专利名称：立轴式钻机自动拧管机的夹持机构的制作方法
立轴式钻机自动拧管机的夹持机构
技术领域：
本发明涉及一种立轴式钻机的拧管机，特别涉及一种立轴式钻机自动拧管机的夹持机构。
背景技术：
立轴式钻机是地质钻探中常用的一种回转式钻机。这种钻机的回转机构有一段较长的立轴(I米左右)，用其带动钻具回转、实现给进并导正钻具，故名立轴式钻机。它可以在各种硬度的岩石中钻垂直孔和一定范围的倾斜孔。在钻进浅孔和斜孔时，立轴的导正作用尤为显著。拧管机是在地质钻探的起下钻具时，用于拧卸钻杆的一种机械。它可代替人力拧 卸钻杆，减轻工人劳动强度，提高升降工作效率。按传动方式，拧管机分液压传动和机械传动两种，中国普遍使用的是液压拧管机。目前针对拧管机的研发也有不少，如在2011-07-06公开的，申请号为201020635083.9的中国实用新型，揭示了一种用于钻杆拧卸的液压拧管机，其主要包括上钳体、下钳体和吊钳三部分。其中下钳体固定在孔口，用于夹持孔内钻杆，防止落杆事件发生；上钳体是拧管机的主体部分，用于实现上部钻杆的大扭矩拧卸扣，作用是夹紧钻杆和拧卸钻杆；吊钳主要用于拧管机的让开孔口，从而减小钻井平台的面积，减少钻探成本。由于其吊钳需要用到悬吊机构，对安装场地要求较高，且其夹紧装置没有自动夹紧功能，完全靠外力夹紧，耗能较大。再如2010-12-15公开的申请号为201020184423. 0的中国实用新型专利提供一种适用于外平钻杆的大扭矩液压拧卸设备-液压拧管机的下钳，它包括下钳架、卡瓦座、第一偏心块、第二偏心块、第一卡瓦、第二卡瓦、偏心块驱动液压缸、水平移动液压缸固定板、同步板、偏心块驱动液压缸架、第一驱动销、第二驱动销；第一卡瓦、第二卡瓦均位于第一挡板与第二挡板之间并搁置在底板上，第一卡瓦与第二卡瓦构成钻杆下夹持腔，第一偏心块与第一卡瓦相接触，第二偏心块与第二卡瓦相接触；偏心块驱动液压缸的活塞杆与同步板铰接，第一偏心块上的第一驱动销位于长条状滑动孔内，第二偏心块上的第二驱动销位于长条状滑动孔内。该实用新型的液压拧管机的下钳结构较复杂，且其夹紧装置没有自动夹紧功能，完全靠外力夹紧，耗能较大。
发明内容本发明要解决的技术问题，在于提供一种立轴式钻机自动拧管机的夹持机构，结构简单合理，夹持力大，且能耗小。本发明是这样实现的一种立轴式钻机自动拧管机的夹持机构，所述夹持机构包括一环形油缸、一第一压缩弹簧、一底板以及复数个对应设置的滚子排和卡瓦；所述环形油缸还包括夹紧缸筒、夹紧活塞以及夹紧缸底，所述夹紧活塞设在夹紧缸筒内，所述夹紧缸底连接于夹紧缸筒底部，所述夹紧活塞内具有上大下小的容置槽，所述复数个卡瓦上大下小，放置于所述容置槽内并夹持所述钻机的下段钻杆，容置槽的内壁形成与卡瓦数量对应的斜面，所述斜面的方向是上端向外，下端向内，所述卡瓦的背面通过所述滚子排滑设于所述斜面上，所述第一压缩弹簧设在复数个卡瓦的底部与所述底板之间，底板上设有钻杆通过孔。其中，所述夹持机构中的卡瓦成对相向设置以围成一夹持腔。其中，任一所述卡瓦的夹持面上均设有一能拆卸的卡瓦镶件，所述夹持腔由所述卡瓦镶件围成。其中，所述夹持腔为六角形或圆形。其中，所述夹持机构还包括一用于卡设所述第一压缩弹簧的挡头，该挡头包括两立柱及一连接环，两立柱连接在所述连接环一直径两端的下方，并且该两立柱分别位于所述夹持腔的两侧。本发明具有如下优点本发明的拧管机的夹持机构设置有环形油缸、滚子排和卡瓦的相配合的结构，达到自重夹持和液压夹持相结合，夹持力大且可靠，还能降低能耗，特别适用于立轴式钻机自动抒管机。·
