用于欠行程上下钻杆的钻机的制作方法

本发明涉及煤矿钻机技术领域，特别涉及一种用于欠行程上下钻杆的钻机。

背景技术：

煤矿钻机使用的钻杆通常采用螺纹连接，上、下钻杆是钻进过程中一个非常重要的工序，是指向钻机钻进轴线添加钻杆或从钻进轴线中取出钻杆并完成对应螺纹连接和拆卸的过程。

现有钻机设计时钻机的动力头推进行程必须大于钻杆长度，才可以将钻杆装入钻机用于上钻，在实际使用过程中，当钻杆长度大于动力头推进行程时，钻杆无法安装于钻机上进行上钻，这种情况称为“欠行程”，每当需要使用更长的钻杆时，都需要加长钻机动力头推进行程，重新设计、制造钻机，导致该钻机经济性差、效率低。在上下钻过程中需要人工手持钻杆拧入螺纹，需要和钻机较长时间接触，安全性差。

针对上述问题提出用于欠行程上下钻杆的钻机，该钻机可在钻杆长度大于动力头推进行程的工况下进行上钻杆和下钻杆的操作，在钻杆长度变长后，无需重新设计更换钻机，该钻机经济性好、效率高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种用于欠行程上下钻杆的钻机，该钻机可在钻杆长度大于动力头推进行程的工况下进行上钻杆和下钻杆的操作，在钻杆长度变长后，无需重新设计更换钻机，该钻机经济性好、效率高。

本发明的用于欠行程上下钻杆的钻机，包括机架、可横向滑动安装于机架上用于驱动传动钻杆转动的动力头、安装于动力头内的传动钻杆、与钻杆连接的水辫、安装于动力头端部用于夹持或松开传动钻杆以实现动力连接或中断的卡盘，其特征在于：所述机架上安装有用于夹持孔内钻杆或待操作钻杆的主夹持器以及用于夹持待操作钻杆的副夹持器，所述副夹持器位于主夹持器以及卡盘之间，所述传动钻杆通过钻杆水平驱动装置驱动其相对动力头横向滑动，所述动力头通过动力头水平驱动装置驱动其相对机架横向滑动。

进一步，所述副夹持器包括安装于机架上的副夹持器底座、纵向对称安装于副夹持器底座上的一对卡瓦以及驱动卡瓦纵向滑动的副夹持器驱动装置。

进一步，所述传动钻杆上固连有限位环，所述限位环用于抵在动力头远离卡盘一端以限制传动钻杆的横向移动距离。

进一步，所述副夹持器底座中部横向开设有夹持槽，所述夹持槽的纵向两侧纵向开设有贯通于副夹持器底座外侧壁的安装孔，所述卡瓦安装于安装孔内并通过副夹持器驱动装置驱动纵向滑动。

进一步，所述该对卡瓦的相对侧为与钻杆外圆相适配的圆弧结构。

进一步，所述卡瓦的圆弧面上轴向开设有防滑槽。

进一步，所述钻杆水平驱动装置包括液压缸、以及铰接于液压缸输出轴上的固定座，所述固定座固定于动力头上，所述液压缸缸体铰接于水辫上。

进一步，所述主夹持器安装于主夹持器安装座上，所述主夹持器安装座包括用于与主夹持器固连的水平安装板、连接于安装板底部的支撑架以及连接于支撑架侧部竖向延伸的连接板，所述连接板连接于机架的横向一端。

进一步，所述支撑架与安装板之间还设置有调节板，所述调节板固连于支撑架以及安装板上。

进一步，所述连接板以及调节板上开设有操作窗。

本发明的有益效果：

本发明通过主夹持器以及副夹持器的夹紧、松开配合并结合动力头的横向滑动，可使得该钻机可在钻杆长度大于动力头推进行程的工况下进行上钻杆和下钻杆的操作，在钻杆长度变长后，无需重新设计更换钻机，该钻机经济性好、效率高；结合副夹持器的夹紧以及松开操作，只需要人工往钻机里放入或取出钻杆这一动作，不需要人工拧钻杆，减少了人工的操作量，该钻机结构可从钻机中部位置平行取出待操作钻杆，无需从动力头后方取钻杆或水辫，安全性更好。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为现有钻机上钻结构示意图；

