CN215672013U - 集束式钻进器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种集束式钻进器，变速传动***和由变速传动***驱动的集束刀组，所述集束刀组包括用于钻中心孔的中心钻和布置于中心钻外圆周的铣刀，所述铣刀可围绕所述中心钻的轴线公转的同时自转用于铣削所述中心孔的内壁。一种孔的加工方法，采用上述集束式钻进器进行加工。本实用新型具有大孔可一次性加工完成；孔壁铣削时马达扭矩小；可实现孔壁螺旋槽加工；钻头散热效果好的优点。

Description

集束式钻进器

技术领域

本实用新型涉及一种土层或岩石层的钻进装置，具体涉及一种集束式钻进器。

背景技术

现有矿用钻孔技术是钻头围绕钻孔中心旋转，沿孔轴向推进，实现周向切削和轴向切削，完成孔的加工。主要有两种方式，一种是孔外动力驱动钻杆，如图1所示，钻杆01在外动力的作用下转动，钻头02在钻杆的带动下转动，钻杆01带动钻头02围绕孔中心旋转实现钻进切削，实现钻孔。另一种是利用孔内的孔底马达03，如图2所示，钻杆01在孔内不转动，钻杆孔内有高压介质，该高压介质作用于孔底马达03，孔底马达03旋转，带动钻头02旋转，实现孔的钻进；与此同时钻杆01轴向推进，完成钻孔施工。现有的集束式钻头主要是刀片的集成方式或者多动力的外置式集成，对深孔和定向施工难度大。其主要缺点有：(1)单次钻进能力小，加工大直径钻孔时，需多次扩孔才能完成，效率低；(2)钻孔所需扭矩大；(3)钻头连续切削，散热效果差，寿命短；(4)孔型加工单一，只能加工简单的圆柱形孔。

因此，需要一种集束式钻进器及其使用方法，以解决上述问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是克服现有技术中的缺陷，提供集束式钻进器，能够实现(1)对大孔一次性加工完成；(2)进行孔壁铣削时马达扭矩小；(3)钻头散热效果好；(4)可加工孔壁有螺旋槽的孔。

本实用新型的集束式钻进器，包括变速传动***和由变速传动***驱动的集束刀组，所述集束刀组包括用于钻中心孔的中心钻和布置于中心钻外圆周的铣刀，所述铣刀可围绕所述中心钻的轴线公转的同时自转用于铣削所述中心孔的内壁。

(1)中心钻先钻中心孔，随后铣刀对中心孔的孔壁进行切削，即可对中心孔进行扩孔，中心孔及扩孔同时进行，可实现对大孔一次性加工完成。(2)当中心钻和铣刀的轴向进给速度较低时，可加工圆柱形孔；当中心钻和铣刀的轴向进给速度较高时，可加工孔壁带有螺纹槽的异形孔，该异形孔可改善传统岩石锚固效果。(3)本实用新型中通过变速传动***可提高铣刀的转速，从而降低钻孔时马达的输出速度、减小扭矩。(4)加工中心孔时，钻孔刀具转速低，所产生的热量少；孔壁切削时，铣刀为断续切削(断续切削指的是孔壁切削时，铣刀始终保持仅部分刀头与孔壁接触并进行切削)，铣刀散热效果好，可延长铣刀的使用寿命。

进一步，所述变速传动***包括太阳轮、行星轮以及行星架；所述太阳轮为定轮，所述中心钻与所述行星架传动连接且由所述行星架驱动旋转；所述铣刀设置于行星架由所述行星架驱动围绕所述中心钻的轴线公转且所述行星轮驱动自转。通过行星轮驱动铣刀，铣刀可自转的同时可围绕中心钻轴线公转。在铣刀转速不变的情况下，可降低钻孔时马达的输出速度、减小扭矩。

