CN110552632A - 一种多楔面钻杆及其钻杆自动装卸设备 - Google Patents

Abstract

一种多楔面钻杆，包括杆体和连接在杆体两端的连接头、连接尾、锁紧楔块以及锁紧螺母，连接头设有轴向的四棱锥台，连接尾设有四棱锥窝，锁紧螺母的外圆面设有同步带轮。通过四棱锥台与四棱锥窝的同轴配合，实现了钻杆的快速安装、拆卸，具有承载扭矩大、使用寿命长、易于拆卸、成本低等优点。一种应用于多楔面钻杆的钻杆自动装卸设备，设置在钻机的一侧，包括锁紧螺母装卸机构、锁紧楔块装卸机构、钻杆装卸机构、以及控制系统。本发明自动化程度高，实现了钻杆的自动装卸，大幅降低了操作者的劳动强度，提高了工作效率。本发明的钻杆周转箱容量大，同时解决了钻杆的摆放、搬运、运输问题。

Description

一种多楔面钻杆及其钻杆自动装卸设备

技术领域

本发明涉及隧道、桥梁、矿山设备领域，尤其是涉及一种多楔面钻杆及其钻杆自动装卸设备。

背景技术

钻机在工作中需要不断地加接钻杆，以实现钻深，加接钻杆时，将新加钻杆的连接头与钻机上钻杆的连接尾连接。现有钻杆的头尾连接是通过螺纹连接实现的，连接头为具有外螺纹的轴，连接尾为具有内螺纹的孔，连接头与连接尾螺接在一起。为了保证钻杆不在钻洞内脱落，螺纹的旋紧方向与钻机的旋转方向一致，这样，钻杆在工作中所受到的阻力矩与钻机的转矩使各钻杆之间的螺纹连接越来越紧。这样一是解决了钻杆脱落问题，二是各钻杆之间的连接没有晃动间隙，使整个钻杆连接体具有很好的导向性，不易发生钻偏。但是这也带来一些负面影响。

虽然钻机提供的转矩不是很大，但是钻机在钻进过程中所受到的冲击使螺纹连接越来越紧，在实际工作中，在加接钻杆时，钻机不需要给螺纹连接提供太大的拧紧力矩，但是在拆卸钻杆时，很多时候钻机本身所能提供的拧松转矩小于钻杆的螺纹连接力矩。加接的钻杆越多，钻杆的螺纹连接力矩就越大，有时拧松螺纹需要高达2000牛米的力矩，这么大的力矩需要在施工现场架设大缸径的油缸，推动长力臂才能够实现。因此，拆卸钻杆时耗时、耗力，且效率低下。

为了提高螺纹的连接强度，钻杆螺纹一般为大螺距梯形螺纹，但是在这种单向持续旋进扭矩的作用下，最终产生2000牛米的拧紧力矩，对螺纹的使用寿命造成很大的影响，钻杆多数是因为螺纹损坏而报废的。因而，有必要对现有钻杆的连接方式进行创新。

现有的钻机通常开凿一个钻孔需要少则几根，多则几十根的钻杆，钻杆需要逐一连接、然后再逐一拆卸。单根钻杆重量约50kg，人工装卸需要耗费很大体力和时间，因此效率很低、经济性很差。

由于使用螺纹连接结构的钻杆，现有钻机在加接钻杆时，加接钻杆先与钻机主轴螺接、并旋转，再与已有的钻杆螺接，可以实现钻杆的自动安装。但是在拆卸钻杆时，由于钻杆的两端都为螺纹连接，钻机主轴反转只能拧松钻杆一端的螺纹连接，另一端的螺纹连接只能通过人工拆卸完成；如果遇到钻杆螺接连接力矩大于钻机主轴拧松扭矩的钻杆，同样需要人工拆卸，排除问题。因此，现有钻机不能实现全自动化装卸钻杆，存在劳动量大、效率低的问题。

一个工程都要开凿很多钻孔，需要多台钻机同时开凿，因此，需要使用大量的钻杆。在施工现场，钻杆通常散落在钻机两侧，装卸钻杆时需要人工操作，钻机每换一个施工位，钻杆都要搬运一次，操作者劳动量很大，而且在拆卸、搬运过程中对钻杆的损伤也很大。因此，钻杆的摆放、搬运、运输及其管理也同样存在较大问题。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种多楔面钻杆，其目的在于：改变钻杆的连接结构，方便钻杆的安装、拆卸，延长钻杆的使用寿命。

还针对该多楔面钻杆，公开了一种钻杆自动装卸设备，其目的在于：提供一种自动化程度高的钻杆自动装卸设备，解决钻杆的自动安装、拆卸问题，以及钻杆的摆放、搬运、运输问题。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种多楔面钻杆，包括杆体和连接在杆体两端的连接头、连接尾，还包括锁紧楔块，所述锁紧楔块包括轴向楔面和径向楔面。

所述连接头设有轴向的四棱锥台，还在外圆柱面上设有外螺纹，在外螺纹上螺接有锁紧螺母，所述锁紧螺母设有与锁紧楔块径向楔面相配合的内锥面，在锁紧螺母的外圆面还设有同步带轮。

