CN112135956A - 用于钻机中的钻头更换的系统、包括该系统的钻机及使用该系统更换钻头的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于构造成用于竖向钻凿的钻机(5)中的钻头(3)的至少半自动更换的钻头更换系统(1)。钻机(5)包括可互换的多个钻管(7)，其中，钻头(3)设置在端部钻管的端部部段处。钻头(3)借助于螺纹连接部附接至端部部段，并且扭矩借助于花键联接部提供给钻头(3)。钻机(5)还包括下部支撑装置(9)和断开器装置(11)。系统(1)还包括设置成保持多个钻头(3)的钻头存放装置(13)以及包括夹持器件(23)的夹持臂(21)，夹持器件构造成用于选择性地夹持钻头(3)。夹持臂(21)还可以包括设置成监测夹持臂(21)的运动的运动传感器，并且系统(1)还可以包括控制单元。控制单元设置成接收来自传感器和钻机(5)的输入并且控制夹持臂(21)、夹持器件(23)、钻头存放装置(13)以及钻机(5)的断开器(11)的运动。本发明还涉及包括这种系统(1)的这种钻机(5)、用于对这种钻机(5)中的钻头(3)进行更换的方法。本发明还涉及一种软件，当该软件存储在这种系统(1)的控制单元中并且被执行时，该软件实行该方法。

Description

用于钻机中的钻头更换的系统、包括该系统的钻机及使用该 系统更换钻头的方法

技术领域

本公开涉及用于更换钻机中的钻头的系统、包括这种系统的钻机以及使用这种系统来更换钻头的方法。本公开还涉及在被执行时实行这种方法的软件。

背景技术

在岩石类材料中实行钻凿操作时，通常使用特殊类型的钻机。存在不同类型的这种钻机，其中“DTH”(井下(down the hole))钻机和顶锤钻机是用于沿竖向方向或接近竖向方向实行这种操作的两种常用钻机。由于在硬质材料中实行凿岩，因此特殊种类的钻头用于这种操作。这种钻头通常很重，并且在使用时可能变油且变脏，并且还可能在使用后包含在操作这种钻头时对人造成伤害的尖锐的边缘和/或材料碎屑。然而，钻头将需要以替换和/或重新磨削的形式来维护，这又导致需要常常移除这种钻头以及将这种钻头附接至钻机。由于上述特性和围绕钻头的处理的情况，这种移除和附接操作很繁重、不方便，并且有时会造成人身伤害。

为了减轻这种问题，使用下述钻头更换系统：这些系统可以为钻机提供完全或半自动的替换过程。DTH钻机通常包括用于将钻头附接至这种钻机的花键联接部，然而顶锤钻机通常代替地利用螺纹连接部。因此，这种钻头更换系统被不同地设计用于那两种类型的钻机。

然而，还有在钻机与钻头之间同时利用螺纹连接部和花键连接部的另外类型的钻机。由于在钻头更换操作期间需要处理更多的相互作用的部分，这种连接部更加复杂，并且现有技术的系统未被配备成处理具有这些不同种类的用于固定钻头的连接部类型的钻机。

因此，需要一种改进的钻头更换系统，该钻头更换系统可以处理这种特殊设计的钻头连接部，并且对于用于这种钻机的钻头操作而言能够至少半自动地起作用以减轻辛苦的劳动以及人身伤害的风险。

发明内容

因此，尽管有现有技术，但是仍需要开发改进的钻头更换系统，该改进的钻头更换系统可以至少半自动地对钻机实行钻头更换操作。还需要开发包括这种系统的钻机、用于该系统的实行钻头更换操作的方法以及用于执行该方法的软件。

因此，本发明的目的是提供一种改进的钻头更换系统，该钻头更换系统可以至少半自动地对钻机实行钻头更换操作。另外的目的分别是提供一种包括这种系统的钻机、一种用于该系统的实行钻头更换操作的方法以及一种用于执行该方法的软件。

根据第一方面，提供了一种用于钻机中的钻头的至少半自动更换的钻头更换系统。钻机构造成用于竖向钻凿或接近竖向的钻凿。钻机可以包括可互换的多个钻管，其中，钻头设置在端部钻管的端部部段处。钻头可以借助于螺纹连接部而附接至端部部段，并且扭矩可以借助于花键联接部而提供给钻头。钻机还可以包括下部支撑装置和断开器装置，该断开器装置构造成用于松开钻管的螺纹连接部。该系统可以包括钻头存放装置，该钻头存放装置设置成与钻机的钻凿中心相邻并且平行，并且设置成保持多个钻头。钻头存放装置可以进一步设置成使钻头在钻头存放装置中所包括的存放位置与交换位置之间移动。存放位置可以设置成用于存放钻头，并且交换位置可以设置成用于使钻头向钻头存放装置移动以及使钻头从钻头存放装置移动。该系统还可以包括夹持臂，该夹持臂包括构造成用于选择性地夹持钻头的夹持器件。夹持臂可以设置成使夹持器件在交换位置与钻机的钻凿中心之间移动。夹持臂还可以包括运动传感器，该运动传感器设置成监测夹持臂的运动。该系统还可以包括控制单元，该控制单元设置成接收来自传感器和钻机的输入，并且设置成控制夹持臂、夹持器件、钻头存放装置以及钻机的断开器装置的运动。

这具有下述优点：提供了包含有一些有益特征的钻头更换系统。钻头存放装置的定位提供了用于使钻头向钻头存放装置移动以及使钻头从钻头存放装置移动的短距离，这导致了快速且有效的钻头更换操作。钻头在钻头存放装置中的内部运动进一步提供了简单且省时的装置，其中，夹持臂仅需要在两个位置之间来回移动，这使得钻头更换操作快速且有效。夹持器件和夹持臂提供了处理钻头的安全方式，其中，可能较重、锋利和/或不便于保持和搬运的钻头可以借助于该系统完全地被处理。多个传感器提供了对系统及其部分的可靠监测，其中，控制单元提供了既操作系统的部分又与钻机相互作用的手段。通过利用钻机的断开器装置——该断开器装置通常是这种钻机的如系统所预期的现有装置，该系统可以更紧凑并且制造更便宜。

