CN110043202B - 一种离心排渣式径向活塞卡盘、动力头和钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心排渣式径向活塞卡盘、动力头和钻机，所述的卡盘包括卡盘体，在所述的卡盘体内沿径向依次设置卡瓦组件和径向动力组件，其特征在于，所述径向动力组件与卡瓦组件为分体传力结构；所述的卡瓦组件包括沿周向设置的多个卡瓦，相邻卡瓦间通过复位弹簧连接，与相邻卡瓦的间隙对应设置离心排渣组合腔，所述的离心排渣组合腔沿卡盘体的轴向转动离心力方向设置。本发明提供的离心排渣式径向活塞卡盘，能够有效的解决传统活塞式卡盘存在的内部煤渣、岩粉堆积造成卡盘无法正常工作的问题；同时解决了卡盘松开时响应迟缓的问题，并且结构简单，易于维修，可靠性强。

Description

一种离心排渣式径向活塞卡盘、动力头和钻机

技术领域

本发明专利属于坑道钻机液压卡盘领域，涉及一种离心排渣式径向活塞卡盘、动力头和钻机。

背景技术

卡盘是钻机重要的组成部件，安装在动力头上作为钻机夹持装置使用，卡盘的作用主要是夹持钻具，向钻具提供转矩和轴向力。

目前坑道钻机常见液压卡盘主要有胶筒式、斜面增力式和活塞式液压卡盘。其中活塞式液压卡盘凭借着可靠性强、效率高、维护保养成本低等优点，日益成为液压卡盘研究的新热点。

现有常见活塞式液压卡盘技术还存在着一定的不足，不能很好的满足煤矿坑道钻机的使用。具体如下：

(1)煤渣、岩粉容易通过卡瓦之间缝隙进入卡盘内部，并逐渐堆积，造成卡盘无法正常工作。现有技术采用在卡盘体内部设置排渣通道，借助孔底返水将渣滓排出。但煤渣、岩粉并不能很好的溶解在水中，容易在卡盘内部沉淀堆积，造成卡盘无法正常工作。

(2)在碎软煤层施工瓦斯抽放孔时，多采用风作为钻进介质。此种工况下，当煤渣、岩粉进入卡盘内部时，没有了水作为冲洗介质，渣滓很难排出，极易造成卡盘损坏，无法正常工作。

(3)现有技术在卡盘工作时，特别是配合三棱钻杆进行钻进作业时，由于卡瓦与钻杆的接触位置通常偏离卡瓦对称中心，卡瓦会受到一个偏心力的作用，并将偏心力所产生扭矩的一部分传递给活塞，引起活塞和活塞缸体上密封面和密封件的偏磨，造成卡盘漏油，无法正常工作。

(4)卡盘依靠复位弹簧弹力完成卡瓦的张开。复位弹簧的弹力即要克服卡瓦的重力和卡瓦与其他部件间的摩擦力，还要克服活塞的摩擦力和回油阻力。因而，现有活塞式卡盘常存在钻杆松开迟缓、磨钻杆等问题；

为此，本发明的设计者有鉴于现有技术存在的上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期从事相关产业的经验和成果，研究出一种离心排渣式径向活塞卡盘，很好的解决了上述问题。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种离心排渣式径向活塞卡盘，解决现有活塞式卡盘存在卡盘张开反应迟缓和卡盘内部煤渣、岩粉易堆积的问题，且结构简单、易于维修操作。本发明的第二个目的是提供一种动力头，安装有本发明的离心排渣式径向活塞卡盘；本发明的第三个目的是提供一种钻机，该钻机安装有本发明的动力头。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案包括：

一种离心排渣式径向活塞卡盘，包括卡盘体，在所述的卡盘体内沿径向依次设置卡瓦组件和径向动力组件，所述径向动力组件与卡瓦组件为分体传力结构；

所述的卡瓦组件包括沿周向设置的多个卡瓦，相邻卡瓦间通过复位弹簧连接，与相邻卡瓦的间隙对应设置离心排渣组合腔，所述的离心排渣组合腔沿卡盘体的轴向转动离心力方向设置。

