ITRM980652A1

ITRM980652A1 - ROTATION HEAD OF A DRILLING COLUMN WITH CLUTCH COUPLING

Info

Publication number: ITRM980652A1
Application number: IT000652A
Authority: IT
Inventors: Lauro Pietro Di
Original assignee: Geomeccanica S R L
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2000-04-16
Also published as: IT1302379B1; ATE267337T1; EP0994234B1; DE69917406D1; EP0994234A2; EP0994234A3

Description

D ES C R I Z IO N E DESCRIPTION

annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo: attached to a patent application for INDUSTRIAL INVENTION entitled:

"TESTA DI ROTAZIONE DI UNA COLONNA DI PERFORAZIONE CON IN-NESTO A FRIZIONE". "ROTATION HEAD OF A DRILLING COLUMN WITH CLUTCH IN-NESTO".

R IA S S U N T O SUMMARY

Forma oggetto del presente trovato una testa di rotazione di una colonna di perforazione con innesto a frizione. Essa comprende almeno un gruppo motore (2, 3) includente in cascata un primo motore idraulico (7), un complesso di riduzione (8) con innesto a frizione (15) a comando idraulico, un pignone (9) impegnato con una corona dentata (6) di una struttura di sostegno (1) della testa di rotazione. Anche soltanto un gruppo motore (2) porta inoltre, unito coassialmente da parte opposta al primo motore idraulico (7), un secondo motore idraulico (10) e un riduttore (11) collegato al pignone (9) da parte opposta al complesso di riduzione (8). The present invention relates to a rotation head of a drilling column with friction clutch. It comprises at least one motor unit (2, 3) including in cascade a first hydraulic motor (7), a reduction assembly (8) with hydraulically controlled friction clutch (15), a pinion (9) engaged with a ring gear (6) of a support structure (1) of the rotation head. Also only one motor unit (2) carries, coaxially joined on the opposite side to the first hydraulic motor (7), a second hydraulic motor (10) and a reducer (11) connected to the pinion (9) on the opposite side to the reduction unit (8).

(figura 1). (Figure 1).

D E S C R I Z IO N E DESCRIPTION

Il presente trovato concerne una testa di rotazione di una colonna di perforazione con disinnesto a frizione del momento motore. La colonna di perforazione è costituita da un albero o mast di un escavatone idraulico a funi o all'antenna di una trattrice per realizzare perforazioni mediante l'utilizzo di aste telescopiche e vari utensili. The present invention relates to a rotation head of a drilling column with frictional release of the driving torque. The drilling column is made up of a mast or mast of a hydraulic rope excavator or the antenna of a tractor to drill through the use of telescopic rods and various tools.

Nelle attuali teste di rotazione la trasmissione del momento motore, fornito in genere da motori idraulici, all'estremità della colonna di perforazione, portante la testa di rotazione è realizzata mediante innesti meccanici. Tuttavia, l'utilizzazione di un innesto meccanico in una testa di rotazione presenta l'inconveniente di comportare il ripristino del corretto impegno nella trasmissione del momento meccanico dopo l'arresto della rotazione della colonna di rotazione. Tale arresto può essere conseguente all'inversione del senso di rotazione della colonna di perforazione, come ad esempio quando si deve effettuare uno scarico veloce. Per evitare ciò, si è ricorso in passato a sincronizzatori, con le complessità e gli inconvenienti derivanti dal loro impiego. In current rotation heads, the transmission of the driving moment, generally supplied by hydraulic motors, to the end of the drilling column carrying the rotation head is achieved by means of mechanical clutches. However, the use of a mechanical coupling in a rotation head has the drawback of entailing the restoration of the correct engagement in the transmission of the mechanical moment after the rotation of the rotation column has stopped. This stop may be due to the inversion of the direction of rotation of the drilling column, such as when a quick unloading is required. To avoid this, synchronizers have been used in the past, with the complexities and drawbacks deriving from their use.