根据一方面，钻头存放装置还包括至少一个钻头传感器，所述至少一个钻头传感器设置成监测位于钻头存放装置的位置中的钻头。

这具有下述优点：给系统提供不仅关于当前钻凿操作而且还关于在以后的时间点所实行的钻凿操作的信息。由于钻头存放装置可以保持多个钻头，因此操作员可以以快速且简便的方式监测该装置中存在多少个钻头，其中，钻凿操作的计划变得更快且更有效。

根据一方面，控制单元配置成基于钻机和连接至钻机的钻头的操作数据来开始所述至少半自动更换。

这具有下述优点：钻头更换操作可以在基于操作数据检测到对这种操作的需要的情况下在钻凿操作之间自动开始。操作数据可以是包括下述各者中的任何一者或下述各者的组合的数据：所花费的钻凿时间、自上次维护以来的所花费的钻凿时间、直到需要更换为止所剩余的预期时间、所钻凿的米数、自上次维护以来所钻凿的米数、或其他。如果钻头的当前状态被认为不适合用于在即将到来的钻凿操作中进行钻凿，则系统可以因此开始钻头更换操作。这由于相继实行多个钻凿操作可以以快速且有效的方式来实行而是有益的。

根据一方面，控制单元还设置成基于钻头的操作数据来确定钻头的操作条件，并且设置成在需要更换钻头时向用户界面提供信号。

这具有下述优点：系统可以协助对多个钻头的连续监测，该连续监测可以用于使系统中的每个钻头的使用最大化。控制单元可以当所述钻头在钻凿操作中进行钻凿时基于与所述钻头的进一步使用相关联的进入的操作数据来估计钻头的操作状态。因此，操作条件可以在需要即将到来的钻头更换操作之前被确定并且提供给操作员，这增加了系统的效率。

根据一方面，钻头存放装置可以包括封闭的保护壳体。壳体可以至少包括设置在交换位置处的第一门，该第一门可以设置成根据所实行的钻头交换操作而选择性地打开和关闭。

这具有下述优点：保护了存放在钻头存放装置内的钻头免于在钻凿现场常见的灰尘、污垢、油或碎屑或类似物。以这种方式保护的所存放的钻头增加了所述钻头的寿命，并且确保钻头在钻头从钻头存放装置中抽出以用于钻凿操作中时处于良好的形状和条件。

根据一方面，壳体的第一门可以联接至夹持臂，其中，第一门根据夹持臂的运动而自动地打开和关闭。

这具有下述优点：第一门的操作被简化，原因在于第一门的操作可以与夹持臂相关联而被完全自动地实行。由于第一门通常仅应该在实行钻头更换操作时才打开，因此所述第一门的打开和关闭可以在所述第一门的在这种操作期间的运动期间以可靠且有效的方式与夹持臂的运动同步并受夹持臂的运动的控制。

根据一方面，系统还可以包括下部支撑板，该下部支撑板设置在夹持器件的下方，并且可以设置成能够根据夹持器件而移动，以便在钻头由夹持器件保持时从下方支撑钻头。

这具有下述优点：系统可以用于更广范围的具有不同设计的钻头的钻头更换操作。由于钻头的类型和设计可以根据钻机的类型而变化，因此夹持器件可能无法在没有附加的下部支撑件的情况下保持钻头，附加的下部支撑件因此可以由下部支撑板提供。通过夹持器件和支撑板的这种同步运动，系统因此可以改善系统的使用并且可以用于各种类型的钻机。

根据一方面，钻机的断开器装置可以包括受液压控制的两个夹持装置。两个夹持装置可以在沿着钻凿中心的分开的位置处围绕钻凿中心周向地设置。两个夹持装置可以进一步设置成夹持钻机的一部分(比如钻管、钻头、钻头组件或其他)，并且以液压方式联接成能够相对于彼此径向移位。两个夹持装置因此可以夹持钻机的分开的两个部分并且使钻机的分开的两个部分相对于彼此旋转，以便将设置在所述两个部分之间的螺纹联接部打开。

这具有下述优点：提供了非常稳固且可靠的断开器装置。断开器装置的液压装置确保较大的力可以施加至待打开的螺纹联接部的两个侧部。这种断开器装置因此可以被系统有益地用于将钻管与钻头/钻头组件之间的螺纹联接部打开。

根据一方面，提供了一种构造成用于竖向钻凿的钻机。该钻机可以包括可互换的多个钻管，其中，钻头可以设置在端部钻管的端部部段处。钻头可以借助于螺纹连接部而附接至端部部段，并且扭矩可以借助于花键联接部而提供给钻头。钻机还可以包括下部支撑装置和断开器装置，该断开器装置构造成用于松开钻管的螺纹连接部。钻机还可以包括根据本公开的用于钻头的至少半自动更换的系统。

这具有下述优点：提供了具有钻头更换系统的钻机，该钻头更换系统可以至少半自动地实行钻头操作。这又可以减轻辛苦的劳动以及人身伤害的风险，这使得有效且安全地使用钻机。

根据一方面，该钻机是Coprod^TM钻机。

这具有下述优点：已知的用于竖向钻凿的优异且可靠的钻机的Coprod^TM钻机可以提供有用于至少半自动地更换钻头的钻头更换系统。这使用了用于更换所述钻机的钻头的可靠且安全的系统而提供了Coprod^TM钻机的良好质量的钻凿。因此，提供了有效且可靠的钻机，该钻机由于不需要手动地更换钻头而借助于设置在钻机上的系统来提供安全且方便的工作环境。

根据一方面，钻机是DTH/ITH钻机。

这具有下述优点：常用钻机可以设置成具有根据本公开的用于钻头的至少半自动更换的钻头更换系统。因此可以给常用DTH/ITH钻机提供用于更换所述钻机的钻头的可靠且安全的系统。因此，提供了有效且可靠的钻机，该钻机由于不需要手动地更换钻头而借助于设置在钻机上的系统来提供安全且方便的工作环境。

另一优点也可以在本文中实现。由于根据本公开的用于钻头的至少半自动更换的钻头更换系统可以用于Coprod^TM钻机和DTH/ITH钻机，因此钻头更换系统可以用于提高成本效益。由于该系统可以在两种所述钻机上都起作用，因此使用两种所述钻机的公司或类似公司可能仅需要制造或购买一种类型的钻头更换系统，这可以为所述公司降低成本。

