CN114909148A - 一种环切钻具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环切钻具，属于钻具技术领域。它解决了现有钻具稳定性较差、传动效率低、成本高的问题。本环切钻具，包括钻架、设于钻架上且可轴向运动的支撑筒以及与支撑筒同轴设置并能随支撑筒一同运动的钻筒，钻筒内同轴穿设有由动力组件驱动的导向定位柱，钻筒通过联动组件与导向定位柱周向限位且轴向滑动配合，导向定位柱上设有用于防止钻筒晃动的稳定组件。通过稳定盘对钻筒进行有效支撑，防止钻筒发生晃动，不会偏离轴向位置，稳定性好，而且传动效率高，成本低。

Description

一种环切钻具

技术领域

本发明属于钻具技术领域，涉及一种环切钻具。

背景技术

在现有技术中，隧道掘进是岩石非爆破开挖的常见手段，即利用水平环缝钻机在岩石的掌子面钻出环缝，破坏岩石边界，以利于剥离岩石。在钻机掘进施工中，由于环缝钻机的钻筒头部是钻齿，尾部是驱动轴，所以当岩芯断在钻筒内时，岩芯只能从钻筒的头部取出，但是取出时钻筒头部的钻齿又会卡着岩芯，从而导致取出困难，存在一定的施工困扰。

为此，中国专利公开了一种带有过水螺旋钻筒的环缝取芯钻孔装置[申请公布号为CN112031687A]，包括钻头座、第一旋转马达、旋转芯轴、钻筒和取芯钻头，钻筒由至少两根管道螺旋缠绕而成，在钻筒内设置潜孔钻头，在开始钻孔前可以将潜孔钻头的前端抵接在岩壁上进行定位，防止开始钻孔时取芯钻头打滑而钻歪；在钻筒缩回时，便于潜孔钻头能完全将钻筒以及取芯钻头内的内芯击碎并推出。

上述环缝取芯钻孔装置存在以下问题：钻筒的长度较长，在钻进时钻筒前端会晃动，导致偏离轴向位置，稳定性较差；虽然可通过潜孔钻头进行钻孔前的定位，但该定位为初始定位，为钻筒找到钻进的准确位置，也达不到对钻筒进行支撑的目的。而且现有的钻具大多采用液压马达作为动力组件，液压马达则由电机驱动，传动效率低下，生产成本高。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种传动效率高的环切钻具。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种环切钻具，包括钻架、设于钻架上且可轴向运动的支撑筒以及与支撑筒同轴设置并能随支撑筒一同运动的钻筒，所述钻筒内同轴穿设有由动力组件驱动的导向定位柱，所述钻筒通过联动组件与导向定位柱周向限位且轴向滑动配合，所述导向定位柱上设有用于防止钻筒晃动的稳定组件。

在动力组件的作用下，导向定位柱绕自身中轴线转动，通过联动组件的传递作用，带动钻筒随导向定位柱同步转动，控制钻筒的轴向位置，实现钻筒的钻进与退出。稳定组件可对钻筒进行有效支撑，防止钻筒发生晃动，不会偏离轴向位置，稳定性好。

在上述环切钻具中，所述导向定位柱内具有轴孔，所述轴孔内同轴穿设有钻杆，所述钻杆的前端具有钻头，所述钻杆与导向定位柱之间通过第一轴承实现轴向定位，所述钻杆与导向定位柱之间还设有用于使钻杆绕自身中轴线转动的传动组件。

钻筒钻进前，使导向定位柱前移，同时带动钻杆前移，导向定位柱的转动通过传动组件传递给钻杆，带动钻杆转动，使钻头在岩石面上钻出定位孔。稳定组件位于导向定位柱的前端，钻头位于稳定组件的前端，钻头钻进时，导向定位柱持续前移，直至稳定组件与定位孔配合后，导向定位柱才停止前移。通过在岩石面上钻出定位孔，可提高导向定位柱的稳定性，进而提高稳定组件的稳定性，达到提高钻筒稳定性的目的。

