专利名称：钻孔和管道铺设装置的制作方法
技术领域：
本发明的领域本发明涉及一种沿着给定的地下路径进行定向钻孔的方法。本发明还涉及一种用于地下钻孔和管道铺设的装置。
本发明的背景利用传统定向钻孔机进行的钻孔是通过以一角度在地上钻制一孔直到到达预定深度并随后变成以水平钻孔方向进行钻孔而完成的。这个藉助将一钻杆从地面上方开始钻入而进行的方法会带来诸多困难。根据一般的土壤条件，所述钻杆可以沿着各不同路径中任一路径而行，从而会给跟踪钻杆和钻孔方向的准确控制带来困难。在有些情况中，甚至会必需挖掘一坑以确定所述钻杆的位置，或者确定是否正在与一现有管道进行连接。此外，这种用于管道安装的机器的牵引力是受到限制的，并且当需要铺设直径更大的管道时，需要一种具有更大牵引力的独立机器。
因此，本发明的一个目的在于提供一种能缓解上述困难的定向钻孔方法和钻孔及管道安装装置。
本发明的概述根据本发明，它提供了一种用来进行地下钻孔和管道铺设作业的实用执行机构(power unit)，它包括一固定框架部分；一能相对于所述固定框架部分、在一对极限位置之间进行滑动的可动框架部分；位于所述固定和可动框架部分之间、用来在所述极限位置之间使所述可动框架部分运动的液压缸装置；工具连接装置，它与可动框架部分相连，并包括位于可动框架部分上、用来将所述工具连接装置可拆卸地连接于可动框架部分的第一连接装置；一用于地下钻孔设备的旋转传动装置，它与可动框架部分相连，并包括位于可动框架部分上、用来将所述旋转传动装置可拆卸地连接于可动框架部分的第二连接装置。
所述可动框架部分具有一相对于所述可动框架部分可运动的次部分，所述第二连接装置位于所述次部分上。所述执行机构还包括位于所述可动框架部分和所述次部分之间、用来使所述次部分相对于所述可动框架部分运动的液压缸装置。
所述执行机构还包括夹紧和旋转装置，它与所述可动框架部分相连，用来夹紧和旋转一杆柱，从而能将各螺纹杆柱部分装配成所述杆柱或者将所述杆柱拆卸成所述各杆柱部分，所述执行机构还包括第三连接装置，它位于可动框架部分上，用来将所述夹紧和旋转装置可拆卸地连接于所述可动框架部分。
所述执行机构还包括位于所述固定框架部分上、用来锁定一杆柱以阻止它围绕杆柱纵轴旋转、以便于装配或拆卸杆柱部分的杆柱锁定装置。
所述固定框架部分还可以具有一前板，所述前板设置有一杆柱擦净板，以便于容纳一从其中穿过的杆柱，并包括位于所述擦净板上、用来在所述杆柱穿过所述擦净板的纵向运动过程中擦净来自于所述杆柱的灰尘或者是碎屑的装置。
根据本发明，还提供了一种沿着所需的地下路径定向钻孔的方法，它包括以下步骤沿着给定路径在某一位置处挖出一机坑；藉助定向钻孔装置，沿着给定路径钻制一孔，所述定向钻孔装置包括一在其前端具有一钻头的杆柱，所述孔起始于所述坑的内壁，位于地面下方的某一位置处。
所述方法还可以包括以下步骤沿着所述给定路径、在远离所述机坑的地方挖出一管道插入坑；钻制所述孔一直到所述管道插入坑并穿过所述管道插人坑的一内壁为止；在所述杆柱的端部上，用一管道插入工具来替换所述钻头；将一管道连接于所述管道插人工具；以及将所述管道插入工具和所述管道从所述管道插入坑牵引到所述机坑。此外，所述方法可以包括以下步骤在所述杆柱的端部上，用一钻头来替换所述管道插入工具；沿着所述给定路径以相反方向钻制一孔，所述孔起始于所述机坑的一对置内壁；钻制所述反向孔，一直到所述第二管道插人坑并穿过所述第二坑的一内壁为止；在所述杆柱的端部上用一管道插人工具来替换所述钻头；将一第二管道连接于所述管道插入工具；将所述管道插人工具和所述第二管道从所述第二坑牵引至所述机坑；以及藉助一在所述机坑的两对置壁面之间延伸的第三管道将所述管道的端部和所述第二管道的端部连接起来。
附图的简要说明下面结合附图藉助例子对本发明作具体描述。
