CN220469778U - 一种具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于煤矿钻机技术领域，涉及一种具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，包括主马达、变速器以及主轴，变速器具有驱动轴，所述驱动轴的一端连接主马达，且所述驱动轴通过变速器中的齿轮与主轴实现啮合传动，且所述驱动轴的另一端通过变速器连接有角度调节器。本实用新型通过在变速器远离主马达一侧设置角度调节器，且令角度调节器中的传动轴与驱动轴周向固定连接，进而通过具有角度准确调节和锁定防转动功能的角度调节器，实现了工具面角准确、高效调节，又简化了主马达的旋转制动装置结构，将大量内部零件的功能转化到一个外部的回转减速器，大幅降低了维修难度，减少了易损件的消耗。

Description

一种具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头

技术领域

本实用新型属于煤矿钻机技术领域，涉及一种具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头。

背景技术

在定向钻机进行定向钻进过程中，通常需要通过工具面角的调节实现钻孔轨迹方向的变化。现有定向钻机的动力头与传统钻机基本相同，没有可准确控制旋转角度的装置。工具面角的调节依靠钻进旋转马达驱动，旋转速度快，加之动力头传动系统惯性大，导致控制精度差，调节效率低下。现有定向钻机通常只有一个(或一组)马达，即驱动主轴转动的主马达，因此调节工具面角时也采用主马达驱动主轴转动。而在钻进过程中，孔内必然已有多根钻杆通过螺纹连接，因此调节工具面角时只能使用主马达驱动主轴和钻杆正向旋转，反转则很可能会使孔内钻杆的螺纹连接松开，导致丢钻事故。根据煤矿钻孔转速的需求，主马达驱动钻杆转动的转速较高，低速也有约50r/min(300°/s)，因此该系统的调节精度很低。加之动力头传动系统(主轴、齿轮等)质量大、惯性大，在工具面角调节到位时往往不能准确停止，一旦错过预设角度，则必须正转约一周，重新调节，周而复始，从而导致调节效率十分低下，并且不够准确。

其次，在定向钻进过程，水辫是定向钻机施工必备的配件之一，作为钻机与外界压力介质的接头，向钻杆、钻头输送打钻、排渣所需的压力流体。现有钻机的水辫一般独立于其他零部件，孤立地安装在动力头主轴最后或者最后一根钻杆末端；水辫通常包括芯轴、套设在芯轴上的进水口组件、套设在芯轴上的轴承座、与轴承座可拆卸连接的端盖和与端盖可拆卸连接的后盖；所述轴承座与芯轴之间设有轴承，然后通过芯轴直接将水辫孤立地安装在动力头主轴最后或者最后一根钻杆末端。由于现有钻机的水辫一般独立于其他零部件，孤立地安装在动力头主轴最后或者最后一根钻杆末端，导致现有钻机的水辫内部受到轴向液压力不均，加之没有其他的力传导结构，在钻进中受到轴向液压冲击和钻进振动冲击，芯轴的芯轴支撑轴承十分容易损坏，从而需要频繁维修，严重影响施工效率。

公开号为CN103061669B的中国专利是已有技术的典型代表，其公开了一种具有制动功能的煤矿井下定向钻机大通孔动力头，其关键在于，包括马达、变速箱、主轴、Ⅰ轴、卡盘，马达通过变速箱与主轴连接，Ⅰ轴通过变速箱中的齿轮与主轴实现啮合传动，卡盘设置在主轴的前端，所述的主轴后端安装有支撑环所述的主轴上套装有配油套，所述的Ⅰ轴通过变速箱连接有制动器，所述的制动器采用湿式摩擦盘结构；制动器的拨盘通过花键与动力头的Ⅰ轴连接，主动摩擦片与拨盘的叉爪连接，被动摩擦片通过花键和固定在制动器端盖上的端盖轴连接制动器设置有活塞杆，活塞杆上呈圆周均布的套装有6个活塞杆弹簧，活塞杆前端设置有压盘，压盘前端为相互层叠布置的6片主动摩擦片和5片被动摩擦片，活塞杆尾端顶住端盖轴前端，端盖轴前端的槽孔内设置有压帽，压帽底部设置有轴端弹簧；端盖轴前端设置有锁紧螺母；所述的马达的泄油口连接制动器的壳体的下部油口，经过制动器的壳体的上部油口流回油箱所述活塞杆弹簧与活塞杆紧密配合设置。从而使得该煤矿井下定向钻机大通孔动力头具备主轴制动功能、能同时满足回转钻进和孔底马达定向钻进两种工艺方法。但是，该煤矿井下定向钻机大通孔动力头没有可准确控制工具面角旋转角度的装置，调整工具面角旋转角度仍然需要采用主轴马达，所以不能够对工具面角进行精确调节；其次，其刹车装置功能单一，不仅不具有角度调节功能，且使用传统的摩擦片方式，内部易损件多，需要经常更换零件，进行维护，导致后期运行中维护较为困难。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，以解决现有定向钻进过程中工具面角不能准确调节的问题。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，包括主马达、变速器以及主轴，变速器具有驱动轴，所述驱动轴的一端连接主马达，且所述驱动轴通过变速器中的齿轮与主轴实现啮合传动，其关键在于，所述驱动轴的另一端通过变速器连接有角度调节器；

所述角度调节器包括传动轴、驱动活塞、固定齿盘、移动齿盘、角度调节器端盖、回转座、连接座以及具有自锁功能的回转减速器，所述传动轴的一端与所述驱动轴周向固定连接，另一端通过套设在传动轴上的轴承转动连接于所述角度调节器端盖内，并在所述角度调节器端盖远离所述驱动轴的一端设有轴承压盖，所述驱动活塞、固定齿盘和移动齿盘均套设在所述传动轴上，且所述驱动活塞位于所述传动轴靠近驱动轴的一端，所述驱动活塞远离驱动轴的一端与所述移动齿盘相接，所述固定齿盘与传动轴之间为周向固定连接，且所述固定齿盘位于所述驱动活塞与移动齿盘之间；