图2为现有钻机下钻结构示意图；

图3为本发明钻机结构示意图；

图4为图3的俯视结构示意图；

图5为副夹持器结构示意图；

图6为钻杆水平驱动装置结构示意图；

图7为传动钻杆结构示意图；

图8为主夹持器安装座结构示意图；

图9为图8的ⅰ-ⅰ结构示意图；

图10为本发明上钻结构示意图；

图11为本发明下钻结构示意图；

具体实施方式

图1为现有钻机上钻结构示意图；图2为现有钻机下钻结构示意图；图3为本发明钻机结构示意图；图4为图3的俯视结构示意图；图5为副夹持器结构示意图；图6为钻杆水平驱动装置结构示意图；图7为传动钻杆结构示意图；图8为主夹持器安装座结构示意图；图9为图8的ⅰ-ⅰ结构示意图；图10为本发明上钻结构示意图；图11为本发明下钻结构示意图；

结合图1和图2所示，现有的钻机包括机架1、动力头2、卡盘3、传动钻杆4、主夹持器5以及动力头水平驱动装置等部件，现有钻机只有主夹持器而无副夹持器；该钻机只有一套水平驱动装置，即动力头水平驱动装置，用于驱动动力头沿机架水平滑动；

如图1所示，使用原有钻机从卡盘和主夹持器之间上钻杆的基本步骤如下：

s1：图1(a)，为钻机的初始状态，主夹持器夹紧孔内钻杆13，卡盘夹紧传动钻杆3，其中水辫与传动钻杆连接，动力头位于推进行程最末端即图示中的最右端，假设动力头水平驱动装置的推进液压缸一次推进最大行程为s，钻杆公接头长度为a，待操作钻杆14长度为l’。

s2：如图1(a)，人工将待操作钻杆放入卡盘和主夹持器之间，并手工将待操作钻杆右端母螺纹尽量旋入传动钻杆的公螺纹内。

s3：如图1(b)，动力头带动传动钻杆一边正转一边在动力头水平驱动装置的驱动下向左前进s’，直到待操作钻杆两端螺纹分别与传动钻杆和孔内钻杆旋紧。

s4：如图1(c)，松开主夹持器，钻机正常钻进一段行程s”，s”+s’＝s。

s5：如图1(d)，完成一个推进行程的钻进后，主夹持器再次夹紧待操作钻杆，此时待操作钻杆向内运行成为下个推进行程中的孔内钻杆，卡盘保持夹紧，动力头反转并向右后退，使得传动钻杆与孔内钻杆之间的螺纹连接处松开且动力头向右回到推进行程最末端，等待放入下一根待操作钻杆的上钻。

由图1可知，钻机的推进行程s必须满足s≥l'+a，否则钻杆将无法放入卡盘与主夹持器之间

卡盘和主夹持器之间空间长度b，而s＝b+a，

因此，当动力头向右回到推进行程最末端时，卡盘和主夹持器之间空间长度b必须满足b≥l'，否则下一根同样长度为l'的钻杆将无法装入钻进轴线。

因此钻机设计时都会满足上述条件；而当钻杆长度大于钻机行程时，一般钻机显然无法使用，这种情况称为“欠行程”；每当需要使用更长的钻杆时，都需要加长钻机行程，重新设计、制造钻机，经济性差、效率低；此外，步骤s2中需要人工手持待操作钻杆拧入螺纹，需要和钻机较长时间接触，安全性差；

