CN118548073B - 复合破岩一体化钻进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合破岩一体化钻进装置，包括中心钻杆、以及固定在中心钻杆一端的中心刀盘组件，还包括环形刀盘组件和驱动组件；所有环形刀盘组件围绕中心刀盘组件依次从内向外套装，驱动组件包括环形固定部、环形转动部，固定部围绕中心钻杆设置，固定部被配置为环向固定，转动部被配置为可绕中心钻杆的轴线转动，环形刀盘组件固定于对应的转动部上；中心刀盘组件和所有环形刀盘组件相互独立转动；中心钻杆和所有固定部被配置为可轴向相对进退移动。采用本发明的装置可应用于反井钻、定向钻等岩石破碎作业中，可以显著提高地下管道施工的效率和安全性，降低施工成本，为城市基础设施建设提供强有力的技术支持。

Description

复合破岩一体化钻进装置

技术领域

本发明涉及钻施工技术，具体涉及一种复合破岩一体化钻进装置。

背景技术

随着城市化进程的加快和基础设施建设的不断深入，地下管道施工技术的需求日益增长，尤其是在复杂地质条件下的岩石破碎作业。传统的岩石破碎技术，如顶管机、盾构机、定向钻机和反井钻机等，虽然在部分情况上满足了施工需求，但在效率、能耗和施工精度方面仍存在诸多挑战。传统的岩石破岩设计中通常仅包含一个刀盘，刀盘上设有多层刀具，而滚压破碎过程中需要较高的钻压，施工难度大、施工成本高；且一个刀盘的整体旋转能耗较大，不利于能源效率的提升；此外，由于刀盘中心的速度较低，而边缘速度较高，这导致了刀盘内外圈的磨损不均匀，即所谓的“中心低速磨损”和“边缘高速磨损”问题。这些问题不仅影响了施工效率，也可能对管道的长期稳定性构成威胁。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提出了一种环形分级驱动推拉刀盘破岩一体化装置。该装置通过环形分级驱动系统，实现了刀盘的高效、精准控制，能够在不同地质条件下实现稳定的岩石破碎。采用的主要技术方案如下：

本发明提供一种复合破岩一体化钻进装置，包括中心钻杆、以及固定在中心钻杆一端的中心刀盘组件，其关键在于：

还包括至少一个环形刀盘组件和至少一个驱动组件；

所有所述环形刀盘组件围绕所述中心刀盘组件依次从内向外套装，所述驱动组件被配置为与所述环形刀盘组件一一对应；

所述驱动组件包括环形固定部、环形转动部、转动动力源和转动传动组件，所述环形固定部围绕所述中心钻杆设置，所述环形固定部被配置为环向固定，所述环形转动部连接于所述环形固定部，所述环形转动部被配置为与所述环形固定部保持轴向相对固定，所述环形转动部被配置为可绕所述中心钻杆的轴线转动，所述转动动力源设于所述环形固定部上，所述转动传动组件被配置为将所述转动动力源的输出动力传递至所述环形转动部，所述环形刀盘组件固定于对应的所述环形转动部上；

所述中心刀盘组件和所有所述环形刀盘组件相互独立转动；

所述中心钻杆和所有所述环形固定部被配置为可轴向相对进退移动。

采用以上技术方案，多个刀盘各自独立旋转调节，且轴向可推拉调节，使得装置在狭窄空间内的作业更加灵活，能够适应复杂多变的地下施工环境。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的仰视图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5为图4的i部放大图；

图6为图3的B-B剖视图；

图7为图5的j部放大图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1-图7所示，一种复合破岩一体化钻进装置，包括中心钻杆a、以及固定在中心钻杆a一端的中心刀盘组件d，所述中心钻杆a由外部动力系统带动旋转，从而带动所述中心刀盘组件d旋转，这是本领域技术人员所熟知的。

本发明装置的核心是：还包括至少一个环形刀盘组件c和至少一个驱动组件b；所有所述环形刀盘组件c围绕所述中心刀盘组件d依次从内向外套装，所述驱动组件b被配置为与所述环形刀盘组件c一一对应；所述驱动组件b分别可带动各自对应的环形刀盘组件c独立转动；同时，所述中心刀盘组件d和所有所述环形刀盘组件c也被配置为可独立的相互转动；

所述驱动组件b的一种具体结构为：

所述驱动组件b包括环形固定部b1、环形转动部b2、转动动力源b3和转动传动组件b4，所述环形固定部b1围绕所述中心钻杆a设置，所述环形固定部b1被配置为环向固定；在一种更为具体的实施方式中，所述环形固定部b1为套筒、特别是圆形套筒，所述环形固定部b1的中心线与所述中心钻杆a的中心线重合；