所述移动齿盘为具有中心通孔的盘状零件，且该中心通孔为阶梯通孔，且所述阶梯通孔朝向角度调节器端盖一侧为大直径通孔，所述移动齿盘通过该大直径通孔套设在所述角度调节器端盖上并滑动连接，所述移动齿盘面向所述驱动活塞的端面设有沿圆周分布的第一斜齿，且所述固定齿盘上设有与第一斜齿相啮合的第二斜齿，并在所述大直径通孔的内端面与该内端面相对的角度调节器端盖的端面之间设置有弹簧，以使得所述第一斜齿和第二斜齿在弹簧的推力下相啮合；

所述移动齿盘的外圆面设有均匀分布的凸台，所述回转座套设在所述移动齿盘上，并设有所述凸台相匹配的凹槽，以与所移动齿盘周向固定相连，且所述回转座的一端设有固定连接所述回转减速器的输出盘的回转减速器连接盘，以将所述回转减速器中输出盘的转动传递至移动齿盘；

所述连接座套设在所述驱动活塞上，所述连接座的外圆分为三级直径，且中间段的直径最大，且所述中间段的两侧端面分别与变速器和回转减速器相接，以实现所述变速器、连接座以及回转减速器之间的相对轴向定位，所述连接座的内径分为三级孔径，其中远离所述变速器的两段孔径与所述驱动活塞的外径相匹配，并套设在所述驱动活塞上，且所述回转减速器的输出盘与所述回转座同轴；

所述驱动活塞为两级阶梯轴，其小径端外圆设有密封槽，所述密封槽内安装有密封圈，并与套设在其上的连接座的对应位置配合形成第一密封，大径端外圆与安装在所述连接座对应位置的密封圈配合形成第二密封，所述第一密封和第二密封之间形成位于所述驱动活塞和连接座之间密封腔，并在所述连接座上设有连通所述密封腔的进油口，以使得所述驱动活塞在通过进油口进入密封腔的液压油的作用下朝角度调节器端盖方向推动移动齿盘。

进一步，在所述驱动活塞与移动齿盘之间还设有传动活塞，所述传动活塞套设在传动轴上并滑动连接，且所述传动活塞的一端连接驱动活塞，另一端连接移动齿盘以传动所述驱动活塞的推力。

进一步，所述回转座为圆筒形，其远离所述回转减速器连接盘的一端设有端盖连接盘，以与所述角度调节器端盖固定连接。

进一步，所述固定齿盘具有齿盘和位于所述齿盘中心的固定轴，所述第二斜齿设置在齿盘上，所述固定轴插入移动齿盘的中心通孔内，且在所述固定轴内设有键槽，以使得所述固定齿盘通过键连接与所述传动轴周向固定连接。

进一步，所述角度调节器端盖为三级阶梯空心盘状结构，其通过轴承套设在传动轴上，其最大外径段设有与所述回转座连接的法兰，且所述最大外径段位于远离所述驱动轴的一端，中间直径段用于承载所述回转座，并对所述移动齿盘的轴向移动距离进行限制，最小直径段与移动齿盘的大直径通孔轴向滑动连接，且所述最小直径段的端面设有用于安装弹簧的沿圆周均布的若干弹簧安装孔。

进一步，所述驱动轴内设于所述变速器中，所述连接座中所述中间段的一侧端面与变速器相接，所述连接座中靠近变速器的一段插入变速器中，并作为套设所述驱动轴上的轴承的轴向止动，靠近所述回转减速器的一段向回转减速器内部延伸，以用于所述回转减速器安装导向。

进一步，该定向钻机动力头还包括水辫、主动钻杆、连接套以及连接轴，所述水辫包括芯轴、进水组件、轴承座、密封轴以及芯轴支撑轴承，所述进水组件套设在芯轴上并转动连接，所述轴承座通过内设于轴承座两端的芯轴支撑轴承套设在芯轴上并转动连接；

所述芯轴为中空轴，其左端与连接轴固定连接，其右端的内侧连接密封轴以密封芯轴的右端，且所述芯轴上设有进水孔，且该进水孔与进水组件连通，所述进水组件包括进水口和与进水口相通的壳体，所述壳体的内腔为对称结构，且对称面垂直于所述芯轴的轴线以使其轴向受力平衡，所述进水组件通过壳体套设在所述芯轴上，壳体的内腔连通所述芯轴的进水孔；

所述连接轴为中空轴，且内设于主轴，其两端分别连接所述水辫的芯轴和具有轴向浮动结构的主动钻杆，并在所述连接轴靠近所述芯轴的一端设有六方头，所述连接套固定连接在主轴靠近所述水辫的一端，且套设在所述连接轴上，其内部设有与所述六方头相匹配的六方孔，以在所述连接轴与连接套之间形成限制转动的滑动连接，进而使得所述连接轴和芯轴能够轴向浮动。

进一步，该定向钻机动力头还包括卡盘，所述卡盘连接在所述主轴远离水辫的一端且随主轴转动，所述主动钻杆的轴向浮动结构包括弹簧和钻杆端盖，所述主动钻杆与卡盘之间为键连接，且所述弹簧设置在所述主动钻杆靠近卡盘的端面以使得所述主动钻杆能够在轴向浮动，所述钻杆端盖套设在所述主动钻杆上并与卡盘固定连接以限制主动钻杆的轴向浮动距离。

进一步，设所述主动钻杆靠近卡盘的端面与卡盘与之对应的端面之间的最大距离为a，所述主动钻杆以及与之连接的钻杆接头螺纹的螺距为p，所述a≤p。

进一步，所述连接轴的六方头和其中间圆柱段形成均匀分布的多段轴向止动端面，且所述止动端面与连接套的靠近连接轴的端面相匹配，设当所述主动钻杆轴向浮动至最左端时，所述止动端面与连接套的靠近连接轴的端面的距离为b，则所述b>a。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型提供的一种具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，