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。图I为利用本发明夹持机构的自动拧管机的立体结构示意图。图2为利用本发明夹持机构的自动拧管机的俯视结构示意图，其中有部分剖视。图3为图2的A-A剖视图。图4为图2的C-C剖视图。图5为本发明夹持机构中环形油缸的夹紧活塞的结构示意图。图6为本发明夹持机构中卡瓦结构示意图。图6A为本发明夹持机构中两个卡瓦相向设置的结构示意图。图7和图8为本发明夹持机构夹紧状态和放松状态结构示意图。图9为上述拧管机拧卸机构中大齿轮一实施例的结构示意图。图10为上述拧管机冲扣机构中杠杆的一实施例俯视和前视结构示意图。图IOA为图10的B-B剖视图。图11为上述拧管机冲扣机构与大齿轮配合的结构示意图。图12A和图12B为上述拧管机冲扣机构的弹性棘爪装置一实施例的两种状态示意图。图13和图13A为棘爪的立体结构示意图及轴向剖视结构示意图。图14和图14A为棘爪调向结构的立体结构示意图及俯视结构示意图。图15为上述拧管机冲扣机构的弹性棘爪装置另一实施例的结构示意图。
具体实施方式如图I至图4所示，利用本发明夹持机构的自动立轴式钻机的拧管机10，包括一拧卸机构I、一本发明的夹持机构2、一冲扣机构3、一基座4和一上盖5。其中,夹持机构I用于夹持钻杆的下部，拧卸机构2用于旋转上段钻杆20以将上段钻杆40从下段钻杆20卸下或者将上段钻杆20旋入下段钻杆40，所述冲扣机构3用于给拧卸机构I瞬间的冲击力，使拧卸机构I有足够的力量将上段钻杆20从下段钻杆40旋开。冲扣机构3通过调整棘爪方向，也可用于上段钻杆20拧入下段钻杆40后锁扣，保证两段钻杆锁紧程序。所述抒卸机构I包括一驱动马达11(可以是液压马达)、一小齿轮12、一大齿轮13、中空状的芯管14、一拨环15、一搬叉16以及一压环17 ;所述驱动马达11通过所述小齿轮12带动大齿轮13旋转，所述芯管14设于所述大齿轮13的轴部，为大齿轮13提供旋转轴，所述拨环15包括两挡柱151和连接在挡柱151底部的固定环152，所述固定环152通过螺丝18固定连接在大齿轮13之上，所述搬叉16包括一叉口 161和卡柄162，所述叉口 161夹持所述钻机的上段钻杆20，所述卡柄162卡设在所述拨环15的两挡柱151之间，所述压环17压紧于所述大齿轮13和芯管14的顶部。如图3至图8所示，所述夹持机构2包括一环形油缸21、一第一压缩弹簧22、一底板23以及复数个对应设置的滚子排24和卡瓦25 ;所述环形油缸21还包括夹紧缸筒211、夹紧活塞212以及夹紧缸底213，所述夹紧活塞212设在夹紧缸筒211内，所述夹紧缸底213 连接于夹紧缸筒211的底部，所述夹紧活塞212内具有上大下小的容置槽2122，所述复数个卡瓦25上大下小，放置于所述容置槽2122内并夹持所述钻机的下段钻杆40，容置槽2122的内壁形成与卡瓦数量对应的斜面2124，所述斜面2124的方向是上端向外，下端向内，所述卡瓦25的背面252通过所述滚子排24滑设于所述斜面2124上，滚子排24的设置使卡瓦25与斜面2124之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大减小了卡瓦25与斜面2124之间的摩擦力，使卡瓦25即可在自身重力的作用下会沿着斜面2124下滑，从而夹紧下段钻杆20。所述第一压缩弹簧22设在复数个卡瓦25的底部与所述底板23之间，底板23上设有钻杆通过孔232，利于钻杆通过到达拧管机10的内部而受到夹持。在本实施例中，所述夹持机构2中的卡瓦数25量为一对，且两卡瓦25相向设置，卡瓦25的一夹持面上还设有一^^瓦镶件256。