专利名称：中空卡盘式动力头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及地质岩心回转钻机上使用的一种回转驱动装置，尤其涉及一种集 变速、减速、润滑、散热和夹紧等功能于一体的回转动力头。
背景技术：
目前，地质岩心回转钻机上使用的动力头大多是以定量或双速液压马达进行驱 动，而用液比例变速液压马达驱动的较少，尤其很少有采用4挡变速机构的，少量配置4挡 变速机构的装置也是采用单独的4挡变速箱，因此，还需要配连接单独的减速箱，该种结构 存在结构复杂和整机体积重量均大的问题。另外，采用定量或双速液压马达与有挡变速机 构组成的变速系统只是实现容积上的无级调速，扭矩上的有级变速，但却不能实现恒功率 输出。现有动力头的输出轴有中空的，也有直接连钻柱的，输出轴转速一般是低速的 (小于每分钟400转)，能达到高转速的(每分钟不低于1000转)非常少，因为，高转速动 力头的润滑和散热是一个必须要解决的关键问题。现有的润滑方式一般是将润滑油泵连在 驱动轴上，从齿轮箱里吸油，这样，润滑油泵的转速易受变速机构的影响，驱动轴的转速低 时润滑油流量小，转速高时流量大，润滑效果不稳定影响了输出轴的速度特性。另外，现有动力头的用于夹持钻柱的卡盘一般是采用碟形弹簧或矩形螺旋，该种 卡盘存在特性软，寿命短和钻柱磨损后补偿性能差的问题；而且，卡盘中卡瓦的斜面一般为 连续的长斜面，该种卡瓦使得卡盘的轴向行程长，进而出现整体体积和重量较大的问题。虽 然有些卡盘采用连杆增力机构提高钻柱磨损后的可补偿性，但该种卡盘存在结构复杂和机 加工难度较大的问题，因此，也没有得到普遍的推广。
实用新型内容本实用新型的目的是为了解决上述问题，提供一种可实现恒功率输出、且结构简 单、体积和重量较小的动力头。本实用新型采用的技术方案为一种中空卡盘式动力头，包括液压马达、用于带动 钻柱转动的齿轮变速传动系统、用于对齿轮变速传动系统的轴承进行润滑的强制润滑系 统，所述液压马达带动齿轮变速传动系统运动；所述齿轮变速传动系统具有与液压马达同 步转动、且转速与液压马达的转速成正比的过渡轴，所述强制润滑系统的润滑油泵安装在 所述过渡轴上。优选地，所述液压马达为液比例变速液压马达，所述齿轮变速传动系统包括箱体， 以及安装于箱体内的齿轮变速机构和具有定减速比的齿轮减速机构；所述齿轮变速机构 包括第一轴、第二轴和所述过渡轴，以及第一轴上的轴齿轮、配合安装在过渡轴上的第三齿 轮，和配合安装在第二轴和过渡轴上的用于实现变速的变速齿轮；所述液比例变速液压马 达带动第一轴转动，所述轴齿轮与第三齿轮相啮合；所述齿轮减速机构的输出转速与第二 轴的转速成正比。
4[0008]优选地，所述变速齿轮包括配合安装在该第二轴上的第五齿轮与第七双联齿轮， 以及配合安装在过渡轴上的第六双联齿轮与第八齿轮；所述齿轮变速机构还包括将第五齿 轮拨至空挡位置、与第六双联齿轮的一齿轮相啮合的位置、或者使第一轴和第二轴结合在 一起同步转动的结合位置的第一换挡机构，以及将第七双联齿轮拨至空挡、使其一齿轮与 第八齿轮相啮合的位置、或者使其另一齿轮与第六双联齿轮的另一齿轮相啮合的位置的第 二换挡机构。优选地，所述齿轮减速机构包括所述的第二轴、所述的过渡轴和用于安装钻柱的 输出轴，以及配合安装在第二轴上的第九齿轮、可相对转动地配合安装在过渡轴上的过渡 齿轮，和配合安装在输出轴上的终传动齿轮，所述第九齿轮与过渡齿轮相啮合，所述过渡齿 轮与终传动齿轮相啮合。