通过对动力头的机构进行改进，在变速器远离主马达一侧设置角度调节器，且令角度调节器中的传动轴与驱动轴周向固定连接，进而通过具有角度准确调节和锁定防转动功能的角度调节器，既实现了工具面角准确、高效调节，又可以防止因钻杆弹性变形造成的动力头主轴反弹转动，解决了现有技术中钻机缺乏工具面角专用调节装置，轨迹调节精度低、效率低，难以实现自动定向钻进的问题；

同时，大幅减小了工具面角调节所需的驱动力，具有较好的节能效果，简化了主马达的旋转制动装置结构，将大量内部零件的功能转化到一个外部的回转减速器，大幅降低了维修难度，减少了易损件的消耗。

2、本实用新型通过将水辫与主动钻杆通过连接轴进行一体化连接，避免了施工过程中人工装卸水辫，更加适用于智能化钻机；该水辫中的进水组件采用沿中间面对称的壳体与芯轴相接，使得其在芯轴的轴线方向上受力平衡，从而避免了钻进驱动介质进入芯轴的过程中导致芯轴支撑轴承受力不平衡，并且通过连接轴将芯轴与具有轴向浮动结构的主动钻杆相接，有效避免了水辫在钻进过程中承受来自钻杆的轴向冲击，而是通过主动钻杆传递至主轴和卡盘，以及通过弹簧进行缓冲，进一步保护芯轴支撑轴承免受轴向冲击，从而提升其使用寿命，减少设备维修次数。

3、本实用新型通过采用主动钻杆与卡盘组合式的钻杆连接装置，可通过拆卸少量零件实现钻进与打捞钻杆工况的快速切换。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：

图1为本实用新型中一种具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头的结构示意图；

图2为本实用新型中一种具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头的剖视结构示意图；

图3为本实用新型中角度调节器的结构示意图；

图4为本实用新型中角度调节器的驱动活塞的结构示意图；

图5为本实用新型中角度调节器的移动齿盘的结构示意图；

图6为本实用新型中角度调节器的固定齿盘的结构示意图；

图7为本实用新型中角度调节器的角度调节器端盖的结构示意图；

图8为本实用新型中角度调节器的回转座的结构示意图；

图9为本实用新型中角度调节器的局部放大结构示意图；

图10为本实用新型中水辫的结构示意图；

图11为本实用新型中连接轴的结构示意图。

附图标记：1-主马达，2-变速器，201-驱动轴，3-角度调节器，301-传动轴，302-驱动活塞，302a-密封槽，302b-大径端外圆，303-回转减速器，304-传动活塞，305-固定齿盘，305a-齿盘，305b-固定轴，306-移动齿盘，306a-凸台，306b-第一斜齿，307-角度调节器端盖，307a-最大外径段，307b-中间级直径段，307c-最小外径段，307d-弹簧安装孔，308-轴承压盖，309-弹簧，310-回转座，310a-回转减速器连接盘，310b-端盖连接盘，310c-凹槽，311-平键，4-水辫，401-芯轴支撑轴承，402-芯轴，403-进水组件，404-轴承座，405-黄油嘴，406-距离套，407-水辫端盖，408-盖板，409-密封轴，5-卡盘，6-主动钻杆，7-连接轴，701-外螺纹，702-六方头，703-内螺纹，8-连接套，9-连接座，10-主轴，Y-密封腔。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是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、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图11，为一种具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，包括主马达1、变速器2、角度调节器3、水辫4、卡盘5、主轴10、连接轴7、连接套8以及主动钻杆6，所述主马达1通过变速器2与主轴10连接，所述主动钻杆6通过卡盘5与主轴10的一端连接，所述水辫4布置在变速器2与所述主动钻杆6相对应的一端，并通过内设于主轴10中的连接轴7与主动钻杆6连接，所述角度调节器3布置在所述变速器2与主马达1相对应的一端，且所述角度调节器3中的传动轴301与变速器2中的驱动轴201周向固定连接。

所述主马达1是驱动主动钻杆6旋转的动力源之一，回转钻进、复合钻进以及钻杆连接接卸扣所需的旋转动力都来自主马达1，主马达1可以是各种旋转动力驱动装置，如：液压马达、电动机等动力驱动装置中的一种。根据煤矿复杂工况和防爆要求，本实施例中所述主马达1优选为液压马达。

所述变速器2是定向钻机动力头的变速传动机构，主要将主马达1和角度调节器3输出的转速和扭矩以一定的传动比传递给主轴10(即传递给钻杆)，从而满足钻进和钻杆接卸扣的要求。根据现有液压马达技术和钻进需求，变速器2一般选择具有减速、增扭传动功能的变速器。所述变速器2具有驱动轴201，且所述驱动轴201的一端与主马达1的输出轴花键连接以实现周向固定连接，另一端与角度调节器3中的传动轴301花键连接以实现周向固定连接，进而将主马达1和角度调节器3输出的转速和扭矩以一定的传动比传递给主轴10以及主动钻杆6，从而满足定向钻进和钻杆接卸扣的要求。

所述角度调节器3包括传动轴301、回转座310、连接座9、轴承压盖308、弹簧309、从左至右依次套设在传动轴301上的驱动活塞302、传动活塞304、固定齿盘305、移动齿盘306和角度调节器端盖307以及具有自锁功能的回转减速器303，且所述回转减速器303的传动比大于所述变速器2的传动比；所述传动轴301的左端为花键，插入变速器2的驱动轴201内，所述驱动轴201中设有与所述传动轴301上的花键相匹配的键槽，以使得传动轴301与所述驱动轴201形成花键连接，进而形成周向固定连接；所述传动轴301的右端通过平键311与套设在传动轴301上的固定齿盘305连接，以形成周向固定连接，并通过轴承转动连接在角度调节器端盖307内，且所述角度调节器端盖307位于所述固定齿盘305远离所述驱动轴201的一侧，即位于所述固定齿盘305的右侧，并在该轴承的两侧均设有距离套406，在所述角度调节器端盖307远离所述固定齿盘305的一侧设有通过螺栓与所述角度调节器端盖307固定连接的轴承压盖308，以对该轴承进行定位。

