CN115012809A - 一种具有液压振动冲击功能的钻机动力头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有液压振动冲击功能的钻机动力头。它包括液压马达、液压冲击组件、水尾组件和动力头固定架组件；液压马达与液压冲击组件上端面采用法兰连接，液压冲击组件下端面与水尾组件上端面采用法兰连接，水尾组件与动力头固定架组件铰接；液压马达与液压冲击外固定套通过法兰连接；液压冲击组件的动力头输出轴与马达输出轴通过滑动花键连接、与水尾组件的动力头水尾轴通过滑动花键连接；液压冲击过渡组件位于液压冲击组件与水尾组件之间；液压冲击过渡组件分别与液压冲击组件、水尾组件通过法兰连接。本发明具有能在传递马达输出的转速和扭矩的同时，对钻具施加冲击功，实现高效碎岩钻进的优点。

Description

一种具有液压振动冲击功能的钻机动力头

技术领域

本发明涉及地质装备领域，尤其涉及一种钻机的动力头装置，更具体地说它是一种具有液压振动冲击功能的钻机动力头。

背景技术

在钻探领域，有多种地表钻进成孔方法，如回转钻进、冲击钻进和冲击回转钻进等，其中对于一些坚硬难破碎地层，冲击碎岩的方法比单纯的回转钻进效果更好。

目前，岩土体工程上大量采用全液压钻机来完成地表成孔作业，但市场上的主流全液压钻机大多采用液压缸顶驱动力头，动力头直接驱动钻杆柱，动力头和孔底钻具刚性连接的方案，这种方案无法采用冲击碎岩方法，否则会直接损坏液压缸。

此外，对于一些复杂工况，现有钻机仅靠回转钻进方法实施起来有诸多困难：如对于松散破碎地层，钻具要快速通过，要求动力头输出高转速低扭矩，而在地表开孔作业、大直径成孔作业或者深孔作业中，则要求动力头输出大扭矩低转速。为解决此困难，现有钻机提出了多种解决方案，如采用模块化设计方法，设计多种不同的动力头，针对不同工况更换使用；或者采用双马达驱动，动力头内部设计减速器，通过多个齿轮啮合位置获得不同范围的转速输出；或者采用变量马达，安装传感器，使用负载敏感液压系统设计，依负载需要实时调整马达的转速转矩输出。但总体上看，这些改进仍然是在单一回转钻进范围内做出的一定改良，且在解决了马达输出问题的同时又引入了新的困难，如钻机配件功率质量比降低，对施钻人员技术要求提高，现场恶劣环境下的工作可靠性等问题。

因此，开发一种能在传递马达输出的转速和扭矩的同时，对钻具施加冲击功，实现高效碎岩钻进的钻机动力头很有必要。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种具有液压振动冲击功能的钻机动力头，该动力头由马达、液压冲击组件、水尾组件和固定座组件组成，能在传递马达输出的转速和扭矩的同时，对钻具施加冲击功，实现高效碎岩钻进；解决复杂工况条件下，仅有回转功能的钻机动力头实施钻进困难的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种具有液压振动冲击功能的钻机动力头，其特征在于：包括液压马达、液压冲击组件、水尾组件和动力头固定架组件；液压马达与液压冲击组件上端面采用法兰连接，液压冲击组件下端面与水尾组件上端面采用法兰连接，水尾组件与动力头固定架组件铰接；

液压马达与液压冲击外固定套通过法兰连接；

液压冲击组件的动力头输出轴与马达输出轴通过滑动花键连接、与水尾组件的动力头水尾轴通过滑动花键连接；

液压冲击过渡组件位于液压冲击组件与水尾组件之间；液压冲击过渡组件分别与液压冲击组件、水尾组件通过法兰连接。

在上述技术方案中，液压冲击组件由液压冲击外固定套、液控换向阀、冲击器轴承压盖、第一圆锥滚子轴承、动力头输出轴、液压冲击活塞组成；

液控换向阀通过螺钉固定在液压冲击外固定套上，液压冲击外固定套为液压冲击组件与液压马达和水尾组件进行法兰连接的壳体，液压冲击外固定套分别与液压马达、水尾组件通过法兰连接；

