用于钻柱的顶部驱动器 |
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| 申请号 | CN201480017274.X | 申请日 | 2014-03-07 | 公开(公告)号 | CN105102751A | 公开(公告)日 | 2015-11-25 |
| 申请人 | 玫海伟尔特(德国)股份有限公司; | 发明人 | 阿尔布雷克特·海因里希斯; 阿希姆·费尔德曼; 塞巴斯蒂安·雷尔; 托马斯·多尔斯; | ||||
| 摘要 | 一种用于 钻柱 的顶部 驱动器 ，该顶部驱动器包括通过轴向主 轴承 以可旋转的方式安装的 主轴 ，轴向主轴承上设置用于生成预加载的主动压 力 生成装置，预加载适应于不同的操作条件。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于钻柱的顶部驱动器(200、300)， |
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| 说明书全文 | 用于钻柱的顶部驱动器[0001] 本发明涉及一种用于钻柱的顶部驱动器，该顶部驱动器包括具有齿轮壳体的齿轮单元，该顶部驱动器包括在所述齿轮单元内围绕旋转轴线可旋转地安装的主轴，其中钻柱能够耦接到主轴，其中，齿轮单元包括轴向主轴承，轴向主轴承具有下部主轴承部件和上部主轴承部件，所述上部主轴承部件相对于下部主轴承部件绕旋转轴线可旋转，其中，主轴直接或间接地接触上部主轴承部件并且下部主轴承部件直接或间接地接触齿轮壳体，并且其中齿轮单元包括轴向辅助轴承，轴向辅助轴承具有下部辅助轴承部件和上部辅助轴承部件，所述上部辅助轴承部件相对于下部辅助轴承部件围绕旋转轴线可旋转，其中下部辅助轴承部件直接或间接地接触主轴，并且上部辅助轴承部件直接或间接地接触齿轮壳体。 [0002] 这种顶部驱动器器尤其用于旋转驱动并且用于降低和升高钻柱。为了该目的，钻柱通常通过螺纹连接以旋转固定的方式与主轴耦接。在操作期间，借助导向滑块在桅杆(mast)中引导顶部驱动器。在操作期间，经由导向滑块将反作用力矩引入到桅杆中。 [0003] 滑轮配置通常用来降低和升高顶部驱动器并且因此降低和升高钻柱，其中滑轮配置保持在桅杆的上端部并且例如通过安装架与顶部驱动器相连接。 [0005] 由于钻柱与主轴固定连接，所以对顶部驱动器的齿轮单元的齿轮壳体中主轴的轴承提出了较高的要求。特别地，必须为主轴设置轴向轴承，该轴向轴承适合将存在于具有工作头的钻柱中的质量引入到壳体中。此外，轴向轴承也必须永久地承受在钻孔操作期间发生的动力载荷。 [0007] 为了实现轴向轴承的长使用寿命，应避免轴承滚子与上部轴承部件和下部轴承部件之间的间隙。为了该目的，在已知的顶部驱动器中设置有弹簧单元，所述弹簧单元将上部辅助轴承部件压靠在滚动元件上。 [0008] 然而，已经表明尽管具有以这种方式作用的预加载，轴向主轴承可能受到意想不到的高磨损(特别是在压力下钻孔时)。弹簧组件因此被挤压在一起。轴承间隙存在于下部轴承中。因此，不能确保主轴承的滚子均匀地滚动。 [0009] 因此，本发明的目的在于开发一种通用顶部驱动器，该通用顶部驱动器减少轴向轴承上的磨损并且具有较长的使用寿命。 [0011] 在根据本发明的顶部驱动器中，在上部辅助轴承部件与齿轮壳体之间和/或在下部辅助轴承部件与主轴之间和/或在下部主轴承部件与齿轮壳体之间和/或在上部主轴承部件与主轴之间设置主动压力生成装置。在上部辅助轴承部件和齿轮壳体之间的主动压力生成装置的布置是优选的。 [0012] “主动压力生成装置”是指压力生成装置，通过该压力生成装置，可以施加可变的并且因此对于不同的操作条件可调节的压力。由于根据本发明的顶部驱动器的开发，因此能够调节预加载，在此情况下轴向主轴承和辅助轴承被操作到不同的操作条件。预加载例如可以根据转速或者作用在主轴上的拉伸力或压缩力设置，使得轴向主轴承和辅助轴承至少在几乎最优(压力)条件下操作。此外，可以在不使用垫片等的情况下平衡公差。此外，由于可以通过压力生成装置的未加压设定在齿轮壳体内产生开口空间，所以简化了轴向主轴承的维护和安装。