CN110552640A - 一种易拆卸钻杆及其钻杆自动装卸设备 - Google Patents

Abstract

一种易拆卸钻杆，包括杆体和连接在杆体两端的连接头、连接尾、以及连接螺母，连接头设有轴向的四棱锥台，连接尾设有四棱锥窝，连接螺母的外圆面设有同步带轮。通过四棱锥台与四棱锥窝的同轴配合，实现了钻杆的快速安装、拆卸，具有承载扭矩大、使用寿命长、易于拆卸、成本低等优点。一种应用于易拆卸钻杆的钻杆自动装卸设备，设置在钻机的一侧，包括连接螺母装卸机构、钻杆装卸机构、以及控制***。连接螺母装卸机构可以快速地装卸连接螺母，以机械动作替代了手工操作。钻杆装卸机构自动化程度高，实现了钻杆的自动装卸，大幅降低了操作者的劳动强度，提高了工作效率。本发明的钻杆周转箱容量大，同时解决了钻杆的摆放、搬运、运输问题。

Description

一种易拆卸钻杆及其钻杆自动装卸设备

技术领域

本发明涉及隧道、桥梁、矿山设备领域，尤其是涉及一种易拆卸钻杆及其钻杆自动装卸设备。

背景技术

钻机在工作中需要不断地加接钻杆，以实现钻深，加接钻杆时，将新加钻杆的连接头与钻机上钻杆的连接尾连接。现有钻杆的头尾连接是通过螺纹连接实现的，连接头为具有外螺纹的轴，连接尾为具有内螺纹的孔，连接头与连接尾螺接在一起。为了保证钻杆不在钻洞内脱落，螺纹的旋紧方向与钻机的旋转方向一致，这样，钻杆在工作中所受到的阻力矩与钻机的转矩使各钻杆之间的螺纹连接越来越紧。这样一是解决了钻杆脱落问题，二是各钻杆之间的连接没有晃动间隙，使整个钻杆连接体具有很好的导向性，不易发生钻偏。但是这也带来一些负面影响。

虽然钻机提供的转矩不是很大，但是钻机在钻进过程中所受到的冲击使螺纹连接越来越紧，在实际工作中，在加接钻杆时，钻机不需要给螺纹连接提供太大的拧紧力矩，但是在拆卸钻杆时，很多时候钻机本身所能提供的拧松转矩小于钻杆的螺纹连接力矩。加接的钻杆越多，钻杆的螺纹连接力矩就越大，有时拧松螺纹需要高达2000牛米的力矩，这么大的力矩需要在施工现场架设大缸径的油缸，推动长力臂才能够实现。因此，拆卸钻杆时耗时、耗力，且效率低下。

为了提高螺纹的连接强度，钻杆螺纹一般为大螺距梯形螺纹，但是在这种单向持续旋进扭矩的作用下，最终产生2000牛米的拧紧力矩，对螺纹的使用寿命造成很大的影响，钻杆多数是因为螺纹损坏而报废的。因而，有必要对现有钻杆的连接方式进行创新。

现有的钻机通常开凿一个钻孔需要少则几根，多则几十根的钻杆，钻杆需要逐一连接、然后再逐一拆卸。单根钻杆重量约50kg，人工装卸需要耗费很大体力和时间，因此效率很低、经济性很差。

由于使用螺纹连接结构的钻杆，现有钻机在加接钻杆时，加接钻杆先与钻机主轴螺接、并旋转，再与已有的钻杆螺接，可以实现钻杆的自动安装。但是在拆卸钻杆时，由于钻杆的两端都为螺纹连接，钻机主轴反转只能拧松钻杆一端的螺纹连接，另一端的螺纹连接只能通过人工拆卸完成；如果遇到钻杆螺接连接力矩大于钻机主轴拧松扭矩的钻杆，同样需要人工拆卸，排除问题。因此，现有钻机不能实现全自动化装卸钻杆，存在劳动量大、效率低的问题。

一个工程都要开凿很多钻孔，需要多台钻机同时开凿，因此，需要使用大量的钻杆。在施工现场，钻杆通常散落在钻机两侧，装卸钻杆时需要人工操作，钻机每换一个施工位，钻杆都要搬运一次，操作者劳动量很大，而且在拆卸、搬运过程中对钻杆的损伤也很大。因此，钻杆的摆放、搬运、运输及其管理也同样存在较大问题。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种易拆卸钻杆，其目的在于：改变钻杆的连接结构，方便钻杆的安装、拆卸，延长钻杆的使用寿命。

