CN102979454B - 一种地质勘探用的反循环钻机及其动力头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地质勘探用反循环钻机及其动力头，其钻采的效率较高。本发明的动力头包括旋转接头、回转箱和气体分配器，所述旋转接头、回转箱和气体分配器分别包括旋转轴、主轴和芯轴，所述旋转轴、主轴和芯轴为同轴贯通设置的空心轴，且三者依次密封连接，所述旋转轴的外端设有排渣口，所述主轴与驱动马达相连，所述芯轴内与其同轴地设置有内管，所述内管的内端与所述芯轴的内壁密封连接，并与所述主轴的中空部贯通，所述内管的外径小于所述芯轴的内径，所述芯轴的内端沿其周向分布有至少一个供压缩空气进入的进气口。本发明的动力头中各部分相对独立，便于组装和拆卸，在简化采样过程的同时保证了样品的品质，提高了勘探效率。

Description

一种地质勘探用的反循环钻机及其动力头

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，特别是涉及一种用于反循环钻机的动力头。本发明还涉及一种具有上述动力头的反循环钻机。

背景技术

在地质勘探中，动力头是钻机的重要部件，其主要作用为驱动钻杆旋转、将扭矩通过钻杆输送至钻头，以达到破石钻进的目的。

现有的勘探用钻机主要为岩心钻机，利用管状钻头的回转作用切削、磨碎岩石，并不断向深部钻进以提取岩心，由于现有的岩心钻机主要利用磨碎的工艺进行钻采，其耗费的时间较长，效率低下，不能满足工期的要求。

而冲击反循环钻机具有冲击作用，利用冲击钻头（即钻具）对岩石进行较高频率的冲击，从而将岩石破碎，然后利用反循环排渣的方式及时将破碎的岩屑排出孔外。且动力头沿专用轨道进行提升和下降，故其起钻和下钻均比较方便，大大缩短了辅助时间，能够有效提高钻采的效率。

但是，现有的反循环钻机以水井钻机为主，其工作方式为将泥浆从钻杆和钻孔之间打入，然后从钻杆内部抽出，该种钻机由于在泥浆钻进时，密封圈会不断磨损，如不及时更换，泥浆就会渗漏进入轴承腔以及箱体中，影响轴承以及齿轮的使用寿命。更重要的是，在钻进的过程中，岩屑会随同泥浆一起从钻杆内部排出，混合了泥浆之后的岩屑很难作为地质勘探的样本，其不能用于地质勘探。

因此，如何设计一种能够用于地质勘探的反循环钻机，以提高取样效率和纯度，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种反循环钻机的动力头，其钻采的效率较高。

本发明的另一目的是提供一种具有上述动力头的地质勘探用的反循环钻机，能够高效便捷地提取钻采样品。

为解决上述技术问题，本发明提供一种反循环钻机的动力头，所述动力头包括旋转接头、回转箱和气体分配器，所述旋转接头、回转箱和气体分配器分别包括旋转轴、主轴和芯轴，所述旋转轴、主轴和芯轴为同轴贯通设置的空心轴，且三者依次密封连接，所述旋转轴的外端设有排渣口，所述主轴与驱动马达相连，所述芯轴内与其同轴地设置有内管，所述内管的内端与所述芯轴的内壁密封连接，并与所述主轴的中空部贯通，所述内管的外径小于所述芯轴的内径，所述芯轴的内端沿其周向分布有至少一个供压缩空气进入的进气口。

本发明的动力头设有气体分配器，由于内管的内端与芯轴的内管壁密封连接，当压缩空气通过芯轴的进气口进入时，会进入芯轴内侧、内管外侧的空间，而内管的内端密封，则压缩空气只能向芯轴和内管的外端运动，然后逐步到达孔底；在冲击器的冲击作用下，孔底的岩石会破碎形成碎石，这些碎石在压缩空气的压力推动下，依次通过芯轴的内管、主轴的中空腔和旋转轴的中空腔向外排出，操作人员就能够从排渣口处收集样品，不仅保证了采取样品的质量，还简化了采样的过程，提高了勘探效率；采用冲击式的钻采方式能够有效提高钻采效率，经试验证明，本发明的动力头的钻采效率为普通设备的十倍以上；此外，本发明将整个动力头分为依次连接的旋转接头、回转箱和气体分配器三个部分，各个部分相对独立，不仅使得整个动力头的组装和拆卸更为方便，还能够保证密封的良好性。