根据一方面，提供了一种用于对构造成用于竖向钻凿的钻机中的钻头进行更换的方法。钻机可以包括可互换的多个钻管，其中，钻头可以设置在端部钻管的端部部段处。钻头可以借助于螺纹连接部而附接至端部部段，并且扭矩可以借助于花键联接部而提供给钻头。钻机还可以包括下部钻头支撑装置和断开器装置，该断开器装置构造成用于松开钻管的螺纹连接部。钻机还可以包括根据本公开的用于钻头的至少半自动更换的系统。该方法可以包括以下步骤：a)借助于断开器装置将保持钻头连接至端部钻管的螺纹连接部断开，b)借助于下部支撑装置将钻头从钻管移除，c)借助于夹持臂将钻头从钻凿中心移动至钻头存放装置，d)从钻头存放装置中取出新的钻头，并且将新的钻头移动至钻凿中心，e)将新的钻头插入到钻管中，以及f)将保持新的钻头联接至端部钻管的螺纹连接部接合并且紧固。

这具有下述优点：提供了一种用于钻头的至少半自动更换的快速且有效的方法。该方法可以处理潜在受损的钻头及其潜在的附加联接部分，而不需要人工操作，这又在实行所述方法的钻凿现场提供了增加的安全性和人身安全。应当认识到的是，本文提出的方法可以提供与根据本公开的钻头更换系统的各种可选特征相关联的附加益处。

根据一方面，该方法还可以包括将花键联接部的花键对准的步骤g)，所述步骤g)在步骤d)与步骤e)之间实行。

这具有下述优点：该方法提供有自动检测和调整花键联接部的花键的潜在未对准的手段。这非常有益，因为花键可能对于这些类型的操作很难自动处理、以及/或者手动实行是有潜在危险的。

根据一方面，步骤g)可以包括下述子步骤：g-1)借助于压力传感器监测进给压力，以检测当花键彼此接合时由于未对准而引起的压力积累(pressure build-up)，g-2)如果检测到压力积累，则停止钻管的运动，g-3)使钻管缓慢旋转，直到花键对准为止。

这具有下述优点：该方法提供有自动检测并且调整花键联接部的花键的潜在未对准的手段，其中，所公开的子步骤提供了使花键对准的快速、容易且可靠的方式。

根据一方面，步骤a)的断开操作可以通过实行多个断开循环以松开螺纹联接部来实行，其中，断开循环可以是扭矩沿与所述螺纹联接部的螺纹的螺旋方向(pitchdirection)相反的旋转方向提供给螺纹联接部。

这具有下述优点：断开操作可以以更受控制且可靠的方式实行。由于螺旋设置成符合钻管和钻头的操作性旋转，钻机的螺纹连接部通常可以紧密地联接。因此，通过以多个断开循环的形式实行断开操作，这种螺纹联接部不太可能卡固就位。这又提供了一种更可靠的方法，因为断开操作很有可能能够实行该方法的下一步骤而不会有问题。

根据一方面，提供了一种软件，当该软件存储在用于钻机中的钻头的至少半自动更换的系统的控制单元中并且被执行时，该软件实行根据本公开的方法。

这具有下述优点：该方法可以包括在实施到适合于利用这种方法的任何钻机中的预编程的软件中。

本发明的其他目的、优点以及新颖特征将从以下详细说明并且通过实施本发明而对于本领域技术人员是明显的。尽管本文描述了本发明，但是应当明显的是，本发明可以不限于具体的描述细节。已经领悟本文中的教示的本领域技术人员将认识到在本发明的范围内的其他应用、改型和其他领域内的合并。

附图说明

下面是参照附图对作为示例的实施方式的描述，在附图中：

图1以立体图示出了根据实施方式的钻机，

图2以立体图示出了根据实施方式的钻头更换系统，

图3示出了根据实施方式的包括被覆盖的钻头存放装置的钻头更换系统，

图4示出了根据实施方式的钻头更换系统的夹持臂，

图5示出了根据实施方式的方法的流程图，以及

图6示出了根据实施方式的方法的部分的流程图。

具体实施方式

参考所描绘的实施方式的详细描述将被视为包括某些特征的组合的示例性实施方式，这些特征已经在上面进行了详细描述。因此，应当理解的是，另外的实施方式可以通过将其他特征组合到本文未描述的实施方式中来实现。附图被视为示例，而不是相互排斥的组合。还应当注意的是，示出和描述的所有附图被示意性地表示，其中，为简化起见，未描绘机械或类似物的通用部分。

图1以立体图示出了根据实施方式的钻机5。钻机5构造成用于竖向钻凿，该竖向钻凿被认为是完全竖向的或在一定程度上偏离竖向。因此，钻机5可以在不偏离本公开的范围的情况下能够在相对于竖向线的大约0°至大约35°的范围内在成角度的方向上倾斜并且钻凿。钻机5可以包括可互换的多个钻管7，所述多个钻管7设置成在钻机5的钻塔8内形成钻凿管线。每个钻管7包括螺纹，所述螺纹提供了在正在被钻凿的孔变得更深时连接另外的钻管7的选择。钻头3然后设置在端部钻管7的端部部段处，其中，所述钻头3可以借助于钻管7的所述螺纹连接部而附接至端部部段。在钻管7与钻头3之间建立这种连接部的方式可以根据所执行的钻凿的类型而变化，并且因此还取决于所使用的钻机5的类型。这将参照图4在后面的描述中更详细地解释。

图1中所示的钻机5被认为是DTH/ITH(井下(down the hole)/井中(in thehole))钻机或Coprod^TM钻机。两种命名类型的钻机5共享借助于花键联接部向钻头3提供扭矩的特征。应当注意的是，本文中的术语“钻头”可以指包括用于联接操作的附加部分的钻头。因此，术语“钻头3”可以是单个钻头或是包括钻头以及比如套筒、卡环(retainer ring)或其他的附加部分的钻头组件。

钻机5还可以包括下部支撑装置9，该下部支撑装置9可以设置在钻机5的下部部分处，并且设置成支撑和/或保持/夹持钻头3或钻管7，该下部支撑装置9可以用于维护和/或组装/拆卸这种部分。一般而言，这种下部支撑装置9通常可以被称为用于某些类型的钻机5的下部钢制支撑件。钻机5甚至还可以包括断开器装置11，该断开器装置11构造成在钻凿管线的拆卸期间松开钻管7的螺纹连接部。将参照图2更详细地描述断开器装置11。