Lo scopo del presente trovato è pertanto quello di eliminare gli inconvenienti ora menzionati. The object of the present invention is therefore to eliminate the aforementioned drawbacks.

Un altro scopo del presente trovato è quello di conferire a una testa di rotazione un'elevata velocità tale da scaricare gli utensili portati dalla testa privi di sistemi di svuotamento, come le trivelle, per i quali il distacco del materiale di perforazione avviene utilizzando la forza centrifuga creata dall'elevata velocità di rotazione dell'utensile stesso una volta fuoriuscito dal terreno. Another object of the present invention is to give a rotation head a high speed such as to unload the tools carried by the head without emptying systems, such as augers, for which the detachment of the drilling material takes place using the force centrifuge created by the high rotation speed of the tool itself once it comes out of the ground.

Ancora un altro scopo del presente trovato è quello di permettere di azionare la testa di rotazione a tutte le velocità in senso orario o antiorario, compresa la sopra citata velocità di scarico veloce in maniera automatica permettendo all'operatore, una volta terminata la fase di scarico dell’utensile, di riprendere la perforazione senza doversi preoccupare di arrestare completamente la colonna di perforazione. Yet another object of the present invention is to allow the rotation head to be operated at all speeds in a clockwise or anti-clockwise direction, including the aforementioned fast unloading speed in an automatic manner allowing the operator, once the unloading phase has been completed of the tool, to resume drilling without having to worry about stopping the drill column completely.

Il trovato, quale esso è caratterizzato dalle rivendicazioni che seguono, risolve il problema di fornire una testa di rotazione di una colonna di perforazione con innesto a frizione, che da un punto di vista generale, si caratterizza dal fatto di comprendere una struttura di sostegno portante circonferenzialmente almeno un gruppo motore per la rotazione di un canotto della testa di rotazione tramite una corona dentata, montata girevolmente su un cuscinetto di base; detto almeno un gruppo motore includendo coassialmente in cascata un primo motore idraulico, un complesso di riduzione con innesto a frizione a comando idraulico, un pignone, collegato a monte a detto complesso di riduzione e impegnato con detta corona dentata della struttura di sostegno; anche soltanto un gruppo motore portando inoltre, unito coassialmente da parte opposta a detto primo motore idraulico, un secondo motore idraulico a cilindrata costante e un riduttore collegato a detto pignone da parte opposta a detto complesso di riduzione. The invention, as characterized by the following claims, solves the problem of providing a rotation head for a drilling column with friction clutch, which from a general point of view is characterized by the fact that it comprises a supporting supporting structure circumferentially at least one motor unit for the rotation of a sleeve of the rotation head by means of a toothed crown, rotatably mounted on a base bearing; said at least one motor group including coaxially in cascade a first hydraulic motor, a reduction assembly with hydraulically controlled friction clutch, a pinion, connected upstream to said reduction assembly and engaged with said toothed crown of the support structure; also only a motor unit carrying, coaxially joined on the opposite side to said first hydraulic motor, a second hydraulic motor with constant displacement and a reducer connected to said pinion on the opposite side to said reduction assembly.

Uno dei vantaggi ottenuti mediante il presente trovato è quello di poter stabilire, in fase di progettazione, la coppia di perforazione che la testa di rotazione deve erogare e di dimensionare, di conseguenza, gli innesti a frizione dei complessi di riduzione. In tal modo, in fase operativa non vengono oltrepassati i valori di coppia stabiliti, salvaguardando così tutte le parti meccaniche e idrauliche interessate all'operazione, che stanno a monte della testa di rotazione secondo il presente trovato. One of the advantages obtained by means of the present invention is that of being able to establish, during the design phase, the drilling torque that the rotation head must deliver and consequently to size the friction clutches of the reduction assemblies. In this way, in the operating phase the established torque values are not exceeded, thus safeguarding all the mechanical and hydraulic parts involved in the operation, which are upstream of the rotation head according to the present invention.