还针对该易拆卸钻杆，公开了一种钻杆自动装卸设备，其目的在于：提供一种自动化程度高的钻杆自动装卸设备，解决钻杆的自动安装、拆卸问题，以及钻杆的摆放、搬运、运输问题。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种易拆卸钻杆，所述钻杆包括杆体和连接在杆体两端的连接头、连接尾，还包括用于一个钻杆连接头与另一个钻杆连接尾相连的连接螺母，所述连接头设有轴向的四棱锥台，所述连接尾设有与四棱锥台形状相对应的四棱锥窝，所述连接螺母的外圆面设有同步带轮；所述杆体的两端设有用于四棱锥台与四棱锥窝定向的定位槽。

为了进一步地改进技术方案，所述设连接头设有与连接螺母内螺纹相对应的外螺纹；在连接尾的外圆柱面上、靠近外端面的部位设有直径大于其余部分的压接轴肩；所述连接螺母设有内径小于其内螺纹内径的压接套，连接螺母同轴地安装在连接尾的外圆柱面上；在连接尾的外圆柱面上、靠近杆体的一端设环槽，在环槽内安装有卡簧，所述连接螺母位于压接轴肩与卡簧之间。

为了进一步地改进技术方案，所述连接螺母与连接头的旋紧方向与钻杆的转动方向相反。

一种应用于易拆卸钻杆的钻杆自动装卸设备，包括连接螺母装卸机构、钻杆装卸机构、以及控制***。

所述连接螺母装卸机构设置在钻机主轴箱与钻杆扶钎器之间，包括动力箱体，在动力箱体上设置有主动同步带轮，主动同步带轮通过同步带与钻杆上的连接螺母连接，动力箱体上的驱动电机与主动同步带轮连接；在动力箱体上还铰接有一对涨紧臂，在一对涨紧臂之间设置有用于涨紧臂开合的伸缩缸；在每一个涨紧臂的自由端均设置有用于涨紧同步带的涨紧轮；所述动力箱体连接有与钻机钻进方向平行的直线运动副，在行走电机的驱动下，动力箱体相对于钻机可平行移动。

所述钻杆装卸机构设置在钻机的一侧，包括导轨座和滑台、以及钻杆周转箱；所述导轨座和滑台为由第一伺服电机驱动的一组直线导轨运动副，其中，直线导轨运动副的运动方向垂直于钻机的钻进方向；在滑台上水平地铰接有旋转臂，所述旋转臂连接有旋转油缸，其中，旋转臂的旋转轴线与滑台的运动方向垂直设置；在旋转臂的自由端设置有升降臂，所述升降臂通过由第二伺服电机驱动的直线导轨运动副与旋转臂滑动连接，其中，升降臂的运动方向与旋转臂的旋转轴线垂直设置；在升降臂的一端连接有装卸臂，在装卸臂的自由端连接有用于抓放钻杆的电磁吸盘。

所述钻杆周转箱设有多层用于横向取放钻杆的水平匣槽，水平匣槽的开口端朝向导轨座、且垂直于直线导轨运动副的运动方向；水平匣槽内设置有与钻杆的定位槽对应的定位条，在水平匣槽的开口端设置有防止钻杆掉出的活动挡销；所述装卸臂、所述电磁吸盘的厚度均小于水平匣槽的高度。

所述控制***与连接螺母装卸机构、钻杆装卸机构、以及钻机连接。

为了进一步地改进技术方案，所述动力箱体内设置有减速机，所述驱动电机通过减速机与主动同步带轮连接；所述直线运动副包括一对导柱、导套运动副和一组丝杠、螺母配合副，其中，导柱和丝杠安装在钻机上，且与钻机的钻进方向平行；导套、螺母电机设置在动力箱体上，丝杠与行走电机连接。

为了进一步地改进技术方案，所述涨紧轮、所述主动同步带轮均设有防止同步带轴向窜动的挡边；所述涨紧臂设置有防止同步带脱落的防脱环，所述同步带的带体贯穿于防脱环内；在动力箱体上、围绕同步带的***，设置有防止同步带脱落的防脱板。

为了进一步地改进技术方案，所述导轨座设置有导轨、以及与导轨平行的齿条；所述滑台设置有与导轨对应的导轨槽、与齿条对应啮合的传动齿轮，其中，传动齿轮通过减速机与第一伺服电机连接。

为了进一步地改进技术方案，所述旋转油缸为180°定转角的旋转油缸。

为了进一步地改进技术方案，所述升降臂为四方滑柱，在四方滑柱上设置有轴向的齿条；所述旋转臂设有四方滑柱对应的四方滑槽、与齿条对应啮合的传动齿轮，其中，传动齿轮通过减速机与第二伺服电机连接。

