钻杆更换装置、岩石钻孔单元和更换钻杆的方法与流程

本发明涉及一种用于操作与岩石钻孔有关的钻杆的更换装置。

本发明进一步涉及一种设置有钻杆更换装置的岩石钻孔单元和一种更换岩石钻孔单元中的钻杆的方法。

背景技术：

本发明的领域被更具体地限定在独立权利要求的前序部分中。

在矿以及其它工作现场，岩石钻机设备用来在岩石表面上钻出钻孔。典型地，岩石钻机包括一个或多个钻臂，所述一个或多个钻臂设置有钻孔单元。文献EP-2765272-A1公开了用于夹持一个钻杆的装置。在许多情况下，需要钻出具有比一个钻杆更大长度的钻孔。于是，两个或更多个钻杆需要被彼此连接起来，以便形成延长钻杆(extension rod)。这被称为延长钻杆钻孔。典型地，几个钻杆存储在位于钻孔单元处的钻杆仓(rod magazine)中。文献WO-2010/092236-A1公开了钻杆仓的实例。然而，该钻杆仓是大和重的，因而其妨碍钻孔。因此，目前的解决方案已被显示出成包含某些缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供新颖的和改进的更换装置、设置有更换装置的岩石钻孔单元和更换钻杆的方法。

根据本发明的更换装置的特征在于第一独立设备权利要求的特性化的特征。

根据本发明的岩石钻孔单元的特征在于第二独立设备权利要求的特性化的特征。

根据本发明的方法的特征在于独立方法权利要求的特性化的特征。

所公开的解决方案的思想是，更换装置包括能够可移动地连接到钻孔单元的主体。更换装置进一步包括：第一钻杆工位，该第一钻杆工位用于接收一个单个可更换的钻杆；和夹持装置，该夹持装置位于第一钻杆工位，使得位于第一钻孔工位的钻杆可在操作钻杆时夹持和释放。与更换装置相关联的还有一个或多个转移装置，所述一个或多个转移装置用于在相对于钻孔单元的纵向轴线的横向方向上移动更换装置。除第一钻杆工位之外，更换装置还包括一个或多个第二钻杆工位，所述一个或多个第二钻杆工位每一个都能够接收一个单个另外的钻杆。所述一个或多个第二钻杆工位可选择性地移动到第一钻杆工位和离开移动到侧位置。

所公开的解决方案的优点是，两个或更多个钻杆可以借助于更换装置被存储和操作，而不需要钻孔单元装备有复杂化的、大型和沉重的钻杆仓。具有第一钻杆工位和第二钻杆工位的更换装置可具有苗条的且重量轻的结构，由此其不会对可视性形成妨碍并且也不会不必要地增加钻孔单元的重量。由于简单的结构和操作，因此本发明的更换装置可以是可靠并且便宜的。

根据实施例，更换装置设置有唯一一个单个第二钻杆工位和一个单个第一钻杆工位。从而，该装置具有两个钻杆工位。然后，一个钻杆可位于钻孔轴线上并且两个钻杆位于钻杆工位。然后，三个钻杆全部可借助于岩石钻孔单元操作。

根据实施例，第二钻杆工位只是能够在两个极限位置之间逐步移动。第二钻杆工位移动，而不会停止在第一钻杆工位和侧位置之间的中间位置上，第一钻杆工位和侧位置则位于第二工位的移动范围的极限位置处。由于仅移动到极限位置，因此移动的控制以及移动装置可以是简单的，而相对于极限位置的定位仍可以是准确的。

根据实施例，更换装置设置有两者同时移动的两个第二钻杆工位。两个第二钻杆工位可借助于设置有三个端部位置的流体操作的缸而移动。这类致动器已知为双活塞杆缸。替代地，两个第二钻杆工位可例如借助于马达而沿着合适的引导表面同时移动。