优选地，所述进气口为4~8个，且沿所述芯轴的周向均匀分布。

进气口的均匀分布能够提高气体在内管外侧、芯轴内侧空间分布的均匀性，进而提高打孔时冲击力在孔周向的均衡性，避免出现局部冲击力过小的问题。

优选地，各个所述进气口均呈长圆孔状设置，且所述长圆孔的长度方向为所述芯轴的轴向。

由于其开度较大的方向与芯轴的轴向保持一致，而内管外侧、芯轴内侧的空间较为狭小，该空间也是沿芯轴的轴向延伸的，故当进气口采用长圆孔状设置时，其对压缩空气的进入所产生的阻力较小。

优选地，所述主轴通过大齿轮啮合有两个小齿轮，各个所述小齿轮均连接有驱动马达。

优选地，两所述小齿轮在竖直面内对称设置，且两者与竖直方向呈锐角设置。马达可以采用倾斜设置的方式，以减小其占用的面积，进而缩小动力头整体的体积；而驱动马达分别连接在两个小齿轮上，则两驱动马达相对独立，其控制和操作更为简单。

优选地，所述驱动马达为摆线式液压马达。摆线式液压马达为低速大扭矩马达，能够较好地满足钻采的需求，以便动力头能够实现无级调速，其转速的调整范围较宽，能够实现的扭矩较大，从而满足多种钻探工艺对转速的需求。

优选地，所述旋转轴的外端套装有密封套，所述密封套与所述旋转轴之间填充有盘根。密封套和盘根可以有效的起到密封和防尘的作用，以保证压缩空气正常运行，还可以防止旋转接头内的样品受到污染。

优选地，所述密封套的外端还设有连接盘，所述连接盘连接有排渣管。采用连接盘与外部排渣管相连，能够进一步确保旋转轴内腔体的密封性，且便于安装和拆卸。

优选地，所述气体分配器还设有套装在所述芯轴外部的外套以及与所述外套固定连接的限位板，所述限位板固定设置在动力头的底盘上。限位板与底盘固定连接，进而能够防止外套跟随芯轴转动，起到限位固定作用。

本发明还提供一种地质勘探用的反循环钻机，具有底盘和设置在所述底盘上的动力头，所述动力头为上述任一项所述的动力头。

由于本发明的反循环钻机具有上述任一项所述的动力头，故上述任一项所述的动力头所具有的有益效果均适用于本发明的反循环钻机，此处不再赘述。

附图说明

图1为本发明所提供动力头在一种具体实施方式中的结构示意图；

图2为本发明所提供气体分配器一种设置方式的剖视图；

图3为图2所示气体分配器的侧视图；

图4为本发明所提供回转箱一种设置方式的剖视图；

图5为图4所示回转箱的侧视图；

图6为本发明所提供旋转接头一种设置方式的结构示意图；

图7为与本发明所提供动力头配合使用的双壁钻杆的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种反循环钻机的动力头，其钻采的效率较高。

本发明的另一核心是提供一种具有上述动力头的地质勘探用的反循环钻机，能够高效便捷地提取钻采样品。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明所提供动力头在一种具体实施方式中的结构示意图。

