CN109944545A - 可定位支架组件 - Google Patents

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CN109944545A CN201910051528.4A CN201910051528A CN109944545A CN 109944545 A CN109944545 A CN 109944545A CN 201910051528 A CN201910051528 A CN 201910051528A CN 109944545 A CN109944545 A CN 109944545A
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雅各布·塞维特斯
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Vermeer Manufacturing Co
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Abstract

本发明公开了一种可定位支架组件。在一个方面，可定位支架组件包括连接到线性驱动元件的致动装置，例如一个或多个线性液压缸。线性驱动元件可以包括第一和第二齿条。可定位支架组件还可以包括具有第三齿条的第一支架构件和具有第四齿条的第二支架构件。可以设置第一齿轮结构，所述第一齿轮结构与第一和第三齿条可操作地啮合，同时可以提供与第二和第四齿条可操作地啮合的第二齿轮结构。在操作中，致动装置在第一方向上使线性驱动元件进行线性移动，进而又使支架构件在与第一方向正交的第二方向上通过中间的第一和第二齿轮结构进行同步的线性移动。

Description

可定位支架组件
本申请是申请日为2015年12月22日、申请号为201580076719.6、发明名称为“可定位支架组件”的专利申请的分案申请。
本申请作为PCT国际专利申请于2015年12月22日提交，并要求于2014年12月22日提交的美国临时专利申请62/095,395号的优先权，该申请的公开内容在此整体通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及可定位支架组件。可定位支架组件可以用于各种实施方式，例如作为滑出式露营器组件的一部分或者作为用于移动一对杆装载臂或钻杆料仓(magazine)支架的定向钻机的一部分。
背景技术
用于支撑和定位负载的可定位支架组件是已知的。一些可定位支架组件包括齿条齿轮驱动系统，其中一个或多个从动支架臂包括由具有小齿轮的液压或电动式电动机驱动的齿条。在需要这种系统的精确定位的情况下，这些类型的支架组件可能具有限制。例如，由于液压电动机的结构，不能以高精度可靠地确定小齿轮的确切位置。液压流体温度的变化也会影响精度。这些限制类型可能导致控制系统的振荡。这种类型的支架组件也可能需要大量零件，从而导致增加的成本和降低的可靠性。另外，一些实施方式也可能导致(多个)电动机，特别是轴承的过度磨损。此外，许多现有系统需要用于安装(多个)电动机和其他相关部件的大量空间。因此，需要一种耐用且紧凑的可定位支架组件，所述支架组件具有可以被精确和可靠地定位的几个可移动部件。
可定位支架组件的一个非限制性应用是定向钻机应用。定向钻机用于沿着地下的基本水平的路径钻井筒。在钻井筒之后，产品(例如，线缆、管子或类似产品)的长度可以通过该井筒。这种定向钻机不需要挖掘长的沟槽来将一段产品铺设在地下。
典型的定向钻机包括可以相对于地面以倾斜方向对准的细长轨道。驱动头安装在轨道上，以便可沿着轨道的长度移动。驱动头包括围绕基本上平行于轨道的驱动轴线旋转的驱动构件。驱动构件适于连接到一段管子。例如，驱动构件可以包括具有阴螺纹或阳螺纹的螺纹端。
为了提高钻采率，重要的是最大化可以将管子被从定向钻机的料仓装载和卸载的效率。直到最近，管子在钻机的料仓和驱动头之间被手动运输，并且还被手动地从料仓装载和卸载。最近的发展通过自动化具有提高的管子装卸效率。例如，Rozendaal等人的美国专利5,556,253号(′253专利)和Rozendaal的美国专利5,607,280号(′280专利)公开了改进的管装载/卸载装置。′253和′280专利公开了有效利用重力自动从料仓卸载管子的装置。′253和′280专利还公开了每一个都具有管子传输构件的装置，所述管子传输构件自动地在料仓与驱动头之间移动管子。′253和′280专利中公开的装置提供的进步有助于显著提高钻机操作者提高钻井生产率的能力。Novelo的PCT公开申请WO 2012/075289(′289公开申请)还公开了一种系统，该系统包括用于在钻杆料仓和驱动头之间移动管子的滑闸。US 5,556,253；US 5,607,280；和PCT WO 2012/075289中的每一个都在此整体通过引用并入本文。