如图2所示，使用原有钻机从卡盘和主夹持器之间下钻杆的基本步骤如下：

s1：如图2(a)，为下钻杆的初始状态，主夹持器夹紧孔内钻杆，此时主夹持器夹持的孔内钻杆即为待拆钻杆，即作为待操作钻杆，卡盘夹紧传动钻杆，水辫与传动钻杆连接，动力头位于推进行程最左端；

s2：如图2(b)，主夹持器松开待拆钻杆，卡盘保持夹紧，动力头后退并拖动待拆钻杆及其他孔内钻杆后退一段距离c，目的是保证拆掉传动钻杆后，卡盘可夹住待拆钻杆；

s3：如图2(c)，主夹持器夹紧待拆钻杆，卡盘保持夹紧，动力头反转并后退，松开传动钻杆与待拆钻杆之间的螺纹；

s4：卡盘松开传动钻杆，人工从动力头后端抽出传动钻杆及水辫；

s5：如图2(d)，动力头向左前进且卡盘夹紧待拆钻杆；

s6：如图2(e)，主夹持器松开待拆钻杆，卡盘保持夹紧待拆钻杆，动力头后退并拖动待拆钻杆及其他孔内钻杆后退距离d，d需满足d≤s-a，才能保证足够空间拆卸待拆钻杆与前一根钻杆的螺纹，此时待拆钻杆位于主夹持器右侧，与待拆钻杆左端连接的孔内钻杆位于主夹持器内；

s7：如图2(f)，主夹持器夹紧与待拆钻杆左端连接的孔内钻杆，卡盘夹紧待操作钻杆右端，动力头反转并后退距离a，完全松开孔内钻杆以及待操作钻杆之间的螺纹连接配合；

s8：卡盘松开待拆钻杆，人工取出待拆钻杆；

s9：动力头前进行程s，向左回到最前端，此时的孔内钻杆为下一拆卸行程的待拆钻杆，卡盘夹紧此时的待拆钻杆，准备下一个下钻杆循环。

由图2(f)可知，钻杆螺纹完全松开后，从中间取出钻杆的空间其实是不足的，钻杆需要倾斜才可能取出；而且中间的空间随下钻进程有逐根减小的趋势，拆卸几根钻杆后即使倾斜钻杆也不足以取出，需要动力头夹住待拆钻杆往孔内推进一段距离，才能保证空间继续满足取出钻杆的要求；

步骤s4中需要人工从动力头后方取出传动钻杆和水辫，而此时传动钻杆和水辫极有可能从松开的卡盘中滑出伤人，尤其是在正倾角钻孔时，即图示钻机左高右低倾斜钻进时，因此也具有较大的安全隐患；

基于现有的钻机上钻以及下钻过程所具有的技术问题，如图3至图9所示，本实施例提供了一种用于欠行程上下钻杆的钻机，包括机架1、可横向滑动安装于机架上用于驱动传动钻杆转动的动力头2、安装于动力头内的传动钻杆3、连接于传动钻杆尾部的水辫10、安装于动力头端部用于夹持或松开传动钻杆以实现动力连接或中断的卡盘4，所述机架上安装有用于夹持孔内钻杆或待操作钻杆的主夹持器5以及用于夹持待操作钻杆的副夹持器6，所述副夹持器位于主夹持器以及卡盘之间，所述传动钻杆通过钻杆水平驱动装置7驱动其相对动力头横向滑动，所述动力头通过动力头水平驱动装置驱动其相对机架横向滑动；结合图3所示，横向为图3中的左右向，纵向水平垂直于横向的方向，与图3中的前后向相同，竖向为上下方向；其中动力头、卡盘、主夹持器以及水辫均采用现有结构，具体不再赘述；该钻机具有两套水平驱动系统，其中一套为动力头水平驱动装置，另一套为钻杆水平驱动装置7，其中动力头水平驱动装置用于驱动动力头沿机架水平滑动，动力头水平驱动装置采用液压缸驱动，其中该液压缸缸体连接于机架上，动力输出端连接于动力头上，钻杆水平驱动装置用于驱动传动钻杆相对动力头水平滑动，钻杆水平驱动装置连接于动力头与水辫之间，可驱动水辫带动传动钻杆相对动力头横向滑动，当卡盘松开传动钻杆时，通过钻杆水平驱动装置可驱动传动钻杆相对动力头横向滑动以调节传动钻杆伸出卡盘的长度；待操作钻杆为待上的钻杆或待下的钻杆；通过主夹持器以及副夹持器的夹紧、松开配合并结合动力头的横向滑动，可使得该钻机可在钻杆长度大于动力头推进行程的工况下进行上钻杆和下钻杆的操作，在钻杆长度变长后，无需重新设计更换钻机，该钻机经济性好、效率高；结合副夹持器的夹紧以及松开操作，只需要人工往钻机里放入或取出钻杆这一动作，不需要人工拧钻杆，减少了人工的操作量，该钻机结构可从钻机中部位置平行取出待操作钻杆，无需从动力头后方取钻杆或水辫，安全性更好。