所述连接尾设有与四棱锥台形状相对应的四棱锥窝，所述四棱锥台与四棱锥窝上设有与锁紧楔块轴向楔面对应配合的一对锁紧楔块配合槽。

当两个钻杆头尾相连时，其中一钻杆的四棱锥台贴合插入另一钻杆的四棱锥窝内，锁紧楔块的径向楔面与锁紧螺母贴合，轴向楔面与锁紧楔块配合槽贴合，使两个钻杆同轴连接。

为了进一步地改进技术方案，所述锁紧楔块配合槽包括通槽和楔形槽，其中，通槽设置在四棱锥台上，楔形槽设置在四棱锥窝上；所述杆体的两端设有四个用于四棱锥台与四棱锥窝定向的定位槽。

为了进一步地改进技术方案，所述锁紧螺母与锁紧楔块的旋紧方向与钻杆的转动方向相反。

一种应用于多楔面钻杆的钻杆自动装卸设备，包括锁紧螺母装卸机构、锁紧楔块装卸机构、钻杆装卸机构、以及控制系统。

所述锁紧螺母装卸机构设置在钻机主轴箱与钻杆扶钎器之间，包括动力箱体，在动力箱体上设置有主动同步带轮，主动同步带轮通过同步带与钻杆上的锁紧螺母连接，动力箱体上的驱动电机与主动同步带轮连接； 所述动力箱体设置在十字运动滑台上，所述十字运动滑台其中的一个滑动方向平行于钻机的钻进方向。

所述动力箱体朝向钻杆的一侧还连接有锁紧楔块装卸机构，锁紧楔块装卸机构包括用于将锁紧楔块顶出钻杆锁紧楔块配合槽的顶出气缸、用于向钻杆锁紧楔块配合槽顶入锁紧楔块的顶入气缸；所述顶出气缸连接有用于顶出锁紧楔块的顶块，所述顶入气缸连接有用于夹持锁紧楔块的夹持槽；所述顶出气缸、所述顶入气缸设置在钻杆的两侧，且与钻杆的锁紧楔块配合槽对应设置。

所述钻杆装卸机构设置在钻机的一侧，包括导轨座和滑台、以及钻杆周转箱；所述导轨座和滑台为由第一伺服电机驱动的一组直线导轨运动副，其中，直线导轨运动副的运动方向垂直于钻机的钻进方向；在滑台上水平地铰接有旋转臂，所述旋转臂连接有旋转油缸，其中，旋转臂的旋转轴线与滑台的运动方向垂直设置；在旋转臂的自由端设置有升降臂，所述升降臂通过由第二伺服电机驱动的直线导轨运动副与旋转臂滑动连接，其中，升降臂的运动方向与旋转臂的旋转轴线垂直设置；在升降臂的一端连接有装卸臂，在装卸臂的自由端连接有用于抓放钻杆的电磁吸盘。

所述钻杆周转箱设有多层用于横向取放钻杆的水平匣槽，水平匣槽的开口端朝向导轨座、且垂直于直线导轨运动副的运动方向；水平匣槽内设置有与钻杆的定位槽对应的定位条，在水平匣槽的开口端设置有防止钻杆掉出的活动挡销；所述装卸臂、所述电磁吸盘的厚度均小于水平匣槽的高度。

所述控制系统与锁紧螺母装卸机构、钻杆装卸机构、锁紧楔块装卸机构、以及钻机连接。

为了进一步地改进技术方案，所述十字运动滑台包括与钻机钻进方向平行的轴向运动副、以及水平的、且垂直于钻机钻进方向的径向运动副；所述轴向运动副包括一对导柱、导套运动副和一组丝杠、螺母配合副，其中，导柱和丝杠安装在钻机上，且与钻机的钻进方向平行；导套、螺母与径向运动副连接，丝杠与行走电机连接；所述径向运动副包括滑轨、滑块运动副，其中，滑轨与轴向运动副连接，滑块与动力箱体连接，径向运动副与装卸气缸连接；所述动力箱体内设置有减速机，所述驱动电机通过减速机与主动同步带轮连接。

为了进一步地改进技术方案，在动力箱体上、围绕同步带设置有防止同步带脱落的防脱板。

为了进一步地改进技术方案，所述顶入气缸的夹持槽与用于向夹持槽内供料的锁紧楔块上料装置连接。

为了进一步地改进技术方案，所述旋转油缸为180°定转角的旋转油缸；所述导轨座设置有导轨、以及与导轨平行的齿条；所述滑台设置有与导轨对应的导轨槽、与齿条对应啮合的传动齿轮，其中，传动齿轮通过减速机与第一伺服电机连接。

为了进一步地改进技术方案，所述升降臂为四方滑柱，在四方滑柱上设置有轴向的齿条；所述旋转臂设有四方滑柱对应的四方滑槽、与齿条对应啮合的传动齿轮，其中，传动齿轮通过减速机与第二伺服电机连接。

