具有壓力補償功能的夾持器的制作方法

本發明涉及煤礦液壓鉆機，具體涉及一種具有壓力補償功能的夾持器。

背景技術：

1、對頂夾持器是當下礦用鉆機常用的一種夾持器形式，通常安裝在機架上，通過兩側對稱設置的夾緊油缸來夾持鉆桿，具備結構簡單、夾緊可靠以及易維修等優點。然而，現有的對頂夾持器普遍存在偶發性打滑的問題，特別是在鉆機卸扣的時候。

2、在鉆桿接扣時，由于鉆桿螺紋接頭所受阻力極小，動力頭馬達只需提供較小的旋轉力矩就能完成接扣，相應地，夾持器只需提供較小的夾緊力，就能夠保證其夾持的鉆桿在接扣過程中不打滑。

3、而在鉆桿卸扣時，必須克服螺紋完全旋緊的力矩，經過孔底鉆進和扭轉，此力矩遠遠大于接扣所需力矩，動力頭馬達需要提供較大的反轉力矩才可完成卸扣，與此對應，夾持器也需要提供較大且穩定的夾緊力，以確保在動力頭馬達反轉時，其所夾持的鉆桿不隨動力頭馬達轉動，也就是避免出現打滑現象。

4、上述打滑現象的成因通常是由液壓系統的缺陷所致。對現有對頂夾持器的液壓系統進行分析，出現卸扣打滑的原因如下：夾緊油缸在液壓力的作用下夾緊鉆桿，并通過液壓鎖進行保壓，然后利用動力頭馬達反轉來卸扣。然而，液壓鎖或者夾緊油缸都會存在不同程度的泄漏情況，隨著使用時間的延長，泄漏量和泄漏速度會逐步增大，因此，從夾緊到反轉卸扣的這一過程中，會出現夾緊力下降的情況，從而導致卸鉆時夾持器打滑，最終造成卸扣失敗，嚴重影響了施工效率與現場安全。

5、同時，由于定向鉆機的鉆桿裝卸技術，不但要涵蓋普通鉆桿的裝卸，還需涉及長度比較長、外徑比較大的大型鉆具的裝卸，以孔底馬達為例，由于孔底馬達的長度和外徑都較普通鉆桿大得多，無法采用鉆機普遍從機架后端或者中間裝卸鉆桿的方法進行安裝或拆卸，只能從夾持器即機架最前端插入夾持器進行安裝。而夾持器前端到孔壁距離十分有限，難以將孔底馬達直接裝入夾持器之中。目前的施工現場一般有兩種解決辦法：其一，將孔底馬達相對于夾持器內孔軸線(即鉆孔軸線)傾斜一定角度將其插入夾持器，但是此方式適用范圍十分有限。當夾持器與孔壁間的距離小到一定程度時，過度傾斜的孔底馬達將無法與夾持器內孔對齊。此時，需要將機架整體傾斜，從而改變機架的上下傾角，進而使得夾持器內孔與孔底馬達傾角相同，將孔底馬達安裝到夾持器中后，再次調節機架的上下傾角。其二，將夾持器整體拆除，將孔底馬達安裝好并送入孔內后，再裝回夾持器以適應其他鉆桿的安裝。這種方法的適用范圍較廣，當夾持器與孔壁距離較小時也能使用。

6、然而，第一種解決辦法不僅需多次調整夾持器內孔軸線的上下傾角，而且還需要在狹窄的操作空間中安裝孔底馬達，這無疑會耗費大量的人力與施工時間。第二種解決辦法則因夾持器體積大、質量重以及結構復雜等因素，其拆卸與安裝都需要投入大量的人力和施工時間。兩種方法均會消耗大量的人力和施工時間，極大地影響了施工效率，并且存在著巨大的安全隱患。

技術實現思路

1、本發明意在提供一種具有壓力補償功能的夾持器，以對夾緊油缸的壓力進行補償，提高夾緊油缸的夾持力，在鉆桿卸扣的過程中，防止鉆桿打滑，同時，能夠簡化大型鉆具的安裝流程。

2、為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：具有壓力補償功能的夾持器，包括底座，底座上設有供鉆桿穿過的一號通孔，底座上設有擺動體，擺動體能繞一號通孔轉動，擺動體上安裝有夾持單元，夾持單元包括兩個夾持部，兩個夾持部相對設置在擺動體的兩端，每個夾持部均包括夾緊油缸，夾緊油缸安裝在擺動體上，夾緊油缸上包括有活塞桿，活塞桿上安裝有卡瓦，夾緊油缸的活塞桿能驅動卡瓦向一號通孔的中心伸出，還包括壓力補償單元，壓力補償單元用于對夾緊油缸的無桿腔進行壓力補償；一號通孔遠離機架側設置有使一號通孔敞開的開口，大型鉆具能從開口處通過，底座的側面設有翻轉部，擺動體能繞翻轉部翻轉并遠離開口。

