的钻头施加钻进方向上的锤击作用，使转动辗轧钻进做功的钻头获得冲击功实现钻头冲击辗轧钻进；钻进装置上的辗轧带冲击的所述钻头配置有液压驱动机构，所述锤击装置为由所述液压驱动机构驱动的液压冲击锤。

进一步的，为了方便致动轮的安装，所述致动轮配置在钻头上。钻头的体积大，方便安装。

进一步的，为了简化钻进装置的结构，至少一个或多个牙轮配置成为所述致动轮。方便安装，同时不需要另外增加致动轮，简化钻进装置的结构。

进一步的，锤击装置包括一个配置在钻头上的单锤、或配置在钻头上的多个组合布置在以钻进装置为中心的周围的单锤。

进一步的，为了保证锤击作用的稳定，液压驱动机构包括油泵，所述致动轮与油泵传动连接。液压驱动机构结构简单，稳定性好，提高对钻头锤击作用的稳定性。

本发明的有益效果是：本发明的轮式辗轧带冲击钻进方法通过在钻头上配置致动轮，致动轮与钻孔内被钻进地层配合转动，从转动辗轧钻进的钻头上取力转化为锤击能量，以锤击能量向钻进的钻头施加锤击作用，钻头在辗轧做功的同时获得冲击功实现辗轧冲击破碎、提高适用地层范围，钻头在承受静压力、扭矩力和冲击力的前提下实现冲击破碎入岩，在保证钻进装置的输出功率的前提下，能够提高钻进系统的钻进效率。利用致动轮转动的作用力提供锤击能量，成本较低，具有节能、环保、高效的优点。

附图说明

图1为本发明的钻进系统的具体实施例1中的结构示意图；

图2为本发明的钻进系统的具体实施例2的结构示意图；

图3为本发明的钻进系统的具体实施例3的结构示意图。

附图标记说明：1-动力头；2-钻杆；3-钻头；4-牙轮；5-液压油泵；7-锤体；8-换向阀；9-液压油缸；41-齿形结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的钻进系统的具体实施例1，如图1所示，该钻进系统包括动力头1和钻进装置，钻进装置包括钻头3和与动力头连接的钻杆，定义钻杆2的轴线方向为上下方向（即钻进方向），钻头3转动装配在钻杆2的下端，钻头3的下端转动设置有牙轮4，在实际的工作过程中，钻头3受钻进系统驱动转动时带动牙轮4绕钻头3的中心线公转，牙轮4在与工作面接触钻进的过程中，牙轮4受钻孔内被钻进地层的反作用力会发生自转，从而在钻进系统的推进力以及钻头3的扭矩力的作用下实现入岩破碎。

在本实施例中，上述的牙轮4的外周面设置有一圈齿形结构41。钻进装置上配置有液压驱动机构，液压驱动机构包括与牙轮4上的齿形结构41配合的液压油泵5，同时在钻头3内设置有由液压驱动机构驱动的冲击锤，冲击锤包括锤体7，本实施例中的冲击锤为液压冲击锤，冲击锤的锤体7沿钻进方向往复运动。液压油泵5为齿轮泵，通过液压油泵5的齿轮与牙轮4的齿形结构41啮合传动配合实现液压油泵5转动。牙轮4自转时会带动液压油泵5工作，液压油泵5向冲击锤提供液压动力源，进而带动冲击锤的锤体7在钻头3内上下移动。本实施例中的冲击锤构成通过由牙轮4提供锤击能量的锤击装置，牙轮4与钻孔的内侧面配合转动，从钻头3取力并通过冲击锤转化为锤击能量。

本实施例中的冲击锤为由液压油泵提供动力的液压冲击锤，其他实施例中，锤击装置除了采用液压冲击锤外，也可以采用现有技术中机械传动式冲击锤，比如采用凸轮传动的机械锤；当然，根据使用需要，也可以采用气压冲击锤、电动冲击锤等，对应的，牙轮提供的能量对应转化为机械能、电能，然后转换成锤击能量。