为了进一步地改进技术方案，所述装卸臂垂直于升降臂设置，所述电磁吸盘设有与钻杆外圆面相对应的半圆槽。

由于采用上述技术方案，相比背景技术，本发明具有如下有益效果：

本发明的钻杆通过四棱锥台与四棱锥窝的同轴配合，实现了钻杆的快速安装、拆卸。相比背景技术的螺纹连接，具有承载扭矩大、使用寿命长、易于拆卸，且综合成本低等显著优点。

本发明的连接螺母装卸机构，可以快速地装卸连接螺母，以机械动作替代了手工操作，大幅降低了操作者的劳动强度，并且显著地提高了工作效率。

本发明的钻杆装卸机构结构紧凑、自适应性好、自动化程度高，实现了钻杆的自动安装、拆卸，大幅降低了操作者的劳动强度，并且显著地提高了工作效率。

本发明的钻杆周转箱容量大，满足绝大多数开凿钻孔的需要，同时解决了钻杆的摆放、搬运、运输问题。

本发明的钻杆连接结构突破了钻杆螺纹连接的模式，具有创造性。本发明的钻杆自动装卸设备以不同于现有拆卸模式的技术方案，实现本钻杆的自动装卸，也具有创造性。

附图说明

图1为钻杆的结构示意图。

图2为两个钻杆处于连接状态的局部剖面示意图。

图3为连接螺母装卸机构的结构示意图。

图4为连接螺母装卸机构与钻机连接的结构示意图。

图5为连接螺母装卸机构同步带处于松弛状态的结构示意图。

图6为钻杆装卸机构的结构示意图。

图7为钻杆装卸机构与钻机连接的结构示意图。

图8为钻杆周转箱的结构示意图。

图9-19为钻杆自动装卸设备的工作流程示意图。

图中：1、钻杆；1.1、杆体；1.2、连接头；1.3、连接尾；1.4、连接螺母；1.5、定位槽；2、连接螺母装卸机构；2.1、动力箱体；2.2、主动同步带轮；2.3、同步带；2.4、涨紧臂；2.5、伸缩缸；2.6、涨紧轮；2.7、防脱环；2.8、防脱板；2.9、行走电机；3、钻杆装卸机构；3.1、导轨座；3.2、滑台；3.3、旋转臂；3.4、升降臂；3.5、装卸臂；3.6、电磁吸盘；3.7、钻杆周转箱；3.8、旋转油缸； 4、钻机主轴箱；5、钻杆扶钎器。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，虽然说明书是结合附图对本发明处于水平状态时进行描述的，但是这并不妨碍本发明的易拆卸钻杆及钻杆自动装卸设备在其他方向上的使用，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。

一种易拆卸钻杆，如图1、2所示，包括杆体1.1和连接在杆体1.1两端的连接头1.2、连接尾1.3，还包括用于一个钻杆连接头1.2与另一个钻杆连接尾1.3相连的连接螺母1.4。所述连接头1.2设有轴向的四棱锥台，正四棱锥台的中心线与杆体1.1同轴，所述连接尾1.3设有与四棱锥台形状相对应的四棱锥窝，正四棱锥窝的中心线与杆体1.1同轴。当两个钻杆1头尾相连时，其中一钻杆1的正四棱锥台***另一钻杆1的正四棱锥窝，并与正四棱锥窝相对应的各棱面贴合接触，使两个钻杆1同轴连接。

为了将两个钻杆1头尾相连，所述连接头1.2、连接尾1.3中任一个设有外螺纹，另一个安装有与外螺纹相对应的连接螺母1.4。连接螺母1.4的作用是将连接头1.2与连接尾1.3连接在一起。本实施例中，所述外螺纹设在连接头1.2的外圆柱面上，在连接尾1.3的外圆柱面上、靠近外端面的部位设有直径大于其余部分的压接轴肩；所述连接螺母1.4设有内径小于其内螺纹内径的压接套，连接螺母1.4同轴地安装在连接尾1.3的外圆柱面。当一个钻杆1上的连接螺母1.4与另一个钻杆1连接头1.2上的外螺纹螺接时，所述压接套压向压接轴肩，使连接头1.2与连接尾1.3压接在一起。连接头1.2与连接尾1.3压接在一起，使正四棱锥台与正四棱锥窝形成可靠配合。