可选的，所述径向动力组件与卡瓦组件的动力结合面面积小于卡瓦组件的承力面面积。

可选的，所述径向动力组件的动力端面积大于传力端面积，径向动力组件的传力端面积小于卡瓦组件的承力面面积。

可选的，所述的径向动力组件包括径向油缸和径向活塞，所述径向活塞的动力端面积大于传力端面积，径向活塞的传力端与所述的卡瓦沿径向对应。

可选的，在所述的径向活塞与径向油缸的传力端方向之间还设置有碟簧。

可选的，所述的离心排渣组合腔包括沿径向设置的第一排渣腔和第二排渣腔；

相邻卡瓦的间隙宽度、第一排渣腔的宽度和第二排渣腔的宽度依次增大，且第二排渣腔沿卡盘体的轴向转动离心力方向设置。

可选的，所述的第一排渣腔为长方体形腔体，第二排渣腔为圆柱形腔体。

可选的，所述的卡盘体在两端分别设置第一端盖和第二端盖形成密封腔；

在所述卡瓦组件的两端分别设置第一传扭盘和第二传扭盘，第一传扭盘与第一端盖固定连接，第二传扭盘与第二端盖固定连接；

第一端盖上设置排渣槽，所述的离心排渣组合腔与排渣槽连通。

一种动力头，所述的动力头上安装有所述的离心排渣式径向活塞卡盘。

一种钻机，所述的钻机上安装有本发明所述的动力头。

本发明的优点为：

本发明提供的离心排渣式径向活塞卡盘，能够有效的解决传统活塞式卡盘存在的内部煤渣、岩粉堆积造成卡盘无法正常工作的问题；同时解决了卡盘松开时响应迟缓的问题，并且结构简单，易于维修，可靠性强。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的离心排渣式径向活塞卡盘径向剖视示意图；

图2是本发明的离心排渣式径向活塞卡盘轴向剖视示意图；

图中各标号表示为：1-卡盘体、11-第一端盖、111-排渣槽、12-第二端盖；2-卡瓦组件、21-卡瓦、22-复位弹簧、23-第一传扭盘、24-第二传扭盘；3-径向动力组件、31-径向油缸、32-径向活塞、33-碟簧；4-离心排渣组合腔、41-第一排渣腔、42-第二排渣腔；5-传拉盘、6-第一销、7-第二销。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

结合图1和图2，本发明的离心排渣式径向活塞卡盘，包括卡盘体1，在卡盘体1内沿径向依次设置卡瓦组件2和径向动力组件3，径向动力组件3与卡瓦组件2为分体传力结构；这里所说的分体传力结构指的是径向动力组件3仅在径向将动力传递给卡瓦组件2，两者仅具有径向传力的作用，阻挡了来自钻杆转动中产生的轴向转动扭矩传递给径向动力组件，解决由于偏心力造成的活塞和活塞缸体密封面和密封件磨损引发卡盘漏油的问题，提高了卡盘寿命和可靠性；卡瓦组件2包括沿周向设置的多个卡瓦21，相邻卡瓦21间通过复位弹簧22连接，与相邻卡瓦21的间隙对应设置离心排渣组合腔4，离心排渣组合腔4沿卡盘体1的轴向转动离心力方向设置，离心排渣组合腔4与卡盘回转中心存在一定夹角，离心力沿离心排渣组合腔中心方向会形成一个分力；在这个分力作用下，煤渣、岩粉排出卡盘，进而从结构上解决了煤渣、岩粉堆积造成卡盘无法正常工作的问题。

在本公开的实施例中，径向动力组件3与卡瓦组件2的动力结合面面积小于卡瓦组件2的承力面面积。在本发明中，卡瓦组件2的承力面面积指的是卡瓦组件2面对径向动力组件面的面积，径向动力组件3与卡瓦组件2的动力结合面面积指的是两个组件之间接触部位的面积。这样的设计减小了卡瓦组件2所受扭矩对径向活塞32的作用，结构上降低了径向动力组件3中密封面和密封件的偏磨引发卡盘漏油的风险，提高了卡盘寿命和可靠性。