并围成六角状的夹持腔254，但发明不限于此，也可以通过更换卡瓦镶件256获得圆形的夹持腔254。为了防止第一压缩弹簧22稳定地限位于所述卡瓦25的底部，所述夹持机构2还包括一用于卡设所述第一压缩弹簧22的挡头26，该挡头26包括两立柱262及一连接环264，两立柱262连接在所述连接环264 —直径两端的下方，并且该两立柱262分别位于所述夹持腔254的两侧。第一压缩弹簧22的设置是在夹紧活塞212下移而松开卡瓦25时，产生向上的弹力以抵消卡瓦25因自身的重力下沉而卡紧钻杆。请主要参考图9至图14A，所述冲扣机构3包括一直线油缸31、一杠杆32、至少一弹性棘爪装置33 ;所述杠杆32包括一体设置的连接部321和环形旋转部322，连接部321连接所述直线油缸31的直线活塞311，环形旋转部322与所述大齿轮13相邻同轴设置，且所述弹性棘爪装置33设于环形旋转部322与大齿轮13之间，且所述弹性棘爪装置33在一状态下将环形旋转部322与大齿轮13连接为一体，并在另一状态下将环形旋转部322与大齿轮13松开。其中，所述弹性棘爪装置33包括一棘爪331以及一第二压缩弹簧332，其有如下两种设置形式第一种、是将棘爪331和第二压缩弹簧332固定在大齿轮13，并在大齿轮13旋转一定的角度时插入杠杆32内连接为一体。具体是所述杠杆32的环形旋转部322同轴设在所述大齿轮13的底部，且所述大齿轮13上设有至少一开口朝下的凹槽131，所述第二压缩弹簧332的上端固定连接于所述凹槽131的底部(凹槽的上端为凹槽底部)，下端连接棘爪331，所述环形旋转部322的上端面环形布设有复数个棘孔3225，所述棘爪331在直线油缸31的直线活塞311前进的状态下轴向插入其中一所述棘孔3225，并在直线活塞311后退的状态下退出所述棘孔3325。所述棘爪331的上端为调节端，下端具有一滑行面3312，所述调节端轴向设有两开口槽3314，所述滑行面3312具有一高端33121及一低端33122。所述弹性棘爪装置33还包括棘爪调向机构333，所述棘爪调向机构333包括一作为所述凹槽3314底板的调向压盖3331和一紧固螺钉3332，所述第二压缩弹簧332的上端固定连接在该调向压盖3331上，所述调向压盖3331上设有至少一第一螺孔3333 ;且所述调向压盖3331的上表面设有一直槽3334，下表面轴向设有两卡柱3335与所述两开口槽3314对应；所述拨环15对应所述直槽3334开设有一调向孔153，及对应第一螺孔3333开设有两相隔180度第二螺孔154 ;所述调向压盖3331通过直槽3334来旋转调节所述滑行面3312的高端33121及低端33122的朝向，并使第一螺孔3333与其中一第二螺孔154对准后通过紧固螺钉3332锁紧。 将所述弹性棘爪装置33为两两成对布置可使大齿轮13与杠杆32的固定更稳定，本实施例其数量为两对共4个，每对的两个弹性棘爪装置的中心相隔180度；两对弹性棘爪装置33的中心的连线相隔80度；所述环形旋转部322上的棘孔3225数量为9个，任两相邻棘孔3225的中心相隔40度；所述杠杆32的行程(最大转角)为37度。如此设置，杠杆32最多旋转20度就会有一对棘爪331插入棘孔3225，而杠杆32与大齿轮13的连接后行程至少为17度，完全可保证大齿轮13能够获得足够的冲击力。如图15所示，第二种、是将棘爪331和第二压缩弹簧332固定在杠杆32上，并在杠杆32旋转一定的角度时插入大齿轮13内连接为一体。