CN111395985B - 钻杆三爪夹持器及其使用方法 - Google Patents

钻杆三爪夹持器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钻杆三爪夹持器。它包括卡爪,卡爪座,底座，杠杆，支点和导向盘；所述卡爪为斜面燕尾结构；所述卡爪座为一侧开口的U型结构，所述卡爪座的内腔为与所述卡爪相配合的斜面燕尾槽结构；所述卡爪位于所述内腔内、且沿着斜面与所述内腔活动连接；所述导向盘安装在所述底座下部；所述杠杆与所述导向盘铰接；所述支点固定在所述底座外壁上、且与所述杠杆铰接。本发明具有体积小、能防止钻杆下坠、滑移，能快速夹紧和松开，能有效防止跑钻、敦钻事故，使用方便、省力，安全可靠的优点。本发明还公开了所述钻杆三爪夹持器的使用方法。

Description

钻杆三爪夹持器及其使用方法
技术领域
本发明涉及水利水电勘探、矿产资源勘查、油井钻探等钻进工程领域，更具体地说它是钻杆三爪夹持器。本发明还涉及所述的钻杆三爪夹持器的使用方法。
背景技术
在平硐坑道钻探特别是坑道中深孔钻进时，钻具在起下钻过程中由于钻具重量不断增加，会发生滑移现象，为此钻机通常都设置有夹持器来防止钻具滑移，从而避免发生跑钻、敦钻(钻杆不受控制的快速下坠，使钻头坠入孔底，钻头与孔底岩石在下坠冲击力的作用下，导致钻头切削齿断裂)事故。但是在实际钻探工程应用过程中，夹头(下夹持器)受液压油粘度、温度、以及卡瓦和钻杆本身的磨损等多方面因素的影响，都可导致钻具产生滑移现象，为了克服这种情况，就需对防坠器具进行研究，配合钻机的夹持设备，来共同防止钻具滑移。
现有钻机上配套的下夹持器在夹持钻杆时存在延时、夹持不牢固等问题，从而引起钻杆下坠、滑移等现象。
现有申请号为200920132565X，专利名称为《水平定向钻进铺管钻机用夹持器》，其主要用于拧卸钻杆螺纹，采用一前一后两个夹持钻杆，且采用液压油缸驱动；结构复杂，且占用空间较大。
现有申请号为2012201130831，专利名称为《水平定向钻机钻杆夹持机构》，其包含了固定夹持器和翻转夹持器两组，采用液压驱动，结构相对复杂，且针对的是水平定向钻，占地面积较大。
现有申请号为2016211564074，专利名称为《液压钻机钻杆夹持装置》，其产生的径向夹持力是由螺杆旋转，带动扇形柱状夹头直线运动而产生的，旋转运动转变为直线运动过程不够迅速，且螺杆的旋转依靠人力驱动，没有利用其它外力；其在松开钻杆时，仍然需要旋转螺杆，操作费力费时。
因此，现亟需开发一种能防止钻杆下坠、滑移、且体积小、省力的钻杆夹持装置。
发明内容
本发明的第一目的是为了提供一种钻杆三爪夹持器，体积小，能防止钻杆下坠、滑移，能快速夹紧和松开，能有效防止跑钻、敦钻事故，使用方便，安全可靠，适用于用于各种钻机。
本发明的第二目的是为了提供所述的钻杆三爪夹持器的使用方法，操作简便，省力。
为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：一种钻杆三爪夹持器，包括卡爪,卡爪座,底座，其特征在于：还包括杠杆，支点和导向盘；
所述卡爪为斜面燕尾结构；
所述卡爪座为一侧开口的U型结构，所述卡爪座的内腔为与所述卡爪相配合的斜面燕尾槽结构；
所述卡爪位于所述内腔内、且沿着斜面与所述内腔活动连接；
所述导向盘安装在所述底座下部；
所述杠杆与所述导向盘铰接；
所述支点固定在所述底座外壁上、且与所述杠杆铰接。