在本公开的实施例中，径向动力组件3的动力端面积大于传力端面积，径向动力组件3的传力端面积小于卡瓦组件2的承力面面积。在本发明中，径向动力组件3的动力端指的是径向动力组件与动力源的接触面积，比如径向动力组件3为液压油缸结构，则指的是径向动力组件与液压油的接触面积；径向动力组件3的传力端指的是相对于动力端的端部；这样的设计减小了卡瓦组件2所受扭矩对径向活塞32的作用，结构上降低了径向动力组件3中密封面和密封件的偏磨引发卡盘漏油的风险，提高了卡盘寿命和可靠性。

径向动力组件3包括径向油缸31和径向活塞32，径向活塞32的动力端面积大于传力端面积，径向活塞32的传力端与卡瓦21沿径向对应。现有技术在卡盘工作时，特别是配合三棱钻杆进行钻进作业时，由于卡瓦与钻杆的接触位置通常偏离卡瓦对称中心，卡瓦会受到一个偏心力的作用，并将偏心力所产生扭矩的一部分传递给活塞，引起活塞和活塞缸体上密封面和密封件的偏磨，造成卡盘漏油，无法正常工作。本发明中径向活塞32和卡瓦组件2采用两体式的结构，径向油缸31上安装径向活塞32的位置采用台阶孔的结构，台阶孔底部小孔与径向活塞32的活塞杆体接触，通过选择合适的配合公差，可以抵消径向活塞32受到的来自卡瓦组件2的扭矩，从而结构上解决由于偏心力造成的活塞和活塞缸体密封面和密封件磨损引发卡盘漏油的问题，提高了卡盘寿命和可靠性。为了方便安装，本发明还可以在径向油缸31和卡盘体1两侧端面上都设计有“V”型对准槽。在进行卡盘装配时，只需保证径向油缸31缸体和卡盘体的“V”型对准槽处于对准状态，即可确定活塞缸体与其它部件之间的相对位置关系。

在钻进作业时，需要卡盘能够快速夹紧钻杆的同时，也需要卡盘能够快速响应松开钻杆。现有技术仅依靠卡瓦间复位弹簧来完成卡盘的快速响应松开钻杆。由于回油阻力较大，而推动卡瓦活塞向外侧运动的力仅为复位弹簧沿活塞方向的一个分力，造成卡盘松开钻杆响应迟缓，容易发生磨钻杆的现象。在本公开的实施例中，在径向活塞32与径向油缸31的传力端方向之间还设置碟簧33，用于克服回油阻力和密封件的摩擦力，使径向活塞32够快速复位，而卡瓦21间复位弹簧22只需克服卡瓦21自身重量和摩擦力就可完成张开，响应速度快，解决了磨钻杆的问题。

在本公开的实施例中，离心排渣组合腔4包括沿径向设置的第一排渣腔41和第二排渣腔42；相邻卡瓦21的间隙宽度、第一排渣腔41的宽度和第二排渣腔42的宽度依次增大，且第二排渣腔42沿卡盘体1的轴向转动离心力方向设置。离心排渣组合腔4与卡盘回转中心存在一定夹角，离心力沿离心排渣组合腔中心方向会形成一个分力；在这个分力作用下，煤渣、岩粉排出卡盘，进而从结构上解决了煤渣、岩粉堆积造成卡盘无法正常工作的问题。比如具体的结构可以为，径向油缸31在对应卡瓦21间缝隙处设置有三组矩形排渣孔即为第一排渣腔41；第一排渣腔41宽度比卡瓦21完全张开时的卡瓦侧面间隙稍宽，长度比卡瓦21去掉两侧凸台后的长度稍短。第一排渣腔41靠近卡瓦21侧加工有倒角，方便煤渣、岩粉进入；径向油缸31沿圆周方向还设置有三组圆形排渣孔即为第二排渣腔42；第二排渣腔42与第一排渣腔41贯通，并且与卡盘回转中心成一定夹角α。第一端盖11对应第二排渣腔42的位置还设计有矩形排渣槽111。当动力头回转时，通过卡瓦21间缝隙进入卡盘内部的煤渣、岩粉会在离心力的作用下，依次通过第一排渣腔41与第二排渣腔42内部；由于第二排渣腔42中心与卡盘回转中心存在一定夹角，离心力沿第二排渣腔42中心方向会形成一个分力；在这个分力作用下，煤渣、岩粉会进入第一端盖11的矩形排渣槽11内并排出卡盘，进而从结构上解决了煤渣、岩粉堆积造成卡盘无法正常工作的问题。

