一種變幅滾動摩擦鑽機構件的製作方法

2023-12-10 01:09:26 2

本發明屬於鑽探設備領域，具體為一種變幅滾動摩擦鑽機構件。

背景技術：

在煤礦開採領域，隨著技術的發展，各種功能的新型鑽機實現應用，其基本結構相似，基本功能相同，已基本實現了水平孔、斜孔、垂直孔的打鑽功能。以往的鑽機設計在採用傳統技術時，由於井下空間的狹小的原因，導致了鑽機功能的設計瓶頸，主要歸納為：

1.鑽機桅杆的推進機構都採用齒輪齒條倍速傳動機構，這種結構的優點在於解決空間不足的問題，可以使鑽機的行程增加一倍，其缺點為使推進力減半，齒輪、齒條直接裸露在外，損害較快；

2.桅杆採用滑動結構行走，就是油缸推著U形槽在軌道上滑動實現行走。其缺點在於滑動阻力大，由於井下粉塵大，大量粉塵進入U形槽，難以清理，使行走阻力增大並加速滑軌的損壞；

3.桅杆的角度調整機構結構複雜，穩定性差。典型的為曲柄連杆機構做固定受力支撐，鑽機在打鑽作業中振動嚴重；

4.鑽機支撐依靠頂天立地的油缸支撐，不能對桅杆進行全方位角度支撐；

5.焊接結構多，整體結構強度差；井下腐蝕強度高，焊縫裂紋容易產生間隙腐蝕，加速重要結構件損壞；

6.狹小的井下空間要求鑽機體積小，對於小體積大推力的要求，鑽機難以實現伸縮功能。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷和不足，本發明的目的在於提供了變幅滾動摩擦鑽機構件，該裝置能在800～3000mm的範圍內實現0～26°的斜孔鑽進作業；變幅單元能調節鑽機頭在0～105°內旋轉，滾動摩擦單元採用油缸直接驅動代替齒輪倍速機構，可使起拔力和進給力不再減半，直接為驅動油缸的進給力，同比相同起拔力的倍速機構可使油缸直徑減小30％。

為達到上述目的，本發明採取的技術方案為：

一種變幅滾動摩擦鑽機構件，包括鑽機單元、變幅單元和滾動摩擦單元；所述的變幅單元包括橫梁，所述的橫梁為可伸縮橫梁，橫梁包括相互套設的伸縮梁和固定梁，且在伸縮梁上沿長度方向間設軌道；變幅單元的固定梁端固設在鑽機上，變幅單元的伸縮梁端上設置滾動摩擦單元，通過變幅單元可以調整滾動摩擦單元和鑽機機頭在0～105°範圍內擺動，滾動摩擦單元可帶動鑽機機頭沿其軸向進行滾動式行走；鑽機單元包括鑽機動力頭、鑽杆和鑽頭，鑽機動力頭安裝在滾動摩擦單元上，鑽杆和鑽頭依次安裝在鑽機動力頭上。

進一步的，在所述的變幅單元的變幅端與滾動摩擦單元之間還設置迴轉單元，迴轉單元可帶動滾動摩擦單元進行360°的迴轉。

另外，連接迴轉單元與滾動摩擦單元還設置輔助支撐油缸。

所述的變幅單元包括橫梁、角度調節油缸、擺幅架和鑽機安裝件，所述的擺幅架的一端活動式安裝在橫梁的端部，擺幅架的另一端與角度調節油缸的活塞端活動式連接，角度調節油缸的非活塞端活動式懸設在橫梁下，鑽機安裝件固定設置在擺幅架上；所述的橫梁為可伸縮橫梁，橫梁包括相互套設的伸縮梁和固定梁，且在伸縮梁上沿長度方向間設軌道；

固定梁的端部固設在鑽機上，滾動摩擦單元安裝在鑽機安裝件上。

具體的，所述的擺幅架的一端通過第二鉸接軸安裝在橫梁的端部，擺幅架的另一端通過第一鉸接軸與角度調節油缸的活塞端連接，角度調節油缸的非活塞端與設置在伸縮梁下的靠近擺幅架的支撐座通過擺動軸活動連接；

