一种水平取芯钻机及其调向装置的制作方法

[0001]
本发明涉及隧道工程机械技术领域，更具体地说，涉及一种水平取芯钻机及其调向装置。


背景技术：

[0002]
随着我国基础建设的不断加快，在高原、山区、丘陵、海滩、江河湖海滩涂等各种复杂地质环境下的施工越来越多，现场施工时经常遇到地下的流沙、溶洞、岩层等各种复杂地质状况，为了解地层地质情况，需要对施工的相关地层进行地质取样。对相关地层进行取样需要一种特种钻机进行作业，且对于施工的精度要求也是提出了更高的要求。
[0003]
水平取芯钻机可满足上述作业要求。在水平取芯钻机作业过程中，需根据路径调整相连接的第一钻杆和第二钻杆的相对角度，即进行调向。目前的调向结构多通过连接在第一钻杆和第二钻杆间的复杂结构实现，成本较高。
[0004]
综上所述，如何有效地解决水平取芯钻机调向结构成本较高等问题，是目前本领域技术人员需要解决的问题。


技术实现要素：

[0005]
有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种水平取芯钻机的调向装置，该调向装置的结构设计可以有效地解决水平取芯钻机调向结构成本较高的问题，本发明的第二个目的是提供一种包括上述调向装置的水平取芯钻机。
[0006]
为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：
[0007]
一种水平取芯钻机的调向装置，用于调节水平取芯钻机内的第一钻杆相对相连接的第二钻杆的转向，包括调向环、球形支撑、多个伸缩驱动件和多个楔形调向块，所述调向环固定于所述水平取芯钻机的外壳内壁，多个所述伸缩驱动件沿所述第一钻杆的周向分布，且一端固定于所述第一钻杆外，另一端分别与所述楔形调向块连接以带动所述楔形调向块沿所述第一钻杆的轴向往复运动，所述调向环具有斜面以与各所述楔形调向块斜面配合，且各所述楔形调向块的内壁支撑于所述第一钻杆外，以向所述第一钻杆施加径向力，所述球形支撑连接于所述第一钻杆外且外表面呈球冠。
[0008]
优选地，上述调向装置中，包括3-6个所述伸缩驱动件，且各所述伸缩驱动件沿所述第一钻杆的周向均分分布。
[0009]
优选地，上述调向装置中，所述第一钻杆外连接有安装架，各所述楔形调向块的内壁与所述安装架相抵以作用于所述第一钻杆。
[0010]
优选地，上述调向装置中，各所述伸缩驱动件通过所述安装架与所述第一钻杆固定连接。
[0011]
优选地，上述调向装置中，所述安装架与所述第一钻杆通过滑动轴承连接。
[0012]
优选地，上述调向装置中，所述球形支撑通过滑动轴承连接于所述第一钻杆外。
[0013]
优选地，上述调向装置中，所述伸缩驱动件初始状态下所述楔形调向块与所述调
向环的斜面间具有间隙。
[0014]
优选地，上述调向装置中，所述第一钻杆内设置有导向系统，所述导向系统与控制系统电连接，且能够沿所述第一钻杆在其内部前后运动并根据运动轨迹获取第一钻杆轴心与隧道轴心的偏差距离，并将所述偏差距离发送至所述控制系统，所述控制系统与各所述伸缩驱动件电连接，用于根据所述偏差距离控制各所述伸缩驱动件的伸缩量。
[0015]
本发明提供的水平取芯钻机的调向装置用于调节水平取芯钻机内的第一钻杆相对相连接的第二钻杆的转向，包括调向环、球形支撑、多个伸缩驱动件和多个楔形调向块。其中，调向环固定于水平取芯钻机的外壳内壁，多个伸缩驱动件沿第一钻杆的周向分布，且一端固定于第一钻杆外，另一端分别与楔形调向块连接，调向环具有斜面以与各楔形调向块斜面配合，且各楔形调向块的内壁支撑于第一钻杆外，以向第一钻杆施加径向力，球形支撑连接于第一钻杆外且外表面呈球冠。
[0016]
应用本发明提供的水平取芯钻机的调向装置，根据钻杆的转向和角度要求，各伸缩驱动件相应的动作，通过伸缩驱动件带动楔形调向块沿第一钻杆轴向相应伸缩运动，楔形调向块的斜面与调向环的斜面配合，通过斜面作用将伸缩驱动件的轴向推力转化为径向的推力，且由于楔形调向块的内壁支撑于第一钻杆外，故将该方向上的径向推力作用在可以小范围浮动的第一钻杆上。第一钻杆作为杆杠原理中的杆件，配合安装在第一钻杆前端的球形支撑作为支点，经由各伸缩驱动件的伸出与缩进来实现水平取芯钻机钻杆方向的控制，使得钻杆能够按照预定的路线掘进。综上，采用该调向装置能够实现有效调向的同时，结构简单，成本较低。
[0017]