为了进一步地改进技术方案，所述装卸臂垂直于升降臂设置，所述电磁吸盘设有与钻杆外圆面相对应的半圆槽。

由于采用上述技术方案，相比背景技术，本发明具有如下有益效果：

本发明的钻杆通过四棱锥台与四棱锥窝的同轴配合，实现了钻杆的快速安装、拆卸。相比背景技术的螺纹连接，具有承载扭矩大、使用寿命长、易于拆卸，且综合成本低等显著优点。

本发明的锁紧螺母装卸机构，可以快速地装卸锁紧螺母，以机械动作替代了手工操作，大幅降低了操作者的劳动强度，并且显著地提高了工作效率。

本发明的钻杆装卸机构结构紧凑、自适应性好、自动化程度高，实现了钻杆的自动安装、拆卸，大幅降低了操作者的劳动强度，并且显著地提高了工作效率。

本发明的钻杆周转箱容量大，满足绝大多数开凿钻孔的需要，同时解决了钻杆的摆放、搬运、运输问题。

本发明的钻杆连接结构突破了钻杆螺纹连接的模式，具有创造性。本发明的钻杆自动装卸设备以不同于现有拆卸模式的技术方案，实现本钻杆的自动装卸，也具有创造性。

附图说明

图1为钻杆的结构示意图。

图2为两个钻杆处于连接状态的局部剖面示意图。

图3为同步带与锁紧螺母处于脱离状态的结构示意图。

图4为同步带与锁紧螺母处于结合状态的结构示意图。

图5为锁紧楔块处于拆卸状态的结构示意图。

图6为锁紧楔块处于安装状态的结构示意图。

图7为钻杆装卸机构的结构示意图。

图8为钻杆装卸机构与钻机连接的结构示意图。

图9为钻杆周转箱的结构示意图。

图10-19为钻杆自动装卸设备的工作流程示意图。

图中：1、钻杆；1.1、杆体；1.11、定位槽；1.2、连接头；1.3、连接尾；1.4、锁紧楔块；1.41、轴向楔面；1.42、径向楔面；1.5、锁紧螺母；2、锁紧螺母装卸机构；2.1、动力箱体；2.2、主动同步带轮；2.3、同步带；2.4、十字运动滑台；2.5、装卸气缸；2.6、防脱板；2.7、行走电机；3、锁紧楔块装卸机构；3.1、顶出气缸；3.2、顶入气缸；4、钻杆装卸机构；4.1、导轨座；4.2、滑台；4.3、旋转臂；4.4、升降臂；4.5、装卸臂；4.6、电磁吸盘；4.7、钻杆周转箱；4.8、旋转油缸；5、钻机主轴箱；6、钻杆扶钎器。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，虽然说明书是结合附图对本发明处于水平状态时进行描述的，但是这并不妨碍本发明的多楔面钻杆及钻杆自动装卸设备在其他方向上的使用，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。

一种多楔面钻杆，如图1、2所示，包括杆体1.1和连接在杆体1.1两端的连接头1.2、连接尾1.3。还包括锁紧楔块1.4，所述锁紧楔块1.4包括轴向楔面1.41和径向楔面1.42。

所述连接头1.2设有轴向的四棱锥台，所述连接尾1.3设有与四棱锥台形状相对应的四棱锥窝。四棱锥台插入四棱锥窝后，其各棱面与四棱锥窝的各棱面对应贴合，并使连接头1.2、连接尾1.3与杆体1.1同轴连接。此三者的同轴性是钻杆的基本要求。

在连接尾1.3的外圆柱面上设有外螺纹，在外螺纹上螺接有锁紧螺母1.5，所述锁紧螺母1.5上设有与锁紧楔块1.4径向楔面1.42相配合的内锥面。当锁紧螺母1.5旋紧时，锁紧螺母1.5上的内锥面与锁紧楔块1.4的径向楔面1.42贴合，在径向楔面1.42与内锥面的配合作用下，推动锁紧楔块1.4向下运动。

所述四棱锥台与四棱锥窝上设有与锁紧楔块1.4轴向楔面1.41对应配合的一对锁紧楔块配合槽。所述锁紧楔块配合槽包括通槽和楔形槽，锁紧楔块1.4位于通槽与楔形槽交叉所形成的空间内，锁紧楔块1.4的上下运动使通槽与楔形槽的相对距离发生变化。因此，通槽与楔形槽中的任一个可以设置在四棱锥台上，也可以设置在四棱锥窝上。本实施例中，通槽设置在四棱锥台上，楔形槽设置在四棱锥窝上。当锁紧楔块1.4向下运动时，轴向楔面1.41与楔形槽的楔形面配合滑动，使四棱锥台与四棱锥窝贴合连接。

综合考虑钻杆的拆装便利性、以及所传递力矩、轴向推力等因素对钻杆使用寿命、制造成本的影响，四棱锥台的锥角为10°时最优。

由于结构强度高、接触面大，四棱锥台与四棱锥窝的配合连接可以承受远大于螺纹连接的扭矩，即便有磨损也不妨碍其使用，因而使用寿命长。四棱锥台与四棱锥窝都有锥度，锥度的作用除了便于拆卸和安装外，还有传递扭矩和轴向力的作用。钻机在钻进中向钻杆施加轴向推力以及转动扭矩，轴向推力要远大于锥面在旋转时所产生的反方向轴向力，因而，在轴向推力以及锁紧楔块1.4的连接作用下，四棱锥台与四棱锥窝始终配合连接在一起，不存在间隙摆动，是刚性连接。刚性连接使多根钻杆成为一根整体长杆，因此具有很好的导向性，不易发生钻偏。而不带锥度的连接头1.2与连接尾1.3连在一起，即便连接头1.2的圆柱头与连接尾1.3圆柱孔的可拆卸配合有多精密，都不可避免的产生晃动间隙，多根钻杆连接后，多个晃动间隙叠加、放大造成整体钻杆的摆动幅度很大，对钻头的导向误差也就更大。

