旋转式爆破孔钻机的活动钳口钻杆定位装置 |
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| 申请号 | CN201080017800.4 | 申请日 | 2010-04-23 | 公开(公告)号 | CN102428247A | 公开(公告)日 | 2012-04-25 |
| 申请人 | 比塞洛斯采矿设备公司; | 发明人 | 布鲁斯·克劳福德; 史蒂文·M·普里科皮亚; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 钻杆 定位 装置，其具有一臂，该臂包括安装于其上的一下部钳口以及一上部钳口。该钻杆定位装置包括的下部钳口和上部钳口中的至少一个具有剪切销，该剪切销设置在为所述钻杆定位装置提供保护，使其免遭机械过载的 位置 。本发明还公开一种钻杆定位装置以及爆破孔钻机的改进方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种钻杆定位装置，包括： |
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| 说明书全文 | 旋转式爆破孔钻机的活动钳口钻杆定位装置技术领域[0001] 本发明涉及钻探以及钻地技术领域，尤其涉及一种具有用于依次移动多个未连接的导向轴段的装置的爆破孔钻机。 背景技术[0002] 铰接式钻杆定位装置机构应用于爆破孔钻机工业已有一段时间。此类定位装置典型地包括一至两个可动的钳口，其通过施加的液压力紧靠着钻杆的两侧而轴向闭合。这种复合的钳口在闭合时可作为下部定位点或套筒，以保持钻杆的居中控制并减少侧向载荷，否则该载荷将被传导至旋转头变速箱。钻杆定位装置还可以减少由于钻杆队列倾斜导致的钻杆弯曲。因为钳口并未夹紧钻杆，钻杆的轴向以及旋转运动是允许的。当在钻孔操作中需要更换钻杆以及旋转头变速箱在井架内处于行程底部时，钳口打开并向铰接臂方向摆动，以便消除干扰。 [0003] 在某些情况下，过载由于失序的操作指令被施加于钻杆以及钻杆定位装置，以试图通过迫使钻杆在径向上位移从而将钻杆移出钻杆定位装置。由于操作控制系统逻辑中存在的限制，难以在不损害正常钻井工作的情况下锁闭过载的可能性。此过载可能会引起定位装置或其支撑铰接臂或井架结构机械故障。此类损害的维修是昂贵的，且致使钻机无法工作直到维修生效。本发明的目的是提供一种方法以能实现与传统钻杆定位装置钳口一样的预期功能，同时作为一种机械保险装置，以防止过载情况发生时造成的损害。 [0004] 因此，需要一种方法和设备，能提供钻杆工作期间的定位控制以及钻柱较低端的安全运输，同时防止在发出导致过载的不正确指令情况下物理损害的发生。 发明内容[0005] 在一个实施例中，本发明包括具有一臂的钻杆定位装置，所述臂包括安装于其上的一下部钳口以及一上部钳口，所述下部钳口和上部钳口中的至少一个包括一剪切销，其设置在为所述钻杆定位装置提供保护使其免遭机械过载的位置。 [0006] 在另一实施例中，本发明提供一种用于改进钻杆定位装置的方法，包括：从定位装置的臂上移除钳口；用相应的替换钳口更换所移除的钳口，所述替换钳口包括一剪切销，其设置在为所述钻杆定位装置提供保护使其免遭机械过载的位置。 [0007] 在另外的实施例中，本发明提供一种爆破孔钻机，所述爆破孔钻机包括一具有传送部件的井架以及一钻杆定位装置。所述传送部件用于为钻孔装置提供一段钻杆，所述钻杆定位装置用于夹紧所述一段钻杆，其中，所述钻杆定位装置包括连接至井架的臂，并且所述臂包括安装于其上的一下部钳口以及一上部钳口，所述上部钳口和下部钳口中的至少一个包括一剪切销，其设置在为所述钻杆定位装置提供保护使其免遭机械过载的位置。附图说明 [0009] 图1显示了用于钻孔的示例性的爆破孔钻机； [0010] 图2和图3显示了图1所示的爆破孔钻机准备传输时的其他结构； [0011] 图4A至图4D，本文中统称为图4，显示了现有技术的钻杆定位装置的结构； [0012] 图5A至图5D，本文中统称为图5，显示了根据本发明所教示的钻杆定位装置的结构； [0013] 图6A和图6B，本文中统称为图6，显示了图5所示的钻杆定位装置的铰接的上部钳口与钻杆的关系； [0014] 图7A和图7B，本文中统称为图7，分别显示了本发明所教示的处于闭合和打开位置的钻杆定位装置； [0015] 图8为铰接的上部钳口的另一图示； [0016] 图9为显示了与铰接的上部钳口一起使用的剪切销的实施例；以及[0017] 图10提供了剪切销的安装的截面视图。 