CN1759401A - 钻孔装置的改进 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钻孔装置(1)，其具有一个基座(2)，钻具固定臂可旋转地连接到基座(2)上。钻臂(3)包括内臂(4)和外臂(5)。第一端部(6)通过第一枢转连接件(8)可旋转地连接到基座(2)上。所述的外臂(5)具有第一端部(9)和第二端部(10)。内臂(4)的第二端部(7)通过第二枢转连接件(11)可旋转地连接到外臂(5)的第一端部(9)。在外臂的第二端部(10)具有钻具固定设备(12)。所述的内臂(4)和外臂(5)可通过液压缸(13)形式的驱动设备获得驱动。液压缸(13)的合适的操作可使外臂(5)的第二端部(10)沿着基本线性的轨迹运动。
Description
技术领域
本发明涉及对钻孔装置的改进或涉及钻孔装置。尤其是但并不仅仅是，本发明涉及在苛刻条件(如采矿、隧道掘进以及水中钻孔工业)中所用装置的改进。
背景技术
无论是在采矿工业还是在隧道掘进工业中，钻孔装置主要应用的领域为用于锚杆支护的钻孔。进行锚杆支护是为了防止岩石坍塌和井壁坍塌，另一方面也是为了使隧道或矿井的顶和壁稳定。
在采矿或采石工业中，钻孔装置也会被部分用在掘进过程中，例如利用钻开的孔放置***以进行***。其它应用包括钻小直径孔眼，例如为了回采和探头钻孔。
用于上述情况的现有钻孔装置通常包括一个吊杆，冲击式钻具沿着该吊杆滑动。所述的吊杆通常纵向安装在钻架上，并且所述的钻具可滑动地安装在所述吊杆上。一单独的进给机构用于驱动每一吊杆和钻具。在这种装置中，钻机通常通过链条或绳索移动，所述链条或绳索缠绕在安装于吊杆端部的轮子上，并且其末端被紧固到所述钻具上。所述链条在液压缸或类似装置的作用下运动。反过来，所述吊杆通过液压缸而相对于钻架移动，所述液压缸安装在吊杆和钻架之间。
与用于采矿和隧道掘进中的钻孔设备的设计相关的一个因素为在有限空间内的尺寸和灵活性问题。
在现有的装置中，如果需要钻6m的孔，那么所述吊杆也必须具有6m长。这种结构能够钻较短的孔，然而，当需要钻较短的孔时，具有2m钻杆的6m吊杆在钻具的后面具有4m的无用吊杆。
连接到有轮车辆上的钻机常常要在地下隧道中的非常狭窄的角落周围进行操作。钻孔装置的长度常常会影响其灵活性，并且还经常发生坍塌。为了在实践中增加其灵活性，一般需要对其进行拆卸。
此外为了空间的考虑，用于采矿、隧道掘进和采石中的钻孔装置必须坚固结实以适应恶劣环境的其它方面。
不幸地是，现有钻孔装置的滑动设备不能完全满足这一需要，并且具有较高的维护需求。通常最大的损坏出现在向液压缸和钻具供应动力的暴露的液压软管，所述的液压缸使吊杆的向前推进。另一个问题出现在暴露的液压软管卷绕工具。由于岩石坍塌或由于任意移动部件对岩石的破碎会产生这些固定的毁坏风险。
此外，恶劣的工作环境会产生岩石坍塌破坏、过渡磨损和疲劳。用于推动钻杆进入岩石的滑动***很难适应来自冲洗液的细小岩屑的恒定的冲刷和磨损表面之间的工况。在使用冲击式钻机的情况下，这种情况被锤击作用混合在一起，所述的锤击作用产生显著的振动分量，其加速了移动部件之间的磨损。在向前推进钻具的过程中，这些现有的***还具有各种其它显著的磨损部件，它们遭受类似的磨损模式。
现有装置的滑动结构还阻碍了其它与隧道掘进或采矿过程结合的活动，例如喷浆的应用。喷浆为非常耐磨的材料，其含有悬浮在喷浆中的钢筋。为了使隧道顶部稳定，将该材料喷洒到隧道的内部。如果偶然将喷浆喷洒到了现有装置的滑动表面上，就会加速磨损，并且修理成本也会增加。
主要由于本发明的装置结构紧凑，所以本发明另一公认的应用领域在于与孔钻机结合使用，所述钻机可在公路和高速公路上从一个地方被运输到另一个地方。
