钻机和钻机的钻头的制作方法

本发明涉及用于旋转钻机的钻头，所述钻头包括：旋转马达、钻头主轴和位于旋转马达与钻头主轴之间的换挡变速器，该换挡变速器包括连接至旋转马达的输入轴和连接至钻头主轴的输出轴。本发明还涉及钻机。

背景技术：

先前已知用于勘探钻机的钻头，该钻头配备有用于抓持、保持构成钻柱部件的管并使所述管旋转的液压致动卡盘。钻头能够在钻凿期间沿着钻机的进给梁移动同时执行旋转动作。

为了使钻凿模式适应不同的钻凿环境，先前已知提供具有变速装置的钻头。在WO2013/106207中描述了这种背景技术的变速钻头的一个示例。

技术实现要素：

本发明的目的是提供相比于背景技术的进一步开发及改进以及至少减少与先前构造相关联的复杂性问题同时保持较高的操作可靠性。

该目的相对于上述钻头以下述方式实现，即输入轴与输出轴同轴，输入轴通过第一减速齿轮联接件而永久性地联接至中间轴，并且换挡变速器包括能够在使输入轴与输出轴相互连接以使得输入轴和输出轴具有相同的旋转速度的第一位置与使中间轴与输出轴通过第二减速齿轮联接件连接的第二位置之间转换的离合器。

这使得可以构造出允许降低成本且提高制造灵活度的可靠、紧凑且不复杂的钻头。

旋转马达有利地直接连接至输入轴并且如果旋转马达被控制成速度能够调节，则尽管钻头仅提供两个不同的速度，但仍可以获得较大范围的钻头主轴速度，使得可以为不同的速度提供最大的扭矩。

马达速度控制的主要方法是在改变液压马达排量的同时保持恒定的最大液压流和压力(最大排量导致最大扭矩，最小排量意味最大速度)。保持最大液压流和压力使得液压马达并且因此使得钻头在较大速度范围内产生最大旋转动力。

不希望通过减小马达的液压流来进行速度控制，这是因为减小马达的液压流也减小了马达的动力输出。

优选的是，离合器是包括能够轴向移动的换挡套筒的双齿式离合器，所述换挡套筒具有：第一套筒齿，所述第一套筒齿用于在第一位置中与和输入轴相关联的输入齿配合；和第二套筒齿，所述第二套筒齿用于在第二位置中与第二减速齿轮联接件的从动齿轮上的输出齿配合，所述从动齿轮与输出轴同轴。所述齿沿轴向方向定向，使得换挡套筒的轴向位移导致联接至与输入轴和输出轴中的相应的一者相关联并紧固至所述一者的离合器构件。

齿式离合器是下述类型的离合器：这类离合器通过干涉而非通过摩擦将两个旋转轴或者其他旋转部件联接。离合器的两个部件被设计成一个部件将推动另一部件以到达接合位置。

为了接合，在两个连接部件之间存在速度差的情况下，齿式离合器在齿之间需要一定的齿隙量。较大的齿隙量使得可以以较大的速度差接合。在钻头应用中，期望使齿隙量最小化以使传动系中的扭转振动最小化或者防止传动系中的扭转振动。使传动系中的扭转振动最小化或者防止传动系中的扭转振动所需的齿隙量比使离合器在换挡时以有意的转速差啮合所需的齿隙量小。总而言之，在该创新性钻头中设置双齿式离合器获得了坚固可靠且经济的解决方案。

在离合器的第一位置中，第二减速齿轮联接件的从动齿轮相对于输出轴自由旋转并且被支承(优选地通过滚子-滚针轴承支承)在输出轴上。然而，在离合器的第二位置中，第二减速齿轮联接件的从动齿轮旋转地固定至输出轴。

出于该目的，还优选地是，换挡套筒永久性旋转联接至输出轴。这通过下述方式适当地实现，即在输出轴上设置有与换挡套筒上的相应内花键在换挡套筒的不同轴向位置中均永久性接合的轴向延伸的外花键。

优选的是，第一套筒齿和第二套筒齿与输入齿和输出齿具有成角度的顶部区域，从而允许在开始联接时在所述双齿式离合器的相应的所述第一位置中和所述第二位置中的完全相互连接之前进行接触。

双齿式离合器的该特征意味着该齿式离合器齿的顶部区域(表面)成角度成使得两个部件的接合可以以较大的速度差和以离合器中存在较小的齿隙量的方式来完成。

因此，齿表面优选地成角度成使得接合更加容易。通过使两个离合器部件在齿表面上具有类似的或相同的角度，离合器部件可以在齿撞击配合的联接部件中的空间之前——即，当齿在接合位置配合时——开始轴向地移动。