所述环形转动部b2连接于所述环形固定部b1，所述环形转动部b2被配置为与所述环形固定部b1保持轴向相对固定，所述环形转动部b2被配置为可绕所述中心钻杆a的轴线转动；在一种更为具体的实施方式中，所述环形转动部b2为套筒、特别是圆形套筒，所述环形转动部b2的中心线与所述中心钻杆a的中心线重合，所述环形固定部b1和所述环形转动部b2轴向对接，所述环形固定部b1和所述环形转动部b2轴向相对固定，所述环形固定部b1和所述环形转动部b2环向可转动连接，所述环形刀盘组件c固定在所述环形转动部b2的端部。

更进一步的，还包括两个抵靠环b5，两个所述抵靠环b5分别固定在所述环形固定部b1和所述环形转动部b2的端部，所述环形固定部b1和所述环形转动部b2通过所述抵靠环b5轴向对接，两个所述抵靠环b5之间设有转动支撑件，所述转动支撑件可以是端面轴承、也可以是滚珠/滚珠/滚轮，两个所述抵靠环b5通过抱箍轴向抱紧，所述抱箍同时限制所述环形固定部b1和所述环形转动部b2发生径向相对偏移和轴向移动，使得所述环形固定部b1和所述环形转动部b2只能发生环向相对转动；

所述转动动力源b3设于所述环形固定部b1上，所述转动传动组件b4被配置为将所述转动动力源b3的输出动力传递至所述环形转动部b2，所述环形刀盘组件c固定于对应的所述环形转动部b2上。一种具体的实施方式中，所述转动传动组件b4包括转动齿轮b41和转动齿圈b42，所述转动齿圈b42被配置在的对应的所述环形转动部b2上，所述转动齿轮b41被配置在对应的转动动力源b3的输出部，所述转动齿轮b41和转动齿圈b42相互啮合。所述转动动力源b3可以是液压马达，也可以是各种形式的电机（例如减速电机）。

本发明装置的所述中心钻杆a包括钻杆固定部a1和钻杆转动部a2，所述钻杆固定部a1被配置为环向固定，钻杆转动部a2与所述钻杆固定部a1连接。

所述钻杆固定部a1被配置为与所述钻杆转动部a2保持轴向相对固定，而所述钻杆固定部a1还被配置为与所述钻杆转动部a2保持环向相对转动。实现该配置的方式可以按照以上环形固定部b1和环形转动部b2之间的配置方式；也可以是：在所述钻杆固定部a1/所述钻杆转动部a2的端部设置插孔，在所述钻杆转动部a2/所述钻杆固定部a1的端部设置插销，插销插入所述插孔内，所述钻杆固定部a1和所述钻杆转动部a2之间通过插销和插进行配合，以限制二者仅能环向相对转动；所述钻杆转动部a2由外部的动力系统驱动旋转。

所述钻杆转动部a2和所述环形转动部b2分别靠近各自对应的刀盘组件（中心刀盘组件d或环形刀盘组件c），所述钻杆固定部a1和所述环形固定部b1分别远离各自对应的刀盘组件（中心刀盘组件d或环形刀盘组件c），所述钻杆固定部a1和所述环形固定部b1形成驱动安装部，所有所述驱动安装部呈现从内向外依次逐层活套的状态；

此外，所述中心钻杆a和所有所述环形固定部b1还被配置为可轴向相对进退移动。一种具体的实施方式是：所述中心钻杆a和所有所述环形固定部b1上分别设有轴向进退组件e，该轴向进退组件e被配置为带动所述中心钻杆a或所述环形固定部b1轴向进退，所述轴向进退组件e被配置为限制所述环形固定部b1环向转动，从而将所述环形固定部b1配置为环向固定。

所述轴向进退组件e的基本结构包括直线移动机构和进退动力组件e3，本领域技术人员所熟知的是：所述直线移动机构包括相对不可移动部分（基体）和相对可移动部分（活动部），所述直线移动机构被配置于两个不同的所述驱动安装部上（即：所述基体和所述活动部分别配置于两个不同的所述驱动安装部上），所述进退动力组件e3固定于其中一个所述驱动安装部上，所述进退动力组件e3作用于对应的所述直线移动机构（具体是作用于对应的所述直线移动机构的活动部）。

所述直线移动机构的具体结构在现有技术中有多种记载，例如：丝杆-螺母结构、齿轮-齿条结构、导杆-套筒结构、滑轨-滑块结构、滑块-滑槽结构等等。以下介绍其中两种直线移动机构：