在一种具体实施方式中，本发明反循环钻机的动力头包括旋转接头1、回转箱2和气体分配器3，旋转接头1包括旋转轴11，回转箱2包括主轴21，气体分配器3包括芯轴31，旋转轴11、主轴21和芯轴31依次密封连接，且三者同轴设置，三者均具有中空腔，三者的中空腔体相互贯穿；旋转轴11的外端具有排渣口，以便将采集的样品向外排出；主轴21与驱动马达27相连，在驱动马达27的驱动下，主轴21不断转动，进而带动旋转轴11和芯轴31转动，完成扭矩的传递；芯轴31内部套装有内管32，内管32与芯轴31同轴设置，且内管32的内端与芯轴31的内管壁密封连接，由于内管32的外径小于芯轴31的内径，则在内管32外侧、芯轴31内侧就能够形成一个空间，该空间的内端（即内管32的内端）是封闭的；内管32与主轴21的中空部相互贯通，即内管32、主轴21和旋转轴11的内部构成一个联通的输送管路；芯轴31的内端沿其周向分布有至少一个进气口311，以便压缩空气能够通过该进气口311进入芯轴31的内部。

本发明的内外以整个动力头的中轴线为参照，具体地，由于旋转接头1、回转箱2和气体分配器3同轴设置，则靠近三者中轴线的一侧或一端为所述的内侧或内端，相应地，远离其中轴线的一侧或一端为所述的外侧或外端；在动力头的径向，靠近其径向中心线的一侧或一端为所述的内侧或内端，其相反方向为所述的外侧或外端。在无特殊说明的情况下，本发明均采用上述定义界定内外。

本发明的动力头，包括旋转接头1、回转箱2和气体分配器3三个部分，三个部分依次连接，且相互之间具有一定的独立性，使得整个动力头的组装和拆卸更为便捷，还能够保证旋转轴11、主轴21和芯轴31之间密封良好，其结构设置更加合理；此外，与现有技术相比，本发明的反循环钻机的动力头还设有气体分配器3，由于内管32的内端与芯轴31的内管壁密封连接，当压缩空气通过芯轴31的进气口311进入时，会进入芯轴31内侧、内管32外侧的空间，而内管32的内端密封，则压缩空气只能向芯轴31和内管32的外端运动，然后逐步到达孔底；在冲击器的冲击作用下，孔底的岩石会破碎形成碎石，这些碎石在压缩空气的压力推动下，依次通过芯轴31的内管32、主轴21的中空腔和旋转轴11的中空腔向外排出，操作人员就能够从排渣口处收集样品，则不仅能够保证采取的样品不受污染，还简化了其采集的过程，进而提高了勘探效率；经试验证明，本发明的动力头的钻采效率可以达到普通设备的十倍以上。

为便于样品的采集，可以在排渣口处连接排渣管（图中未示出），将样品导出，进一步提高操作的便捷性。

请参考图2和图3，图2为本发明所提供气体分配器一种设置方式的剖视图；图3为图2所示气体分配器的侧视图。

本发明的气体分配器3的进气口311的形状可以是规则或者不规则的几何形状，在一种较为优选的实施方式中，进气口311可以设置为长圆孔，长圆孔的长度方向可以与芯轴31的轴向相同，以便压缩空气顺利地进入内管32外侧、芯轴31内侧的狭小空间；进气口311的个数可以为一个、两个或者多个，显然，进气口311个数的多少与其口径有着密切联系，当进气口311的口径较大时，较少数量的进气口311就可以满足需求；在一种优选的实施方式中，进气口311可以设置为4~8个，且各个进气口311均可以采用上述长圆孔的形状设置，多个进气口311沿芯轴31的周向均匀分布，以保证压缩空气均匀地分布在内管32外侧的周向，进而以基本相同的速度向外冲击，确保冲击力的稳定性和均衡性。

为将压缩空气引入芯轴31内侧，可以在芯轴31内端连接一个风管接头33，风管接头33的接口可以与芯轴31的中空腔体相连通，而风管接头33的另一端可以与空压机相连接，然后将空压机产生的压缩空气源源不断地输送到芯轴31内部。

此外，为实现内管32与芯轴31的密封，可以在内管32的内端与芯轴31的内壁之间设置密封圈，如图2中所示的O型密封圈38，以确保两者之间的气密性。

芯轴31可以套装在轴承内以便实现其定位连接，在一种优选的实施方式中，本发明的气体分配器3还具有芯轴外套34，芯轴31的外部可以设置深沟球轴承35，深沟球轴承35将芯轴31定位后整体套装在芯轴外套34内，如图2中所示。