由于结构强度高、接触面大，正四棱锥台与正四棱锥窝配合可以承受远大于螺纹连接的扭矩，即便有磨损也不妨碍其使用，因而使用寿命长。正四棱锥台与正四棱锥窝都有锥度，锥度的作用除了便于拆卸和安装外，还有传递扭矩和轴向力的作用。钻机在钻进中向钻杆1施加轴向推力以及转动扭矩，轴向推力要远大于锥面在旋转时所产生的反方向轴向力，因而，在轴向推力以及连接螺母1.4的连接作用下，正四棱锥台与正四棱锥窝始终配合连接在一起，不存在间隙摆动，是刚性连接。刚性连接使多根钻杆1成为一根整体长杆，因此具有很好的导向性，不易发生钻偏。而不带锥度的连接头1.2与连接尾1.3连在一起，即便连接头1.2的圆柱头与连接尾1.3圆柱孔的可拆卸配合有多精密，都不可避免的产生晃动间隙，多根钻杆1连接后，多个晃动间隙叠加、放大造成整体钻杆1的摆动幅度很大，对钻头的导向误差也就更大。综合考虑钻杆1的装卸便利性、以及所传递力矩、轴向推力等因素对钻杆1使用寿命、制造成本的影响，正四棱锥台的锥角为10°时最优。

本发明钻杆1的正四棱锥台与正四棱锥窝都具有较为复杂的形状，但不意味着有较高的加工成本。

本发明的钻杆1分为三部分制造，连接头1.2的正四棱锥台、连接尾1.3的正四棱锥窝采用模锻成型，然后经机加工后与杆体1.1通过摩擦焊焊接为一个整体，摩擦焊焊接面积大、焊接强度高，完全可以满足钻杆1的扭矩要求。而目前的模锻技术可以达到免机加工的程度，正四棱锥台与正四棱锥窝不需要机加工就可达到配合要求。模锻工艺解决了正四棱锥台与正四棱锥窝的难加工问题，相比现有的螺纹加工方式，本发明的钻杆1具有连接强度高、使用寿命长、综合成本低的优势。

为了防止连接螺母1.4滑入杆体1.1，在连接尾1.3的外圆柱面上、靠近杆体1.1的一端设环槽，在环槽内安装有卡簧，所述连接螺母1.4位于压接轴肩与卡簧之间。

为了防止钻杆1在钻进过程中发生松动、脱落，所述连接螺母1.4与连接头1.2的旋紧方向与钻杆1的转动方向相反。这样，在钻进过程中钻洞壁对连接螺母1.4施加的摩擦力矩会使连接螺母1.4保持拧紧状态。虽然钻洞壁也对连接螺母1.4产生拧紧力矩，但是这种拧紧力矩是偶然的、非持续的，也是不大的，因为钻洞的直径大于连接螺母1.4的直径，连接螺母1.4只是偶尔能与钻洞壁有所接触。

为了便于辨识正四棱锥台与正四棱锥窝配合安装的方位，所述杆体1.1的两端设有四个用于四棱锥台与四棱锥窝定向连接的定位槽1.5。这样，不用观察四棱锥台与正四棱锥窝的对应状态，便可连接钻杆1，便于实现钻杆1安装、拆除的自动化。

本实施例中，连接螺母1.4没有设计成常见的外六方形，而是在其外圆柱面上，均布设有多条轴向的同步带轮槽。这样的设计，一是为了减小钻杆1的直径，二是为了便于配合专用的旋转装卸机构，快速旋紧或拧松连接螺母1.4。

本发明的钻杆通过四棱锥台与四棱锥窝的同轴配合，实现了钻杆1的快速安装、拆卸。相比螺纹连接，本发明具有承载扭矩大、连接强度高、使用寿命长、易于拆卸，且综合成本低等显著优点。

一种应用于易拆卸钻杆的钻杆自动装卸设备，设置在钻机的一侧，包括连接螺母装卸机构2、钻杆装卸机构3、以及控制***。本实施例中，钻机为水平钻机，用于山体、隧道的开凿钻孔。

如图3、4所示，所述连接螺母装卸机构2包括动力箱体2.1，在动力箱体2.1上设置有主动同步带轮2.2，主动同步带轮2.2通过同步带2.3与连接螺母1.4上的同步带轮连接。同步带传动的优点，一是柔性传动，同步带2.3上的带齿容易与主动同步带轮2.2、同步带轮上的齿槽啮合而不发生刚性冲击；二是同步传动不易打滑，因而传动扭矩大、效率高，完全可以满足拆卸连接螺母1.4所需要的扭矩要求；三是连接螺母1.4旋转后会发生轴向移动，同步带2.3随之轴向移动。由于连接螺母1.4的轴向移动距离不大，同步带2.3完全可以通过自身的弹性形变实现跟随移动。

