一种变幅滚动摩擦钻机构件的制作方法

本发明属于钻探设备领域，具体为一种变幅滚动摩擦钻机构件。

背景技术：

在煤矿开采领域，随着技术的发展，各种功能的新型钻机实现应用，其基本结构相似，基本功能相同，已基本实现了水平孔、斜孔、垂直孔的打钻功能。以往的钻机设计在采用传统技术时，由于井下空间的狭小的原因，导致了钻机功能的设计瓶颈，主要归纳为：

1.钻机桅杆的推进机构都采用齿轮齿条倍速传动机构，这种结构的优点在于解决空间不足的问题，可以使钻机的行程增加一倍，其缺点为使推进力减半，齿轮、齿条直接裸露在外，损害较快；

2.桅杆采用滑动结构行走，就是油缸推着U形槽在轨道上滑动实现行走。其缺点在于滑动阻力大，由于井下粉尘大，大量粉尘进入U形槽，难以清理，使行走阻力增大并加速滑轨的损坏；

3.桅杆的角度调整机构结构复杂，稳定性差。典型的为曲柄连杆机构做固定受力支撑，钻机在打钻作业中振动严重；

4.钻机支撑依靠顶天立地的油缸支撑，不能对桅杆进行全方位角度支撑；

5.焊接结构多，整体结构强度差；井下腐蚀强度高，焊缝裂纹容易产生间隙腐蚀，加速重要结构件损坏；

6.狭小的井下空间要求钻机体积小，对于小体积大推力的要求，钻机难以实现伸缩功能。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的在于提供了变幅滚动摩擦钻机构件，该构件能在800～3000mm的范围内实现0～26°的斜孔钻进作业；变幅单元能调节钻机头在0～105°内旋转，滚动摩擦单元采用油缸直接驱动代替齿轮倍速机构，可使起拔力和进给力不再减半，直接为驱动油缸的进给力，同比相同起拔力的倍速机构可使油缸直径减小30％。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种变幅滚动摩擦钻机构件，包括钻机单元、变幅单元和滚动摩擦单元；所述的变幅单元包括横梁，所述的横梁为不可伸缩横梁；变幅单元的横梁一端固设在钻机上，变幅单元的横梁另一端上设置滚动摩擦单元，通过变幅单元可以调整滚动摩擦单元和钻机机头在0～105°范围内摆动，滚动摩擦单元可带动钻机机头沿其轴向进行滚动式行走；钻机单元包括钻机动力头、钻杆和钻头，钻机动力头安装在滚动摩擦单元上，钻杆和钻头依次安装在钻机动力头上。

进一步的，在所述的变幅单元的变幅端与滚动摩擦单元之间还设置回转单元，回转单元可带动滚动摩擦单元进行360°的回转。

另外，连接回转单元与滚动摩擦单元还设置辅助支撑油缸。

所述的变幅单元包括横梁、角度调节油缸、摆幅架和钻机安装件，所述的摆幅架的一端活动式安装在横梁的端部，摆幅架的另一端与角度调节油缸的活塞端活动式连接，角度调节油缸的非活塞端活动式悬设在横梁下，钻机安装件固定设置在摆幅架上；所述的横梁为不可伸缩横梁。

具体的，所述的摆幅架的一端通过第二铰接轴安装在横梁的端部，摆幅架的另一端通过第一铰接轴与角度调节油缸的活塞端连接，角度调节油缸的非活塞端与设置在伸缩梁下的靠近摆幅架的支撑座通过摆动轴活动连接；

所述的第一铰接轴与第二铰接轴之间的水平投影距离L₃为271mm，第二铰接轴与摆动轴之间的水平投影距离L₂为562mm，第二铰接轴与摆动轴之间的垂直投影距离h₂为256mm，所述的角度调节油缸的行程g₂为0～472mm。

具体的，所述的滚动摩擦单元包括桅杆框架，在桅杆框架上活动式设置滚动承托部件，在桅杆框架内嵌设动力部件，滚动承托部件上安装钻机机头，动力部件带动滚动承托部件沿桅杆框架滚动式来回移动。