可以想到，本发明的气体分配器3还可以设置限位板36，限位板36与芯轴外套34固定连接，如图3中所示，然后，限位板36的底部与动力头的底盘（由于底盘安装在钻机的行走轨道上，不属于动力头提供动力的主要结构，故图中未示出）固定连接，由于底盘在动力头的周向保持静止，而芯轴外套34又通过限位板36与底盘保持固定，则芯轴外套34不会随芯轴31转动，从而能够起到定位作用。

还可以想到，气体分配器3可以设置专门的过渡接头37，以便实现芯轴31与钻杆的连接；显然，过渡接头37的设置还可以对芯轴31起到一定的防护作用，避免钻杆对芯轴31造成损伤。

请参考图4和图5，图4为本发明所提供回转箱一种设置方式的剖视图；图5为图4所示回转箱的侧视图。

回转箱2可以设置箱体22，主轴21可以套装在箱体22内，主轴21可以通过齿轮与驱动马达相连：在图4和图5所示的实施方式中，本发明的主轴21外部链接有大齿轮23，大齿轮23的顶部可以啮合有两个小齿轮24，各个小齿轮24均连接有驱动马达，则驱动马达可以通过齿轮传动将驱动力传递给主轴21，进而借由主轴21带动旋转轴11、芯轴31转动，而芯轴31可以带动与其相连的钻杆转动，从而完成钻采工作。

大齿轮23与主轴21的连接方式可以是键连接，此时，可以在主轴21的外部沿其周向设置花键，然后将大齿轮23套装在花键上，完成主轴21与大齿轮23的连接。

在一种更为优选的实施方式中，两个小齿轮24可以对称分布在竖直面内，且两者与竖直方向呈一定的倾斜角度设置，该倾斜角度为锐角，则整个回转箱2所占用的空间有所减小，而回转箱2为动力头中结构较大的部件，回转箱2体积的减小使得动力头的整体结构更为小巧，其体积较小；同时，由于两个驱动马达分别与两个小齿轮24连接，则驱动马达的控制也相对独立，其连接和操作更为简单。

驱动马达可以选用低速大扭矩的马达，例如，可以采用摆线式液压马达，这种马达能够较好的满足钻采的需求，以便动力头能够实现无级调速，其转速的调整范围较宽，能够实现的扭矩较大，从而满足多种钻探工艺对转速的需求。

当然，主轴21可以通过轴承与箱体22连接，如图4中所示，回转箱2还设有圆锥滚子轴承25，由于圆锥滚子轴承25需要润滑，则箱体22内具有润滑油，为防止润滑油外溢，在主轴21的两端还设有压盖26，压盖26将圆锥滚子轴承25的两端密封。

请参考图6，图6为本发明所提供旋转接头一种设置方式的结构示意图。

在一种优选的实施方式中，本发明的旋转接头1还设有密封套12，密封套12套装在旋转轴11的外端，且密封套12与旋转轴11之间填充有盘根13；密封套12将旋转轴11的外端部紧密封装，再加上盘根13的填充，能够起到较好的密封和防尘作用，进而保证旋转轴11内部的气体密封环境，确保动力头正常运转；其次，密封套12和盘根13的设置还可以防止钻采得到的样品受到污染。

其中，密封套12可以包括密封外套121和密封内套122，密封内套122紧密套装在旋转轴11的外端，密封外套121套装在密封内套122外部，此时的盘根13可以填充在密封外套121和密封内套122之间的间隙内，以保证密封的可靠性，如图6中所示。

还可以在密封外套121和密封内套122之间设置调整套15，如图6所示，调整套15套装在密封内套122的内端，将密封内套122的内端固定，调整套15的外壁与密封外套121的内壁相连，从而实现密封内套122与密封外套121的连接。