Uno dei vantaggi ottenuti mediante il presente trovato consiste essenzialmente nel fatto che la testa di rotazione secondo il trovato può consentire un ampio intervallo di velocità di rotazione della colonna di perforazione. Un'elevata velocità di rotazione è, ad esempio, utile per scaricare utensili privi di sistemi di svuotamento per effetto della forza centrifuga. One of the advantages obtained by means of the present invention essentially consists in the fact that the rotation head according to the invention can allow a wide range of rotation speeds of the drilling column. A high rotation speed is, for example, useful for unloading tools without emptying systems due to centrifugal force.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata che segue, di una forma preferita di realizzazione illustrata a puro titolo indicativo ma non limitativo negli uniti disegni in cui: Further characteristics and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of a preferred embodiment illustrated purely by way of non-limiting example in the accompanying drawings in which:

La figura 1 illustra schematicamente in vista laterale parzialmente sezionata una testa di rotazione secondo il presente trovato; Figure 1 schematically shows a partially sectioned side view of a rotation head according to the present invention;

La figura 2 illustra in sezione longitudinale un complesso di riduzione per la testa di rotazione secondo il presente trovato. Figure 2 is a longitudinal section view of a reduction assembly for the rotation head according to the present invention.

Conformemente al presente trovato, nella figura 1 sono indicati con 1 una struttura di sostegno e con 2, 3 due gruppi motori della testa di rotazione. According to the present invention, in Figure 1, 1 indicates a support structure and 2, 3 two motor units of the rotation head.

La struttura di sostegno 1 è sostanzialmente di tipo convenzionale. Essa presenta un cuscinetto di base 4 per la rotazione di un canotto 5 della testa di rotazione tramite una corona dentata 6, montata girevolmente sul cuscinetto di base 4. The support structure 1 is substantially of the conventional type. It has a base bearing 4 for the rotation of a sleeve 5 of the rotation head by means of a toothed crown 6, rotatably mounted on the base bearing 4.

Ciascuno dei gruppi motori 2, 3, che possono essere più di due, ma al limite anche uno solo, include coassialmente in cascata un motore idraulico 7, ad esempio a cilindrata variabile, un complesso di riduzione 8, un pignone 9 in impegno con la corona dentata 6. Anche uno solo dei gruppi motori, il gruppo 2 nel disegno, porta inoltre, unito coassialmente da parte opposta al motore idraulico 7 a cilindrata variabile, un motore idraulico 10, ad esempio a cilindrata costante, e un riduttore 11 collegato al pignone 9 da parte opposta al complesso di riduzione 8. Each of the motor groups 2, 3, which can be more than two, but even just one, includes coaxially in cascade a hydraulic motor 7, for example with variable displacement, a reduction assembly 8, a pinion 9 in engagement with the ring gear 6. Even only one of the motor units, the unit 2 in the drawing, also carries, coaxially joined on the opposite side to the variable displacement hydraulic motor 7, a hydraulic motor 10, for example with constant displacement, and a reduction gear 11 connected to the pinion 9 on the opposite side to the reduction unit 8.

Con riferimento alla figura 2, ogni complesso di riduzione 8 comprende almeno un primo riduttore epicicloidale 12, condotto dal motore idraulico 7 a cilindrata variabile e collegato ad un secondo riduttore epicicloidale 13, mediante un albero coassiale 14 di accoppiamento su cui è montato un innesto a frizione 15 a dischi multipli. With reference to Figure 2, each reduction assembly 8 comprises at least a first planetary reduction gear 12, driven by the variable displacement hydraulic motor 7 and connected to a second planetary reduction gear 13, by means of a coaxial coupling shaft 14 on which a coupling is mounted 15 multi-plate clutch.