具体实施方式[0018] 本发明公开一种在爆破孔钻机中有助于定位钻杆的改进的钻杆定位装置及其使用方法。钻杆定位装置包括一种防故障机构以减少在操作期间由过量载荷所引起的损害，例如可能由于疏忽发出的失序控制指令引起的过量载荷。 [0019] 现参照图1，其示出了示例性的爆破孔钻机10。所示爆破孔钻机10具有处于立位的井架5，爆破孔钻机10例如可用于地面钻探。图2和图3进一步详细示出了井架5的构成。 [0020] 现参照图2和图3，井架包括设置于其内的传送部件27。在此实施例中，传送部件27通常安装在至少一个摆动臂22上，摆动臂22进而安装至传动轴23。传动轴23通常随着至少一个传动臂26的伸展绕旋转轴部分地转动。在此实施例中，各个传动臂26通过使用液压控制的活塞实现伸展。 [0021] 传送部件27包括至少一个引导装置24和转盘25。至少一个引导装置24和转盘25一起固定多段钻杆。传动轴23的转动使得传送部件27被置于某一位置以便于固定的钻杆定位装置20夹紧一段钻杆。一旦钻杆由钻杆定位装置20通过钻孔导向器28限位，传送部件27通常返回等待位置(等待位置正如图2和图3所示)。图2中的箭头显示了传动臂 26和传送部件27的运行。 [0022] 现参照图4，其示出了现有技术的钻杆定位装置40。在此示例中，现有技术的钻杆定位装置40包括臂41，下部钳口42以及上部钳口43。上部钳口43包括设置在其内用于保护钻杆1的耐磨套筒44。值得注意的是，图4A为透视图，而图4B，4C和4D分别为侧视图，俯视图以及侧视图。如图中双向箭头所示，上部钳口43和下部钳口42中的至少一个可沿臂41滑动。通过这种方式，钳口42和43可以共同作用以限定一段钻杆1的方位，然后夹紧钻杆1(或松开钻杆1)。 [0023] 现参照图5，其示出了根据本发明教示的钻杆定位装置20的实施例。在此例中，钻杆定位装置20包括臂51，下部钳口52以及安装于钳口基部53上的铰接的上部钳口54。上部钳口54通过枢轴销55以及至少一个剪切销56安装在钳口基部53上。在此实施例中，上部钳口54还包括一个耐磨套筒57。 [0024] 值得注意的是，图5A为透视图，而图5B，5C和5D分别为侧视图，俯视图以及侧视图。如图中双向箭头所示，铰接的上部钳口54和下部钳口52中的至少一个可沿臂51滑动。通过这种方式，钳口52和54可以共同作用以限定一段钻杆1的方位，然后夹紧钻杆1(或松开钻杆1)。 [0025] 在图5B至图5D中所示的实施例中，钳口基部53包括一块用于连接至臂51的平垫片61。平垫片61上垂直设置有至少两个支撑壁62。此外，还可以包括至少一个垂直于支撑壁62和平垫片61的支架63。通常，每个支撑壁62具有用于枢轴销55穿过的通道和用于剪切销56穿过的另一通道。 [0026] 在正常钻孔工作中，钻杆定位装置20作为下部套筒以居中和引导由部分钻杆1构成的钻柱。在钻机10运输期间，当井架处于水平、垂直或中间位置(如图1所示)时，钻杆定位装置20还为钻杆1提供固定支撑。在钻孔期间，在操作员和控制系统逻辑控制下，两个相对的钳口52和54在液压动力的作用下打开和闭合。当钳口打开时，钻杆1可以自由移进或移出钻孔位置，例如，从钻柱移出一部分钻杆或为钻柱增加一部分钻杆；当钳口闭合时，两个相对的钳口52和54形成套筒，允许钻杆1的轴向自由和旋转自由，同时通过阻止钻杆1径向运动，将其限制在预设的中心位置。钳口上附有硬性材料制成的耐磨垫以通过该耐磨垫与钻杆物理接触。 [0027] 在图6和图7中，示出了在闭合位置(工作状态)和打开位置(失效状态)的铰接的上部钳口54。图6A和图6B示出了铰接的上部钳口54以及其与钳口基部53的关系。在图6A中，铰接的上部钳口54内容置钻杆1，而在图6B中，钻杆1已从钻杆定位装置20中弹出。