动力箱体2.1内设置有减速机，驱动电机与动力箱体2.1内的减速机连接，主动同步带轮2.2与减速机连接，减速机用来增大主动同步带轮2.2的扭矩。动力箱体2.1连接有与钻机钻进方向平行的直线运动副，在行走电机的驱动下，动力箱体2.1相对于钻机可平行移动。本实施例中，直线运动副包括一对导柱、导套运动副和一组丝杠、螺母配合副，其中，导柱和丝杠安装在钻机上，且与钻机的钻进方向平行；导套、螺母电机设置在动力箱体2.1上，行走电机与丝杠连接。在钻杆1的拆卸、安装过程中，钻杆1的两端的连接螺母1.4都需要分别装卸，因此，需要本连接螺母装卸机构2在钻杆1两端移动。直线运动副行走电机的驱动下，可以实现本连接螺母装卸机构2在钻杆1两端移动。

钻机在钻孔时，钻机是一边钻孔，一边加接钻杆1；钻头退出时，钻机一边回退钻杆1，一边拆卸钻杆1。因此，只有在安装或者拆卸钻杆1时，同步带2.3才与连接螺母1.4上的同步带轮连接；钻机在钻进或者旋出时，同步带2.3要与连接螺母1.4上的同步带轮脱离，避免同步带2.3对钻杆1产生影响。为了实现同步带2.3与连接螺母1.4上的同步带轮连接或者脱离动作，在动力箱体2.1还上铰接有一对涨紧臂2.4，在一对涨紧臂2.4之间设置有用于涨紧臂开合的伸缩缸2.5。在每一个涨紧臂2.4的自由端均设置有涨紧轮2.6。当需要安装或者拆卸钻杆1时，伸缩缸2.5收缩，一对涨紧臂2.4向内收合，两个涨紧轮2.6涨紧同步带2.3，此时，同步带2.3与连接螺母1.4上的同步带轮连接，电机旋转，实现对连接螺母1.4的安装或者拆卸。当钻机在钻进或者旋出时，伸缩缸2.5伸长，一对涨紧臂2.4向外张开，此时，同步带2.3处于松弛状态，同步带2.3与连接螺母1.4上的同步带轮脱离连接，避免同步带2.3影响到钻杆1的旋进、旋出。

如图5所示，当同步带2.3处于放松状态时，同步带2.3脱离主动同步带轮2.2和涨紧轮2.6的束缚后会发生脱落，脱落将会影响到后续对连接螺母1.4的装卸工作。为此，所述涨紧轮2.6、所述主动同步带轮2.2均设有防止同步带2.3轴向窜动的挡边。挡边能防止同步带2.3发生轴向窜动、脱落，但还不能防止同步带2.3在径向的松弛脱落。因此进一步地改进技术方案，在涨紧臂2.4设置有防止同步带2.3脱落的防脱环2.7，同步带2.3的带体贯穿于防脱环2.7内。防脱环2.7仅留一个供同步带2.3带体进出的小口，正常情况下同步带2.3不可能从防脱环2.7内脱出。并且在动力箱体2.1上、围绕同步带2.3的***，设置有防止同步带2.3脱落的防脱板2.8。这样在主动同步带轮2.2的一侧对同步带2.3的松弛量进行了限制，使同步带2.3只能在钻杆1一端放开松弛量，而又使同步带2.3不能脱落。

本发明的连接螺母装卸机构2可以快速地装卸连接螺母1.4，基本在2秒内可以完成对连接螺母1.4的安装或拆卸，效率非常高。

如图6、7所示，所述钻杆装卸机构3包括导轨座3.1和滑台3.2，所述导轨座3.1和滑台3.2为由第一伺服电机驱动的一组直线导轨运动副。导轨座3.1水平放置在钻机的一侧，导轨座3.1可以与钻机一体连接，也可以独立于钻机之外放置。本实施例中，导轨座3.1垂直于钻机，且与钻机一体连接。导轨座3.1上设置有导轨、以及与导轨平行的齿条；滑台3.2设置有与导轨对应的导轨槽、与齿条对应啮合的传动齿轮，其中，传动齿轮通过减速机与第一伺服电机连接。滑台3.2在第一伺服电机的驱动下，沿垂直于钻机的方向水平移动。

在滑台3.2上水平地铰接有旋转臂3.3，所述旋转臂3.3连接有旋转油缸3.8，旋转油缸3.8为180°定转角的旋转油缸，旋转臂3.3只能做180°定转角的旋转。旋转臂3.3的旋转轴线与滑台3.2的运动方向垂直设置。

在旋转臂3.3的自由端设置有升降臂3.4，升降臂3.4为四方滑柱，在四方滑柱上设置有轴向的齿条；所述旋转臂3.3设有四方滑柱对应的四方滑槽、与齿条对应啮合的传动齿轮，其中，传动齿轮通过减速机与第二伺服电机连接。升降臂3.4的运动方向与旋转臂3.3的旋转轴线垂直设置。