所述驱动活塞302为中空的两级阶梯轴，其套设在传动轴301上，且小径端的外圆设有密封槽302a，该密封槽302a内安装有密封圈，并与套设在所述驱动活塞302上的连接座9的对应位置的内孔配合形成第一密封，大径端外圆302b与安装在连接座9上对应位置的密封圈安装凹槽内的密封圈配合形成第二密封；第一密封和第二密封内部形成位于驱动活塞302和连接座9之间密封腔Y，并在所述连接座9上设有连通密封腔Y的进油口，液压油经过连接座9上的进油口进入密封腔Y，推动驱动活塞302由小径端向大径端移动，且所述驱动活塞302的小径端为靠近驱动轴201的一端；

优选地，所述驱动活塞302内部设两级阶梯内孔，且朝向角度调节器端盖307的一侧为大直径内孔，所述传动轴301上对应设有与该两级阶梯内孔相匹配的轴肩，从而在轴向上限制所述驱动活塞302的位移距离，以防止所述驱动活塞302移动量超限。

所述传动活塞304为具有中心通孔的盘状零件，其套设在传动轴301上，且左端与驱动活塞302的大径端接触连接，右端与移动齿盘306接触连接，其主要作用是将驱动活塞302的驱动力(向右端位移的驱动力)传递给移动齿盘306，使移动齿盘306朝向角度调节器端盖307进行移动。

所述移动齿盘306主体为具有中心通孔的盘状零件，中间为阶梯通孔，用于通过传动轴301和固定齿盘305的固定轴305b，且通孔朝向角度调节器端盖一侧为大直径通孔，大直径通孔的内部端面用于承受弹簧309的端部推力，所述移动齿盘306面向传动活塞304一侧的端面设有沿圆周分布的第一斜齿306b，且外圆面设有均匀分布的凸台306a，并与套设在其上的回转座310内孔中的凹槽310c配合，以用于传递与回转座310连接的回转减速器303的转动和扭矩；

所述固定齿盘305具有齿盘305a和位于齿盘305a中心的固定轴305b，固定轴305b为空心轴，内部通孔设有键槽，可使固定齿盘305与传动轴301形成键连接，从而在周向上固定连接，以限制固定齿盘305与传动轴301之间的转动，且该固定轴305b插入所述移动齿盘的的中心通孔，齿盘305a面向所述移动齿盘306的端面设有与移动齿盘306的第一斜齿306b对应啮合的沿圆周分布的第二斜齿。具体的，所述固定齿盘305通过平键311固定在传动轴301上，防止固定齿盘305和传动轴301的相对转动。所述固定齿盘305的两端再通过传动轴301的轴肩和距离套406等方式实现轴向止动。

所述角度调节器端盖307主体为三级阶梯空心盘状结构，其通过轴承套设在传动轴301上，且最大外径段307a分别设有与套设在所述移动齿盘306上的回转座310连接的法兰，和与轴承压盖308连接的法兰，中间直径段307b用于与回转座310配合安装并对移动齿盘306的轴向移动距离进行限制，最小直径段307c用于与移动齿盘306配合安装，即所述移动齿盘306中的大直径通孔与所述最小直径段307c的外圆相匹配，并形成轴向滑动连接，且最小直径段的端面设有用于安装弹簧309的多个沿圆周均布的安装孔307d，其中最小直径段307c为所述角度调节器端盖307中靠近驱动轴201的一端，所述轴承压盖308通过螺栓固定在角度调节器端盖307外侧，对轴承进行轴向限位；所述弹簧309通过安装孔307d安装在所述角度调节器端盖307与移动齿盘306之间，以向移动齿盘306提供朝向固定齿盘305的推力。

所述回转座310主体为圆筒形，其套设在移动齿盘306的外侧，其左端为回转减速器连接盘310a，用于连接具有自锁功能的回转减速器303的输出盘，右端为端盖连接盘310b，用于安装所述角度调节器端盖307，并且角度调节器端盖307中的中间直径段307b与所述回转座310的内腔配合连接以留出安装移动齿盘306的空间；所述回转座310的内部为通孔，并设有与移动齿盘306的凸台306a对应的凹槽310c，通过所述凸台306a和凹槽310c在回转座310与移动齿盘306之间形成周向固定连接，且所述移动齿盘306可相对回转座310进行轴向位移。

所述连接座9用于将该角度调节器3与变速器2连接，所述变速器2套设在驱动轴201上，主要用于将驱动轴201的扭矩和转动传递给主轴10，所述连接座9为中空圆筒，其外圆分为三级直径，其中，中间段的直径最大，以形成中间凸起，中间段两侧的端面分别与变速器2和回转减速器303贴合并固定连接，以实现三个元件之间的相对轴向定位，其中左段(靠近驱动轴201的一端)插入变速器2的腔体，并与套设在驱动轴201上的轴承相接，并作为套设所述驱动轴201上的轴承的轴向止动，并在其上设有密封槽，通过安装密封圈对变速器2的腔体进行密封；右段向回转减速器303内部延伸，以便于回转减速器303安装导向。