动力头输出轴通过第一圆锥滚子轴承悬挂在液压冲击外固定套上，第一圆锥滚子轴承上安装有冲击器轴承压盖，冲击器轴承压盖通过螺钉垫圈固定组件固定安装在液压冲击外固定套上；液压冲击活塞圈套在动力头输出轴上；

液压冲击过渡组件包括格莱圈和耐磨环；

液压冲击活塞圈套在动力头输出轴上，液压冲击活塞与液压冲击外固定套之间通过格莱圈形成动密封，液压冲击外固定套内腔被封隔为上下两个密闭空腔。

在上述技术方案中，水尾组件包括水尾钢筒体、动力头水尾轴；动力头水尾轴通过第二圆锥滚子轴承悬挂在水尾钢筒体上。

在上述技术方案中，动力头水尾轴外设置水尾轴用铜套；动力头水尾轴的下端为多级阶梯轴；

第二圆锥滚子轴承由水尾支撑限位轴套和水尾轴承压盖支撑限位；

水尾轴承压盖上安装直水接头；

水尾钢筒体上安装油杯。

在上述技术方案中，动力头固定架组件由六角导轨和动力头托板组成；

动力头托架焊接在六角导轨上；

水尾组件与动力头托架铰接。

在上述技术方案中，液控换向阀通过螺钉安装在液压冲击外固定套上、并与液压冲击外固定套内部的油路连通。

本发明具有如下优点：

(1)单马达直接驱动；本发明采用单个马达直接驱动动力头输出轴，马达输出轴和动力头输出轴之间通过内外花键连接，不经过减速机构或多级变速机构传递扭矩和转速的方案，这样可以避免能量流经中间机构造成损耗，提高能量利用率，同时使得动力头结构紧凑，质量和体积都较小，方便运输，尤其适用于偏远地形复杂地区的钻机运输；

(2)液压振动冲击结构；本发明在回转动力头上设计安装液压振动冲击器，在动力头加压给进、带动孔底钻具回转破碎岩石的同时，液压振动冲击器以一定的频率施加钻具以冲击功，形成冲击回转复合钻进，能有效克服回转动力头实施困难的复杂工况；

(3)多种螺纹接头的动力头水尾轴；本发明将动力头水尾轴连接钻杆柱一端做成多级阶梯轴形式，上面车上不同的配套螺纹，这样可以大大增强钻机动力头对不同类型钻杆的适用性，如普通钻杆，绳索取心钻杆，套管等；

(4)旋转让开孔口方式和动力头托板浮动；本发明钻进中需要动力头持续给进，两个液压缸安装在动力头固定架组件的预留孔位上，同步动作，通过动力头托板带动动力头沿着六角导轨上下滑动、在连接关系上，动力头的马达，液压冲击组件，水尾组件之间刚性连接，水尾组件与动力头托板铰接，两根铰链中，一根较长，固定不动；另一根较短，可以分离；动力头可以绕较长铰链旋转，让开孔口位置，方便操作人员进行一些其他必要作业，同时动力头可以在铰链上相对于动力头托板上下窜动一段距离，这样可以余出一段冲击距离，防止液压振动器的冲击功影响液压缸的给进动作。

本发明所述动力头由马达、液压冲击组件、水尾组件和固定架组件组成，在动力头上同时设置马达组件、液压冲击组件，能在传递马达输出的转速和扭矩的同时，对钻具施加冲击功，实现高效碎岩钻进；解决复杂工况条件下，仅有回转功能的钻机动力头实施钻进困难的问题。