所述的第一鉸接軸與第二鉸接軸之間的水平投影距離L3為271mm，第二鉸接軸與擺動軸之間的水平投影距離L2為562mm，第二鉸接軸與擺動軸之間的垂直投影距離h2為256mm，所述的角度調節油缸的行程g2為0～472mm。

還有，所述的伸縮梁與固定梁通過埋設的伸縮油缸實現伸縮運動，伸縮油缸的活塞端與固定梁的端部固定連接，伸縮油缸的非活塞端與伸縮梁固定連接；所述的伸縮油缸的行程g1為0～550mm。

具體的，所述的滾動摩擦單元包括桅杆框架，在桅杆框架上活動式設置滾動承託部件，在桅杆框架內嵌設動力部件，滾動承託部件上安裝鑽機機頭，動力部件帶動滾動承託部件沿桅杆框架滾動式來回移動。

所述的動力部件包括驅動油缸和驅動油缸活塞杆，滾動承託部件與驅動油缸沿軸向固定連接，驅動油缸活塞杆的端部固定在桅杆框架上。

具體的，所述的滾動承託部件包括第一滾動件和承託板，承託板通過第一滾動件滾動式設置在桅杆框架上；

第一滾動件包括沿豎向並列設置的兩個第一滾輪，兩個第一滾輪夾持在桅杆框架上並沿桅杆框架滾動；

沿長度方向在桅杆框架上設置板狀的滑軌，兩個第一滾輪夾持在滑軌軌面上沿桅杆框架滾動，且第一滾輪的軸向與滑軌的軌面平行；在所述的第一滾動件上還設置第一偏心軸，第一偏心軸與第一滾輪同軸並列設置在軸芯上。

還有，所述的滾動承託部件還包括第二滾動件，第二滾動件包括與承託板固定連接的第二滾輪，第二滾輪沿滑軌的邊緣滾動；

所述的第二滾輪的軸向與滑軌軌面垂直，在第二滾動件上還設置第二偏心軸，第二偏心軸與第二滾輪同軸並列設置在軸芯上。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

(1)本發明的滾動摩擦單元採用油缸直接驅動代替齒輪倍速機構，可使起拔力和進給力不再減半，直接為驅動油缸的進給力，同比相同起拔力的倍速機構可使油缸直徑減小30％；桅杆行走機構不再採用滑軌結構，而是採用滾動方式，推進阻力減小，拆裝更加方便，敞開軌道上的煤粉更加容易清理，傳統的滑動結構的襯板一般一個月就需要更換一次，而本發明的滾動承託部件的設計壽命在半年以上；本發明的滾動件採用滾輪的滾動形式，桅杆框架使用了方形型鋼作為主體，焊縫明顯減少，結構強度明顯增強，桅杆框架的軌面完全裸漏在外部，當煤渣落在上面可輕鬆清除，防止煤渣對滾輪的損害；

(2)為了對滾動承託部件的滾動進行限位，滾動承託部件還包括第二滾動件，第二滾動件為沿滑軌邊緣滾動的滾輪，對滾動承託板進行限位；同時，為了保證對滑軌摩擦的補償或對滑軌邊緣的補償，在第一滾動件和第二滾動件上都設置了偏心軸，以達到補償滑軌的目的；

(3)本發明的變幅單元主要通過擺幅架、橫梁與角度調節油缸的伸縮組成大承載旋轉機構；大幅簡化角度調整的結構，其結果使鑽機高度大幅降低；伸縮的橫梁可實現行程550mm的伸縮，替代履帶的移動，減小井下大型鑽機的移動，方便操作；通過角度調節油缸的伸縮實現擺幅架能在0～105°內旋轉，並實現任意角度最小支撐力臂不小於150mm，可以支撐更大的翻轉力矩；第一鉸接軸、第二鉸接軸和擺動軸形成任意三角形的穩定結構，提高結構的剛度和穩定性；