在上述环切钻具中，所述稳定组件包括同轴设于导向定位柱前端的稳定筒和同轴设于稳定筒上的稳定盘，所述钻杆同轴穿设在稳定筒内且两者通过第二轴承实现轴向定位，所述稳定盘的外径小于钻筒的内径；所述钻头位于稳定筒前端，所述钻头的外径小于稳定筒的外径，所述稳定筒的前端具有导向锥面，所述导向锥面的最小外径小于钻头的外径。

导向锥面的外径由前往后逐渐增大，导向锥面的最大外径等于稳定筒的外径。通过导向锥面与定位孔配合，可将稳定筒牢牢卡死，防止稳定筒在径向上发生跳动，从而防止钻筒在径向上的跳动，特别是钻筒与岩石面刚接触时的初始跳动，进一步提高了稳定性。其中，稳定盘的外径略小于钻筒的内径，两者之间为间隙配合。为了防止泥土进入钻筒，可在稳定盘的外周上设置环形槽，在环形槽内设置密封圈，密封圈与钻筒内壁接触。

在上述环切钻具中，所述传动组件包括同轴套设在钻杆上的离合盘、设于离合盘一侧的第一啮合齿以及设于导向定位柱后端的第二啮合齿，所述第一啮合齿与第二啮合齿啮合。

第一啮合齿沿离合盘径向延伸，第二啮合齿沿导向定位柱径向延伸，当导向定位柱转动时，通过第二啮合齿和第一啮合齿使离合盘转动，离合盘转动时带动钻杆同步转动。不需要设置独立的动力单元驱动钻杆，大大降低了成本。

在上述环切钻具中，所述钻杆上设有第一外花键槽，所述离合盘上设有第一内花键，所述第一内花键与第一外花键槽配合。

第一外花键槽沿钻杆轴向延伸，第一内花键沿离合盘轴向延伸。离合盘可沿钻杆轴向运动，两者通过第一外花键槽和第一内花键周向限位。需要钻杆转动时，离合盘靠近导向定位柱，使第一啮合齿与第二啮合齿啮合，导向定位杆转动带动钻杆同步转动。当导向定位柱定位好后，离合盘远离导向定位柱，使第一啮合齿与第二啮合齿分开，导向定位柱转动时不会带动钻杆转动，避免钻头进一步对定位孔进行磨损，在一定程度上提高了钻杆的稳定性，从而提高了导向定位柱的稳定性。

在上述环切钻具中，所述钻筒的后端同轴固连有伸入支撑筒的连接筒，所述连接筒与支撑筒之间设有第三轴承，所述联动组件设于连接筒与导向定位柱之间。第三轴承可对连接筒进行轴向与径向定位，保证连接筒和钻筒始终与支撑筒同轴，当支撑筒轴向运动时，带动连接筒轴向运动，从而带动钻筒轴向运动。

在上述环切钻具中，所述联动组件包括设于导向定位柱上的第二外花键槽和设于连接筒上的第二内花键，所述第二内花键与第二外花键槽配合。

第二外花键槽沿导向定位柱轴向延伸，第二内花键沿连接筒轴向延伸。连接筒可沿导向定位柱周向运动，两者通过第二外花键槽和第二内花键周向限位。当导向定位柱转动时，通过第二外花键槽和第二内花键带动连接筒转动，从而带动钻筒同步转动。

在上述环切钻具中，所述动力组件包括电机、与电机传动连接的减速器以及与减速器传动连接的从动齿轮，所述从动齿轮与导向定位柱同轴固连。减速器的输入端与电机的输出轴连接，减速器的输出端为输出齿轮，该输出齿轮与从动齿轮啮合。电机工作时将带动减速器工作，经减速器减速后，导向定位柱低速转动。

在上述环切钻具中，所述钻架上设有与导向定位柱平行的第一导轨，所述第一导轨上滑动配合有动力箱，所述钻架上还设有用于驱动动力箱沿第一导轨长度方向运动的第一驱动件，所述导向定位柱穿设在动力箱内且能随动力箱一同运动，所述从动齿轮和减速器设于动力箱内。

为了实现导向定位柱的转动，在导向定位柱与动力箱之间设置轴承。第一驱动件为液压缸或电动推杆等其他直线驱动机构，当第一驱动件伸缩时带动动力箱沿第一导轨的长度方向运动，从而带动导向定位柱轴向运动。