优选地，所述过渡齿轮与过渡轴之间通过轴承配合安装在一起。优选地，所述齿轮变速机构在1挡上的变速比为5. 44，1挡的传动路线为所述液 比例变速液压马达带动第一轴转动，所述轴齿轮与第三齿轮相啮合，所述第八齿轮与第七 双联齿轮的一齿轮相啮合。优选地，所述齿轮变速机构在2挡上的变速比为3. 05，2挡的传动路线为所述液 比例变速液压马达带动第一轴转动，所述轴齿轮与第三齿轮相啮合，所述第六双联齿轮的 一齿轮与第五齿轮相啮合。优选地，所述齿轮变速机构在3挡上的变速比为1. 67，3挡的传动路线为所述液 比例变速液压马达带动第一轴转动，所述轴齿轮与第三齿轮相啮合，所述第六双联齿轮的 另一齿轮与第七双联齿轮的另一齿轮相啮合。优选地，所述强制润滑系统的与其润滑油泵的出油口相通的润滑管路具有三个分 支管路，所述三个分支管路分别连通至所述轴齿轮上端面的轴承、过渡轴上端面的轴承和 输出轴上端面的轴承。优选地，所述中空卡盘式动力头还包括用于夹紧钻柱的卡盘，所述卡盘包括外油 缸、卡瓦座、卡瓦和氮气弹簧，所述卡瓦围绕钻柱分布，所述卡盘设置有分别限制卡瓦向上 和向下运动的上限位件和下限位件；所述外油缸的活塞带动卡瓦座沿着钻柱的中心轴方向 向上移动，所述氮气弹簧用于在外油缸的液压油口与液压油箱连通时推动卡瓦座沿着钻柱 的中心轴方向向下移动；所述卡瓦座包围所述卡瓦，所述卡瓦座的作用面和卡瓦的作用面 为彼此配合的斜面，使得卡瓦座在运动时可以推动卡瓦沿钻柱的中心轴的径向方向运动。优选地，所述卡瓦座的作用面为在其顶边沿与底边沿之间凸凹面相间的结构，所 述卡瓦的作用面为在其顶端与底端之间凸凹面相间的结构；其中，所述卡瓦座的凸面的尺 寸要求能够嵌入卡瓦的凹面中，和/或者所述卡瓦的凸面的尺寸要求能够嵌入卡瓦座的凹 面中。本实用新型的有益效果为首先，本实用新型的中空卡盘式动力头的输出转速与 扭矩均可实现无级调速；其次，所述中空卡盘式动力头即使在高转速下也能得到优异的润 滑效果；最后，配置有氮气弹簧的卡盘具有工作可靠和寿命长的特点。
图1为本实用新型所述中空卡盘式动力头的结构剖视示意图；[0019]图2为图1中卡瓦的主视剖视图；图3为图1中卡瓦的俯视剖视图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的地质岩心钻机用中空卡盘式动力头包括液比例变速液 压马达1、齿轮变速传动系统、强制润滑系统和用于夹紧钻柱的卡盘，其中，该齿轮变速传 动系统包括箱体16，以及安装于箱体内的齿轮变速机构和齿轮减速机构。该液比例变速液 压马达1带动齿轮变速传动系统运动，使输出轴实现在0 1270转/分钟之间的无级调速， 输出扭矩在680N. m 5880N. m之间的无级变化。该强制润滑系统可以解决齿轮变速传动 系统在运行时的轴承润滑及发热问题。所述齿轮变速机构为4挡齿轮变速机构，所述齿轮减速机构为定减速比减速机 构。在本实施例中，该齿轮变速机构的4挡变速比分别是5. 44,3. 05,1. 67和1，该齿轮减 速机构的减速比是2. 47。另外，该齿轮变速传动系统的输出轴的中空直径可以高达117毫 米，因此，可适用更多规格的钻柱进行回转钻进。如图1所示，该齿轮变速机构包括第一轴25、第二轴11和过渡轴12，以及配合安 装在该第二轴11上的第五齿轮5与第七双联齿轮7，和配合安装在过渡轴12上的第三齿轮 3、第六双联齿轮6与第八齿轮8。