根据实施例，第二钻杆工位支撑到更换装置并且从而总是与更换装置一起移动。

根据实施例，第二钻杆工位位于更换装置的远端部。

根据实施例，第二钻杆工位位于更换装置的远端部，并且位于距更换装置的枢转点更大的距离处。从而，第二钻杆工位沿着与第一钻杆工位的移动路径相比更大的圆拱移动。当更换装置处于其位于钻孔轴线的一侧的基本位置中时，第二钻杆工位位于第一钻杆工位上方。换句话说，第二钻杆工位决不会位于第一钻杆工位和枢转点之间。

根据实施例，第二钻杆工位借助于枢转装置来支撑，该枢转装置允许相对于更换装置的主体沿着弧形移动路径使第二钻杆工位枢转。因此，第二钻杆工位可借助于转动致动器在第一钻杆工位和侧位置之间移动。该转动致动器可以例如是线性致动器或者转动马达。

根据实施例，第二钻杆工位可借助于流体操作的缸相对于枢转装置移动。液压或气动操作的缸是较好适于该目的的简单和可靠的致动器。

根据实施例，第二钻杆工位可借助于电动操作的致动器、诸如马达或线性马达而相对于枢转装置移动。

根据实施例，第二钻杆工位借助于线性支撑装置而被支撑，并且从而可在第一钻杆工位和侧位置之间线性移动。第二钻杆工位可借助于线性移动致动器被移动，该线性移动致动器例如可以是压力介质操作的缸。

根据实施例，第二钻杆工位包括至少一个夹紧元件，所述至少一个夹紧元件可在没有外部驱动动力情况下操作并且被构造用于将钻杆保持在第二工位。该夹紧元件可包括接触表面，当杆放置在接触表面之间时，接触表面压靠在所保持的钻杆的外表面上。由于连续的按压力，因此所保持的钻杆牢固地保持其位置并且不会振动并引起噪音。进一步的优点是，钻杆的外部尺寸可以改变并且夹具仍正确地保持钻杆。夹具可以是弹簧致动的，包括用于产生所需的按压力的一个或多个弹簧元件。可替代地，夹具可由弹性材料制成或者它可包括由弹性材料制成的支撑表面，用于产生所需的按压力。弹性材料可包括例如聚氨酯(PUR)或者其它的塑料材料。可替代地，弹性材料可包括橡胶或者聚合材料。夹紧元件可包括支撑在由金属材料制成的两个板状件之间的弹性元件。于是，刚性支撑件可设置有铰链和连接装置，并且弹性夹紧件可仅用于夹紧目的。

根据实施例，第二钻杆工位包括至少一个夹紧元件，所述至少一个夹紧元件用于将钻杆保持在第二工位上。该夹紧元件可借助于枢销支撑到单独框架或者框架件上，所述单独框架或框架件则被紧固到更换装置的主体的侧表面。因此，夹紧元件可借助于转动致动器相对于枢销在所述极限位置之间移动。转动致动器可以是布置在夹紧元件和框架之间的液压缸。

根据实施例，用于支撑夹紧元件的单独框架为板状件。因此，框架结构是简单且易于制造的，并且进一步，其可仅占据非常小的空间。

根据实施例，夹紧元件、枢销，单独框架和液压缸构成辅助模块，该辅助模块可容易地安装和拆卸到更换装置。该实施例允许对更换装置进行额外的钻杆工位的改型。

根据实施例，更换装置包括上支撑表面，该上支撑表面用于为保持在第二钻杆工位的钻杆提供高架式(overhead)支撑。该支撑表面可形成为更换装置的板状框架的一体部分，并且可包括位于框架的最外端的伸出部。该高架式支撑可确保保持住钻杆并且因此可以增加操作的可靠性。