可选地，齿式离合器齿可以具有倒锥形使得：一旦离合器部件开始接合，扭矩就将至少有助于将离合器部件朝向彼此推动到完全轴向接触。

本发明的该方面的优点是：

a)齿隙可以保持最小化，从而减小或者防止扭转振动。

b)由于离合器部件的轴向运动的时间增大，所以可以以较大的速度差接合。

输出轴有利地永久性旋转联接至钻头主轴。有利地，这在输出轴通过具有由中间轴支承并且能够相对于该中间轴自由旋转的中间齿轮的齿轮系联接至钻头主轴时实现。

中间轴优选地永久性地连接至用于向钻头的元件供给润滑剂的润滑泵。这是一个很大的优点，因为润滑泵总是处于致动状态并且仅取决于马达速度(原因在于输入轴永久性旋转联接至中间轴)。

润滑泵适当地连接至位于输出轴和中间轴中的润滑通道。一方面，所述润滑通道是在输出轴和中间轴中居中延伸的轴向通道，另一方面，所述润滑通道是位于所述轴向通道与待润滑的轴承等之间的径向通道。

通常，换挡套筒接合有换挡单元。因此换挡单元的换挡叉优选地接合在换挡套筒中的环绕槽中。

优选地是，换挡单元设置有交替用于机械致动式换挡组件和液压致动式换挡组件的作用部。有利地，机械致动式换挡组件设置成直接手动操纵，并且液压致动式换挡组件设置成远程控制操纵。

基本上，换挡叉使换挡套筒在高速挡位置与低速挡位置之间移动。换挡套筒具有两个齿式离合器半部，一个位于顶部并且一个位于底部。为了转换到高速挡，换挡套筒通过换挡叉向上移动使得位于换挡套筒顶部的齿式离合器半部能够接合位于输入轴上的类似的齿式离合器半部。当所述两个齿式离合器半部啮合时，高速挡被接合，这是由于换挡套筒永久性旋转联接至输出轴。

为了转换到低速挡，换挡套筒必须向下移动使得位于换挡套筒底部上的齿式离合器半部能够接合机加工到第二减速齿轮联接件的从动齿轮中的类似的齿式离合器半部。当这两个齿式离合器半部啮合时，低速挡被接合，这是由于输入轴通过结合变速器中的中间轴的两个减速齿轮联接件而连接至输出轴。

这既适用于手动换挡也适用于液压/远程控制换挡。

对于手动换挡而言，换挡叉借助于轴连接至具有用于高速挡和低速挡的两个停驻位置的杆。所述杆配备有锁定装置使得杆在其被置于其适当的停驻位置时不能意外地移动。

对于液压换挡而言，在换挡单元的作用部中用具有液压缸和活塞的壳体简单地替换将手动换挡杆连接至换挡叉的轴。

在手动换挡和液压换挡的情况下，并且不管从高速挡转换至低速挡还是从低速挡转换至高速挡，具有两个齿式离合器半部的换挡套筒都不能够在开始尝试时接合配合的齿式离合器半部，这是因为齿式离合器齿对准从而允许适当的啮合是不大可能的。该解决方案是在换挡时接合液压马达使得齿式离合器半部在通过手动、弹簧或液压压力被推动在一起时能够接合。

钻头壳体对于手动换挡和液压换挡而言实际上是相同的。当从一个换挡类型转换成另一换挡类型时仅需要更换连接至换挡叉的与换挡机构相关联的元件。这些部件可以在不进行大量拆卸比如将壳体分成多个部段的情况下被移除并且可以从钻头的外部安装。

本发明的该方面的优点是：

a)通过指示高速挡的完全接合以及低速挡的完全接合使得远程控制液压换挡成为可能。液压换挡可以在不需要触及通常被安全防护装置包覆的钻头的情况下完成。

b)仅很少的部件必须被更换以将钻头从手动换挡转换至液压换挡并且这可以在不进行大量拆卸的情况下完成。因此，至于采用(shipped)哪种类型的换挡的决定可以取决于最终的组件。