为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种水平取芯钻机，该水平取芯钻机包括上述任一种调向装置。由于上述的调向装置具有上述技术效果，具有该调向装置的水平取芯钻机也应具有相应的技术效果。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]
图1为本发明一个具体实施例的水平取芯钻机的调向装置的结构示意图；
[0020]
图2为图1的局部放大示意图；
[0021]
图3为图1的截面结构示意图。
[0022]
附图中标记如下：
[0023]
1、外壳，2、第一钻杆、3、调向环，4、楔形调向块，5、伸缩驱动件，6、安装架，7、球形支撑，8、导向系统，9、滑动轴承，10、螺钉，11、第二钻杆。
具体实施方式
[0024]
本发明实施例公开了一种水平取芯钻机及其调向装置，以提供高的调向精度，结构简单，成本较低。
[0025]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]
请参阅图1-图3图1为本发明一个具体实施例的水平取芯钻机的调向装置的结构示意图；图2为图1的局部放大示意图；图3为图1的截面结构示意图。
[0027]
在一个具体实施例中，本发明提供的水平取芯钻机的调向装置用于调节水平取芯钻机内的第一钻杆2相对相连接的第二钻杆11的转向，也就是通过调节第一钻杆2相对第二钻杆11的转向方向和角度，以按照预定的路线掘进。此处第一钻杆2相对相连接的第二钻杆11的转向指二者轴线的转向关系。
[0028]
该调向装置包括调向环3、球形支撑7、多个伸缩驱动件5和多个楔形调向块4。
[0029]
其中，调向环3固定于水平取芯钻机的外壳1内壁，调向环3呈环状结构，一般为圆环。调向环3与外壳1的固定方式，具体可以采用焊接，即调向环3与外壳1焊接。
[0030]
多个伸缩驱动件5沿第一钻杆2的周向分布，且一端固定于第一钻杆2外，另一端分别与楔形调向块4连接。伸缩驱动件5即能够伸缩的驱动部件，具体可以为电动推杆，根据需要也可以采用液压或启动伸缩缸等。各伸缩驱动件5沿周向分布，优选的，沿周向均匀分布，以便于确定各伸缩驱动件5的伸缩量。需要说明的是，此处及下文提到的多个指三个及三个以上。伸缩驱动件5与楔形调向块4的连接具体可以通过u型叉铰的方式，该连接方式的选用有效保证连接的强度。
[0031]
球形支撑7连接于第一钻杆2外且外表面呈球冠，球冠用以和外壳1相抵以提供支撑作用。球冠指球面被平面所截后剩下的曲面，也就是球形支撑7的外表面是部分球面。球形支撑7为调向提供支点，由于第一钻杆2相对第二钻杆11转向，故设置球形支撑7，在第一钻杆2转动不同方向、不同角度的情况下，球冠仍能够提供有效支撑。
[0032]
调向环3具有斜面以与各楔形调向块4斜面配合，且各楔形调向块4的内壁支撑于第一钻杆2外，以向第一钻杆2施加径向力。也就是调向环3上设置斜面，各楔形调向块4的斜面与调向环3的斜面配合，进而伸缩驱动件5驱动楔形调向块4移动，由于斜面的配合会产生径向驱动力，又由于楔形调向块4的内壁支撑于第一钻杆2外，故径向作用力作用于第一钻杆2，通过不同方向上伸缩驱动件5的伸缩量控制，实现第一钻杆2转动方向及角度的控制。需要说明的是，伸缩驱动件5的伸缩量可以为外伸量、回缩量或者为零即保持不动。
[0033]
具体的，伸缩驱动件5沿轴向伸缩，通过伸缩驱动件5带动楔形调向块4轴向移动，作用于调向环3，楔形调向块4产生径向位移，楔形调向块4将径向位移传递到第一钻杆2上，从而达到水平取芯钻机的调向目的。具体的，在正常钻进时，伸缩驱动件5如电动推杆的推杆处于中位行程状态，在调向时，一部分伸缩驱动件5，如电动推杆的推杆回退，来保证调向时不发生位置干涉，保证调向的顺利执行。
[0034]
应用本发明提供的水平取芯钻机的调向装置，根据钻杆的转向和角度要求，各伸缩驱动件5相应的动作，通过伸缩驱动件5带动楔形调向块4相应伸缩运动，楔形调向块4的斜面与调向环3的斜面配合，通过斜面作用产生径向作用力，且由于楔形调向块4的内壁支撑于第一钻杆2外，故向第一钻杆2施加径向作用力，使得第一钻杆2在径向力的作用下相对第二钻杆11发生偏转，从而实现第一钻杆2相对第二钻杆11转向方向和角度的调整，使得钻杆能够按照预定的路线掘进。该调向结构可提供高精度、稳定性好的导向路径。综上，采用
该调向装置能够实现有效调向的同时，结构简单，成本较低。
[0035]