本发明采用双向楔面配合的方式解决四棱锥台与四棱锥窝连接的易脱落问题。众所周知，楔面配合一方面能产生很大的楔向力，楔角越小楔向力越大；另一方面楔面配合可以实现自锁，特别是小楔角的楔面配合。本实施例中，锁紧楔块1.4的轴向楔面1.41和径向楔面1.42的楔面角均为5°，当锁紧螺母1.5向锁紧楔块1.4施加1N的作用力，该力通过锁紧楔块1.4向四棱锥台与四棱锥窝提供130.6N的连接力，很明显，增力的效果是非常巨大的。另外，锁紧楔块1.4的两个自锁楔面是相互垂直的、叠加的，还有四棱锥台与四棱锥窝的锥面配合也是自锁的，此三者自锁的叠加可以保证锁紧螺母1.5、锁紧楔块1.4、四棱锥台、以及四棱锥窝之间相互自锁，且其相对位置不变。这样，即使钻杆振动很大，也无法造成钻杆脱落。

为了进一步地防止锁紧螺母1.5意外脱落，锁紧螺母1.5与连接尾1.3的旋紧方向与钻杆的转动方向相反。这样在钻进过程中，钻洞壁对锁紧螺母1.5施加的摩擦力矩会使锁紧螺母1.5保持拧紧状态。虽然钻洞壁也对锁紧螺母1.5产生拧紧力矩，但是这种拧紧力矩是偶然的、非持续的，也是不大的，因为钻洞的直径大于锁紧螺母1.5的直径，锁紧螺母1.5只是偶尔能与钻洞壁有所接触。

为了便于辨识四棱锥台与四棱锥窝配合安装的方位，所述杆体1.1的两端设有四个用于四棱锥台与四棱锥窝定向连接的定位槽1.11。这样，不用观察四棱锥台与四棱锥窝的对应状态，便可手工安装，也便于实现钻杆安装、拆除的自动化。

本实施例中锁紧螺母1.5没有设计成常见的外六方形，而是在其外圆柱面上设有同步带轮，这样设计一是为了减小螺母直径，二是配合专用的旋转装置，可用来快速旋紧或拧松锁紧螺母1.5。

本发明钻杆的四棱锥台与四棱锥窝都具有较为复杂的形状，但不意味本发明的钻杆有着较高的成本。本发明的钻杆分为三部分制造，连接头1.2的四棱锥台、连接尾1.3的四棱锥窝采用模锻成型，然后经机加工后与杆体1.1通过摩擦焊焊接为一个整体，摩擦焊焊接面积大、焊接强度高，完全可以满足钻杆的扭矩要求。而目前的模锻技术可以达到免机加工的程度，四棱锥台与四棱锥窝不需要机加工就可达到配合要求。模锻工艺解决了四棱锥台与四棱锥窝的难加工问题，相比现有的螺纹加工方式，本发明的钻杆具有连接强度高、使用寿命长、综合成本低的优势。

本发明的钻杆通过四棱锥台与四棱锥窝的同轴配合，实现了钻杆的快速安装、拆卸。相比螺纹连接，本发明具有承载扭矩大、连接强度高、使用寿命长、易于拆卸，且综合成本低等显著优点。

一种应用于多楔面钻杆的钻杆自动装卸设备，设置在钻机的一侧，包括锁紧螺母装卸机构2、锁紧楔块装卸机构3、钻杆装卸机构4、以及控制系统。本实施例中，钻机为水平钻机，用于山体、隧道的开凿钻孔。

如图3、4所示，所述锁紧螺母装卸机构2包括动力箱体2.1，在动力箱体2.1上设置有主动同步带轮2.2，主动同步带轮2.2通过同步带2.3与锁紧螺母1.5上的同步带轮连接。同步带传动的优点，一是柔性传动，同步带2.3上的带齿容易与主动同步带轮2.2、同步带轮上的齿槽啮合而不发生刚性冲击；二是同步传动不易打滑，因而传动扭矩大、效率高，完全可以满足拆卸锁紧螺母1.5所需要的扭矩要求；三是锁紧螺母1.5旋转后会发生轴向移动，同步带2.3随之轴向移动。由于锁紧螺母1.5的轴向移动距离不大，同步带2.3完全可以通过自身的弹性形变实现跟随移动。