图1中所示的钻机5还可以包括用于钻头3的至少半自动更换的系统1。所述系统1设置成接近地平面并且设置成与钻机5的钻凿中心15平行。术语“钻凿中心15”可以被认为是在借助于钻机5所钻凿的孔中的中心线。因此，在使用钻头更换系统1时，在钻凿中心15的对准之后设置钻头更换系统1。如果钻塔8倾斜至一角度，则钻头更换系统1和钻头更换系统1的进入部分也可以与钻凿中心15和钻塔8一起倾斜。

图2以立体图示出了根据实施方式的钻头更换系统1，其中，在该图中也示出了设置有该系统的钻机5的部分。钻机5可以是如图1所示的钻机5或类似钻机，其中，钻机5可以构造成用于竖向钻凿。钻机5可以包括可互换的多个钻管(未示出)，其中，钻头3设置在端部钻管的端部部段处，钻头3借助于螺纹连接部而附接至端部部段，并且扭矩借助于花键联接部而提供给钻头。钻机5还可以包括下部支撑装置9和断开器装置11，该断开器装置11构造成用于松开钻管的螺纹连接部。如图2所描述的，钻机5的断开器装置11可以包括受液压控制的两个夹持装置27，所述夹持装置27在沿着钻凿中心15的分开的位置处围绕钻凿中心15周向地设置。两个夹持装置27可以设置成夹持钻机5的部分并且以液压方式联接成能够相对于彼此径向移位，其中，两个夹持装置27可以夹持钻机的分开的两个部分并且使钻机的分开的两个部分相对于彼此旋转以便将设置在所述两个部分之间的螺纹联接部打开。将明显的是，借助于两个部分之间的螺纹连接部而联接至彼此的两个钻管因此可以分别被一个夹持装置27夹持，其中，螺纹连接部在两个夹持装置27之间侧向地定位。如上所述，两个夹持装置27可以以液压方式联接至彼此。因此，液压缸29可以设置在两个夹持装置27之间，其中，所述缸29的活塞的移位将迫使两个夹持装置27相对于彼此径向地移位。这可以以多种方式实现，比如两个夹持装置27沿相反的方向旋转，夹持装置27中的一个夹持装置相对于另一个夹持装置旋转，或者另一个夹持装置相对于第一夹持装置27旋转。对于如图2所描述的示例，可能优选的是，将两个夹持装置27中的下部夹持装置设置成相对于钻塔8固定(仅部分可见)，并且将上部钻凿装置27设置成能够相对于下部夹持装置27和钻塔8旋转地移动。通过使下部夹持装置27处于固定位置，钻头3或其一部分在断开钻管的螺纹连接部或钻管与所述钻头3的螺纹连接部时将不会旋转。

系统1可以包括钻头存放装置13，该钻头存放装置13设置成与钻机5的钻凿中心15相邻并且平行，并且设置成保持多个钻头3并且使钻头3在钻头存放装置13所包含的存放位置17与交换位置19之间移动。如图2所描述的，钻头存放装置13可以具有筒形鼓形状，其中，钻头存放装置13内的内部位置17、19之间的运动可以通过这种筒形存放装置13的旋转或借助于筒形存放装置13的内部部分的旋转来执行。当然，钻头存放装置13在不偏离本文的公开范围的情况下可以具有其他设计。每个存放位置17可以保持一个钻头3，每个存放位置17可以准备使用钻头3或使用在先前的钻凿操作中所使用的钻头3。交换位置19可以是存放装置13内的单个位置，钻头3可以从该单个位置中取出或定位，其中，存放装置13的内部运动可以用来定位用于将特定的钻头3保持在交换位置19处的期望的槽。钻头更换系统1还可以包括夹持臂21，该夹持臂21包括构造成用于选择性地夹持钻头3的夹持器件23，夹持臂21设置成使夹持器件23在交换位置19与钻机5的钻凿中心15之间移动。如图2中所示的，夹持臂21和夹持器件23可以以液压方式被控制，其中，夹持臂21和夹持器件23的运动及夹持可以以高精度的方式被施加并且向所述功能件施加较大的力。此外，由于夹持臂21仅需要移动至钻头存放装置13内的单个位置19，因此夹持臂21的运动可以通过枢转运动来实行，该枢转运动降低了夹持臂21及夹持臂21的设计的复杂性。

夹持器件23还可以包括压力传感器(未示出)，该压力传感器设置成监测夹持器件23的操作状态以及监测朝向钻头3施加的压力。由于控制夹持器件23的夹持运动的液压缸的内部压力直接与夹持器件23何时接合物体相关，这种压力传感器可以容易地设置在夹持器件23的液压装置内。因此，压力传感器可以用于确保夹持器件23始终向物体(例如钻头)提供相同量的夹持力，而与所述物体的尺寸无关。

夹持臂21还可以包括运动传感器(也未示出)，该运动传感器设置成监测夹持臂21的运动。类似于用于夹持器件23的传感器，这种传感器可以是设置在用于控制夹持臂21的液压装置内的压力传感器。其他类型的传感器、比如IR传感器或类似传感器在不偏离本公开的范围的情况下当然也可以使用。通过监测夹持臂21的运动，应当注意的是，这种监测也可以用来获得与夹持臂21在任何给定时间点处的位置有关以及因此还与夹持器件23在任何给定时间点处的位置有关的位置信息。本文中，尽管运动传感器可以认为是设置在液压装置中的这种压力传感器，但是其中夹持臂21的运动通过监测所述液压装置内的内部压力来监测。由此，夹持臂21的运动和定位及夹持臂21的偏差可以以高精度且可靠的方式来监测。如果例如夹持臂21使钻头3移出钻凿中心15并且钻头3出于某种原因卡固在钻头3的预定路径中，则液压装置的内部压力将在非预期的时间点增加并且压力传感器会向系统1发出意外情况的警报。