现有的结构通常使用塔式设计以能在基本垂直的方向向下钻进。这种结构笨重，并且在将其运输到井场之后常常需要大量的安装时间。此外，由于这种装置的普通结构，其本身的运输也是一个问题。即使将其部分地拆散，在公路上移动这种装置仍需要笨重的运输车辆，这种运输方式既耗时又费钱。这种公开的不便也常常会变成一个问题。
本发明的目的在于提供一种钻孔装置，该装置克服了至少一些现有装置的上述问题，或者至少为公众提供一种有益的选择。
发明内容
在本发明的最宽方面，本发明提供一种钻孔装置，其具有一个基座，钻具固定臂可旋转地连接到基座上，所述的钻具安装臂包括内臂和外臂，所述的内臂具有第一端部和第二端部，所述的外臂具有枢转连接端和自由端，所述内臂的第一端部通过第一枢转连接件可旋转地连接到基座上。所述第二端部通过第二枢转连接件可旋转地连接到外臂的枢转连接端，在外臂的自由端具有适于用于固定钻具的固定设备，所述的装置还包括适于沿着基本线性的轨迹驱动位于外臂自由端的固定设备的驱动设备。
可优选地是，内臂偏离外臂以允许外臂无干涉地旋转着经过内臂。理想地是，外臂可相对于内臂旋转至少320度。
可优选地是，内臂可相对于基座旋转180度。
理想地是，内臂和外臂具有基本相同的长度，并且基座被构造和设置成避免干涉外臂自由端的形式。
便利地是，固定设备通过第三枢转连接件可旋转地固定到外臂的自由端上。
可优选地是，所述的驱动设备包括一个或多个液压缸。最优地是，一个或多个液压缸驱动第一、第二和第三枢转连接件旋转。
理想地是，第二枢转连接件包括一个偏离臂，该偏离臂与外臂具有相同的轴线，但是其相对于外臂偏离90度，通过两个固定的液压缸对第二枢转连接件进行驱动，从而在第一液压缸完全伸出或缩回并因此而不能旋转外臂时，所述的第二液压缸处于其冲程的中间。
在本发明更加优选的形式中，第三枢转连接件用作钻角矫正连接件，以便在使用中使钻杆在钻孔过程中处于合适的平面内。
可优选地是，所述装置还包括钻杆支承臂，以便在使用中将钻杆在钻孔期间支承在合适的位置。
理想地是，所述的支承臂是可缩回的，并且支承臂的缩回或推进平行于钻孔轴线。
便利地是，所有与驱动设备相连的液压软管被包在内臂和外臂内。最优地是，为了在使用中使液压流体、水和空气到达固定在固定设备上的各个液压设备和钻具，旋转密封件和端口锁销可用在连接件中并被设置成允许旋转360度而不会使软管扭在一起的形式。
理想地是，固定设备包括喷浆喷嘴，并且所述的装置包括喷浆进给管线以在使用中利用钻孔装置喷洒喷浆。
最优地是，所述的装置还包括计算机控制设备，以便根据由计算机软件控制的模式驱动各个液压控制器和定位液压缸。
理想地是，计算机控制设备包括传感器以确认所述装置的各个部件的位置，并且所述的计算机控制设备具有自诊断特征，以便在内臂和外臂处于某一特定的物理位置时可检查所述传感器的精度。
便利地是，在液压流体进给管线上设有传感器以检测钻杆是否开始堵塞。
可优选地是，所述的装置包括安装在液压流体进给管线上的传感器，所述的液压流体进给管线使钻杆进行旋转，所述的传感器用于检测锤击作用的频率以确定最优的进给速度/压力设置。
理想地是，本发明还包括电子数据存储和显示设备，以记录来自液压和气动进给管线上各个传感器的数据，从而确定工具和钻杆的消耗和效率、岩石硬度和地质数据以及在特定使用阶段所安装的锚杆数量。
本发明的优点为：其为岩石钻具提供了一个进给设备，其中，完成移动运动的结构尽可能简单并使用无滑动机构或暴露的软管。
本发明的另一个优点为：根据本发明的装置能够完成多种任务，可用于本发明中的如喷洒喷浆和锚杆支护和探头钻孔。
本发明的又一个优点为：根据本发明的装置可使用相同结构的不同长度的钻杆，不会浪费空间。
本发明的再一个优点为：为了运输的目的，可容易地将本发明的装置折叠成紧凑形式。
附图说明
现在结合示例对本发明的两个优选形式进行描述，但是其仅仅作为示例而不对如权利要求书所述的本发明的范围进行限定。所述的优选实施例在岩石钻孔中具有特定的应用，并且在下面结合附图对其描述。所述附图包括如下所述的图1至图19：
