专利名称：一种铰链杠杆式双自锁钻杆卡钳的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种石油钻井设备，特别涉及石油钻机在移运、排放钻 杆设备中的夹持装置。 背条技术
当前，陆地石油钻机的移运、排放钻杆作业基本依靠人力手工作业完成。 因此，该项作业强度大、环境差、风险高、效率低，是减少起下钻时间，提 高作业效率的主要障碍。国内至今尚未出现实用的钻杆移运、排放机械必须 具备的钻杆夹持装置。目前国外已有成套的钻杆运输、排放系统，与其配套 的夹持装置或机械手因功能不同种类、型号较多，规格各异，但因其结构复 杂、体积庞大、价格昂贵，大多仅能与海洋钻机配套，尚不宜配套国内陆地 钻机。
发期内容
本实用新型铰链杠杆式双自锁钻杆卡钳解决的技术问题是设计一种适 合与当前国内各型陆地钻机的钻杆排放、移运设备配套，结构简单、安装方 便、维护容易、成本低廉的轻型石油钻杆夹持装置。
为实现上述目的，本实用新型的解决方案是
一种铰链杠杆式双自锁钻杆卡钳，所述装置由气缸、安装支架、死钳、 活钳、梳状连杆、梳状推杆、配重、活动卡瓦及复位、除污润滑机构等组成；
死钳与在其外侧圆弧焊接的n型支架组成卡钳本体，在其内側圆弧各自相距
90°处的燕尾槽内安装有一对活动卡瓦；活钳梳状杠杆中部的回转支承孔通 过销轴与死钳上的梳状耳板上的轴孔相铰接，形成杠杆支点；在活钳上与死 钳相对应部位的燕尾槽内也安装有活动卡瓦，在活钳的另一端轴孔则通过梳 状连杆销轴与梳状连杆铰接；梳状连杆的另一端轴孔通过轴销分别与梳状推 杆两端的轴孔铰接；位于梳状推杆中心的耳板通过轴销与在安装支架上的气 缸活塞杆端头相铰接，在气缸活塞杆的伸出、收縮作用下，梳状推杆推拉梳 状连杆，进而使活钳绕回转轴孔的支点产生闭合和开放的动作。
4采用四连杆铰链杠杆式夹持机构设计。该机构由死钳、 一对活钳、一 对梳状连杆、梳状推杆、梳状推杆导向杆和相应轴销等组成；该四连杆 铰链杠杆式夹持机构的特点是结构简单、能产生较大的夹紧力，可夹持 较大重量的钻杆，活钳可在死点位置上自锁不被打开，夹持可靠安全；
采用活动卡瓦与燕尾槽的配合面为楔形(或锥形)设计。活动卡瓦 被安装在燕尾槽内，它们间的配合面与卡钳中心线存在一楔(锥)形夹 角，它能起三个作用， 一是压縮活动卡瓦与钻杆之间的间隙，补偿钻杆 管径可能出现的下偏差；二是增加活动卡瓦与钻杆之间夹紧力，提高卡 钳的卡持力；三是当斜面夹角小于7-5°时，活动卡瓦能在燕尾檜内产生 自锁。
将活动卡瓦与钻杆之间的夹持面设计成带锯齿的半径略大于钻杆名 义尺寸的圆弧面，以加大活动卡瓦与钻杆之间的摩擦系数，能以较小的夹 紧力获得较大的卡持力；
在活动卡瓦的上下两端各安装有1条弹性摩擦材料制成的带有圆弧 面的条状块，圆弧面比卡瓦本体的锯齿状圆弧面稍突出；其作用是在钻杆 管径出现较大下偏差时，由摩擦块先夹住钻杆提供初始摩擦力。
活动卡瓦的设计使夹钳既能卡持额定载荷内不同管径的立根，当除去 活动卡瓦后可依靠活钳直接夹(圈)住钻具而不承受钻具重量。
除污润滑机构的设计使活动卡瓦和燕尾槽能通过油管输入高压空气 或清水进行吹除除污，亦能补充润滑脂；
配重机构的设计可使卡钳在非夹持状态时，其中心线与水平面保持基 本垂直。
本实用新型与现有技术相比的有益效果可以是
(1) 在起下钻作业中能夹持(或卡持)垂直状态的一根立根，并能在允
许载荷内将其提起；