系统1还可以包括控制单元，该控制单元设置成接收来自传感器和钻机5的输入，并且控制夹持臂21、夹持器件23、钻头存放装置13以及钻机5的断开器装置11的运动。控制单元在图2中未描述，但是可以设置在系统1内，或者例如设置在远程位置处，比如设置在钻机5的操作室内。控制单元可以根据已知技术借助于电线或借助于无线接口联接至传感器、系统1以及钻机5。

通过将控制单元不仅连接至钻头更换系统1及钻头更换系统1的部分，而且还连接至钻机5及钻机5的部分，控制单元可以是能够允许钻机5和系统1相互作用和配合的，这提供了由系统1实行的更有效的操作。此外，由于控制单元可以接管控制并且控制比如钻机5的断开器装置11的机械，因此系统1本身需要更少的复杂机械，这降低了系统1的制造成本。

钻头存放装置13还可以包括设置成监测位于钻头存放装置13的位置17、19中的钻头的至少一个钻头传感器(未示出)。这样的至少一个传感器可以是光学传感器或压力传感器或类似传感器，这样的至少一个传感器可以设置成监测钻头3是否位于特定位置17、19中，或者在设置有多个这种传感器的情况下设置成监测钻头3是否位于多个位置17、19中。这样的传感器也可以是设置成不仅用于监测存放装置13内的定位、而且分析和评估定位在存放装置13中的钻头3的较复杂的传感器装置。这种传感器装置可以扫描钻头3的表面并且将钻头3的表面与功能良好的钻头3的预定表面进行比较，其中，控制单元可以向钻机5的操作员提供与定位在存放装置13中的钻头3的状态有关的信息。由此可以发现并且替换故障的钻头3以延长这种钻机5的操作的正常运行时间。

控制单元可以配置成基于钻机5和连接至钻机5的钻头3的操作数据来开始钻头3的至少半自动更换。这种操作数据可以是包括下述各者中的任何一者或下述各者的组合的数据：所花费的钻凿时间、自上次维护以来的所花费的钻凿时间、直到需要更换为止所剩余的预期时间、所钻凿的米数(meters)、自上次维护以来所钻凿的米数或其他。这种操作数据可以涉及钻机5、设置在钻头更换系统1中的每个钻头3、或者钻机5以及设置在钻头更换系统1中的每个钻头3。通过考虑这种操作数据并且通过使用可用的钻凿方案，如果确定当前的钻头3对于待钻凿的下一个孔的全部将是不可操作的，则控制单元可以因此在孔的钻凿之间自动地开始钻头更换操作。由于不需要在待钻凿的孔之间进行钻头3的检查，由此可以从包括多个孔的钻凿方案中节省大量的浪费时间。

控制单元还可以设置成基于钻头3的操作数据确定钻头3的操作条件，并且控制单元设置成在需要更换钻头时向界面提供信号。如果某些操作数据——比如先前所花费的钻凿时间、用于特定钻头3的材料类型等——是事先已知的，并且所述钻头3用于钻孔，则控制单元可以监测并且更新这种操作数据，以便提供和更新用于所述钻头3的操作条件。如果例如估计钻头3能够在某种类型的材料中钻凿一定量的时间，则控制单元可以增加用于所述钻头3的操作时间并且随时间监测所述钻头3的使用。然后这种数据可以存储在存储器中并且对系统1中的每个特定钻头3进行跟踪，其中，可以根据钻头3的单独的操作条件来监测定位在钻头存放装置13的存放位置17中的钻头3。这样的信息然后可以发送至用户界面或类似物，以便显示所有可用钻头3的操作条件，其中，钻机5的操作员可以使用所述信息以更好地计划将来的钻凿操作。控制单元还可以结合所提供的钻凿方案计划钻凿操作，其中，合适的钻头3在要钻凿孔——所述钻头3的操作条件被认为适合该孔——时移动至交换位置19。通过允许控制单元以这种方式计划钻凿操作并且自动开始钻头更换操作，可以节省大量时间，并且钻头3可以用于钻头3的组合的最大容量。

图3示出了根据实施方式的包括被覆盖的钻头存放装置13的钻头更换系统1。钻头存放装置13因此还可以包括封闭的保护壳体31，其中，所述壳体31可以至少包括设置在钻头存放装置13的交换位置19处的第一门33。第一门33可以设置成根据所执行的钻头交换操作而选择性地打开和关闭。这种保护壳体31可以呈金属外壳、聚合物盖或其他的形式，从而在关于定位在钻头存放装置13中的钻头具有足够的间隙的情况下封闭钻头存放装置13，使得在内部位置之间的运动可以实行而不会有问题。保护壳体31可以借助于易于使用的紧固元件设置于钻头存放装置13，以便能够当在存放装置13中重新填充或替换钻头时使壳体31整体移除。钻头存放装置13还可以包括设置在与第一门33分开的位置处的第二门(在图3中未示出)。因此，在存放装置13中重新填充或替换钻头可以借助于所述第二门来实行。第一门33可以用来为夹持臂21和夹持器件23提供至交换位置19的入口，以用于从交换位置19中取出钻头或向交换位置19放置钻头的操作。保护壳体31的第一门33可以联接至夹持臂21，其中，第一门33根据夹持臂21的运动而自动地打开和关闭。如图2所示的，由于夹持臂21可以设置成通过侧向枢转运动而在夹持臂21的端部位置之间移动，因此夹持臂21可以借助于互连的连杆臂布置结构35等容易地连接至所述第一门33。由此可以提供将根据夹持臂21的操作而自动地打开和关闭第一门33的纯机械的解决方案。当然，除了夹持器件23需要到达钻头和/或交换位置19的情况之外，希望保持第一门33关闭，其中，第一门33和/或第一门33的门框可以在其周围处设置有密封材料，以提供第一门33相对于保护壳体31的尽可能紧密的密封。由此保护壳体31可以保护钻头存放装置13内的钻头免于围绕钻机的通常不洁的环境。当然也可以给第一门33提供用于打开和关闭的致动器件，其中，所述致动器件可以由控制单元根据夹持臂21的运动来控制。在不偏离保护范围的情况下，本文公开的保护壳体31的另外的覆盖装置和替代实施方式也是可能的。作为示例，由于来自钻凿操作并且将被放置在交换位置19中的钻头很可能无论如何都不干净，交换位置19可以选择为不被遮盖。因此，考虑到这种情况，可以选择修改保护壳体31。还可以为定位在钻头存放装置13内的每个钻头提供单独的保护装置，或者可以使用这种单独的保护装置和本文所公开的保护壳体31的组合。