具体是所述杠杆的环形旋转部322设在所述大齿轮13的底部，所述环形旋转部322上表面还设有一凹槽324，所述第二压缩弹簧332下端固定连接在凹槽324的底部，第二压缩弹簧332的上端连接所述棘爪331，所述大齿轮13的底面环形布设有复数个棘孔132，所述棘爪331具有一滑行面3312，所述滑行面3312具有一高端33121及一低端33122，所述高端33121位于大齿轮13前进的方向，低端33122位于大齿轮13后退的方向，滑行面3312的设置用以保证所述棘爪331在直线油缸31的直线活塞311前进的状态下插入其中一棘孔132，并在直线活塞311后退的状态下退出所述棘孔132。所述杠杆环形旋转部322的凹槽324的底部为一可拆卸的盖板323，所述第二压缩弹簧332下端固定连接在该盖板323上，如此，安装棘爪33时比较方便。上述两实施例中，所述上盖5连接于所述基座4的上方，并使基座4和上盖5围成一空间，所述拧卸机构I的小齿轮12、大齿轮13、芯管14以及所述冲扣机构3的直线油缸31的一端、杠杆32、棘爪33以及第二压缩弹簧34均设在所述基座4和上盖5连接围成的空间内，所述驱动马达11和拨环15设在上盖5上方。参见图I至图15，本发明的工作原理是首先将钻杆插入上述拧管机，并使钻杆连接头以下的部位处于夹持机构2的卡瓦25形成的夹持腔254内，连接头30以上的部位处于拧卸机构I芯管14及以上的位置；再用搬叉16的叉口 161部分夹持上段钻杆20，并使卡柄162架设在两卡设在所述拨环15的两挡柱151之间。启动环形油缸21，使夹紧活塞212向上移动，斜面2124及滚子排24对卡瓦25施以向内的作用力，使卡瓦25向内移动，并且卡瓦25在自重的作用下沉，大大地加大了夹持力，以抱死钻杆，处于如图7所示的状态。(如果要松开卡瓦25，则反向启动环形油缸21，使夹紧活塞212向下移动，斜面2124及滚子排24对卡瓦25向内的作用力减小直到消失，在第一压缩弹簧22产生向上的弹力以抵消卡瓦25因自身的重力，使卡瓦25不会下沉，从而保持松开钻杆的状态，即如图8所示的状态。)启动拧卸机构I的电机11，以带动大齿轮13旋转，由于刚开始拧卸，钻杆连接头的阻力很大，电机11给大齿轮13的力不足以使大齿轮13顺利旋转，此时再启动冲扣机构3的直线油缸31，直线油缸31的直线活塞311前进并带动杠杆32绕环形旋转部322的中心也即大齿轮13的中心旋转。现以第一种弹性棘爪装置33为例说明冲扣机构3的工作原理杠杆32旋转一定角度时，在第二压缩弹簧332的作用下，所述棘爪331会插入环形旋转部322的其中一棘孔3225，此时杠杆32并与大齿轮13卡紧，直线活塞311的冲击力并 可传递给大齿轮13，使大齿轮13获得一瞬时冲击力。之后直线活塞311后退，由于棘爪331具有一个滑行面3312，在直线活塞311后退时，棘爪331可以顺利退出所述棘孔3225，这样直线油缸31传递给大齿轮13的力只有动力而非阻力。如此多次往复之后，在电机11和直线油缸31的共同作用下，使拧卸机构I有足够的力量将上段钻杆20从下段钻杆40旋开。另外，若是要安装钻杆时，即将上段钻杆20旋在下段钻杆40上并拧紧，只需将棘爪331的滑行面3312的朝向对调即可，此时可通过所述拨环15的调向孔153用螺丝刀等工具将所述调向压盖3331上的直槽3334旋转180度后，由于调向压盖3331的两卡柱3335与棘爪331的两开口槽3314对应扣紧，从而使棘爪331也旋转了 180度，所述棘爪331的滑行面3312的高端33121及低端33122的朝向即发生对调，并使第一螺孔3333与其中一第二螺孔154对准后通过紧固螺钉3332锁紧。