所述的动力部件包括驱动油缸和驱动油缸活塞杆，滚动承托部件与驱动油缸沿轴向固定连接，驱动油缸活塞杆的端部固定在桅杆框架上。

具体的，所述的滚动承托部件包括第一滚动件和承托板，承托板通过第一滚动件滚动式设置在桅杆框架上；

第一滚动件包括沿竖向并列设置的两个第一滚轮，两个第一滚轮夹持在桅杆框架上并沿桅杆框架滚动；

沿长度方向在桅杆框架上设置板状的滑轨，两个第一滚轮夹持在滑轨轨面上沿桅杆框架滚动，且第一滚轮的轴向与滑轨的轨面平行；在所述的第一滚动件上还设置第一偏心轴，第一偏心轴与第一滚轮同轴并列设置在轴芯上。

还有，所述的滚动承托部件还包括第二滚动件，第二滚动件包括与承托板固定连接的第二滚轮，第二滚轮沿滑轨的边缘滚动；

所述的第二滚轮的轴向与滑轨轨面垂直，在第二滚动件上还设置第二偏心轴，第二偏心轴与第二滚轮同轴并列设置在轴芯上。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的滚动摩擦单元采用油缸直接驱动代替齿轮倍速机构，可使起拔力和进给力不再减半，直接为驱动油缸的进给力，同比相同起拔力的倍速机构可使油缸直径减小30％；桅杆行走机构不再采用滑轨结构，而是采用滚动方式，推进阻力减小，拆装更加方便，敞开轨道上的煤粉更加容易清理，传统的滑动结构的衬板一般一个月就需要更换一次，而本发明的滚动承托部件的设计寿命在半年以上；本发明的滚动件采用滚轮的滚动形式，桅杆框架使用了方形型钢作为主体，焊缝明显减少，结构强度明显增强，桅杆框架的轨面完全裸漏在外部，当煤渣落在上面可轻松清除，防止煤渣对滚轮的损害；

(2)为了对滚动承托部件的滚动进行限位，滚动承托部件还包括第二滚动件，第二滚动件为沿滑轨边缘滚动的滚轮，对滚动承托板进行限位；同时，为了保证对滑轨摩擦的补偿或对滑轨边缘的补偿，在第一滚动件和第二滚动件上都设置了偏心轴，以达到补偿滑轨的目的；

(3)本发明的变幅单元主要通过摆幅架、横梁与角度调节油缸的伸缩组成大承载旋转机构；大幅简化角度调整的结构，其结果使钻机高度大幅降低；伸缩的横梁可实现行程550mm的伸缩，替代履带的移动，减小井下大型钻机的移动，方便操作；通过角度调节油缸的伸缩实现摆幅架能在0～105°内旋转，并实现任意角度最小支撑力臂不小于150mm，可以支撑更大的翻转力矩；第一铰接轴、第二铰接轴和摆动轴形成任意三角形的稳定结构，提高结构的刚度和稳定性；

(4)煤矿井下粉尘大，变幅单元的伸缩梁上沿长度方向采用加强板间隔布置成的轨道，可避免粉尘堆积对滑轨造成的阻塞，粉尘可沿轨道之间的间隙随电机的工作过程滑出，具有自清洁功能；本发明的伸缩梁采用180*180*8的方钢做主体，伸缩油缸直接布置在方钢内部，采用活塞杆端部设置进/出油口，可布置最大外径的油缸；角度调节油缸的铰支点设计在油缸前端计算的合理位置，油缸在绕支点旋转时，在大摆幅角度时尾部与横梁不干涉，活塞杆与伸缩梁不干涉，达到最佳的使用效果。

附图说明

图1为本发明的变幅滚动摩擦钻机构件安装在全方位深孔钻机上的结构示意图；

图2为图1中滚动摩擦单元的结构立体图；

图3为图2的正视图；

图4是图3中A-A的剖视图；

图5是图3中B-B的剖视图；

图6是图1中变幅单元的结构立体图；

图7是图6的正视图；

图8是图7的剖视图；

图9是图7的最大变幅角的剖视图；

图中各标号表示为：1-滚动摩擦单元、1-1桅杆框架、1-11滑轨、1-2滚动承托部件、1-21第二滚动件、1-211--螺栓、1-212第二偏心轴、1-213第二滚轮、1-22第一滚动件、1-221芯轴压板、1-222第一偏心轴、1-223第一滚轮、1-23承托板、1-3支撑油缸、1-4动力部件、1-41驱动油缸活塞杆、1-42驱动油缸；2-变幅单元、2-1摆幅架、2-11第一铰接轴、2-12第二铰接轴、2-2角度调节油缸、2-21角度调节油缸第一油路连接口、2-22角度调节油缸第二油路连接口、2-3横梁、2-31支撑座、2-32摆动轴、2-33横梁连接件、2-4钻机安装件；3-回转单元、4-钻机动力头、5-钻杆、6-钻头；