图4示出了根据实施方式的钻头更换系统1的夹持臂21。如图4所示的，夹持臂21还可以包括下部支撑板25，该下部支撑板25设置在夹持器件23的下方，并且该下部支撑板25设置成能够根据夹持器件23移动以在钻头3被所述夹持器件23保持时从下方支撑钻头3。根据钻头更换系统1是否用于DTH/ITH钻机、Coprod^TM钻机、或用于两种所述类型的钻机，下部支撑板25可以以各种方式设置至夹持臂21和夹持器件23。将理解的是，DTH/ITH钻机需要下部支撑板25，其中，如果钻头更换系统1假如仅用于DTH/ITH钻机，则下部支撑板25可以固定地设置至夹持臂21。如果钻头更换系统1假如仅用于Coprod^TM钻机，则下部支撑板25可以是有益的，但也可以是可选择的特征。如果希望系统1以能够互换的方式用在两种所提到类型的钻机之间，则下部支撑板25可以选择性地附接至夹持臂21。此外，下部支撑板25可以可移动地设置，其中，至控制单元的输入可以通过设置在夹持臂21与下部支撑板25之间的致动器器件使下部支撑板25向夹持臂21移动并且还可以使下部支撑板25移动远离夹持臂21。

处理DTH/ITH钻机需要下部支撑板25的原因是由于钻头3(或钻头组件)构造成用于这种钻机的方式。如图4所看到的，夹持器件23夹持在实际钻头的周围处设置的套筒构件37。所述套筒构件通常称为钻头卡盘(bit chuck)，并且钻头卡盘包括在内周处设置的花键，所述花键设置成用于向钻头3提供扭矩。在套筒构件37的上方设置有一对卡环39，这对卡环39设置成当钻头组件连接至钻锤和钻管时将钻头组件保持就位以提供DTH/ITH钻凿管线。应当注意的是，这些提到的和常用类型的钻机的常识是本公开的读者所预料的。将明显的是，如图4所示的，钻头卡盘和钻头3仅借助于花键联接部而联接至彼此，下部支撑板25因此需要在夹持器件23夹持套筒构件37时支撑钻头3。因此，下部支撑板25将允许以与系统1内的单独的钻头3相同的方式来处理整个钻头组件。当钻头更换系统1用于Coprod^TM钻机时，由于Coprod^TM钻头不包括如DTH/ITH钻头所需要包括的钻头卡盘，因此可能不需要下部支撑板25。替代地，Coprod^TM钻头借助于中间的Coprod^TM头部件连接至钻管的端部，该头部件可以螺纹联接至钻管并且借助于Coprod^TM卡环将Coprod^TM钻头保持就位。这种Coprod^TM头部件可以在实行钻头更换操作时松动地螺纹联接至端部钻管。因此对于这种情况，夹持器件23直接夹持钻头，而没有任何附加的未联接的连接部分从钻头掉落的风险。

图5示出了根据实施方式的方法的流程图。流程图所描绘的方法是用于对构造成用于竖向钻凿的钻机中的钻头进行更换的方法。钻机包括可互换的多个钻管，其中，钻头设置在端部钻管的端部部段处。钻头借助于螺纹连接部而附接至端部部段，并且扭矩通过花键联接部而提供给钻头。钻机还包括下部支撑装置和断开器装置，断开器装置构造成用于松开钻管的螺纹连接部。此处应注意的是，短语“松开螺纹连接部”指的是松开但不是完全松脱所述连接部。如本文中所看到的短语，当螺纹连接部已经“松开”时，螺纹(threads)被认为仍与彼此接合，但不是以固定的方式接合。此后，“松开”的螺纹连接部可以通过以任何合适的方式、比如例如钻凿管线的缓慢旋转为连接部所提供的旋转而整体打开。用于根据本公开的钻头的至少半自动更换的系统还设置至钻机，所述系统设置成实行本文公开的方法。该方法可以包括下述步骤：a)借助于断开器装置将保持钻头联接至端部钻管的螺纹连接部断开，b)借助于下部支撑装置将钻头从钻管移除，c)借助于夹持臂将钻头从钻凿中心移动至钻头存放装置，d)从钻头存放装置中取出新的钻头并且将新的钻头移动至钻凿中心，e)将新的钻头插入到钻管中，以及f)将保持新的钻头联接至端部钻管的螺纹连接部接合并且紧固。

可以对所执行的方法如下面进行更详细地描述。当钻凿已经停止并且钻头更换操作开始时，使要替换的钻头从被钻凿的孔中向上移动，钻管在这种提升过程期间当合适的时候被移除。然后竖向提升钻头，使得将钻头保持就位的螺纹连接部定位在断开器装置内的正确位置处。钻机的下部支撑装置接合并且保持钻头。由断开器装置对螺纹连接部实行断开操作，以松开所述螺纹连接部，并且因此使钻头从钻凿管线的其余部分释放。钻头下降至交换位置，钻头更换系统的夹持臂和夹持器件在该位置中能够到达钻头。夹持臂使夹持器件朝向钻头移动，其中，夹持器件夹持钻头。夹持臂然后使保持钻头的夹持器件朝向钻头存放装置的交换位置移动。夹持器件放开钻头，以便允许将钻头定位在钻头存放装置内，其中，钻头存放装置对钻头存放装置中的钻头进行重新布置，以便使旧的钻头移动至存放位置并且使新的钻头移动至交换位置。夹持臂的夹持器件然后可以夹持新的钻头，并且使新的钻头移动回到钻机的钻凿中心。通过借助于下部支撑装置使钻头向上移动、或者通过借助于钻机的进给装置使端部钻管向下移动而使新的钻头和端部钻管移动成更靠近在一起。然后，钻头因此插入到端部钻管中。然后，借助于钻头和所述钻凿管线的至少一部分的相对旋转来将设置成保持钻头连接至钻凿管线的螺纹连接部接合并且紧固。最后，夹持臂移动远离新的被连接的钻头，其中，可以使用新的附接的钻头开始新的钻凿操作。