(2) 对于超过一立根重量的钻具(如钻铤)仍需夹(圈)住，装置能在 钻具上活动，不需承重；
(3) 在钻杆管径制造公差范围内装置应能可靠夹(卡)持；
(4) 当装置处于钻杆夹(卡)持状态时， 一旦出现动力中断后仍能可靠
5维持夹(卡)持功能；
(5) 装置能自行清除钻井液对装置活动机件的污染并润滑，以保证机构 功能正常；
(6) 在非夹持状态时，装置的中心线能与水平面保持基本垂直。
图1是本实用新型的总体结构原理主视图。 图2是本实用新型的总体结构原理俯视图。 图3是本实用新型的卡钳放开状态示意图。
图4一1和图4一2是本实用新型的活动卡瓦与复位、除污润滑装置局部 放大示意图。
标号说明
1.气缸16.梳状推杆导向杆与导向孔
2.气缸安装板17.活钳回转轴孔与销轴
3.卡钳安装支架18.燕尾槽盖板
4.梳状连杆19.活动卡瓦
5.活钳梳状杠杆20.盖板固定螺栓
6.死钳梳状耳板21.油管直角接头
7.死钳22.油管三通接头
8.活钳23.活动卡瓦复位弹簧
9.配重固定螺栓24.复位弹簧导杆
10.配重调节螺母25.弹簧储盒固定螺栓
ll.配重铅块26.除污润滑油管
12.支架下安装孔27.条状摩擦块
13.气缸活塞杆连接端头28.摩擦块固定螺栓
14.梳状推杆29.燕尾槽
15.梳状连杆销轴30.弹簧储盒
具体实施方式
以下结合附图1、 2、 3、 4，对本实用新型结构、原理和功能作进一步描述。
一种铰链杠杆式双自锁钻杆卡钳实例的总体结构见附图1、附图2。其由 气缸(1)、安装支架(3)、及死钳(7)、活钳(8)、梳状连杆(4)、梳状推 杆(14)、活动卡瓦(19)及复位、除污润滑机构等组成。死钳(7)与在其 外侧圆弧焊接有n型安装支架(3)组成机构本体，在其圆弧内侧各自相距 90°处的燕尾槽内安装有一对活动卡瓦(19);位于活钳梳状杠杆(5)中部 的回转支承孔通过销轴(17)与死钳(7)上的耳板(6)轴孔相铰接，成为 杠杆支点；在活钳(8)上与死钳(7)相对应部位也安装有活动卡瓦(19)， 在活钳(8)的另一端轴孔则通过销轴(15)与梳状连杆(4)铰接；梳状连 杆(4)的另一端轴孔则通过销轴分别与梳状推杆(14)两端的轴孔铰接；梳 状推杆(14)的中心耳板通过轴销与在安装支架(3)上的气缸(1)活塞杆 端头(13)相铰接。在气缸(1)活塞杆的伸出、收縮作用下，梳状推杆(14) 推拉梳状连杆(4)，进而使活钳(8)绕回转支点(17)产生闭合和开放的动 作；活动卡瓦(19)分别安装在死钳(7)和活钳(8)的燕尾槽内，在复位 弹簧(23)的支承下，不卡持钻杆时活动卡瓦(19)处于燕尾槽上端；在与 死钳(7)和活钳(8)燕尾槽中心线相对应的背面开有三个与燕尾槽相通的 螺孔，各安装有四套对燕尾槽除污润滑的油管(30)和接头(25);在安装支 架(3)下后侧装有可调整的配重铅块(11),以使卡钳不在夹持钻杆时仍能 保持自身中心线基本与地面垂直。
铰链杠杆式夹持机构的开闭动作和自锁原理见附图2，下面作一说明 该机构由死钳(7)、 一对活钳(8)、 一对梳状连杆(4)、梳状推杆(14)、 梳状推杆导向杆(16)和相应销轴(15)、 (17)等组成的一种四连杆形式的 机构，其结构形式如前文所述。当梳状推杆(14)被外力推动或拉动时，通 过销轴传递给梳状连杆(4)，进而推动杠杆式的一对活钳(8)绕支点销轴(17) 转动，完成闭合或开放动作。当梳状推杆(14)向前推，与一对梳状连杆(4) 构成一直线时(如附图2所示状态)机构处于死点位置，此时梳状推杆(14) 上的外力撤销后，被闭合的一对活钳(8)仍能夹住钻杆而不被打开，此时机 构呈现自锁状态，只能依靠恢复梳状推杆(14)的外力，活钳(8)才能被打开。
