一种活塞式液压卡盘、动力头及钻机的制作方法

本发明专利属于坑道钻机液压卡盘领域，涉及一种活塞式液压卡盘、动力头及钻机。

背景技术：

卡盘是钻机重要的组成部件，安装在动力头上作为钻机夹持装置使用，卡盘的作用主要是夹持钻具，向钻具提供转矩和轴向力。

目前坑道钻机常见液压卡盘主要有胶筒式、斜面增力式和活塞式液压卡盘。其中活塞式液压卡盘凭借着可靠性强、效率高、维护保养成本低等优点，日益成为液压卡盘研究的新热点。

现有常见活塞式液压卡盘技术还存在着一定的不足，不能很好的满足煤矿坑道钻机的使用。具体如下：

(1)煤渣、岩粉容易通过卡瓦之间缝隙进入卡盘内部，并逐渐堆积，造成卡盘无法正常工作。现有技术采用在卡盘体内部设置排渣通道，借助钻孔内返水或人为冲水将渣滓排出。但煤渣、岩粉并不能很好的溶解在水中，容易在卡盘内部沉淀堆积，造成卡盘无法正常工作。

(2)在碎软煤层施工瓦斯抽放孔时，多采用压缩空气作为钻进介质。此种工况下，当煤渣、岩粉进入卡盘内部时，没有了水作为冲洗介质，渣滓很难排出，极易造成卡盘损坏，无法正常工作。

(3)现有技术在卡盘工作时，特别是配合三棱钻杆进行钻进作业时，由于卡瓦与钻杆的接触位置通常偏离卡瓦对称中心，卡瓦会受到一个偏心力的作用，并将偏心力所产生扭矩的一部分传递给活塞，引起活塞和活塞缸体上密封面和密封件的偏磨，造成卡盘漏油，无法正常工作。

(4)卡盘依靠复位弹簧弹力完成卡瓦的张开。复位弹簧的弹力即要克服卡瓦的重力和卡瓦与其他部件间的摩擦力，还要克服活塞的摩擦力和回油阻力。因而，现有活塞式卡盘常存在钻杆松开迟缓、磨钻杆等问题；

为此，本发明的设计者有鉴于现有技术存在的上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期从事相关产业的经验和成果，研究出一种新型活塞式液压卡盘，很好的解决了上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种活塞式液压卡盘、动力头及钻机，解决了现有活塞式卡盘存在卡盘张开反应迟缓和卡盘内部煤渣、岩粉易堆积的问题，且结构简单、易于维修操作。

遵从本发明的第一个目的，一种活塞式液压卡盘，包括卡盘体，在所述的卡盘体内沿径向依次设置卡瓦组件和径向动力组件，其特征在于，所述径向动力组件与卡瓦组件为分体传力结构；

所述的卡瓦组件包括沿周向设置的多个卡瓦，相邻卡瓦间通过复位弹簧连接；

与相邻卡瓦的间隙对应设置弹性阻隔件，弹性阻隔件一端顶紧径向动力组件，弹性阻隔件的另一端封堵相邻卡瓦间隙。

可选的，所述径向动力组件的动力端面积大于传力端面积，径向动力组件的传力端面积小于卡瓦组件的承力面面积。

可选的，所述的径向动力组件包括径向油缸和径向活塞，所述径向活塞的动力端面积大于传力端面积，径向活塞的传力端与所述的卡瓦沿径向对应。

可选的，在所述的径向活塞与径向油缸的传力端方向之间还设置碟簧。

可选的，所述的弹性阻隔件包括阻隔板，在所述的阻隔板上固设沿径向变形的簧片。

可选的，所述阻隔板的至少一个面为弧形面；且在所述阻隔板的弧形面上沿长度方向设置凹槽。

可选的，所述的簧片为沿径向凸起的连续双拱形片，簧片在双拱形的连接处与所述的阻隔板固定连接。

可选的，所述的弹性阻隔件包括阻隔板，在所述的阻隔板上固设沿径向变形的簧片；所述阻隔板的至少一个面为弧形面，所述弧形面的圆弧直径与所述径向油缸的内圆直径相同；且在所述阻隔板的弧形面上沿长度方向设置凹槽；所述的簧片为沿径向凸起的连续双拱形片，簧片在双拱形的连接处与所述的阻隔板固定连接。

