CN113356857A - 一种竖井钻机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种竖井钻机，包括钻杆系统、护盾、刀盘、用于安装在地面上的井架以及安装在井架上的上部驱动装置、换杆装置和提升油缸，钻杆系统的一端连接于上部驱动装置，钻杆系统的另一端连接于减速器的输入端，减速器的输出端连接于刀盘，护盾的上设有主梁，主梁上设有滑动架，滑动架通过撑紧装置连接于用于撑紧井壁以提供反推力的撑靴，撑靴和护盾之间连接有推进装置，减速器固定安装于护盾上。驱动扭矩经上部驱动装置、钻杆系统和减速器传递至刀盘，使得刀盘驱动扭矩大幅度增加，同时可使刀盘可获得更大的推进力，提高单位转速下的破岩进尺，大幅度减小卡刀盘风险，钻杆无需承载大扭矩，降低了对钻杆性能的要求和制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，更具体地说，涉及一种竖井钻机。
背景技术
竖井工程在矿山、抽水蓄能水电站、隧道通风竖井、地铁及铁路隧道盾构始发等地下开发领域应用广泛。目前，竖井工程广泛采用的是人与钻眼爆破结合的普通法凿井技术，需要工作人员井下作业，直接与井壁接触，由于爆破对围岩扰动较大，工作环境非常危险。普通钻进法工作强度大、施工速度慢、成本高，安全性差，故机械化的钻井法是未来的发展方向。
钻井法凿井是利用竖井钻机等设备钻凿井筒的方法，其原理是利用钻机的钻杆带动钻头旋转钻进、滚刀破岩，利用泥浆临时支护井壁，并利用压气反循环方式排出开挖岩渣。该方法主要适用于以冲积层为主的含水地层，而在坚硬岩石地层中由于驱动扭矩小、推力小导致钻进效率低下。因此，提高钻机井下作业部分的驱动扭矩和推力成为是关键的技术发展方向。
现有竖井钻机的刀盘驱动扭矩小、推力小。钻机刀盘驱动系统布置在地面，驱动扭矩依靠钻杆传递到井下刀盘，受钻杆材结构和料性能制约，不能传递过大扭矩和推力，钻井深度受限，在1000m以上的大深度掘进时，钻杆过长，无法承受巨大的扭矩和推力，故井下刀盘钻进推力全部依赖配重，推力无法调节，在硬岩地层掘进困难甚至无法掘进。
因此，如何解决竖井钻机的刀盘驱动扭矩小、推力小的问题，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种竖井钻机，该竖井钻机可使刀盘驱动扭矩大幅度增加。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种竖井钻机，包括钻杆系统、护盾、刀盘、用于安装在地面上的井架以及安装在所述井架上的上部驱动装置、换杆装置和提升油缸，所述钻杆系统的一端连接于所述上部驱动装置，所述钻杆系统的另一端连接于减速器的输入端，所述减速器的输出端连接于刀盘，所述护盾的上设有主梁，所述主梁上设有滑动架，所述滑动架通过撑紧装置连接于用于撑紧井壁以提供反推力的撑靴，所述撑靴和所述护盾之间连接有推进装置，所述减速器固定安装于所述护盾上。
优选的，所述上部驱动装置的驱动源为电机。
优选的，所述电机的个数为4个，每个所述电机的功率为160KW。
优选的，所述推进装置为推进油缸。
优选的，所述撑紧装置为撑紧油缸。
优选的，所述减速器为三级行星减速器。
本发明所提供的竖井钻机，驱动扭矩经上部驱动装置、钻杆系统和减速器传递至刀盘，即本发明中，钻杆系统不是直接与刀盘相连接，而是连接到减速器进行扭矩放大，减速器将扭矩传递给刀盘，从而驱动刀盘旋转，然后推进油缸启动，提供掘进推力，从而使得刀盘驱动扭矩大幅度增加，同时可使刀盘获得更大的推进力，提高单位转速下的破岩进尺，大幅度减小卡刀盘风险，另外钻杆无需承载大扭矩，降低了对钻杆性能的要求和制造成本。