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

本发明的变幅滚动摩擦钻机构件，包括钻机单元、变幅单元和滚动摩擦单元；所述的变幅单元包括横梁，所述的横梁为不可伸缩横梁；变幅单元的横梁一端固设在钻机上，变幅单元的横梁另一端上设置滚动摩擦单元，通过变幅单元可以调整滚动摩擦单元和钻机机头在0～105°范围内摆动，滚动摩擦单元可带动钻机机头沿其轴向进行滚动式行走；钻机单元包括钻机动力头、钻杆和钻头，钻机动力头安装在滚动摩擦单元上，钻杆和钻头依次安装在钻机动力头上。

本发明的滚动摩擦单元，桅杆框架安装在钻机托盘上，并作为给进时的行走轨道，在桅杆框架上活动式设置滚动承托部件，在桅杆框架内嵌设驱动油缸和驱动油缸活塞杆，滚动承托部件与驱动油缸沿竖向固定连接，驱动油缸活塞杆的端部固定在桅杆框架上；滚动承托部件上安装钻机马达，驱动油缸带动滚动承托部件沿桅杆框架滚动式来回移动。四个支撑油缸安装在桅杆框架的前后两端，支撑油缸的油缸活塞杆伸长后与顶板和地面直接顶紧接触，以固定整个托架。驱动油缸活塞杆端头与桅杆框架固定连接，滚动承托部件上可放置一台带减速机的液压马达，液压马达旋转给钻杆提供的大旋转扭矩和油缸提供的驱动力实现打钻作业。

本发明的变幅单元主要通过摆幅架、横梁与角度调节油缸的伸缩组成大承载旋转机构；大幅简化角度调整的结构，其结果使钻机高度大幅降低；伸缩的横梁可实现行程550mm的伸缩，替代履带的移动，减小井下大型钻机的移动，方便操作。

具体的，结合图1，将本发明的变幅滚动摩擦钻机构件安装在全方位深孔钻机上使用的结构图为图1，全方位深孔钻机包括滚动摩擦单元1、变幅单元2、回转单元3、钻机动力头4、钻杆5、钻头6、机架、履带、变压器、操纵杆、安全照明部件、液压泵、油箱、操纵台、变幅单元支撑油缸、撑腿油缸和辅助支撑油缸，机架下安装履带和撑腿油缸，机架上安装液压泵、油箱、变压器、操纵杆、安全照明部件、操纵台和变幅单元支撑油缸，在机架上设置变幅单元2、滚动摩擦单元1、回转单元3、钻机动力头4、钻杆5和钻头6，变幅单元2的非摆动端通过变幅单元支撑油缸固设在机架上，变幅单元2的摆动端上设置滚动摩擦单元1，滚动摩擦单元1上设置钻机动力头4、钻杆5和钻头6，变幅单元2的变幅端与滚动摩擦单元1之间设置回转单元3，回转单元3可带动滚动摩擦单元1进行360°的回转，连接回转单元3与滚动摩擦单元1还可设置辅助支撑油缸，钻机通过支腿油缸、变幅单元和回转单元组合调整，可实现空间有限范围内任意角度的打孔作业，可通过辅助支撑油缸再次调整托架的位置实现托架的支撑。

结合图2-5，本发明的滚动摩擦单元1包括桅杆框架1-1，在桅杆框架1-1上活动式设置滚动承托部件1-2，在桅杆框架1-1内嵌设驱动油缸1-42和驱动油缸活塞杆1-41，滚动承托部件1-2与驱动油缸1-42沿竖向固定连接，驱动油缸活塞杆1-41的端部固定在桅杆框架1-1上；滚动承托部件1-2上安装钻机动力头4，驱动油缸1-42带动滚动承托部件1-2沿桅杆框架1-1滚动式来回移动。油缸直接驱动代替齿轮倍速机构，可使起拔力和进给力不再减半，直接为驱动油缸的进给力，同比相同起拔力的倍速机构可使油缸直径减小30％，驱动油缸缸径Φ110mm，驱动油缸活塞杆杆径Φ63，行程930mm，最大工作压力25MPa时，起拔力235KN,进给力160KN；桅杆行走机构不再采用滑轨结构，而是采用滚动方式，推进阻力减小，拆装更加方便，敞开轨道上的煤粉更加容易清理，传统的滑动结构的衬板一般一个月就需要更换一次，而本发明的滚动承托部件的设计寿命在半年以上。