图1A和图1B分别是一用来进行常规定向钻孔作业的传统钻孔机的侧视图和平面图。
图2是本发明定向钻孔装置的立体分解图，所述装置可转变成一用来与管道安装工具一起使用的液压装置。
图3是处于定向钻孔模式的、图2所示装置的平面图。
图4是处于管道安装或管道插入模式的、图2所示装置的平面图。
图5是沿图3中线V-V截取的侧视剖视图。
图6是一示出了图2所示装置的移动台和移动式导向件的具体结构的剖视图。
图7A、7B和7C分别是图2所示装置的擦净板的前视图、俯视图和侧视剖视图。
图8是与图2所示装置一起使用的连接杆的立体局部视图。
图9是一用于图7所示擦净板的方形锁紧匙的立体图。
图10是图2所示装置的传动装置安装组件的前视图。
图11是一通过图2所示装置的移动台上的传动装置安装板的剖视图。
图12是一移动台的局部俯视图并示出了安装在其上的传动装置。
图13-图18示出了由图2所示装置完成的、定向钻孔和管道安装方法的各步骤。
图19是一示出了沿着一曲线路径进行的定向钻孔作业的平面图。
图20A和图20B分别是沿着一直线路径进行的定向钻孔作业的侧视图和平面图。
图21是当本装置处于管道安装模式时所使用的滑碗或可换衬套的俯视图。
图22是当本装置处于管道安装模式时所使用的旋转器组件的侧视图。
图23是图22所示旋转器组件的平面图。
较佳实施例的具体描述现请参阅图2，标号10总的标示一液压装置，所述液压装置包括一固定框架部分或主框架12和一移动框架部分或移动台14。
主框架12包括一对侧向件16。一前板18和一后板20。后板20安装在一对延伸臂22上，该对延伸臂相对于主框架12的其余部分可滑动，因此可以将所示装置10夹在一机坑的两壁之间，并且使前板10紧抵着所述机坑的一壁面，使后板20压抵在其对壁上，如图13所示。两延伸臂22设置有一用来将后板20锁定在其位的锁紧机构(未示)。
前板18设置有一用来将一擦净板26容纳在其内的凹槽24。擦净板26具有一用来承接一传动杆30使之从其中穿过的环形橡胶件28，如图7B和7C所示的那样。橡胶件28是用来在工作过程中当所述传动杆30穿过橡胶件28时擦净所述传动杆30。设置一对方形匙32(图9)，用来使擦净板26与前板18相啮合。
擦净板26还包括一呈拨叉34形式的杆式啮合件，用来在装配和卸下传动杆30的过程中锁定一传动杆30阻止其旋转。所述拨叉34是由一能抬升或降低拨叉34的液压执行机构35来操作的。当处于抬升位置时，如图7A所示，拨叉34是处于在传动杆30不啮合的开放位置。在降低位置，拨叉34与位于传动杆30两侧上的一对匹配凹口或凹槽37相啮合。与凹槽37的啮合锁定了传动杆30，阻止其在装配或拆卸传动杆30的过程中围绕其纵向轴线而旋转，这将在下文中作描述。
移动台14在每一侧上设置有一对导向件36，用来承接呈一滑碗组件38形式的工具连接装置。还在移动台14上设置有一旋转器组件42。
第一对液压缸44设置在移动台14和前板18之间，从而能相对于前板18移动所述移动台14。第二对液压缸46设置在移动台14的另一端和一移动式传动装置安装板48之间，从而能相对于移动台14移动板48。设置一传动装置安装组件50以便能与板48相连，如图10至图12所示，所述传动装置安装组件上装有一传动装置52，诸如一液压电动机。
移动台14和移动式传动装置安装板都设置有移动式导向件49，它们能沿着设置在主框架12的侧向件16上的定向轨道51而进行导向。
此外，液压装置10包括一控制屏54，所述控制屏可取下，以便能在钻孔作业的过程中安装在一机坑上。
当将所述液压装置10用在一定向钻孔作业中时，卸下所述滑碗组件38和旋转器组件42，并用一具有电动机52的传动装置组件50来替代，如图3所示。
当将所述液压装置10用在管道安装作业中时，卸下具有电动机52的传动装置组件50，并用滑碗和旋转器组件38、42来替代，如图4所示。