遵从本发明的第二个目的，一种动力头，所述的动力头上安装有本发明所述的活塞式液压卡盘。

遵从本发明的第三个目的，一种钻机，所述的钻机上安装有本发明所述的动力头。

本发明的优点为：

本发明提供的活塞式液压卡盘，能够有效的解决传统活塞式卡盘存在的内部煤渣、岩粉堆积造成卡盘无法正常工作的问题；同时解决了卡盘松开时响应迟缓的问题，并且结构简单，易于维修，可靠性强。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的活塞卡式液压卡盘径向剖视示意图；

图2是本发明的活塞卡式液压卡盘轴向剖视示意图；

图3是图1中卡瓦与弹性阻隔件安装结构示意图；

图4是图1中弹性阻隔件的结构示意图；

图中各标号表示为：1-卡盘体、11-第一端盖、12-第二端盖；2-卡瓦组件、21-卡瓦、22-复位弹簧、23-弹性阻隔件、231-阻隔板、2311-弧形面、2312-凹槽、232-簧片、24-第一传扭盘、25-第二传扭盘；3-径向动力组件、31-径向油缸、32-径向活塞、33-碟簧、34-密封件；4-传拉盘、5-第一销、6-第二销。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

结合图1-4，本发明的活塞式液压卡盘包括卡盘体1，在卡盘体1内沿径向依次设置卡瓦组件2和径向动力组件3，径向动力组件3与卡瓦组件2为分体传力结构；这里所说的分体传力结构指的是径向动力组件3仅在径向将动力传递给卡瓦组件2，两者仅具有径向传力的作用，阻挡了来自钻杆转动中产生的轴向转动扭矩传递给径向动力组件，解决由于偏心力造成的活塞和活塞缸体密封面和密封件磨损引发卡盘漏油的问题，提高了卡盘寿命和可靠性；卡瓦组件2包括沿周向设置的多个卡瓦21，相邻卡瓦21间通过复位弹簧22连接；与相邻卡瓦21的间隙对应设置弹性阻隔件23，弹性阻隔件23一端顶紧径向动力组件3，弹性阻隔件23的另一端封堵相邻卡瓦21间隙；从源头上阻隔了来自卡瓦组件腔内煤渣、岩粉的通路，进而从结构上解决了煤渣、岩粉堆积造成卡盘无法正常工作的问题。

在本公开的实施例中，径向动力组件3的动力端面积大于传力端面积，径向动力组件3的传力端面积小于卡瓦组件2的承力面面积。在本发明中，径向动力组件3的动力端指的是径向动力组件与动力源的接触面积，比如径向动力组件3为液压油缸结构，则指的是径向动力组件与液压油的接触面积；径向动力组件3的传力端指的是相对于动力端的端部；这样的设计减小了卡瓦组件2所受扭矩对径向活塞32的作用，结构上降低了径向动力组件3中密封面和密封件的偏磨引发卡盘漏油的风险，提高了卡盘寿命和可靠性。

径向动力组件3包括径向油缸31和径向活塞32，径向活塞32的动力端面积大于传力端面积，径向活塞32的传力端与卡瓦21沿径向对应。现有技术在卡盘工作时，特别是配合三棱钻杆进行钻进作业时，由于卡瓦与钻杆的接触位置通常偏离卡瓦对称中心，卡瓦会受到一个偏心力的作用，并将偏心力所产生扭矩的一部分传递给活塞，引起活塞和活塞缸体上密封面和密封件的偏磨，造成卡盘漏油，无法正常工作。本发明中径向活塞32和卡瓦组件2采用两体式的结构，径向油缸31上安装径向活塞32的位置采用台阶孔的结构，台阶孔底部小孔与径向活塞32的活塞杆体接触，通过选择合适的配合公差，可以抵消径向活塞32受到的来自卡瓦组件2的扭矩，从而结构上解决由于偏心力造成的活塞和活塞缸体密封面和密封件磨损引发卡盘漏油的问题，提高了卡盘寿命和可靠性。为了方便安装，本发明还可以在径向油缸31和卡盘体1两侧端面上都设计有“v”型对准槽。在进行卡盘装配时，只需保证径向油缸31缸体和卡盘体的“v”型对准槽处于对准状态，即可确定活塞缸体与其它部件之间的相对位置关系。