所述连接座9的内径也分为三级孔径，其中，左内段的内径与传动轴301相匹配，并设有密封槽，通过安装密封圈对变速器2进行二次密封；中间内段和右内段分别与驱动活塞302的两级阶梯轴外径相匹配，并在右内段上设有密封圈安装槽，并安装有密封圈，即中间内段和右内段分别与驱动活塞302的小径端外圆和大径端外圆302b相匹配，分别形成第一密封和第二密封，从而形成密封腔Y，其中，与中间内段对应的安装有密封圈的密封槽302a设在驱动活塞302上，形成第一密封，右内段上设密封槽并安装有密封圈与大径端外圆302b相匹配，以形成第二密封，通过第一密封和第二密封形成位于连接座9与驱动活塞302之间的密封腔Y，并在连接座9的外表面上与密封腔Y对应位置处设有进油口，液压油经过连接座9上的进油口进入密封腔Y，推动驱动活塞302由右端移动，进而推动传动活塞304和移动齿盘306，进一步通过移动齿盘306压缩所述弹簧309，从而解除移动齿盘306与固定齿盘305之间的斜齿啮合。

所述回转减速器303套设在所述连接座9中的右段上，并与所述连接座9的中间段固定连接，且所述回转减速器303的输出盘(如齿盘或蜗轮)通过螺栓与回转座310固定连接，从而限制所述回转减速器303的输出盘与回转座310的相对转动；所述回转减速器303主要有两个作用，一是通过传动轴301驱动所述驱动轴201相对慢速地转动(与主马达1驱动相比)，并通过变速器2传递该转动，从而准确地控制输出的转动角度。二是由于回转减速器303具有自锁作用，且回转减速器303的自锁力矩大于主马达1的输出扭矩，在锁定工况下可以阻止主马达1驱动所述驱动轴201转动，进而实现整个变速器2的锁定、防转动。

优选地，所述回转减速器303为具有自锁功能的蜗轮蜗杆回转减速器，即所述回转减速器连接盘310a连接蜗轮蜗杆回转减速器中作为输出盘的蜗轮，且所述蜗轮通过连接座9和驱动活塞302套设在传动轴301上，以保证所述蜗轮与回转座310的同步转动。现有的蜗轮蜗杆回转减速器的传动比可达1:100以上，然而现有技术中采用主马达1驱动的主轴(所述主轴通过变速器14驱动)最低转速达到约50r/min(300°/s)，因此该角度调节器3通过蜗轮蜗杆回转减速器可将主轴输出转速控制到现有技术的1/100以内(≤3°/s)，将十分有利于准确调节和及时停止，大幅提高了工具面角调节精度和调节效率。

具体的，所述蜗轮蜗杆回转式减速器包括驱动源、蜗杆、蜗轮以及回转支承，所述回转支承套设在所述连接座上并固定连接，所述蜗轮通过滚道转动连接在所述回转支承的外圆，并与所述蜗杆配合连接，进而达到回转式减速器的输出盘(即蜗轮)与所述回转座同轴的目的，所述驱动源连接在所述蜗杆的一端，以驱动所述蜗杆转动；由于蜗轮蜗杆传动具有反向自锁的特点，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆运动，从而使其具有自锁的功能。所述驱动源为电机或液压马达，本实施例中优选为液压马达，以适用于复杂的煤矿井下作业。

在另外的实施例中，所述回转减速器303为RV减速器、谐波减速器等回转减速器中的任意一种，同样将前述的回转减速器303中的作为输出盘(或称为回转盘)的结构与回转座10固定连接。

上述的角度调节器3具有两种工况，其工作原理如下：

锁定工况：没有压力油从连接座9的进油口进入驱动活塞302与连接座9形成的密封腔Y，驱动活塞302未受到外供压力油驱动，弹簧309始终对移动齿盘306施加朝向固定齿盘305的轴向力，保持移动齿盘306的斜齿与固定齿盘305的斜齿啮合；此时，主马达1、驱动轴201通过传动轴301、固定齿盘305、移动齿盘306、回转座310与回转减速器303连接，而回转减速器303在其工作能力范围内具有自锁功能(即回转减速器303的自锁力矩大于主马达1的输出扭矩)，从而对变速器2的传动系统形成了锁定作用，主马达1无法通过变速器2传递运动；但是，若此时驱动所述回转减速器303，回转减速器303则可相对慢速(与主马达驱动相比)地驱动所述驱动轴201转动，并通过变速器2传递该转动和扭矩，从而准确地控制主轴10和主动钻杆6的转动角度，从而对工具面角进行精确高效的调节。

解锁工况：通过连接座9的进油口向驱动活塞302与连接座9之间的密封腔Y注入压力油，液压力驱动所述驱动活塞302并推动传动活塞304和移动齿盘306朝着脱离固定齿盘305的方向运动，此时，弹簧309受到移动齿盘306挤压而收缩，移动齿盘306与固定齿盘305的斜齿解除啮合，回转减速器303的自锁作用无法传递给传动轴301、驱动轴201和主马达1。因此，主马达1可以驱动所述驱动轴201转动，进而通过变速器2输出转动和扭矩。

所述水辫4是钻进驱动水的进水装置，驱动水经过水辫4进入动力头的主轴10，再通过若干连接的钻杆到达钻头位置，该水辫4的主要特点是轴向力平衡，其包括芯轴402、进水组件403、轴承座404、密封轴409以及芯轴支撑轴承401，所述进水组件403套设在芯轴402上并转动连接，所述轴承座404通过内设于轴承座404两端的芯轴支撑轴承401套设在芯轴402上并转动连接，所述密封轴409通过螺纹连接在所述芯轴402的右端以密封芯轴402的右端。

所述芯轴402为中空轴，其左端与连接轴7通过螺纹固定连接，其中所述芯轴402上的螺纹为外螺纹，所述连接轴7上的螺纹为内螺纹，并所述芯轴402的中部设有进水孔，且该进水孔与进水组件403连通，右端的内部设有用于安装密封轴409的安装螺纹；

所述进水组件403包括进水口和与进水口相通的壳体。所述进水口用于连接水管接头，壳体套设在所述芯轴上并转动连接，壳体的内腔连通所述芯轴402的进水孔，且壳体与轴承座404配合，即所述壳体的一侧与所述轴承座404的一侧相接，形成芯轴安装结构，同时所述壳体的内腔为对称结构，且对称面垂直于所述芯轴402的轴线以使其轴向受力平衡，因此可实现水辫4轴向受力平衡。因为进水组件403中的壳体内腔关于中间面完全对称，因此驱动用水对进水组件403的作用力在芯轴轴线方向平衡，从而改善芯轴支撑轴承401的受力情况，延长使用寿命。