发明内容
本公开的一个方面涉及一种致动装置，所述致动装置通常包括流体缸筒、驱动齿条结构、从动齿条和齿轮结构。流体缸简装置可包括缸筒和活塞。驱动齿条结构可以通过流体缸简装置沿着第一方向往复运动。从动齿条可以连接到一从动部件，该从动部件相对于第一方向沿着第二方向往复运动(例如，成角度、共线或平行)。在一个方面，齿轮结构将来自驱动齿条结构的扭矩传递给从动齿条，使得当驱动齿条结构通过流体缸简装置沿着第一方向移动时，从动齿条和从动部件通过齿轮结构沿着第二方向移动。
总的来说，这种致动装置在一个广泛的方面来说可以促进两个间隔开的点的同步运动。这些间隔开的点可以是例如两个分开的部件上的相应位置或单个部件上的两个间隔开的位置。
在一个示例中，致动装置可以用作水平定向钻井系统的一部分。然而，应当理解的是在其他系统中可以采用类似的益处，其中涉及细长结构的运动，所述细长结构例如仅在露营器滑出情况的示例中也具有一些相应的宽度和/或深度。因此，这些类型的用途被认为在本公开的保护范围内。
在与作为水平定向钻机系统的一部分的致动装置的使用相关联的示例中，一对杆装载臂可以是由致动装置驱动的部件。具体地，要同步移动的两个点中的第一点可以是第一杆装载臂的一部分，而第二点可以是第二杆装载臂的一部分。在该示例中，目标是移动由杆装载臂支撑的杆，使得杆的一个端部处的第一点在由第一杆装载臂支撑时以与由第二杆装载臂支撑的杆的相对端处的第二点同步的方式移动。
在与作为水平定向钻机系统的一部分的致动装置的使用相关联的示例中，杆箱可以是通过致动装置移动的部件。在这种情况下，第一点可以在杆箱的一个通用端部处，而第二点可以是其相对的第二通用端部。
本公开的另一方面涉及一种可定位支架组件。在一个示例中，可定位支架组件可以包括液压缸和可驱动地连接到液压缸的线性驱动元件。一方面，线性驱动元件可以至少包括第一齿条部和第二齿条部。第一齿条部可以与第二齿条部间隔开。在一个示例中，可以设置具有第一小齿轮和互连的第二小齿轮的第一齿轮结构，其中第一小齿轮与第一齿条部可操作地啮合。还可以设置具有第三小齿轮和互连的第四小齿轮的第二齿轮结构，其中第三小齿轮与第二齿条部可操作地啮合。也可以提供与第二小齿轮可操作地啮合的第三齿条元件和与第四小齿轮可操作地啮合的第四齿条元件。在一个示例中，至少一个支架元件被安装到第三齿条元件和第四齿条元件中的至少一个。
在一个示例中，提供了一种使用上述可定位支架组件的水平定向钻井设备。在这种结构中，第一支架元件可以被构造为第一杆装载臂，并且第二支架元件可以被限定为第二杆装载臂。
在一个示例中，提供了包括钻孔机构和钻杆运送系统的钻机。在一个方面，钻孔机构可以被构造成将至少一个细长的钻杆运送到地下。在一个方面，钻杆运送系统可以被构造成将至少一个给定的细长钻杆提供给钻孔机构。在一个示例中，钻杆运送系统包括杆承载机构和构造成移动杆承载机构的驱动机构。杆承载机构可以包括至少一对彼此间隔开的杆支撑构件，以便在所述杆支撑构件之间容纳至少一个给定的钻杆。在一个方面，一对杆支撑构件机械连接到驱动机构，这种方式使得一对杆支撑构件被构造成彼此同步地移动。
各种附加方面将在下面的说明中阐述。这些方面可以涉及个体特征和特征的组合。应当理解的是前述的一般说明和以下详细说明仅仅是示例性和解释性的，并不限制本文公开的实施例所基于的广泛概念。
附图说明
图1是具有所公开的特征的可定位支架组件的第一实施例的示意性俯视图；
图2是具有所公开的发明的特征的可定位支架组件的第二实施例的示意性俯视图；
图3是具有所公开的发明的特征的可定位支架组件的第三实施例的示意性俯视图；
图4是具有所公开的发明的特征的可定位支架组件的第四实施例的立体图，该组件被安装到定向钻机上；
图5是图4的可定位支架组件和定向钻机的立体图；
图6是图4的可定位支架组件和定向钻机的俯视图；
图7是图4中所示的支架组件的立体图；
图8是图7的支架组件的俯视图；
图9是图7的支架组件的仰视图；
图10是图7的支架组件的左视图；
图10A是图7的支架组件的左视图，其中支架臂处于伸出位置；
图11是图7的支架组件的右视图；
图12是图7的支架组件的前视图；
图13是图7的支架组件的一部分的俯视图；
图14是图4中所示的支架组件的安装臂的立体图；
图15是图14的安装托架的侧视图；
图16是图14的安装托架的侧视图；
图17是图4中所示的支架组件的装载臂的立体图；
图18是图17的装载臂的侧视图；
图19是图17的装载臂的侧视图；
图20是可用于图7的支架组件中的致动器的立体图；
图21是与图7的支架组件相关的液压和控制原理图；以及