此外，本发明所提供的竖井钻机，由于通过减速器对钻杆系统的扭矩进行放大，可通过推进油缸实施井下独立推进，无需设置大吨位配重，减轻了井下主机的重量，大幅度减少地面提升系统提升能力要求，并能够更快的提升井下设备；设于地面的井架、提升系统、泥浆系统、动力系统可与常规钻机通用，大幅度降低设备成本，实现一套地面系统配套多种井下主机的效果，有利于现场快速应用推广；无需开挖先导孔，能应对更为复杂的工作条件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供竖井钻机具体实施例的结构示意图。
其中，1-刀盘、2-护盾、3-减速器、4-推进油缸、5-撑紧油缸、6-撑靴，7-滑动架、8-主梁、9-钻杆系统、10-井架、11-换杆装置、12-提升油缸、13-上部驱动装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种竖井钻机，该竖井钻机可使刀盘驱动扭矩大幅度增加。
请参考图1，图1为本发明所提供竖井钻机具体实施例的结构示意图。
本发明所提供的竖井钻机，包括钻杆系统9、护盾2、刀盘1、用于安装在地面上的井架10以及安装在井架10上的上部驱动装置13、换杆装置11和提升油缸12，钻杆系统9的一端连接于上部驱动装置13，钻杆系统9的另一端连接于减速器3的输入端，减速器3的输出端连接于刀盘1，护盾2的上设有主梁8，主梁8上设有滑动架7，滑动架7通过撑紧装置连接于用于撑紧井壁以提供反推力的撑靴6，撑靴6和护盾2之间连接有推进装置，减速器3固定安装于护盾2上。
其中，竖井钻机的主要结构包括用于为钻杆系统9提供动力的上部驱动装置13、用于在钻井的过程中进行钻杆更换的换杆装置11、用于举起上部驱动装置13以配合换杆装置11进行装杆操作的提升油缸12、用于安装在地面上以作为上部驱动装置13等结构的安装载体的井架10、用于将驱动装置的扭矩传递至刀盘1的钻杆系统9、安装在护盾2上并用于安装滑动架7的主梁8、可滑动的安装在主梁8上的滑动架7、通过推动油缸连接于滑动的撑靴6、为刀盘1提供推力的推进油缸4、用于将撑靴6压紧于井壁以为推进油缸4提供反推力的撑紧油缸5、设于钻杆系统9与刀盘1之间并要用于放大传递扭矩的减速器3、护盾2和刀盘1。
上部驱动装置13、换杆装置11和提升油缸12固定安装在井架10上，钻杆系统9上端连接上部驱动、下端连接于减速器3的输入端，滑动架7和撑靴6通过撑紧油缸5连接、推进油缸4两端分别连接撑靴6和护盾2，滑动架7可在主梁8上做轴向滑动，主梁8固定连接到护盾2，减速器3也固定连接在护盾2上，同时，减速器3与刀盘1的输出端连接于刀盘1。驱动扭矩传递次序为上部驱动装置13、钻杆系统9、减速器3和刀盘1。
推进时，撑紧油缸5驱动撑靴6向井壁移动，以使撑靴6撑紧在井壁上并为推进油缸4提供推进反力，上部驱动装置13启动，扭矩经钻杆系统9传递到减速器3上将扭矩放大，然后再传递给刀盘1，推进油缸4启动，推进油缸4推动护盾2和刀盘1前进，直至完成一个推进行程，完成一个推进行程后，提升油缸12举起上部驱动，换杆装置11进行装钻杆操作，然后撑紧油缸5收回，撑靴6脱离撑紧洞壁并随着推进油缸4回缩一个推进行程，然后开始下一个推进行程的循环。