第一种直线移动机构的结构为：所述直线移动机构包括进退丝杆e1、进退螺母e2，所述进退丝杆e1和进退螺母e2相互螺纹配合，所述进退丝杆e1被配置于内层的所述驱动安装部上，所述进退螺母e2被配置于外层的所述驱动安装部上，所述进退动力组件e3驱动所述进退丝杆e1旋转。需要强调的事，所述进退丝杆e1不一定是实心的，而可以是空心的；具体的，所述进退丝杆e1中空且通过轴承组件套装在内层的所述驱动安装部，所述进退丝杆e1可相对于内层的驱动安装部转动；而所述进退螺母e2也不一定是独立的，其可以是在外层的所述驱动安装部的内壁配置内螺纹而形成的。

此时，所述进退动力组件e3驱动所述进退丝杆e1旋转方式可参考以上转动传动组件b4的结构进行传动；即：所述进退丝杆e1包括螺杆部和齿圈部，所述螺杆部和所述齿圈部均呈圆环状，所述螺杆部的外径大于所述齿圈部的外径，所述螺杆部和所述齿圈部共中心线设置，所述螺杆部和所述齿圈部轴向分布，所述螺杆部和所述齿圈部轴向固定连接，所述螺杆部与所述进退螺母e2螺纹配合，所述进退动力组件e3包括进退动力源和进退传动组件，进退传动组件的输入端与所述进退动力源连接，进退传动组件的输出端设有进退传动齿轮，进退传动齿轮和齿圈部啮合，所述进退动力源可以是电机，也可以是液压马达，所述进退动力源安装于所述驱动安装部上。

第二种直线移动机构的结构为：所述直线移动机构包括进退齿条e4、进退齿轮e5，所述进退齿条e4沿所述中心钻杆a的轴向方向设置，所述进退齿轮e5和所述进退齿条e4相啮合，所述进退齿条e4和所述进退齿轮e5分别被配置在两个不同的所述驱动安装部上，所述进退动力组件e3驱动所述进退齿轮e5转动，所述进退动力组件e3可以是电机，也可以是液压马达。

本发明装置中可采用同一种直线移动机构，也可以采用不同的直线移动机构，有必要时还可采用多种直线移动机构混用（前提是不发生相对干扰），例如以上两种直线移动机构还同时配置有导杆-套筒结构（图中未示出），所述导杆-套筒结构包括导杆和套筒，所述导杆沿所述驱动安装部的中心线方向设置，所述导杆和所述套筒分别配置在两个不同的驱动安装部上，所述导杆和所述套筒活套。所述导杆-套筒结构限制所述环形固定部b1环向转动。

所述转动动力源b3和所述进退动力组件e3应该具有自锁功能，所谓自锁功能是指动力只能由源向外部单向输出，而外部不能向源输入动力。

所述刀盘组件包括刀具固定环，所述刀具固定环的外侧端面环向配置有若干刀具，所述刀具固定环的内侧端面用于连接所述环形转动部b2和中心钻杆a的所述钻杆固定部a1；其中与所述中心钻杆a连接的刀盘组件为所述中心刀盘组件d；与所述环形转动部b2连接的刀盘组件为所述环形刀盘组件c；在所述刀具固定环的外圆周面还环向分布有若干周向破岩齿p。

所述环形转动部b2包括圆形套筒和圆台喇叭斗，所述圆形套筒的一端与所述圆台喇叭斗的小口端连接，所述圆台喇叭斗的大口端朝向刀盘组件（中心刀盘组件d或环形刀盘组件c）并与所述刀具固定环固定连接，在所述圆台喇叭斗上设有若干漏岩孔。

有益效果：本发明的中心钻杆和中心刀盘组件构成一级破岩系统，其外侧的环形刀盘组件和驱动组件依次构成二级破岩系统、三级破岩系统、…，各破岩系统可独立转动、可独立进退，多级破岩系统在人为控制下相互配合，可应用于顶管机、盾构机、定向钻机、反井钻机等岩石破碎作业，尤其在反井钻与定向钻中展现出独特的优势。通过本发明的应用，可以显著提高地下管道施工的效率和安全性，降低施工成本，为城市基础设施建设提供强有力的技术支持。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种复合破岩一体化钻进装置，包括中心钻杆（a）、以及固定在中心钻杆（a）一端的中心刀盘组件（d），其特征在于：

