CN115306296A - 一种天井钻机用动力头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天井钻机用动力头，属于钻机施工机械技术领域。本发明的换挡机构结构简单，成本较低，提高了换挡效率和便捷性；换挡机构分置于动力头的内外，减小了动力头的轴向尺寸，进一步优化了其空间结构。

Description

一种天井钻机用动力头

技术领域

本发明涉及一种天井钻机用动力头，属于钻机施工机械技术领域。

背景技术

天井钻机主要用于水电站、矿山井下钻孔和扩通风井、充填井、管道井等，也可以作为矿山地下掘进大断面天井和溜井之用。天井钻机的成井工序包括钻孔和扩孔：先向下钻一个直径较小的导向孔，孔通后，在下水平更换扩孔刀头，然后再由下至上扩成直径较大的天井。

作为天井钻机的核心部件之一，动力头的结构形式、动力输出和可靠性都直接影响到天井钻机的钻孔能力和使用寿命。目前的天井钻机动力头中，换挡式动力头空间尺寸较小、钻孔能力较强，是技术水平相对较高的一种天井钻机用动力头，但根据市场反馈发现该类换挡式动力头在仍存在以下问题：

1、换挡机构结构复杂、换挡效率低下，换挡机构轴向尺寸较大，影响动力头的外形尺寸；

2、循环水管密封采用盘根密封，应用效果不理想，存在水管密封处泄漏的问题；

3、输出端油封漏油：当动力头在倾斜状态下工作时，浮动套会受到径向力，因此与浮动套连接的行星架也会受到径向力，而支撑行星架的轴承为推力调心滚子轴承，无法承受大的径向力，因而会发生倾斜，导致输出端的油封无法与密封面贴合，出现漏油现象；

4、钻杆重量较大，利用人力进行手动换杆，换杆效率低，影响天井钻机的工作效率，同时存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种天井钻机用动力头，以解决现有技术中天井钻机用动力头换挡机构结构复杂、换挡效率低下的问题。

为达到上述目的，本发明是采用下述方案实现的：

本发明提供了一种天井钻机用动力头，包括壳体、马达、两级行星减速机、换挡机构和浮动套；所述马达、两级行星减速机和浮动套安装于壳体内；所述换挡机构包括换挡油缸、换挡执行轴、换挡拨叉和换挡轴；换挡油缸固定于壳体外，其输出端与转动连接于壳体内的换挡执行轴固定连接；换挡拨叉固定于换挡执行轴上，其叉脚与换挡轴上设有的环形槽间隙连接；换挡轴的上、下端分别与马达的输出轴以及两级行星减速机连接；所述浮动套的上、下端分别与两级行星减速机以及钻杆连接。

优选的，所述换挡油缸通过换挡传动臂与换挡执行轴连接，换挡传动臂设置于壳体外，其一端与换挡油缸的输出活塞杆固定连接，另一端与换挡执行轴固定连接。

优选的，所述换挡执行轴的外侧还配合安装有多组衬套，多组衬套安装于壳体内。

优选的，所述换挡传动臂与换挡油缸的输出活塞杆连接处设置有限位机构，包括限位板和限位柱，限位板固定在壳体上，其上远离换挡油缸的一端设置有限位柱，用于限位换挡传动臂的转动。

优选的，所述两级行星减速机包括一级行星减速机和二级行星减速机；一级行星减速机包括相互啮合的一级太阳轮、一级行星架、三个沿圆周均布的一级行星轮和小齿圈；二级行星减速机包括相互啮合的二级太阳轮、二级行星架、四个沿圆周均布的二级行星轮和大齿圈；一级行星架和二级太阳轮之间通过传动轴连接；所述换挡轴经换挡操作后，其下端分别与一级太阳轮或一级行星架连接；所述浮动套的上端与二级行星架连接。

优选的，所述传动轴和换挡轴的上下端均设置有花键，换挡轴通过花键与马达的输出轴、一级太阳轮和一级行星架间隙连接；所述浮动套的上端设置有外花键，与二级行星架的内花键配合连接，其下端设置有内圆锥螺纹，用于连接钻杆。