3、本方案的有益效果為：本技術方案在對鉆桿進行夾持時，先將鉆桿穿過一號通孔和二號通孔，再驅動夾緊油缸，夾緊油缸帶動卡瓦向一號通孔的中心伸出，通過卡瓦將鉆桿夾緊；在鉆桿卸扣時，借助動力頭馬達，動力頭馬達提供鉆桿卸扣所需的反轉力矩，與此同時，壓力補償單元能夠對夾緊油缸的無桿腔進行壓力補償，使得夾緊油缸能夠提供較大且穩定的夾緊力，確保在動力頭馬達反轉時，夾持的鉆桿不隨動力頭馬達轉動，也就是避免出現打滑現象。

4、夾持單元具有兩種工況，擺動工況：正常施工情況下，有時需要夾持單元中的鉆桿與動力頭中的鉆桿產生小角度的相對轉動(比如預松鉆桿接頭)，而動力頭轉動速度較快，難以控制轉動角度。因此，此時擺動體以一號通孔為轉動軸心往復擺動，完成轉桿的預松工作；翻轉工況：當需要安裝大型鉆具時，由于大型鉆具的長度和外徑相較于普通鉆桿要大得多，所以無法運用鉆機通常所采用的從機架后端或者中間裝卸鉆桿的方式來進行安裝或拆卸，只能從機架的最前端插入夾持器來進行安裝，然而，夾持器前端至孔壁的距離極為有限，難以將大型鉆具直接裝入夾持器內。而本技術方案由于開口的設置，在安裝大型鉆具時，擺動體繞著翻轉部翻轉，根據杠桿原理可知，由于轉動支點移動到翻轉部，夾持單元后端轉動的幅度比擺動工況更大，擺動體可以順時針翻轉超過底座中心，使其接近全部露出底座。此時在夾持器的內部和頂部形成極為寬敞的空間，可以直接由上而下的放入大型鉆具，擺動體能夠與大型鉆具避開，對大型鉆具的安裝不產生干涉，借助其他夾持器對大型鉆具進行夾持。此過程只需要拆裝少量小型零件，既減小了大型鉆具安裝對夾持器前端的空間需求，又節省了大量整體拆除夾持器的時間和人力，并且保障了現場安全。本技術方案簡化了大型鉆具的安裝流程，減少了人力的投入，縮短了施工時間，提高了施工效率，降低了安全隱患。

5、進一步，補償單元包括一號動力頭馬達、一號液壓鎖和一號單向閥，一號動力頭馬達上設有正轉進油口a和反轉進油口b，兩個夾緊油缸上的無桿腔相互連通，兩個夾緊油缸上的有桿腔相互連通，無桿腔上設有壓力油進油口b1，有桿腔上設有壓力油進油口a1，一號液壓鎖安裝在無桿腔和有桿腔的油路上，一號單向閥的進油口與一號動力頭馬達的反轉油路相連，一號單向閥的出油口連接于一號液壓鎖之后的無桿腔油路上。

6、本方案的有益效果為：當一號動力頭馬達驅動動力頭正向旋轉時，根據鉆機工作原理，夾持單元需要松開鉆桿，即在一號動力頭馬達正轉前，必須通過a1口向夾緊油缸的有桿腔通入壓力油，夾緊油缸的活塞桿縮回使得夾持單元處于不影響鉆桿旋轉的松開狀態，方可向一號動力頭馬達a口通油啟動正轉。此時一號動力頭馬達的a口進油，b口回油。理論上來說，一號動力頭馬達回油(即流向b口的油)會有一部分流向一號單向閥。只要設置一號單向閥開啟壓力高于回油壓力即可確保一號單向閥不會開啟。此外，由于此時夾緊油缸的有桿腔在一號液壓鎖的保壓作用下是高壓腔，無桿腔是回油低壓腔，即使在極端的一號單向閥失效的情況下，油缸兩端的壓力差也會確保夾持器的松開狀態不受影響。從而形成了夾持器松開保持的雙保險，確保夾持器不會影響正常鉆進。