进一步，所述行星轮设有第一动力输出轴，所述第一动力输出轴转动配合设置于行星架，铣刀传动配合设置于所述第一动力输出轴。

进一步，所述铣刀与行星轮之间还传动配合有增速轮，在马达输入转速不变的情况下，可根据需求进一步提高铣刀的转速。

进一步，所述中心钻的顶端高于铣刀的顶端且中心钻的加工半径与铣刀的加工半径部分重叠，易于中心钻和铣刀的分布及安装。

进一步，所述铣刀的侧边缘突出于行星架的侧边缘，即变速传动***位于铣刀的加工面积内，以防止行星架转动时与所加工孔壁相抵。

进一步，所述行星架内部设有用于容纳太阳轮和行星轮的空间。

进一步，所述行星架包括行星轮座和连接端盖，所述行星轮座朝向所述连接端盖的一侧端面上设有支撑件，所述支撑件沿轴向与所述连接端盖的周侧相连。

进一步，所述太阳轮沿轴向设有用于冷却中心钻介质通过的冷却介质通道，可降低中心钻工作时的温度。

针对现有钻孔中存在的问题，采用本实用新型的集束式钻进器，实现铣刀自转的同时，也完成绕孔中心的公转。在钻孔装备轴向推力的作用下，实现孔壁的铣削式钻进，具有一次加工大孔径、效率高、刀具寿命高和异形螺旋孔的加工特点，可广泛用于煤矿井下以及岩石桩基工程施工。

本实用新型的有益效果是：(1)可实现小扭矩加工大孔，且可一次完成大孔的加工；(2)铣刀断续切削，散热效果好，寿命高；(3)采用单个铣刀亦可完成孔壁螺旋槽的加工，从而改善传统的岩石锚固效果。(4)由于铣削刀直径小，可实现高转速切削。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型背景技术中孔外动力驱动钻杆的结构示意图；

图2为本实用新型背景技术中利用孔内孔底马达驱动钻头的结构示意图；

图3为本实用新型集束式钻进器的结构示意图；

图4为本实用新型集束式钻进器的剖视图；

图5为本实用新型集束式钻进器中动力装置的结构示意图；

图6为本实用新型集束式钻进器中太阳轮的半剖图；

图7为本实用新型集束式钻进器中变速传动***的结构示意图；

图8为本实用新型集束式钻进器所加工的异形孔示意图。

图中，1为动力装置，1-1为定子，1-11为第一卡齿，1-2为转子，1-3为支架连接件，

2为变速传动***，

2-1为行星架，2-11为星轮支座，2-12为连接端盖，2-121为导向凸台，2-122为冷却通道密封槽，2-123为装配孔，2-13为支撑件，

2-2为太阳轮，2-21为输入轴，2-22为导向沉孔，2-24为第二卡齿，2-26为冷却介质通道，

2-3为行星轮，2-31为第一动力输出轴，2-4为增速轮，2-5为传动轮，

3为中心钻，4为铣刀。

具体实施方式

下面结合附图3至8和实施例对本实用新型作进一步说明，需注意的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”、等仅用于描述目的，为了便于描述本实用新型和简化描述，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、以特定的方式构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制、指示或暗示相对重要性。

本实施例中的集束式钻进器，包括动力装置1、变速传动***2和由变速传动***2驱动的集束刀组。动力装置1由定子1-1以及套于该定子1-1外并与定子1-1同轴的转子1-2组成，转子1-2与定子1-1转动配合。如图5所示，定子1-1的左端设有压力介质入口，定子1-1的侧壁上设有压力介质出口；转子1-2的内壁上设有与压力介质出口相连通的压力介质螺旋通道。所述集束刀组包括用于钻中心孔的中心钻3和布置于中心钻3外圆周的铣刀4，所述铣刀4可围绕所述中心钻3的轴线公转的同时自转用于铣削所述中心孔的内壁。使用时，铣刀4为断续切削，散热效果好，寿命高。

本实施例中，所述变速传动***2包括太阳轮2-2、行星轮2-3以及行星架2-1；所述太阳轮2-2为定轮，所述中心钻3与所述行星架2-1传动连接且由所述行星架2-1驱动旋转。所述铣刀4设置于行星架2-1由所述行星架2-1驱动围绕所述中心钻3的轴线公转，且同时由所述行星轮2-3驱动自转。转子1-2通过支架连接件1-3与行星架2-1连接。铣刀4自转的同时围绕中心钻3的轴线公转，在铣刀4转速不变的情况下，可降低钻孔时马达的输出速度，以减小扭矩。