动力箱体2.1内设置有减速机，驱动电机与动力箱体2.1内的减速机连接，主动同步带轮2.2与减速机连接，减速机用来增大主动同步带轮2.2的扭矩。动力箱体2.1设置在十字运动滑台2.4上，所述十字运动滑台2.4其中的一个滑动方向平行于钻机的钻进方向。本实施例中，所述十字运动滑台2.4包括与钻机钻进方向平行的轴向运动副、以及水平的、且垂直于钻机钻进方向的径向运动副；所述轴向运动副包括一对导柱、导套运动副和一组丝杠、螺母配合副，其中，导柱和丝杠安装在钻机上，且与钻机的钻进方向平行；导套、螺母与径向运动副连接，行走电机2.7与丝杠连接；所述径向运动副包括滑轨、滑块运动副，其中，滑轨与轴向运动副连接，滑块与动力箱体2.1连接，径向运动副连接与装卸气缸2.5连接；所述动力箱体2.1内设置有减速机，所述驱动电机通过减速机与主动同步带轮2.2连接。行走电机2.7可以驱动动力箱体2.1沿平行于钻机的钻进方向移动；装卸气缸2.5可以驱动动力箱体2.1在水平面内沿垂直于钻机的钻进方向移动。

钻机在钻孔时，钻机是一边钻孔，一边加接钻杆1；钻头退出时，钻机一边回退钻杆1，一边拆卸钻杆1。因此，只有在安装或者拆卸钻杆1时，同步带2.3才与锁紧螺母1.5上的同步带轮连接；钻机在钻进或者旋出时，同步带2.3要与锁紧螺母1.5上的同步带轮脱离，避免同步带2.3对钻杆1产生影响。动力箱体2.1在水平面内沿垂直于钻机的钻进方向移动，可以使同步带2.3与锁紧螺母1.5接触、或者脱离接触，避免同步带2.3对钻杆1产生影响。装卸气缸2.5缩短时，同步带2.3绷紧并与锁紧螺母1.5接触，主动同步带轮2.2带动同步带2.3旋转，使锁紧螺母1.5旋松或者旋紧，装卸气缸2.5伸长时，同步带2.3放松并与锁紧螺母1.5脱离接触。

当同步带2.3处于放松状态时会发生脱落，脱落将会影响到后续对锁紧螺母1.5的装卸工作。为此，在动力箱体2.1上、围绕同步带2.3设置有防止同步带2.3脱落的防脱板2.6，在同步带2.3处于放松状态时，防脱板2.6支撑同步带2.3，防止同步带2.3脱落。

本发明的锁紧螺母装卸机构2可以快速地装卸锁紧螺母1.5，基本在2秒内可以完成对锁紧螺母1.5的安装或拆卸，效率非常高。

如图5、6所示，锁紧楔块装卸机构3包括用于将锁紧楔块1.4顶出钻杆锁紧楔块配合槽的顶出气缸3.1、用于向钻杆锁紧楔块配合槽顶入锁紧楔块1.4的顶入气缸3.2；所述顶出气缸3.1连接有用于顶出锁紧楔块1.4的顶块，所述顶入气缸3.2连接有用于夹持锁紧楔块1.4的夹持槽；所述顶出气缸3.1、所述顶入气缸3.2设置在钻杆的两侧，且与钻杆的锁紧楔块配合槽对应设置。

钻杆1不拆装时，顶出气缸3.1、顶入气缸3.2收缩，脱离与钻杆1的接触。当需要拆卸锁紧楔块1.4时，顶出气缸3.1伸长，使顶块顶入钻杆的锁紧楔块配合槽内，将锁紧楔块1.4顶出。当需要安装锁紧楔块1.4时，顶入气缸3.2伸长，将夹持槽内的锁紧楔块1.4顶进钻杆的锁紧楔块配合槽内。顶入气缸3.2的夹持槽与锁紧楔块上料装置连接，锁紧楔块上料装置用来向夹持槽内提供排列好的锁紧楔块1.4，用于锁紧楔块1.4的连续安装。所述锁紧楔块上料装置为现有技术，本实施例未示出具体结构。

如图7、8所示，所述钻杆装卸机构4包括导轨座4.1和滑台4.2，所述导轨座4.1和滑台4.2为由第一伺服电机驱动的一组直线导轨运动副。导轨座4.1水平放置在钻机的一侧，导轨座4.1可以与钻机一体连接，也可以独立于钻机之外放置。本实施例中，导轨座4.1垂直于钻机，且与钻机一体连接。导轨座4.1上设置有导轨、以及与导轨平行的齿条；滑台4.2设置有与导轨对应的导轨槽、与齿条对应啮合的传动齿轮，其中，传动齿轮通过减速机与第一伺服电机连接。滑台4.2在第一伺服电机的驱动下，沿垂直于钻机的方向水平移动。

在滑台4.2上水平地铰接有旋转臂4.3，所述旋转臂4.3连接有旋转油缸4.8，旋转油缸4.8为180°定转角的旋转油缸，旋转臂4.3只能做180°定转角的旋转。旋转臂4.3的旋转轴线与滑台4.2的运动方向垂直设置。

在旋转臂4.3的自由端设置有升降臂4.4，升降臂4.4为四方滑柱，在四方滑柱上设置有轴向的齿条；所述旋转臂4.3设有四方滑柱对应的四方滑槽、与齿条对应啮合的传动齿轮，其中，传动齿轮通过减速机与第二伺服电机连接。升降臂4.4的运动方向与旋转臂4.3的旋转轴线垂直设置。