具体的，包括3-6个伸缩驱动件5，且各伸缩驱动件5沿第一钻杆2的周向均分分布。伸缩驱动件5的数量设置越多，则相应楔形调向块4的数量越多，在进行转向调节时可达到的精度越高，但相应的在外壳1内的空间占用越多。因此，将伸缩驱动件5的数量控制在3-6个，优选为四个，且各伸缩驱动件5沿第一钻杆2的周向均匀分布，则各楔形调向块4相应沿周向均匀分布，可以兼顾调向精度和空间占用。
[0036]
为了便于安装，第一钻杆2外连接有安装架6，各楔形调向块4的内壁与安装架6相抵以作用于第一钻杆2。楔形调向块4的内壁优选为平面，用于与安装架6的安装平台相抵，则楔形调向块4的底面与安装平台接触后，通过安装平台将该楔形调向块4对应方向的径向推力作用传递至第一钻杆2。具体安装架6的结构形式可根据需要设置，此处不再具体限定。
[0037]
进一步地，各伸缩驱动件5通过安装架6与第一钻杆2固定连接。通过安装架6的设置，便于伸缩驱动件5与第一钻杆2的连接。伸缩驱动件5具体可以与安装架6焊接。安装架6具体可以通过滑动轴承9安装于第一钻杆2外，从而伸缩驱动件5与第一钻杆2得到了一个稳固有效的联接。同时，利用第一钻杆2嵌套在滑动轴承9的结构形式，结构简单，空间占用小，增加了外壳1内可利用空间。根据需要，伸缩驱动件5也可以通过轴承与第一钻杆2连接而不设置安装座。
[0038]
具体的，球形支撑7通过滑动轴承连接于第一钻杆2外。通过滑动轴承的设置，可在需要时满足第一钻杆2相对球形支撑7的旋转。为了防止渣土对滑动轴承的功能破坏，球形支撑7的两侧分别设置密封组件。密封组件的具体形式可采用常规密封结构，此处不做具体限定。通过两组密封组件的设置，避免了渣土进入滑动轴承造成的破坏。
[0039]
在上述实施例中，伸缩驱动件5初始状态下楔形调向块4与调向环3的斜面间具有间隙。也就是伸缩驱动件5初始位置下，调向环3与楔形调向块4前端面间留有一定间隙，如此在伸缩驱动件5不外伸时，楔形调向块4并不会产生径向位移。以调向环3与外壳1焊接为例，其焊接位置满足与在初始位置的楔形调向块4前端面留有一定间隙，由此保证了伸缩驱动件5的外伸后，调向环3与楔形调向块4的楔形斜面开始接触，同时楔形调向块4支撑于第一钻杆2外，如楔形调向块4的平整底面运动到安装架6的安装平面的上方，则当一个伸缩驱动件5继续外伸推进时，随着调向环3的斜面，楔形调向块4产生径向位移径，从而完成调向的操作。
[0040]
在上述各实施例的基础上，第一钻杆2内设置有导向系统8，导向系统8与控制系统电连接，且能够沿第一钻杆2在其内部前后运动并根据运动轨迹获取第一钻杆2轴心与隧道轴心的偏差距离，并将偏差距离发送至控制系统，控制系统与各伸缩驱动件5电连接，用于根据偏差距离控制各伸缩驱动件5的伸缩量。也就是第一钻杆2为空心钻杆，为取芯以及安装导向系统8留有空间。导向系统8具体与取芯装置相连，在每一阶段完整取芯过程中，导向系统8通过在第一钻杆2内来回的运动，收集第一钻杆2的运动轨迹，从而计算第一钻杆2轴心与整个隧道的轴心偏差距离，具体可以通过计算得出水平取芯钻机的姿态，并将收集的数据实时传输给控制系统，再由控制系统处理得出各个伸缩驱动件5的伸缩量，伸缩驱动件5应答后完成一次精准调向操作，保证了数据的及时更新与应答，使水平取芯钻机的前行路径实时可调，以精准轨迹前行。导向系统8的具体结构及工作方式请参考现有技术，此处不再赘述。
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基于上述实施例中提供的调向装置，本发明还提供了一种水平取芯钻机，该水平取芯钻机包括上述实施例中任意一种调向装置。由于该水平取芯钻机采用了上述实施例中的调向装置，所以该水平取芯钻机的有益效果请参考上述实施例。
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具体的，第一钻杆2和第二钻杆11套装，二者之间通过螺钉10连接且第一钻杆2和第二钻杆11径向件具有摆动间隙，可提供水平取芯钻机调向所需的摆动量。具体第一钻杆2、第二钻杆11与其前后钻杆的联接可采用锥形口矩形螺纹套管联接，既能达到紧密联接的作用，同时也满足整体刚度。
[0043]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0044]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。