这样直线油缸31传递给大齿轮13的力方向相反,使抒管机对上段钻杆20施以拧紧的力。如果是第二弹性棘爪装置33，其冲扣机构3的工作原理当直线油缸31的直线活塞311前进时，带动杠杆32绕环形旋转部322的中心也即大齿轮13的中心旋转，旋转一定角度时，在第二压缩弹簧332的作用下，所述棘爪331会插入大齿轮13的其中一棘孔132，此时杠杆32并与大齿轮13卡紧，直线活塞311的冲击力并可传递给大齿轮13，使大齿轮13获得一瞬时冲击力。之后直线活塞311后退，由于棘爪331具有一个倾斜设置的滑行面3312，在直线活塞311后退时，棘爪33可以顺利退出所述棘孔132，这样直线油缸31传递给大齿轮13的力只有动力而非阻力。如此多次往复之后，在电机11和直线油缸31的共同作用下，使拧卸机构I有足够的力量将上段钻杆20从下段钻杆40旋开。但由于棘爪331是固定在杠杆32上，杠杆32又设在大齿轮的底部，因此没有条件设置棘爪调向机构，因此该拧管机只能用于拆卸钻杆，而不能拧紧钻杆。综上所述，本发明的夹持机构设置有环形油缸、滚子排和卡瓦的相配合的结构，达到自重夹持和液压夹持相结合，夹持力大且可靠，还能降低能耗；特别适用于立轴式钻机的抒管机。虽然以上描述了本发明的具体实施方式
，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
权利要求
1.一种立轴式钻机自动拧管机的夹持机构，其特征在于所述夹持机构包括一环形油缸、一第一压缩弹簧、一底板以及复数个对应设置的滚子排和卡瓦；所述环形油缸还包括夹紧缸筒、夹紧活塞以及夹紧缸底，所述夹紧活塞设在夹紧缸筒内，所述夹紧缸底连接于夹紧缸筒底部，所述夹紧活塞内具有上大下小的容置槽，所述复数个卡瓦上大下小，放置于所述容置槽内并夹持所述钻机的下段钻杆，容置槽的内壁形成与卡瓦数量对应的斜面，所述斜面的方向是上端向外，下端向内，所述卡瓦的背面通过所述滚子排滑设于所述斜面上，所述第一压缩弹簧设在复数个卡瓦的底部与所述底板之间，底板上设有钻杆通过孔。
2.根据权利要求I所述的立轴式钻机的拧管机，其特征在于所述夹持机构中的卡瓦成对相向设置以围成一夹持腔。
3.根据权利要求2所述的立轴式钻机的拧管机，其特征在于任一所述卡瓦的夹持面上均设有一能拆卸的卡瓦镶件，所述夹持腔由所述卡瓦镶件围成。
4.根据权利要求2或3所述的立轴式钻机的拧管机，其特征在于所述夹持腔为六角形或圆形。
5.根据权利要求I所述的立轴式钻机的拧管机，其特征在于所述夹持机构还包括一 用于卡设所述第一压缩弹簧的挡头，该挡头包括两立柱及一连接环，两立柱连接在所述连接环一直径两端的下方，并且该两立柱分别位于所述夹持腔的两侧。
全文摘要
本发明提供一种立轴式钻机自动拧管机的夹持机构，包括一环形油缸、一第一压缩弹簧、一底板以及复数个对应设置的滚子排和卡瓦；所述环形油缸的夹紧活塞内具有上大下小的容置槽，所述复数个卡瓦上大下小，放置于所述容置槽内并夹持所述钻机的下段钻杆，容置槽的内壁形成与卡瓦数量对应的斜面，所述斜面的方向是上端向外，下端向内，所述卡瓦的背面通过所述滚子排滑设于所述斜面上，所述第一压缩弹簧设在复数个卡瓦的底部与所述底板之间，底板上设有钻杆通过孔。本发明夹持机构设置有环形油缸、滚子排和卡瓦的相配合的结构，达到自重夹持和液压夹持相结合，夹持力大且可靠，还能降低能耗。
文档编号E21B19/18GK102720449SQ20121019814
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月15日 优先权日2012年6月15日
发明者兰桥昌 申请人:兰桥昌