CN111648729A - 一种钻杆自动加接装置及钻杆自动加接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻杆自动加接装置及钻杆自动加接方法，属于煤矿钻机钻杆加接技术领域，包括位于钻机一侧的机械手，机械手包括回转机构，回转机构包括与钻机连接的回转驱动装置和与回转驱动装置连接的回转臂，回转臂连接有伸缩机构，伸缩机构上连接有钻杆夹持机构，钻杆夹持机构的下方设有钻杆箱；钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置过钻机倾角调整轴线，钻杆夹持机构跟随伸缩机构在回转驱动装置的驱动下可转至其夹持中心与钻机钻进轴线重合的位置。本发明只需一次固定转置就能完成钻杆加接，解决了钻杆变角度转置才能完成钻杆加接的问题。

Description

一种钻杆自动加接装置及钻杆自动加接方法

技术领域

本发明属于煤矿钻机钻杆加接技术领域，涉及一种钻杆自动加接装置及钻杆自动加接方法。

背景技术

现有钻杆自动加接技术通常采用侧方位机械手(或其它钻杆输送装置)拾取钻杆。钻杆初始位置(水平)与终止位置(动力头中心)处于空间异面直线关系，需要经过两次变角摆转与两次伸缩才能从初始位置转置至终止位置，通过机械手将钻杆输送到与动力头和夹持器之间的钻进轴线重合的位置，并通过动力头和两个夹持器的多次配合操作，实现钻杆的自动加接。

此种钻杆自动加接方式至少需要一个机械手、一套双夹持器，钻杆经过多次位置变换，才能到达加接位置(与钻进轴线重合)。在拆卸钻杆时，必须借助双夹持器摆动松开前端钻杆螺纹连接，才能实现钻杆的拆卸。

现有钻杆自动加接存在以下问题：1.执行机构复杂，占用空间大，成本较高；2.钻杆输送的路线复杂，钻杆加接动作多，效率较低；3.钻机空间结构精度要求高，机械手精度要求高，加工难度大；4.只能适用于专用的自动化钻机，无法与传统液压钻机匹配。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种钻杆自动加接装置及钻杆自动加接方法，解决钻杆变角度转置加接钻杆的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种钻杆自动加接装置，包括位于钻机一侧的机械手，机械手包括回转机构，回转机构包括与钻机连接的回转驱动装置和与回转驱动装置连接的回转臂，回转臂连接有伸缩机构，伸缩机构上连接有钻杆夹持机构，钻杆夹持机构的下方设有钻杆箱；钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置过钻机倾角调整轴线，钻杆夹持机构跟随伸缩机构在回转驱动装置的驱动下可转至其夹持中心与钻机钻进轴线重合的位置。

可选地，所述钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置位于钻杆箱的一端，钻杆箱可绕机械手从钻杆箱内拾取钻杆的位置中心线摆动。

可选地，所述钻杆箱包括箱体，箱体的后端可绕钻机倾角调整轴线摆动，箱体的前端连接有使箱体绕钻机倾角调整轴线摆动的摆动驱动装置，摆动驱动装置的固定端固定在钻机机架上。

可选地，钻机机架与箱体之间设有相互配合的圆弧滑槽和圆弧滑块，箱体通过相互配合的圆弧滑槽和圆弧滑块可绕钻机倾角调整轴线摆动。

可选地，所述钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置中心线与钻机钻进轴线共面。

可选地，所述钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置与回转臂之间的距离大于钻机钻进轴线与回转臂之间的距离。

可选地，钻机的夹持器上设有限制伸缩机构行程的限位件。

可选地，所述回转驱动装置与钻机夹持器连接。

可选地，摆动驱动装置、伸缩机构均为液压缸。

一种钻杆自动加接方法，包括以下步骤：在钻机一侧设置机械手，在机械手下方设置钻杆箱，机械手伸出从钻杆箱内拾取待加接钻杆，然后缩回并旋转至使其夹持中心与钻机钻进轴线重合，钻机动力头前进至可夹持待加接钻杆的位置，钻机卡盘夹紧过渡钻杆与待加接钻杆旋接，机械手松开待加接钻杆，钻机动力头旋转并前进，直至与钻机夹持器中的钻杆完成连接。