如在步骤a)中所公开的并且在上面还描述的断开操作可以通过多个断开循环来实行以松开螺纹联接部。这样的断开循环可以是扭矩沿与螺纹联接部的螺纹的螺旋方向相反的旋转方向施加至螺纹联接部的冲击。由于钻管在钻凿时的旋转方向符合钻凿管线的螺纹联接部的螺旋，使得通过所实行的常规钻凿不会松开这种螺纹连接部，因此螺纹可以在钻凿停止后非常牢固地紧固至彼此。由此多个断开循环可以减轻保持螺纹卡固至彼此的这种螺纹连接部。钻头更换系统的控制单元可以配置成实行预定数目的断开循环，该预定数目被认为是松开螺纹联接部的合适数目。控制单元还可以配置成用于实行断开循环，并且然后实行随后的将钻头从钻凿管线移开的尝试，其中，如果这种运动不可能，则中断，并且开始另一个断开循环。通过利用在设置成实行这种运动的液压装置内的压力传感器，由于所述液压装置内的内部压力中的快速增加，不成功的断开循环迅速被检测到。

该方法还可以包括附加步骤g)：将花键联接部的花键对准，所述步骤g)在步骤d)与步骤e)之间实行。通过在该方法中所包括的该特征，由于可以在同样方法内处理花键和螺纹两者，所述方法因此可以是能够使用钻头和具有更复杂的设计及布置结构的钻头组件来处理钻机的。将花键对准可以以不同的方式来实行，其中，参照图6更详细地示出一种示例。

图6示出了根据实施方式的方法的部分的流程图。本文公开的方法可以被认为是进一步限定上述方法的步骤g)的子方法。根据该方法的该实施方式，步骤g)可以包括下述子步骤：g-1)借助于压力传感器监测进给压力，以检测当花键彼此接合时由于未对准而引起的压力积累，g-2)如果检测到压力积累，则停止钻管的运动，以及g-3)使钻管缓慢旋转，直到花键对准为止，其中，新的钻头可以完全插入到钻管中或插入到设置在钻凿管线的端部处的类似元件中。因此，这可以更详细地描述花键联接部的花键如何以自动的方式对准。由于花键联接部的两个进入部分都包括花键——所述花键可以被认为是脊部并且这些脊部待被插入到位于所述脊部之间的相对的凹部中，因此当开始这种联接部的接合时，总是有脊部接合脊部的风险。如果认为钻头保持在固定位置，并且将端部钻管或包括与所述钻头接合的相对的花键的另一部分朝向所述钻头移动，则两件事情可能发生。如果花键正确对准，花键将彼此滑过，并且没有问题发生。如果替代地花键或脊部彼此接合，则向下移动的钻凿管线的钻管将被阻止进一步运动。这对于所述钻管的向下进给而言将导致压力积累，在钻管已经到达完成钻头至钻凿管线的连接的竖向位置之前可以借助于控制单元检测到该压力积累发生。当检测到这种压力积累时，控制单元可以因此将向下运动停止，而替代地开始钻管的缓慢旋转，该旋转最终将导致花键以适当的对准相互连接。当适当的对准发生时，压力积累由于花键或脊部的短端部不再彼此接触——这种彼此接触在钻管的进给内引起所述压力积累——而将减轻。当压力积累消失时，控制单元因此可以检测到压力积累消失，并且继续将钻管向下移动至螺纹连接部可以被接合和紧固的位置。通过利用该方法，由于该方法可以自动实行，因此不需要手工劳动。这又提供了围绕钻机——该钻机包括这种类型的钻头更换系统并且实行本文描述的方法——的更安全的工作环境。

然而，存在用于使花键联接部的花键对准的替代性解决方案。本文还将简要说明另一替代性解决方案。进给管可以朝向钻头或钻头组件缓慢地移动，以试图将钻头插入到钻机的接收钻头的对应部分中。如果花键未对准，则通过花键的相应的短端部彼此接合，如前所述，压力积累将发生并且被检测到。然而，替代保持进给常量并且使钻凿管线缓慢旋转以对准花键，进给运动可以替代地倒退预定距离，因此压力积累减轻，其中，可以推断出花键联接部的花键不再接触。然后钻凿管线以预定的角位移旋转、或旋转预定量的时间、或其他。在该短暂旋转之后，控制单元将尝试以花键的新建立的角度定位又一次向下进给。如果花键现在对准，则该方法可以如预期进行。然而，如果花键仍未对准，则可以重复该过程以实现花键的另一种角度定位。换言之，将花键联接部的花键对准的步骤可以作为迭代过程实行，这是非常可靠的，因为该步骤可以作为循环实行，该循环将被执行，直到没有检测到压力积累并且推断地确保花键正确对准为止。

该方法在其所描述的实施方式中的任何一种实施方式中还可以存储在控制单元中，其中，软件在执行时可以在包括这种控制单元的钻机中实行钻头的更换的至少半自动的方法。

已经出于说明性和描述性的目的提供了实施方式的前述描述。并不旨在穷举或将实施方式限制于所描述的变型。许多修改和变型对于本领域技术人员显然将是明显的。已经选择和描述了实施方式以便最佳地说明原理和实际应用，并且由此使本领域技术人员能够在本发明的各种实施方式方面以及与适用于本发明预期使用的各种修改来理解本发明。上述的部件和特征在本公开的框架内可以在所述的不同实施方式之间进行组合。

Claims (15)

1.一种用于钻机(5)中的钻头(3)的至少半自动更换的钻头更换系统(1)，所述钻机(5)构造成用于竖向钻凿，所述钻机(5)包括能够互换的多个钻管(7)，其中，钻头(3)设置在端部钻管的端部部段处，所述钻头(3)借助于螺纹连接部而附接至所述端部部段，并且扭矩借助于花键联接部而提供给所述钻头(3)，所述钻机(5)还包括下部支撑装置(9)和断开器装置(11)，所述下部支撑装置(9)设置成用于支撑和/或保持/夹持钻头或钻管，所述断开器装置(11)构造成用于松开所述钻管(7)的螺纹连接部，所述系统(1)包括钻头存放装置(13)和夹持臂(21)，所述钻头存放装置(13)设置成与所述钻机(5)的钻凿中心(15)相邻并且平行，并且所述钻头存放装置(13)设置成保持多个钻头(3)并且使钻头(3)在所述钻头存放装置(13)中所包括的存放位置(17)与交换位置(19)之间移动，所述存放位置(17)设置成用于存放钻头(3)，并且所述交换位置(19)设置成用于使钻头(3)向所述钻头存放装置(13)移动以及使钻头(3)从所述钻头存放装置(13)移动，所述夹持臂(21)包括夹持器件(23)，所述夹持器件(23)构造成用于选择性地夹持钻头(3)，所述夹持臂(21)设置成使所述夹持器件(23)在所述交换位置(19)与所述钻机(5)的所述钻凿中心(15)之间移动，