图1：为根据本发明的钻孔装置的侧视图；
图2：为图1所示装置的平面图；
图3：为图1所示装置的后视图；
图4：为图1所示装置的正视图；
图5：为图1至图4所示装置的侧视图，其用于示出各个液压缸和锁销连接装置；
图6：为根据本发明的装置的另一实施例的侧视图，该装置基本上为机械驱动型式；
图7-图8：为处于不同驱动阶段的图6所示装置的三维视图；
图9至图12：为处于不同驱动阶段的图1至图4所示装置的系列三维视图，其中示出了可能的运动的范围；
图13至图18：为钻孔过程中处于各个驱动阶段的图1至图4所示装置的系列侧视图；
图19：为折叠起来以进行运输的图1至图4所示装置的透视图；
图20：为从后右侧所视的图1至图4所示装置的透视图；
图21：为从后左侧所视的图20所示装置的透视图。
具体实施方式
参看附图，提供一种图1所示的钻孔装置。装置1具有基座2，钻臂3可旋转地安装在基座2上。钻臂3具有内臂4和外臂5。
内臂4具有第一端部6和第二端部7。第一端部6通过第一枢转连接件8连接到基座2上。外臂5具有第一端部9和第二端部10。内臂4的第二端部7通过第二枢转连接件11连接到外臂5的第一端部9上。
在外臂5的第二端部10处具有钻具固定组件12。
通过液压缸13形式的驱动设备使内臂4和外臂5进行动作。液压缸13的合适操作使外臂5的第二端部10沿大致线性的轨迹运动。
内臂4偏离外臂5以使外臂5无干涉地旋转经过内臂4。所述偏离可使外臂5相对于内臂4进行至少320度的旋转。
第一枢转连接件8的作用为使钻臂3在钻孔过程中处于合适的角度。在图1至图5和图9至图22所示的优选实施例(下文称作“第一优选实施例”)中，这是通过使用两个液压缸101和102来定位而实现的。这些液压缸101和102互相偏离75度。这样设置的原因是为了使至少一个液压缸101/102在任意特定时间垂直于枢转连接件8的旋转轴线，从而使内臂4能够相对于基座2旋转180度。
在第一优选实施例中，液压103和104相对控制内臂4和外臂5。枢转连接件11使用能够使外臂5旋转大于180度的设备。
在这一方面，其设置有一偏移杆105，该偏移杆与外臂5具有相同的旋转轴线，但是其具有相对于外臂5的液压缸104的驱动位置偏离90度的液压缸103的驱动位置。这意味着当一个液压缸103/104完全伸出或缩回并从而没有能力旋转所述的臂时，其它液压缸104/103处于其冲程的中间。因而，当偏移臂液压缸103完全缩回并且不能旋转偏移杆105时，外臂液压缸104处于其冲程的中间并垂直于所述轴线。
内臂4和外臂5具有基本相同的长度，并且设置连接件8，11和臂4，5，以便钻孔过程能够从基座连接件8的后面开始，并且也意味着臂4，5的长度仅需要约28％的钻杆长度。例如，当使用4m的钻杆时，每一内臂4和外臂5仅仅需要接近1.2m长。因此，这一性质为可用的钻杆长度范围提供了最大的灵活性。
钻孔角度矫正连接件14安装在外臂5的自由端10。这个连接件14的作用为在钻孔过程期间使钻具保持在合适的平面内。所用的机械装置是公知的，为类似于用于移动液压挖掘机勺斗的机械组件。该***包括一钻架15，钻架定位液压缸106可将钻架15移动达180度。
本发明的第一优选实施例还包括一钻杆定位臂107。连接到钻杆定位臂107前端的是钻杆导块108。定位臂107具有三个作用，即：其瞄准钻杆202的头部201，其将钻杆202保持在合适的位置以进行钻孔，以及其在钻机203工作时作为支承件而移动到钻杆202的中部。
定位臂107是可缩回的，也就是定向缩回或线性并平行于钻孔轴线前进。定位臂107可旋转地安装到基座2上，其旋转是由液压缸109操纵的，所述液压缸109在定位臂107和基座2之间伸出。
