用于钻机空气压缩机的液力耦合传动系统的制作方法
【专利说明】用于钻机空气压缩机的液力耦合传动系统
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求2014年8月7日提交的第62/034，623号美国临时申请的优先权，其全部内容被援引并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及钻机，更具体地，涉及用于爆孔钻机的空气压缩机。
【背景技术】
[0004]爆孔钻机通常用于在采矿工业中钻通硬石。可在全世界的例如煤矿、铜矿以及钻石矿中发现爆孔钻机。爆孔钻机典型地包括基部、从所述基部竖直延伸出来的钻塔、以及结合于所述钻塔并且由所述钻塔支撑的一根或多根钻杆，所述钻杆延伸进入钻孔。所述爆孔钻机也包括由原动机(prime mover)驱动的空气压缩机，所述空气压缩机引导压缩空气(例如，100镑/平方英寸)进入所述钻孔，以从所述钻孔的底部将钻肩冲到表面。
[0005]浸油旋转螺杆式空气压缩机因其紧凑的尺寸以及较长的工作寿命，已经典型地成为了爆孔钻机中的空气压缩机的首选类型。尽管事实上这些类型的空气压缩机在待机操作时(即，当没有钻孔时)浪费能源和燃料。例如，一些浸油旋转螺杆式空气压缩机在钻孔操作的过程中消耗大约60 %或更多的钻机运行功率，但在待机运作的过程中却消耗大约95%。
[0006]然而，最近为了满足对更大的钻进速度的要求(即，钻头破坏岩石的速度)，浸油旋转螺杆式空气压缩机的尺寸已经增大。由于浸油旋转螺杆式空气压缩机尺寸的增大以及最近燃料成本的增加，已经需要一种更加节能的方式来在爆孔钻机上产生压缩空气。
[0007]为解决该问题的一个尝试是使用机械湿式离合器系统，在待机操作的过程中，该系统将浸油旋转螺杆式空气压缩机与柴油机断开。然而，所述机械湿式离合器系统需要单独的摩擦离合器，该摩擦离合器随时间推移会显著磨损。另外，所述湿式离合器产生的断开会导致所述浸油旋转螺杆式空气压缩机完全停止，这会导致操作员要花费更多的非生产性时间来重新装满空气储存槽/空气分离槽。
[0008]为解决该问题的另一个尝试是使用改进的空气控制系统，在该系统中，所述浸油旋转螺杆式空气压缩机一直保持全速运作(即，满发动机转速)，但是空气从所述浸油旋转螺杆式空气压缩机的排气孔被抽出，并且同时空气被限制进入所述浸油旋转螺杆式空气压缩机，从而在仍然以全速操作所述浸油旋转螺杆式空气压缩机的同时，减小了被压缩的空气的压缩比和压缩量。然而，该空气控制系统要求额外的压缩机空气阀和油阀、液压驱动真空栗以及传感器。此外，由于所述浸油旋转螺杆式空气压缩机一直保持全速运作，所述空气控制系统在短时间内会遭受显著的旋转磨损。
【发明内容】
[0009]根据一个方面，一种钻机包括:基部；钻塔，所述钻塔耦合至所述基部并且从所述基部延伸出来；钻杆，所述钻杆耦合至所述钻塔并且由所述钻塔支撑；空气压缩机，所述空气压缩机耦合至所述基部；原动机，所述原动机耦合至所述空气压缩机；以及液力偶合器，所述液力耦合器设置在所述原动机和所述空气压缩机之间，并且耦合至所述原动机和所述空气压缩机。
[0010]根据另一方面，一种运行在钻机上的空气压缩机的方法，所述方法包括:改变液力耦合器中的油量，所述液力耦合器耦合至原动机和所述空气压缩机；以及在改变所述油量的同时，保持所述原动机的恒定速度，以在所述液力耦合器中的输入栗和所述液力耦合器中的输出涡轮之间产生滑移(slippage)。
[0011]通过参照本详细说明和附图，将可进一步明白本发明的其它方面。
【附图说明】
[0012]图1是根据一个方面的钻机的侧视图。
[0013]图2是图1中所述钻机的空气压缩机、原动机以及液力耦合器的示意图。
[0014]图3是图2中的空气压缩机和原动机图以及根据另一方面的液力耦合器的示意图。
[0015]在详细解释本发明的任何实施例之前，应当明白，本发明的应用不限于在以下描述中所讨论的以及在附图中所示出的关于众多部件的构造和排布的细节。本发明能够具有其它的实施例，并能够以各种不同的方式来实践或实施。另外，应当明白，本文使用的措辞和术语是用于说明目的，而不应当被认为是限制性的。
【具体实施方式】
[0016]参照图1，爆孔钻机10包括:钻塔14 ;基部18 ( S卩，机械室)，所述基部18位于所述钻塔14下方，所述基部18支撑所述钻塔14 ;操作员的驾驶室22，所述驾驶室22耦合至所述基部18 ;以及履带牵引装置26，所述履带牵引装置26通过履带牵引装置驱动器30被驱动，所述履带牵引装置26沿地面34驱动钻机10。所述钻塔14耦合至并且支撑钻杆38 (例如，带有图中未显示的钻头)，所述钻杆38被配置成竖直向下穿过地面34并进入钻孔中。在一些实施例中，多根钻杆34连接在一起形成伸入到所述钻孔中的伸长的钻柱。