主动压力生成装置可以设置来代替弹簧组件。因此，改造现有的顶部驱动器是可行的。 [0014] 在第一实施例中，活塞可以是作用在上部辅助轴承部件上的环形活塞。为了活塞的致动，通入到其中安装活塞的环形空间中的单通道就足够了。 [0015] 在第二优选实施例中，设置作用在上部辅助轴承部件上的多个圆柱形活塞。虽然该第二实施例由于多个构件和通向用于各个活塞的各缸体所需要的多个通道而成本更高，然而有利的是，上部辅助轴承部件和/或壳体的从完全平行位置到另一个位置的任何倾斜能够被自动补偿，而在环形活塞中这可能会导致上部辅助轴承部件和/或壳体在环形空间中倾斜。 [0016] 在根据本发明的顶部驱动器的第三实施例中，主动压力生成装置包括至少一个压电元件。产生预加载的轴向主轴承然后可通过施加到压电元件上的电压水平的变化，被调节到包括顶部驱动器的钻孔装置所在的各个操作条件。如果顶部驱动器具有电动的驱动马达，则压力生成装置的该实施例是特别优选的。 [0017] 无论该压力生成装置是液压地、气动地、压电地或是以其它方式操作的，优选地设置压力控制装置，其中通过该压力控制装置，由主动压力生成装置生成的压力在顶部驱动器的操作期间也能够改变。由于该措施，轴向主轴承的预加载可以调节到不同的操作条件，而无需为此中断顶部驱动器的操作。此外，下面的不同操作条件是可以设想的，其中这些不同操作条件为了减少磨损并且增加轴向主轴承的使用寿命需要改变由压力生成装置施加的压力： [0018] 1.在顶部驱动器的运输和存放期间施加较小的压力以产生较小的预加载。将压力设置为足以避免可能导致轴承损坏的轴向主轴承运动的尽可能低的水平。在液压或气动致动压力生成装置的情况下，可以通过所连接的压力存储器在顶部驱动器的运输和存放期间维持该压力。如果压力生成装置包括一个(或多个)压电元件，则可以放置诸如电池等电压源来使用。 [0019] 2.当包括根据本发明的顶部驱动器的钻孔装置处于“正常”钻孔操作中，可以选择通常比运输和存放期间的接触压力高的另一接触压力。在此特别指这样的钻孔操作：其中，尽管通过顶部驱动器的降低而推进，钻柱仍悬挂在主轴上。然后，通过施加的液压或气压或者施加的电流来设定由压力生成装置生成的压力，使得根据经验在正常操作时作用在主轴上的动力载荷不会在轴承中造成有损害的运动。 [0020] 3.如果钻机的下降受到例如土层中不期望的坚硬岩石的抑制，则这可能导致钻柱不再悬挂在主轴上，而是顶部驱动器通过主轴在钻柱上施加压力。在这种情况下，通过增大施加的液压或气动压力或者施加的电流，将由压力生成装置生成的压力提高到如下水平，其中借助主轴的轴向辅助轴承向下按压的压力大于顶部驱动器向下按压主轴所用的压力。因此，进一步可靠地避免了轴承间的有害间隙。 [0021] 4.顶部驱动器和钻柱之间的特殊压力峰值可能在所谓的“震击操作(jarring operation)”中出现。如果钻柱配备有所谓的“震击器(bumper jar)”，则可以选择这种操作方式。借助震击器，钻柱的上部部件的下端部可以相对于钻柱的下部部件可选地夹紧或松开。然后，钻柱的上部部件和下部部件构造成使得在这两个部件之间形成挡块。如果钻柱的下部部件或附装到钻柱的钻孔工具卡在孔中，则钻柱可以通过顶部驱动器而被置于张力作用下。在松开震击器之后，钻柱的上部部件的下端部快速地升至挡块，并因此在钻柱的下部部件以及可能固定到钻柱的钻孔工具上施加冲击力，通过该冲击力释放钻柱或钻孔工具。结果，可能在轴向主轴承中产生较大的动态力，尤其是能够导致轴承部件升高和后续碰撞的那些力。因此总是避免震击操作。然而，如果由于事先未预料到堵塞震击操作不可避免，那么通过根据本发明的顶部驱动器借助压力生成装置可以在轴向主轴承中产生最大容许预加载，以便将损坏危险降低到技术上可行的最低程度。 [0022] 除了设置压力控制装置以外，同样还能设置压力调节装置，其中通过该压力控制装置，由主动压力生成装置生成的压力对于不同的操作条件是可调节的，并且其中通过压力调节装置，可以根据沿旋转轴线方向作用在主轴上的力调节由主动压力生成装置产生的压力。为了该目的，可以在主轴中、在钻柱中和/或在设置于钻柱上的钻孔工具中设置力传感器，所述力传感器检测作用在主轴上的力的方向和大小。