钻孔时钻杆202的稳定并不是由定位臂的刚性设定而是由推入岩石的定位臂107自由端的尖端204设定的。这样的力是通过向定位臂107施加推力而获得的，优选施加达8吨的力。
图5示意性地示出了各个液压缸、连接件和枢转连接件的操作和驱动位置。
在第一优选实施例中，与各个液压设备连接的液压软管被包在内臂4和外臂5之内(在图5中未示出)。这是超过现有设计的一个显著优点。
为了使液压流体、水和空气到达各个液压设备，液压锤和钻具203，旋转密封件和端口锁销被用在连接处并被构造和设置成用于允许进行360度的旋转而不会使软管扭在一起的形式。
在第一优选实施例中，装置1还包括计算机控制设备，以便各个液压控制器和定位缸可根据由计算机软件控制的模式进行动作。
计算机控制设备还允许使用大量与装置1相同尺寸的不同长度的钻杆202。所需钻杆202的长度可简单地从计算机菜单中选择，计算机然后重新计算机械运动以适应钻杆202的长度。
在第一优选实施例中，臂3的线性运动(在钻孔或定位过程中使用)是通过计算控制设备实现的。具有大量的元件来实现这种控制方法。首先，臂3和连接件8，11，14的位置是利用传感器301，302，303和304测量的。这些传感器为不受振动影响的耐振设备，并且其用于测量旋转位置和速度。
臂107的笛卡儿坐标是利用所测的传感器位置计算出的。
然后利用臂107的笛卡儿坐标计算出所需的臂4，5的角坐标。所需的角速度也被计算出。这是通过差分所需臂4，5的角坐标而得到的。
所需的臂连接件8，11的速度和臂4，5的位置用于计算所需液压缸的速度，其通过PID控制器借助脉宽调制(PWM)放大器而获得，所述脉宽调制放大器驱动定量液压阀。
用于PID控制器的过程变量为臂连接件8/11/14的位置。利用传感器301，302和303测量臂连接位置的反馈。
钻孔时臂4，5的线性运动就定位而言是相似的。然而，臂4，5和钻架15沿着虚线通过钻杆导块108，与进入岩石的臂107具有相同的伸入角度。
钻孔期间臂107以钻杆202速度的一半速度伸出。
在开始钻孔之前，臂107引导着臂4，5和钻架15。操作员调整臂107的角度及其伸长直至其与岩石接触。
如图9到18所示，钻孔过程开始。除了在钻孔过程期间臂107的位置保持固定之外，其与所述的钻孔过程相同。
在钻孔时水力进给压力用于调整钻杆202的目标速度。进给压力是通过安装在钻具203和钻架15之间的钻孔载荷传感器305测量的。
一旦获得了所需的钻孔深度，钻杆202自动缩回。除了钻杆202不沿着直线进入岩石而是其沿着反向直线进入并且臂107在整个过程中保持固定之外，所述的缩回基本上类似于钻孔。
一种自诊断部件构成了计算机控制***。在这方面，液压定量控制阀需要校准数据以便计算机能够精确地控制液压缸的速度。在测量每一连接件的速度时，计算机在脉冲宽度调制范围内移动每一连接件8，11，14。据此计算液压缸的速度。这一调制/液压缸数据被存储起来并用于定位和钻孔操作。
由于第一优选实施例的控制***的机械和电力特征，其为自己很好地提供了数据存储和显示，如工具和钻杆消耗和效率、岩石硬度和地质数据以及类似于在一次移动中所安装锚杆的数量的简单信息。目前可用的岩石锚杆***完全是机械的并不提供记录岩石地质信息和其它重要数据的设备。
因此，第一优选实施例还包括地质探测***以通过使用安装在冲击钻头上的压力传感器记录岩石地质信息。理想地是，这一信息被送至触摸屏面板(TSCP)或者类似的设备，并且然后被转换成隧道的3D图像，钻孔装置所钻孔眼可在图像中显示出来。这使得设计地质工作者实时地看到岩石状况。所述的孔眼可进行颜色编码以显示不同的岩石硬度。
现在专门参考图6到图8，装置1的完整方案在其中被示出。
在第二优选实施例中没有计算控制设备，其只是包括液压缸和机械连接件的机械设计。然而，其工作原理基本上与第一优选实施例相同，并且相似的部件具有相同的附图标记。
