CN1090012A - 凿岩机用不转动活塞及其可拆除的花键螺母 - Google Patents

Abstract

一种流体驱动冲击工具，其内有一个可纵向往复 移动但是不转动的活塞。活塞驱动一个使钻钢转动 的卷簧离合器。可拆除的花键螺母与工具的壳体结 合使活塞不能转动，但仍允许活塞作纵向往复运动。

Description

本发明总体上来说涉及一种在工具壳体内有往复活塞的流体驱动冲击工具，特别涉及一种凿岩机。在这种凿岩机内，活塞沿纵长方向往复运动，而钻钢（drill  steel）经受活塞冲击的同时还被转动。

一般的凿岩机结构均使用一个由液压循环系统往复驱动的活塞以便向钻钢提供冲击能量。这种钻（钢）的作业要求钻钢随着活塞的往复而转动。这种旋转运动是通过一组花键和离合器机构完成的。这种花键的几何形状通常要求活塞随着钻钢旋转。一种典型的钻（钢）是在每分钟冲击2000次每个冲程量为2英寸的情况下作业，这相当于沿轴线方向的每分钟表面切削英尺为670英尺。这种钻（钢）通常每分钟转140-150次。一个平均直径为2英寸的活塞其回转表面进尺就将近似于达到75英尺/分钟。表面进尺的两个分量将把活塞几何形状的磨损总量分加到活塞的环绕组件。抑制表面进尺的转动分量将会减少这些组件间的磨损。因而钻（钢）作业时的性能反易件整体性将会增强。

为了使钻钢转动，一般在凿岩机中的结构是使用一种花键螺母。花键螺母是外直径上制有螺纹且具有内花键的结构类型。螺母的制螺纹区域通常由凿岩机内部的另一个组件如卡头或卡头驱动件环绕。螺母上的内花键与活塞上的花键啮合。螺母和活塞的花键之间的相互扭转通常引起螺母本身急剧磨损。这一组件的修理是很困难的，而且将螺母从活塞或卡头结构中拆下需要特殊搬手。

前面说明了现有凿岩机中存有的公知的不足之处。因此很明显，提供一种克服上述的一种或多种不足之处的替换产品是有益的。一种适合的替换产品将在本说明书中更充分地加以说明。

本发明的一个方面是提供一种流体驱动工具，它具有一个有活塞杆，一活塞尾和一活塞头的活塞;沿活塞杆配制有多个纵向螺旋沟槽;一个可拆除地安置在壳体与纵向螺旋沟槽之间从而允许活塞纵向移动而不能转动的压配合螺母。

本发明的第二个方面是提供一种可折卸的花键螺母组合。这种螺母组合在螺母的内表面有多条花键，这些花键可滑动地键连于活塞杆的纵向沟槽中，从而允许活塞的纵向往复移动。螺母在其外表面上有多个突起，这些突起与相邻接的壳体上的多个突起空腔形成压配合，阻止活塞的转动。在活塞纵向移动期间一个卷簧将回转运动传给钻钢。

在结合附图对本发明进行详细介绍之后，上述各方面及别的一些方面会变得更为清楚。

对附图简单说明如下，

图1是剖视图，一部分已被除去，它展示由棘轮棘爪机构转动的公知的活塞;

图2是沿图1  A-A线的剖视图;

图3是本发明的凿岩机的剖视图;

图4是本发明的可拆去的花键螺母及其油润滑系统的放大图;

图5是沿图4  B-B线的剖视图;

图6是用于本发明的一个可拆去的花键螺母的立体草图;

图7是图4中圆圈A处的放大图;

图8是活塞杆的立体图，展示其纵向螺旋沟槽。

在对本发明结合实施例介绍说明之后，应该认识到，不违背写在权利要求书中的本发明的基本精神还可以作出别的变化和改变。

参看图1和2，这种现有技术的凿岩机有一个用于在冲程循环期间使活塞转动的机构。活塞1用活塞来复线螺母5安装在来复线轴3上，螺母5用螺纹联结于活塞头7。螺母借助于内花键安装于来复线杆3上并可于其上滑动。内花键与在杆3上沿与活塞1往复方向相同的方向延伸的纵向沟槽9相配合。