(4)煤礦井下粉塵大，變幅單元的伸縮梁上沿長度方向採用加強板間隔布置成的軌道，可避免粉塵堆積對滑軌造成的阻塞，粉塵可沿軌道之間的間隙隨電機的工作過程滑出，具有自清潔功能；本發明的伸縮梁採用180*180*8的方鋼做主體，伸縮油缸直接布置在方鋼內部，採用活塞杆端部設置進/出油口，可布置最大外徑的油缸；角度調節油缸的鉸支點設計在油缸前端計算的合理位置，油缸在繞支點旋轉時，在大擺幅角度時尾部與橫梁不幹涉，活塞杆與伸縮梁不幹涉，達到最佳的使用效果。

附圖說明

圖1為本發明的變幅滾動摩擦鑽機構件安裝在全方位深孔鑽機上的結構示意圖；

圖2為圖1中滾動摩擦單元的結構立體圖；

圖3為圖2的正視圖；

圖4是圖3中A-A的剖視圖；

圖5是圖3中B-B的剖視圖；

圖6是圖1中變幅單元的結構立體圖；

圖7是圖6的正視圖；

圖8是圖7的剖視圖；

圖9是圖7的最大變幅角的剖視圖；

圖10是圖6中伸縮梁的結構示意圖；

圖中各標號表示為：1-滾動摩擦單元、1-1桅杆框架、1-11滑軌、1-2滾動承託部件、1-21第二滾動件、1-211--螺栓、1-212第二偏心軸、1-213第二滾輪、1-22第一滾動件、1-221芯軸壓板、1-222第一偏心軸、1-223第一滾輪、1-23承託板、1-3支撐油缸、1-4動力部件、1-41驅動油缸活塞杆、1-42驅動油缸；2-變幅單元、2-1擺幅架、2-11第一鉸接軸、2-12第二鉸接軸、2-2角度調節油缸、2-21角度調節油缸第一油路連接口、2-22角度調節油缸第二油路連接口、2-3橫梁、2-31伸縮梁、2-311伸縮油缸第一油路連接口、2-312伸縮油缸安裝軸、2-313支撐座、2-314擺動軸、2-315軌道、2-316伸縮油缸第二油路連接口、2-317加強板、2-318擺幅架安裝口、2-32固定梁、2-321固定梁連接件、2-4鑽機安裝件、2-5伸縮油缸；3-迴轉單元、4-鑽機動力頭、5-鑽杆、6-鑽頭；

以下結合說明書附圖和具體實施方式對本發明做具體說明。

具體實施方式

本發明的變幅滾動摩擦鑽機構件，包括鑽機單元、變幅單元和滾動摩擦單元；所述的變幅單元包括橫梁，所述的橫梁為可伸縮橫梁，橫梁包括相互套設的伸縮梁和固定梁，且在伸縮梁上沿長度方向間設軌道；變幅單元(2)的固定梁端固設在鑽機上，變幅單元的伸縮梁端上設置滾動摩擦單元，通過變幅單元可以調整滾動摩擦單元和鑽機機頭在0～105°範圍內擺動，滾動摩擦單元可帶動鑽機機頭沿其軸向進行滾動式行走；鑽機單元包括鑽機動力頭、鑽杆和鑽頭，鑽機動力頭安裝在滾動摩擦單元上，鑽杆和鑽頭依次安裝在鑽機動力頭上。

本發明的滾動摩擦單元，桅杆框架安裝在鑽機託盤上，並作為給進時的行走軌道，在桅杆框架上活動式設置滾動承託部件，在桅杆框架內嵌設驅動油缸和驅動油缸活塞杆，滾動承託部件與驅動油缸沿豎向固定連接，驅動油缸活塞杆的端部固定在桅杆框架上；滾動承託部件上安裝鑽機馬達，驅動油缸帶動滾動承託部件沿桅杆框架滾動式來回移動。四個支撐油缸安裝在桅杆框架的前後兩端，支撐油缸的油缸活塞杆伸長後與頂板和地面直接頂緊接觸，以固定整個託架。驅動油缸活塞杆端頭與桅杆框架固定連接，滾動承託部件上可放置一臺帶減速機的液壓馬達，液壓馬達旋轉給鑽杆提供的大旋轉扭矩和油缸提供的驅動力實現打鑽作業。

本發明的變幅單元主要通過擺幅架、橫梁與角度調節油缸的伸縮組成大承載旋轉機構；大幅簡化角度調整的結構，其結果使鑽機高度大幅降低；伸縮的橫梁可實現行程550mm的伸縮，替代履帶的移動，減小井下大型鑽機的移動，方便操作。