现在对处于定向钻孔模式的液压装置10的工作原理进行描述。在这种模式中，可方便地将控制板设置在其内设置有液压装置10的机坑的外侧。
为了完成钻孔作业，在给定路径62的一端处或者沿着所述的给定路径62的某一位置处，例如，在给定路径62的中心位置处挖掘一机坑60(图20A和图20B)。如图所示，机坑60的横截面呈矩形，并且至少具有一对相互对置的垂直壁64，用来分别与前板18和后板20相配合。
液压装置10设置在机坑60内的某一位置处，在该位置，所述液压装置与位于所需深度的给定路径62排成一直线。为了能将液压装置10可靠地定位在机坑内，伸展所述后板20直到它压抵在一个机坑壁64上并锁定为止。这样就将液压装置10锁定在两壁面64之间某一位置。
在钻孔作业中，使用了多个传动杆30。诸传动杆30的两端分别具有阳螺纹件和阴螺纹件66，从而可将诸传动杆30串联旋接在一起以在电动机52和钻头68之间形成一传动连接件或传动杆30，钻头68是一种可从市场上买到的、具有一切割头和跟踪信标的那种钻头，在本文中将不再作进一步的描述。
电动机52设置有一阳螺纹连接件70，用来旋入一传动杆30的一阴端内。
为了安装传动杆30，使诸液压缸44和46伸展至它们的全长，从而使电动机52移离前板18和拨叉34，从而能较理想地将传动杆30容纳在拨叉34和电动机52之间。由于锁定了传动杆30的一端以阻止其旋转，因此可以将所述传动杆30旋在传动装置52的连接件70上。钻头68是旋在传动杆30的另一端上。
使传动杆与拨叉34相脱开，藉助旋转传动杆30开始钻孔。
在进行钻孔时，电动机52是藉助液压缸46和44的回缩来缓慢推进的。当传动杆30到达其行程的终点时，将它从电动机52上旋松拆卸下来，电动机52藉助液压缸44和46的伸展而缩回。现将一新的传动杆30旋在电动机52上，并用拨叉34来锁定第一传动杆30，藉助电动机52将新的传动杆30旋到第一传动杆30上。然后，将新传动杆30从拨叉34上松开，使诸传动杆30随电动机52一起旋转而使钻孔作业得以继续，并且同时藉助液压缸44和46而电动机52缓慢地推进。为了在进行钻孔的时候装配更多的传动杆，重复上述程序。
在钻孔作业过程中，藉助使用切割头和跟踪信标，可以将诸传动杆30的方向控制在一直线上，如图20A和图20B所示，或者控制在一曲线上，如图19所示。
在所需钻孔路径62的另一端处挖掘一管道插入坑72，该坑可以小于机坑60，如图19所示。
当钻头68到达管道插入坑72时，拆下钻头68，并将一呈一倒拉头或扩孔器74形式的管道插入件旋在已将钻头68从其上拆下的传动杆30的端部上。扩孔器74是一圆锥形的构件，并且其较宽的那一端部与一待安装的新管道76的端部相连。如图14和图15所示，扩孔器74的宽端直径大于管道76的直径，从而能保护管道74。
现将液压装置10转变成管道插入或牵引模式(图4)。为此，将移动式传动装置安装板48锁定于移动台14上，以便与之一起移动，并使诸液压缸46不工作。在这种模式中，诸液压缸44是工作的，以便为管道安装作业提供牵引力或推动力。在这种情况中，将控制屏54安装在液压装置10的侧边上，如图所示。拨叉34是锁定在一开放位置，在该开放位置，拨叉34是处于抬升状态远离正从擦净板26中通过的传动杆30，如图7A和图7B所示。此外，安装滑碗和旋转器组件38、42。
然后，将连成一串的诸传动杆30向后拉，以便能沿着在前一作业中由钻头68钻制成的通道来牵引具有后续管道76的扩孔器74。
已钻制的通道小于管道76，当扩孔器74沿着所述通道前进时，所述铰刀头能扩大所述通道以容纳新管道74。在牵引作业进行的时候，藉助旋转器组件42将诸传动杆30逐一从串连的诸传动杆30的系列上旋松拆卸下来。