将杆3的顶端用多个爪15与齿轮13相连接，爪15与圈齿轮13相互制约使之只在一个方向上允许转动。圈齿轮13与阀17一起安置在凿岩机壳体（未视示）的后部，阀17在凿岩机作业期间将冲击流体传布给钻头。

活塞杆20借助活塞杆轴承26安装于壳体22内以便于其沿轴线24往复运动。卡紧螺28借助于内花键安装于活塞杆20上并可于其上滑动，内花键又与沿活塞杆20延伸的纵向沟槽30相配合。卡紧螺母28用螺纹拧入卡具驱动器32，驱动器32又与卡盘34连接。钻钢36安装在卡盘内并可于其内滑动。这样一来就可以理解到，在现有技术的凿岩钻机中，钻钢只能沿一个方向转动。这种回转运动是通过活塞1和活塞来复线螺母与花键卡紧螺母28之间的连接结构传送至钻钢36，因为螺母28是与卡具驱动器32及卡盘34相联结的。

参看图3，所展示的本发明的凿岩机大致用数码40来标示，它有一个外壳42，贯穿外壳42上的具有纵轴44的中心孔用于活塞46和钻钢48、100的往复运动。活塞46由在压力约为90-100磅/英寸₂的压缩空气一类的冲击流体驱动。活塞46有一活塞头48，置于活塞头一侧的一活塞尾以及置于活塞头另一侧的活塞杆52用壳体件54将活塞支承得可使之在壳体42中作纵向往复运动，件54与活塞头48，连接活塞尾50的空气分配器56及以与活塞杆52连结的活塞杆轴承58相连接。它们之间的连接方式是公知的。

冲击流体被导入在后部62的容纳腔60，并由分配器56将之导入流体通道64、66和通连驱动腔72的孔口68、70中，并随后又导入返回腔74。取决于活塞在冲程循环中的位置，驱动腔72或返回腔74中的一个与排出孔口76相通而将在腔72或74中的一个中的流体排出。

活塞46由一系列沿活塞杆52延伸的沟槽回绕而不能转动。在本文中使用的术语“纵向”意思是指平行于轴线44的方向。沟槽80与可拆除的花键螺母84的花键82配合。螺母84相对于其周围的壳体86（见图5）是不可转动的。花键82成形在螺母84的内表面上，沿着螺母纵向向下延伸。

活塞46还有一组与一个螺旋母94内的螺旋花键92相连结的螺旋沟槽90（见图5）。螺旋沟90沿活塞杆52延伸且位于纵向沟槽80之间，最好是一个螺旋沟槽90位于每一对相邻的纵向沟槽80之间。花键92的螺旋作用使螺旋母90随着活塞46的往复运动而来回转动。螺旋母94又被以摩擦方式连结于如卷簧、离合器（wrap  sping  clutch）96那样的单向离合器机构，离合器96驱动卡盘98和钻钢100。螺旋母96配置有其上有第一突起面102的外表面。卡盘98在孔中的安置定位得使之在卡盘98上，能配置一个与第一突起面102邻接的外突起面104。将一个螺旋弹簧106绕着第一、二突起面102、104卷绕以使得随着活塞46往复运动，卡盘98以及其内的钻钢48、100在一个方向上转动。这种卷簧离合器机构已介绍于授于Leland，Hlyon等人的5139093号专利之中。

花键螺母84可以从壳86中拆除。这种可拆除性是通过取消图1所示的螺母5与活塞头7之间的螺纹连接，并给螺母84如图3所示配置了与活塞杆52上的沟槽80啮合的内花键82而获得的。因此可以明白，螺母被以可滑动的花键方式连接于活塞杆52，但螺母不可以相对纵轴线44、活塞46和壳体86转动。