在上述技术方案中，所述底座外部为圆形结构，内部为台阶结构，中间设有第一圆通孔；
所述卡爪有三个；所述卡爪座有三个；
三个所述卡爪座呈120°安装在所述台阶结构上；
所述第一圆通孔的直径大于钻杆1的外径。
在上述技术方案中，所述台阶结构上对应开设有三个槽口；所述槽口的开口端位于第一圆通孔的圆周上。
在上述技术方案中，所述导向盘安装在所述底座下端；
所述导向盘中间设有第二圆通孔；所述第二圆通孔的直径大于钻杆的直径。
在上述技术方案中，所述导向盘上还设有三个腰形通孔；三个所述腰形通孔布置在所述第二圆通孔的四周。
在上述技术方案中，卡爪座下端固定有定位轴；
所述导向盘上还设有三个与所述定位轴配合的圆孔和三个与所述卡爪接触的圆柱；
所述定位轴向下穿过底座、且位于圆孔内；
三个所述圆孔均设于所述腰形通孔外周上、且均位于间隔设置的二个所述腰形通孔之间；三个所述圆孔呈120°分布；
三个所述圆柱均设于所述第二圆通孔的外侧、且均位于所述腰形通孔内侧，三个所述圆柱呈120°分布、且均位于间隔设置的二个所述腰形通孔之间。
在上述技术方案中，所述导向盘的侧面对称设有二个短圆柱；
所述杠杆呈拨叉形结构；有与所述短圆柱相配合的小孔分别设于所述杠杆拨叉结构的两端。
在上述技术方案中，所述圆孔的直径为10mm；所述圆柱的直径为10mm；
所述短圆柱的直径为6mm；
所述小孔的直径为6mm。
在上述技术方案中，所述杠杆中部设有第一销孔；
所述支点上设有第二销孔；
有支点销穿过所述第一销孔和所述第二销孔、且位于所述第二销孔内。
为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的钻杆三爪夹持器的使用方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：组装；将内置有卡爪座的导向盘安装在所述底座下面，将卡爪安装在卡爪座内，使定位轴的自由端位于圆孔内，圆柱与卡爪接触；
将杠杆套在导向盘外周，使短圆柱位于小孔内；
将支点销插入第一销孔和所述第二销孔，使支点与杠杆铰接；
步骤二：夹紧钻杆；将钻杆伸入第一圆通孔和第二圆通孔；
人工上拉杠杆，通过支点使杠杆带拨叉形状结构的一端向下运动，杠杆的拨叉结构端通过短圆柱和小孔带动导向盘向下运动；
导向盘向下运动的同时通过三个圆柱带动对应的三个卡爪在卡爪座内的燕尾槽中向下运动，三个卡爪所形成的圆孔直径逐渐变小，从而实现对钻杆的夹紧，防止钻杆继续向下滑移；
步骤三：松开钻杆；人工下压杠杆，通过支点使杠杆带拨叉形状结构的一端向上运动，杠杆的拨叉结构端通过短圆柱和小孔带动导向盘向上运动；
导向盘向上运动的同时通过三个圆柱带动对应的三个卡爪在卡爪座内的燕尾槽中向上运动，三个卡爪所形成的圆孔直径逐渐变大，从而松开钻杆，使钻杆无阻碍地上下运动。
本发明具有如下优点：
(1)本发明主要用于竖直方向辅助夹持钻杆，采用纯机械结构，结构相对简单，占地面积和体积均较小；本发明采用三个卡爪，利用重力和摩擦力来对钻杆进行夹紧，夹持过程省力且迅速；本发明松开钻杆时，若钻杆向上运动则无需其它操作，直接提升钻杆即可松开；若钻杆要向下运动，则只需要压下杠杆即可松开钻杆，操作简便，省时省力；本发明在钻具起下钻过程中发挥其快速夹紧和松开的优势，可以实现在中深孔钻进时，辅助钻具自有夹持装置，实现对钻杆的有效、牢固夹持，能够有效防止钻杆滑移，减少跑钻、敦钻事故，提高钻探效率；
(2)本发明卡爪与钻杆接触面为圆弧形面，且圆弧半径和被夹持钻杆半径几乎相等，相比其他夹紧机构的线接触而言，该结构的接触面积大，夹紧可靠；