Con particolare riferimento alla forma di realizzazione del complesso di riduzione rappresentata nella figura 2, il primo riduttore epicicloidale o planetario 12 è contenuto all'interno di una scatola formata da una flangia di chiusura superiore 16, portante su un cuscinetto a sfere 17, un albero di entrata 18 calettato all'albero di uscita (non mostrato) del motore idraulico 7, e da un supporto 19 per una corona 20 a denti diritti del primo riduttore 12. Con la corona 20 sono impegnati internamente satelliti 21, quali ingranaggi cilindrici, portati su di un relativo portatreno 22 e impegnati con un solare o rocchetto 23 calettato sull'albero di entrata 18. With particular reference to the embodiment of the reduction assembly shown in Figure 2, the first planetary or planetary reduction gear 12 is contained inside a box formed by an upper closing flange 16, carrying a shaft on a ball bearing 17 input 18 keyed to the output shaft (not shown) of the hydraulic motor 7, and by a support 19 for a crown 20 with straight teeth of the first reducer 12. With the crown 20 are internally engaged satellites 21, such as cylindrical gears, carried on a relative carrier 22 and engaged with a solar or spool 23 keyed on the input shaft 18.

L ' albero condotto dal primo riduttore epicicloidale 12 è l'albero coassiale 14 di accoppiamento con il secondo riduttore epicicloidale 13. Coassialmente all'albero 14 è l'innesto a frizione 15. Esternamente, esso comprende una flangia di chiusura 24 solidale al supporto 19 della corona 20 del primo riduttore 12 mediante viti 25, un corpo centrale 26, unito superiormente con bulloni 27 alla flangia di chiusura 24 e inferioremente ad un telaio 28 del secondo riduttore epicicloidale 13. The shaft driven by the first planetary gearbox 12 is the coaxial shaft 14 for coupling with the second planetary gearbox 13. Coaxial to the shaft 14 is the friction clutch 15. Externally, it comprises a closing flange 24 integral with the support 19 of the crown 20 of the first reducer 12 by means of screws 25, a central body 26, joined at the top with bolts 27 to the closing flange 24 and at the bottom to a frame 28 of the second planetary reducer 13.

Internamente, dall'alto verso il basso, coassialmente all'albero 14 è prevista una coppia di molle a tazza 29 attestata contro la flangia di chiusura 24 dell'innesto a frizione 15, collocata su di un supporto 30 per le molle a tazza 29, un anello di guida 31 del supporto 30, dischi conduttori e condotti 32, 33 fra anelli di contrasto frizione superiore e inferiore 34, 35, su un portadischi 36 di frizione. Il portadischi 36 è impegnato mediante profili scanalati con una flangia di trascinamento 37 in impegno con una corona 38 a denti diritti del secondo riduttore epicicloidale 13. Sulla stessa corona 38 sono impegnati internamente satelliti 39, quali ingranaggi cilindrici, portati su relativo portatreno 40 e impegnati con un solare o rocchetto 41 calettato sull'albero di accoppiamento 14 fra primo e secondo riduttore. Il portatreno 40 è solidale ad un manicotto scanalato 42, montato girevolmente, tramite un cuscinetto a sfere 43, su una flangia inferiore 44 del secondo riduttore epicicloidale 13. Internally, from top to bottom, coaxially with the shaft 14, there is a pair of cup springs 29 abutting against the closing flange 24 of the friction clutch 15, located on a support 30 for the cup springs 29, a guide ring 31 of the support 30, driving discs and ducts 32, 33 between upper and lower friction rings 34, 35, on a friction plate holder 36. The disc holder 36 is engaged by means of grooved profiles with a driving flange 37 in engagement with a sprocket 38 with straight teeth of the second planetary reduction gear 13. On the same sprocket 38 there are internally engaged satellites 39, such as cylindrical gears, carried on the relative sprocket 40 and engaged with a solar or spool 41 keyed on the coupling shaft 14 between the first and second reducer. The chain carrier 40 is integral with a splined sleeve 42, rotatably mounted, by means of a ball bearing 43, on a lower flange 44 of the second planetary reduction gear 13.

Una camera 45 delimitata dal supporto 30, dall'anello di guida 31 e dalla flangia di chiusura 24 è a tenuta ermetica e costituisce parte di un circuito idraulico col quale comunica tramite un orifizio 46. A chamber 45 delimited by the support 30, the guide ring 31 and the closing flange 24 is hermetically sealed and forms part of a hydraulic circuit with which it communicates through an orifice 46.