本实施例中，所述副夹持器6包括安装于机架上的副夹持器底座6a、纵向对称安装于副夹持器底座上的一对卡瓦6b以及驱动卡瓦纵向滑动的副夹持器驱动装置6c；本实施例中，副夹持器上对称安装有一对副夹持器驱动装置用于分别驱动两个卡瓦，本实施例副夹持器驱动装置采用液压缸，液压缸的两个输出端连接于卡瓦上驱动卡瓦纵向滑动形成夹持或松开状态。

本实施例中，所述传动钻杆3上固连有限位环8，所述限位环用于抵在动力头2远离卡盘一端以限制传动钻杆的横向移动距离；传动钻杆相对动力头向左横移至极限位置时，该限位环抵在动力头的右端部，限制传动钻杆相对动力头的进一步左移，该限位环可限制传动钻杆的横向运行距离，防止传动钻杆向前过度移动而造成钻机损坏或安全事故，限位环与动力头相对位置需要与钻杆水平驱动装置的推动行程匹配。

本实施例中，所述副夹持器底座中部横向开设有夹持槽6d，所述夹持槽的纵向两侧纵向开设有贯通于副夹持器底座外侧壁的安装孔，所述卡瓦6b安装于安装孔内并通过副夹持器驱动装置驱动纵向滑动；副夹持器驱动装置固连于副夹持器底座纵向的侧壁处，其中驱动端伸至安装孔内与卡瓦连接，安装孔截面形状与卡瓦的外轮廓形状相适配，本实施例中安装孔截面呈圆形，卡瓦呈圆柱结构，安装孔用于对卡瓦的滑动导向，提高卡瓦运行的精度和稳定性；其中主夹持器可利用现有夹持器结构，也可与副夹持器结构相同，具体不再赘述；

本实施例中，所述该对卡瓦的相对侧为与钻杆外圆相适配的圆弧结构；通过该圆弧结构增大与待操作钻杆的接触面，提高夹持效果；

本实施例中，所述卡瓦的圆弧面上轴向开设有防滑槽6e；该防滑槽为截面呈三角结构的槽体结构，当然防滑槽截面可设置为其他形状，通过该结构进一步提高副夹持器的夹持稳定性；

本实施例中，所述钻杆水平驱动装置包括液压缸7a、以及铰接于液压缸输出轴上的固定座7b，所述固定座固定于动力头上，所述液压缸缸体铰接于水辫上；其中固定座7b固定于动力头最右端，即远离卡盘一端，液压缸的缸体铰接于水辫座7c上，水辫座7c固定于水辫10上，钻杆水平驱动装置用于调节传动钻杆与动力头的相对位置，在钻杆水平驱动装置作用时，卡盘松开，通过液压缸7a推动传动钻杆相对动力头横向滑动以调节传动钻杆伸出卡盘的长度，液压缸7a在缩回与伸出方向上都具有浮动功能，即在无液压力情况下，可在一定大小的外力作用下自适应伸缩；