滚动承托部件1-2包括第一滚动件1-22和承托板1-23，承托板1-23通过第一滚动件1-22滚动式设置在桅杆框架1-1上；第一滚动件1-22包括沿竖向并列设置的两个第一滚轮1-223，两个第一滚轮1-223夹持在桅杆框架1-1上并沿桅杆框架1-1滚动。最好的，桅杆框架1-1使用方形型钢作为主体，具体的，桅杆框架1-1为中央带有可通过驱动油缸1-42的滑槽，滑槽边缘延伸设置板状滑轨1-11，两个第一滚轮1-223夹持在滑轨1-11轨面上沿桅杆框架1-1滚动，且第一滚轮1-223的轴向与滑轨1-11的轨面平行。为了补偿轨道的磨损，在第一滚动件1-22上还设置第一偏心轴1-222，第一偏心轴1-222与第一滚轮1-223同轴并列设置在轴芯上，且第一偏心轴1-222通过芯轴压板1-221进行固定；桅杆框架1-1共受到滚动摩擦托架上液压马达的扭转力矩和驱动油缸的进给力的共同作用，钻机扭转力矩要求为4000N.m时，推进力要求为160KN，由于目前的桅杆框架都采用了板焊结构，而板焊结构有强度差、易变形的缺点，为了达到强度要求，所以桅杆框架被设计的大而笨重。而本发明的桅杆框架直接采用型钢做主体，减少了焊接结构，同等强度要求下可实现框架的轻巧设计，减轻重量。

为了对滚动承托部件1-2的滚动进行限位，滚动承托部件1-2还包括第二滚动件1-21，第二滚动件1-21包括与承托板1-23固定连接的第二滚轮1-213，第二滚轮1-213沿滑轨1-11的边缘滚动，保证滚动承托部件1-2不会偏离轨道。还有，为了能对滑轨1-11进行补偿，第二滚轮1-213的轴向与滑轨1-11轨面垂直，在第二滚动件1-21上还设置第二偏心轴1-212，第二偏心轴1-212与第二滚轮1-213 同轴并列设置在轴芯上，且第二滚轮1-213通过螺栓固定在承托板1-23边缘。

第一偏心轴1-222和第二偏心轴1-212，均可实现最大2mm的调整量，这2mm的调整量用于补偿滑轨的磨损量或可对滑轨边缘进行补偿。

第一滚动件1-22的拆卸方便，可直接将两边芯轴压板1-221螺栓松开，滚轮可直接从孔内取出来进行维修或更换。本发明的第一滚轮1-223和第二滚轮1-213均采用支承型滚轮自密封轴承，每个轴上都设计有油杯对轴承润滑，延长轴承的寿命，轴承尺寸25mm*62～25mm，工作状态中个第二滚轮受力，最大可承受23kN.m的液压马达力偶矩。

另外，在桅杆框架1-1的端部还设置至少一个支撑油缸1-3，优选的，在桅杆框架1-1两端各设置两个并列的支撑油缸1-3，桅杆框架1-1长度尽可能设计的短，2.3m的桅杆长度基本可以实现狭窄巷道的自由进出，前后都设计有支撑油缸1-3，可在任何方位进行顶紧稳定桅杆框架1-1；支撑油缸1-3缸径Φ80mm，支撑油缸1-3活塞杆杆径Φ55mm，行程300mm，支撑油缸1-3配备两种支撑头,用于不同的工况。支撑油缸1-3的伸长能够可靠的固定钻机，实现钻机的稳定工作。