[0017]所述钻机10还包括:调平用千斤顶42，所述调平用千斤顶42耦合至所述基部，所述调平用千斤顶42将所述钻机42支撑在地面34上；撑杆46，所述撑杆46同时耦合至所述基部18和所述钻塔14，所述撑杆46将所述钻塔14支撑在所述机械室18上。所述钻塔14包括钻机头部马达50，所述钻机头部马达50驱动钻机头部54 ;以及联轴器58，所述联轴器58将所述钻机头部与所述钻杆38的上端结合在一起。
[0018]参考图1和图2，所述钻机10进一步包括空气压缩机62，所述空气压缩机耦合至所述基部18并且设置在所述基部18内，以从所述钻孔的底部将钻肩冲到地面。在所示的实施例中，所述空气压缩机62为浸油旋转螺杆式空气压缩机，然而其他实施例可以包括不同类型的空气压缩机。
[0019]如图2所示，所述空气压缩机62为注入润滑剂的旋转螺杆式空气压缩机，所述空气压缩机62包括:主旋转体66，所述主旋转体66绕轴68旋转；以及第二旋转体70，所述第二旋转体70绕轴72旋转，所述主旋转体66和第二旋转体70都设置在固定壳体74内。所述固定壳体74包括进气口 78和出气口 82。所述主旋转体66沿其长度具有螺旋形凸角86以及螺旋形凹槽90，同时所述第二旋转体70沿其长度具有对应的螺旋形凸角94和螺旋形凹槽98。穿过所述进气口 78进入的空气填充位于每个旋转体66和70上的所述螺旋形凸角86和94之间的空间。所述旋转体66和70的旋转致使所述气体被限制在所述螺旋形凸角86和94与固定壳体74之间。随着旋转继续，位于所述主旋转体66上的所述螺旋形凸角86滚入位于所述第二旋转体70上的所述螺旋形凹槽98，并且位于所述第二旋转体70上的所述螺旋形凸角94滚入位于所述主旋转体66上的所述螺旋形凹槽90，从而减小所述空气占用的空间并导致压强增大。压缩持续进行，直到所述凸角之间的空间暴露于释放所述压缩空气的所述出气口 82。在所述空气的压缩过程中，向所述固定壳体74中注入润滑剂。所述润滑剂对所述相互啮合的旋转体66和70以及关联的轴承(未显示)进行润滑。
[0020]继续参照图1和图2，所述空气压缩机62由液力耦合器102驱动。所述液力耦合器102包括输入栗106和单独隔开的输出涡轮110，该两者都绕轴108旋转，并且由位于所述液力耦合器102内的间隙112分开。如图2所示，所述输出涡轮110耦合至所述空气压缩机62的所述主旋转体66，并且所述输入栗106耦合至原动机114(例如，位于所述钻机10内的柴油机的飞轮)。在所示实施例中，所述液力耦合器102为流体动力装置，所述装置使用所述间隙112内的油将动量(momentum)从所述输入栗106转移到所述输出涡轮110。例如，当启动所述原动机114时，所述原动机114致使所述输入栗106旋转，致使靠近所述输入栗106的位于所述间隙112中的油旋转并且被栗送至所述输出涡轮110，从而致使所述输出涡轮110 —起旋转。所述输出涡轮110的旋转致使位于所述空气压缩机62内的所述主旋转体66旋转。
[0021]继续参照图1和图2，所述液力耦合器102由控制系统118最佳地控制。所述控制系统118在保持所述原动机114以恒速运行的同时，改变所述液力耦合器102内的油量。控制所述液力耦合器102内的油量会在所述输入栗106和所述输出涡轮110之间产生不同的滑移，从而在所述空气压缩机62中产生变速控制。
[0022]所述液力耦合器102的变速控制节约了所述原动机114的燃料和能源。例如，当待机阶段发生时(即，当没有钻孔时)，所述控制系统118从所述液力耦合器102内移除一些所述油，这将增大所述输入栗106和所述输出涡轮110之间的滑移，并且致使所述输出涡轮110 (以及与其结合的主旋转体66和70)减速。当所述待机阶段结束时(即，当恢复钻孔时)，所述控制系统118重新向所述液力耦合器102加入油，然后所述旋转体66和70快速恢复速度以继续全速压缩空气。快速将所述旋转体66和70恢复至全速的能力减小了每次钻孔作业发生时为完全重启所述空气压缩机62典型所需的燃料和能源的量。
[0023]在一些实施例中，在操作过程中所述钻机10会经历延长的待机期(例如，当长距离运输所述钻机10时，在操作员倒班的过程中，或者在极寒的环境中，所述原动机114由于可能重启困难而没有关闭)。在这种情况中，所述控制系统118从所述液力耦合器102移除全部或者基本上全部的所述油，从而在所述输入栗106和所述输出涡轮110之间形成断开。一旦所述油被排干，所述输出涡轮110和所述旋转体66和70保持静止，