如图所示，其具有两个并列设置的臂3，其具有两个间隔开的内臂4，以允许外臂对5在它们之间摆动。
当液压缸13缩回时，液压缸连接件401使内臂4逆时针旋转。在第一个半冲程期间，收缩臂402(其处于拉伸状态)向前拉伸外臂5。在第二个半冲程期间，收缩臂402(其处于压缩状态)向前推外臂5，所述收缩臂402连接到杠杆臂403上。在液压缸13缩回时，杠杆臂403通过液压缸连接件401而旋转，从而使外臂5顺时针方向旋转。
岩石钻具的姿态由两个钻具杠杆臂404维持。
尽管第一优选实施例的液压设备已经被描述为由计算机控制，但是一可选择的控制方法可通过使用分流器和不同尺寸的液压缸而获得，以使臂5的端部保持线性轨迹。在这一实施例中，外臂5与内臂4的连接件11行进两倍于内臂的连接件8的旋转距离。可使用分流器以获得这一比值，以便用于控制外臂5的液压缸容量是用于控制内臂4的液压缸的容量的一半。
获得这一效果的另一方法是在内臂4与基座2之间使用辅助液压缸。这些液压缸的容量是用于控制外臂5的液压缸的容量的两倍。
现在转到钻孔装置的第一优选实施例的应用上，装置1可被安装到卡车或类似运输工具上(未示出)。装置1的部件基本上如上面所描述的一样，然而，钻具203取代了公知结构的合适钻头。
特别参考图19，例如，基座2可通过固定件501和502而旋转地安装到车底座上。在图示的方向上，装置1处于其最紧凑并最适于运输的状态。在使用中，基座2可通过液压缸旋转某一角度，例如90度，以便让臂107在垂向上受引导以开始钻孔作业。公知的车辆稳定器和类似装置可用于提供稳定的钻孔平台。
因而，本发明的优点在于使用本发明的岩石钻孔装置具有一钻臂，其几乎没有磨损部件，不具有暴露的液压软管，从而大大减少了维护，因此降低了成本和不便利的故障时间。此外，其设计结构可以在有限的空间内使用而不同于常规的装置。
可以理解，在不进行创造性修改的情况下，本发明的装置可被改进以在隧道加衬时喷洒喷浆。在这一装置中，可应用相同的基础的机械设计，但是喷浆喷嘴将与钻具一起使用，以使一个钻机进行两项工作。可改进控制运动的计算机控制设备以适应这一另外的应用。
在前面描述中已经给予整体或部件以附图标记，所述整体或部件具有公知的等同物，这些等同物也被结合在这里作为参考，好象单独阐述过一样。
虽然已经通过使用可能的实施例的示例对本发明进行了描述，但是可以理解，在不脱离如权利要求书所述的本发明的范围的情况下可对本发明做出改进和/或变型。
Claims (22)
1.一种钻孔装置，其具有一个基座，钻具固定臂可旋转地连接到基座上，所述的钻具安装臂包括内臂和外臂，所述的内臂具有第一端部和第二端部，所述的外臂具有枢转连接端和自由端，所述内臂的第一端部通过第一枢转连接件可旋转地连接到基座上，所述第二端部通过第二枢转连接件可旋转地连接到外臂的枢转连接端，在外臂的自由端具有用于固定钻具的固定设备，所述的装置还包括用于沿着基本线性的轨迹驱动外臂自由端的固定设备的驱动设备。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述内臂偏离外臂以允许外臂不受影响地旋转着经过内臂。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述外臂可相对于内臂旋转至少320度。
4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的装置，其特征在于：所述内臂可相对于基座旋转180度。
5.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于：内臂和外臂具有基本相同的长度，并且基座被构造和设置成避免干涉外臂自由端的形式。