如图5所示，螺母84至少在其外表面上有一个突起110。申请人推荐在螺母84外周面等间距布置3个突起，任何一个合理数目的突起亦可采用。螺母84的每一个突起凸廓面110与周围壳体86内的凹形突起腔112啮合。在工具作业时，活塞往复移动。卷簧离合器96使活塞46有转动趋向。螺母84的作用就是防止活塞的这种转动。在活塞46试图转动时，螺母84的花键82阻止这种转动。然后，这种扭转载荷就被传送到突起110和壳体86的突起腔112而防止转动。

如图6-7所示，螺母外直径的圆锥形则进一步加大了螺母84承受这种载荷的能力。螺母84成圆锥的方式使得在一个剖面图上观察时，在螺母84的顶端114和底端116处的凸形轮廓均小于此螺母的顶端114和底端116之间的中央部分峰尖118。在螺母84插入凹形壳体轮廓时，螺母84就挤紧壳体86。因此可以理解存在有两个压配合：由突起110引起的一个压配合及由螺母锥体形成的另一个压配合。

此外，还可以通过在一个或多个突起110内形成沿螺母体84全长的纵长轴线方向延伸的纵向沟120提供第三个压配合。申请人推荐在三个突起110中的每一个内均设置一个沟槽120。将销122缓缓地压入每一个沟槽120中而在螺母84与壳体86的突起腔112中形成一个压配合。一旦另外两种界面被磨损，这种销结构就会起与一种滚子斜面型离合器的相似的作用，螺母一开始转动，销结构就会进一步挤紧这螺母。

通过将液体润滑剂最好是油导入冲击空气为凿岩机提供润滑。如图3、图4所示油杯130用螺纹密封住在壳体86内的油导入管132。凿岩机操作员每隔一固定周期间隔就将油导入油管132。活塞杆轴承140有一个与活塞杆52滑动接触的内表面142，轴承140支承活塞46使之可沿轴线44往复运动。轴承140有一个形成环形容纳部分146及底部法兰148的外表面144。环形容纳部分146在其顶面部分150与壳体内壁152之间形成不透液的密封接触，外表面144和壳体152的结合形成一个油腔160。油腔160也可以由壳体的内表面152中的一条槽缝或其一部分形成。油腔160与进油管132沟通而将油送入油腔160。供油孔170延伸过底部法兰148为限油元件172形成一个内部通道，元件172可以是一种可除去的多孔的烧结金属塞，供油孔170和限油元件172为油进入在可拆除的花键螺母84范围内的凿岩机的孔提供了一个通道。底部法兰148与壳体86的内壁也是液密性接触的。

活塞杆轴承140的顶端180在与上表面150隔开的另一处与壳体86的内表面182间形了第二处液密性接触。在顶端180和上表面150之间在外表面144上形成第一个环沟184，环沟184以多个间隔地环绕分布于活塞杆轴承140的小孔188与活塞杆内表面上的第二个环沟186沟通。借助轴承140上的孔188和活塞杆52上的沟槽第一沟184与外通道沟通，由此而可将冲涮液体导入前活塞腔192并流出腔室而环绕着钻钢48、100，将岩屑从钻孔中冲走。外通道190、沟槽184，186，孔188可以随意选择，并不构成本发明的一部分。

在作业过程中，随着返回腔74排空，一部分排出物通过活塞杆52的纵向沟槽80进入活塞46前面的前活塞腔192。这样的排空与从凿岩和后面的空气分配腔56通过中心孔向下排放的压力流体相结合。油和流体的混合物润滑着卷簧离合器96和在这一区域的别的工作表面，并最后环绕着钻钢被排出，以除去钻孔中的碎屑。

前腔192中的压力一般为10-30磅/[英寸]²，而驱动腔72和返回腔74中的压力则要高得多，约为90-100磅/[英寸]²。由于油腔160安置于返回腔74的下方，且不与返回腔中的压力流体接触。故油腔160仅仅经受到由前活塞腔中的低脉动压力引起的低压力差的影响。这种低压力差使少量的油从油腔160被耗费。

Claims (12)