优选地，所述壳体与所述芯轴402之间设有密封圈，以形成密封结构。

具体的，在所述芯轴402的右端通过螺钉安装有盖板408，对密封轴409进行轴向固定，并在所述轴承座404的右端通过螺钉安装有水辫端盖407，以对芯轴支撑轴承401进行轴向固定。在所述轴承座404上设有连通轴承座404内腔的黄油嘴405。密封轴409与芯轴402的连接处还设有密封圈进行密封，防止漏水。

所述连接轴7为中空轴，且内设于主轴10，其两端分别连接所述水辫4的芯轴402和主动钻杆6，将水辫4受到的轴向冲击传递给具有轴向浮动结构的主动钻杆6，以改善水辫4的受力情况。在所述连接轴7的左端设有外螺纹701，以用于与主动钻杆6右端的螺纹孔连接，在所述连接轴7的右端设有内螺纹703，以用于与水辫芯轴402的外螺纹连接；在所述连接轴7的右端的外侧设有六方头702，所述连接套8通过螺纹连接与动力头的主轴10靠近水辫4的一端固定连接，所述连接套8的内孔为与六方头702相匹配的六方孔，所述连接轴7右端的六方头702插进连接套8的六方孔，以使得所述连接套8与连接轴7之间形成移动副，并限制连接轴7转动，所述连接套8与连接轴7之间形成移动副与主动钻杆6的限制位移的轴向浮动结构配合，使得芯轴402与连接轴7、主动钻杆6的整体也具有限制位移的轴向浮动结构，进而使连接轴7和水辫1中的芯轴402也具有轴向浮动功能。

其中，主动钻杆6的轴向浮动结构包括弹簧和钻杆端盖，所述主动钻杆6可通过花键、平键等传递扭矩的方式与卡盘5连接，并在主动钻杆6的右端面设有弹簧安装孔，通过弹簧安装孔在主动钻杆6与卡盘5之间安装有弹簧，以使得所述主动钻杆6具有轴向浮动功能，以用于缓冲轴向冲击，再由固定连接在卡盘5上的钻杆端盖进行轴向限位，从而使得所述主动钻杆6具有限制位移的轴向浮动功能。

具体的，设所述主动钻杆6右端面与卡盘5与之对应的左端面之间的最大距离为a，主动钻杆6以及与之连接的钻杆接头螺纹的螺距为p，则a≤p。因为，螺纹接扣的轴向冲击必然发生在一个螺距的位移之内(当然极有可能每个螺距都发生冲击)，一扣(一个螺距)接不上，后续的螺纹肯定也无法连接。但是该浮动距离也不宜过小，过小则会因浮动距离不足发挥不了浮动缓冲作用。因此，根据螺纹两侧基本对称的特点，选择a的最小值略大于0.5p，优选地，a∈[0.65p,0.95p]，最优选为0.65p。

连接轴7的六方头702和中间圆柱段自然形成均匀分布的多段轴向止动端面，该止动端面与连接套8的左端面配合，可以限制连接轴3向右的轴向位移。设主动钻杆6和连接轴7在浮动作用下位于最前端时，该止动端面到连接套8左端面的距离为b，则应有b>a。因为，如此距离设置方可发挥主动钻杆浮动功能的作用，避免轴向向右的冲击直接由连接轴7传递给芯轴支撑轴承。此外，该距离b适当大于(即不能大太多)主动钻杆与卡盘端面之间的距离a，优选b≥a+0.35p，从而即使a选择最小优选值0.65p时，也可确保一个螺距以上的缓冲距离，使的该轴向缓冲结构具有较好的缓冲保护效果，可以在主动钻杆浮动功能失效或者主动钻杆、卡盘端面被压溃的极端情况下，对连接轴3向右的位移进行限制，避免对卡盘6或动力头其他零件造成严重损坏。

所述主轴10内设于变速器2的箱体中，并在变速器2的驱动下进行转动，所述主轴10远离水辫4的一端连接卡盘5，以带动卡盘5转动，然后卡盘5再将扭矩传递给主动钻杆6。即主动钻杆6、连接轴7、连接套8以及水辫4中的芯轴1402、密封轴409和盖板408均相对于进水口组件403、轴承座404、水辫端盖407以及变速器2的箱体转动。

通过上述连接关系，使得水辫4在钻进过程中能够做到轴向力平衡，从而解决芯轴支撑轴承401容易损坏的问题，其工作原理如下：

钻进驱动用水从进水组件403接入芯轴402，经芯轴402及连接轴7、主动钻杆6后直达孔底马达和钻头；首先，由于进水组件403的壳体的内腔关于中间面完全对称，因此驱动用水对进水组件403的作用力在芯轴402轴线方向平衡，所以极大程度改善芯轴支撑轴承401的受力情况，进而延长使用寿命；

其次，水辫4的芯轴402通过连接轴7与主动钻杆6相连，连接轴7和连接套8的六方头和六方孔的配合形成了稳定的移动副，又防止了相对转动，配合主动钻杆6具有的限制位移的轴向浮动功能，既可以前后浮动缓冲动力头钻进过程中受到的轴向冲击，又限制了主动钻杆6、连接轴7以及芯轴402的轴向浮动距离，从而保护其他相关零件，使得所述连接轴7和芯轴402具有了轴向上的浮动位移，因此水辫4(芯轴402)在随主动钻杆6转动过程和动力头钻进过程中，在轴向随主动钻杆6和连接轴7一起轴向移动，受到的轴向冲击都传递给了主动钻杆6，主动钻杆6则通过安装在主动钻杆6与主轴10之间的弹簧进行了阻尼吸收，从而进一步改善芯轴支撑轴承401的受力情况。