根据实施例，夹紧元件包括开口，钻杆可利用更换装置相对于钻孔轴线的侧向移动通过该开口而插入到夹具内。

根据实施例，岩石钻孔单元没有任何钻杆仓或者用于存储多于一个单个钻杆的存储装置。由于所公开的解决方案，多于一个钻杆能够接连地进行钻孔，并且仍不需要给岩石钻孔单元提供任一常规钻杆仓。因此，岩石钻孔单元可以是重量轻的。当重量轻的岩石钻孔单元未限制钻臂的范围时，钻臂的到达范围可大范围地(extensive)设定尺寸。

根据实施例，岩石钻孔单元设置有至少一个另外的支撑元件，以便当更换装置在钻孔轴线和侧位置之间移动时为位于第二钻杆工位的钻杆提供额外的支撑。所述另外的支撑元件可相对于馈送梁(feed beam)和更换装置是固定的。

根据实施例，更换装置借助于枢转装置连接到馈送梁并且被构造为当在钻孔轴线和侧位置之间移动时相对于枢转装置枢转。该岩石钻孔单元还设置有至少一个另外的支撑元件，所述至少一个另外的支撑元件具有弧形支撑表面，弧形支撑表面用于当更换装置转动时为位于第二钻杆工位的钻杆提供支撑。所述另外的支撑表面不在更换装置的侧位置上并且从而允许位于第二钻杆工位的钻杆移动至第一钻杆工位。所述另外的支撑元件可以是横向紧固到馈送梁上的板状件。

根据实施例，更换装置包括：夹持爪，该夹持爪位于第一钻杆工位，用于在其中支撑钻杆；和夹紧元件，该夹紧元件处在第二钻杆工位，用于保持钻杆。夹持爪用作夹持装置，使得例如当打开和关闭连接螺纹(thread)时能够防止所夹持的钻杆的转动。夹紧元件可相对于夹持爪独立操作。进一步地，当第二钻杆工位向第一钻杆工位移动时，则第二钻杆工位的钻杆可借助于第一钻杆工位的夹持爪受到额外的支撑。在钻孔轴线上，夹持爪释放并且更换装置向后移动，由此移动到钻孔轴线的钻杆也从第二钻杆工位的夹紧元件释放。

根据实施例，设置有上述公开特征的至少两个更换装置彼此相距一定距离地布置，如在馈送梁的纵向方向上所示的那样。由于该实施例，实现所保持的钻杆的可靠和固定支撑。第一更换装置和第二更换装置可以位于距馈送梁的远端的一定距离处。

上述公开的实施例和特征能够结合起来，以便形成设置有必要特征的合适解决方案。

附图说明

在附图中更详细地描述一些实施例，其中

图1是示出岩石钻孔单元的示意侧视图，

图2是在位置A-A示出岩石钻孔单元的示意图，

图3和4是示出设置有两个更换装置的钻孔单元的示意侧视图，

图5a-5h是示出更换装置的操作和额外的第二钻杆工位的使用的示意图，

图6a和6b是示出辅助模块的示意图，该辅助模块设置有第二钻杆工位并且可安装到更换装置，以及

图7a和7b是示出第二钻杆工位的夹紧元件的示意图。

为了清楚起见，附图以简化方式示出所公开的解决方案的一些实施例。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

图1示出可行的岩石钻孔单元1，其可借助于钻臂3连接到未示出的可移动载体上。钻孔单元1可包括馈送梁2，该馈送梁2设置有岩石钻机4，岩石钻机4能够借助于馈送装置5在馈送梁2上移动。岩石钻机4可包括：冲击装置6，该冲击装置6用于在钻具7上产生冲击脉冲；和旋转装置8，该旋转装置8用于旋转钻具7。钻具7位于钻孔轴线上。