可选地，转式机械手从钻杆箱内拾取钻杆的位置位于钻杆箱的一端，钻杆箱可绕机械手从钻杆箱内拾取钻杆的位置中心线摆动，钻杆箱内的钻杆在重力的作用下可移动至机械手从钻杆箱内拾取钻杆的位置或从该位置移出。

本发明的有益效果在于：

1.本发明只需一次固定转置和伸缩就能完成钻杆加接，解决了钻杆变角度转置和二次伸缩才能完成钻杆的加接问题。

2.本发明的执行机构简单、布局紧凑，占用空间小，提升自动化钻机在中小煤矿的适应能力。

3.本发明的钻杆输送路线简单，执行效率高，同时降低了结构精度和执行精度要求，减小了加工难度。

4.本发明通过设置摆转式机械手，使用单夹持器即可实现待拆卸钻杆两端螺纹的拆卸。

5.本发明的传统液压卡盘式钻机进行少量改动即可应用本申请的方案，解决了传统钻机自动加接钻杆改造复杂的问题。

6.本发明可实现半自动钻进与自动钻进的转化，大幅度提高了钻杆的加接效率，避免了人工旋接钻杆，降低了劳动强度。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为钻杆自动加接装置的立体结构示意图；

图2为钻杆自动加接装置的主视图；

图3为机械手的结构示意图。

附图标记：动力头1、机架2、夹持器3、机械手4、钻杆箱5、卡盘1-1、减速器1-2、水辫轴向移动液压缸1-3、限位件3-1、夹持器本体3-2、回转驱动装置4-1、支撑架4-2、连接臂4-3、伸缩机构4-4、夹持机构4-5、箱体5-1、摆动驱动装置5-2、连接头5-3。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参阅图1～图3，一种钻杆自动加接装置，包括位于钻机一侧的机械手4，机械手4包括回转机构，回转机构包括与钻机连接的回转驱动装置4-1和与回转驱动装置4-1连接的回转臂4-3，回转驱动装置4-1可为马达，回转臂4-3连接有伸缩机构4-4，伸缩机构4-4可为伸缩式液压缸，伸缩机构4-4上连接有钻杆夹持机构4-5，钻杆夹持机构4-5的下方设有钻杆箱5；钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置过钻机倾角调整轴线，钻杆夹持机构4-5跟随伸缩机构4-4在回转驱动装置4-1的驱动下可转至其夹持中心与钻机钻进轴线重合的位置。

优选地，钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置位于钻杆箱5的一端，钻杆箱5可绕机械手4从钻杆箱5内拾取钻杆的位置中心线摆动。

为了减小占地面积，本发明的钻杆箱5转动连接在钻机机架上，钻杆箱5采用摆动式钻杆箱，包括箱体5-1，箱体5-1的后端与钻机机架连接，箱体5-1的前端连接有使箱体5-1绕钻机倾角调整轴线摆动的摆动驱动装置5-2，摆动驱动装置5-2的固定端连接在钻机机架2上。钻杆箱5通过摆动驱动装置5-2调整其倾角，钻杆通过自身的重力使其远离箱体5-1的后端或移至箱体5-1的后端，钻杆位于箱体后端时的位置即为钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置。

优选地，钻机机架2与箱体5-1之间设有相互配合的圆弧滑槽和圆弧滑块；可通过在钻机机架2一侧设有圆弧滑槽，在箱体5-1上设有与圆弧滑槽匹配的圆弧滑块，来实现箱体5-1绕钻机倾角调整轴线摆动。

为了便于向钻杆箱5内装入钻杆，本发明的钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置与回转臂4-3之间的距离大于钻机钻进轴线与回转臂4-3之间的距离，以降低钻杆箱5的位置；还在夹持器3上设置限制伸缩机构4-4行程的限位件3-1，限位件3-1可为机械式限位，例如可在夹持器3朝向动力头1的一端设置限位块。

本发明的钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置中心线还可与钻机钻进轴线共面，此时可不用设置伸缩机构4-4的限位结构，即可不用设置限位件3-1。