该第一轴25为齿轮轴，其上具有轴齿轮4，液比例变速液 压马达1带动第一轴25转动，第二轴11的起始端伸入第一轴25中，并与第一轴25之间通 过轴承配合连接；该第二轴11与第五齿轮5为花键联接，该第一轴25的轴齿轮4的下端面 为弧面，第五齿轮5上端面往内有与轴齿轮4可以啮合的花键孔。该齿轮减速机构包括所述的第二轴11、所述的过渡轴12和输出轴15，以及配合安 装在第二轴11上的第九齿轮9、配合安装在过渡轴12上的过渡齿轮10，和配合安装在输出 轴15上的终传动齿轮14。其中，该过渡齿轮10与过渡轴12之间可以产生相对转动，即过 渡轴12的转动与过渡齿轮10的转动之间彼此独立，在本实施例中，二者之间通过轴承配合 安装在一起，轴承的内圈与过渡轴12之间过渡或者过盈配合，过渡齿轮配合安装在轴承的 外圈上。该齿轮变速传动系统在齿轮变速机构处于1挡上的传动路线为液比例变速液压 马达1 —轴齿轮4 —第三齿轮3 —第八齿轮8—双联齿轮7的一齿轮一第九齿轮9 —过渡 齿轮10 —终传动齿轮14 ；其中，变速比为5. 44，减速比为2. 47。该齿轮变速传动系统在齿轮变速机构处于2挡上的传动路线为液比例变速液压 马达1 —轴齿轮4 —第三齿轮3 —第六双联齿轮6的一齿轮一第五齿轮5 —第九齿轮9 — 过渡齿轮10 —终传动齿轮14 ；其中，变速比为3. 05，减速比为2. 47。该齿轮变速传动系统在齿轮变速机构处于3挡上的传动路线为液比例变速液压 马达1 —轴齿轮4 —第三齿轮3 —第六双联齿轮6的另一齿轮一第七双联齿轮7的另一 齿轮一第九齿轮9 —过渡齿轮10 —终传动齿轮14 ；其中，变速比为1. 67，减速比为2. 47。该齿轮变速传动系统在齿轮变速机构处于4挡上的传动路线为液比例变速液压 马达1 —轴齿轮4 —第五齿轮5 —第九齿轮9 —过渡齿轮10 —终传动齿轮14 ；其中，变速 比为1，减速比为2. 47。其中，在齿轮变速机构处于4挡时，该第一轴25与第二轴11通过 花键进行联接，使二者结合为一根轴。当第一轴25与第二轴11结合在一起时，轴齿轮4仍
6然与第三齿轮3啮合而带动过渡轴12转动。图1中的各变速齿轮均处于空挡位，齿轮变速机构包括将第五齿轮5拨至空挡位 置、与第六双联齿轮啮合的2挡位置、或者使第一轴25和第二轴11相结合的结合位置的第 一换挡机构，以及将第七双联齿轮7拨至空挡、与第八齿轮8相啮合的1挡、或者与第六双 联齿轮6相啮合的3挡位置的第二换挡机构，在此，所述第一换挡机构和第二换挡机构均可 以采用传统的钢球定位拨叉机构。如图1所示，强制润滑系统包括润滑油泵13和润滑管路2，其中，该润滑油泵13安 装在过渡轴12上，因此，根据上述的传动路线可知，只要液比例变速液压马达1正或反方向 转动，强制润滑系统就能正常工作。在液比例变速液压马达1恒速转动时，润滑油泵13的 转速也恒定，而不会受齿轮变速机构的4挡变速的影响。另外，在本实施例中，该润滑油泵 13整体置于一个润滑油底壳中，吸油口装有过滤装置，排出的压力润滑油经润滑管路2润 滑齿轮变速传动系统中的轴承。在空挡、1挡、2挡、3挡、4挡时，润滑传动路线为液比例变速液压马达(1)—轴齿 轮2 (4)—齿轮1 (3)—过渡轴2 (12)—润滑油泵(13)—润滑管路(2) — 3处轴齿轮4上 端面的轴承、过渡轴12上端面的轴承、输出轴15上端面的轴承。通过箱体(16)上所设的 观察孔，可实时观察箱体内润滑油飞溅情况。