结合图6-9，本发明的变幅单元2包括横梁2-3、角度调节油缸2-2、摆幅架2-1和钻机安装件2-4，摆幅架2-1的一端活动式安装在横梁2-3的端部，摆幅架2-1的另一端与角度调节油缸2-2的活塞端活动式连接，角度调节油缸2-2的非活塞端活动式悬设在横梁2-3 下，钻机安装件2-4固定设置在摆幅架2-1上；横梁2-3为可伸缩横梁，横梁2-3包括相互套设的伸缩梁和固定梁，且在伸缩梁上沿长度方向间设轨道。伸缩梁还可以为光滑的梁体结构，例如方形钢筒结构，光滑的梁体结构是相对于设置轨道的梁体结构而言的，即光滑的梁体结构即为其上未设置轨道的方形钢梁；或者横梁为非伸缩梁，即为光滑的梁体结构，例如方形钢筒结构，此处的非伸缩梁是相对于伸缩梁在长度上能进行调整的角度进行的定义，也就是说横梁即为一个光滑的方形钢筒结构，在长度方向不能进行变化；；本发明的变幅单元主要通过摆幅架2-1、横梁2-3与角度调节油缸2-2的伸缩组成大承载旋转机构；大幅简化角度调整的结构，其结果使钻机高度大幅降低；伸缩的横梁可实现行程的伸缩，替代履带的移动，减小井下大型钻机的移动，方便操作；煤矿井下粉尘大，本发明的伸缩梁上沿长度方向采用加强板间隔布置成的滑轨，可避免粉尘堆积对滑轨造成的阻塞，粉尘可沿滑轨之间的间隙随电机的工作过程滑出，具有自清洁功能；

通过角度调节油缸2-2的伸缩运动带动摆幅架2-1上的钻机安装件2-4在0～105°范围内转动，进而带动安装在钻机安装件2-4上的钻机在0～105°范围内转动，大大增加了钻机的可调节角度。

一种实现角度调节油缸2-2的伸缩运动带动摆幅架2-1上的钻机安装件2-4在0～105°范围内转动的方案包括：摆幅架2-1的一端通过第二铰接轴2-12安装在横梁2-3的端部，摆幅架2-1的另一端通过第一铰接轴2-11与角度调节油缸2-2的活塞端连接，第一铰接轴2-11与第二铰接轴2-12的连线与角度调节油缸2-2的轴线之间的夹角α为31～136°。

另一种实现角度调节油缸2-2的伸缩运动带动摆幅架2-1上的钻机安装件2-4在0～105°范围内转动的方案包括：摆幅架2-1的一端通过第二铰接轴2-12安装在横梁2-3的端部，角度调节油缸2-2的非活塞端与设置在横梁2-3下的靠近摆幅架2-1的支撑座2-31通过摆动轴2-32活动连接；摆幅架2-1的最小摆动力臂h₁为150mm，第二铰接轴2-12与摆动轴2-32之间的投影距离是第一铰接轴2-11与第二铰接轴2-12之间的投影距离的2～2.5倍；

一种优选的实现角度调节油缸2-2的伸缩运动带动摆幅架2-1上的钻机安装件2-4在0～105°范围内转动的方案包括：第一铰接轴2-11与第二铰接轴2-12之间的投影距离L₃为271mm，第二铰接轴2-12与摆动轴2-314之间的投影距离L₂为562mm，第二铰接轴2-12与摆动轴2-314之间的垂直投影距离h₂为256mm，角度调节油缸2-2的行程g₂为0～472mm，这四者之间的长度关系保证了0～105°范围内的转动；相应的其他部件的尺寸包括：本发明的钻机变幅机构的最小长度L₁为2048mm。

本发明的角度调节油缸2-2在在油缸缸体的两端分别设置角度调节油缸第一油路接口2-21和角度调节油缸第二油路接口2-22，用于对油缸的伸缩运动提供液压油；

横梁2-3的远离摆幅架2-1的端部设置横梁连接件2-33，用于将本钻机变幅机构安装在钻机上。

钻机安装件2-4为圆盘状的法兰盘，法兰盘上可设置回转单元3，然后在回转单元3上安装钻机，可增加钻机在水平面的转动，提高钻机位置调节的灵活性；或者直接在钻机安装件上安装钻机，实现对钻机位置的调节。

本发明的回转单元3即为圆盘状的部件，沿圆盘状部件的切线方向设置液压涡轮结构，调整回转单元在360°的范围内进行转动，实现钻机角度的全方位调整。