Sul manicotto scanalato 41 è montato il pignone 9 (figura 1) che, come già detto in precedenza, è impegnato con il riduttore 11, da parte opposta rispetto al secondo riduttore epicicloidale 13. The pinion 9 (figure 1) is mounted on the splined sleeve 41 which, as already mentioned above, is engaged with the gearbox 11, on the opposite side with respect to the second planetary gearbox 13.

Il funzionamento della testa di rotazione secondo il presente trovato è il seguente. The operation of the rotation head according to the present invention is as follows.

Con riferimento alla figura 1, il momento motore alla corona dentata 6 viene trasmesso dai gruppi motori 2, 3, in particolare dai motori idarulici 7 a cilindrata variabile mediante l’accoppiamento del suo albero di uscita con l'albero di entrata 18 del complesso di riduzione 8 (figura 2). L'albero di entrata 18 appartiene al primo riduttore epicic1oidale 12 e, grazie al collegamento con il portasatelliti 22, realizza il primo rapporto di riduzione mediante la reazione con la corona fissa 20. With reference to Figure 1, the motor moment to the ring gear 6 is transmitted by the motor units 2, 3, in particular by the variable displacement hydraulic motors 7 by means of the coupling of its output shaft with the input shaft 18 of the reduction 8 (figure 2). The input shaft 18 belongs to the first epicyclic reduction gear 12 and, thanks to the connection with the satellite carrier 22, it achieves the first reduction ratio by means of the reaction with the fixed crown 20.

All'uscita del primo riduttore epicicloidale 12, il momento motore viene trasmesso all'albero centrale 14 che, a sua volta, lo trasmette al secondo riduttore epicicloidale 13 mediante la reazione con la corona 38 che viene tenuta ferma mediante l'innesto a frizione 15, in particolare grazie alla pressione delle molle a tazza 29 che premono sul pacco di dischi conduttori e condotti 32, 33. All'uscita del secondo riduttore epicicloidale 13 il momento motore viene trasmesso al pignone 9, e quindi alla corona dentata 6 e al cuscinetto di base 4, e di conseguenza al canotto 5 della testa di rotazione. At the output of the first planetary gearbox 12, the driving moment is transmitted to the central shaft 14 which, in turn, transmits it to the second planetary gearbox 13 by means of the reaction with the crown 38 which is held still by the friction clutch 15 , in particular thanks to the pressure of the cup springs 29 which press on the pack of driving and driven discs 32, 33. At the output of the second planetary reduction gear 13, the motor moment is transmitted to the pinion 9, and therefore to the ring gear 6 and to the bearing base 4, and consequently to the sleeve 5 of the rotation head.

Si deve sottolineare che i dischi multipli conduttori e condotti 32, 33 dell'innesto a frizione 15 sono associati, per l'accostamento di trascinamento, alla coppia di molle a tazza 29 attestate fra la flangia di chiusura 24 e il supporto 30 per molle a tazza, contraffacciato al relativo anello di guida 31 attraverso la camera a tenuta d’olio 45. La camera 45 fa parte di un circuito idraulico di comando per l’avvicinamento relativo delle molle a tazza 29 e il conseguente allontanamento relativo dei dischi multipli 32, 33, per il disinnesto dell'innesto a frizione 15 e 1'interruzione della trasmissione del momento motore nel complesso di riduzione 8. Ciò viene ottenuto alimentando olio in pressione nella camera 45 attraverso l'orifizio 46, olio che comprime le molle a tazza 29, ed il pacco di dischi conduttori e condotti 32, 33 restando libero, rende folle la corona 38 e disconnette il secondo riduttore epicicloidale 13, interrompendo la trasmissione del momento motore dai motori idraulici 7 al pignone 9. It must be emphasized that the multiple conducting and driven disks 32, 33 of the friction clutch 15 are associated, for the dragging approach, to the pair of cup springs 29 abutting between the closing flange 24 and the support 30 for springs. cup, facing the relative guide ring 31 through the oil-tight chamber 45. The chamber 45 forms part of a hydraulic control circuit for the relative approach of the Belleville washers 29 and the consequent relative removal of the multiple discs 32, 33, for the disengagement of the friction clutch 15 and the interruption of the transmission of the driving moment in the reduction assembly 8. This is achieved by feeding pressurized oil into the chamber 45 through the orifice 46, oil which compresses the disc springs 29 , and the pack of driving and driven disks 32, 33 remaining free, makes the crown 38 neutral and disconnects the second planetary reduction gear 13, interrupting the transmission of the motor moment from the hydraulic motors us 7 to pinion 9.