6.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于：固定设备通过第三枢转连接件可旋转地固定到外臂的自由端上。
7.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于：所述的驱动设备包括一个或多个液压缸。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述一个或多个液压缸驱动第一、第二和第三枢转连接件旋转。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：第二枢转连接件包括一个偏离臂，该偏离臂与外臂具有相同的轴线，但是其相对于外臂偏离90度，通过两个固定的液压缸对第二枢转连接件进行驱动，从而在第一液压缸完全伸出或缩回并因此而不能旋转外臂时，所述的第二液压缸处于其冲程的中间。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于：第三枢转连接件用作钻角矫正连接件，以便在使用中使钻杆在钻孔过程中处于合适的平面内。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于：所述装置还包括钻杆支承臂以便在使用中将钻杆在钻孔期间支承在合适的位置。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于：所述的支承臂是可缩回的，并且支承臂的缩回或推进平行于钻孔轴线。
13.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所有与驱动设备相连的液压软管被包在内臂和外臂内。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于：其还包括安装在固定设备上的钻具。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于：为了使液压流体、水和空气到达固定在固定设备上的各个液压设备和钻具，旋转密封件和端口锁销可用在连接件中并被设置成允许旋转360度而不会使软管扭在一起的形式。
16.如权利要求13至15中任一权利要求所述的装置，其特征在于：所述固定设备包括喷浆喷嘴，并且所述的装置包括喷浆进给管线，以在使用中利用钻孔装置喷洒喷浆。
17.如权利要求6至16中任一权利要求所述的装置，其特征在于：所述的装置还包括计算机控制设备，以便根据由计算机软件控制的模式驱动各个液压控制器和定位液压缸。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于：所述的计算机控制设备包括传感器以确认所述装置各个部件的位置，并且所述的计算机控制设备具有自诊断特征，以便在内臂和外臂处于某一特定的物理位置时可检查传感器的精度。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于：在液压流体进给管线上设有传感器，以检测钻杆是否开始堵塞。
20.如权利要求18或19所述的装置，其特征在于：所述的装置包括安装在液压流体进给管线上的回程管线上的传感器，所述的液压流体进给管线使钻杆进行旋转，所述的传感器用于检测锤击作用的频率以确定优化的进给速度/压力设置。
21.如权利要求18至20中任一权利要求所述的装置，其特征在于：所述装置还包括电子数据存储和显示设备，以记录来自液压和气动进给管线上各个传感器的数据，从而确定工具和钻杆的消耗和效率、岩石硬度和地质数据以及在特定使用阶段所安装的锚杆数量。
22.如权利要求1所述的装置，其特征在于：其基本上是如本文所述或结合附图所示的装置。
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