具體的，結合圖1，將本發明的變幅滾動摩擦鑽機構件安裝在全方位深孔鑽機上使用的結構圖為圖1，全方位深孔鑽機包括滾動摩擦單元1、變幅單元2、迴轉單元3、鑽機動力頭4、鑽杆5、鑽頭6、機架、履帶、變壓器、操縱杆、安全照明部件、液壓泵、油箱、操縱臺、變幅單元支撐油缸、撐腿油缸和輔助支撐油缸，機架下安裝履帶和撐腿油缸，機架上安裝液壓泵、油箱、變壓器、操縱杆、安全照明部件、操縱臺和變幅單元支撐油缸，在機架上設置變幅單元2、滾動摩擦單元1、迴轉單元3、鑽機動力頭4、鑽杆5和鑽頭6，變幅單元2的非擺動端通過變幅單元支撐油缸固設在機架上，變幅單元2的擺動端上設置滾動摩擦單元1，滾動摩擦單元1上設置鑽機動力頭4、鑽杆5和鑽頭6，變幅單元2的變幅端與滾動摩擦單元1之間設置迴轉單元3，迴轉單元3可帶動滾動摩擦單元1進行360°的迴轉，連接迴轉單元3與滾動摩擦單元1還可設置輔助支撐油缸，鑽機通過支腿油缸、變幅單元和迴轉單元組合調整，可實現空間有限範圍內任意角度的打孔作業，可通過輔助支撐油缸再次調整託架的位置實現託架的支撐。

結合圖2-5，本發明的滾動摩擦單元1包括桅杆框架1-1，在桅杆框架1-1上活動式設置滾動承託部件1-2，在桅杆框架1-1內嵌設驅動油缸1-42和驅動油缸活塞杆1-41，滾動承託部件1-2與驅動油缸1-42沿豎向固定連接，驅動油缸活塞杆1-41的端部固定在桅杆框架1-1上；滾動承託部件1-2上安裝鑽機動力頭4，驅動油缸1-42帶動滾動承託部件1-2沿桅杆框架1-1滾動式來回移動。油缸直接驅動代替齒輪倍速機構，可使起拔力和進給力不再減半，直接為驅動油缸的進給力，同比相同起拔力的倍速機構可使油缸直徑減小30％，驅動油缸缸徑Φ110mm，驅動油缸活塞杆杆徑Φ63，行程930mm，最大工作壓力25MPa時，起拔力235KN,進給力160KN；桅杆行走機構不再採用滑軌結構，而是採用滾動方式，推進阻力減小，拆裝更加方便，敞開軌道上的煤粉更加容易清理，傳統的滑動結構的襯板一般一個月就需要更換一次，而本發明的滾動承託部件的設計壽命在半年以上。

滾動承託部件1-2包括第一滾動件1-22和承託板1-23，承託板1-23通過第一滾動件1-22滾動式設置在桅杆框架1-1上；第一滾動件1-22包括沿豎向並列設置的兩個第一滾輪1-223，兩個第一滾輪1-223夾持在桅杆框架1-1上並沿桅杆框架1-1滾動。最好的，桅杆框架1-1使用方形型鋼作為主體，具體的，桅杆框架1-1為中央帶有可通過驅動油缸1-42的滑槽，滑槽邊緣延伸設置板狀滑軌1-11，兩個第一滾輪1-223夾持在滑軌1-11軌面上沿桅杆框架1-1滾動，且第一滾輪1-223的軸向與滑軌1-11的軌面平行。為了補償軌道的磨損，在第一滾動件1-22上還設置第一偏心軸1-222，第一偏心軸1-222與第一滾輪1-223同軸並列設置在軸芯上，且第一偏心軸1-222通過芯軸壓板1-221進行固定；桅杆框架1-1共受到滾動摩擦託架上液壓馬達的扭轉力矩和驅動油缸的進給力的共同作用，鑽機扭轉力矩要求為4000N.m時，推進力要求為160KN，由於目前的桅杆框架都採用了板焊結構，而板焊結構有強度差、易變形的缺點，為了達到強度要求，所以桅杆框架被設計的大而笨重。而本發明的桅杆框架直接採用型鋼做主體，減少了焊接結構，同等強度要求下可實現框架的輕巧設計，減輕重量。