活动卡瓦及复位、除污润滑机构的结构和工作原理见附图3，其主要由 活动卡瓦(19)、条状摩擦块(27)、燕尾槽(29)、燕尾槽盖板(18)复位弹 簧(23)、复位弹簧导杆(24)、弹簧储盒(30)、除污润滑油管(26)及接头 等组成。
活动卡瓦(19)被安装在燕尾槽(29)内，在其上下两端各固定有l条 带有圆弧面的弹性条状摩擦块(27)，在其底部安装有2根复位弹簧导向杆 (24);在死钳(7)和活钳(8)底端安装有经螺栓(25)固定的弹簧储盒(30)， 安放活动卡瓦复位弹簧(23)，在顶端安装有燕尾槽盖板(18),防止活动卡 瓦(19)弹出。当死钳(7)闭合时，钻杆首先被在活动卡瓦(19)两端的圆 弧面比活动卡瓦本体锯齿状圆弧面稍高的条状摩擦块(27)夹住，在死钳(7) 和活钳(8)的夹紧力作用下条状摩擦块(27)被压縮，转而与活动卡瓦(19) 锯齿状圆弧面将钻杆共同夹住。当卡钳提起时，初始由于活动卡瓦(19)与 燕尾槽(29)、钻杆间存在间隙，且活动卡瓦与钻杆间的摩擦力远大于与燕尾 槽间的摩擦力，因此在钻杆重量作用下活动卡瓦(19)不随卡钳本体运动， 而产生相对滑动。当卡钳继续提升，直至因卡瓦与燕尾槽壁间的间隙逐渐减 小或消失，而摩擦力等于大于卡瓦与钻杆间的摩擦力时活动卡瓦(19)不再 滑动，钻杆的载荷通过活动卡瓦传递给燕尾槽壁，进而传递给卡钳本体，此 时，钻杆才跟随卡钳一起被提起。
请参阅图4一1和图4一2。活动卡瓦(19)与燕尾槽(29)间的配合面 与卡钳中心线存在一 10:1-20:1斜度的楔(锥)形夹角，当钻杆被提起时钻 杆载荷通过活动卡瓦(19)在燕尾槽(29)斜面上分解为两个垂直于斜面和 平行于斜面的分力；垂直分力在此起三个作用， 一是压縮活动卡瓦(19)与 钻杆之间的间隙，补偿钻杆管径可能出现的下偏差；二是增加活动卡瓦(19) 与钻杆之间夹紧力提高卡钳的卡持力；三是当斜面夹角小于7-5°时，活动 卡瓦(19)在钻杆重力作用下在燕尾槽(29)内处于自锁状态。活动卡瓦的 设计使卡钳的卡持力主要取决于钻杆的自重在燕尾槽(29)楔形斜面上产生 的分力，而不随钻杆的管径变化而变化，保证了夹(卡)持的可靠性。
活动卡瓦(19)与钻杆之间的夹持面设计成带水平条状锯齿的半径略大于钻杆名义尺寸的圆弧面；在夹紧力不变的条件下条状锯齿可明显提高活动 卡瓦(19)对钻杆表面的压强，加大在锯齿周围钻杆表面弹性变形，活动卡 瓦与钻杆表面之间的摩擦系数可得以很大提高，能以较小的夹紧力获得较大 的钻杆卡持力；
条状摩擦块(27)的圆弧面比活动卡瓦(19)的锯齿状圆弧面稍高，其 作用是当活钳(8)已闭合到位，而钻杆管径出现较大下偏差，导致活动卡瓦 (19)本体未能夹住钻杆，而条状摩擦块(27)此时仍能夹住钻杆，在卡钳 提起时提供初始摩擦力，使活动卡瓦(19)仍能相对卡钳本体向下滑动，同 时在楔状燕尾槽(29)的作用下，活动卡瓦(19)圆弧面与钻杆表面之间间 隙逐渐縮小，直至活动卡瓦(19)也能夹住钻杆。
除污润滑装置主要由润滑油管(26)、油管直角接头(21)、油管三通接 头(22)等组成。在与燕尾槽中心线相对应的死钳(7)和活钳(8)背面开 有三个与燕尾槽相通的螺孔，各安装有两个油管三通接头(22)和一个油管 直角接头(21)、相互间由除污润滑油管(30)连通。该装置使活动卡瓦(19) 和燕尾槽(29)能通过油管补充润滑脂得到润滑，避免活动卡瓦卡滞；当燕 尾槽(29)遭钻井液污染时，可通过油管管路输入高压空气或清水进行除污。