优选地，回转驱动装置4-1与钻机夹持器3连接。

一种钻杆自动加接方法，包括以下步骤：在钻机一侧设置机械手4，在机械手4下方设置钻杆箱5，机械手4伸出从钻杆箱5内拾取待加接钻杆，然后缩回并旋转至使其夹持中心与钻机钻进轴线重合，钻机动力头1前进至可夹持待加接钻杆的位置，钻机卡盘1-1夹紧过渡钻杆与待加接钻杆旋接，机械手4松开待加接钻杆，钻机动力头1旋转并前进，直至与钻机夹持器3中的钻杆完成连接。

优选地，机械手从钻杆箱5内拾取钻杆的位置位于钻杆箱5的一端，钻杆箱5可绕机械手从钻杆箱内拾取钻杆的位置中心线摆动，钻杆箱5内的钻杆在重力的作用下可移动至机械手从钻杆箱内拾取钻杆的位置或从该位置移出。

本发明只需一次固定转置和伸缩就能完成钻杆加接，解决了钻杆变角度转置和二次伸缩才能完成钻杆的加接问题；本发明的执行机构简单、布局紧凑，占用空间小，提升了自动化钻机在中小煤矿的适应能力；本发明的钻杆输送路线简单，执行效率高，同时降低了结构精度和执行精度要求，减小了加工难度；本发明使用单夹持器即可实现待拆卸钻杆两端螺纹的拆卸。

传统液压卡盘式钻机进行少量改动即可应用本发明的方案，本发明解决了传统钻机自动加接钻杆改造复杂的问题，可实现半自动钻进与自动钻进的转化，大幅度提高钻杆的加接效率，避免人工旋接钻杆，降低了劳动强度。

实施例

一种自动加接钻杆钻进装置，如图1～图3所示，包括动力头1、机架2、夹持器3、摆转式机械手4、钻杆箱5，各零部件的具体结构、连接方式及其作用如下；

动力头1：夹持钻杆旋转，实现钻进功能，主要由卡盘1-1、减速器1-2、水辫轴向移动液压缸1-3组成，减速器1-2将液压马达输出的转速经过减速后，传递到卡盘1-1，并带动卡盘1-1旋转，卡盘1-1可实现钻杆夹紧与打开。在钻杆加接时，为避免水辫的拆卸和保证水辫与钻杆间的密封，采用前置式钻杆加接，即过渡钻杆的公头部分是露出动力头1的卡盘1-1的。水辫轴向移动液压缸1-3的主要作用是便于拆卸钻杆，在拆卸钻杆时，牵引动力头中心处的过渡钻杆回缩，从而让出卡盘空间，便于夹持待拆卸钻杆。

机架2：与动力头1、夹持器3、钻杆箱5连接，起支撑连接作用，动力头1可沿机架2前后移动，实现夹持钻杆的进给运动。夹持器3位于机架2的前端，同动力头1配合，实现钻杆的加接与拆卸；钻杆箱5位于机架2的一侧，钻杆箱5可绕钻机倾角调整轴线转动。

夹持器3：位于机架2的前端，包括夹持器本体3-2，同动力头1配合，实现钻杆的加接与拆卸。

摆转式机械手4：完成钻杆的抓取、实现固定角转置。

其功用：同动力头1配合，完成钻杆一端的连接(可螺纹旋接或卡盘夹紧)，钻进完成后，夹持住钻进钻杆，防止钻杆前后移动和转动，防止掉钻或退钻，同时完成加接钻杆与工作钻杆的机械旋接与拆卸，

结构由以下几部分组成：

回转驱动装置4-1：为马达，固定于支撑架4-2，并带动回转臂4-3转动，实现机械手的转动，进而带动钻杆转动90°；

支撑架4-2：固定于夹持器3上，实现将摆转式机械手4固定在夹持器3上；

回转臂4-3：一端与转置马达4-1固定连接，在转置马达的驱动下可转动90度，另一端设有伸缩机构4-4和滑道，滑道的一侧设有挡块，夹持器3朝向动力头1的一端设置有用于限制挡块位置的限位块；伸缩机构4-4连接有夹持机构4-5，夹持机构4-5可在滑道内上下滑动，以实现钻杆位置的调整；