图22是与图4的支架组件和定向钻机的控制相关的示意性过程流程图。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中示出的本公开的示例性方面。尽可能地，在整个附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的结构。
参照图1，呈现了可定位支架组件100的一个示例。如图所示，可定位支架组件100可以包括用于承载负载10的一对支架臂102。负载10可以是任何类型的负载，所述负载需要通过支架臂102支撑，例如一个或多个细长结构、一个或多个管件、支架组件、结构的一部分和/或机器的一部分。负载10可以永久地连接到支架臂102，或者可以仅由支架臂102支撑但不连接到支架臂102。如前所述，负载可以是露营设备的一部分，例如露营设备的滑出部分，或者可以是例如定向钻机中所使用的一个或多个管子或用于这种管子的托架。
可定位支架组件100还被示出包括一对齿轮结构140、线性驱动元件160和致动系统170。如稍后更详细地讨论，可定位支架组件10被构造成使得致动系统170连接到线性驱动元件160，并且使得每一个齿轮结构140都与支架臂102和线性驱动元件160接合。在操作中，致动系统170将线性驱动元件160沿第一方向驱动，以使齿轮结构140中的每一个进行旋转运动，进而使又支架臂102中的每一个在第二方向上移动。
在一个方面，可定位支架组件100的支架臂102被示出为包括第一支架臂102a和第二支架臂102b。然而，应当注意可以设置单个支架臂102或者可以设置多于两个的支架臂102，例如三个、四个或五个支架臂102。如图所示，支架臂102a和102b可以具有基本相同的结构。因此，每一个单独的支架臂102a、102b可以被称为支架臂102，其说明适用于支架臂102a、102b。应该注意的是支架臂102的结构不需要与另一个相同。例如，支架臂102可以是彼此的镜像复制品。
如图所示，每一个支架臂102被构造有第一端104、第二端106、第一侧部107和第二侧部109。每一个支架臂102还被示出在支架臂第二侧部109上设置有齿条108。在一个方面，齿条108设置有沿着齿条108的长度延伸的多个齿110。在图1所示的示例性实施例中，每一个支架臂102可在平行于轴线Y的方向上在伸出位置与缩回位置之间移动。如图2-3所示以及稍后讨论的，应注意的是支架臂102可以被构造成在除了与Y轴线平行的方向之外的方向上平移，并且还可以以不同的速率移动，使得臂102的组合运动是非线性的。
在一个方面，线性驱动元件160被构造为具有在第一端162和第二端164之间延伸的第一侧部163和第二侧部165的刚性细长构件或杆件161。在一个方面，线性驱动元件160在与线性驱动元件160的长度平行且平行于轴线X的方向上往复运动。如图所示，轴线X和轴线Y彼此正交。如图所示，齿条166设置在线性驱动元件160的靠近第一端162的第一侧部163上，同时齿条168设置在线性驱动元件160的靠近第二端164的第一侧部163上。因此，细长构件或杆件161将齿条166，168互相连接，使得所述齿条沿着共同的纵向轴线共线地设置。与齿条108一样，每一个齿条166，168分别设置有沿着齿条166，168的长度延伸的多个齿167，169。
如图所示，齿轮结构140中的每一个都包括具有多个齿145的第一小齿轮144。如所构造的，小齿轮144中的每一个都绕平行于轴线Z的轴线旋转，所述轴线Z被示出正交于轴线X和Y。对于与第一支架构件102a相关联的齿轮结构140，第一小齿轮144的齿145与齿条166的齿167可操作地啮合。对于与第二支架构件102b相关联的齿轮结构140，第一小齿轮144的齿145与齿条168的齿169可操作地啮合。每一个小齿轮144的齿145也被示出为与相应的支架臂102的齿条108的齿110可操作地啮合。在一个方面，齿轮结构140和齿条108，166，168可以被统称为齿轮传动组件。齿轮结构140中的每一个都可以被构造成具有多个互连的小齿轮和/或不同尺寸的小齿轮，以用于在线性驱动元件160和支架臂102a，102b之间建立任何期望的传动比。在单个小齿轮144用于将支架臂102与驱动元件160相互连接的情况下，将存在1∶1的传动比。
如前所述，可定位支架组件100还可以设置有致动系统170，以往复地操作线性驱动元件160。致动系统170也可以被称为驱动机构170。仍然参见图1，致动系统170可以包括被构造为线性液压致动器的致动器172，并且致动器172具有缸筒172a、杆172b和连接到相应杆172b的活塞172c。杆172b延伸到相应的缸筒172a中并与线性驱动元件160连接。尽管一些类型的致动器可能产生降低的位置精度，也可以使用其他数量和类型的致动器。