1、其顶端有一个后部(baachead)，在其底端有一个钻钢卡盘，在其底端和顶端之间延伸有一个具有中心孔、孔中有一个往复移动活塞的壳体的一个流体驱动冲击工具有下列改进：

a、活塞有一个活塞杆，一个活塞尾及在活塞杆、尾之间的一个活塞头；

b、支承活塞使之沿纵轴线在中心孔中作往复移动的装置；

c、多条纵向沟槽沿活塞杆向下延伸并彼此间隔地列布于活塞杆圆周面上；

d、多条螺旋沟槽沿活塞杆螺旋地延伸，每条螺旋沟槽均设置于一对纵向沟槽之间；

e、在壳体和活塞杆之间的压配合机构允许活塞作纵向往复移动。但不允许活塞在中心孔中回转；

f、与螺旋沟槽连接的转动机构使安置于卡盘内的钻钢在活塞往复移动时沿一个方向转动。

2、如权利要求1所述工具，其特征在于：所述压配合机构有一个可拆除螺母，该螺母有一个与所述纵向沟槽滑动地连接的制有花键的内表面和一个被限定于壳体的一个突起腔内的外突起表面，突起腔制作得可与突起配合，由此而消除了该螺母及活塞的转动，但允许活塞作纵向移动。

3、如权利要求2所述工具，其特征在于：可拆除螺母具有多条沿螺母体内表面纵向延伸的花键，在螺母的外表面上配置有多个突起面;

4、如权利要求3所述工具，其特征在于：可拆除螺母有多达3个等距离环列于其园周面上的突起。

5、如权利要求4所述工具，其特征在于：壳体上可拆除螺的每一个突起都设有一个突起腔;

6、如权利要求5所述工具，其特征在于：可拆除螺母至少在一个突起上设有一条容纳压配于该突起和突起腔之间的一个肖子的纵向沟。

7、如权利要求6所述工具，其特征在于：支承活塞使之沿轴线作往复运动的装置还具有在后部设置一个空气分配器，分配器有一个与活塞尾部滑动接触的内表面;

b、一个壳体支承表面与活塞头接触;

c、一个活塞杆轴承置于所述孔中，该轴承有一个与活塞杆滑动接触的内表面。

8、如权利要求7所述工具，其特征在于有：

a、一个具有与活塞杆上螺旋沟可滑动地连接的螺旋花键的可转动螺母;

b、一个在所述螺母上的第一突起面;

c、一个在壳体内的卡盘，卡盘上有一个第二突起面，且该面置于都接第一个突起面之处。

d、一个卷簧螺旋地缠绕于第一、二突起面，借此而使突起随着活塞往复运动而作单方向转动。

9、一个限制在流体驱动的冲击工具壳体内往复移动的活塞的转动的可拆除花键螺母，该活塞具有其上开了多条纵向沟槽的活塞杆，该螺母还具有：

a、一个螺母体，螺母体有一个顶端，一个底端及一个在顶、低端之间的中心部;

b、螺母体的内表面，至少有一条在其上纵向延伸的、用于与活塞杆上的纵向沟槽可滑动连接的花键;

c、一个外表面，其上至少有一个用于压配入一个具有一个突起腔的壳体部分的突起，突起腔用于沿纵长方向容纳该突起。

10、如权利要求1所述螺母，其特征在于该螺母至少有三个突起环绕列于螺母体上。

11、如权利要求10所述螺母，其特征在于，每个突起其上有一个容纳用于使该突起与壳体突起腔强制配合用的一个销子的纵向沟槽;

12、一个流体驱动凿岩机在顶端有一个后部;在底端有一个钻钢卡盘;在顶端与底端之间延伸有一壳体，壳体有一个其内支承一个沿纵轴线往复运动的活塞的中心孔;并有一个卷簧离合器，用于在活塞往复运动期间使卡盘中的钻钢沿一个方向转动。该凿岩机还有以下改进：

a、活塞有一个活塞杆，一个活塞尾，及一个置于底端及顶端之间的活塞头;

b、多条纵向沟槽沿活塞杆延伸，并间隔环绕列布于活塞杆的圆周上;

c、一个可拆除螺母，该螺母具有与纵向沟槽可滑动地连接的一个花键内表面;以及一个约束在壳体上的一个突起腔中的突起外表面，由此而使活塞及此螺母不能转动，但仍允许活塞作纵向移动。

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