比如，在本公开的实施例中，第一排渣腔41为长方体形腔体，第二排渣腔42为圆柱形腔体，在加工生产过程中容易加工，同时过渡的腔体结构不破坏径向油缸的刚度，保证径向油缸正常工作的同时，将煤渣等杂物排出。

在本公开的实施例中，卡盘体1在两端分别设置第一端盖11和第二端盖12形成密封腔；在卡瓦组件2的两端分别设置第一传扭盘23和第二传扭盘24，第一传扭盘23与第一端盖11固定连接，第二传扭盘24与第二端盖12固定连接；第一端盖11上设置排渣槽111，离心排渣组合腔4与排渣槽111连通。本发明的离心排渣式径向活塞卡盘将轴向的扭矩均通过在部件端部设置的端盖或传扭盘进行传递，将径向的夹紧力与扭矩分开，使各个部件之间的协同工作更加优化，提高整体部件的使用寿命，同时还能满足夹钻、转动和排渣等各个动作的执行，整体结构更加合理。

一种动力头，动力头上安装有本实施例中的离心排渣式径向活塞卡盘。

一种钻机，钻机上安装有本实施例中的动力头。

实施例一、离心排渣式径向活塞卡盘：

结合图1和图2，本实施例的离心排渣式径向活塞卡盘包括卡盘体1，在卡盘体1内沿径向设置卡瓦组件2和径向动力组件3，在径向动力组件3上沿轴向转动离心力方向设置离心排渣组合腔4，连通卡瓦组件2与外界空间。

卡瓦组件2沿圆周方向分别设有三组卡瓦21，用于夹持钻杆；相邻卡瓦21之间设有复位弹簧22；径向动力组件3包括径向油缸31、径向活塞32和碟簧33，三个卡瓦21的外侧中间平面分别与三个径向活塞32的端部接触，三个径向活塞32安装在径向油缸31的三组台阶孔内，并与孔壁通过Yx圈实现密封；径向活塞32的端面与台阶孔之间还设有碟簧33；径向油缸31两端加工有O型圈沟槽，通过O型圈与卡盘体1密封。径向油缸31通过侧面的三个螺栓与第二端盖12固接，主轴通过其端部的螺纹与传拉盘5固定，传拉盘5通过螺栓与第一端盖11固定在一起，主轴与第一端盖11之间，第一端盖11与卡盘体1之间设置有密封用的O型圈。

径向油缸31在对应卡瓦21间缝隙处设置有三组离心排渣组合腔4，可借助动力头回转时的离心力将煤渣、岩粉排出卡盘。第一端盖11上设置排渣槽111，离心排渣组合腔4与排渣槽111连通。

卡瓦组件2两端还分别设有第一传扭盘23和第二传扭盘24；第一传扭盘23和第二传扭盘24上设有凹槽，卡瓦21端部凸台安装于凹槽中，第一销6安装于第一传扭盘23和主轴之间，并通过第一端盖11上的通孔，将主轴、第一端盖11、第一传扭盘23连到一起，第二传扭盘24和第二端盖12之间设有第二销7。

卡盘夹紧松开钻杆原理：

来自钻机的高压油通过主轴端部的油口，经由第一端盖11和卡盘体1之间的油道，进入由卡盘体1、径向油缸31、径向活塞32以及他们之间的密封件组成的密闭容腔内。高压油推动径向活塞32沿径向运动；径向活塞32压缩碟簧33并带动卡瓦21同时沿径向运动；卡瓦21压缩复位弹簧1并夹紧钻杆。

当卡盘需要松开钻杆时，密封容腔内的高压油失去压力，径向活塞32在碟簧33弹力的作用下，克服径向活塞32所受的回油阻力和密封件摩擦力沿径向向外移动，同时丧失对卡瓦21的压力，卡瓦21在复位弹簧22的作用下迅速张开，松开钻杆。