所述衬套或滑碗38包括一金属块，在该金属块内加工有一圆锥形开口82(图21)，它起一衬套的作用，用来容纳一组卡爪，这将在下文中作描述。所述滑碗38可拆卸地位于移动台或牵引车14上以便与之一起移动，并且它与牵引车14上的垂直导向轨道36相配合，以便将它定位在某一位置，如图2所示。所述滑碗38可以位于牵引车14的任一端部，并且使开口82的锥度方向面向着某一方向或另一方向，根据所施加的是一牵引力还是推动力而定。在其顶部具有一提升环84，以方便其搬动。当固定在牵引车14上某一位置时，开口82是位于诸液压缸44的中心位置处。
滑碗38容纳一组卡爪(未示)，用来与由诸传动杆30形成的杆柱(stem)相连，所述杆柱可以是厚壁高强度钢管或管道段。
为便于装配或拆卸诸传动杆30设置有旋转器组件42，以形成所述杆柱。设置所述旋转器组件42的目的是为了夹紧并旋转诸传动杆30从而能对其进行装配和拆卸。
如图所示，旋转器组件42包括一对夹爪86，它们分别与一底座92可枢转地连接在88和90处。一对液压缸94设置在诸夹爪86的两侧上并能打开和关闭诸夹爪86。所示出于图22的诸夹爪86是处于关闭状态。
旋转器组件42还包括一对铝制驱动辊96，它们由液压电动机98直接或通过适当的齿轮来驱动，以及一对钢制压缩从动辊100。诸驱动辊96和诸从动辊100以及与诸液压电动机98一起与诸夹爪86可旋转地相连。
旋转器组件42是一独立于液压装置10的装置，它位于牵引车14上两侧向件16之间。它所处的高度稍稍低于诸管道段30的高度，因此在杆柱移动过程中不会对诸管道段产生影响。这是当诸夹爪86处于开放位置时的情况。
当诸夹爪86围绕一管道段30处于闭合位置以使诸驱动辊96、从动辊100与管道段30相接触时，如图22所示，将旋转器组件42从其在牵引车14上的静止位置抬升起来。这样，在装配或拆卸所述杆柱的过程中，能使旋转器组件42能随管道段30作纵向地前后移动。
如果诸夹爪86处于闭合状态，诸液压电动机98驱动诸驱动辊96，从而使管道段30按装配或拆卸所需的一个或另一个方向进行旋转。
当管道76已安装完毕时，可以在机坑60内转动液压装置10，并将它改回到定向钻孔模式，从而可以在反方向进行钻孔，如图1 6所示，并安装管道，如图17所示。然后，如图18所示的那样，通过安装管道80的一接头段(tie-insection)以与新安装的管道76的两端相连以构成管道系，而完成所述作业。
至此虽然已对本发明的诸较佳实施例进行了具体描述，但是，本发明并不受限于这些实施例，在所附的权利要求书的保护范围内，还可以作出种种变化。
权利要求
1.一种用来进行地下钻孔和管道铺设作业的实用执行机构，它包括一固定框架部分；一能相对于所述固定框架部分、在一对极限位置之间进行滑动的可动框架部分；位于所述固定和可动框架部分之间、用来在所述极限位置之间使所述可动框架部分运动的液压缸装置；工具连接装置，它与可动框架部分相连，并包括位于可动框架部分上、用来将所述工具连接装置可拆卸地连接于可动框架部分的第一连接装置；一用于地下钻孔设备的旋转传动装置，它与可动框架部分相连，并包括位于可动框架部分上、用来将所述旋转传动装置可拆卸地连接于可动框架部分的第二连接装置。
2.如权利要求1所述的执行机构，其特征在于，所述连接装置包括一用于一组卡爪的滑碗或衬套。
3.如权利要求1所述的执行机构，其特征在于，所述液压缸装置包括多个相对于所述工具连接装置对称设置的液压缸。
4.如权利要求1所述的执行机构，其特征在于，所述旋转传动装置包括一液压电动机。
5.如权利要求1所述的执行机构，其特征在于，所述可动框架部分具有一相对于所述可动框架部分可运动的次部分，并且所述第二连接装置位于所述次部分上。
6.如权利要求5所述的执行机构，它还包括位于所述可动框架部分和所述次部分之间、用来使所述次部分相对于所述可动框架部分运动的液压缸装置。