本实施例中，所述行星轮2-3设有第一动力输出轴2-31，所述第一动力输出轴2-31转动配合设置于行星架2-1，铣刀4传动配合设置于所述第一动力输出轴2-31。

本实施例中，所述铣刀4与行星轮2-3之间还传动配合有增速轮2-4，在马达输入转速不变的情况下，可根据需求进一步提高铣刀4的转速。如增速轮2-4有一个，增速轮2-4可通过第二动力输出轴转动配合设置于行星架2-1，铣刀4通过第二动力输出轴驱动。增速轮2-4可直接与行星轮2-3啮合传动；也可在第一动力输出轴2-31上设置传动轮2-5，使该传动轮2-5与增速轮2-4啮合传动。如增速轮2-4有多个且通过多个动力输出轴转动配合设置于行星架2-1，最终输出的动力输出轴驱动铣刀4。

本实施例中，所述中心钻3的顶端高于铣刀4的顶端且中心钻3的加工半径与铣刀4的加工半径部分重叠，易于中心钻3和铣刀4的分布及安装。优选的，铣刀4直径大于中心钻3直径。

本实施例中，所述铣刀4的侧边缘突出于行星架2-1的侧边缘，即变速传动***2位于铣刀4的加工面积内，以防止行星架2-1转动时与所加工孔壁相抵。

本实施例中，所述行星架2-1内部设有用于容纳太阳轮2-2和行星轮2-3的空间。

本实施例中，所述行星架2-1包括行星轮2-3座2-11和连接端盖2-12，所述行星轮2-3座2-11朝向所述连接端盖2-12的一侧端面上设有支撑件2-13，所述支撑件2-13沿轴向与所述连接端盖2-12的周侧相抵。行星轮2-3座2-11与支撑件2-13为一体结构，螺栓穿过连接端盖2-12与支撑件2-13螺纹连接。

太阳轮2-2、行星轮2-3均位于行星轮2-3座2-11与连接端盖2-12之间。连接端盖2-12的中部一体设有第一导向凸台2-121，该第一导向凸台2-121位于连接端盖2-12的内侧端面(连接端盖2-12内侧端面指的是其朝向行星座一侧的端面)。第一导向凸台2-121的周侧设有第一冷却通道密封槽2-122，连接端盖2-12的外侧端面中心处设置有装配孔2-123，中心钻3安装于该装配孔2-123中。

太阳轮2-2与输入轴2-21传动配合，优选的，太阳轮2-2位于输入轴2-21的第一端并与输入轴2-21为一体设置；输入轴2-21的第二端设有依次设有卡齿和第二导向凸台2-121。太阳轮2-2朝向连接端盖2-12的一端面上开有同轴的导向沉孔2-22，该导向沉孔2-22与第一导向凸台2-121转动配合。如图4、5、6所示，输入轴2-21第二端穿过行星轮2-3座2-11，第二导向凸台2-121***定子1-1后，第二卡齿2-24与定子1-1端部的第一卡齿1-11相互咬合卡接。

本实施例中，太阳轮2-2沿轴向设有用于冷却中心钻3介质通过的冷却介质通道2-26。连接端盖2-12上的装配孔2-123穿过第一导向凸台2-121，使用时，该装配孔2-123与冷却介质通道2-26连通，进而使冷却介质降低中心钻3工作时的温度。

一种孔的加工方法，使用上述的集束式钻进器，本实施例中加工步骤包括：

(1)将集束式钻进器连接到钻孔装备，具体的，定子与钻杆连接；

(2)高压介质从定子的压力介质入口输入压力介质螺旋通道，使转子转动。定子与太阳轮同轴固定，即太阳轮为定轮，转子带动行星架转动。使用时行星轮自转的同时围绕太阳轮公转；