在上述环切钻具中，所述钻架上设有与导向定位柱平行的第二导轨，所述支撑筒与第二导轨滑动配合，所述钻架上还设有用于驱动支撑筒轴向运动的第二驱动件。第二驱动件为液压缸或电动推杆等其他直线驱动机构，当第二驱动件伸缩时带动支撑筒沿第二导轨的长度方向运动，从而带动钻筒轴向运动。

与现有技术相比，本环切钻具具有以下优点：通过电机和减速器驱动导向定位柱转动，传动效率高；钻筒通过联动组件与导向定位柱传动连接，钻杆通过传动组件与导向定位柱传动连接，减少了动力组件的数量，降低了成本；通过稳定筒和稳定盘可有效防止钻筒发生晃动，配合钻架自身的稳定机构使钻筒不会偏离轴向位置，有效保证钻筒稳定的实现同轴旋转；在导向锥面与定位孔的配合下，可将稳定筒和导向定位柱牢牢卡死，防止导向定位柱在径向上发生跳动，进一步提高了稳定性；在钻孔完毕后，稳定筒还能将岩芯顶住，方便钻筒从环缝内退出。

附图说明

图1是本发明提供的环切钻具处于第一步时的剖视图。

图2是本发明提供的导向定位柱与钻杆的装配示意图。

图3是本发明提供的环切钻具处于第二步时的剖视图。

图4是本发明提供的环切钻具处于第三步时的剖视图。

图5是本发明提供的环切钻具处于第四步时的剖视图。

图6是本发明提供的环切钻具处于第五步时的剖视图。

图7是本发明提供的环切钻具处于第六步时的剖视图。

图8是本发明提供的环切钻具处于第七步时的剖视图。

图9是本发明提供的钻杆的剖视图。

图10是本发明提供的其他实施例中环切钻具的剖视图。

图中，1、钻架；2、支撑筒；3、钻筒；4、导向定位柱；5、轴孔；6、钻杆；7、钻头；8、第一轴承；9、稳定筒；10、稳定盘；11、第二轴承；12、导向锥面；13、离合盘；14、第一啮合齿；15、第二啮合齿；16、第一外花键槽；17、连接筒；18、第三轴承；19、第二外花键槽；20、电机；21、减速器；22、从动齿轮；23、动力箱；24、支撑环；25、水气孔；a、岩石面；b、定位孔；c、环缝；26、第三啮合齿。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示的环切钻具，包括钻架1、设于钻架1上且可轴向运动的支撑筒2以及与支撑筒2同轴设置并能随支撑筒2一同运动的钻筒3。为了实现支撑筒2的轴向运动，在钻架1上设有沿支撑筒2的轴向延伸的第二导轨，支撑筒2与该第二导轨滑动配合，在钻架1上还设有用于驱动支撑筒2轴向运动的第二驱动件，第二导轨和第二驱动件未在图中示出。可将第二导轨设置为多个，从侧部和底部对支撑筒2进行支撑。本实施例中，第二驱动件为液压缸或电动推杆等其他直线驱动机构，当第二驱动件的活塞杆伸缩时带动支撑筒2轴向运动，从而带动钻筒3轴向运动。

在一些其他实施例中，还可以设置水平驱动机构来驱动支撑筒2轴向运动，水平驱动机构的结构同本申请人于2020年4月14日申请的后排渣式水平环缝钻具(申请号为CN202010288227.6)中的结构相同，本申请的改进部分不在水平驱动机构上，因此钻架1和水平驱动机构的结构在本申请中不再赘述。

如图1所示，钻筒3的外径与支撑筒2的外径相等，钻筒3的后端同轴固连有伸入支撑筒2的连接筒17，连接筒17与支撑筒2之间设有两个第三轴承18。第三轴承18可对连接筒17进行轴向与径向定位，保证连接筒17和钻筒3始终与支撑筒2同轴。当支撑筒2轴向运动时，可带动连接筒17轴向运动，从而带动钻筒3轴向运动。