如图1和2所示，所述卡盘包括外油缸17、卡瓦座19、卡瓦20和氮气弹簧21.，其 中，该卡盘采用氮气弹簧的弹簧势能作为动力夹紧钻柱，并采用液压作为动力松开钻柱。卡 瓦座19和卡瓦20具有彼此配合的作用面，该作用面为斜面，使得卡瓦座在竖直方向运动时 可以迫使卡瓦沿输出轴的径向运动，进而夹紧或者松开钻柱。该外油缸17的活塞18可以 推动卡瓦座19竖直向上移动，此时卡瓦沿输出轴的径向向外运动，松开钻柱，卡瓦座19在 竖直向上运动的过程中将压缩氮气弹簧21，使其存储弹性势能；当需要夹紧钻柱时，首先 将外油缸17上螺孔处的液压油口与液压油箱连通，这样氮气弹簧21就会释放弹性势能而 伸出，推动卡瓦座19沿输出轴15的轴向向下运动，从而推动卡瓦20沿径向向内运动，夹紧 钻柱，同时，活塞18向下运动，液压油流回液压油箱。在本实施例中，所述卡瓦座19的作用面具有凹槽，因此，在卡瓦座的作用面上形 成凸凹面，进而在其顶边沿与底边沿之间形成凸凹面相间的结构，而卡瓦20的作用面同样 也具有凹槽，进而在其顶端与底端之间也形成凸凹面相间的结构，因此，在卡瓦座19的凸 面与卡瓦20的凸面202贴合时，卡盘将处于夹紧状态；当卡瓦座19的凸面或者凹面与卡瓦 20的凹面203或者凸面202贴合时，卡盘将处于松开状态，这种凸凹斜面式的设计可以减少 卡盘的轴向行程，增加其径向行程，从而使卡盘整体尺寸与重量均减小。在本实施例中，一 个卡瓦座19与圆周上布置的6个卡瓦配合使用，这样便可使卡盘既适用于圆钻柱，又适用 于六方钻柱。在本实施例中，可在圆周上布置8个氮气弹簧21推动卡瓦座18在轴向上运 动。该卡瓦20的用于夹持钻柱的夹持面上可以设置硬质合金块201，以增加与钻柱之 间的夹持力。综上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。 即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本实用新型的技 术范畴。
权利要求一种中空卡盘式动力头，包括液压马达、用于带动钻柱转动的齿轮变速传动系统、用于对齿轮变速传动系统的轴承进行润滑的强制润滑系统，所述液压马达带动齿轮变速传动系统运动；其特征在于所述齿轮变速传动系统具有与液压马达同步转动、且转速与液压马达的转速成正比的过渡轴，所述强制润滑系统的润滑油泵安装在所述过渡轴上。
2.根据权利要求1所述的中空卡盘式动力头，其特征在于所述液压马达为液比例变 速液压马达，所述齿轮变速传动系统包括箱体，以及安装于箱体内的齿轮变速机构和具有 定减速比的齿轮减速机构；所述齿轮变速机构包括第一轴、第二轴和所述过渡轴，以及第一 轴上的轴齿轮、配合安装在过渡轴上的第三齿轮，和配合安装在第二轴和过渡轴上的用于 实现变速的变速齿轮；所述液比例变速液压马达带动第一轴转动，所述轴齿轮与第三齿轮 相啮合；所述齿轮减速机构的输出转速与第二轴的转速成正比。
3.根据权利要求2所述的中空卡盘式动力头，其特征在于所述变速齿轮包括配合安 装在该第二轴上的第五齿轮与第七双联齿轮，以及配合安装在过渡轴上的第六双联齿轮与 第八齿轮；所述齿轮变速机构还包括将第五齿轮拨至空挡位置、与第六双联齿轮的一齿轮 相啮合的位置、或者使第一轴和第二轴结合在一起同步转动的结合位置的第一换挡机构， 以及将第七双联齿轮拨至空挡、使其一齿轮与第八齿轮相啮合的位置、或者使其另一齿轮 与第六双联齿轮的另一齿轮相啮合的位置的第二换挡机构。