由于齿条166和168每一个都连接到刚性线性驱动元件160，因此线性驱动元件160朝向第一端162或第二端164的任何平移都将导致两个支架臂102a，102b的同步移动。在操作中，线性驱动元件160朝向第一端162或第二端164且平行于轴线X的移动使得齿轮结构140中的每一个都围绕平行于轴线Z的轴线进行旋转运动。齿轮结构140的旋转进而使支架臂102a，102b中的每一个在平行于轴线Y的方向上线性移动。因此，线性驱动元件160沿着第一轴线的线性移动使得两个支架臂102a，102b沿着与第一轴线正交的第二轴线进行相应的线性移动。在所示的示例性实施例中，齿轮传动组件被构造成使得线性驱动元件160在朝向第一端162的方向上的平移导致支架臂102朝向伸出方向移动，而线性驱动元件160在朝向第二端164的方向上的平移导致支架臂102朝向缩回方向同步移动。然而，应当注意的是齿轮传动组件在不背离在此所呈现的概念的情况下可以被构造为产生相反的动作。
参照图2，示出了可定位支架组件100的第二实施例。第二实施例在许多方面与第一实施例相似。因此，第一实施例的说明可应用于第二实施例。第二实施例与第一实施例的不同之处仅在于支架臂102沿着不平行于Y轴线的轴线对准和移动。相反，支架臂102可在平行于与轴线X和Y成倾斜角度的轴线M的方向上移动。因此，线性驱动元件60在第一方向上的平移使得将臂102移动，所述移动与第一方向成倾斜角度。
参照图3，示出了可定位支架组件100的第三实施例。第三实施例在许多方面与第一实施例相似。因此，第一实施例的说明可应用于第三实施例。第三实施例与第一实施例的不同之处在于与第一支架臂102a相关联的齿轮结构140被构造具有两个不同尺寸的刚性互连的小齿轮144，146，其中小齿轮144的齿145与齿条166的齿167啮合，并且其中小齿轮146的齿147与齿条108的齿110啮合。如图所示，小齿轮146的尺寸是小齿轮144的尺寸的两倍，使得对于有效的2∶1传动比，线性驱动元件160的增量移动导致支架臂102a处产生两倍的增量移动。这样，在1∶1的传动比的情况下，第一支架臂102a将以第二支架臂102b的速率的两倍的速率伸出和缩回，这将在致动系统170驱动线性驱动元件160时导致负载10的弧形路径S。因此，与第三实施例相关联的结构可以被称为非线性驱动结构。与第二支架臂102b相关联的齿轮结构140也可以类似地构造具有两个小齿轮144，146。在这种应用中，支架臂102a，102b的移动将以线性方式一起同步，但是具有有效的传动比2∶1，其中臂102a，102b以为线性驱动元件160的增量距离两倍的增量距离移动。
参照图4-22，示出了可定位支架组件100的第四实施例，其中可定位支架组件100可以被构造成与钻井设备20一起使用。第四实施例与第一和第三实施例的特定方面相似。因此，对于第一和第三实施例的说明可应用于第四实施例。参照图4-6，示出了根据本发明的原理构造而成的钻井设备20(例如，定向钻机)。在一个方面，钻井设备20包括可定位支架组件100，所述可定位支架组件被构造为在钻杆装载箱或存储料仓26和驱动头组件32之间移动管子。在一个示例中，可定位支架组件100支撑并选择性地定位钻杆装载箱或存储料仓26。因此，可定位支架组件100也可以称为杆承载机构100或装载箱运载机构。钻井设备20还可以包括用于沿着地面推进钻井设备20的一对驱动履带23。驱动履带23支撑钻井设备的主底盘21。框架24安装到主底盘21并支撑钻杆料仓。为了清楚起见，钻杆料仓26被示出没有任何存储的管子。可定位支架组件100的也可以被称为杆支撑构件102的一对支架或装载臂102用于在钻井设备20的料仓26和驱动头组件32之间运送管子。
钻井设备20用于将钻柱推入地下以钻井筒。为了开始钻井程序，框架24相对于驱动履带23枢转，使得细长履带30相对于地面倾斜。此外，驱动头支架42移动到与履带30的上端相邻的开始位置。然后通过臂102将第一管子从料仓26中移除，并且所述第一管子被放置成与驱动头组件32同轴对准。在所述管子沿着驱动头组件32的驱动轴线对准的情况下，管子的一端连接到驱动头组件32。优选地，切割构件(例如，钻头)被定位在管子的另一端处。一旦管子已经连接到驱动头组件32，则臂102缩回，并且驱动头使管子旋转。同时，开始推进步骤，使得旋转的管子钻入地中。在推进步骤期间，驱动机构沿着履带30移动支架100。如本领域中常规已知的那样，钻井液可以用于促进钻井操作。
在推进步骤已经完成之后，驱动头组件32与管子分离并开始返回/拉动步骤，使得驱动头支架42沿着履带30返回到开始位置。在驱动头支架42返回到开始位置的情况下，第二管子可以被从料仓26中移除并被放置成与驱动头组件32的驱动轴线同轴对准。如此对准，第二管子连接到驱动头组件32和第一管子以形成钻柱。此后，再次开始推进步骤，使得整个钻柱被进一步推入地下。通过重复上述步骤，可以将额外的管子添加到钻柱，从而增加钻井设备所钻出的井筒的长度。