(3)本发明卡爪和卡爪座上设计有斜面和燕尾结构，斜面设计可以使卡爪越是向下运动，三个卡爪所形成圆孔半径越来越小，有利于越来越紧的夹紧钻杆，防止钻杆滑移；燕尾槽结构设计有利于卡爪的导向运动和受力，有利于减少卡爪的受力变形，从而使夹紧更加可靠。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图。
图2为本发明隐藏底座后的结构示意图。
图3为图1中导向盘结构示意图。
图4为图1中底座结构示意图。
图5为图1中拨叉形的杠杆结构示意图。
图6为图1中卡爪结构示意图。
图7为图1中卡爪座结构示意图。
图中1-钻杆,2-卡爪,3-卡爪座,3.1-内腔，4-底座，4.1-台阶结构，4.2-第一圆通孔,4.3-槽口,5-杠杆,5.1-小孔,5.2-第一销孔,6-支点销,7-支点,7.1-第二销孔,8-定位轴,9-导向盘,9.1-第二圆通孔,9.2-腰形通孔,9.3-圆孔,9.4-圆柱,9.5-短圆柱。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：一种钻杆三爪夹持器，包括卡爪2,卡爪座3,底座4，还包括杠杆5，支点7和导向盘9；
所述卡爪2为斜面燕尾结构；三个卡爪2与卡爪座3之间的连接面为斜面，且为燕尾结构；卡爪2另一面为圆弧结构，圆弧角度为90°，圆弧直径略大于被夹持的钻杆1直径，圆弧结构与钻杆1外壁配合，从而夹紧或松开钻杆1；
所述卡爪座3为一侧开口的U型结构，所述卡爪座3的内腔3.1为与所述卡爪2相配合的斜面燕尾槽结构；
所述卡爪2位于所述内腔3.1内、且沿着斜面与所述内腔3.1活动连接；卡爪2和卡爪座3设计为燕尾斜面配合结构，卡爪2能够在卡爪座3内设计的行程中上下运动(即卡爪2沿着斜面在卡爪座3内运动)，用于扩大或缩小三个卡爪2形成的圆孔内径，从而夹紧或松开钻杆1；三个卡爪同时上下运动，卡爪2向上运动时、三个卡爪形成的圆孔直径增大，卡爪向下运动时、三个卡爪形成的圆孔直径减小；
所述卡爪2有三个；所述卡爪座3有三个；
三个所述卡爪座3呈120°安装在所述底座4内，底座4为阶梯型圆形中空件，用于安装导向盘、定位轴、杠杆、卡爪、卡爪座、支点、支点销等零部件；
所述导向盘9安装在所述底座4下部；导向盘9通过定位轴8安装在卡爪座3下面，对导向盘9和底座4进行限位；
所述杠杆5与所述导向盘9铰接；
所述支点7固定在所述底座4外壁上、且与所述杠杆5铰接；拨叉形的杠杆5通过导向盘9侧面的两个突出轴与导向盘铰接，杠杆5在支点7的支撑下可上下运动，杠杆5的运动能够带动卡爪2的上下运动，实现对钻杆1的夹紧与松开。
卡爪2和卡爪座3是一对配合件，是对钻杆夹紧的执行件，其工作原理为：卡爪2和卡爪座3以燕尾-燕尾槽结构配合，使卡爪2只能在卡爪座3限定的槽内直线运动；卡爪2和卡爪座3又是以斜面配合，故卡爪2只能在卡爪座3内沿斜槽做沿着斜面的直线运动；当设计的三个卡爪2同时沿斜面直线运动时，三个卡爪2所形成的圆孔直径就会发生变化，卡爪2向上运动，则所形成的圆孔直径就增大，就可以松开钻杆，卡爪2向下运动，则所形成的孔直径就减小，就可以夹紧钻杆；
进一步地，所述底座4外部为圆形结构，内部为台阶结构4.1，中间设有第一圆通孔4.2；
三个所述卡爪座3呈120°安装在所述台阶结构4.1的台阶面上；卡爪座3与底座4的连接设计为台阶加定位轴，卡爪座3与底座4之间为固定连接，无运动；