密封套12的外端还可以设置连接盘14，通过连接盘14与外部的排渣管相连，即连接盘14的两端分别与排渣口和排渣管相连。密封套12可以实现运动件与固定件之间的连接，即旋转轴11与连接盘14之间的连接，然后借助连接盘14与排渣管相连，以进一步确保旋转轴11内部腔体的密封性。显然，连接盘14的设置能够便于排渣管的连接和拆卸。

另一方面，旋转接头1还可以设置旋转外套16，旋转轴11可以通过轴承进行定位，然后套装在旋转外套16内。

另外，本发明还提供一种地质勘探用的反循环钻机，具有底盘和设置在所述底盘上的动力头，所述动力头为上述任一项所述的动力头。

由于本发明的地质勘探用的反循环钻机具有上述任一项所述的动力头，因此，上述动力头所达到的技术效果同样适用于本发明的反循环钻机。采用上述动力头的所述反循环钻机，能够高效便捷地提取钻采样品。

进一步，所述动力头的气体分配器连接有双壁钻杆。双壁钻杆的结构能够较好地与本发明的气体分配器相互配合，从而实现本发明的气体分配，采用压缩空气实现冲击钻采。

请参考图7，图7为与本发明所提供动力头配合使用的双壁钻杆的结构示意图。

如图7所示，本发明的动力头与双壁钻杆4配合使用，双壁钻杆4包括钻杆内管42和外钻杆43，钻杆内管42与外钻杆43之间存在间隙，为气体冲击提供通道；钻杆内管42的一端还设有O型密封垫圈41，以便与气体分配器3的内管32密封连接，双壁钻杆4钻采的样品通过钻杆内管42和内管32不断向外传输，最终从动力头的连接盘14排出，操作人员可以直接从该连接盘14的出口处连接排渣管以收集样品。

以上对本发明所提供的地质勘探用的反循环钻机及其动力头进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种反循环钻机的动力头，其特征在于，所述动力头包括旋转接头、回转箱和气体分配器，所述旋转接头、回转箱和气体分配器分别包括旋转轴、主轴和芯轴，所述旋转轴、主轴和芯轴为同轴贯通设置的空心轴，且三者依次密封连接，所述旋转轴的外端设有排渣口，所述主轴与驱动马达相连，所述芯轴内与其同轴地设置有内管，所述内管的内端与所述芯轴的内壁密封连接，并与所述主轴的中空部贯通，所述内管的外径小于所述芯轴的内径，所述芯轴的内端沿其周向分布有至少一个供压缩空气进入的进气口，所述气体分配器还设有用于连接钻杆的过渡接头，所述过渡接头与所述芯轴连接。

2.如权利要求1所述的动力头，其特征在于，所述进气口为4～8个，且沿所述芯轴的周向均匀分布。

3.如权利要求2所述的动力头，其特征在于，各个所述进气口均呈长圆孔状设置，且所述长圆孔的长度方向为所述芯轴的轴向。

4.如权利要求1所述的动力头，其特征在于，所述主轴通过大齿轮啮合有两个小齿轮，各个所述小齿轮均连接有驱动马达。

5.如权利要求4所述的动力头，其特征在于，两所述小齿轮在竖直面内对称设置，且两者与竖直方向呈锐角设置。

6.如权利要求5所述的动力头，其特征在于，所述驱动马达为摆线式液压马达。

7.如权利要求1所述的动力头，其特征在于，所述旋转轴的外端套装有密封套，所述密封套与所述旋转轴之间填充有盘根。

8.如权利要求7所述的动力头，其特征在于，所述密封套的外端还设有连接盘，所述连接盘连接有排渣管。

9.如权利要求1至8任一项所述的动力头，其特征在于，所述气体分配器还设有套装在所述芯轴外部的外套以及与所述外套固定连接的限位板，所述限位板固定设置在动力头的底盘上。

10.一种地质勘探用的反循环钻机，具有底盘和设置在所述底盘上的动力头，其特征在于，所述动力头为上述1至9任一项所述的动力头。