本实施例中，所述主夹持器安装于主夹持器安装座9上，所述主夹持器安装座9包括用于与主夹持器固连的水平安装板9a、连接于安装板底部的支撑架9b以及连接于支撑架侧部竖向延伸的连接板9c，所述连接板连接于机架的横向一端；结合图1所示，主夹持器安装座连接于机架的左端，其中机架的左端连接有夹持器安装板12，连接板9c通过上下排列的两组螺栓连接于夹持器安装板12上，其中每组螺栓包括纵向水平排列的三个螺栓，主夹持器是对机架的延长，从而扩展夹持器与卡盘间的上钻杆空间；支撑架9b为两纵向对称连接于水平安装板底部的槽钢结构，槽钢的开口端连接有支撑板9f，通过支撑板提高支撑架的结构强度；其中副夹持器安装于副夹持器安装座11上，副夹持器安装座11由固定于支架上的支腿以及安装于支腿上的安装架构成，具体不在赘述，通过副夹持器安装座调节副夹持器的安装高度；

本实施例中，所述支撑架与安装板之间还设置有调节板9d，所述调节板固连于支撑架以及安装板上；通过更换不厚度的该调节板可调节主夹持器安装座的高度，进而调节主夹持器的中心轴线；

本实施例中，所述连接板以及调节板上开设有操作窗9e；该操作窗呈矩形开孔结构，便于人工手动安装操作；

如图10所示，使用本发明的钻机从卡盘和主夹持器之间上钻杆的基本步骤如下：

s1：如图10(a)，为钻机的初始状态，主夹持器夹紧孔内钻杆，卡盘夹紧传动钻杆，副夹持器松开；将待操作钻杆放入在副夹持器上并位于卡盘与主夹持器之间，且待操作钻杆的前端置于副夹持器内；水辫与传动钻杆连接，钻杆水平驱动装置的液压缸总推进行程为sg，且液压缸伸出sg'，其中sg'<sg，刚好使传动钻杆螺纹接头全部露出卡盘；动力头位于推进行程右侧最末端；假设动力头水平驱动装置推进液压缸推进行程s，待操作钻杆总长l且l＞s，钻杆公接头长度为a，卡盘与主夹持器间的空间余量k；

s2：如图10(b)，主夹持器夹紧孔内钻杆，卡盘夹紧传动钻杆，副夹持器夹紧待操作钻杆，动力头带动传动钻杆一边正转一边在动力头水平驱动装置推进液压缸的驱动下向左前进a，直到待操作钻杆后端母头螺纹与传动钻杆左端公头螺纹旋紧；

s3：如图10(c)，主夹持器夹紧孔内钻杆，卡盘夹紧传动钻杆，副夹持器松开待操作钻杆，动力头水平驱动装置推进液压缸推动动力头带动待操作钻杆一边正转一边前进距离s1＝k+a，直到待操作钻杆左端公头螺纹与孔内钻杆右端母头螺纹旋紧；

s4：如图10(d)，主夹持器、副夹持器松开，卡盘保持夹紧，动力头水平驱动装置推进液压缸推进剩余行程s2＝s-a-s1，使得待操作钻杆部分进入钻孔内；

s5：如图10(e)，主夹持器夹紧待操作钻杆，副夹持器、卡盘松开，此时传动钻杆以及待操作钻杆被主夹持器夹持固定，动力头水平驱动装置的液压缸推动动力头相对传动钻杆后退距离sg'，钻杆水平驱动装置的液压缸在动力头后退的作用力下浮动缩回sg'，同时由于主夹持器对传动钻杆的夹持固定，传动钻杆左端伸出动力头距离增加sg'；

s6：如图10(f)，主夹持器松开，卡盘夹紧，副夹持器维持松开状态，动力头水平驱动装置推进液压缸驱动动力头向左钻进距离sg'，完成一根长度为l的钻杆的钻进；

s7：如图10(g)，此时待操作钻杆送入孔内形成下一下钻行程的孔内钻杆，主夹持器夹紧该孔内钻杆，卡盘夹紧传动钻杆，副夹持器松开，动力头反转并后退，松开传动钻杆与孔内钻杆之间的螺纹连接；动力头向右回到推进行程最末端，等待放入下一根待操作钻杆；然后钻杆水平驱动装置的液压缸缩回sg'，使得传动钻杆缩至卡盘内sg'距离，此时传动钻杆只外露接头。