c)完全组装的钻头可以在不对钻头进行大量拆卸的情况下在现场从一种换挡类型改变成另一类型。

d)对于两种换挡类型使用共同的换挡叉和壳体降低了成本并且提高了制造的灵活度。

本发明还涉及包括根据上述内容的钻头的钻机。

附图说明

现在，将在附图的背景下通过实施方式对本发明进行更详细的说明；在附图中：

图1示出了根据本发明配备的旋转钻机的立体图，

图2示出了根据本发明的钻头的立体图，

图3示出了图2中的钻头的轴向截面，

图4a和图4b以单独视图示出了处于其不同位置的离合器，

图5示出了示出手动式换挡组件的轴向截面，

图6a和图6b以轴向截面形式示出了手动式换挡组件的部件和液压控制式换挡组件的部件，以及

图7和图8示出了离合器细节。

具体实施方式

图1示出了用于勘探钻凿的旋转钻机1，该钻机具有杆2，杆2具有支承钻头4的长形进给梁。钻头4能够沿着进给梁上下移动。动力单元3包括用于向钻头4供应动力的普通机械。

在图2中以更大比例示出的钻头4的钻头主轴7的顶部处，定位有用于抓持钻柱(在图中未示出)以将旋转运动和轴向运动传递至钻柱的卡盘5。6指示具有间隔28的拆分式(split)钻柱顶部衬套。27指示具有类似间隔(未示出)的拆分式钻柱底部衬套。旋转马达由M指示。

图3示出了钻头4的轴向截面，其中，能够连接至旋转马达(图2中的M)的输入轴是用于向钻头主轴7提供两个不同旋转速度的换挡变速器8的一部分。

输入轴9具有轴线11并与输出轴10同轴。输入轴9通过第一减速齿轮联接件13而永久性地联接至中间轴12。这意味着中间轴12相比于输入轴9以减小的速度旋转。中间轴12能够通过第二减速齿轮联接件15进一步联接至输出轴10。第二减速齿轮联接件15设置成使得当中间轴12与输出轴10连接时，输出轴10相比于中间轴12以减小的速度旋转。

离合器14设置成使得在第一位置中离合器14将输入轴9与输出轴10直接连接以实现输入轴9和输出轴10具有相同的旋转速度。出于这个目的，离合器14包括换挡套筒16，换挡套筒16在第一位置中与输入轴上的输入离合器半部接合，同时，换挡套筒16在换挡套筒16的所有轴向位置中永久性旋转固定至输出轴10。

这通过下述换挡套筒16方便地实现：所述换挡套筒16具有与位于输出轴10上的轴向延伸的外花键接合的内齿。22指示位于换挡套筒与输出轴之间的永久性旋转联接部。

输出轴又联接至钻头主轴7。因此，在离合器14的第一位置中，钻头主轴7以高速旋转。

离合器14还能够转换至第二位置，在第二位置中，换挡套筒16将第二减速齿轮联接件15的从动齿轮21联接至输出轴10。同时，离合器14释放输入轴9与输出轴10之间的连接。因此，来自旋转马达(未示出)的旋转从输入轴9通过第一减速齿轮联接件13传递至中间轴12并通过第二减速齿轮联接件15传递至输出轴10。因此，在离合器14的第二位置中，钻头主轴7以低速旋转。

输出轴10通过齿轮系24永久性地联接至钻头主轴7，齿轮系24包括位于输出轴10上的齿轮、中间齿轮25和紧固至钻头主轴7的齿轮。如可以从图3观察到的，中间齿轮25由中间轴12支承但是能够相对于中间轴12自由地旋转，这是因为中间齿轮25通过滚子轴承支承在中间轴12上。

应当注意的是，图3中示出了输入轴和输出轴的轴线11、中间轴的轴线26和钻头主轴的轴线47相对彼此是呈直线排布的。出于紧凑的原因，在实践中通常使穿过轴线11和轴线26的平面与穿过轴线26和轴线47的平面形成角度是便利的。

中间轴12连接至润滑泵48，使得润滑泵48在中间轴12一旋转时就持久地运行。润滑泵向钻头4的需要润滑的元件和部件供给润滑剂。29指示位于中间轴12内的中央轴向通道，所述中央轴向通道分支成具有用于向将中间齿轮25支承在中间轴12上的轴承提供润滑剂的径向通道分支部30。31指示位于输出轴10内的轴向通道，所述轴向通道用于向径向通道32供给润滑剂，其中，径向通道32为支承输出轴并将第二减速齿轮联接件的从动齿轮21支承在输出轴上的轴承供给润滑剂。

图4a和图4b示出了示出处于第一位置中(图4a)和第二位置中(图4b)的离合器14的功能的立体图。

在图4a中，输入轴9由于离合器14而直接地联接至输出轴10，离合器14是齿式离合器并且此时离合器14的第一套筒齿17与和输入轴相关联的输入齿18接合。如上所述，换挡套筒16还在换挡套筒16的所有位置中永久性旋转联接至输出轴10。36指示在径向上面向外的环绕槽，该环绕槽与设置在换挡单元34的换挡叉35内的相应的脊部接合。

换挡叉35能够在轴向方向上上下移动并且因此在图4a中处于其第一位置。

在图4b中，换挡单元34已经使换挡叉35移位至其第二位置，在第二位置中，换挡套筒16将第二减速齿轮联接件(图3中的15)的从动齿轮21联接并锁定至输出轴10以获得钻头主轴的减小的速度。