一旦井筒被钻出到期望的长度，通常通过反向扩孔工艺来扩大孔。例如，反向扩孔器可以连接到钻柱的远端。另外，期望放置在井筒中的产品(例如，线缆、管或类似产品)也可以连接到钻柱的远端。然后，钻柱通过驱动头组件32旋转并被朝向钻井设备拉回。例如，驱动头组件32连接到钻柱，然后开始返回/拉动步骤，从而使钻柱被拉入返回方向。当钻柱被拉回到钻井设备20时，反向扩孔器扩大先前钻出的井筒，并且产品被拉入扩大的井筒中。在每一个拉动/返回步骤中，管子被从地面上移除。在管子被从地面撤回之后，臂102伸出。抽出的管子然后与钻柱分离，并且臂102缩回以将管子运送回到料仓26。
仍然参照图4-6，钻井设备20的料仓26包括具有多个分隔壁56的箱形框架54。壁56将料仓26分成多个柱状部60。最靠近驱动头组件32的柱状部被称为第一柱。离驱动头组件32最远的柱状部60被称为端柱。柱状部60中的每一个都被构造成保持多个管子，且管子在柱状部中的每一个内垂直对准堆叠，且管子轴线平行于驱动头组件32的驱动轴线。料仓26具有敞开的底端62，使得分隔壁56之间的空间限定多个排出口。
参照图4-22，更详细地示出可定位支架组件100。虽然可定位支架组件100被示出和描述为与钻井设备20相关联，以在料仓26和驱动头组件32之间运送管子，但是再次要注意的是可定位支架组件100不限于这种用途。相反，可定位支架组件100可以用于期望在两个支架元件或臂102之间同时的同位运动和/或同步运动的任何应用中。例如，可定位支架组件100可以与露营器滑出系统协同使用，其中支架臂102支撑露营器的滑出部分。
与第一至第三实施例一样，第四实施例的可定位支架组件100的支架臂102被示出为包括第一支架臂102a和第二支架臂102b。因此，支架臂102被构造具有第一端104、第二端106、第一侧部107和第二侧部109。在支架臂102被构造成为装载臂的情况下，支架臂102可以设置有用于保持来自料仓26的管子的捕获机构106。每一个支架臂102还被示出为在支架臂的第二侧部109上设置有齿条108。在一个方面，齿条108设置有沿着齿条108的长度延伸的多个齿110。如后面更详细地讨论的那样，齿条108的齿110与齿轮结构140的齿啮合，使得齿轮结构140的操作通过齿条108使支架臂102移动。
在一个方面，每一个支架臂102由支撑托架120(120a，120b)可滑动地支撑。支撑托架120支撑支架臂102，并且还用作允许支架臂102在平行于轴线Y的方向上在缩回方向(参见图7-10)和伸出方向(参见图4-6和图10A)之间滑动的导向件。在缩回方向上，支架臂102的大部分长度在支撑托架120的上方并与该支撑托架重叠，而在伸出方向上，支架臂102的大部分长度延伸超出支撑托架120。附图中所示的支撑托架120a，120b具有基本相同的结构。由于结构相同，因此每一个单独的托架120a，120b可以被称为托架102，其说明适用于托架120a，120b。要注意的是托架120的结构不需要与另一个相同。例如，托架120可以是彼此的镜像复制品。
在一个方面，支撑托架120包括第一端122和第二端124。如图所示，第一端122被构造为安装表面，可定位支架组件100可以在所述安装表面处安装到钻井设备。如图所示，第一端122设置有多个安装孔123，使得支撑托架120可以通过诸如螺栓的机械紧固件固定到钻井设备20。支撑托架120可以可选地通过其他方式连接，例如通过焊接。支撑托架120被构造成在靠近第二端124处通过具有相应通孔127，129的上臂126和下臂128支撑齿轮结构，其中齿轮结构140的销142延伸穿过所述通孔。下臂128还为后面讨论的线性驱动元件160提供横向延伸穿过支撑托架120中的凹部130的支撑表面。
如图所示，支撑托架120还可以设置有第一对准元件132。第一对准元件132被安装到支撑托架120，并且被定位成抵靠支架臂120的第一侧部107(即，在与齿条108被安装到支架臂120的侧部相反的侧部上)。在这种结构中，第一对准元件132通过限制支架臂102远离齿轮结构140横向平移来确保齿条108完全与齿轮结构140啮合。因此，当支架臂102在伸出位置与缩回位置之间滑动时，支架臂102抵靠第一对准元件132滑动，从而在朝向齿轮结构的方向上在支架臂102上提供横向力。如图所示，第一对准元件132被构造为橡胶衬套。然而，替代的对准元件结构也是可以的，例如使用一个或多个辊或轴承结构。
每一个支撑托架120还可以设置有第二对准元件134。第二对准元件134安装到支撑托架120，并且被定位成确保线性驱动元件160适当地接合每一个齿轮结构140。如图所示，第二对准元件134被构造成为辊。然而，替代的对准元件结构也是可以的，例如使用一个或多个衬套或轴承结构。