优选的，所述二级行星架与两个推力调心滚子轴承以及一个圆柱滚子轴承配合安装于壳体内。

优选的，还包括换杆机构，换杆机构包括换杆油缸、托架、托盘、拨块和滑块；换杆油缸通过支座固定在壳体下端的外侧，托架转动连接在支座上，托架一端与换杆油缸的输出活塞杆连接，另一端与环设于壳体下端外侧的托盘固定连接；拨块的中部转动连接在壳体下端的外侧，其一端与托盘接触连接，另一端与滑块转动连接；滑块滑动连接在壳体下端设有的滑槽内，用于夹紧钻杆。

优选的，还包括循环水管，循环水管包括弯头和中心管，弯头和中心管的连接处采用螺栓螺母组件进行连接以及夹布V组进行密封。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

1、本发明的换挡机构结构简单，成本较低，提高了换挡效率和便捷性；换挡机构分置于动力头的内外，减小了动力头的轴向尺寸，进一步优化了其空间结构。

2、本发明采用带限位的单油缸驱动换挡机构，结构紧凑，换挡可靠。

3、本发明配设有扶正轴承结构，抵抗倾斜状态时径向摆动力，避免输出端漏油，保证动力头在倾斜状态下稳定运行。

4、本发明采用液压式换杆机构代替人工换杆，降低了劳动强度，减少了换杆的安全隐患，提高了工作效率。

5、本发明的循环水管设计有可调的密封连接结构，避免循环水管的密封处产生泄露导致排渣水进入动力头内部，实现循环水管对钻具进行有效地润滑冷却和排出切削岩屑。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种天井钻机用动力头的内部剖视图；

图2是本发明实施例提供的一种天井钻机用动力头的换挡机构局部剖视图；

图3是图1中I处所示的水管密封放大剖视图；

图4是本发明实施例提供的一种天井钻机用动力头的外部结构示意图；

图中：01、马达；11、夹布V组；12、螺栓螺母组件；13、弯头；14、中心管；21、换挡油缸；22、活塞杆；23、换挡传动臂；24、换挡执行轴；25、小衬套；26、大衬套；27、换挡拨叉；28、换挡轴；29、限位板；30、限位柱；31、一级行星架；32、一级太阳轮；33、二级行星架；34、浮动套；35、推力调心滚子轴承一；36、推力调心滚子轴承二；37、圆柱滚子轴承；38、油封；41、支座；42、换杆油缸；43、托架；44、托盘；45、拨块；46、滑块；51、一级行星轮；52、小齿圈；53、传动轴；54、二级太阳轮；55、二级行星轮；56、大齿圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1、2、3和4所示，本实施例提供了一种天井钻机用动力头，包括壳体、马达01、两级行星减速机、换挡机构和浮动套34，马达01输出动力经换挡机构调速后传给两级行星减速机，两级行星减速机将动力传给浮动套34，浮动套34将动力传给与其相连接的钻杆，实现钻杆旋转。

具体地，马达01、两级行星减速机和浮动套34安装于壳体内，两级行星减速机包括一级行星减速机和二级行星减速机：一级行星减速机包括相互啮合的一级太阳轮32、一级行星架31、三个沿圆周均布的一级行星轮51和小齿圈52；二级行星减速机包括相互啮合的二级太阳轮54、二级行星架33、四个沿圆周均布的二级行星轮55和大齿圈56。其中，一级行星架31和二级太阳轮54之间通过传动轴53上设有的花键实现连接，用于两级行星减速机之间动力传递。

换挡机构包括换挡油缸21、换挡执行轴24、换挡拨叉27和换挡轴28，换挡油缸21固定于壳体外，其输出活塞杆22与转动连接于壳体内的换挡执行轴24固定连接，换挡拨叉27固定于换挡执行轴24上，其叉脚与换挡轴28上设有的环形槽间隙连接；换挡轴28的上下端均设置有花键，其上端与马达01的输出轴通过花键小间隙配合连接，其下端经换挡机构的换挡操作后，分别与一级太阳轮32或一级行星架31通过花键小间隙配合连接，实现动力头的两种工况。浮动套34的上端设置有外花键，与二级行星架33下端的内花键配合连接，其下端设置有内圆锥螺纹，用于连接钻杆。