本实施例中，由于牙轮4设置在钻头3的底部，牙轮4通过与钻孔的孔底配合转动取力，牙轮4构成转动配置在钻进装置上的致动轮，本实施例中提供锤击能量的牙轮4仅设置一个，其他实施例中，也可以将两个或者多个牙轮配置成提供锤击能量的致动轮。其他实施例中，为了不影响牙轮的钻进作用，也可以在钻进装置的底面上另外增设致动轮，此时钻头上的牙轮的作用不变，另外增设的致动轮用于提供锤击能量。

本实施例中的冲击锤设置一个，冲击锤的锤击中心与钻进装置的中心重合，保证锤击中对钻头3的冲击力作用在钻头3的中心，使钻头3工作过程中不会偏斜。其他实施例中，冲击锤可以设置至少两个，此时多个冲击锤构成锤击装置，每个冲击锤为一个单锤，各单锤的锤击中心均匀布置在钻进装置的中心的周围，始终保证锤击装置的锤击中心与钻进装置的中心重合。冲击锤设置至少两个时，各冲击锤的锤击中心与钻进装置的中心重合，也可以保证锤击装置的锤击中心与钻进装置中心重合。

为了保证冲击锤运动的换向，在本实施例中，液压驱动机构还包括设置在钻头3内的换向阀8，其中换向阀8和外部控制机构构成了用于控制锤体7往复动作的换向控制系统。牙轮4在受扭矩力和推进力向前钻进的基础上，通过牙轮4转动驱动锤体7往复运动，锤体7往复运动的过程中向钻头3施加冲击功，牙轮4在辗轧做功的同时获得冲击功实现辗轧冲击破碎入岩钻进。牙轮4在承受静压力、扭矩力和冲击力的前提下实现冲击破碎入岩，结构比较简单，而且利用牙轮4转动的作用力向冲击锤提供驱动力，在保证钻进系统的输出功率的前提下，能够提高钻进装置的钻进效率，成本较低。具有节能、环保、高效的优点。

本实施例中的钻进系统在使用时，通过配置在钻进装置上的牙轮4与钻孔的孔底面配合转动，从钻头3取力转化为锤击能量，在钻头3钻进行程中，以锤击能量向钻进的钻头3施加钻进方向上的锤击作用，提高钻进效率。本实施例中，牙轮4从钻头3取力和冲击锤向钻头3施加锤击作用同时进行，其他实施例中，牙轮从钻头3取力获取的能量也可以通过储能装置进行能量集结，储能装置释放能量转化成锤击能量对钻头3进行锤击。

本发明的钻进系统的具体实施例2，与具体实施例1的不同之处在于，上述具体实施例1中钻头上对钻头提供锤击能量的牙轮为单个，如图2所示，本实施例中，钻进装置的钻头3上的多个牙轮4对钻头提供锤击能量，牙轮4沿钻头3的周向间隔布置，且牙轮4受钻头3驱动被钻进岩层从而为牙轮提供反力转动。牙轮4的一端通过联轴器连接有液压油泵5，液压油泵5通过油管连接冲击锤，冲击锤包括液压油缸9，液压油缸绕钻杆的轴线周向间隔布置。液压油缸9为活塞缸，冲击锤还包括连接在液压油缸内的活塞杆和设置在活塞杆输出端的锤体7，液压油泵驱动液压缸通过换向控制驱动锤体7上下运动，在实际的工作过程中，牙轮4受力自转动时，通过联轴器带动液压油泵5工作，进而向液压油缸9提供高压油液，液压油缸9受高压油液的作用往复动作，进而带动锤体7上下往复运动，最终向钻头3施加冲击作用力，当然，在本实施例中，为了保证锤体7运动过程所需能量，液压油泵5有多个相互并联供给锤体7液压能。同时，上述的各个牙轮4上的液压油泵5均通过一个换向阀8与液压油缸9配合，通过换向阀8的设置来实现液压油缸9中的油路换向变换做功。在本实施例中，上述的牙轮为牙型轮，在其他实施例中，牙轮也可以为球齿轮或滚刀轮等结构形式。