Ciò avviene nel caso di scarico veloce, quando il momento motore da trasmettere al canotto 5 non viene trasmesso dal motore a cilindrata variabile 7, ma dal motore a cilindrata costante 10. This occurs in the case of fast exhaust, when the engine moment to be transmitted to the sleeve 5 is not transmitted by the variable displacement motor 7, but by the constant displacement motor 10.

Il trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del medesimo concetto innovativo. Va inoltre tenuto presente che l'innesto a frizione a comando idraulico secondo il trovato può essere applicato anche ad altri dispositivi diversi da una testa di rotazione, che ne rappresenta l'applicazione attualmente preferita, dispositivi nei quali si debba realizzare un collegamento di due alberi coassiali in modo da poter trasmettere un dato momento torcente, pur conservando la possibilità di sciogliere il collegamento e di ricostruirlo a volontà. Inoltre, tutti i dettagli possono essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti. The invention thus conceived is susceptible of numerous modifications and variations, all of which are within the scope of the same innovative concept. It should also be borne in mind that the hydraulically controlled friction clutch according to the invention can also be applied to other devices other than a rotation head, which represents its currently preferred application, devices in which a connection of two shafts must be made coaxial so as to be able to transmit a given torque, while retaining the possibility of dissolving the connection and reconstructing it at will. Furthermore, all the details can be replaced by technically equivalent elements.

Claims

R I V E N D I C A Z I O N I 1. Rotation head of a drilling column with friction clutch, characterized in that it comprises a support structure (1) circumferentially bearing at least one motor unit (2, 3) for the rotation of a sleeve (5) of the rotation by means of a toothed crown (6), rotatably mounted on a base bearing (4); said at least one motor assembly (2, 3) including coaxially in cascade a first hydraulic motor (7), a reduction assembly (8) with hydraulically controlled friction clutch (15), a pinion (9), connected upstream to said reduction assembly (8) is engaged with said toothed crown (6) of the support structure (1); even just one motor unit (2) further carrying, coaxially joined on the opposite side to said first hydraulic motor (7), a second hydraulic motor (10) and a reducer (11) connected to said pinion (9) on the opposite side to said reduction complex (8).

2, Rotation head according to claim 1, characterized in that said reduction assembly (8) comprises at least a first planetary gearbox (12), driven by said first motor (7) and connected to a second planetary gearbox (13), by means of a coaxial coupling shaft (14) on which a friction clutch (15) with multiple discs is mounted.

3. Rotation head according to claim 2, characterized in that said multiple discs (32, 33) of the friction clutch (15) are associated, for the dragging approach, to at least one pair of cup springs (29 ) connected between a closing flange (24) and a support (30) for Belleville washers, facing a relative guide ring (31) through an oil-tight chamber (45): said chamber (45) forming part of a hydraulic control circuit for the relative approach of said disc springs (29) and the consequent relative removal of said multiple discs (32, 33), for the disengagement of the friction clutch (15) and the interruption of the transmission of the driving moment in said reduction assembly (8).

4. Rotation head according to claim 1, characterized in that said first hydraulic motor has a variable displacement.

5. Rotating head according to claim 1, characterized in that said second hydraulic motor has a constant displacement.