在升降臂3.4的一端连接有装卸臂3.5，装卸臂3.5垂直于升降臂3.4设置。在装卸臂3.5的自由端连接有用于抓放钻杆1的电磁吸盘3.6，电磁吸盘3.6设有与钻杆1外圆面相对应的半圆槽。

如图8所示，所述钻杆装卸机构3还包括钻杆周转箱3.7，所述钻杆周转箱3.7设有多层用于横向取放钻杆1的水平匣槽，钻杆1横向放置在水平匣槽内。本实施例中，钻杆周转箱3.7设有五层水平匣槽，每层水平匣槽可以放置十根钻杆1，每个钻杆周转箱3.7可以存贮五十根钻杆1，可满足绝大多数开凿钻孔的需要。水平匣槽的开口端朝向导轨座3.1、且垂直于直线导轨运动副的运动方向。水平匣槽内设置有与钻杆1的定位槽1.5对应的定位条，定位条的作用是：使钻杆1连接头1.2的四棱锥头都能整齐划一地排列，以便于在钻杆1加接时，四棱锥头都能与四棱锥窝对准配合。

在水平匣槽的开口端设置有防止钻杆1掉出的活动挡销，当钻杆1不再使用时，落下活动挡销，挡住水平匣槽的开口，可防止钻杆1掉落，同时方便钻杆周转箱3.7的搬运、转场运输。为了实现装卸臂3.5、电磁吸盘3.6进入水平匣槽取放钻杆1，装卸臂3.5、电磁吸盘3.6的厚度均小于水平匣槽的高度。

所述控制***与第一伺服电机、旋转油缸3.8、第二伺服电机、电磁吸盘3.6、行走电机、驱动电机、以及钻机连接。控制***用来控制钻杆1连接螺母1.4的装卸、钻杆1在钻机上自动安装、拆卸，以及钻杆1在周转箱3.7内的抓取和存放。

下面结合钻机，简要说明本发明的工作过程：

钻机设有导轨，钻机主轴箱4可沿导轨移动，钻机主轴箱4的主轴上连接有四棱锥头，四棱锥头与钻杆1的四棱锥窝配合，用于向钻杆1提供转动扭矩。在导轨的末端固定有钻杆扶钎器5，钻杆扶钎器5的作用一是支撑钻杆1，二是在装卸钻杆1时夹紧钻杆1。

当钻机需要加接钻杆1时：

如图9所示，钻杆扶钎器5夹紧已加接钻杆1，行走电机2.9驱动连接螺母装卸机构2位于钻杆扶钎器5一端，同步带2.3套在已加接钻杆1的连接螺母1.4上，钻机主轴箱4位于导轨的另一端，为新加接钻杆1留出空间。此时，旋转臂3.3旋向钻杆周转箱3.7一侧，同时，控制***根据钻杆周转箱3.7内钻杆1的存储情况，通过第二伺服电机控制升降臂3.4上下移动，使装卸臂3.5、电磁吸盘3.6能够对准相应的水平匣槽。然后，控制***通过第一伺服电机控制滑台3.2向钻杆周转箱3.7移动，使装卸臂3.5、电磁吸盘3.6伸入水平匣槽内，并向电磁吸盘3.6供电，使电磁吸盘3.6磁吸住钻杆1。

如图10所示，电磁吸盘3.6磁吸住钻杆1后，控制***通过第一伺服电机控制滑台3.2向钻机一侧移动，将钻杆1从钻杆周转箱3.7内水平移出。

如图11所示，控制***控制旋转油缸3.8旋转180°，将钻杆1旋向钻机一侧，此时，钻杆1的高度与钻杆1在钻机上的安装高度存在落差，第二伺服电机控制升降臂3.4向下移动，使钻杆1的高度与钻杆1在钻机上的安装高度等高。

如图12所示，控制***通过第一伺服电机控制滑台3.2向钻机侧移动，使钻杆1与钻机主轴箱4主轴同轴。

如图13所示，钻机主轴箱4向钻杆扶钎器5端移动，使钻机主轴箱4主轴上的四棱锥头***钻杆1的四棱锥窝中，然后继续向钻杆扶钎器5端移动。由于电磁吸盘3.7与钻杆1为磁吸，钻杆1会相对于电磁吸盘3.7滑动，因此，钻杆1仍将保持被电磁吸盘3.7夹持状态。然后钻杆1连接头1.2端四棱锥头***已加接钻杆1的四棱锥窝内，钻杆1已不需要电磁吸盘3.7夹持，电磁吸盘3.7断电。在控制***的控制下，滑台3.2向钻杆周转箱3.7一侧移动，同时旋转油缸3.8反向旋转180°，升降臂3.4向上移动，准备下一次的抓取。