如图1所示，钻筒3内同轴穿设有由动力组件驱动的导向定位柱4，钻筒3通过联动组件与导向定位柱4周向限位且轴向滑动配合，联动组件设于连接筒17与导向定位柱4之间。在动力组件的作用下，导向定位柱4绕自身中轴线转动，通过联动组件的传递作用，带动钻筒3随导向定位柱4同步转动，控制钻筒3的轴向位置，实现钻筒3的钻进与退出。稳定组件可对钻筒3进行有效支撑，防止钻筒3发生晃动，不会偏离轴向位置，稳定性好。

如图1所示，联动组件包括设于导向定位柱4上的第二外花键槽19和设于连接筒17上的第二内花键，第二内花键与第二外花键槽19配合。第二外花键槽19沿导向定位柱4轴向延伸，第二内花键沿连接筒17轴向延伸。连接筒17可沿导向定位柱4周向运动，两者通过第二外花键槽19和第二内花键周向限位。当导向定位柱4转动时，通过第二外花键槽19和第二内花键带动连接筒17转动，从而带动钻筒3同步转动。

如图1和图2所示，导向定位柱4内具有轴孔5，轴孔5内同轴穿设有钻杆6，钻杆6的前端由轴孔5前端穿出，钻杆6的后端由轴孔5后端穿出，钻杆6的前端具有钻头7，钻杆6与导向定位柱4之间通过至少两个第一轴承8实现轴向定位，钻杆6与导向定位柱4之间还设有用于使钻杆6绕自身中轴线转动的传动组件。

为了防止钻杆6发生晃动晃动或弯曲，在导向定位柱4与钻杆6之间设置若干个支撑环24，该支撑环24与导向定位柱4的内壁固连。

钻筒3钻进前，使导向定位柱4前移，同时带动钻杆6前移，导向定位柱4的转动通过传动组件传递给钻杆6，带动钻杆6转动，使钻头7在岩石面a上钻出定位孔b。稳定组件位于导向定位柱4的前端，钻头7位于稳定组件的前端，钻头7钻进时，导向定位柱4持续前移，直至稳定组件与定位孔b配合后，导向定位柱4才停止前移。通过在岩石面a上钻出定位孔b，可提高导向定位柱4的稳定性，进而提高稳定组件的稳定性，达到提高钻筒3稳定性的目的。

如图9所示，钻杆6内具有轴向延伸的水气孔25，水气孔25的前端贯通钻头7设置，钻杆6的后端连接有用于供给水、气的水气供给单元。水气孔25的前端分成多条分支，每条分支由钻头7的锥面穿出。

如图1和图2所示，传动组件包括同轴套设在钻杆6上的离合盘13、设于离合盘13一侧的第一啮合齿14以及设于导向定位柱4后端的第二啮合齿15，第一啮合齿14与第二啮合齿15啮合。第一啮合齿14沿离合盘13径向延伸，第二啮合齿15沿导向定位柱4径向延伸，当导向定位柱4转动时，通过第二啮合齿15和第一啮合齿14使离合盘13转动，离合盘13转动时带动钻杆6同步转动。不需要设置独立的动力单元驱动钻杆6，大大降低了成本。

如图2所示，钻杆6上设有第一外花键槽16，离合盘13上设有第一内花键，第一内花键与第一外花键槽16配合。第一外花键槽16沿钻杆6轴向延伸，第一内花键沿离合盘13轴向延伸。离合盘13可沿钻杆6轴向运动，两者通过第一外花键槽16和第一内花键周向限位。需要钻杆6转动时，离合盘13靠近导向定位柱4，使第一啮合齿14与第二啮合齿15啮合，导向定位杆转动带动钻杆6同步转动。当导向定位柱4定位好后，离合盘13远离导向定位柱4，使第一啮合齿14与第二啮合齿15分开，导向定位柱4转动时不会带动钻杆6转动，避免钻头7进一步对定位孔b进行磨损，在一定程度上提高了钻杆6的稳定性，从而提高了导向定位柱4的稳定性。

本实施例中，在导向定位柱4的前端设有用于防止钻筒3晃动的稳定组件。如图1和图2所示，稳定组件包括同轴设于导向定位柱4前端的稳定筒9和同轴设于稳定筒9上的稳定盘10，钻杆6同轴穿设在稳定筒9内且两者通过第二轴承11实现轴向定位，稳定盘10的外径小于钻筒3的内径；钻头7位于稳定筒9前端，钻头7的外径小于稳定筒9的外径，稳定筒9的前端具有导向锥面12，导向锥面12的最小外径小于钻头7的外径。