附图说明

图1为本发明中的动力头剖视结构示意图。

图2为本发明中的动力头立体结构示意图一。

图3为本发明中的动力头立体结构示意图二。

图4为本发明中的动力头固定架组件立体结构示意图。

图5为本发明中的液压马达和液压冲击组件的连接剖视结构示意图。

图6为本发明中的水尾组件和动力头固定架组件的连接剖视结构示意图。

图中1-液压冲击外固定套，2-液控换向阀，3-液压马达固定法兰， 4-液压冲击过渡组件，5-过渡件外壳法兰，6-水尾钢筒体，7-油杯， 8-水尾钢筒下铰接板，9-直水接头，10-水尾轴承压盖，11-螺钉垫圈固定组件，12-格莱圈，13-O型圈，14-冲击器轴承压盖，15-第一圆锥滚子轴承，16-动力头输出轴，17-液压冲击活塞，18-水尾支撑限位轴套，19-第二圆锥滚子轴承，20-水尾轴用铜套，21-动力头水尾轴， 22-耐磨环，23-液压马达，24-液压冲击组件，25-水尾组件，26-动力头固定架组件，27-六角导轨，28-动力头托板，29-液压马达输出轴， 30-上密闭空腔，31-下密闭空腔。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

本发明通过对动力头结构进行创新设计，仅小幅增加动力头的尺寸和重量，即可使动力头获得振动冲击的功能，不再依赖孔内液动锤实现冲击功能，即降低了施工难度和成本，提高了工作可靠性。本发明通过冲击功能的实现、将冲击功顺利地传导给孔内钻具，避免对钻机上的液压缸造成冲击、回转和冲击功能互不干扰、钻井液和液压互不干扰，能顺利循环。

本发明具有如下特点：1)由单液压马达驱动；本发明采用单个马达直接驱动动力头输出轴，马达输出轴和动力头输出轴之间通过内外花键连接，不经过减速机构或多级变速机构传递扭矩和转速的方案，这样可以避免能量流经中间机构造成损耗，提高能量利用率，同时使得动力头结构紧凑，质量和体积都较小，方便运输，尤其适用于偏远地形复杂地区的钻机运输；2)液压马达布置在冲击装置上；3)造成冲击功的往复阀同心圈套在输出轴上，减小动力头的尺寸和重量；克服了现有技术往复阀与传动轴头尾衔接，轴向长度和重量大的缺陷； 4)本发明的水龙头(直水接头)设置在底部，钻井液对动力头无影响；克服了现有钻井液会沉积在往复阀与和花键轴连接部位的空腔中，造成腐蚀，影响产品寿命和工作可靠性的缺陷；5)依靠动力头浮动机构。

参阅附图可知：一种具有液压振动冲击功能的钻机动力头，包括液压马达23、液压冲击组件24、水尾组件25和动力头固定架组件 26；

液压马达23与液压冲击组件24上端面采用法兰连接，液压冲击组件24下端面与水尾组件25上端面采用法兰连接，水尾组件25与动力头固定架组件26铰接；钻机动力头上增设振动冲击功能，在液压马达23带动与动力头水尾轴22螺纹连接的钻具旋转时，液压冲击组件24中的液压冲击活塞17在液压控制阀2控制下，上下往复滑动，造成冲击功，通过动力头水尾轴21传递给钻具；

液压马达固定法兰3焊接在液压冲击外固定套1上；

液压马达23与液压冲击外固定套1通过法兰(即液压马达固定法兰3)连接；

液压冲击组件24的动力头输出轴16与液压马达输出轴29通过滑动花键连接、与水尾组件25的动力头水尾轴21通过滑动花键连接；

液压冲击过渡组件4位于液压冲击组件24与水尾组件25之间；液压冲击过渡组件4分别与液压冲击组件24、水尾组件25通过法兰连接。

液压马达23的输出轴与动力头输出轴16之间采用滑动花键连接。

进一步地，水尾组件25包括水尾钢筒体6、动力头水尾轴21；动力头水尾轴21与动力头输出轴16采用滑动花键相连，动力头水尾轴21通过第二圆锥滚子轴承19悬挂在水尾钢筒体6上。过渡件外壳法兰5焊接在水尾钢筒体6上；水尾钢筒下铰接板8焊接在水尾钢筒体6上。