也可以检测更多操作变量，诸如主轴操作时的转速、经由主轴传递的转矩等。调节装置然后优选地以如下方式根据预设依赖关系调节作为检测值的函数的由主动压力生成装置产生的压力，使得不期望轴向主轴承中的运动，然而通过较高的预加载避免对轴向主轴承的部件过度压力载荷。 [0024] 图1以局部剖面侧视图(垂直于主轴的旋转轴线的视图)示出了属于现有技术的典型顶部驱动器； [0025] 图1a以放大图示出了图1中的细节I； [0026] 图2以对应于图1的表示示出了根据本发明的顶部驱动器的第一实施例； [0027] 图2a示出带有液压框图的图2中的细节II； [0028] 图2b从上方示出了在根据图2的视图中的主动压力生成装置的活塞的单独表示； [0029] 图3在对应于图2的视图中示出了根据本发明的顶部驱动器的第二实施例； [0030] 图3a示出了带有液压框图的图3中的细节III； [0031] 图3b从上方示出了在根据图3的视图中的主动压力生成装置的多个活塞的单独表示；并且 [0032] 图4示出了液压框图的放大图。 [0033] 在图1中作为整体用100标记的顶部驱动器包括齿轮单元1，该齿轮单元具有齿轮壳体2。在齿轮壳体2中，主轴3围绕旋转轴线D可旋转地安装。主轴3设置有外啮合的直齿轮，由于直齿轮被齿轮壳体的一部分遮盖，所以直齿轮在附图中不可见，通常以液压或电动方式驱动的驱动马达被耦接到该直齿轮上，该驱动马达在附图中同样不可见。 [0034] 主轴3通过上部径向轴承4并且通过下部径向轴承5径向地安装在齿轮壳体2中。轴向主轴承6设置在上部径向轴承4和下部径向轴承5之间。轴向主轴承包括置于齿轮壳体2的凸缘8上的下部主轴承部件7。轴向主轴承还包括上部主轴承部件9，该上部主轴承部件通过锥形滚子10被支撑在下部主轴承部件7上。 [0035] 主轴3通过径向凸缘11抵靠上部主轴承部件9。因此，根据图1，主轴借助轴向主轴承从下方固定以避免移位。 [0036] 从图1中可见，轴向主轴承6与其它轴承相比尺寸较大，这是因为在操作时轴向主轴承6尤其必须承受图中未示出的与主轴3相连接的钻柱的重力。 [0037] 在根据图1的操作期间或者在存放或运输期间而不是在顶部驱动器的操作位置中，为了相对于可能的从下方作用的力在轴向位置上保持主轴3，设置轴向辅助轴承12。轴向辅助轴承包括下部辅助轴承部件13，其由径向凸缘11从上方支撑。上部辅助轴承部件15通过轴承滚子14被支撑在下部辅助轴承部件13上。上部辅助轴承部件15安装在齿轮壳体2中。在上部辅助轴承部件15与齿轮壳体2之间和/或在下部辅助轴承部件13与径向凸缘11之间可以设置垫圈(图中不可见)以用于至少补偿粗糙度公差。 [0038] 根据图1，为了防止包括轴向主轴承6和轴向辅助轴承12的轴向轴承组件具有轴向间隙，通过布置在孔16中的弹簧组件17向下对轴向辅助轴承12的上部辅助轴承部件15进行预加载，其中轴向间隙例如通过较小的公差由操作、磨损等中的热诱导变化引起，轴向间隙导致磨损急剧增大并因此使用寿命相应地缩短。主轴3因此在由弹簧组件所产生的弹力的作用下被向下压。 [0039] 图2和图3描述了根据本发明的对参照图1所述的通用顶部驱动器100进行改进的两个实施例。为了避免重复，图2和图3的相应构件设有与图1相同的附图标记。就此而言，参照图1。 [0040] 图2所示的顶部驱动器(现作为整体用200标记)包括主动压力生成装置18，主动压力生成装置代替弹簧组件17设置在上部辅助轴承部件15和齿轮壳体2之间。 [0041] 在图2、图2a和图2b所示的实施例中，主动压力生成装置18包括环状活塞19，环状活塞横向地密封安装在设置于齿轮壳体2内的环形凹槽20中。 [0042] 在环形凹槽20的底部开设通道21，其中通过该通道供应加压的液压介质，并且因此根据所供应的液压介质的压力，可以相对于上部辅助轴承部件从上方使用不同的力按压环形活塞19。压力优选为使得主轴承6在尽可能最优的条件下操作。 [0043] 在图3、图3a和图3b所示的示例实施例300中，使用从上方作用在上部辅助轴承部件15上的多个圆柱形活塞19’来代替环形活塞19。