还包括至少一个环形刀盘组件（c）和至少一个驱动组件（b）；

所有所述环形刀盘组件（c）围绕所述中心刀盘组件（d）依次从内向外套装，所述驱动组件（b）被配置为与所述环形刀盘组件（c）一一对应；

所述驱动组件（b）包括环形固定部（b1）、环形转动部（b2）、转动动力源（b3）和转动传动组件（b4），所述环形固定部（b1）围绕所述中心钻杆（a）设置，所述环形固定部（b1）被配置为环向固定，所述环形转动部（b2）连接于所述环形固定部（b1），所述环形转动部（b2）被配置为与所述环形固定部（b1）保持轴向相对固定，所述环形转动部（b2）被配置为可绕所述中心钻杆（a）的轴线转动，所述转动动力源（b3）设于所述环形固定部（b1）上，所述转动传动组件（b4）被配置为将所述转动动力源（b3）的输出动力传递至所述环形转动部（b2），所述环形刀盘组件（c）固定于对应的所述环形转动部（b2）上；

所述中心刀盘组件（d）和所有所述环形刀盘组件（c）相互独立转动；

所述中心钻杆（a）和所有所述环形固定部（b1）被配置为可轴向相对进退移动；

所述中心钻杆（a）和所有所述环形固定部（b1）上分别设有轴向进退组件（e），该轴向进退组件（e）被配置为带动所述中心钻杆（a）或所述环形固定部（b1）轴向进退，所述轴向进退组件（e）被配置为限制所述环形固定部（b1）环向转动；

所述环形固定部（b1）为套筒，所述环形转动部（b2）为套筒，所述环形固定部（b1）和所述环形转动部（b2）轴向对接，所述环形固定部（b1）和所述环形转动部（b2）轴向相对固定，所述环形固定部（b1）和所述环形转动部（b2）环向可转动连接，所述环形刀盘组件（c）固定在所述环形转动部（b2）的端部；

所述中心钻杆（a）包括钻杆固定部（a1）和钻杆转动部（a2），所述钻杆固定部（a1）被配置为环向固定，钻杆转动部（a2）与所述钻杆固定部（a1）连接，所述钻杆固定部（a1）被配置为与所述钻杆转动部（a2）保持轴向相对固定；

所述钻杆固定部（a1）和所述环形固定部（b1）形成驱动安装部，所有所述驱动安装部从内向外依次逐层活套；

所述轴向进退组件（e）包括直线移动机构和进退动力组件（e3），所述直线移动机构分别被配置于两个所述驱动安装部上，所述进退动力组件（e3）固定于其中一个所述驱动安装部上，所述进退动力组件（e3）作用于对应的所述直线移动机构；

包括两个抵靠环（b5），两个所述抵靠环（b5）分别固定在所述环形固定部（b1）和所述环形转动部（b2）的端部，所述环形固定部（b1）和所述环形转动部（b2）通过所述抵靠环（b5）轴向对接，两个所述抵靠环（b5）之间设有转动支撑件，两个所述抵靠环（b5）通过抱箍轴向抱紧。

2.根据权利要求1所述的复合破岩一体化钻进装置，其特征在于：所述直线移动机构包括进退丝杆（e1）、进退螺母（e2），所述进退丝杆（e1）和进退螺母（e2）相互螺纹配合，所述进退丝杆（e1）被配置于内层的所述驱动安装部上，所述进退螺母（e2）被配置于外层的所述驱动安装部上，所述进退动力组件（e3）驱动所述进退丝杆（e1）旋转。

3.根据权利要求1所述的复合破岩一体化钻进装置，其特征在于：所述直线移动机构包括进退齿条（e4）、进退齿轮（e5），所述进退齿条（e4）沿所述中心钻杆（a）的轴向方向设置，所述进退齿轮（e5）和所述进退齿条（e4）相啮合，所述进退齿条（e4）和所述进退齿轮（e5）分别被配置在两个所述驱动安装部上，所述进退动力组件（e3）驱动所述进退齿轮（e5）转动。

4.根据权利要求1、2或3所述的复合破岩一体化钻进装置，其特征在于：所述转动传动组件（b4）包括转动齿轮（b41）和转动齿圈（b42），所述转动齿圈（b42）被配置在对应的所述环形转动部（b2）上，所述转动齿轮（b41）被配置在对应的转动动力源（b3）的输出部，所述转动齿轮（b41）和转动齿圈（b42）相互啮合。

5.根据权利要求1、2或3所述的复合破岩一体化钻进装置，其特征在于：包括刀盘组件，所述刀盘组件包括刀具固定环，所述刀具固定环的外侧端面环向配置有若干刀具，所述刀具固定环的内侧端面用于连接所述环形转动部（b2）和中心钻杆（a）；

与所述中心钻杆（a）连接的刀盘组件为所述中心刀盘组件（d）；

与所述环形转动部（b2）连接的刀盘组件为所述环形刀盘组件（c）；

在所述刀具固定环的外圆周面还环向分布有若干周向破岩齿（p）。