在钻进作业时，需要卡盘能够快速夹紧钻杆的同时，也需要卡盘能够快速响应松开钻杆。现有技术仅依靠卡瓦间复位弹簧来完成卡盘的快速响应松开钻杆。由于回油阻力较大，而推动卡瓦活塞向外侧运动的力仅为复位弹簧沿活塞方向的一个分力，造成卡盘松开钻杆响应迟缓，容易发生磨钻杆的现象。在本公开的实施例中，在径向活塞32与径向油缸31的传力端方向之间还设置碟簧33，用于克服回油阻力和密封件的摩擦力，使径向活塞32够快速复位，而卡瓦21间复位弹簧22只需克服卡瓦21自身重量和摩擦力就可完成张开，响应速度快，解决了磨钻杆的问题。

在本公开的实施例中，弹性阻隔件23包括阻隔板231，在阻隔板231上固设沿径向变形的簧片232。通过设置的弹性阻隔件23，使卡盘无论在松开还是夹紧钻杆的工况下，阻隔板231的平面始终与三组卡瓦21侧面紧密贴合，两端始终与传扭盘端面贴合，阻挡煤渣、岩粉进入卡盘体1内部。

在本公开的实施例中，阻隔板231的至少一个面为弧形面2311；且在阻隔板231的弧形面2311上沿长度方向设置凹槽2312。当阻隔板231安装到位时，簧片232会始终卡在径向油缸31和阻隔板231的凹槽内，起到给弹性阻隔件23提供周向定位的作用，并且当卡瓦21完全张开时，凹槽为簧片232提供空间，不占用阻隔板231的径向空间，进一步保证了阻隔板231的厚度和强度。最好的，弧形面2311的圆弧直径与径向油缸31的内圆直径相同；当卡瓦21完全张开时，卡瓦21的圆弧面与阻隔板231的圆弧面构成一个完整的圆，这样每一次卡瓦21的张开都是在利用径向油缸31的内通孔，再给弹性阻隔件23做一次圆周方向位置的重新定位，并且这样的设计在阻隔板231安装空间受限的情况下，确保阻隔板231强度的尽可能大；

在本公开的实施例中，簧片232为沿径向凸起的连续双拱形片，簧片232在双拱形的连接处与阻隔板231固定连接。簧片232采用双拱形的结构，并且在拱形连接处和阻隔板231中心位置进行焊接是为了保证阻隔板231的受力均匀。具体来说当簧片232被压缩时，保证了簧片232在变形过程中，簧片232与径向油缸31的接触点始终相对阻隔板231中心点对称，并且作用力垂直于阻隔板231平面。进一步保证了弹性阻隔件23始终只受到沿径向方向的力，保证了密封的稳定性和弹性阻隔件23的寿命。

在本公开的实施例中，卡盘体1在两端分别设置第一端盖11和第二端盖12，卡盘体1和径向动力组件3形成一个密闭的高压油容腔；在卡瓦组件2的两端分别设置第一传扭盘24和第二传扭盘25，第一传扭盘24与第一端盖11固定连接，第二传扭盘25与第二端盖12固定连接。本发明的活塞式液压卡盘将轴向的扭矩均通过在部件端部设置的端盖或传扭盘进行传递，将径向的夹紧力与扭矩分开，使各个部件之间的协同工作更加优化，提高整体部件的使用寿命，同时还能满足夹钻、转动和排渣等各个动作的执行，整体结构更加合理。

一种动力头，动力头上安装有本实施例中的活塞式液压卡盘。

一种钻机，钻机上安装有本实施例中的动力头。

实施例一、活塞式液压卡盘：

结合图1-4，本实施例的活塞式液压卡盘包括卡盘体1，在卡盘体1内沿径向设置卡瓦组件2和径向动力组件3，卡瓦组件2包括沿周向设置的多个卡瓦21，相邻卡瓦21间通过复位弹簧22连接；与相邻卡瓦21的间隙对应设置弹性阻隔件23，弹性阻隔件23一端顶紧径向动力组件3，弹性阻隔件23的另一端封堵相邻卡瓦21间隙。

卡瓦组件2沿圆周方向分别设有三组卡瓦21，用于夹持钻杆；相邻卡瓦21之间设有复位弹簧22；径向动力组件3包括径向油缸31、径向活塞32和碟簧33，三个卡瓦21的外侧中间平面分别与三个径向活塞32的端部接触，三个径向活塞32安装在径向油缸31的三组台阶孔内，并与孔壁通过密封件34(比如yx圈)实现密封；径向活塞32的端面与台阶孔之间还设有碟簧33；径向油缸31两端加工有o型圈凹槽2312，通过o型圈与卡盘体1密封。径向油缸31通过侧面的三个螺栓与第二端盖12固接，主轴通过其端部的螺纹与传拉盘4固定，传拉盘4通过螺栓与第一端盖11固定在一起，主轴与第一端盖11之间，第一端盖11与卡盘体1之间设置有密封用的o型圈。