本发明的钻进系统的具体实施例3，与具体实施例2的不同之处在于，如图3所示，液压油缸9可以仅设置一个，液压油缸9的轴线与锤体7的轴线一致。

上述具体实施例1或2或3是钻进系统的优化的具体实施方式，其他实施例中，可以根据实际情况或者需要进行简化或者进一步优化，具体的变形形式可以有以下几种情况：

本发明的钻进系统的具体实施例4，钻进系统包括动力头、钻杆和钻进装置， 钻进装置包括钻头，钻进装置上配置有致动轮和通过致动轮提供锤击能量的锤击装置，致动轮用于从转动辗轧钻进的钻头上获取扭矩力转化为冲击能量，锤击装置用于以冲击能量向钻进的钻头施加钻进方向上的锤击作用，使转动辗轧钻进做功的钻头获得冲击功实现钻头冲击辗轧钻进。

本实施例中的锤击装置和钻进装置除了采用上述具体实施例1或2或3中的形式外，也可以采用上述其他实施例中的形式，比如：为了不影响牙轮的钻进作用，也可以在钻进装置的底面上另外增设致动轮；也可以在钻进装置的侧面配置致动轮；锤击装置除了采用液压冲击锤外，也可以采用现有技术中机械传动式冲击锤，比如采用凸轮传动的机械锤；当然，根据使用需要，也可以采用气压冲击锤、电动冲击锤等。

通过在钻进装置上配置提供锤击能量的致动轮，使钻头在辗轧做功的同时获得冲击功实现辗轧冲击破碎入岩钻进，钻头在承受静压力、扭矩力和冲击力的前提下实现冲击破碎钻进，在保证钻进装置的输出功率的前提下，能够提高钻进系统的钻进效率。利用致动轮转动的作用力提供锤击能量，成本较低，具有节能、环保、高效的优点。

本发明的钻进系统的具体实施例5，作为对钻进系统的具体实施例4的进一步优化，所述致动轮配置在钻头上。其他实施例中，锤击作用可以施加在钻进装置的钻杆上，通过钻杆传递至钻头上。

本发明的钻进系统的具体实施例6，作为对钻进系统的具体实施例5的进一步优化，至少一个或多个牙轮配置成为所述致动轮。具体的，被配置为致动轮的牙轮可以是一个、两个或者多个。被配置为致动轮的牙轮有多个时，可以在钻头内设置一个或多个冲击锤。

本发明的钻进系统的具体实施例7，作为对钻进系统的具体实施例4~6任一个中的进一步优化，锤击装置包括一个配置在钻头上的单锤、或配置在钻头上的多个组合布置在以钻进装置为中心的周围的单锤。锤击装置除了采用一个单锤之外，也可以采用至少两个单锤，采用两个以上单锤时，各单锤沿钻进装置的中心线延伸方向布置，使用时各单锤上下同心布置。

本发明的钻进系统的具体实施例8，作为对钻进系统的具体实施例4的进一步优化，钻进装置上的辗轧带冲击的所述钻头配置有液压驱动机构，所述锤击装置为由所述液压驱动机构驱动的液压冲击锤，液压驱动机构包括油泵，所述致动轮与油泵传动连接。液压驱动机构结构简单，稳定性好。除了采用具体实施例1中的齿轮式油泵之外，也可以使用柱塞式油泵，牙轮自转时带动柱塞泵工作。

本发明所涉及的钻进装置的具体实施例，其结构与上述的钻进系统的任一具体实施例中的钻进装置的结构一致，不再详细展开。

本发明所涉及的钻机，包括桩架和钻进系统，钻进系统的结构与上述的钻进系统的任一具体实施例的结构一致，不再详细展开。

本发明所涉及的轮式辗轧带冲击钻进方法的具体实施例1，在钻进装置上配置致动轮，从转动辗轧钻进的钻头上获取扭矩力转化为冲击能量，以冲击能量向钻进的钻头施加钻进方向上的锤击作用、使转动辗轧钻进做功的钻头获得冲击功实现钻头冲击辗轧钻进的方法。该方法在具体实施例过程中所使用的钻进装置可以是上述钻进系统的具体实施例1-8任意一个中所述的钻进系统的钻进装置，比如，可以采用钻进系统的具体实施例1中的钻进装置，此时，轮式辗轧带冲击钻进方法的与上述的钻进系统的具体实施例1中的方法一致。