换挡油缸21通过换挡传动臂23与换挡执行轴24连接，换挡传动臂23设置于壳体外，其一端与换挡油缸21的输出活塞杆22固定连接，另一端与换挡执行轴24固定连接。换挡执行轴24的外侧还配合安装有小衬套25和大衬套26，均安装于壳体内，换挡执行轴24与大、小衬套配合，可在衬套孔内转动，提高换挡操作的可靠性。

上述换挡机构结构简单，成本较低，提高了换挡效率和便捷性；换挡机构分置于动力头的内外，减小了动力头的轴向尺寸，进一步优化了其空间结构。

换挡传动臂23与换挡油缸21的输出活塞杆22连接处设置有限位机构，包括限位板29和限位柱30，限位板29固定在壳体上，其上远离换挡油缸21的一端设置有限位柱30，用于限位换挡传动臂23的转动，采用带限位的单油缸驱动换挡机构，结构紧凑，换挡可靠。

二级行星架33与两个推力调心滚子轴承（推力调心滚子轴承一35和推力调心滚子轴承二36）以及一个圆柱滚子轴承37配合安装于壳体内，圆柱滚子轴承37可以抵抗径向力，保证二级行星架33不发生倾斜，从而确保动力头输出端的油封38与密封面贴合，避免发生漏油现象；推力调心滚子轴承一35和推力调心滚子轴承二36可以抵抗轴向力；因此，二级行星架33在动力头处于两种工况下均受到三个轴承的支撑，保证了动力头的稳定运行。

此外，本发明还包括换杆机构和循环水管。换杆机构包括换杆油缸42、托架43、托盘44、拨块45和滑块46，换杆油缸42通过支座41固定在壳体下端的外侧，托架43转动连接在支座41上，托架43一端与换杆油缸42的输出活塞杆连接，另一端与环设于壳体下端外侧的托盘44固定连接，拨块45的中部转动连接在壳体下端的外侧，其一端与托盘44接触连接，另一端与滑块46转动连接，滑块46滑动连接在壳体下端设有的滑槽内，用于夹紧钻杆。采用液压式换杆机构代替人工换杆，降低了劳动强度，减少了换杆的安全隐患，提高了工作效率。

循环水管包括弯头13和中心管14，弯头和中心管的连接处采用螺栓螺母组件进行连接以及夹布V组进行密封，具体地，采用螺母螺柱组件12调整结构，通过调整螺母的拧紧程度从而压紧夹布V组11，可以保证水管密封处不泄露。循环水管设计有可调的密封连接结构，避免循环水管的密封处产生泄露导致排渣水进入动力头内部，实现循环水管对钻具进行有效地润滑冷却和排出切削岩屑。

工作原理：

本动力头有两种工况：

一）高速小扭矩工况：仅通过二级行星减速机构减速，减速比较小，降速增扭的程度较小，所以为高速小扭矩状态。具体为：马达01输出动力，换挡轴28处于上档位，下端花键直接连接一级行星架31，一级行星架31带动传动轴53，传动轴53带动二级太阳轮54，通过二级行星减速机减速，由二级行星架55输出扭矩，最后将扭矩传递给浮动套34，驱动钻杆工作。

二）低速大扭矩工况：通过一级行星减速机和二级行星减速机减速，减速比较大，降速增扭的程度较大，所以为低速大扭矩状态。具体为：马达01输出动力，换挡轴28处于下档位，下端花键连接一级太阳轮32，经过一级行星减速机构减速后，将扭矩通过一级行星架31传递至传动轴53，传动轴53将扭矩传递至二级太阳轮54，通过二级行星减速机构减速后，由二级行星架55输出扭矩，最后将扭矩传递给浮动套34，驱动钻杆工作。