如图14所示，行走电机2.9驱动连接螺母装卸机构2在钻杆1的两端运动，分别对钻杆扶钎器5端的连接螺母1.4和钻机主轴箱4端的连接螺母1.4进行旋紧，同步带2.3始终套在钻杆1外，仅在旋紧连接螺母1.4时才与钻杆1接触。然后行走电机2.9驱动连接螺母装卸机构位于钻杆扶钎器5端，避免对钻机主轴箱4移动的妨碍。

如此重复，实现对钻杆1的加接。

当钻机需要拆卸钻杆1时：

如图15所示，钻机主轴箱4将钻杆1从钻洞中拉回至拆卸位，位于钻杆扶钎器5端的连接螺母装卸机构2对钻杆扶钎器5端的连接螺母1.4进行旋松，然后移动钻机主轴箱4一侧待命。此时，控制***控制钻杆装卸机构3运动，使电磁吸盘3.7夹持住钻杆1，然后钻机主轴箱4向后移动，使钻杆1的四棱锥头从钻杆扶钎器5所夹紧钻杆1的四棱锥窝中拔出，连接螺母装卸机构2再对钻机主轴箱4端的连接螺母1.4进行旋松。

如图16所示，由于电磁吸盘3.7的夹持，钻杆1不会发生掉落。钻机主轴箱4再次向后移动，使钻机主轴箱4主轴上的四棱锥头从钻杆1的四棱锥窝中拔出。连接螺母装卸机构2也跟随钻机主轴箱4向后移动。此时，钻杆1的旋转空间已不受阻碍。

如图17所示，滑台3.2向钻杆周转箱3.7移动，电磁吸盘3.7夹持钻杆1向周转箱一侧3.7移动，此时钻机的钻杆1装卸位已腾空，连接螺母装卸机构2向钻杆扶钎器5端移动。

如图18所示，控制***根据钻杆周转箱3.7内钻杆1的存储情况，控制旋转油缸3.8反向旋转180°，升降臂3.4向下移动，滑台3.2向钻杆周转箱3.7移动，使装卸臂3.5、电磁吸盘3.6伸入水平匣槽内。然后电磁吸盘3.6断电，将钻杆1放置在水平匣槽内。此时，连接螺母装卸机构2位于钻杆扶钎器5端，钻机主轴箱4向钻杆扶钎器5移动，并使钻机主轴箱4主轴上的四棱锥头***下一根钻杆1的四棱锥窝内。连接螺母装卸机构2对钻杆扶钎器5端的下一根钻杆1连接螺母1.4进行旋紧，使钻机主轴箱4与下一根连接。

如图19所示，钻杆扶钎器5松开下一根钻杆1，钻机主轴箱4向后移动，拉拽下一根钻杆1达到钻杆1装卸位。此时，滑台3.2向钻机一侧移动，旋转油缸3.8再次反向旋转180°，升降臂3.4向上移动，准备抓取下一根钻杆1。

如此重复，实现对钻杆1的拆卸。

由此可以看出，本发明的钻杆装卸机构3结构紧凑、自适应性好、自动化程度高，实现了钻杆1的自动安装、拆卸，大幅降低了操作者的劳动强度。钻杆周转箱3.7的容量可大可小，不受限制，可满足不同开凿钻孔施工的需要，同时解决了钻杆1的摆放、搬运、运输问题。

上述实施例中的钻机也可以是垂直钻机，用于对地面的开凿钻孔。显然，这仅是本发明在放置方向上的改变。

本发明未详述部分为现有技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种易拆卸钻杆，其特征是：所述钻杆（1）包括杆体（1.1）和连接在杆体（1.1）两端的连接头（1.2）、连接尾（1.3），还包括用于一个钻杆连接头（1.2）与另一个钻杆连接尾（1.3）相连的连接螺母（1.4），所述连接头（1.2）设有轴向的四棱锥台，所述连接尾（1.3）设有与四棱锥台形状相对应的四棱锥窝，所述连接螺母（1.4）的外圆面设有同步带轮；所述杆体（1）的两端设有用于四棱锥台与四棱锥窝定向的定位槽（1.5）。

2.如权利要求1所述的一种易拆卸钻杆，其特征是：所述设连接头（1.2）设有与连接螺母（1.4）内螺纹相对应的外螺纹；在连接尾（1.3）的外圆柱面上、靠近外端面的部位设有直径大于其余部分的压接轴肩；所述连接螺母（1.4）设有内径小于其内螺纹内径的压接套，连接螺母（1.4）同轴地安装在连接尾（1.3）的外圆柱面上；在连接尾（1.3）的外圆柱面上、靠近杆体（1）的一端设环槽，在环槽内安装有卡簧，所述连接螺母（1.4）位于压接轴肩与卡簧之间。