(3)钻孔装备轴向推移，中心钻首先接触加工物质(如岩层)，并开始在加工物质上钻削中心孔；同时中心钻通过冷却通道中冷却介质降温。

(4)随着钻孔装备推进，铣刀接触加工物质并开始进行孔壁的铣削；此时铣刀仅部分刀头与孔壁接触并进行切削，即铣刀为断续切削，以保证铣刀在工作时的散热效果。

(5)钻孔装备继续推进，中心钻完成中心孔的钻削，同时铣刀完成孔壁的铣削。

加工时，钻进参数计算如下：

1.已知参数包括：

太阳轮轮与行星轮传动比：i₂₃；

行星轮的传递比：i₃₄；

行星架转速：n₂₁；

铣刀转速：n₂₄＝n₂₁*i_23*i₃₄；

行星架的轴向进给速度：f；

通过上述已知钻进参数，在钻进过程中，各参数的关系如下：

2.计算出的铣刀钻进参数：

钻进中的最大切削速度V(即对孔壁的切削速度)为铣连接端盖的自转速度和绕太阳轮中心的公转速度的合成：V＝n₂₁*2π*H+n₂₄*2π*r；

其中H为中心钻轴线与铣刀轴线之间的距离，r为铣刀的半径。

铣刀圆周进给速度(进给角速度)：2πn₂₁；

铣刀轴向进给速度(行星架的轴向进给速度)：f(单位：mm/min)；

3.计算出的中心钻的钻进参数：

中心钻孔转(速行星架转速)：n₂₁；

行星架的轴向进给速度(即铣刀轴向进给速度)：f；

中心钻成孔直径(中心钻直径)。

转孔时，当连接端盖的轴向进给速度较低时，可加工圆柱形孔；当连接端盖的轴向进给速度较高时，可加工孔壁带有螺纹槽的异形孔。因此，

本方案还提供一种异形孔(孔壁带有螺纹槽)的加工方法，包括如下步骤：

(1)将集束式钻进器连接到钻孔装备，并钻进基孔(该基孔直径为D)；

(2)更换为单刀盘(单刀盘指的是，仅安装行星轮驱动的铣刀，不安装中心钻的连接端盖)，单刀盘半径R’＝R-H(H为中心钻轴线与铣刀轴线之间的距离；R为异形孔的最大外径)。

(3)调整至行星支架转速n₂₁与行星支架的轴向进给速度f成比例模式：f＝n₂₁*H；

(4)根据螺旋槽个数，设定相应的铣刀数量；

(5)完成同一旋向螺旋孔的加工；

(6)集束式钻进器退回时，即可加工反向螺旋槽，从而完成异形孔加工。

其中对单向螺旋槽(即只有左旋或右旋的螺旋槽)加工，若定子与钻杆采用螺纹配合连接，可配置正反转钻杆及装置，从而完成单向螺旋槽的加工。

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

Claims (9)

1.一种集束式钻进器，其特征在于，包括：变速传动***和由变速传动***驱动的集束刀组，所述集束刀组包括用于钻中心孔的中心钻和布置于中心钻外圆周的铣刀，所述铣刀可围绕所述中心钻的轴线公转的同时自转用于铣削所述中心孔的内壁。

2.根据权利要求1所述的集束式钻进器，其特征在于：所述变速传动***包括太阳轮、行星轮以及行星架；所述太阳轮为定轮，所述中心钻与所述行星架传动连接且由所述行星架驱动旋转；所述铣刀设置于行星架由所述行星架驱动围绕所述中心钻的轴线公转且所述行星轮驱动自转。

3.根据权利要求2所述的集束式钻进器，其特征在于：所述行星轮设有第一动力输出轴，所述第一动力输出轴转动配合设置于行星架，铣刀传动配合设置于所述第一动力输出轴。

4.根据权利要求3所述的集束式钻进器，其特征在于：所述铣刀与行星轮之间还传动配合有增速轮。

5.根据权利要求1所述的集束式钻进器，其特征在于：所述中心钻的钻头突出于所述铣刀的加工面且所述中心钻的加工半径与所述铣刀的加工半径部分重叠。

6.根据权利要求1所述的集束式钻进器，其特征在于：所述铣刀的侧边缘突出于行星架的侧边缘。

7.根据权利要求2所述的集束式钻进器，其特征在于：所述行星架内部设有用于容纳太阳轮和行星轮的空间。

8.根据权利要求7所述的集束式钻进器，其特征在于：所述行星架包括行星轮座和连接端盖，所述行星轮座朝向所述连接端盖的一侧端面上设有支撑件，所述支撑件沿轴向与所述连接端盖的周侧相连。

9.根据权利要求2所述的集束式钻进器，其特征在于：所述太阳轮沿轴向设有用于冷却所述中心钻的介质通过的冷却介质通道。

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