在升降臂4.4的一端连接有装卸臂4.5，装卸臂4.5垂直于升降臂4.4设置。在装卸臂4.5的自由端连接有用于抓放钻杆1的电磁吸盘4.6，电磁吸盘4.6设有与钻杆1外圆面相对应的半圆槽。

如图9所示，所述钻杆装卸机构4还包括钻杆周转箱4.7，所述钻杆周转箱4.7设有多层用于横向取放钻杆1的水平匣槽，钻杆1横向放置在水平匣槽内。本实施例中，钻杆周转箱4.7设有五层水平匣槽，每层水平匣槽可以放置十根钻杆1，每个钻杆周转箱4.7可以存贮五十根钻杆1，可满足绝大多数开凿钻孔的需要。水平匣槽的开口端朝向导轨座4.1、且垂直于直线导轨运动副的运动方向。水平匣槽内设置有与钻杆1的定位槽1.111对应的定位条，定位条的作用是：使钻杆1连接头1.2的四棱锥头都能整齐划一地排列，以便于在钻杆1加接时，四棱锥头都能与四棱锥窝对准配合。

在水平匣槽的开口端设置有防止钻杆1掉出的活动挡销，当钻杆1不再使用时，落下活动挡销，挡住水平匣槽的开口，可防止钻杆1掉落，同时方便钻杆周转箱4.7的搬运、转场运输。为了实现装卸臂4.5、电磁吸盘4.6进入水平匣槽取放钻杆1，装卸臂4.5、电磁吸盘4.6的厚度均小于水平匣槽的高度。

所述控制系统与第一伺服电机、旋转油缸4.8、第二伺服电机、电磁吸盘4.6、行走电机、驱动电机、以及钻机连接。控制系统用来控制钻杆1锁紧螺母1.5的装卸、钻杆1在钻机上自动安装、拆卸，以及钻杆1在周转箱4.7内的抓取和存放。

下面结合钻机，简要说明本发明的工作过程：

钻机设有导轨，钻机主轴箱5可沿导轨移动，钻机主轴箱5的主轴上连接有四棱锥头，四棱锥头与钻杆1的四棱锥窝配合，用于向钻杆1提供转动扭矩。在导轨的末端固定有钻杆扶钎器6，钻杆扶钎器6的作用一是支撑钻杆1，二是在装卸钻杆1时夹紧钻杆1。

当钻机需要加接钻杆1时：

如图10所示，钻杆扶钎器6夹紧已加接钻杆1，行走电机2.9驱动锁紧螺母装卸机构2位于钻杆扶钎器6一端，同步带2.3套在已加接钻杆1的锁紧螺母1.5上，钻机主轴箱5位于导轨的另一端，为新加接钻杆1留出空间。此时，旋转臂4.3旋向钻杆周转箱4.7一侧，同时，控制系统根据钻杆周转箱4.7内钻杆1的存储情况，通过第二伺服电机控制升降臂4.4上下移动，使装卸臂4.5、电磁吸盘4.6能够对准相应的水平匣槽。然后，控制系统通过第一伺服电机控制滑台4.2向钻杆周转箱4.7移动，使装卸臂4.5、电磁吸盘4.6伸入水平匣槽内，并向电磁吸盘4.6供电，使电磁吸盘4.6磁吸住钻杆1。

如图11所示，电磁吸盘4.6磁吸住钻杆1后，控制系统通过第一伺服电机控制滑台4.2向钻机一侧移动，将钻杆1从钻杆周转箱4.7内水平移出。

如图12所示，控制系统控制旋转油缸4.8旋转180°，将钻杆1旋向钻机一侧，此时，钻杆1的高度与钻杆1在钻机上的安装高度存在落差，第二伺服电机控制升降臂4.4向下移动，使钻杆1的高度与钻杆1在钻机上的安装高度等高。

如图13所示，控制系统通过第一伺服电机控制滑台4.2向钻机侧移动，使钻杆1与钻机主轴箱5主轴同轴。

如图14所示，钻机主轴箱5向钻杆扶钎器6端移动，使钻机主轴箱5主轴上的四棱锥头插入钻杆1的四棱锥窝中，然后继续向钻杆扶钎器6端移动。由于电磁吸盘4.7与钻杆1为磁吸，钻杆1会相对于电磁吸盘4.7滑动，因此，钻杆1仍将保持被电磁吸盘4.7夹持状态。然后钻杆1连接头1.2端四棱锥头插入已加接钻杆1的四棱锥窝内，钻杆1已不需要电磁吸盘4.7夹持，电磁吸盘4.7断电。在控制系统的控制下，滑台4.2向钻杆周转箱4.7一侧移动，同时旋转油缸4.8反向旋转180°，升降臂4.4向上移动，准备下一次的抓取。

如图15所示，行走电机2.9驱动锁紧螺母装卸机构2、锁紧楔块装卸机构3在钻杆1的两端运动，分别在钻杆的两端安装锁紧楔块1.4、并将锁紧螺母1.5旋紧。同步带2.3始终套在钻杆1外，仅在旋紧锁紧螺母1.5时才与钻杆1接触。然后行走电机2.9驱动锁紧螺母装卸机构2位于钻杆扶钎器6端，避免对钻机主轴箱5移动的妨碍。