导向锥面12的外径由前往后逐渐增大，导向锥面12的最大外径等于稳定筒9的外径。通过导向锥面12与定位孔b配合，可将稳定筒9牢牢卡死，防止稳定筒9在径向上发生跳动，从而防止钻筒3在径向上的跳动，特别是钻筒3与岩石面a刚接触时的初始跳动，进一步提高了稳定性。其中，稳定盘10的外径略小于钻筒3的内径，两者之间为间隙配合。为了防止泥土进入钻筒3，可在稳定盘10的外周上设置环形槽，在环形槽内设置密封圈，密封圈与钻筒3内壁接触。为了方便排渣，在钻筒3的侧壁上设置若干侧孔，若干侧孔沿钻筒3的长度方向螺旋分布。

如图1所示，动力组件包括电机20、与电机20传动连接的减速器21以及与减速器21传动连接的从动齿轮22，从动齿轮22与导向定位柱4同轴固连。减速器21的输入端与电机20的输出轴连接，减速器21的输出端为输出齿轮，该输出齿轮与从动齿轮22啮合。电机20工作时将带动减速器21工作，经减速器21减速后，导向定位柱4低速转动。

钻架1上设有与导向定位柱4平行的第一导轨，第一导轨上滑动配合有动力箱23，钻架1上还设有用于驱动动力箱23沿第一导轨长度方向运动的第一驱动件，导向定位柱4穿设在动力箱23内且能随动力箱23一同运动，从动齿轮22和减速器21设于动力箱23内。第一导轨和第一驱动件未在图中示出。第一导轨可以设置多个，分别位于动力箱23的侧部和底部处。为了实现导向定位柱4的转动，在导向定位柱4与动力箱23之间设置轴承。第一驱动件为液压缸或电动推杆等其他直线驱动机构，当第一驱动件伸缩时带动动力箱23沿第一导轨的长度方向运动，从而带动导向定位柱4轴向运动。

本实施例中，环切钻具的工作过程如下：

第一步、如图1所示，将钻架1抵靠到岩石面a上，此时钻筒3前端和钻头7抵靠在岩石面a上，离合盘13上的第一啮合齿14未与导向定位柱4上的第二啮合齿15啮合。

第二步、如图3所示，轴向移动离合盘13，使离合盘13上的第一啮合齿14与导向定位柱4后端的第二啮合齿15啮合，电机20工作，将动力通过减速器21传递给从动齿轮22，从而带动导向定位柱4转动。

第三步、如图4所示，第一驱动件动作，带动动力箱23沿第一导轨运动，同时带动导向定位柱4和钻杆6向前运动，由于钻杆6处于转动状态，当其前进时在岩石面a上钻出定位孔b。

第四步、如图5所示，当导向锥面12与定位孔b配合时，第一驱动件停止工作，同时使离合盘13上的第一啮合齿14与导向定位柱4上的第二啮合齿15分开，钻杆6停转。此时通过导向锥面12和稳定筒9对钻杆6进行径向定位，钻杆6又对导向定位柱4进行径向定位，导向定位柱4对钻筒3后端进行径向定位，稳定盘10对钻筒3前端进行径向定位。