与第一至第三实施例一样，第四实施例的线性驱动元件160被构造为具有在第一端162和第二端1604之间延伸的第一侧部163和第二侧部165的刚性细长构件或杆件161。因此，线性驱动元件160在平行于线性驱动元件160的长度且平行于轴线X的方向上往复运动。在所示的实施例中，轴线X和轴线Y基本上彼此正交。如图所示，齿条166设置在线性驱动元件160的靠近第一端162的第一侧部163上，而齿条168设置在线性驱动元件160的靠近第二端164的第一侧部163上。因此，细长构件或杆件161将齿条166，168互相连接，使得所述齿条沿着共同的纵向轴线共线布置。与齿条108一样，每一个齿条166，168分别设置有沿着齿条166，168的长度延伸的多个齿167，169，108。如所构造的，齿条166的齿167与和第一支架臂102a相关联的齿轮结构140的齿啮合，并且齿条166的齿169与和第二支架臂102b相关联的齿轮结构140的齿啮合。
如前所述，每一个齿轮结构140都通过中心销142安装到支撑托架120。在操作中，齿轮结构140中的每一个绕平行于轴线Z的轴线旋转，轴线Z被示出为基本上正交于轴线X和轴线Y。在所示的示例性实施例中，齿轮结构140包括具有多个齿145的第一小齿轮144和具有多个齿147的第二小齿轮146。如图所示，第一小齿轮144和第二小齿轮146刚性地互相连接。对于与第一支架构件102a相关联的齿轮结构140，第一小齿轮144的齿145可操作地啮合齿条166的齿167。对于与第二支撑构件102b相关联的齿轮结构140，第一小齿轮144的齿145与齿条168的齿169可操作地啮合。对于齿轮结构140，第二小齿轮146的齿147与支架臂102a，102b上的相应齿条108的齿110可操作地啮合。在一个方面，齿轮结构140和齿条110，166，168可以被统称为齿轮传动组件。
由于齿条166和168每一个都连接到刚性线性驱动元件160，因此线性驱动元件160朝向第一端162或第二端164的任何平移都将导致两个支架臂102a，102b的同步运动。在操作中，线性驱动元件160朝着第一端162或第二端164且平行于轴线X的移动将使齿轮结构140中的每一个围绕平行于轴线Z的轴线进行旋转运动。齿轮结构140的旋转进而又使支架臂102a，102b中的每一个在平行于轴线Y的方向上进行线性移动。因此，线性驱动元件160沿着第一轴线的线性移动将使两个支架臂102a，102b沿着与第一轴线正交的第二轴线进行相应线性移动。在所示的示例性实施例中，齿轮传动组件被构造成使得线性驱动元件160在朝向第一端162的方向上的平移导致支架臂102朝向伸出方向移动，同时线性驱动元件160在朝向第二端164的方向上的平移导致支架臂102朝向缩回方向同步移动。然而，应当注意的是在不背离在此所呈现的概念的情况下，齿轮传动组件可以被构造为产生相反的动作。
在所示的实施例中，齿110，145，147，167和169的节距全部相等，并且齿轮结构140的第一小齿轮144大约是齿轮结构的第二小齿轮146的尺寸的一半。该构造在齿条166，168和相应的齿条110之间产生有效的2∶1的传动比，这表示对于线性驱动元件160的每单位长度的移动，支架臂102将移动两个单位长度。然而，要注意的是可以实现任何其他所需的传动比以适合特定应用。还要注意的是齿轮结构140可以设置有在齿条166，168和相应的齿条110之间延伸的单个连续齿轮，如图1中示意性所示。在这种实施方式中，齿条166，168和相应的齿条110之间的传动比为1∶1。
在一个方面，可定位支架组件100还可以设置有致动系统170以往复地操作线性驱动元件160。致动系统170也可以被称为驱动机构170。如在图13中最容易地看到，致动系统170可以包括第一致动器172和第二致动器180。然而，可以使用更多或更少的致动器。在一个优选实施例中，第一致动器172和第二致动器180被构造为线性液压致动器，并且每一个致动器都具有缸筒172a，180a、在相应的缸筒172a，180a内的杆172b，180b以及连接到相应的杆172b，180b的活塞172c，180c。可以使用其他类型的致动器，尽管在一些情况下位置精度会降低。
如图所示，设置支撑梁190以支撑致动系统170，并且支撑梁190在第一和第二支撑托架120a，120b之间延伸且连接到第一和第二支撑托架120a，120b。支撑梁190可以通过任何期望的方式，例如通过机械紧固件或通过焊接连接到支撑托架120。可选地，致动系统170可以直接安装到钻井设备20，而不需要支撑梁190。
如图所示，第一致动器172具有第一端174和第二端176，而第二致动器180具有第一端182和第二端184。第一致动器172在第一端174处连接到支撑梁190的锚固点192，并且在第二端176处连接到线性驱动元件160的锚固点194。第二致动器180在第一端182处连接到支撑梁190的锚固点196，并且在第二端184处连接到线性驱动元件160的锚固点194。第一和第二致动器172，180对准，以在平行于线性驱动元件160的长度(即，平行于X轴线)的方向上伸出和缩回。因此，致动器172，180的伸出或缩回将根据致动方向使线性驱动元件160朝向第一端162或第二端16移动。