伸缩机构4-4：可为伸缩液压缸4-4，固定在回转臂4-3上，输出端同夹持机构4-5连接，夹持机构4-5在伸缩机构4-4的作用下，可沿滑道上下移动；

夹持机构4-5：包括夹爪和与夹爪相连的夹爪驱动装置，夹爪驱动装置同伸缩机构4-4连接，并沿滑道上下移动，夹爪驱动装置为液压缸，夹爪可在液压缸的作用下，实现钻杆的夹紧与打开。

为了降低钻杆箱的位置，钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置与回转臂4-3之间的距离大于钻机钻进轴线与回转臂4-3之间的距离。

钻杆箱5：容纳钻杆，可绕机架2转动，由箱体5-1、摆动驱动装置5-2和连接头5-3组成，摆动驱动装置5-2为液压缸，连接头5-3固定在箱体5-1上，摆动驱动装置5-2的输出端与连接头5-3铰接，摆动驱动装置5-2的固定端与机架连接。当倾角钻进时，机架2前后倾斜，摆动驱动装置5-2伸缩调整箱体5-1位置，使箱体5-1近夹持机构4-5一端低于另一端，确保钻杆在重力的作用下，静止于近夹持机构4-5一端；为确保钻杆箱的方位角调整时，机械手从钻杆箱拾取钻杆保持不变，以摆转式机械手从钻杆箱内拾取钻杆的位置为中心，同时在机架2和钻杆箱5之间设计其同心配合机构，即在机架2上开槽、钻杆箱5设榫，使钻杆箱5倾角调整时，抓取钻杆位于钻杆箱的回转中心。

本实施例的钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置中心线、钻机倾角调整轴线和钻杆箱的回转中心线共线。

本发明的工作原理如下：

1钻杆加接

初始位置：调节钻杆箱的摆动驱动装置5-2，使近摆转式机械手4一端低于另一端，顺着箱体转动轴线放置钻杆，钻杆公头一端紧邻机架2。

(1)钻杆拾取

1)摆转式机械手4在回转驱动装置4-1的作用下，实现摆转式机械手4转置，确保夹持机构4-5的夹持中心同钻杆平行；

2)伸缩机构4-4伸出，夹持机构4-5与钻杆接触；

3)夹持机构4-5夹持钻杆；

4)伸缩机构4-4回退，夹持机构4-5带动钻杆提起；

5)回转驱动装置4-1转动，带动机械手转置90°；

6)伸缩机构4-4伸出，在限位件3-1的作用下，钻杆放置于夹持器3的夹持中心；

(2)钻杆母头连接

1)动力头1正转并缓慢前移；

2)卡盘1-1内的钻杆与摆转式机械手4夹持的钻杆螺纹旋接；

3)夹持机构4-5松开；

4)在伸缩机构4-4的作用下，夹持机构4-5升起离开待加接钻杆；

5)动力头1正转并缓慢前移，待加接钻杆同夹持器3中的钻杆旋接，实现待加接钻杆的公头螺纹旋接；

6)夹持器3松开，完成钻杆加接；

7)钻进装置送进完一根钻杆后，夹持器3夹紧钻杆；

8)动力头1反转并后退，留出下一根加接钻杆空间；

9)摆转机械手在回转驱动装置4-1作用下，实现摆转式机械手4转置90°，回到夹持机构的夹持中心同钻杆平行的位置，循环执行上述钻杆拾取的步骤和上述钻杆母头连接的步骤，实现下一根钻杆加接。

2钻杆拆卸

钻孔钻进结束后，调节钻杆箱的摆动驱动装置5-2，使钻杆近摆转式机械手4端高于远端，夹持器3夹紧钻杆。

(1)卡盘1-1内钻杆的旋出：动力头1反转，旋松卡盘1-1内的钻杆螺纹，动力头1后退至最后端，留出接头公头长度空间，手动或机械拆除卡盘1-1内钻杆，留出卡盘1-1空间。

