一种用于铁钻工的自锁式滚柱冲扣钳的运动机构

1.本实用新型涉及石油钻井装备技术领域，特别涉及一种用于铁钻工的自锁式滚柱冲扣钳的运动机构。


背景技术：

2.现如今石油天然气钻井作业都已经达到自动化作业的程度，在自动送钻的过程中采用铁钻工进行上卸扣工作。
3.目前铁钻工已经逐渐开始替代以前使用的液压动力大钳，能够高效的、安全的完成钻具的上卸扣。国际上常用的铁钻工根据结构的不同可分为落地式和伸缩臂式，主要结构包括：底座、移动装置、钳体、液压油缸和液压马达等，钳体是由旋扣钳、夹紧钳和冲扣钳组成。旋扣钳的功能是抱紧钻具，提供足够的扭矩；夹紧钳的功能是在上卸扣等操作时，使钻具受到足够的夹紧力，保证作业过程的可靠性；冲扣钳的功能是夹紧钻具，并为上卸扣提供足够大的扭矩，冲扣钳在工作过程中通过液压缸带动夹持机构夹紧钻具。现有的冲扣钳大部分是钳牙机构，由于冲扣钳的钳牙与钻具外壁相接触可能会产生相对滑动，上卸扣过程中，冲扣钳就会施加很大的夹紧力和扭矩，如果夹紧力和扭矩过大，会使钳牙局部咬入钻具外壁，导致其损伤。所以，冲扣钳结构已经开始从钳牙机构向滚柱自锁结构改变。但是，现有冲扣钳外部的结构过于庞大，不利于冲扣钳的上卸扣，也不利于零件的安装和更换。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种用于铁钻工的自锁式滚柱冲扣钳的运动机构，能够在滚柱式双向自锁结构的基础上，使用导轨和液压缸配合运动的方式进行钻具的上卸扣；结构简单，易安装和更换零部件，装配到铁钻工上可以减少铁钻工整体的体积，降低冲扣钳和钻具接触面的载荷，延长铁钻工冲扣钳和钻具的使用寿命。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.一种用于铁钻工的自锁式滚柱冲扣钳的运动机构，包括旋转机构及其顶部的开合机构，所述旋转机构通过转向液压缸8伸缩带动其顶部的开合机构转动进行上卸扣，开合机构通过开合液压缸9伸缩对钻具进行夹持。
7.所述旋转机构包括旋转轨道盘6，旋转轨道盘6前端设有第一u 型槽14，旋转轨道盘6顶部且第一u型槽14外围设有旋转轨道19，旋转轨道盘6一侧通过延伸卡板7与转向液压缸8的缸体端可转动连接，转向液压缸8的活塞端与开合机构相连接。
8.所述开合机构包括冲扣钳底座5，冲扣钳底座5两侧设置有弧形轨道17，弧形轨道17与第一连接柱4底端滑动连接，第一连接柱4 顶部穿过冲扣钳钳体1及连接臂12的一端并通过环形键与冲扣钳钳体1底部的环形凹槽13相连接；连接臂12另一端与开合液压缸9的活塞端可转动连接，两侧开合液压缸9的缸体端通过第二连接柱16 与冲扣钳底座5相连接，连接臂12中段通过第三连接柱22与冲扣钳底座5顶部相连接。
9.所述冲扣钳钳体1的钳口内设有多个滚柱2，滚柱2两端通过弹簧11与冲扣钳钳体1上的弹簧固定螺栓10相连接。
10.所述冲扣钳底座5的两侧弧形轨道17中间设有第二u型槽20，冲扣钳底座5的底部且第二u型槽20外围设有与旋转轨道19相适配的旋转滑条21。
11.所述冲扣钳钳体1上且弹簧11外侧设有防护盖板3。
12.所述环形键的弧度小于环形凹槽13的弧度。
13.所述冲扣钳钳口内设有滚柱轮廓线18，滚柱轮廓线18两侧对称设有自锁轨道15。
14.本实用新型的有益效果在于：
15.本实用新型通过开合液压缸9、转向液压缸8和弧形轨道17的配合运动，进行上扣和卸扣工作；实现了自锁滚柱式冲扣钳的开合与转向，使冲扣钳的控制结构更简单，更容易安装和更换零部件，装配到铁钻工上，可以减少铁钻工整体的体积，降低了冲扣钳和钻具接触面的集中载荷。通过增加单个冲扣钳的滚柱2的数量，来增大与钻具的接触面积，从而增大摩擦力，用一套冲扣钳设备代替以往的两套设备，减少了冲扣钳整体的体积。同时由于自锁的存在，无论扭矩的大小有多大，都会实现自锁使滚柱2与钻具之间不会出现打滑现象，提高了冲扣钳的使用寿命，减少原更换钳牙的辅助工作时间，提高工作效率，具有很好的推广应用价值。
附图说明
16.图1是本实用新型的工作位置示意图。
17.图2是本实用新型的外部立体结构左上等轴示意图。
18.图3是本实用新型的仰视图。
19.图4是本实用新型的冲扣钳内部立体结构示意图。
20.图5是本实用新型的冲扣钳钳体1中轮廓线和自锁轨道15的立体图示意图一。
21.图6是本实用新型的冲扣钳钳体1中轮廓线和自锁轨道15的立体图示意图二。
22.图7是本实用新型上、卸扣作业时的内部结构图。