其中，所述钻杆端盖对主动钻杆6的轴向位移限制可根据其他相关零部件的实际需要进行适应性的调整，以适应不同的煤矿钻机。

综上所述，水辫4中的进水组件的对称壳体内腔结合连接轴7传递冲击给具有浮动功能的主动钻杆6的方案改善了芯轴支撑轴承401的受力情况，钻进驱动用水的压力在水辫4内产生的轴向力被平衡分布，动力头工作冲击由具有浮动功能的主动钻杆6承担，因此该钻进驱动水压平衡机构解决了现有钻机水辫内部液压力不均衡，没有力传导机构，芯轴支撑轴承401容易损坏的问题，尤其适用于钻进驱动用水压力较高的情况，比如定向钻进中使用泥浆脉冲等情况。

所述卡盘5是定向钻机动力头的钻杆夹持机构，一般情况下，本实施例中的卡盘5不承担夹持钻杆钻进的工作，因此优选常开卡盘。以便于需要在井下钻进过程中临时更换较大直径的钻杆或者打捞钻杆时，拆下卡盘5前端的主动钻杆6，使用卡盘5夹持对应钻杆施工。具体的，优选采用如公开号为CN105822238B的中国专利所公开的一种活塞式液压卡盘。

所述主动钻杆6是正常钻进时的钻杆连接机构，所述主动钻杆6前端设有与钻杆公接头一样的螺纹接头，用于钻进时与加接进入钻机的钻杆连接，通过钻杆端盖和螺栓连接在卡盘5前端以限制主动钻杆的轴向位移，并在主动钻杆5与卡盘6之间设有弹簧以使得所述主动钻杆5具有轴向浮动功能。

在另一个实施例中，所述主动钻杆6直接与主轴10连接，其具体结构如公开号为CN112253017B的中国专利所公开的一种可浮动钻杆连接装置，其同样具有轴向浮动动能，以满足连接轴7的一端连接具有轴向浮动结构的主动钻杆的要求，其重点在于将所述主动钻杆6从与卡盘5连接，转移至与主轴10连接，其余细节以在上述专利中公开，在此不做赘述。

上述的一种具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头能够给定向钻机提供包括滑动定向钻进、工具面角调节、回转钻进、复合钻进以及打捞钻杆的各种运行工况，其工作原理如下：

(1)滑动定向钻进

滑动定向钻进工况下，角度调节器3处于锁定工况，主轴10无法在主马达1的驱动下旋转；动力头通过主动钻杆6连接多根钻杆，最前端的钻杆前端安装有孔底马达。钻进驱动介质(压力流体)从水辫4进入动力头，依次通过连接轴、主动钻杆以及钻杆并进入孔底马达，驱动孔底马达转动，实施滑动定向钻进。

(2)工具面角调节

工具面角调节工况下，角度调节器3处于锁定工况，主轴10无法在主马达1的驱动下旋转，而只能在回转减速器303驱动下旋转，此时不对主马达1供油，对回转减速器303中的液压马达供油。

回转减速器303驱动传动轴301转动，并通过变速器2中的驱动轴201驱动主轴10和主动钻杆6转动，主动钻杆6再带动与其连接的钻杆转动，进而实现工具面角的调节。由于回转减速器303具有较大的传动比，加上变速器2的传动比，通过控制回转减速器303的转动速度即可实现高效准确的工具面角调节。

(3)回转钻进

回转钻进工况下，角度调节器3处于解锁工况，主轴10可以在主马达1的驱动下旋转，对主马达1供油即可驱动主轴10和钻杆转动，实施回转钻进，此时不通过水辫4对孔底马达提供驱动介质。

(4)复合钻进

复合钻进工况下，角度调节器3处于解锁工况，主轴10可以在主马达1的驱动下旋转。此时，既通过水辫4向孔底马达提供驱动介质，进而驱动孔底马达转动，又通过主马达1驱动钻杆转动，以实现复合钻进。

(5)打捞钻杆

当发生丢钻事故时，需要使用打捞钻杆将孔内钻杆取出。一般打捞钻杆直径大于施工钻杆直径，因此需要使用卡盘5夹持打捞钻杆施工。打捞钻杆工况下，首先需拆除主动钻杆6、连接轴7以及水辫4等，将打捞钻杆装入动力头，并通过卡盘5夹持打捞钻杆，再依次连接若干打捞钻杆直到与孔内丢失的钻杆接触。此工况下，角度调节器3处于解锁工况，主轴10可以在主马达1的驱动下旋转。

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

Claims (10)

1.一种具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，包括主马达、变速器以及主轴，变速器具有驱动轴，所述驱动轴的一端连接主马达，且所述驱动轴通过变速器中的齿轮与主轴实现啮合传动，其特征在于：所述驱动轴的另一端通过变速器连接有角度调节器；

所述角度调节器包括传动轴、驱动活塞、固定齿盘、移动齿盘、角度调节器端盖、回转座、连接座以及具有自锁功能的回转减速器，所述传动轴的一端与所述驱动轴周向固定连接，另一端通过套设在传动轴上的轴承转动连接于所述角度调节器端盖内，并在所述角度调节器端盖远离所述驱动轴的一端设有轴承压盖，所述驱动活塞、固定齿盘和移动齿盘均套设在所述传动轴上，且所述驱动活塞位于所述传动轴靠近驱动轴的一端，所述驱动活塞远离驱动轴的一端与所述移动齿盘相接，所述固定齿盘与传动轴之间为周向固定连接，且所述固定齿盘位于所述驱动活塞与移动齿盘之间；

所述移动齿盘为具有中心通孔的盘状零件，且该中心通孔为阶梯通孔，且所述阶梯通孔朝向角度调节器端盖一侧为大直径通孔，所述移动齿盘通过该大直径通孔套设在所述角度调节器端盖上并滑动连接，所述移动齿盘面向所述驱动活塞的端面设有沿圆周分布的第一斜齿，且所述固定齿盘上设有与第一斜齿相啮合的第二斜齿，并在所述大直径通孔的内端面与该内端面相对的角度调节器端盖的端面之间设置有弹簧，以使得所述第一斜齿和第二斜齿在弹簧的推力下相啮合；