综上所述，本发明所提供的竖井钻机，驱动扭矩经上部驱动装置13、钻杆系统9和减速器3传递至刀盘1，即本发明中，钻杆系统9不是直接与刀盘1相连接，而是连接到减速机进行扭矩放大，减速机将扭矩传递给刀盘1，从而驱动刀盘1旋转，然后推进油缸4启动，提供掘进推力，从而使得刀盘1驱动扭矩大幅度增加，同时可使刀盘1获得更大的推进力，提高单位转速下的破岩进尺，大幅度减小卡刀盘1风险，另外钻杆无需承载大扭矩，降低了对钻杆性能的要求和制造成本。
此外，本发明所提供的竖井钻机，由于通过减速器3对钻杆系统9的扭矩进行放大，可通过推进油缸实施井下独立推进，无需设置大吨位配重，减轻了井下主机的重量，大幅度减少地面提升系统提升能力要求，并能够更快的提升井下设备；设于地面的井架10、提升系统、泥浆系统、动力系统可与常规钻机通用，大幅度降低设备成本，实现一套地面系统配套多种井下主机的效果，有利于现场快速应用推广；无需开挖先导孔，能应对更为复杂的工作条件。
在上述实施例的基础之上，考虑到上部驱动装置13的具体选择，作为一种优选，上部驱动装置13的驱动源为电机。当然，上部驱动装置13还可以是其他的驱动装置，例如液压马达等。考虑到电机的具体选择，在上述实施例的基础之上，作为一种优选，电机的个数为4，每个电机的功率为160kW，以保证上部驱动装置13具有足够的驱动力。当然，还可根据实际需求而选择合适功率的电机。
在上述实施例的基础之上，考虑到推进装置的具体选择，作为一种优选，推进装置为推进油缸4，以保证推进装置具有足够的推力，当然，推进装置还可以是电动推杆等装置，具体可根据需要而灵活设置。考虑到撑紧装置的具体选择，在上述实施例的基础之上，作为一种优选，撑紧装置为撑紧油缸5。以保证撑紧装置能够将撑靴6牢固的卡紧在井壁上，以为推进油缸4提供可靠的反推力。
在上述任意实施例的基础之上，作为一种优选，减速器3为三级行星减速器。以保证减速器3对钻杆系统的扭矩放大效果，当然，减速器3还可为二级减速器等，另外，还可根据实际需要选择减速器3的具体传动比。具体的，减速器3的传动比可为4:1。
以上对本发明所提供的竖井钻机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种竖井钻机，其特征在于，包括钻杆系统(9)、护盾(2)、刀盘(1)、用于安装在地面上的井架(10)以及安装在所述井架(10)上的上部驱动装置(13)、换杆装置(11)和提升油缸(12)，所述钻杆系统(9)的一端连接于所述上部驱动装置(13)，所述钻杆系统(9)的另一端连接于减速器(3)的输入端，所述减速器(3)的输出端连接于刀盘(1)，所述护盾(2)的上设有主梁(8)，所述主梁(8)上设有滑动架(7)，所述滑动架(7)通过撑紧装置连接于用于撑紧井壁以提供反推力的撑靴(6)，所述撑靴(6)和所述护盾(2)之间连接有推进装置，所述减速器(3)固定安装于所述护盾(2)上。
2.根据权利要求1所述的竖井钻机，其特征在于，所述上部驱动装置(13)的驱动源为电机。
3.根据权利要求2所述的竖井钻机，其特征在于，所述电机的个数为4，每个所述电机的功率为160kW。
4.根据权利要求3所述的竖井钻机，其特征在于，所述推进装置为推进油缸(4)。
5.根据权利要求4所述的竖井钻机，其特征在于，所述撑紧装置为撑紧油缸(5)。
6.根据权利要求1至5任一项所述的竖井钻机，其特征在于，所述减速器(3)为三级行星减速器。
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