(2)钻杆拆卸

1)动力头1前移，卡盘1-1夹紧待拆卸钻杆；

2)动力头1反转，钻杆公头反转，待拆卸钻杆从被夹持钻杆中旋出；

3)摆转式机械手4转置90°至待拆卸钻杆上方；

4)摆转式机械手4伸出，并夹持待拆卸钻杆；

5)卡盘1-1松开，动力头1向后移动，卡盘1-1移出不小于钻杆长度的空间，摆转式机械手4缩回；

6)摆转式机械手4转置90°，钻杆回到钻杆箱5上方；

7)摆转式机械手4伸出，钻杆放置于钻杆箱5内；

8)夹持机构4-5打开，钻杆落入钻杆箱5，并沿着钻杆箱5向下移动，为下一根钻杆留出空间；

9)伸缩机构4-4回缩，夹持机构4-5处于最高位置；

10)动力头1前移，直到下一根待拆卸钻杆的后端深入卡盘1-1内部，卡盘1-1夹紧钻杆；

11)夹持器3打开；

12)动力头1带动待拆卸钻杆后移；

13)夹持器3夹紧待拆卸钻杆的前一根钻杆(被夹持钻杆)；

14)动力头1反转，待拆卸钻杆旋出被夹持钻杆；

15)重复钻杆拆卸中的步骤3至步骤8，完成下一根钻杆的拆除。

本发明不仅解决了水平钻杆转置至钻机动力头中心位置动作多、可变角转换以及二次伸缩和钻杆的二次送进问题；还解决了自动加接装置结构复杂，占用空间大的问题；同时也解决了钻杆输送路线复杂，加接动作多，效率较低的问题和自动加接装置无法应用于传统液压钻机的问题。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种钻杆自动加接装置，其特征在于：包括位于钻机一侧的机械手，机械手包括回转机构，回转机构包括与钻机连接的回转驱动装置和与回转驱动装置连接的回转臂，回转臂连接有伸缩机构，伸缩机构上连接有钻杆夹持机构，钻杆夹持机构的下方设有钻杆箱；钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置过钻机倾角调整轴线，钻杆夹持机构跟随伸缩机构在回转驱动装置的驱动下可转至其夹持中心与钻机钻进轴线重合的位置。

2.根据权利要求1所述的一种钻杆自动加接装置，其特征在于：所述钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置位于钻杆箱的一端，钻杆箱可绕机械手从钻杆箱内拾取钻杆的位置中心线摆动。

3.根据权利要求1所述的一种钻杆自动加接装置，其特征在于：所述钻杆箱包括箱体，箱体的后端可绕钻机倾角调整轴线摆动，箱体的前端连接有使箱体绕钻机倾角调整轴线摆动的摆动驱动装置，摆动驱动装置的固定端固定在钻机机架上。

4.根据权利要求3所述的一种钻杆自动加接装置，其特征在于：钻机机架与箱体之间设有相互配合的圆弧滑槽和圆弧滑块，箱体通过相互配合的圆弧滑槽和圆弧滑块可绕钻机倾角调整轴线摆动。

5.根据权利要求1所述的一种钻杆自动加接装置，其特征在于：所述钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置中心线与钻机钻进轴线共面。

6.根据权利要求1所述的一种钻杆自动加接装置，其特征在于：所述钻杆夹持机构从钻杆箱内拾取钻杆的位置与回转臂之间的距离大于钻机钻进轴线与回转臂之间的距离。

7.根据权利要求6所述的一种钻杆自动加接装置，其特征在于：钻机的夹持器上设有限制伸缩机构行程的限位件。

8.根据权利要求1所述的一种钻杆自动加接装置，其特征在于：所述回转驱动装置与钻机夹持器连接。

9.一种钻杆自动加接方法，其特征在于，包括以下步骤：在钻机一侧设置机械手，在机械手下方设置钻杆箱，机械手伸出从钻杆箱内拾取待加接钻杆，然后缩回并旋转至使其夹持中心与钻机钻进轴线重合，钻机动力头前进至可夹持待加接钻杆的位置，钻机卡盘夹紧过渡钻杆与待加接钻杆旋接，机械手松开待加接钻杆，钻机动力头旋转并前进，直至与钻机夹持器中的钻杆完成连接。

10.根据权利要求9所述的一种钻杆自动加接方法，其特征在于：机械手从钻杆箱内拾取钻杆的位置位于钻杆箱的一端，钻杆箱可绕机械手从钻杆箱内拾取钻杆的位置中心线摆动，钻杆箱内的钻杆在重力的作用下可移动至机械手从钻杆箱内拾取钻杆的位置或从该位置移出。

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