所述第一圆通孔4.2的直径大于所要夹持的钻杆1的外径，第一圆通孔作为钻杆1上下运动的通道(如图1、图2所示)。
进一步地，所述台阶结构4.1上对应开设有三个槽口4.3；该槽口4.3是导向盘9中的圆柱9.4上下运动的通道，圆柱9.4通过槽口4.3后，顶住卡爪2，导向盘9由杠杆5带动，可向上运动，顶着卡爪2向上运动，则可松开被夹持的钻杆；
所述槽口4.3的开口端位于第一圆通孔4.2的圆周上(如图1、图2所示)；用于实现导向盘9上的三个圆柱9.4与卡爪2接触，且实现对钻杆的夹持。
进一步地，所述导向盘9安装在所述底座4下端；
所述导向盘9中间设有第二圆通孔9.1；所述第二圆通孔9.1的直径大于钻杆1的直径；第二圆通孔9.1用于为钻杆1提供通道。
进一步地，所述导向盘9上还设有三个腰形通孔9.2；三个所述腰形通孔9.2布置在所述第二圆通孔9.1的四周；三个腰形通孔用于减轻导向盘9的质量。
进一步地，所述导向盘9上还设有三个与所述定位轴8配合的圆孔9.3和三个与所述卡爪2接触的圆柱9.4；
三个所述圆孔9.3均设于所述腰形通孔9.2外周上、且均位于间隔设置的二个所述腰形通孔9.2之间；三个所述圆孔9.3呈120°分布；
三个所述圆柱9.4设于所述第二圆通孔9.1的外侧、且位于所述腰形通孔9.2内侧，三个所述圆柱9.4均位于间隔设置的二个所述腰形通孔9.2之间；三个所述圆柱9.4呈120°分布(如图1、图2、图3所示)；
卡爪座3下端固定有定位轴8；定位轴8向下穿过底座4、且位于圆孔9.3内；每个卡爪座3下端固定有一个定位轴8，定位轴8共有三个，三个定位轴8呈120°分布；定位轴8对导向盘9起限位作用，导向盘9在三个定位轴8的作用下，只能上下运动；导向盘9上下运动时，其上的三个顶起轴(即圆柱9.4)能够实现对卡爪2的顶起与松开，实现三个卡爪2的逐渐夹紧和松开运动。
进一步地，所述导向盘9的侧面对称设有二个短圆柱9.5(如图1、图2、图3所示)；
所述杠杆5呈拨叉形结构；杠杆5一端连接导向盘9，一端用于人工下压和上拉，中间设计有支撑孔和支点、支点销连接，形成杠杆作用；
有与所述短圆柱9.5相配合的小孔5.1分别设于所述杠杆5拨叉结构的两端(如图1、图2、图5所示)；短圆柱9.5位于小孔5.1内，所述杠杆5与导向盘9通过短圆柱9.5和小孔5.1铰接；
杠杆5用于连接导向盘9和支点销6、支点7，同时杠杆5还作为人工驱动件，实现对导向盘9上下运动的执行控制，导向盘9的上下运动能够通过导向盘9上的三个圆柱9.4传递给卡爪2，实现对卡爪2运动的控制，从而实现对钻杆1的夹紧和松开。
进一步地，所述圆孔9.3的直径为10mm；所述圆柱9.4的直径为10mm；
所述短圆柱9.5的直径为6mm；
所述小孔5.1的直径为6mm。
进一步地，所述杠杆5中部设有第一销孔5.2；
所述支点7上设有第二销孔7.1；
有支点销6穿过所述第一销孔5.2和所述第二销孔7.1、且位于所述第二销孔7.1内(如图1、图2、图5所示)；所述的拨叉形的杠杆5在支点7和支点销6共同支撑下，通过导向盘9侧面上两个突出轴(即短圆柱9.5)，实现对导向盘9的上下运动的控制，进而实现对卡爪2上下运动的控制。
参阅附图可知：所述的钻杆三爪夹持器的使用方法，包括如下步骤，
步骤一：组装；将内置有卡爪座3的导向盘9安装在所述底座4下面，将卡爪2安装在卡爪座3内，使定位轴8的自由端位于圆孔9.3内，圆柱9.4与卡爪2接触；定位轴8的长度大于导向盘9的运行行程，定位轴8可焊接在卡爪座3上，与导向盘9中的圆孔9.3配合，起对导向盘9的引导作用，使导向盘9在竖直方向上下运动；