具体地，输入离合器半部42附接至输入轴9，输出离合器半部44附接至第二减速齿轮联接件(图3中的15)的从动齿轮21。43指示用于与所述输入离合器半部42配合的第一套筒离合器半部并且第二套筒离合器半部45设置成与所述输出离合器半部44配合。

此外，所有的离合器半部的每个齿均具有成角度的顶部区域(图7中的49)，从而意味着相接的离合器半部表面略微倾斜以允许在完全相互连接之前就开始接合。可以在图4a上的齿17与18之间和图4b上的齿19与20之间观察到彼此完全接合的离合器齿。

图5示出了手动机械式换挡组件37，其中，具有锁定套筒39的杆38能够在所示出的第一位置之间转换，在第一位置中，换挡套筒16已经通过换挡叉35被带至其上方位置。杆38连接至能够轴向移动的主轴40，主轴40又支承换挡叉35。41指示复位弹簧41，复位弹簧41将能够轴向移动的主轴40向上推动以使其从第二位置转换至第一位置。

为了说明钻头能够从手动机械式换挡转换成例如从远程位置进行的液压控制式换挡的简单性，图6a示出了来自图5的手动机械式换挡装置而图6b示出了替代性构造的液压控制式换挡装置。

本发明可以通过能够简单地用一个换挡装置替换另一换挡装置来使用图6a的手动机械式换挡装置或者图6b的液压控制式换挡装置。这是通过将带螺纹的构件50或51从换挡叉35中的匹配的螺纹孔旋出并且用另一换挡装置来替换现有的换挡装置来进行的。提供适合的装置来解锁以及锁定该螺纹连接件使得其在换挡操作期间不会松动或者松开。弹簧被调整至相应的两个换挡装置37’和37”并且因此包括在相应的换挡装置中以成为替换件的一部分。

位置传感器被优选地设置成感测液压部件的位置并且将指示换挡套筒何时处于啮合位置中并且指示接合的是高速挡还是低速挡。图6b中的53和54指示出适于感测可移动元件比如突出物55的存在以证实已经到达期望位置的这种位置传感器。所述位置传感器可以例如是感应式、电容式或霍尔效应式传感器。

图7示出了换挡套筒16的齿17的成角度的顶部区域49。如可以通过图7所理解的，成角度的顶部区域49描述了顶部区域49与垂直于换挡套筒16的轴线的平面成角度α。当在换挡期间将换挡套筒16与输入离合器半部42(见图4b)连接时，相接的离合器齿彼此接触并且随后更容易地到达相对位置，在相对位置处，当接合马达时可以实现如上所述的完全接合。

图8示出了离合器齿的侧部成角度x⁰以获得更安全的连接并且也有助于到达如上所述的完全连接的状态。

手动换挡主要包括下述各部件：

-杆，所述杆通过操作员移动；杆具有锁定装置，锁定装置可以停驻于高速挡位置和低速挡位置两者，从而对将杆连接至换挡叉的轴产生作用。

-弹簧，所述弹簧有助于提升换挡叉。利用所述杆，操作员使换挡叉向上移动以从低速挡转换至高速挡，并且使换挡叉向下移动以从高速挡转换至低速挡。由于通常齿式离合器半部在开始尝试时不会啮合，因此齿轮系必须在杆能够完全被置入到停驻位置之前接合。

当从低速挡转换至高速挡时，弹簧有助于操作员提升换挡套筒。当齿轮系接合并且齿式离合器半部对准并啮合时，高速挡被接合并且杆随后可以被移动至或者其自身移动至高速挡停驻位置并且被固定就位。

液压式换挡机构包括具有活塞(未示出)和弹簧的液压缸。向缸施加液压压力将使活塞向下移动并压缩弹簧。由于通常低速挡齿式离合器半部在开始施加液压压力时不啮合，所以齿轮系需要接合以使齿式离合器半部对准并啮合。随后接合低速挡。

释放液压压力允许弹簧延伸并使换挡叉和换挡套筒移动至高速挡位置。另外，由于通常高速挡齿式离合器半部在开始接触时并不啮合，所以齿轮系需要接合并且弹簧将使换挡套筒移动到啮合位置中。随后接合高速挡。

具有两速变速器的同一钻头可以用于钻机的不同模式。

液压换挡具有达到下述程度的自动化特征：齿式离合器半部的啮合在马达接合之后自动地进行，这是因为液压压力(用于低速挡)和弹簧力(用于高速挡)将完成该啮合。这与杆通常在马达接合的同时仍将必须被手动地移动到停驻位置中的机械式换挡形成对比。

通常，在矿物勘探钻机上当前使用的钻头变速器采用手动换挡而不能够采用可以被远程控制以更加方便操作员的液压换挡。