為了對滾動承託部件1-2的滾動進行限位，滾動承託部件1-2還包括第二滾動件1-21，第二滾動件1-21包括與承託板1-23固定連接的第二滾輪1-213，第二滾輪1-213沿滑軌1-11的邊緣滾動，保證滾動承託部件1-2不會偏離軌道。還有，為了能對滑軌1-11進行補償，第二滾輪1-213的軸向與滑軌1-11軌面垂直，在第二滾動件1-21上還設置第二偏心軸1-212，第二偏心軸1-212與第二滾輪1-213同軸並列設置在軸芯上，且第二滾輪1-213通過螺栓固定在承託板1-23邊緣。

第一偏心軸1-222和第二偏心軸1-212，均可實現最大2mm的調整量，這2mm的調整量用於補償滑軌的磨損量或可對滑軌邊緣進行補償。

第一滾動件1-22的拆卸方便，可直接將兩邊芯軸壓板1-221螺栓鬆開，滾輪可直接從孔內取出來進行維修或更換。本發明的第一滾輪1-223和第二滾輪1-213均採用支承型滾輪自密封軸承，每個軸上都設計有油杯對軸承潤滑，延長軸承的壽命，軸承尺寸25mm*62～25mm，工作狀態中個第二滾輪受力，最大可承受23kN.m的液壓馬達力偶矩。

另外，在桅杆框架1-1的端部還設置至少一個支撐油缸1-3，優選的，在桅杆框架1-1兩端各設置兩個並列的支撐油缸1-3，桅杆框架1-1長度儘可能設計的短，2.3m的桅杆長度基本可以實現狹窄巷道的自由進出，前後都設計有支撐油缸1-3，可在任何方位進行頂緊穩定桅杆框架1-1；支撐油缸1-3缸徑Φ80mm，支撐油缸1-3活塞杆杆徑Φ55mm，行程300mm，支撐油缸1-3配備兩種支撐頭,用於不同的工況。支撐油缸1-3的伸長能夠可靠的固定鑽機，實現鑽機的穩定工作。

結合圖6-10，本發明的變幅單元2包括橫梁2-3、角度調節油缸2-2、擺幅架2-1和鑽機安裝件2-4，擺幅架2-1的一端活動式安裝在橫梁2-3的端部，擺幅架2-1的另一端與角度調節油缸2-2的活塞端活動式連接，角度調節油缸2-2的非活塞端活動式懸設在橫梁2-3下，鑽機安裝件2-4固定設置在擺幅架2-1上；橫梁2-3為可伸縮橫梁，橫梁2-3包括相互套設的伸縮梁2-31和固定梁2-32，且在伸縮梁2-31上沿長度方向間設軌道2-315。伸縮梁2-31還可以為光滑的梁體結構，例如方形鋼筒結構，光滑的梁體結構是相對於設置軌道的梁體結構而言的，即光滑的梁體結構即為其上未設置軌道的方形鋼梁；或者橫梁2-3為非伸縮梁，即為光滑的梁體結構，例如方形鋼筒結構,此處的非伸縮梁是相對於伸縮梁在長度上能進行調整的角度進行的定義，也就是說橫梁即為一個光滑的方形鋼筒結構，在長度方向不能進行變化；本發明的變幅單元主要通過擺幅架2-1、橫梁2-3與角度調節油缸2-2的伸縮組成大承載旋轉機構；大幅簡化角度調整的結構，其結果使鑽機高度大幅降低；伸縮的橫梁2-3可實現行程的伸縮，替代履帶的移動，減小井下大型鑽機的移動，方便操作；煤礦井下粉塵大，本發明的伸縮梁上沿長度方向採用加強板間隔布置成的滑軌，可避免粉塵堆積對滑軌造成的阻塞，粉塵可沿滑軌之間的間隙隨電機的工作過程滑出，具有自清潔功能；

通過角度調節油缸2-2的伸縮運動帶動擺幅架2-1上的鑽機安裝件2-4在0～105°範圍內轉動，進而帶動安裝在鑽機安裝件2-4上的鑽機在0～105°範圍內轉動，大大增加了鑽機的可調節角度。