本发明所涉及的轮式辗轧带冲击钻进方法的具体实施例2，作为对钻进方法的具体实施例1的进一步优化，致动轮通过接受来自动力头的部分扭矩与被钻进地层配合取力为冲击提供动力能。

本发明所涉及的轮式辗轧带冲击钻进方法的具体实施例3，作为对钻进方法的具体实施例2的进一步优化，将钻头上的至少一个或多个牙轮配置成为油泵提供动力的致动轮。也可以在钻进装置上另外配置致动轮；当然也可以将至少一个或多个牙轮配置为致动轮。

本发明所涉及的轮式辗轧带冲击钻进方法的具体实施例4，作为对钻进方法的具体实施例1~3任一个中的进一步优化，致动轮首先从钻头获取扭矩力被钻进地层提供反力转动驱动油泵产生液压能，液压能进而转化为锤击能量。

本发明所涉及的轮式辗轧带冲击钻进方法的具体实施例5，作为对钻进方法的具体实施例4的进一步优化，辗轧带冲击的钻头、致动轮辗轧钻进取力和锤击同时进行。简化装置结构。

本发明所涉及的轮式辗轧带冲击钻进方法的具体实施例6，作为对钻进方法的具体实施例1~3任一个中的进一步优化，锤击作用施加在孔底钻进装置的钻头处。其他实施例中，锤击作用可以施加在钻进装置的钻杆上，通过钻杆传递至钻头上。

Claims (8)

1.钻进装置，包括钻头，其特征在于：钻进装置上配置有致动轮和通过致动轮提供锤击能量的锤击装置，致动轮用于从转动辗轧钻进的钻头上获取扭矩力转化为冲击能量，锤击装置用于以冲击能量向钻进的钻头施加钻进方向上的锤击作用，使转动辗轧钻进做功的钻头获得冲击功实现钻头冲击辗轧钻进；钻进装置上的辗轧带冲击的所述钻头配置有液压驱动机构，所述锤击装置为由所述液压驱动机构驱动的液压冲击锤，所述致动轮配置在钻头上，至少一个或多个牙轮配置成为所述致动轮，液压驱动机构包括油泵，所述致动轮与油泵传动连接。

2.根据权利要求1所述的钻进装置，其特征在于：锤击装置包括一个配置在钻头上的单锤、或配置在钻头上的多个组合布置在以钻进装置为中心的周围的单锤。

3.轮式辗轧带冲击钻进方法，其特征在于：实施该方法采用的钻进装置为权利要求1或2所述的钻进装置，从转动辗轧钻进的钻头上获取扭矩力转化为冲击能量，以冲击能量向钻进的钻头施加钻进方向上的锤击作用、使转动辗轧钻进做功的钻头获得冲击功实现钻头冲击辗轧钻进的方法；所述致动轮首先从钻头获取扭矩力被钻进地层提供反力转动驱动油泵产生液压能，液压能进而转化为锤击能量。

4.根据权利要求3所述的轮式辗轧带冲击钻进方法，其特征在于：致动轮通过接受来自动力头的部分扭矩与被钻进地层配合取力为冲击提供动力能。

5.根据权利要求3或4所述的轮式辗轧带冲击钻进方法，其特征在于：辗轧带冲击的钻头、致动轮辗轧钻进取力和锤击同时进行。

6.根据权利要求3或4所述的轮式辗轧带冲击钻进方法，其特征在于：锤击作用施加在孔底钻进装置的钻头处。

7.钻进系统，包括动力头、钻杆和钻进装置，其特征在于：所述钻进装置为上述权利要求1或2所述的钻进装置。

8.钻机，包括桩架和设置在桩架上的钻进系统，钻进系统包括动力头、钻杆和钻进装置，其特征在于：所述钻进装置为上述权利要求1或2所述的钻进装置。