7、當鉆桿卸扣時，夾持單元需要夾緊前端鉆桿(一般為露出鉆孔的第一根鉆桿)，動力頭反轉松開安裝在動力頭上的鉆桿(即主動鉆桿)與前端鉆桿之間的螺紋連接，即完成螺紋卸扣。進行卸扣之前，根據鉆機結構和工作流程，使用夾緊單元夾緊鉆桿，經b1向前夾持器夾緊油缸無桿腔通油，再通過一號液壓鎖保壓，然后才經b口向一號動力頭馬達通油，驅動其反轉，反轉的同時，反轉的壓力油經過一號單向閥進入夾緊油缸的無桿腔，形成對夾緊油缸的聯動增壓。

8、由于卸扣時各個螺紋接頭松緊不一，當卸扣負載(即動力頭反轉負載)增大時，夾持器所需的夾持力需要相應增加。此系統的優勢在于，一號動力頭馬達反轉壓力增加的同時，反轉油路的壓力油進入一號液壓鎖之后的夾緊油路和夾緊油缸無桿腔，對一號液壓鎖和夾緊油缸的泄漏進行補償，防止對頂夾持器在卸扣時打滑。

9、本技術方案通過聯接一號動力頭馬達反轉油路和夾持單元的夾緊油路，并設置一號單向閥，配合一號液壓鎖，形成了反轉聯動增壓、正轉和夾持油缸單動互不影響的對頂夾持器防打滑液壓系統，解決了現有對頂夾持器液壓系統因夾緊油缸和一號液壓鎖泄漏而造成夾緊力下降而導致打滑的問題，確保了現場施工安全，提高了施工效率。

10、進一步，補償單元包括二號動力頭馬達、二號液壓鎖、增壓油路和電磁換向閥，二號動力頭馬達上設有正轉進油口a3和反轉進油口b3，兩個夾緊油缸上的無桿腔相互連通，兩個夾緊油缸上的有桿腔相互連通，無桿腔上設有壓力油進油口b2，有桿腔上設有壓力油進油口a2，二號液壓鎖安裝在無桿腔和有桿腔的油路上，增壓油路上設有壓力油進油口p1，電磁換向閥在二號液壓鎖之前連接增壓油路和無桿腔油路，電磁換向閥與無桿腔油路之間的油路上安裝有二號單向閥，電磁換向閥與增壓油路之間的油路上安裝有三號單向閥。

11、本方案的有益效果為：當二號動力頭馬達驅動動力頭正向旋轉時，根據鉆機工作原理，夾持單元需要松開鉆桿，即在動力頭正轉前，必須通過a2口向夾緊油缸的有桿腔通入壓力油，活塞桿縮回使得夾持單元處于不影響鉆桿旋轉的松開狀態，方可向二號動力頭馬達a3口通油啟動正轉。此時二號動力頭馬達的a3口進油，b3口回油。電磁換向閥一直處于右位。此過程中，二號液壓鎖一直對夾緊油缸有桿腔保壓，確保夾持單元松開。理論上來說，二號液壓鎖和油缸均會存在泄漏，但是由于夾緊油缸的行程足夠長，因此泄漏不會導致夾持單元的松開狀態轉變為夾緊狀態。

12、當鉆機處于反轉卸扣等工況時，需要夾持單元進行增壓，以確保夾緊力穩定可靠。

13、一般地，進行卸扣之前，根據鉆機結構和工作流程，使用夾緊油缸夾緊鉆桿，經b2向夾緊油缸無桿腔通油，再通過二號液壓鎖保壓，然后才經b3口向二號動力頭馬達通油，驅動其反轉。在反轉的同時，控制電磁換向閥切換至左位，增壓油路p1供油，壓力油將通過電磁換向閥及其后的二號單向閥進入夾緊油缸的無桿腔，從而對夾緊油缸主動增壓，補充因泄漏造成的夾緊力損失。

14、本技術方案通過電磁換向閥在反轉卸扣時導通夾緊油缸的夾緊油路，并通過在電磁換向閥之前設置三號單向閥，在電磁換向閥之后設置二號單向閥，形成可自動選擇高壓增壓油路的閥橋，利用二號單向閥和三號單向閥的截止作用確保夾持單獨操作和增壓時的夾持單元可靠運行及元件安全，解決了現有對頂雙夾持器液壓系統因夾緊油缸和液壓鎖泄漏而造成夾緊力下降而導致打滑的問題，確保了現場施工安全，提高了施工效率。

15、進一步，擺動體上設有二號通孔，二號通孔與一號通孔連通，擺動體兩側的二號通孔處均安裝有導向組件，導向組件與擺動體可拆卸連接，且導向組件能穿過一號通孔，并與底座轉動連接。