将杠杆5套在导向盘9外周，使短圆柱9.5位于小孔5.1内；
将支点销6插入第一销孔5.2和所述第二销孔7.1，使支点7与杠杆5铰接；
步骤二：夹紧钻杆；将钻杆1伸入第一圆通孔4.2和第二圆通孔9.1；
人工上拉杠杆5，通过支点7使杠杆5带拨叉形状结构的一端向下运动，杠杆5的拨叉结构端通过短圆柱9.5和小孔5.1带动导向盘9在定位轴8轴向向下运动；
导向盘9向下运动的同时通过三个圆柱9.4带动对应的三个卡爪2在卡爪座3内的燕尾槽中向下运动，三个卡爪2同时在燕尾槽向下运动则三个卡爪2所形成的圆孔直径逐渐变小，从而实现对钻杆1的夹紧，防止钻杆1继续向下滑移；
步骤三：松开钻杆；人工下压杠杆5，通过支点7使杠杆5带拨叉形状结构的一端向上运动，杠杆5的拨叉结构端通过短圆柱9.5和小孔5.1带动导向盘9在定位轴轴向且向上运动；
导向盘9向上运动的同时通过三个圆柱9.4带动对应的三个卡爪2在卡爪座3内的燕尾槽中向上运动，三个卡爪2同时在燕尾槽中向上运动则三个卡爪2所形成的圆孔直径逐渐变大，从而松开钻杆1，使钻杆1无阻碍地上下运动(如图1、图2、图3、图4、图5所示)。
本发明所述的钻杆三爪夹持器是常闭夹持，即在没有外力干涉时，安装好的夹持器的卡爪2，在重力作用下，三个卡爪2所形成的圆是最小的；
在下放钻杆时，操作杠杆5，使圆柱9.4顶住卡爪2，此时三个卡爪2形成的圆直径大于钻杆直径，钻杆可自由上下运动；
要夹紧钻杆时候，松开杠杆5，卡爪2在自重的作用下，向下运动，与钻杆外壁接触，钻杆与卡爪2之间产生摩擦力，带动卡爪2继续向下运动，由于斜面燕尾结构，钻杆越是向下运动，卡爪2越是夹紧钻杆，故可实现对钻杆的夹紧作用。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的钻杆三爪夹持器及其使用方法与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：
由上表可知，本发明所述的钻杆三爪夹持器及其使用方法与现有技术相比，能实现快速夹紧和松开钻杆，能够有效防止钻杆滑移，夹紧可靠，利用重力和摩擦力来对钻杆进行夹紧，夹持过程省力且迅速。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (9)

1.一种钻杆三爪夹持器，包括卡爪(2), 卡爪座(3), 底座(4)，其特征在于：还包括杠杆(5)，支点(7)和导向盘(9)；
所述卡爪(2)为斜面燕尾结构；
所述卡爪座(3)为一侧开口的U型结构，所述卡爪座(3)的内腔(3.1)为与所述卡爪(2)相配合的斜面燕尾槽结构；
所述卡爪(2)位于所述内腔(3.1)内、且沿着斜面与所述内腔(3.1)活动连接；
所述导向盘(9)安装在所述底座(4)下部；
所述杠杆(5)与所述导向盘(9)铰接；
所述支点(7)固定在所述底座(4)外壁上、且与所述杠杆(5)铰接；
所述支点(7)上设有第二销孔(7.1)；
所述的钻杆三爪夹持器的使用方法，包括如下步骤，
步骤一：组装；将内置有卡爪座(3)的导向盘(9)安装在所述底座(4)下面，将卡爪(2)安装在卡爪座(3)内，使定位轴(8)的自由端位于圆孔(9.3)内，圆柱(9.4)与卡爪(2)接触；
将杠杆(5)套在导向盘(9)外周，使短圆柱(9.5)位于小孔(5.1)内；
将支点销(6)插入第一销孔(5.2)和所述第二销孔(7.1)，使支点(7)与杠杆(5)铰接；