第五步、如图6所示，第二驱动件驱动支撑筒2前移，从而带动钻筒3前移，导向定位柱4带动钻筒3转动，在岩石面a上钻出环缝c。

第六步、如图7所示，第二驱动件驱动支撑筒2后移，使钻筒3从环缝c内退出。钻筒3在退出的过程中，稳定筒9一直顶靠在岩芯上，防止岩芯随钻筒3一同向外运动。

第七步、如图8所示，第一驱动件使动力箱23后移，带动导向定位柱4后移，使稳定筒9和钻头7从定位孔b内脱出。

重复步骤一至七，完成下一环缝c的钻进。

在一些其他实施例中，如图10所示，传动组件包括离合盘13、设于离合盘13一侧的第一啮合齿14、设于导向定位柱4后端的第二啮合齿15以及设于钻杆6后端的第三啮合齿26，第一啮合齿14同时与第二啮合齿15和第三啮合齿26啮合。第一啮合齿14沿离合盘13径向延伸，第二啮合齿15沿导向定位柱4径向延伸，第三啮合齿26沿钻杆6径向延伸。当导向定位柱4转动时，通过第二啮合齿15和第一啮合齿14使离合盘13转动，离合盘13转动时通过第三啮合齿26和第一啮合齿14带动钻杆6同步转动。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种环切钻具，包括钻架(1)、设于钻架(1)上且可轴向运动的支撑筒(2)以及与支撑筒(2)同轴设置并能随支撑筒(2)一同运动的钻筒(3)，其特征在于，所述钻筒(3)内同轴穿设有由动力组件驱动的导向定位柱(4)，所述钻筒(3)通过联动组件与导向定位柱(4)周向限位且轴向滑动配合，所述导向定位柱(4)上设有用于防止钻筒(3)晃动的稳定组件。

2.根据权利要求1所述的环切钻具，其特征在于，所述导向定位柱(4)内具有轴孔(5)，所述轴孔(5)内同轴穿设有钻杆(6)，所述钻杆(6)的前端具有钻头(7)，所述钻杆(6)与导向定位柱(4)之间通过第一轴承(8)实现轴向定位，所述钻杆(6)与导向定位柱(4)之间还设有用于使钻杆(6)绕自身中轴线转动的传动组件。

3.根据权利要求2所述的环切钻具，其特征在于，所述稳定组件包括同轴设于导向定位柱(4)前端的稳定筒(9)和同轴设于稳定筒(9)上的稳定盘(10)，所述钻杆(6)同轴穿设在稳定筒(9)内且两者通过第二轴承(11)实现轴向定位，所述稳定盘(10)的外径小于钻筒(3)的内径；所述钻头(7)位于稳定筒(9)前端，所述钻头(7)的外径小于稳定筒(9)的外径，所述稳定筒(9)的前端具有导向锥面(12)，所述导向锥面(12)的最小外径小于钻头(7)的外径。

4.根据权利要求2所述的环切钻具，其特征在于，所述传动组件包括同轴套设在钻杆(6)上的离合盘(13)、设于离合盘(13)一侧的第一啮合齿(14)以及设于导向定位柱(4)后端的第二啮合齿(15)，所述第一啮合齿(14)与第二啮合齿(15)啮合。

5.根据权利要求4所述的环切钻具，其特征在于，所述钻杆(6)上设有第一外花键槽(16)，所述离合盘(13)上设有第一内花键，所述第一内花键与第一外花键槽(16)配合。

6.根据权利要求1所述的环切钻具，其特征在于，所述钻筒(3)的后端同轴固连有伸入支撑筒(2)的连接筒(17)，所述连接筒(17)与支撑筒(2)之间设有第三轴承(18)，所述联动组件设于连接筒(17)与导向定位柱(4)之间。

7.根据权利要求6所述的环切钻具，其特征在于，所述联动组件包括设于导向定位柱(4)上的第二外花键槽(19)和设于连接筒(17)上的第二内花键，所述第二内花键与第二外花键槽(19)配合。

8.根据权利要求1所述的环切钻具，其特征在于，所述动力组件包括电机(20)、与电机(20)传动连接的减速器(21)以及与减速器(21)传动连接的从动齿轮(22)，所述从动齿轮(22)与导向定位柱(4)同轴固连。

9.根据权利要求8所述的环切钻具，其特征在于，所述钻架(1)上设有与导向定位柱(4)平行的第一导轨，所述第一导轨上滑动配合有动力箱(23)，所述钻架(1)上还设有用于驱动动力箱(23)沿第一导轨长度方向运动的第一驱动件，所述导向定位柱(4)穿设在动力箱(23)内且能随动力箱(23)一同运动，所述从动齿轮(22)和减速器(21)设于动力箱(23)内。

10.根据权利要求1所述的环切钻具，其特征在于，所述钻架(1)上设有与导向定位柱(4)平行的第二导轨，所述支撑筒(2)与第二导轨滑动配合，所述钻架(1)上还设有用于驱动支撑筒(2)轴向运动的第二驱动件。

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