力的传递：

扭矩的传递：主轴通过第一销6将扭矩传递给第一端盖11和第一传扭盘23；第一端盖11与卡盘体1之间设置有的螺栓，在螺栓预紧力的作用下，将扭矩传递给卡盘体1；同样卡盘体1在螺栓预紧力的作用下将扭矩传递给第二端盖12；第二端盖12通过第二销7将扭矩传递给第二传扭盘24；第二传扭盘24和第一传扭盘23通过其端部设置凹槽配合卡瓦21端部凸台将扭矩传递给卡瓦21；卡瓦21在夹紧力的作用下将扭矩传递给孔内钻具。

轴向力的传递：当钻机给进作业时，主轴将给进力传递给第一端盖11，第一端盖11传递给第一传扭盘23，第一传扭盘23传递给卡瓦21，卡瓦21最终传递给孔内钻具。当钻机起拔作业时，主轴首先将起拔力传递通过螺纹与其端部固定的传拉盘5，传拉盘5再将起拔力传递给第一端盖11，第一端盖11传递给卡盘体1，卡盘体1传递给第二端盖12，第二端盖12传递给第二传扭盘24，第二传扭盘24传递给卡瓦21，卡瓦21最终传递给孔内钻具。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所发明的内容。

Claims (8)

1.一种离心排渣式径向活塞卡盘，包括卡盘体(1)，在所述的卡盘体(1)内沿径向依次设置卡瓦组件(2)和径向动力组件(3)，其特征在于，所述径向动力组件(3)与卡瓦组件(2)为分体传力结构；

所述的卡瓦组件(2)包括沿周向设置的多个卡瓦(21)，相邻卡瓦(21)间通过复位弹簧(22)连接，与相邻卡瓦(21)的间隙对应设置离心排渣组合腔(4)，所述的离心排渣组合腔(4)沿卡盘体(1)的轴向转动离心力方向设置；

所述径向动力组件(3)与卡瓦组件(2)的动力结合面面积小于卡瓦组件(2)的承力面面积；

所述的离心排渣组合腔(4)包括沿径向设置的第一排渣腔(41)和第二排渣腔(42)；相邻卡瓦(21)的间隙宽度、第一排渣腔(41)的宽度和第二排渣腔(42)的宽度依次增大，且第二排渣腔(42)沿卡盘体(1)的轴向转动离心力方向设置。

2.根据权利要求1所述的离心排渣式径向活塞卡盘，其特征在于，所述径向动力组件(3)的动力端面积大于传力端面积，径向动力组件(3)的传力端面积小于卡瓦组件(2)的承力面面积。

3.根据权利要求1或2所述的离心排渣式径向活塞卡盘，其特征在于，所述的径向动力组件(3)包括径向油缸(31)和径向活塞(32)，所述径向活塞(32)的动力端面积大于传力端面积，径向活塞(32)的传力端与所述的卡瓦(21)沿径向对应。

4.根据权利要求3所述的离心排渣式径向活塞卡盘，其特征在于，在所述的径向活塞(32)与径向油缸(31)的传力端方向之间还设置碟簧(33)。

5.根据权利要求1所述的离心排渣式径向活塞卡盘，其特征在于，所述的第一排渣腔(41)为长方体形腔体，第二排渣腔(42)为圆柱形腔体。

6.根据权利要求1或2所述的离心排渣式径向活塞卡盘，其特征在于，所述的卡盘体(1)在两端分别设置第一端盖(11)和第二端盖(12)形成密封腔；

在所述卡瓦组件(2)的两端分别设置第一传扭盘(23)和第二传扭盘(24)，第一传扭盘(23)与第一端盖(11)固定连接，第二传扭盘(24)与第二端盖(12)固定连接；

第一端盖(11)上设置排渣槽(111)，所述的离心排渣组合腔(4)与排渣槽(111)连通。

7.一种动力头，其特征在于，所述的动力头上安装有权利要求1-6任一权利要求所述的离心排渣式径向活塞卡盘。

8.一种钻机，其特征在于，所述的钻机上安装有权利要求7所述的动力头。

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