由图10可知，推进行程s小于钻杆长度l，因此钻机在欠行程情况下完成了长度为l的钻杆的上钻杆；

由上述步骤可知，s+sg'＝l+k+a，推得sg'＝l+k+a-s，因此上钻杆过程中水平驱动装置的液压缸伸缩长度sg'是有固定取值范围的，其最小值由上式求得；

如图11所示，使用本发明的钻机从卡盘和主夹持器之间下钻杆的基本步骤如下：

s1：如图11(a)，为钻机的初始状态，主夹持器夹紧孔内钻杆，此时的孔内钻杆为待操作钻杆，卡盘夹紧传动钻杆，副夹持器松开；水辫与传动钻杆连接，动力头位于推进行程最左端；将此时主夹持器夹持的钻杆称为待操作钻杆；

s2：如图11(b)，主夹持器和副夹持器松开，卡盘保持夹紧传动钻杆，动力头向后移动一个推进液压缸行程s到达行程最右端，将待操作钻杆及其余孔内钻杆向后拖出s；

s3：如图11(c)，主夹持器保持夹紧，副夹持器松开，卡盘保持松开，钻杆水平驱动装置的液压缸处于浮动位，此时待操作钻杆以及传动钻杆通过主夹持器夹持固定，动力头水平驱动装置的液压缸带动动力头相对待操作钻杆向前移动一个液压缸行程sg，使得传动钻杆向卡盘内缩进sg，其中sg≥sg'+a，本实施例中为便于说明s＝sg'+a，此时传动钻杆与待操作钻杆的螺纹连接处位于卡盘之中，即卡盘夹持时可同时将传动钻杆以及待操作钻杆夹持固定；

s4：如图11(d)，主夹持器、副夹持器松开，卡盘夹紧，动力头通过动力头水平驱动装置驱动向后移动s3，使得传动钻杆、待操作钻杆以及孔内钻杆同步向右移动，使得待操作钻杆与左端连接的孔内钻杆的螺纹连接置于主夹持器和副夹持器之间；

s5：如图11(e)，主夹持器夹紧，副夹持器松开，卡盘夹紧传动钻杆，动力头带动待操作钻杆一边反转，一边在动力头水平驱动装置的推进液压缸的驱动下后退距离a，使得待操作钻杆与孔内钻杆螺纹连接处分离；

s6：如图11(f)，主夹持器夹紧孔内钻杆，副夹持器夹紧待操作钻杆，此时待操作钻杆以及传动钻杆通过副夹持器夹持固定，卡盘松开，动力头水平驱动装置的液压缸驱动动力头相对待操作钻杆向后移动a，使传动钻杆伸出卡盘并外露出a，此时传动钻杆与待操作钻杆的螺纹连接位于卡盘外；

s7：如图11(g)，主夹持器夹紧孔内钻杆，副夹持器夹紧待操作钻杆，卡盘夹紧传动钻杆，动力头一边反转一边后退距离a，脱开待操作钻杆与传动钻杆的螺纹连接处；

s8：如图11(h)，松开副夹持器，取出待操作钻杆，卡盘松开，钻杆水平驱动装置的液压缸缩回sg'，使得传动钻杆向外露出段增加sg'，后保持夹紧卡盘，准备进行下一个下钻杆循环；

结合上下钻杆情况可知，动力头水平驱动装置的液压缸行程sg≥sg'+a，s3≤sg-3a；

由图11可知，采用本发明装置优化后的钻机在不更改钻杆水平驱动装置推进液压缸行程的情况下，在欠行程工况先仍然可实现中间上下钻杆，且前后待操作钻杆的位置不发生变化，卡盘和主夹持器间的空间没有减小的趋势。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。