其中，所述夹持臂(21)还包括运动传感器，所述运动传感器设置成监测所述夹持臂(21)的运动，并且其中，所述系统(1)还包括控制单元，所述控制单元设置成接收来自所述传感器和所述钻机(5)的输入，并且设置成控制所述夹持臂(21)、所述夹持器件(23)、所述钻头存放装置(13)、以及所述钻机(5)的所述断开器装置(11)的运动。

2.根据权利要求1所述的系统(1)，其中，所述钻头存放装置(13)还包括至少一个钻头传感器，所述至少一个钻头传感器设置成监测位于所述钻头存放装置(13)中的所述位置(17、19)中的钻头(3)。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述控制单元配置成基于所述钻机(5)和连接至所述钻机(5)的所述钻头(3)的操作数据来开始所述至少半自动更换。

4.根据权利要求2或3所述的系统(1)，其中，所述控制单元还设置成基于钻头(3)的操作数据来确定钻头(3)的操作条件，并且设置成在需要更换钻头时向界面提供信号。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述钻头存放装置(11)包括封闭的保护壳体，所述壳体至少包括设置在所述交换位置(19)处的第一门，所述第一门设置成根据所实行的钻头交换操作而选择性地打开和关闭。

6.根据权利要求5所述的系统(1)，其中，所述壳体的所述第一门联接至所述夹持臂(21)，其中，所述第一门根据所述夹持臂(21)的所述运动而自动地打开和关闭。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，还包括下部支撑板(25)，所述下部支撑板(25)设置在所述夹持器件(23)的下方，并且设置成能够根据所述夹持器件(23)而移动，以便在钻头(3)由所述夹持器件(23)保持时从下方支撑钻头(3)。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述钻机(5)的所述断开器装置(11)包括受液压控制的两个夹持装置(27)，所述两个夹持装置(27)在沿着所述钻凿中心(15)的分开的位置处围绕所述钻凿中心(15)周向地设置，所述两个夹持装置(27)设置成夹持所述钻机(5)的一部分，并且以液压方式联接成能够相对于彼此径向移位，其中，所述两个夹持装置(27)能够夹持所述钻机(5)的分开的两个部分并且使所述钻机(5)的分开的两个部分相对于彼此旋转，以便将设置在所述两个部分之间的螺纹联接部打开。

9.一种构造成用于竖向钻凿的钻机(5)，所述钻机(5)包括能够互换的多个钻管(7)，其中，钻头(3)设置在端部钻管(7)的端部部段处，所述钻头(3)借助于螺纹连接部而附接至所述端部部段，并且扭矩借助于花键联接部而提供给所述钻头(3)，所述钻机(5)还包括下部支撑装置(9)和断开器装置(11)，所述下部支撑装置(9)设置成用于支撑和/或保持/夹持钻头或钻管，所述断开器装置(11)构造成用于松开所述钻管(7)的螺纹连接部，

其特征在于，

所述钻机(5)还包括根据权利要求1至6或8中的任一项所述的用于钻头(3)的至少半自动更换的系统(1)。

10.根据权利要求9所述的钻机(5)，其中，所述钻机(5)是DTH/ITH钻机，并且其中，所述系统(1)还包括下部支撑板(25)，所述下部支撑板(25)设置在所述夹持器件(23)的下方，并且设置成能够根据所述夹持器件(23)而移动，以便在钻头(3)由所述夹持器件(23)保持时从下方支撑钻头(3)。

11.一种用于对构造成用于竖向钻凿的钻机(5)中的钻头(3)进行更换的方法，所述钻机(5)包括能够互换的多个钻管(7)，其中，钻头(3)设置在端部钻管(7)的端部部段处，所述钻头(3)借助于螺纹连接部而附接至所述端部部段，并且扭矩借助于花键联接部而提供给所述钻头，所述钻机(5)还包括下部支撑装置(9)和断开器装置(11)以及根据权利要求1至8中的任一项所述的用于钻头(1)的至少半自动更换的系统(1)，所述下部支撑装置(9)设置成用于支撑和/或保持/夹持钻头或钻管，所述断开器装置(11)构造成用于松开所述钻管(7)的螺纹连接部，所述方法包括下述步骤：

a)借助于所述断开器装置(11)将保持所述钻头(3)联接至端部钻管(7)的所述螺纹连接部断开，

b)借助于所述下部支撑装置(9)将所述钻头(3)从所述钻管(7)移除，

c)借助于所述夹持臂(21)将所述钻头(3)从所述钻凿中心(15)移动至所述钻头存放装置(13)，

d)从所述钻头存放装置(13)中取出新的钻头(3)，并且将所述新的钻头(3)移动至所述钻凿中心(15)，

e)将所述新的钻头(3)插入到所述钻管(7)中，以及

f)将保持所述新的钻头(3)联接至所述端部钻管(7)的所述螺纹连接部接合并且紧固。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括将花键联接部的花键对准的步骤g)，所述步骤g)在步骤d)与步骤e)之间实行。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，步骤g)包括下述子步骤：

g-1)借助于压力传感器监测进给压力，以检测当所述花键彼此接合时由于未对准而引起的压力积累，

g-2)如果检测到压力积累，则停止所述钻管的运动，以及

g-3)使所述钻管缓慢旋转，直到所述花键对准为止。

14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中，步骤a)的断开操作通过实行多个断开循环以松开所述螺纹联接部来实行，其中，断开循环是扭矩沿与所述螺纹联接部的螺纹的螺旋方向相反的旋转方向提供给所述螺纹联接部。

15.一种软件，当所述软件被存储在用于钻机(5)中的钻头(3)的至少半自动地更换的系统的控制单元中并且被执行时，所述软件实行根据权利要求11至14中的任一项所述的方法。

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