弹性阻隔件23由簧片232和阻隔板231两部分焊接而成。簧片232采用双拱式结构，中间平面处设有通孔；阻隔板231采用板式结构，长度与卡瓦2去掉两端凸台后的长度一致，且一面采用弧形面2311结构，一面采用平面结构，弧形面2311圆弧直径与径向油缸31内圆直径相同；弧形面2311上加工有凹槽2312，凹槽2312宽度比簧片232宽度稍宽。簧片232安装于凹槽2312中间位置，通过簧片232中心通孔与阻隔板231焊接在一起。径向油缸31内圆对应卡瓦2间的缝隙的位置设置有三组凹槽2312，凹槽2312宽度比簧片232稍宽。三组弹性阻隔件23安装于径向油缸31和卡瓦2之间，弹性阻隔件23的簧片232卡与径向油缸31内圆的凹槽内，以限制弹性阻隔件23的径向移动。通过设计合适的簧片232初始高度和径向油缸31内圆凹槽的深度，使卡盘无论在松开还是夹紧钻杆的工况下，阻隔板231平面始终与三组卡瓦2侧面紧密贴合，两端始终与前、后传扭盘端面贴合，阻挡煤渣、岩粉进入卡盘内部。

卡瓦组件2两端还分别设有第一传扭盘24和第二传扭盘25；第一传扭盘24和第二传扭盘25上设有凹槽，卡瓦21端部凸台安装于凹槽中，第一销5安装于第一传扭盘24和主轴之间，并通过第一端盖11上的通孔，将主轴、第一端盖11、第一传扭盘24连到一起，第二传扭盘25和第二端盖12之间设有第二销6。

径向油缸31和卡盘体1两侧端面上都设计有“v”型对准槽。在进行卡盘装配时，只需保证活塞缸体和卡盘体的“v”型对准槽处于对准状态，即可确定径向油缸31与其它部件之间的相对位置关系。

卡盘夹紧松开钻杆原理：

来自钻机的高压油通过主轴端部的油口，经由第一端盖11和卡盘体1之间的油道，进入由卡盘体1、径向油缸31、径向活塞32以及他们之间的密封件组成的密闭容腔内。高压油推动径向活塞32沿径向运动；径向活塞32压缩碟簧33并带动卡瓦21同时沿径向运动；卡瓦21压缩复位弹簧1并夹紧钻杆。

当卡盘需要松开钻杆时，密封容腔内的高压油失去压力，径向活塞32在碟簧33弹力的作用下，克服径向活塞32所受的回油阻力和密封件摩擦力沿径向向外移动，同时丧失对卡瓦21的压力，卡瓦21在复位弹簧22的作用下迅速张开，松开钻杆。

力的传递：

扭矩的传递：主轴通过第一销5将扭矩传递给第一端盖11和第一传扭盘24；第一端盖11与卡盘体1之间设置有的螺栓，在螺栓预紧力的作用下，将扭矩传递给卡盘体1；同样卡盘体1在螺栓预紧力的作用下将扭矩传递给第二端盖12；第二端盖12通过第二销6将扭矩传递给第二传扭盘25；第二传扭盘25和第一传扭盘24通过其端部设置凹槽配合卡瓦21端部凸台将扭矩传递给卡瓦21；卡瓦21在夹紧力的作用下将扭矩传递给孔内钻具。

轴向力的传递：当钻机给进作业时，主轴将给进力传递给第一端盖11，第一端盖11传递给第一传扭盘24，第一传扭盘24传递给卡瓦21，卡瓦21最终传递给孔内钻具。当钻机起拔作业时，主轴首先将起拔力传递通过螺纹与其端部固定的传拉盘4，传拉盘4再将起拔力传递给第一端盖11，第一端盖11传递给卡盘体1，卡盘体1传递给第二端盖12，第二端盖12传递给第二传扭盘25，第二传扭盘25传递给卡瓦21，卡瓦21最终传递给孔内钻具。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所发明的内容。