也就是说，在此例中以及如图6B所示，剪切销55由于应力已被剪断。相应的，钻杆定位装置20成功地为爆破孔钻机10的其他部件提供了保护。 [0028] 图7A和图7B示出了铰接的上部钳口54以及其与钳口基部53的作为一个整体的关系。下部钳口52和铰接的上部钳口54中的至少一个可沿钻杆定位装置20长边的至少一部分移动，如图7中双向箭头所示。图7A和图7B显示了图6A和图6B(分别，并且从相反的方向)中所示的工作状态和失效状态。该图显示了上部钳口54与作为钻杆定位装置20一部分的其他部件的关系。 [0029] 转向图8，其提供了铰接的上部钳口54的立体图。在该图中，铰接的上部钳口54安装在钳口基部53中。在此实施例中，两个剪切销56分别被装入设置在两个支撑壁62上的通道内，且穿过铰接的上部钳口54。 [0030] 图9显示了剪切销56的示例性实施例。在此例中，剪切销56包括螺栓头101，例如六角螺栓头。在螺栓头101下面是螺纹段102和与之连接的杆103。通常，螺栓头101用于保证螺纹段102可以完好的螺入设置在钳口基部53中的各自通道内。杆的截面尺寸能牢固地嵌入通道的剩余部分。 [0031] 在其他实施例中，也可以使用至少一个开口销(诸如每端各一个)将剪切销56固定到位。可选地，剪切销56可包括某些形状的头以防止其滑出通道，在头的相对端可具有一个开口销(或垫圈，如果需要)。也可以使用一个剪切销56，例如，单个剪切销56可被用于支撑壁62中的一个，或跨越支撑壁62之间的间隔(在存在至少两个支撑壁62的情况下)并穿过每个支撑壁62。 [0032] 剪切销56可具有任何需要形状的截面。例如，剪切销56可以是圆形，椭圆形，两边、三边、甚至n边形，其中n表示可以由设计者选择的数字。剪切销负载时的失效点由剪切平面的截面积和其中所使用的材料的性能确定。 [0033] 本发明教示的原理可应用于任何一种会在某一截面上承受载荷的固定件结构，利用两个或多个部分之间的相对运动，当固定在适当位置时可防止轴向运动，通过剪切可消除预先存在的应力。几何形状的确定将决定所需的结构以适于特殊应用。 [0034] 在某些其它实施例中，剪切销56被设计成钉入到位并通过紧配合固定到位。如果“摩擦固定的剪切销”(这些实施例的剪切销)失效，剩余部分可用凿子敲出，或仅通过部件的对齐并插入替换的剪切销56来驱出被切断的销的残留。 [0035] 剪切销56可由估计能根据设计条件完成的任何材料制成。例如，可使用各种合金，也可使用其他“纯”金属。在某些实施例中，还可以选择合成材料或者塑料。一般而言，剪切销56由比钳口基部53和铰接的上部钳口54中的金属稍软的金属形成，例如，黄铜，青铜或铜。还可以使用多种材料的组合，例如，剪切销56可包括金属芯，具有聚合物包覆层(如此，将便于安装和保持剪切销56)。也可以使用其他形式的包覆层，如含有润滑剂的包覆层。总之，剪切销56可由金属合成物、非金属合成物和它们的任何合适的组合形成。 [0036] 图10是剪切销56示例性安装的截面图。在此例中，剪切销56被安装在卡圈104中。卡圈104被固定至支撑壁62的外表面，并提供安装特征(例如，螺纹容置端)用于容纳和固定剪切销56。 [0037] 本领域的技术人员应该意识到，上述只代表改进的钻杆定位装置的某些实施例，还可实现的其他实施例。例如，在其他实施例中，下部钳口52可以包括至少一个剪切销56，而上部钳口保持固定(类似于现有技术实施例中的上部钳口)。作为示例，下部钳口可包括基部，夹合部分。当安装在下部钳口中的至少一个剪切销失效使得夹合部分落入基部。 [0038] 在另外一些实施例中，下部钳口和上部钳口都包括采用至少一个剪切销56形式的保护装置，在此类实施例中，下部钳口和上部钳口可包括具有不同剪切等级的剪切销。在这些实施例中，且仅为举例，下部钳口将首先落下。然后，钻杆被相对控制，将不会自由浮动，从而避免损坏。但是，假如钻杆依然被过度的限制，例如被施加过大的力，那么，上部钳口将会打开以允许钻杆自由移动。 [0039] 相应的，至少一个剪切销的引入会使钻杆定位装置20具有各种形式的过载保护。 [0040] 上面描述了本发明的改进的钻杆定位装置20的结构，下面将讨论它的一些额外的特征和优点。 [0041] 本发明提供了一种防故障机构，使得钻杆定位装置20能够消除异常载荷，并将损害局限于易更换并且廉价的零部件。异常载荷将会导致至少一个剪切销失效，从而防止有破坏性的载荷传导至钻机和/或铰接臂51上。 [0042] 在将此类载荷施加到传统钻杆定位装置的情况下，钻杆作用于两个钳口，迫使它们分开，而相反的液压力作用于其上使钳口保持在闭合位置。这个动作将钻杆楔入紧靠弧形耐磨垫，将有害载荷传导至钻杆定位装置结构、其铰接臂以及井架支撑结构。本发明通过引入两片式可移动钳口结构可克服现有技术中遇到的问题，通过使用至少一个剪切销和至少一个铰链销将可移动的部分闩入固定状态。在发生过载的情况下，钳口将载荷传导至剪切销，该剪切销将在预定状态下失效以允许活动的钳口部分打开，从而允许钻杆移出其中心位置。因此，过载将不会传导至钻杆定位装置的其他部件或者井架。 [0043] 在一些实施例中，可计算剪切销的断裂点以抵抗超过标准最大载荷的负载。传导至少一个剪切销的载荷大小可通过对钳口几何结构，枢轴销的位置，所施加应力的矢量分解，以及至少一个剪切销位置的综合计算确定。剪切销的失效点可通过销钉截面积以及材料的特性确定，主要是制作它的材料的剪切屈服点。 [0044] 本发明实现的优点包括引入了可与现有传统设计完全互换的部件。该部件不需要任何附加控制或启动部件，并且作为机械保险装置以防止有害载荷被施加到钻机的其余部分。通过防止损害的发生，偶发的过载状态可通过随后的剪切销失效而解决。相应的，本发明可提供给用户一种设备，该设备可通过更换至少一个剪切销进行现场简单快捷的维修。相比之下，采用传统设计的钻杆定位装置，由过载状态造成的损害经常会使钻孔作业长期中断，并且花费大额维修费用，甚至常常需要将钻机返回到维修车间。 [0045] 在一些实施例中，剪切销的设计使用可旋入钳口固定结构的螺纹段和具有精密直径公差的无螺纹延伸段，该延伸段从支撑结构中一个紧配合孔穿过可移动钳口部件中类似的紧配合孔。以这种方式，剪切销可能受到由可移动钳口部分相对支撑结构的不同运动导致的侧向载荷。侧向载荷对至少一个剪切面中的销钉施加压力，当可移动的钳口上的应力超过销钉的材料强度时，具有可预测的失效点。更换折断的销钉的需要使用普通扳手拧下螺纹段，并取出残留在支撑结构中的大间距孔内的销钉的折断部分。新的销钉被紧固到支撑结构并紧靠螺母锁紧垫圈或类似的防松部件以防止其在使用中松掉。销钉头部端的螺纹可保证在紧固销钉时，没有应力被施加到销钉的剪切部分，从而保证可预测的失效点。 [0046] 在一实施例中，钻杆定位装置可以包括臂，该臂包括安装在其上的下部钳口以及上部钳口，下部钳口和上部钳口中的至少一个包括剪切销(例如，该剪切销设置于可保护定位装置免受机械过载的位置)；爆破孔钻机可以包括：具有传送部件的井架(例如，其中的传送部件用于为钻孔装置提供一段钻杆)和钻杆定位装置(例如，用于夹紧该段钻杆)。用于改进定位装置的方法可以包括：将钳口从定位装置的臂移除并用相应的替换钳口更换移除的钳口，该替换钳口包括设置于其上以保护钻杆定位装置免受机械过载的剪切销。 [0047] 在各种不同实施例中：(i)定位装置可适于安装在爆破孔钻机的井架上；(ii)下部钳口可以是可移动的下部钳口；(iii)上部钳口可以是铰接的上部钳口；(iv)剪切销可包括金属合成物，非金属合成物，以及金属合成物和非金属合成物的组合；(v)剪切销可包括覆盖于其上的包覆层，以及可以是摩擦固定的剪切销；(vi)剪切销适于通过机械方式进行固定；(vii)剪切销可包括螺栓头，螺纹段以及杆中的至少一个；(viii)剪切销可包括一个n边形螺栓头；(ix)替换钳口可包括可移动的下部钳口和/或铰接的上部钳口；(x)下部钳口和上部钳口中的至少一个可沿臂的长边的至少一部分移动；(xi)钻杆定位装置的臂可连接至井架；(xii)在钻机传输时，定位装置可适于固定一段钻杆和传送部件中的至少一个；(xiii)爆破孔钻机还可以包括用于由操作员远程控制的控制系统(例如，钻杆定位装置的远程控制)；以及/或者(xiv)爆破孔钻机还可以包括用于定位装置的动力操控的液压系统。 |
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