换挡时，马达01停止工作，换挡轴28停止转动，换挡油缸21动作带动换挡执行轴24转动，换挡拨叉27跟随换挡执行轴24转动，带动换挡轴28上下移动。具体的：上档位换到下档位时，换挡轴28下端花键与一级行星架31脱离，与一级太阳轮32连接；下档位换到上档位时，换挡轴28下端花键与一级太阳轮32脱离，与一级行星架31连接。

马达01工作时，换挡轴28转动，换挡油缸21处于保持位置，保证换挡拨叉27不动，通过中间环形槽限制换挡轴28不发生轴向窜动，进而保证换挡轴28处在档位上。

换杆时，换杆油缸42动作带动托架43转动，托架43带动托盘44上下移动，托盘44碰到拨块45带动拨块45转动，拨块45转动推动滑块46滑动，从而快速夹紧钻杆，实现快速换杆。

上述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种天井钻机用动力头，其特征在于，包括壳体、马达、两级行星减速机、换挡机构和浮动套；所述马达、两级行星减速机和浮动套安装于壳体内；所述换挡机构包括换挡油缸、换挡执行轴、换挡拨叉和换挡轴；换挡油缸固定于壳体外，其输出端与转动连接于壳体内的换挡执行轴固定连接；换挡拨叉固定于换挡执行轴上，其叉脚与换挡轴上设有的环形槽间隙连接；换挡轴的上、下端分别与马达的输出轴以及两级行星减速机连接；所述浮动套的上、下端分别与两级行星减速机以及钻杆连接。

2.根据权利要求1所述的天井钻机用动力头，其特征在于，所述换挡油缸通过换挡传动臂与换挡执行轴连接，换挡传动臂设置于壳体外，其一端与换挡油缸的输出活塞杆固定连接，另一端与换挡执行轴固定连接。

3.根据权利要求2所述的天井钻机用动力头，其特征在于，所述换挡执行轴的外侧还配合安装有多组衬套，多组衬套安装于壳体内。

4.根据权利要求2所述的天井钻机用动力头，其特征在于，所述换挡传动臂与换挡油缸的输出活塞杆连接处设置有限位机构，包括限位板和限位柱，限位板固定在壳体上，其上远离换挡油缸的一端设置有限位柱，用于限位换挡传动臂的转动。

5.根据权利要求1所述的天井钻机用动力头，其特征在于，所述两级行星减速机包括一级行星减速机和二级行星减速机；一级行星减速机包括相互啮合的一级太阳轮、一级行星架、三个沿圆周均布的一级行星轮和小齿圈；二级行星减速机包括相互啮合的二级太阳轮、二级行星架、四个沿圆周均布的二级行星轮和大齿圈；一级行星架和二级太阳轮之间通过传动轴连接；所述换挡轴经换挡操作后，其下端分别与一级太阳轮或一级行星架连接；所述浮动套的上端与二级行星架连接。

6.根据权利要求5所述的天井钻机用动力头，其特征在于，所述传动轴和换挡轴的上下端均设置有花键，换挡轴通过花键与马达的输出轴、一级太阳轮和一级行星架间隙连接；所述浮动套的上端设置有外花键，与二级行星架的内花键配合连接，其下端设置有内圆锥螺纹，用于连接钻杆。

7.根据权利要求5所述的天井钻机用动力头，其特征在于，所述二级行星架与两个推力调心滚子轴承以及一个圆柱滚子轴承配合安装于壳体内。

8.根据权利要求1所述的天井钻机用动力头，其特征在于，还包括换杆机构，换杆机构包括换杆油缸、托架、托盘、拨块和滑块；换杆油缸通过支座固定在壳体下端的外侧，托架转动连接在支座上，托架一端与换杆油缸的输出活塞杆连接，另一端与环设于壳体下端外侧的托盘固定连接；拨块的中部转动连接在壳体下端的外侧，其一端与托盘接触连接，另一端与滑块转动连接；滑块滑动连接在壳体下端设有的滑槽内，用于夹紧钻杆。

9.根据权利要求1所述的天井钻机用动力头，其特征在于，还包括循环水管，循环水管包括弯头和中心管，弯头和中心管的连接处采用螺栓螺母组件进行连接以及夹布V组进行密封。

Images