液压冲击过渡组件4位于液压冲击组件24与水尾组件25之间；液压冲击过渡组件4、液压冲击组件24、水尾组件25之间通过法兰连接。

进一步地，液压冲击组件24由液压冲击外固定套1、液控换向阀2、冲击器轴承压盖14、第一圆锥滚子轴承15、动力头输出轴16、液压冲击活塞17等组成；

液压冲击过渡组件4包括液压冲击过渡件、O型圈13、格莱圈 12和耐磨环22。

液压冲击过渡件用于扶正液压冲击活塞17；

O型圈13用于静密封(O型圈13设置在在液压冲击过渡组件4 的外圆柱面上的槽内，与液压冲击外固定套1内孔壁配合形成静密封)；格莱圈12和耐磨环22用于液压冲击活塞的动密封；

动力头输出轴16通过第一圆锥滚子轴承15悬挂在液压冲击外固定套1上，第一圆锥滚子轴承15上安装有冲击器轴承压盖14，冲击器轴承压盖14通过螺钉垫圈固定组件11固定安装在液压冲击外固定套1上；液压冲击活塞17圈套在动力头输出轴16上；

液压冲击活塞17圈套在动力头输出轴16上，液压冲击活塞17 与液压冲击外固定套1之间通过格莱圈12形成动密封，液压冲击外固定套1内腔被封隔为上下两个密闭空腔(分别为上密闭空腔30、下密闭空腔31，液压冲击活塞17可以上下滑动，造成冲击；

特质耐磨环22、格莱圈12和液压冲击活塞17组成动密封组件，液压冲击活塞17上下运动，特质耐磨环22和格莱圈12减小液压冲击活塞17与液压冲击外固定套1之间的间隙，防止液压油渗漏。

本发明中的液压振动冲击功能实现方式为：通过液压控制阀2改变液压油的流动，液压油流出上密闭空腔30。流入下密闭空腔31时，液压冲击活塞17上行，行至终点后，液压油流入上密闭空腔30。流出下密闭空腔，液压冲击活塞17加速下滑，造成冲击，如此循环动作，产生一定频率的振动冲击。

进一步地，液控换向阀2通过螺钉安装在液压冲击外固定套1上、并与液压冲击外固定套1内部的油路连通。液压冲击外固定套1为液压冲击组件24与液压马达23和水尾组件25进行法兰连接的壳体。液控换向阀2为市售产品，液控换向阀2用于控制液压冲击活塞17的动作。

进一步地，动力头水尾轴21外设置水尾轴用铜套20；动力头水尾轴21的下端为多级阶梯轴，各即阶梯轴上都车有螺纹。

水尾轴承压盖10上螺纹连接直水接头9，用于输送钻进用钻井液；

水尾钢筒体6上螺纹连接油杯7。

进一步地，动力头固定架组件26由六角导轨27和动力头托板 28组成；

动力头托架28焊接在六角导轨27上；六角导轨27与钻机配套使用。

水位组件25外壳上有铰接孔，动力头水尾组件25与动力头托架 28铰接，动力头水尾组件25可绕铰接轴旋转，沿铰接轴上下滑动一小段距离。

本发明所述的具有液压振动冲击功能的钻机动力头的工作过程如下：

本发明所述的具有液压振动冲击功能的钻机动力头装配完成后，安装在钻机上。开钻前，接通马达、液压振动控制阀组的油路，直水接头9通入钻井液，钻杆柱与动力头水尾轴21螺纹连接。启动动力机组，钻机液压缸带动本发明所述动力头沿着六角导轨座上下滑动，实现给进作业，向钻具传递钻压；在碎岩方式上，可以依据现场的具体情况，选择不同的钻进方法，包括液压马达23驱动回转钻进、液压冲击活塞17液压振动冲击钻进、以及马达与液压冲击活塞17联合作用冲击回转钻进，不同方法的切换通过操纵液压系统控制阀组来完成。