权利要求1、一种铰链杠杆式双自锁钻杆卡钳，其特征是所述装置由气缸(1)、安装支架(3)、死钳(7)、活钳(8)、梳状连杆(4)、梳状推杆((14)、配重(11)、活动卡瓦(19)及复位、除污润滑机构等组成；死钳(7)与在其外侧圆弧焊接的∏型支架(3)组成卡钳本体，在其内侧圆弧各自相距90°处的燕尾槽内安装有一对活动卡瓦(19-1、2)；活钳梳状杠杆(5)中部的回转支承孔通过销轴(17)与死钳(7)上的梳状耳板(6)上的轴孔相铰接，形成杠杆支点；在活钳(8-1、2)上与死钳(7)相对应部位的燕尾槽(29)内也安装有活动卡瓦(19-3、4)，在活钳(8-1、2)的另一端轴孔则通过梳状连杆销轴(15)与梳状连杆(4-1、2)铰接；梳状连杆(4-1、2)的另一端轴孔通过轴销分别与梳状推杆(14)两端的轴孔铰接；位于梳状推杆(14)中心的耳板通过轴销与在安装支架(3)上的气缸(1)活塞杆端头(13)相铰接，在气缸(1)活塞杆的伸出、收缩作用下，梳状推杆(14)推拉梳状连杆(4-1、2)，进而使活钳(8-1、2)绕回转轴孔(17)的支点产生闭合和开放的动作。
2、 根据权利要求1所述的一种铰链杠杆式双自锁钻杆卡钳，其特征 是所述活动卡瓦及复位、除污润滑机构由活动卡瓦(19)、燕尾 槽盖板(18)、盖板固定螺栓(20)、活动卡瓦复位弹簧(23)、复 位弹簧导杆(24)、弹簧储盒(30)、弹簧储盒固定螺栓(25)、条 状摩擦块(27)、摩擦块固定螺栓(28)、除污润滑油管(26)、油 管接头(21、 22)等组成；活动卡瓦(19-1、 2、 3、 4)分别安装 在死钳(7)和活钳(8-1、 2)的燕尾槽(29)内，在活动卡瓦复 位弹簧(23)的支承下，不承载时活动卡瓦(19)处于燕尾槽(29) 上端；在与死钳(7)和活钳(8)燕尾槽中心线相对应的背面等距 开有三个与燕尾槽(29)相通的螺孔，各安装有四套能对燕尾槽除 污润滑的除污润滑油管(30)和油管直角接头(21)、油管三通接 头(22)。
3、 根据权利要求1所述的一种铰链杠杆式双自锁钻杆卡钳，其特征 是所述的活动卡瓦(19)的夹持面为一带有锯齿形水平沟槽的圆弧面，其圆弧半径与所要夹持的钻杆半径相吻合；在其上下两端各 安装有1条弹性摩擦材料制成的带有圆弧面的条状块(27)。
专利摘要一种铰链杠杆式双自锁钻杆卡钳，其由气缸(1)、安装支架(3)、死钳(7)、活钳(8)、梳状连杆(4)、梳状推杆(14)、配重(11)、活动卡瓦(19)及复位、除污润滑机构等组成。死钳(7)与在其外侧圆弧焊接有∏型安装支架(3)组成机构本体，在其内侧圆弧各自相距90°处的燕尾槽内安装有一对活动卡瓦；位于活钳梳状杠杆(5)中部的回转支承孔通过销轴(17)与死钳(7)上的梳状耳板(6)轴孔相铰接，成为杠杆支点。本实用新型具有结构合理，使用可靠、安装简单，方便与钻杆排放、移运设备提升臂相结合，组成具有夹持功能的机械手。
文档编号E21B19/00GK201284631SQ20082005962
公开日2009年8月5日 申请日期2008年6月12日 优先权日2008年6月12日
发明者周声强, 鸣 姜, 张新红, 曹言悌 申请人:上海三高石油设备有限公司