3.如权利要求1所述的一种易拆卸钻杆，其特征是：所述连接螺母（1.4）与连接头（1.2）的旋紧方向与钻杆（1）的转动方向相反。

4.应用于如权利要求1或2或3所述钻杆的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：包括连接螺母装卸机构（2）、钻杆装卸机构（3）、以及控制***；

所述连接螺母装卸机构（2）设置在钻机主轴箱（4）与钻杆扶钎器（5）之间，包括动力箱体（2.1），在动力箱体（2.1）上设置有主动同步带轮（2.2），主动同步带轮（2.2）通过同步带（2.3）与钻杆（1）上的连接螺母（1.4）连接，动力箱体（2.1）上的驱动电机与主动同步带轮（2.2）连接；在动力箱体（2.1）上还铰接有一对涨紧臂（2.4），在一对涨紧臂（2.4）之间设置有用于涨紧臂开合的伸缩缸（2.5）；在每一个涨紧臂（2.4）的自由端均设置有用于涨紧同步带（2.3）的涨紧轮（2.6）；所述动力箱体（2.1）连接有与钻机钻进方向平行的直线运动副，在行走电机的驱动下，动力箱体（2.1）相对于钻机可平行移动；

所述钻杆装卸机构（3）设置在钻机的一侧，包括导轨座（3.1）和滑台（3.2）、以及钻杆周转箱（3.7）；所述导轨座（3.1）和滑台（3.2）为由第一伺服电机驱动的一组直线导轨运动副，其中，直线导轨运动副的运动方向垂直于钻机的钻进方向；在滑台（3.2）上水平地铰接有旋转臂（3.3），所述旋转臂（3.3）连接有旋转油缸（3.8），其中，旋转臂（3.3）的旋转轴线与滑台（3.2）的运动方向垂直设置；在旋转臂（3.3）的自由端设置有升降臂（3.4），所述升降臂（3.4）通过由第二伺服电机驱动的直线导轨运动副与旋转臂（3.3）滑动连接，其中，升降臂（3.4）的运动方向与旋转臂（3.3）的旋转轴线垂直设置；在升降臂（3.4）的一端连接有装卸臂（3.5），在装卸臂（3.5）的自由端连接有用于抓放钻杆的电磁吸盘（3.6）；

所述钻杆周转箱（3.7）设有多层用于横向取放钻杆的水平匣槽，水平匣槽的开口端朝向导轨座（3.1）、且垂直于直线导轨运动副的运动方向；水平匣槽内设置有与钻杆的定位槽（1.5）对应的定位条，在水平匣槽的开口端设置有防止钻杆掉出的活动挡销；所述装卸臂（3.5）、所述电磁吸盘（3.6）的厚度均小于水平匣槽的高度；

所述控制***与连接螺母装卸机构（2）、钻杆装卸机构（3）、以及钻机连接。

5.如权利要求4所述的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：所述动力箱体（2.1）内设置有减速机，所述驱动电机通过减速机与主动同步带轮（2.2）连接；所述直线运动副包括一对导柱、导套运动副和一组丝杠、螺母配合副，其中，导柱和丝杠安装在钻机上，且与钻机的钻进方向平行；导套、螺母电机设置在动力箱体（2.1）上，丝杠与行走电机连接。

6.如权利要求4所述的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：所述涨紧轮（2.6）、所述主动同步带轮（2.2）均设有防止同步带（3）轴向窜动的挡边；所述涨紧臂（2.4）设置有防止同步带（2.3）脱落的防脱环（2.7），所述同步带（2.3）的带体贯穿于防脱环（2.7）内；在动力箱体（2.1）上、围绕同步带（2.3）的***，设置有防止同步带（2.3）脱落的防脱板（2.8）。

7.如权利要求4所述的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：所述导轨座（3.1）设置有导轨、以及与导轨平行的齿条；所述滑台（3.2）设置有与导轨对应的导轨槽、与齿条对应啮合的传动齿轮，其中，传动齿轮通过减速机与第一伺服电机连接。

8.如权利要求4所述的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：所述旋转油缸（3.8）为180°定转角的旋转油缸。

9.如权利要求4所述的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：所述升降臂（3.4）为四方滑柱，在四方滑柱上设置有轴向的齿条；所述旋转臂（3.3）设有四方滑柱对应的四方滑槽、与齿条对应啮合的传动齿轮，其中，传动齿轮通过减速机与第二伺服电机连接。

10.如权利要求4所述的一种钻杆自动装卸设备，其特征是：所述装卸臂（3.5）垂直于升降臂（3.4）设置，所述电磁吸盘（3.6）设有与钻杆外圆面相对应的半圆槽。