4.根据权利要求2或3所述的中空卡盘式动力头，其特征在于所述齿轮减速机构包 括所述的第二轴和用于安装钻柱的输出轴，以及配合安装在第二轴上的第九齿轮、配合安 装在过渡轴上的过渡齿轮，和配合安装在输出轴上的终传动齿轮，所述第九齿轮与过渡齿 轮相啮合，所述过渡齿轮与终传动齿轮相啮合；所述过渡齿轮与过渡轴之间通过轴承可相 对转动地配合安装在一起。
5.根据权利要求3所述的中空卡盘式动力头，其特征在于所述齿轮变速机构在1挡 上的传动路线为所述液比例变速液压马达带动第一轴转动，所述轴齿轮与第三齿轮相啮 合，所述第八齿轮与第七双联齿轮的一齿轮相啮合；所述1挡的变速比为5. 44。
6.根据权利要求5所述的中空卡盘式动力头，其特征在于所述齿轮变速机构在2挡 上传动路线为所述液比例变速液压马达带动第一轴转动，所述轴齿轮与第三齿轮相啮合， 所述第六双联齿轮的一齿轮与第五齿轮相啮合；所述2挡的变速比为3. 05。
7.根据权利要求6所述的中空卡盘式动力头，其特征在于所述齿轮变速机构在3挡 上的传动路线为所述液比例变速液压马达带动第一轴转动，所述轴齿轮与第三齿轮相啮 合，所述第六双联齿轮的另一齿轮与第七双联齿轮的另一齿轮相啮合，所述3挡的变速比 为 1. 67。
8.根据权利要求4所述的中空卡盘式动力头，其特征在于所述强制润滑系统的与其 润滑油泵的出油口相通的润滑管路具有三个分支管路，所述三个分支管路分别连通至所述 轴齿轮上端面的轴承、过渡轴上端面的轴承和输出轴上端面的轴承。
9.根据权利要求1、2或3所述的中空卡盘式动力头，其特征在于还包括用于夹紧钻 柱的卡盘，所述卡盘包括外油缸、卡瓦座、卡瓦和氮气弹簧，所述卡瓦围绕钻柱分布，所述卡 盘设置有分别限制卡瓦向上和向下运动的上限位件和下限位件；所述外油缸的活塞带动卡 瓦座沿着钻柱的中心轴方向向上移动，所述氮气弹簧用于在外油缸的液压油口与液压油箱 连通时推动卡瓦座沿着钻柱的中心轴方向向下移动；所述卡瓦座包围所述卡瓦，所述卡瓦座的作用面和卡瓦的作用面为彼此配合的斜面，使得卡瓦座在运动时可以推动卡瓦沿钻柱 的中心轴的径向方向运动。
10.根据权利要求9所述的中空卡盘式动力头，其特征在于所述卡瓦座的作用面为在 其顶边沿与底边沿之间凸凹面相间的结构，所述卡瓦的作用面为在其顶端与底端之间凸凹 面相间的结构；其中，所述卡瓦座的凸面的尺寸要求能够嵌入卡瓦的凹面中，和/或者所述 卡瓦的凸面的尺寸要求能够嵌入卡瓦座的凹面中。
专利摘要本实用新型公开了一种中空卡盘式动力头，包括液压马达、用于带动钻柱转动的齿轮变速传动系统、用于对齿轮变速传动系统的轴承进行润滑的强制润滑系统，液压马达带动齿轮变速传动系统运动；所述齿轮变速传动系统具有与液压马达同步转动、且转速与液压马达的转速成正比的过渡轴，所述强制润滑系统的润滑油泵安装在所述过渡轴上。本实用新型的中空卡盘式动力头的输出转速与扭矩均可实现无级调速；其次，所述中空卡盘式动力头即使在高转速下也能得到优异的润滑效果；最后，配置有氮气弹簧的卡盘具有工作可靠和寿命长的特点。
文档编号E21B3/02GK201753583SQ201020291189
公开日2011年3月2日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者刘凡柏, 李文秀, 王庆晓, 董向宇, 车延岗 申请人:地质矿产廊坊聚力岩土工程科技开发公司;中国地质科学院勘探技术研究所