在所示的结构中，第一致动器172和第二致动器180彼此相对放置，使得使第一致动器172的杆172b的伸出需要第二致动器180的杆180b的配合缩回，并且反之亦然。因此，致动器172，180被构造成使得当一个被提供动力而缩回时，另一个被提供动力而伸出，以使得致动器172，180协同工作，并且致动器172，180的组合功率被传送到线性驱动元件160。
参照图21，示出了与可定位支架组件100相关联的液压控制系统200的示意图。如图所示，液压泵202和流体贮存器204选择性地放置成通过控制阀206与第一和第二致动器172，180流体连通。在一个方面，阀206为具有端口210，212，214，216和位置A，B，C的四通三位阀。端口210被示出为通过分支管线218与泵202流体连通，而端口212被示出为通过分支管线220与贮存器流体连通。端口214通过分支管线222与第一致动器172的第一端口172d流体连通，并且通过分支管线224与第二致动器180的第二端口180e流体连通。端口216通过分支管线226与第一致动器172的第二端口172e流体连通，并且通过分支管线228与第二致动器180的第一端口180d流体连通。
在位置A处，控制阀206将端口210和214放置成彼此流体连通并将端口212和216放置成彼此流体连通。因此，泵202被放置成与致动器172，180的端口172d和180e流体连通，并且贮存器204被放置成与致动器172，180的端口172e和180d流体连通。在该位置处，第一致动器172由泵202驱动以伸出，而第二致动器180由泵202驱动以缩回，从而导致线性驱动元件160在第一方向上被驱动。
在位置B处，控制阀206将端口210，212，214，216彼此隔离，使得在泵202和致动器172，180之间以及在贮存器204和致动器172，180之间不存在流体连通。因此，当阀处于位置B时，通过控制阀206可防止致动器172，180移动。
在位置C处，控制阀206将端口210和216放置成彼此流体连通并将端口210和216放置成彼此流体连通。因此，泵202被放置成与致动器172，180的端口172e和180d流体连通，并且贮存器204被放置成与致动器172，180的端口172d和180e流体连通。在该位置处，第一致动器172由泵202驱动以缩回，而第二致动器180由泵202驱动以伸出，从而导致线性驱动元件160在与第一方向相反的第二方向上被驱动。
由于活塞172c，180c的杆侧的缸筒172a，180a内的致动器的体积减小了杆172b，180b的体积，因此与致动器伸出相比，在致动器缩回时，流体流和致动器的相关功率输出减小。通过将两个致动器172，180彼此相反地定向以及通过如上所述引导流体流，所得到的通过阀206的组合流体流和从致动器172，180到线性驱动元件160的功率输出是相同的，而不用考虑线性驱动元件160所需的驱动方向。因此，致动系统本质上被平衡，这简化了系统的控制和操作。此外，使用两个较小的致动器172，180来代替单个较大的致动器以获得对线性驱动元件160的功率输出要求，可定位支架组件100可以以更经济且紧凑的方式构造而成。
电子控制系统
可以设置监测、启动和控制可定位支架组件100的启动的电子控制系统。在一个示例中，电子控制器50监测可定位支架组件100的各种传感器和操作参数，以确保最佳和适当的操作。
参照图21，电子控制器50被示意性地示出为包括处理器50A和非瞬态存储介质或存储器50B，例如RAM、闪存驱动器或硬盘驱动器。存储器50B用于存储来自操作者接口的可执行代码、操作参数和潜在输入，而处理器50A用于执行代码。电子控制器50被配置为连接到可以例如用于实现旁路操作模式的多个输入和输出。例如，电子控制器50可以从车辆控制局域网(CAN)总线51接收信息和从与可定位支架组件100相关联的传感器接收信息。例如，致动器172，180中的一个或两个可以设置有位置传感器52，使得可以计算支架臂102的位置。参照图20，示出了示例性致动器172，所述致动器包括集成的霍尔效应式传感器52。具有或不具有传感器52的这种致动器可从哥伦布内布拉斯加州哥伦布液压公司获得。可选地或者另外，支架臂102中的一个或两个也可以设置有位置传感器。本领域技术人员将理解的是获得位置反馈的许多其他输入和方法也是可以的。例如，可以使用其他形式或位置传感器，可以增加开关以感测齿条的位置，并且感应传感器可以用于检测齿条的运动。