16、本方案的有益效果為：本技術方案由于擺動體兩側的二號通孔處均安裝有導向組件，當鉆桿進入或退出一號通孔時，導向組件能夠對鉆桿的徑向進行限位，防止鉆桿沿著徑向偏移，確保鉆桿始終處于可被夾持單元夾持的范圍中，同時保護夾持單元與鉆機動力頭不受鉆桿過度偏移造成的損壞。

17、本技術方案由于導向組件與底座轉動連接，正常施工情況下，有時需要夾持單元中的鉆桿與動力頭中的鉆桿產生小角度的相對轉動(比如預松鉆桿接頭)，而動力頭轉動速度較快，難以控制轉動角度。因此，此時擺動體以導向組件為中心軸，能夠實現擺動體的往復擺動。

18、本技術方案由于導向組件與擺動體可拆卸連接，將導向組件集成在擺動體上，可以節省安裝空間，使鉆機整體布局更加緊湊。

19、進一步，導向組件包括導向外套和導向內套，導向外套與導向內套可拆卸連接，導向外套的內徑與外徑小的鉆桿匹配，導向內套的內徑與外徑大的鉆桿匹配。

20、本方案的有益效果為：由于本技術方案的導向組件由導向外套和導向內套組成，且導向外套的內徑與外徑小的鉆桿匹配，導向內套的內徑與外徑大的鉆桿匹配，當同時安裝導向內套和導向外套時，可以適用于外徑小的鉆桿，當拆下導向外套，僅使用導向內套時，適用于外徑大的鉆桿，因此，一個導向組件可以滿足兩種鉆桿的導向需求，且導向外套的拆裝十分方便。

21、本技術方案由于導向外套和導向內套的結構差別明顯，便于現場配件管理與識別。

22、進一步，機架上鉸接有驅動件，驅動件的輸出軸鉸接在翻轉部下方的擺動體底部。

23、本方案的有益效果為：本技術方案由于驅動件的設置，當需要更換卡瓦或拆除零部件時，需要將擺動體整體翻轉出底座，以便操作，此時，拆除導向組件，擺動體繞著翻轉部翻轉，根據杠桿原理，由于轉動支點移動到翻轉部，擺動體遠離翻轉部的一端比擺動工況的轉動幅大，擺動體可以翻轉超過底座中心，使其接近全部露出底座，便于更換卡瓦或拆除零部件。

24、進一步，卡瓦包括內卡瓦和外卡瓦，外卡瓦安裝在夾緊油缸的活塞桿上，內卡瓦與外卡瓦的內側面可拆卸連接，內卡瓦的內徑與外徑小的鉆桿匹配，外卡瓦的內徑與外徑大的鉆桿匹配。

25、本方案的有益效果為：本技術方案由于內卡瓦的內徑與外徑小的鉆桿匹配，外卡瓦的內徑與外徑大的鉆桿匹配，因此，可以通過快速拆裝內卡瓦實現適用外徑大的鉆桿的切換，提高了夾持單元的適用范圍，尤其適用于定向鉆機同時使用普通鉆桿和大型鉆具等特殊鉆具的情形。

26、進一步，內卡瓦和外卡瓦的內側面均設有若干凸起。

27、本方案的有益效果為：本技術方案由于內卡瓦和外卡瓦的內側面均設有若干凸起，因此，便于增大內卡瓦和外卡瓦內側面的摩擦系數，減少鉆桿打滑的概率。

28、進一步，卡瓦還包括緊固件，內卡瓦沿其徑向的兩側均固定連接有定位凸臺，外卡瓦沿其徑向的兩側均設有容納槽，容納槽與定位凸臺一一對應，且定位凸臺能卡進容納槽內，定位凸臺與外卡瓦通過緊固件連接。

29、本方案的有益效果為：本技術方案由于定位凸臺和容納槽的設置，采用較大的平面對內卡瓦的軸向進行定位，采用緊固件實現內卡瓦的徑向定位，平面替緊固件承受剪切力，大幅減小了緊固件受力變形的可能性，提高了定位的可靠性。同時，由于內卡瓦是通過緊固件固定在外卡瓦的內側面上，因此，在更換內卡瓦時，夾緊油缸的活塞桿回縮，形成拆裝卡瓦的開放空間，只需拆下緊固件，即可快速更換卡瓦，操作方便快捷。

30、進一步，底座的頂部可拆卸連接有加強板，加強板靠近開口的一側固定連接有限位凸塊，限位凸塊能插入開口內，且限位凸塊的底部與一號通孔所在的圓柱相切。

31、本方案的有益效果為：加強板的設計既確保了正常施工時夾持器的整體強度，又滿足了夾持器對于安裝大型鉆具的空間需求。