如此重复，实现对钻杆1的加接。

当钻机需要拆卸钻杆1时：

如图16所示，钻机主轴箱5将钻杆1从钻洞中拉回至拆卸位，位于钻杆扶钎器6端的锁紧螺母装卸机构2、锁紧楔块装卸机构3对钻杆扶钎器6端的锁紧螺母1.5进行旋松、并拆除锁紧楔块1.4，然后移动钻机主轴箱5一侧待命。此时，控制系统控制钻杆装卸机构4运动，使电磁吸盘4.7夹持住钻杆1，然后钻机主轴箱5向后移动，使钻杆1的四棱锥头从钻杆扶钎器6所夹紧钻杆1的四棱锥窝中拔出，锁紧螺母装卸机构2、锁紧楔块装卸机构3再对钻机主轴箱5端的锁紧螺母1.5进行旋松、并拆除锁紧楔块1.4。由于电磁吸盘4.7的夹持，钻杆1不会发生掉落。钻机主轴箱5再次向后移动，使钻机主轴箱5主轴上的四棱锥头从钻杆1的四棱锥窝中拔出。锁紧螺母装卸机构2、锁紧楔块装卸机构3也跟随钻机主轴箱5向后移动。此时，钻杆1的旋转空间已不受阻碍。

如图17所示，滑台4.2向钻杆周转箱4.7移动，电磁吸盘4.7夹持钻杆1向周转箱一侧4.7移动，此时钻机的钻杆1装卸位已腾空，锁紧螺母装卸机构2向钻杆扶钎器6端移动。

如图18所示，控制系统根据钻杆周转箱4.7内钻杆1的存储情况，控制旋转油缸4.8反向旋转180°，升降臂4.4向下移动，滑台4.2向钻杆周转箱4.7移动，使装卸臂4.5、电磁吸盘4.6伸入水平匣槽内。然后电磁吸盘4.6断电，将钻杆1放置在水平匣槽内。此时，锁紧螺母装卸机构2、锁紧楔块装卸机构3位于钻杆扶钎器6端，钻机主轴箱5向钻杆扶钎器6移动，并使钻机主轴箱5主轴上的四棱锥头插入下一根钻杆1的四棱锥窝内。锁紧螺母装卸机构2、锁紧楔块装卸机构3对钻杆扶钎器6端的下一根钻杆1安装锁紧楔块1.4、并将锁紧螺母1.5旋紧，使钻机主轴箱5与下一根连接。

如图19所示，钻杆扶钎器6松开下一根钻杆1，钻机主轴箱5向后移动，拉拽下一根钻杆1达到钻杆1装卸位。此时，滑台4.2向钻机一侧移动，旋转油缸4.8再次反向旋转180°，升降臂4.4向上移动，准备抓取下一根钻杆1。

如此重复，实现对钻杆1的拆卸。

由此可以看出，本发明的钻杆装卸机构4结构紧凑、自适应性好、自动化程度高，实现了钻杆1的自动安装、拆卸，大幅降低了操作者的劳动强度。钻杆周转箱4.7的容量可大可小，不受限制，可满足不同开凿钻孔施工的需要，同时解决了钻杆1的摆放、搬运、运输问题。

上述实施例中的钻机也可以是垂直钻机，用于对地面的开凿钻孔。显然，这仅是本发明在放置方向上的改变。

本发明未详述部分为现有技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种多楔面钻杆，其特征是：包括杆体（1.1）和连接在杆体（1.1）两端的连接头（1.2）、连接尾（1.3），还包括锁紧楔块（1.4），所述锁紧楔块（1.4）包括轴向楔面（1.41）和径向楔面（1.42）；

所述连接头（1.2）设有轴向的四棱锥台，还在外圆柱面上设有外螺纹，在外螺纹上螺接有锁紧螺母（1.5），所述锁紧螺母（1.5）设有与锁紧楔块（1.4）径向楔面（1.42）相配合的内锥面，在锁紧螺母（1.5）的外圆面还设有同步带轮；

所述连接尾（1.3）设有与四棱锥台形状相对应的四棱锥窝，所述四棱锥台与四棱锥窝上设有与锁紧楔块（1.4）轴向楔面（1.41）对应配合的一对锁紧楔块配合槽；

当两个钻杆（1）头尾相连时，其中一钻杆（1）的四棱锥台贴合插入另一钻杆（1）的四棱锥窝内，锁紧楔块（1.4）的径向楔面（1.42）与锁紧螺母（1.5）贴合，轴向楔面（1.41）与锁紧楔块配合槽贴合，使两个钻杆（1）同轴连接。

2.如权利要求1所述的一种多楔面钻杆，其特征是：所述锁紧楔块配合槽包括通槽和楔形槽，其中，通槽设置在四棱锥台上，楔形槽设置在四棱锥窝上；所述杆体（1.1）的两端设有四个用于四棱锥台与四棱锥窝定向的定位槽（1.11）。