一種實現角度調節油缸2-2的伸縮運動帶動擺幅架2-1上的鑽機安裝件2-4在0～105°範圍內轉動的方案包括：擺幅架2-1的一端通過第二鉸接軸2-12安裝在橫梁2-3的端部，擺幅架2-1的另一端通過第一鉸接軸2-11與角度調節油缸2-2的活塞端連接，第一鉸接軸2-11與第二鉸接軸2-12的連線與角度調節油缸2-2的軸線之間的夾角α為31～136°。

另一種實現角度調節油缸2-2的伸縮運動帶動擺幅架2-1上的鑽機安裝件2-4在0～105°範圍內轉動的方案包括：擺幅架2-1的一端通過第二鉸接軸2-12安裝在伸縮梁2-31的端部，角度調節油缸2-2的非活塞端與設置在伸縮梁2-31下的靠近擺幅架2-1的支撐座2-313通過擺動軸2-314活動連接；擺幅架2-1的最小擺動力臂h1為150mm，第二鉸接軸2-12與擺動軸2-314之間的投影距離是第一鉸接軸2-11與第二鉸接軸2-12之間的投影距離的2～2.5倍；

一種優選的實現角度調節油缸2-2的伸縮運動帶動擺幅架2-1上的鑽機安裝件2-4在0～105°範圍內轉動的方案包括：第一鉸接軸2-11與第二鉸接軸2-12之間的投影距離L3為271mm，第二鉸接軸2-12與擺動軸2-314之間的投影距離L2為562mm，第二鉸接軸2-12與擺動軸2-314之間的垂直投影距離h2為256mm，角度調節油缸2-2的行程g2為0～472mm，這四者之間的長度關係保證了0～105°範圍內的轉動；相應的其他部件的尺寸包括：本發明的鑽機變幅機構的最小長度L1為2048mm。

本發明的角度調節油缸2-2在在油缸缸體的兩端分別設置角度調節油缸第一油路接口2-21和角度調節油缸第二油路接口2-22，用於對油缸的伸縮運動提供液壓油；

伸縮梁2-31與固定梁2-32通過埋設的伸縮油缸2-5實現伸縮運動，伸縮油缸2-5的活塞端與固定梁2-32的端部固定連接，伸縮油缸2-5的非活塞端與伸縮梁2-31固定連接。伸縮油缸2-5的行程g1為0～550mm，替代履帶的移動；

本發明的伸縮油缸2-5由於埋設在伸縮梁2-31的梁腔內，因此如果採用傳統的供油油路設計，可能會對橫梁2-3的伸縮運動產生影響，因此，在伸縮油缸2-5的活塞端設置伸縮油缸第二油路連接口2-316，在伸縮油缸2-5的缸筒上設置伸縮油缸第一油路連接口2-311，可減少對伸縮梁2-31與固定梁2-32之間伸縮運動的阻礙；見圖10，本發明的伸縮梁2-31的具體結構為一個空腔的方形鋼的梁體，在伸縮梁2-31的一端的端頭上包設加強板2-317，穿過加強板2-317和伸縮梁2-31端部設置擺幅架安裝口2-318，靠近擺幅架安裝口2-318在伸縮梁2-31上穿設伸縮油缸安裝軸2-312，之後在伸縮梁2-31的下方懸設支撐座2-313，再之後在伸縮梁2-31上沿長度方向設置多個軌道2-315。固定梁2-32的遠離伸縮梁2-31的端部設置固定梁連接件2-321，用於將本鑽機變幅機構安裝在鑽機上。

鑽機安裝件2-4為圓盤狀的法蘭盤，法蘭盤上可設置迴轉單元3，然後在迴轉單元3上安裝鑽機，可增加鑽機在水平面的轉動，提高鑽機位置調節的靈活性；或者直接在鑽機安裝件上安裝鑽機，實現對鑽機位置的調節。

本發明的迴轉單元3即為圓盤狀的部件，沿圓盤狀部件的切線方向設置液壓渦輪結構，調整迴轉單元在360°的範圍內進行轉動，實現鑽機角度的全方位調整。