活塞19’被安装在彼此流体连接的缸体20’中，从而所有的活塞19’都能受到相同的液压的作用。 [0044] 如果操作以电动方式发生，则也可使用其它的主动压力生成装置22(例如，压电元件)来代替活塞19’。 [0045] 通过液压装置22提供液压介质，该液压装置的设计和功能将参照图4在以下进行描述。 [0046] 液压装置22包括用于液压液体的液压箱23以及在液压箱下游的具有止回阀24的液压泵。液压箱23以及具有止回阀24的液压泵可属于液压动力单元，其中该液压动力单元为钻孔系统的操作提供所需的液压液体，根据本发明的顶部驱动器200、300属于钻孔系统。 [0047] 弹簧力致动并且能够电力切换的切换阀26通过液压管线25连接到具有止回阀24的液压泵。切换阀26通过液压管线27连接到通道21。具有气动卡盘(gas chuck)28的液压存储器、压力计29以及能够电调节的过压阀30连接到液压管线27。 [0048] 切换阀26和过压阀30电连接到控制或调节装置31。 [0049] 图4示出了处于以下状态的液压装置，其中主动压力生成装置18与液压泵24分离。为了该目的，液压管线25和27被切换阀26截止。通过液压存储器28确定的压力施加到液压管线27中。 [0050] 为了在轴向主轴承6中产生预加载，通过控制或调节装置31利用电信号对切换阀26和过压阀30施加作用，该电信号是对将由主动压力生成装置产生的期望压力值的测量。 通过该电信号，切换阀26首先被切换以使得液压管线27与液压管线25连接，并且因此由液压泵24提供的液压作用于通道21。如果达到了与由控制或调节装置所提供的电信号相对应的液压，则过压阀30打开。如果该压力降到期望值以下，则过压阀关闭。以这种方式，由控制或调节装置预先设定的压力被施加到主动压力生成装置18，其中可能的压力波动通过液压存储器28来缓和。通过泄露引起的可能的液压流体损失也能够通过液压存储器28的容积缓和到有限的范围内。 [0051] 控制或调节装置31可被构造用于人工输入的期望压力值。严格说来，控制或调节装置是控制装置。然而，在更严格的意义上，同样可以将控制或调节装置31形成为调节装置。那么，控制或调节装置包括额外的信号输入，其中对该信号输入应用力值，例如通过适合的传感器记录的沿旋转轴线方向作用在主轴3上的那些力值。然后，通过存储在调节装置中的算法，操纵切换阀26和过压阀30，使得如下压力体现在液压管线27中，其中该压力是产生最适合于各个操作条件的轴向主轴承6的预加载所需要。 [0052] 如果设置压电元件来代替该主动压力生成装置或活塞19、19’，如果控制或调节装置就输出端生成的电力值而言适应于压电元件，则控制或调节装置的输出端可以直接与压电元件相连。 [0053] 附图标记列表 [0054] 100、200、300 顶部驱动器 [0055] 1 齿轮单元 [0056] 2 齿轮壳体 [0057] 3 主轴 [0058] 4 上部径向轴承 [0059] 5 下部径向轴承 [0060] 6 轴向主轴承 [0061] 7 下部主轴承部件 [0062] 8 凸缘 [0063] 9 上部主轴承部件 [0064] 10 锥形滚子 [0065] 11 径向凸缘 [0066] 12 轴向辅助轴承 [0067] 13 下部辅助轴承部件 [0068] 14 轴承滚子 [0069] 15 上部辅助轴承部件 [0070] 16 孔 [0071] 17 盘形弹簧配置 [0072] 18 主动压力生成装置 [0073] 19 环形活塞 [0074] 19’ 活塞 [0075] 20 环形凹槽 [0076] 20’ 缸体 [0077] 21 通道 [0078] 22 液压装置 [0079] 23 液压箱 [0080] 24 液压泵止回阀 [0081] 25 液压管线 [0082] 26 切换阀 [0083] 27 液压管线 [0084] 28 液压存储器 [0085] 29 压力计 [0086] 30 过压阀 [0087] 31 控制或调节装置 [0088] D 旋转轴线 |
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