步骤二：夹紧钻杆；将钻杆(1)伸入第一圆通孔(4.2)和第二圆通孔(9.1)；
人工上拉杠杆(5)，通过支点(7)使杠杆(5)带拨叉形状结构的一端向下运动，杠杆(5)的拨叉结构端通过短圆柱(9.5)和小孔(5.1)带动导向盘(9)向下运动；
导向盘(9)向下运动的同时通过三个圆柱(9.4)带动对应的三个卡爪(2)在卡爪座(3)内的燕尾槽中向下运动，三个卡爪(2)所形成的圆孔直径逐渐变小，从而实现对钻杆(1)的夹紧，防止钻杆(1)继续向下滑移；
步骤三：松开钻杆；人工下压杠杆(5)，通过支点(7)使杠杆(5)带拨叉形状结构的一端向上运动，杠杆(5)的拨叉结构端通过短圆柱(9.5)和小孔(5.1)带动导向盘(9)向上运动；
导向盘(9)向上运动的同时通过三个圆柱(9.4)带动对应的三个卡爪(2)在卡爪座(3)内的燕尾槽中向上运动，三个卡爪(2)所形成的圆孔直径逐渐变大，从而松开钻杆(1)，使钻杆(1)无阻碍地上下运动。
2.根据权利要求1所述的钻杆三爪夹持器，其特征在于：所述底座(4)外部为圆形结构，内部为台阶结构(4.1)，中间设有第一圆通孔(4.2)；
所述卡爪(2)有三个；所述卡爪座(3)有三个；
三个所述卡爪座(3)呈120°安装在所述台阶结构(4.1)上；
所述第一圆通孔(4.2)的直径大于钻杆(1)的外径。
3.根据权利要求2所述的钻杆三爪夹持器，其特征在于：所述台阶结构(4.1)上对应开设有三个槽口(4.3)；所述槽口(4.3)的开口端位于第一圆通孔(4.2)的圆周上。
4.根据权利要求3所述的钻杆三爪夹持器，其特征在于：所述导向盘(9)安装在所述底座(4)下端；
所述导向盘(9)中间设有第二圆通孔(9.1)；所述第二圆通孔(9.1)的直径大于钻杆(1)的直径。
5.根据权利要求4所述的钻杆三爪夹持器，其特征在于：所述导向盘(9)上还设有三个腰形通孔(9.2)；三个所述腰形通孔(9.2)布置在所述第二圆通孔(9.1)的四周。
6.根据权利要求5所述的钻杆三爪夹持器，其特征在于：卡爪座(3)下端固定有定位轴(8)；
所述导向盘(9)上还设有三个与所述定位轴(8)配合的圆孔(9.3)和三个圆柱(9.4)；
所述定位轴(8)向下穿过底座(4)、且位于圆孔(9.3)内；
三个所述圆孔(9.3)均设于所述腰形通孔(9.2)外周上、且均位于间隔设置的二个所述腰形通孔(9.2)之间；三个所述圆孔(9.3)呈120°分布；
三个所述圆柱(9.4)均设于所述第二圆通孔(9.1)的外侧、且均位于所述腰形通孔(9.2)内侧，三个所述圆柱(9.4)呈120°分布、且均位于间隔设置的二个所述腰形通孔(9.2)之间。
7.根据权利要求6所述的钻杆三爪夹持器，其特征在于：所述导向盘(9)的侧面对称设有二个短圆柱(9.5)；
所述杠杆(5)呈拨叉形结构；有与所述短圆柱(9.5)相配合的小孔(5.1)分别设于所述杠杆(5)拨叉结构的两端。
8.根据权利要求7所述的钻杆三爪夹持器，其特征在于：所述圆孔(9.3)的直径为10mm；所述圆柱(9.4)的直径为10mm；
所述短圆柱(9.5)的直径为6mm；
所述小孔(5.1)的直径为6mm。
9.根据权利要求8所述的钻杆三爪夹持器，其特征在于：所述杠杆(5)中部设有第一销孔(5.2)；
有支点销(6)穿过所述第一销孔(5.2)和所述第二销孔(7.1)、且位于所述第二销孔(7.1)内。
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