来自控制器50的输出的示例是用于控制阀206的操作的输出。例如，控制阀206可以设置有第一螺线管致动器53a和/或第二螺线管致动器53b，以在位置A，B和C之间操作控制阀。其他输出也是可以的。在一个实施例中，电子控制器50被配置为包括用于可定位支架组件100的操作的所有所需的操作输出。电子控制器50还可以包括用于使控制器50的输入和输出相关联的多个映射或算法。
参照图22，示出了用于操作图4-22的可定位支架组件100的方法1000。如图所示，方法1000可以包括建立缸筒杆位置传感器输入信号与实际的杆装载臂位置之间的相关性的第一步骤1002。这个步骤可以在机器操作的初始工厂设置期间完成，以确保装载臂在被下命令工作时移动到期望的位置。方法1000还可以包括从操作者输入装置接收期望的杆装载臂位置的步骤1004。在一个示例中，操作者输入装置可以是刻度盘和/或触发器。在步骤1006中，致动一个或多个控制阀以移动缸筒，直到杆位置传感器输入信号与由操作员输入装置指示的相应的装载臂位置相匹配。在步骤1008中，并且一旦臂处于期望的位置，则阀被操作到关闭位置以阻止流入和流出缸筒，和/或操作者输入装置被停用，然后关闭阀。在步骤1010中，对于状态的变化连续或周期性地监测操作者输入装置信号的状态。在检测到改变的情况下，可以使方法1000返回到步骤1004以执行另一个移动操作。
所公开的支架组件100的组合，包括由一个或多个线性致动器172，180驱动的机械连接臂102和提供闭环位置反馈的电子控制系统，获得提供高度的位置和移动可控性的系统。在使用独立的液压或电动机来定位分开的臂的系统中通常不能获得这种精度和可控性。该优点特别适用于在定位操作期间希望移动细长物体或负载10而不使负载10受到扭曲、扭转和/或弯曲负载的应用。
上述各种实施例仅通过示例的方式提供，而不应被解释为限制所附权利要求。本领域技术人员将容易地认识到可以在不背离本文示出和描述的示例性实施例和应用且不背离本公开的真实精神和范围的情况下进行的各种修改和改变。

Claims (9)

1.一种可定位支架组件，包括：
a.致动装置；
b.线性驱动元件，所述线性驱动元件连接到所述致动装置，所述线性驱动元件包括第一齿条和第二齿条；
c.第三齿条；
d.第四齿条；
e.第一齿轮结构，所述第一齿轮结构与所述第一齿条和所述第三齿条能够操作地啮合；
f.第二齿轮结构，所述第二齿轮结构与所述第二齿条和所述第四齿条能够操作地啮合；和
g.至少一个支架，所述至少一个支架被安装到所述第三齿条和所述第四齿条中的一个或两个。
2.根据权利要求1所述的可定位支架组件，其中：
a.所述细长线性驱动元件是将所述第一齿条和所述第二齿条相互连接的刚性细长构件，并且其中所述联动轴、所述第一齿条和所述第二齿条共线布置。
3.根据权利要求1所述的可定位支架组件，其中，所述第三齿条和所述第四齿条基本上垂直于所述第一齿条和所述第二齿条定向。
4.根据权利要求1所述的支架组件，其中：
a.所述支架包括安装到所述第三齿条的第一支架元件和安装到所述第四齿条的第二支架元件。
5.根据权利要求4所述的可定位支架组件，其中：
a.所述第一支架元件限定第一杆装载臂；以及
b.所述第二支架元件限定第二杆装载臂。
6.根据权利要求4所述的可定位支架组件，其中：
a.所述第一齿轮结构包括与所述第一齿条啮合的第一小齿轮和与所述第三齿条啮合的第二小齿轮；
b.所述第二齿轮结构包括与所述第二齿条啮合的第三小齿轮和与所述第四齿条啮合的第四小齿轮；以及
c.所述线性驱动元件沿着第一方向的平移使所述第一支架元件和所述第二支架元件在与所述第一方向基本上正交的第二方向上同步移动。
7.根据权利要求1所述的可定位支架组件，其中，所述致动装置包括：
a.第一线性液压缸，所述第一线性液压缸具有第一缸筒和第一杆，所述第一线性液压缸通过控制阀能够在缩回位置和伸出位置之间移动；和
b.第二线性液压缸，所述第二线性液压缸具有第二缸筒和第二杆，所述第二线性液压缸通过所述控制阀能够在缩回位置和伸出位置之间移动，所述第二杆能够操作地连接到所述第一杆；
c.当所述控制阀朝向所述伸出位置致动所述第一线性液压缸并朝向所述缩回位置致动所述第二线性液压缸时，所述线性驱动元件能够在第一方向上移动；以及
d.当所述控制阀朝向所述缩回位置致动所述第一线性液压缸并朝向所述伸出位置致动所述第二线性液压缸时，所述线性驱动元件能够在与所述第一方向相反的第二方向上移动。
8.根据权利要求1所述的水平定向钻机，其中，所述第一杆装载臂和所述第二杆装载臂被构造成通过所述液压缸的操作一致地移动。
9.根据权利要求1所述的水平定向钻机，还包括：杆装载箱，所述杆装载箱被构造用于承载至少一个钻杆，所述杆装载箱由所述第一杆装载臂和所述第二杆装载臂两者承载。
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