在钻孔现场处，一个或多个钻孔是用钻孔单元1钻出的。如在图1中所示，可在垂直方向上钻出钻孔。

当需要钻出具有比一个单个钻杆长的长度的钻孔时，则通过接连地连接两个或更多个钻杆来形成延长钻杆系统。典型地，由三个钻杆形成的延长系统是足够的。然后，钻具7包括钻头9、第一钻杆10a、第二钻杆10b和第三钻杆10c。在图1中，第三钻杆10c仍相对于钻孔轴线D位于侧位置。在钻孔的开始，钻头9连接到第一钻杆10a的远端，并且第一钻杆10a的相反端连接到钻孔机4的柄部12。在第一钻杆10a的钻孔完成之后，第二钻杆10b连接到柄部12和第一钻杆10a。进一步，在第二钻杆10b的钻孔完成之后，然后第三钻杆10c连接到延长系统并且继续钻孔到最终深度。在钻杆10a-10c之间、第一钻杆10a和钻头9之间、以及第三钻杆10c和柄部12之间，存在诸如连接螺钉13的连接装置。连接螺钉13能够借助于旋转装置8而关闭和打开。当连接和断开钻具7的部件时，可利用保持装置14防止钻具部件的旋转。保持装置14安装在馈送梁3上，使得它位于钻孔轴线D上。保持装置14可包括保持爪或者用于夹持钻具部件的相应装置。保持装置14进一步包括一个或多个致动器，所述一个或多个致动器用于产生所需的保持力。

岩石钻孔单元1可设置有一个或多个更换装置15，所述一个或多个更换装置15位于紧邻钻孔轴线D的位置并且能够在相对于钻孔轴线D的横向方向上移动。在图1中，一个单个更换装置15以高度简化的方式示出。更换装置15能够在相对于钻孔轴线D平行的方向上将两个钻杆10b、10c保持在侧位置16处。第二钻杆10b′可最初位于第一钻杆工位S1并且能够借助于更换装置移动到钻孔轴线D。第三钻杆10c可存储在更换装置15的第二钻杆工位S2处并且能够移动至第一钻杆工位S1以及进一步移动到钻孔轴线D。钻杆工位S1和S2之间的移动以及侧位置16和钻孔轴线D之间的移动可以是线性移动或者转动移动。

如在图3和4中所示，两个更换装置15a，15b可以以彼此相距选定的距离布置，以用于将钻杆10b和10c保持在侧位置16以及在侧位置16和钻孔轴线D之间移动钻杆。第一钻杆10a可手动置于钻孔轴线D处。在手动操作期间，岩石钻孔单元1可由于安全原因而关闭。钻孔单元1的操作者可借助于控制单元17手动控制钻杆更换操作，或者替代地，控制单元17可以包括用于控制钻杆更换措施的一个或多个自动控制程序。

图2图示出从图1的前侧并且在位置A-A处看到的图1的岩石钻孔装置1。更换装置15可借助于铰链H支撑到馈送梁2，由此第一钻杆工位S1可从侧位置16转动到钻孔轴线D，并且反之亦然。图2进一步示出，第二钻杆工位S2可移动到第一钻杆工位S1。

图3和4公开了更换装置15a，15b可设置有安装到更换装置的基体或者框架19的辅助装置18。辅助装置18或者单元可包括其自身的框架20。进一步，辅助装置18可设置有夹紧元件21，夹紧元件21用于接收第三钻杆10c并用作第二钻杆工位S2。更换装置15的基本结构可包括夹持爪22或者相应的装置，夹持爪22或者相应的装置用于将钻杆保持在第一钻杆工位S1。更换装置15可通过将力F1指向它而从侧位置16朝向钻孔轴线D转动。力F1可例如借助于液压缸形成。第二钻杆工位S2可借助于转动致动器23转动到第一钻杆工位S1，该转动致动器23例如可以是压力介质缸。馈送梁2可设置有控制盒24，其中可布置有用于控制更换装置15a，15b的操作的所需的控制阀以及其它控制装置。