3.如权利要求1所述的一种钻杆，其特征是：所述锁紧螺母（1.5）与锁紧楔块（1.4）的旋紧方向与钻杆（1）的转动方向相反。

4.应用于如权利要求1-3任一权利所述钻杆的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：包括锁紧螺母装卸机构（2）、锁紧楔块装卸机构（3）、钻杆装卸机构（4）、以及控制系统；

所述锁紧螺母装卸机构（2）设置在钻机主轴箱（5）与钻杆扶钎器（6）之间，包括动力箱体（2.1），在动力箱体（2.1）上设置有主动同步带轮（2.2），主动同步带轮（2.2）通过同步带（2.3）与钻杆（1）上的锁紧螺母（1.5）连接，动力箱体（2.1）上的驱动电机与主动同步带轮（2.2）连接； 所述动力箱体（2.1）设置在十字运动滑台（2.4）上，所述十字运动滑台（2.4）其中的一个滑动方向平行于钻机的钻进方向；

所述动力箱体（2.1）朝向钻杆（1）的一侧还连接有锁紧楔块装卸机构（3），锁紧楔块装卸机构（3）包括用于将锁紧楔块（1.4）顶出钻杆（1）锁紧楔块配合槽的顶出气缸（3.1）、用于向钻杆（1）锁紧楔块配合槽顶入锁紧楔块（1.4）的顶入气缸（3.2）；所述顶出气缸（3.1）连接有用于顶出锁紧楔块（1.4）的顶块，所述顶入气缸（3.2）连接有用于夹持锁紧楔块（1.4）的夹持槽；所述顶出气缸（3.1）、所述顶入气缸（3.2）设置在钻杆（1）的两侧，且与钻杆（1）的锁紧楔块配合槽对应设置；

所述钻杆装卸机构（4）设置在钻机的一侧，包括导轨座（4.1）和滑台（4.2）、以及钻杆周转箱（4.7）；所述导轨座（4.1）和滑台（4.2）为由第一伺服电机驱动的一组直线导轨运动副，其中，直线导轨运动副的运动方向垂直于钻机的钻进方向；在滑台（4.2）上水平地铰接有旋转臂（4.3），所述旋转臂（4.3）连接有旋转油缸（4.8），其中，旋转臂（4.3）的旋转轴线与滑台（4.2）的运动方向垂直设置；在旋转臂（4.3）的自由端设置有升降臂（4.4），所述升降臂（4.4）通过由第二伺服电机驱动的直线导轨运动副与旋转臂（4.3）滑动连接，其中，升降臂（4.4）的运动方向与旋转臂（4.3）的旋转轴线垂直设置；在升降臂（4.4）的一端连接有装卸臂（4.5），在装卸臂（4.5）的自由端连接有用于抓放钻杆（1）的电磁吸盘（4.6）；

所述钻杆周转箱（4.7）设有多层用于横向取放钻杆（1）的水平匣槽，水平匣槽的开口端朝向导轨座（4.1）、且垂直于直线导轨运动副的运动方向；水平匣槽内设置有与钻杆（1）的定位槽（1.11）对应的定位条，在水平匣槽的开口端设置有防止钻杆（1）掉出的活动挡销；所述装卸臂（4.5）、所述电磁吸盘（4.6）的厚度均小于水平匣槽的高度；

所述控制系统与锁紧螺母装卸机构（2）、锁紧楔块装卸机构（3）、钻杆装卸机构（4）、以及钻机连接。

5.如权利要求4所述的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：所述十字运动滑台（2.4）包括与钻机钻进方向平行的轴向运动副、以及水平的、且垂直于钻机钻进方向的径向运动副；所述轴向运动副包括一对导柱、导套运动副和一组丝杠、螺母配合副，其中，导柱和丝杠安装在钻机上，且与钻机的钻进方向平行，导套、螺母与径向运动副连接，丝杠与行走电机连接；所述径向运动副包括滑轨、滑块运动副，其中，滑轨与轴向运动副连接，滑块与动力箱体（2.1）连接，径向运动副与装卸气缸（2.5）连接；所述动力箱体（2.1）内设置有减速机，所述驱动电机通过减速机与主动同步带轮（2.2）连接。

6.如权利要求4所述的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：在动力箱体（2.1）上、围绕同步带（2.3）设置有防止同步带（2.3）脱落的防脱板（2.6）。

7.如权利要求4所述的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：所述顶入气缸（3.2）的夹持槽与用于向夹持槽内供料的锁紧楔块上料装置连接。

8.如权利要求4所述的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：所述旋转油缸（4.8）为180°定转角的旋转油缸；所述导轨座（4.1）设置有导轨、以及与导轨平行的齿条；所述滑台（4.2）设置有与导轨对应的导轨槽、与齿条对应啮合的传动齿轮，其中，传动齿轮通过减速机与第一伺服电机连接。

9.如权利要求4所述的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：所述升降臂（4.4）为四方滑柱，在四方滑柱上设置有轴向的齿条；所述旋转臂（4.3）设有四方滑柱对应的四方滑槽、与齿条对应啮合的传动齿轮，其中，传动齿轮通过减速机与第二伺服电机连接。

10.如权利要求4所述的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：所述装卸臂（4.5）垂直于升降臂（4.4）设置，所述电磁吸盘（4.6）设有与钻杆（1）外圆面相对应的半圆槽。