实施效果上，相较于市场现有动力头产品，本发明在简化动力头结构，减轻重量的同时，还增加了功能，具有更高的功能质量比。同时，在不使用液动锤等孔底冲击工具的同时，即可实现冲击回转复合钻进，获得良好的碎岩效果，应用前景广阔。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (6)

1.一种具有液压振动冲击功能的钻机动力头，其特征在于：包括液压马达(23)、液压冲击组件(24)、水尾组件(25)和动力头固定架组件(26)；液压马达(23)与液压冲击组件(24)上端面采用法兰连接，液压冲击组件(24)下端面与水尾组件(25)上端面采用法兰连接，水尾组件(25)与动力头固定架组件(26)铰接；

液压马达(23)与液压冲击外固定套(1)通过法兰连接；

液压冲击组件(24)的动力头输出轴(16)与马达输出轴通过滑动花键连接、与水尾组件(25)的动力头水尾轴(21)通过滑动花键连接；

液压冲击过渡组件(4)位于液压冲击组件(24)与水尾组件(25)之间；液压冲击过渡组件(4)分别与液压冲击组件(24)、水尾组件(25)通过法兰连接。

2.根据权利要求1所述的具有液压振动冲击功能的钻机动力头，其特征在于：液压冲击组件(24)包括液压冲击外固定套(1)、液控换向阀(2)、冲击器轴承压盖(14)、第一圆锥滚子轴承(15)、动力头输出轴(16)和液压冲击活塞(17)；

液控换向阀(2)固定在液压冲击外固定套(1)上，液压冲击外固定套(1)为液压冲击组件(24)与液压马达(23)和水尾组件(25)进行法兰连接的壳体；

动力头输出轴(16)通过第一圆锥滚子轴承(15)悬挂在液压冲击外固定套(1)上，第一圆锥滚子轴承(15)上安装有冲击器轴承压盖(14)，冲击器轴承压盖(14)通过螺钉垫圈固定组件(11)固定安装在液压冲击外固定套(1)上；液压冲击活塞(17)圈套在动力头输出轴(16)上；

液压冲击过渡组件(4)包括格莱圈(12)和耐磨环(22)；

液压冲击活塞(17)圈套在动力头输出轴(16)上，液压冲击活塞(17)与液压冲击外固定套(1)之间通过格莱圈(12)形成动密封，液压冲击外固定套(1)内腔被封隔为上下两个密闭空腔。

3.根据权利要求1或2所述的具有液压振动冲击功能的钻机动力头，其特征在于：水尾组件(25)包括水尾钢筒体(6)、动力头水尾轴(21)；动力头水尾轴(21)通过第二圆锥滚子轴承(19)悬挂在水尾钢筒体(6)上。

4.根据权利要求3所述的具有液压振动冲击功能的钻机动力头，其特征在于：动力头水尾轴(21)外设置水尾轴用铜套(20)；动力头水尾轴(21)的下端为多级阶梯轴；

第二圆锥滚子轴承(19)由水尾支撑限位轴套(18)和水尾轴承压盖(10)支撑限位；

水尾轴承压盖(10)上安装直水接头(9)；

水尾钢筒体(6)上安装油杯(7)。

5.根据权利要求4所述的具有液压振动冲击功能的钻机动力头，其特征在于：动力头固定架组件(26)由六角导轨(27)和动力头托板(28)组成；

动力头托架(28)焊接在六角导轨(27)上；

水尾组件(25)与动力头托架(28)铰接。

6.根据权利要求5所述的具有液压振动冲击功能的钻机动力头，其特征在于：液控换向阀(2)通过螺钉安装在液压冲击外固定套(1)上、并与液压冲击外固定套(1)内部的油路连通。

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