更换装置15还可以包括高架式支撑25，支撑25用于将第三钻杆10c支撑在第二钻杆工位S2上。支撑25可以是形成在辅助装置18的框架20的最外端处的伸出部。此外，馈送梁可设置有额外的支撑元件26，该额外的支撑元件26包括弯曲支撑表面27，该弯曲支撑表面27可在更换装置15在侧位置16和钻孔轴线D之间移动时为第三钻杆10c提供支撑。该额外的支撑元件26可以是相对简单的板状件，其布置在相对于馈送梁2的纵向轴线的横向方向上。该额外的支撑元件26的形状和尺寸设计成使得其不会在更换装置15a、15b在其极限侧位置处移动时妨碍第二钻杆工位S2向第一钻杆工位S1的转位(indexing)。进一步，该额外的支撑元件26可以包括内部空间28，内部空间28提供用于移动由第一钻杆工位S1所夹持的钻杆的空间。

应该注意的是，第二钻杆工位S2、夹紧元件21和转动致动器23可替代地直接布置于更换装置15的基本结构，由此不需要单独的框架19。

在图4中示出更换装置15a，15b的致动器。更换装置15a，15b可借助于缸29相对于馈送梁2在横向方向上转动，并且第一钻杆工位S1的夹持爪22可借助于缸30致动。

图5a-5h以简化方式演示更换装置的操作。在图5a中，更换装置15处于侧位置16。第一钻杆10a处于钻孔轴线D，第二钻杆10b处于第一钻杆空间S1而第三钻杆10c处于第二钻杆空间S2。在图5b中，更换装置15朝向钻孔轴线D转动，以便将第二钻杆10b带到钻孔轴线D。然后，第二钻杆10b可连接到第一钻杆10a。第三钻杆10c处于第二钻杆工位S2并且同时在更换装置15的远端部处之上移动。在图中，更换装置15的夹持爪22打开并且更换装置15反转回到初始的侧位置16。在图5d中，转动致动器23被致动并且第二钻杆工位S2与第三钻杆10c一起移动到第一钻杆工位S1。然后，第三钻杆10c可借助于夹持爪22夹持。在图5e中，更换装置15再次朝向钻孔轴线D转动，用于将处于第一钻杆工位S1的第三钻杆10c馈送到钻孔轴线D。此后，第三钻杆10c联接到第二钻杆10b。在图5f中，夹持爪22被打开，而在图5g中，更换装置15已经开始朝向侧位置16反向移动。因为第二钻杆工位S2的夹紧元件21包括面向钻孔轴线D的开口31，所以更换装置15可转动回到在图5h中所示的侧位置。当延长钻杆系统被拆除时，更换装置15可以相反的工作次序进行操作。

图6a和6b以更详细的方式示出辅助装置18。辅助装置18可包括其自身的框架19，并且框架19可以是设置有紧固装置的板状件，使得其可以联接到更换装置。紧固装置可允许辅助装置的快速联接。框架19可设置有用于紧固螺钉的紧固孔39。框架19还可设置有支承点32、33，用于将转动致动器22和夹紧元件21连接到框架19上。此外，框架19可以包括支撑25，支撑25可用作位于第二钻杆工位S2的高架式支撑并且可防止第三钻杆10c通过开口31从夹紧元件21释放。

图7a和7b更详细地示出了夹紧元件21的结构。夹紧元件21可包括两个侧板34a、34b，在两个侧板34a、34b之间可以是中间元件35。侧板34a、34b可用作夹紧元件21的框架结构并且可将支撑和移动力传递至中间元件35。中间元件35可由弹性材料制成并且中间元件35的内部形状可根据所使用的钻杆的外部轮廓设计。中间元件35可在钻杆的形状或者尺寸变化或者假设中间元件35变得磨损的情况下改变。侧板34a、34b设置有枢转装置的开口36，并且开口可安装有轴承37，该轴承可以是可更换的滑动轴承。侧板34a、34b还包括开口38，开口38允许转动致动器例如借助于合适的连接销或者螺栓而联接夹紧元件21。夹紧元件21的结构可借助于紧固螺钉40组装。

附图和相关的描述仅旨在图示本发明的思想。在其细节方面，本发明可在权利要求书的范围内变化。