7.如权利要求6所述的执行机构，其特征在于，所述液压缸装置包括多个相对于所述传动装置对称设置的液压缸。
8.如权利要求1所述的执行机构，它还包括夹紧和旋转装置，它与所述可动框架部分相连，用来夹紧和旋转一杆柱，从而能将各螺纹杆柱部分装配成所述杆柱或者将所述杆柱拆卸成所述各杆柱部分，所述执行机构还包括第三连接装置，它位于可动框架部分上，用来将所述夹紧和旋转装置可拆卸地连接于所述可动框架部分。
9.如权利要求8所述的执行机构，其特征在于，所述夹紧和旋转装置包括多个用来将一杆柱夹紧在其间的对置构件，并且还包括位于所述诸对置构件上、用来当被所述对置构件啮合时使所述杆柱旋转的装置。
10.如权利要求1所述的执行机构，它还包括位于所述固定框架部分上、用来锁定一杆柱以阻止它围绕杆柱纵轴旋转的杆柱锁定装置。
11.如权利要求1所述的执行机构，其特征在于，所述固定框架部分具有一前板，所述前板设置有一杆柱擦净板，以容纳一从其中穿过的杆柱，并包括位于所述擦净板上、用来在所述杆柱穿过所述擦净板的纵向运动过程中擦净来自于所述杆柱的灰尘或者碎屑的装置。
12.如权利要求1所述的执行机构，其特征在于，所述可动框架部分具有一可伸展的后板，并包括一装置，该装置能相对于所述固定框架部分将后板锁定在一伸展位置上，以将所述固定框架部分固定在地面内的一坑的一对相向的垂直壁面之间的位置上。
13.一种沿着所需的地下路径定向钻孔的方法，它包括以下步骤沿着给定路径在某一位置处挖出一机坑；藉助定向钻孔装置，沿着给定路径钻制一孔，所述定向钻孔装置包括一在其前端具有一钻头的杆柱，所述孔起始于所述坑的内壁，位于地面下方的某一位置处。
14.如权利要求13所述的方法，它还包括以下步骤沿着所述给定路径、在远离所述机坑的地方挖出一管道插入坑；钻制所述孔一直到所述管道插人坑并穿过所述管道插入坑的一内壁为止；在所述杆柱的端部上，用一管道插入工具来替换所述钻头；将一管道连接于所述管道插入工具；并且将所述管道插入工具和所述管道从所述管道插人坑牵引到所述机坑。
15.如权利要求14所述的方法，它还包括以下步骤在所述杆柱的端部上，用一钻头来替换所述管道插人工具；沿着所述给定路径以相反方向钻制一孔，所述孔起始于所述机坑的一对置内壁；沿着所述给定路径、在远离所述机坑的地方挖出一第二管道插入坑；钻制所述反向孔，一直到所述第二管道插人坑并穿过所述第二坑的一内壁为止；在所述杆柱的端部上用一管道插入工具来替换所述钻头；将一第二管道连接于所述管道插入工具；将所述管道插入工具和所述第二管道从所述第二坑牵引至所述机坑；以及藉助一在所述机坑的两对置壁面之间延伸的第三管道将所述管道的端部和所述第二管道的端部连接起来。
全文摘要
一种用于地下钻孔和管道铺设作业的实用执行机构(10)，它包括一固定框架部分(12)，一能相对于所述固定框架部分(12)进行滑动的可动框架部分(14)以及位于所述固定和可动框架部分(12，14)之间、用来进行相对运动的液压缸(44)。所述可动框架部分(14)包括一用来将一工具连接件(38)与之可拆卸连接的附件(36)，和另一用来将一旋转传动装置(52)与之可拆卸连接的附件(48)。本发明还提供了一种用来沿着一给定地下路径(62)定向钻孔的方法，它包括以下步骤沿着给定路径在某一位置处挖出一机坑(60)；藉助定向钻孔装置(10)沿着给定路径钻制一孔，所述定向钻孔装置包括一在其前端具有一钻头(68)的杆柱(30)。所述孔起始于所述坑(60)的内壁(64)，位于地面下方的某一位置处。
文档编号E21B33/08GK1168165SQ96191394
公开日1997年12月17日 申请日期1996年1月9日 优先权日1995年1月10日
发明者雷金纳德G·汉福德 申请人:无沟替换服务有限公司