23.图8是本实用新型自锁式滚柱冲扣钳上扣原理示意图。
24.图9是本实用新型自锁式滚柱冲扣钳卸扣原理示意图。
25.图10是本实用新型自锁式滚柱冲扣钳上扣过程图。
26.图11是本实用新型自锁式滚柱冲扣钳卸扣过程图。
27.图12是本实用新型的冲扣钳底座5顶面的立体结构示意图。
28.图13是本实用新型的冲扣钳底座5底面的立体结构示意图。
29.图14是本实用新型的旋转轨道盘6的立体结构示意图。
30.图中：1、冲扣钳钳体；2、滚柱；3、防护盖板；4、第一连接柱； 5、冲扣钳底座；6、旋转轨道盘；7、延伸卡板；8、转向液压缸；9、开合液压缸；10、弹簧固定螺栓；11、弹簧；12、连接臂；13、环形凹槽；14、第一u型槽；15、自锁轨道；16、第二连接柱；17、弧形轨道；18、滚柱轮廓线；19、旋转轨道；20、第二u型槽；21、旋转滑条；22、第三连接柱。
具体实施方式
31.下面结合附图，对本实用新型做详细描述。
32.参见图1至图4，一种用于铁钻工的自锁式滚柱冲扣钳的运动机构，包括旋转机构及其顶部的开合机构，所述旋转机构通过转向液压缸8伸缩带动其顶部的开合机构转动进行上卸扣，开合机构通过开合液压缸9伸缩对钻具进行夹持。
33.所述旋转机构包括旋转轨道盘6，旋转轨道盘6前端设有第一u 型槽14，旋转轨道盘6顶部且第一u型槽14外围设有旋转轨道19，旋转轨道盘6一侧通过延伸卡板7与转向液压缸8的缸体端可转动连接，降低转向液压缸8的力臂，同时也防止出现死点；转向液压缸8 的活塞端与开合机构相连接。
34.所述开合机构包括冲扣钳底座5，冲扣钳底座5两侧设置有弧形轨道17，弧形轨道17与第一连接柱4底端滑动连接，第一连接柱4 顶部穿过冲扣钳钳体1及连接臂12的一端并通过环形键与冲扣钳钳体1底部的环形凹槽13相连接；连接臂12另一端与开合液压缸9的活塞端可转动连接，两侧开合液压缸9的缸体端通过第二连接柱16 与冲扣钳底座5相连接；连接臂12中段通过第三连接柱22与冲扣钳底座5顶部相连接。
35.所述冲扣钳钳体1的钳口内设有多个滚柱2，增大与钻具的接触面积从而增大摩擦力，滚柱2两端通过弹簧11与冲扣钳钳体1上的弹簧固定螺栓10相连接。
36.所述冲扣钳底座5的两侧弧形轨道17中间设有第二u型槽20，方便钻具进出；钻具进入第一u型槽14及第二u型槽20后开合液压缸9收缩，两侧冲扣钳钳体1会沿着弧形轨道17闭合并与钻具对中；冲扣钳底座5的底部且第二u型槽20外围设有与旋转轨道19相适配的旋转滑条21。
37.所述冲扣钳钳体1上且弹簧11外侧设有防护盖板3。
38.所述环形键的弧度小于环形凹槽13的弧度。
39.所述冲扣钳钳口内设有滚柱轮廓线18，滚柱轮廓线18两侧对称设有自锁轨道15；防止两侧冲扣钳钳体1以第一连接柱4为圆心旋转，让两侧冲扣钳钳体1有一定的旋转空间进行微调，方便对中。
40.参见图5、图6，所述冲扣钳钳口内设有滚柱轮廓线18，滚柱轮廓线18两侧对称设有自锁轨道15。
41.本发明的工作原理为：
42.参见图7，冲扣钳钳体1与冲扣钳底座5的弧形轨道17通过开合液压缸9连接形成一个自由度的运动，通过开合液压缸9的伸缩带动冲扣钳双钳的开合；冲扣钳底座5与旋转轨道盘6通过转向液压缸 8及第一连接柱4和弧形轨道17连接；转向液压缸8与旋转轨道盘6 通过延伸卡板7连接来降低转向液压缸8的力臂，同时也防止出现死点。
43.参见图8至图14，在上扣过程中，开合液压缸9收缩，两侧冲扣钳钳体1打开，方便钻具进入第一u型槽14及第二u型槽20；钻具进入后，转向液压缸8收缩，带动冲扣钳底座5向左旋转一定的角度；然后开合液压缸9伸出，带动两侧冲扣钳钳体1沿着弧形轨道 17闭合，夹紧钻具，最后转向液压缸8伸长，冲扣钳沿着旋转轨道19向右旋转实现上扣。在上扣过程中，滚柱2和钻具连心线的垂线与滚柱2的某一切线构成的角为楔形角θ1，楔形角θ1＜2倍的摩擦角时，自锁裕度w＞0来保证上扣过程中的自锁。
44.在卸扣过程中，开合液压缸9收缩，双钳打开，使钻具无阻碍的进入u型槽14；钻具进入后，开合液压缸9伸出，带动两侧冲扣钳钳体1沿着弧形轨道17闭合，夹紧钻具，最后转向液压缸8收缩，带动冲扣钳底座5沿着旋转轨道19向左旋转一定的角度实现卸扣。在卸扣
过程中，滚柱2和钻具连心线的垂线，与滚柱2的某一切线构成的角为楔形角θ2，楔形角θ2＜2倍的摩擦角时，自锁裕度w＞0 来保证卸扣过程中的自锁。
45.在上、卸扣过程中的阻力矩越大，钻具就被抱得越紧，产生的摩擦力就越大，力矩也越大，实现上卸扣作业。