所述移动齿盘的外圆面设有均匀分布的凸台，所述回转座套设在所述移动齿盘上，并设有所述凸台相匹配的凹槽，以与所移动齿盘周向固定相连，且所述回转座的一端设有固定连接所述回转减速器的输出盘的回转减速器连接盘，以将所述回转减速器中输出盘的转动传递至移动齿盘；

所述连接座套设在所述驱动活塞上，所述连接座的外圆分为三级直径，且中间段的直径最大，且所述中间段的两侧端面分别与变速器和回转减速器相接，以实现所述变速器、连接座以及回转减速器之间的相对轴向定位，所述连接座的内径分为三级孔径，其中远离所述变速器的两段孔径与所述驱动活塞的外径相匹配，并套设在所述驱动活塞上，且所述回转减速器的输出盘与所述回转座同轴；

所述驱动活塞为两级阶梯轴，其小径端外圆设有密封槽，所述密封槽内安装有密封圈，并与套设在其上的连接座的对应位置配合形成第一密封，大径端外圆与安装在所述连接座对应位置的密封圈配合形成第二密封，所述第一密封和第二密封之间形成位于所述驱动活塞和连接座之间密封腔，并在所述连接座上设有连通所述密封腔的进油口，以使得所述驱动活塞在通过进油口进入密封腔的液压油的作用下朝角度调节器端盖方向推动移动齿盘。

2.根据权利要求1所述的具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，其特征在于：在所述驱动活塞与移动齿盘之间还设有传动活塞，所述传动活塞套设在传动轴上并滑动连接，且所述传动活塞的一端连接驱动活塞，另一端连接移动齿盘以传递所述驱动活塞的推力。

3.根据权利要求1所述的具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，其特征在于：所述回转座为圆筒形，其远离所述回转减速器连接盘的一端设有端盖连接盘，以与所述角度调节器端盖固定连接。

4.根据权利要求1所述的具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，其特征在于：所述固定齿盘具有齿盘和位于所述齿盘中心的固定轴，所述第二斜齿设置在齿盘上，所述固定轴插入移动齿盘的中心通孔内，且在所述固定轴内设有键槽，以使得所述固定齿盘通过键连接与所述传动轴周向固定连接。

5.根据权利要求1所述的具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，其特征在于：所述角度调节器端盖为三级阶梯空心盘状结构，其通过轴承套设在传动轴上，其最大外径段设有与所述回转座连接的法兰，且所述最大外径段位于远离所述驱动轴的一端，中间直径段用于承载所述回转座，并对所述移动齿盘的轴向移动距离进行限制，最小直径段与移动齿盘的大直径通孔轴向滑动连接，且所述最小直径段的端面设有用于安装弹簧的沿圆周均布的若干弹簧安装孔。

6.根据权利要求1所述的具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，其特征在于：所述驱动轴内设于所述变速器中，所述连接座中所述中间段的一侧端面与变速器相接，所述连接座中靠近变速器的一段插入变速器中，并作为套设所述驱动轴上的轴承的轴向止动，靠近所述回转减速器的一段向回转减速器内部延伸，以用于所述回转减速器安装导向。

7.根据权利要求1所述的具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，其特征在于：还包括水辫、主动钻杆、连接套以及连接轴，所述水辫包括芯轴、进水组件、轴承座、密封轴以及芯轴支撑轴承，所述进水组件套设在芯轴上并转动连接，所述轴承座通过内设于轴承座两端的芯轴支撑轴承套设在芯轴上并转动连接；

所述芯轴为中空轴，其左端与连接轴固定连接，其右端的内侧连接密封轴以密封芯轴的右端，且所述芯轴上设有进水孔，且该进水孔与进水组件连通，所述进水组件包括进水口和与进水口相通的壳体，所述壳体的内腔为对称结构，且对称面垂直于所述芯轴的轴线以使其轴向受力平衡，所述进水组件通过壳体套设在所述芯轴上，壳体的内腔连通所述芯轴的进水孔；

所述连接轴为中空轴，且内设于主轴，其两端分别连接所述水辫的芯轴和具有轴向浮动结构的主动钻杆，并在所述连接轴靠近所述芯轴的一端设有六方头，所述连接套固定连接在主轴靠近所述水辫的一端，且套设在所述连接轴上，其内部设有与所述六方头相匹配的六方孔，以在所述连接轴与连接套之间形成限制转动的滑动连接，进而使得所述连接轴和芯轴能够轴向浮动。

8.根据权利要求7所述的具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，其特征在于：还包括卡盘，所述卡盘连接在所述主轴远离水辫的一端且随主轴转动，所述主动钻杆的轴向浮动结构包括弹簧和钻杆端盖，所述主动钻杆与卡盘之间为键连接，且所述弹簧设置在所述主动钻杆靠近卡盘的端面以使得所述主动钻杆能够在轴向浮动，所述钻杆端盖套设在所述主动钻杆上并与卡盘固定连接以限制主动钻杆的轴向浮动距离。

9.根据权利要求8所述的具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，其特征在于：设所述主动钻杆靠近卡盘的端面与卡盘与之对应的端面之间的最大距离为a，所述主动钻杆以及与之连接的钻杆接头螺纹的螺距为p，所述a≤p。

10.根据权利要求9所述的具有旋转角度控制及制动功能的定向钻机动力头，其特征在于：所述连接轴的六方头和其中间圆柱段形成均匀分布的多段轴向止动端面，且所述止动端面与连接套的靠近连接轴的端面相匹配，设当所述主动钻杆轴向浮动至最左端时，所述止动端面与连接套的靠近连接轴的端面的距离为b，则所述b>a。