定向钻孔设备与钻孔装置 本发明涉及一种钻孔设备，用于以一定向控制装置在地层中钻凿孔眼。
在最近的过去，公用事业一直采用在地土中安放导管和电缆而不造出壕沟的方法。这称作无沟技术并通过钻孔予以实现，即采用机器把一钻柱推进到地土之内并导引它绕过各种障碍而达到所需的出口地点。采用类似于出现在美国专利第4953638号之中的那些技术和设备在土壤中钻孔时是毫无问题的。同样石油和天然气钻孔设备多年来一直采用一些装置把一钻杆柱送入所需的各个部位。这些设备采用诸如装在弯曲轴身上的造斜器和井下马达这样的一些装置。当公用事业使用的钻孔设备遇到岩石时，操作工一直利用井下马达和采用两根钻柱的装置，一根用于钻削而一根用于转向，诸如美国专利第5490569号之中所述。这需要一种专用的机器来操作这些设备，而且这些机器的成本是很高的。此外，用水的井下马达需要环境清理而引起一些问题。其他先有技术中的钻孔设备披露在美国专利第4281723号和第5423388号之中。
本发明的目的是提供一种新颖和实用的定向钻孔装置。
此装置包括一导引外套，具有一轴身穿之而过。一切割装置连接于轴身的前端，在轴身转动时用于钻凿目地。轴身可相对于导引外套沿纵向移动，以致轴身可以移动到一相对于导引外套的前部钻凿位置和一相对于导引外套的后部偏移位置。设置在导引外套之内的装置可由轴身在偏移位置上的移动予以控制，用于把导引外套的轴线相对于轴身的轴线设置在至少第一和第二位置上。在第一位置上，导引外套的轴线一般地重合于轴身的轴线以允许钻孔装置从事直钻。在第二位置上，导引外套的轴线相对于轴身的轴线偏移而导致钻孔装置的方向在钻孔作业进行的同时发生转向。
在一项实施例中，凸轮装置在围绕轴身的不同角度位置处联接于导引外套。一凸轮随动件联接于一围绕着轴身的凸轮随动件壳体。当轴身处在偏移位置上时，凸轮随动件可以相对于凸轮装置与轴身一起沿纵向移动。提供一离合器用于当轴身处在偏移位置上时把凸轮随动件壳体联接于轴身，以致当轴身被推移到前部钻凿位置时，凸轮随动件壳体和因而凸轮随动件可以由轴身使之相对于凸轮装置转动以允许凸轮随动件在一围绕轴身的选定角度位置处啮合凸轮装置。当轴件被推向前部钻凿位置时，离合器允许凸轮随动件壳体从轴身解除联接，以致在轴身的前部钻凿位置上，凸轮随动件啮合凸轮装置并导致导引外套相位于轴身偏移而促使钻凿方向改变。
在另一方面，提供了各转动指示器用于指示凸轮随动件相对于凸轮装置的转动位置和为直钻所需的凸轮随动件位置。这种信息由一无线电频率信号传送给地面。
在一项实施例中，凸轮装置包括一圆锥形表面和至少一另外的表面以便由凸轮随动件任由选择地予以啮合。圆锥形的表面可以对中于或偏心于凸轮装置外部周边的轴线。
在另一实施例中，凸轮装置包括许多凸轮，在围绕轴身的不同角度位置处联接于导引外套。
凸轮随动件包括两个凸轮件，隔开180度，两件之一适合用于啮合凸轮装置。
在另一实施例中，凸轮装置可以转动以重新设置凸轮装置的直钻位置而达到一不同的时钟位置，从而允许在所有的时钟位置上作出转向。一止动器联接于凸轮装置，用于允许凸轮随动件转动凸轮装置而达到一不同位置以便偏转导引外套的轴线。一第二止动器设置在凸轮装置上，用于由凸轮随动件啮合以允许凸轮随动件与离合器解除啮合而足以防止导引外套偏转以允许直钻发生。一弱于偏移离合器的第二离合器可以用于可解脱地把凸轮装置固定于导引外套。
在又一实施例中，凸轮装置包括一单独的环状构件，具有两个隔开180度的槽道，用于容放凸轮随动件的两个凸轮件。一止动器联接于凸轮随动件，用于啮合一联接于导引外套的前部止动器以便提供一直钻位置。作为替代方案，设置一可解脱地联接于带有离合器的导引外套的可转动的环圈，用于支承前部止动器以便转动前部止动器达到一不同位置而允许在所有时钟位置作出转向。
在另一实施例中，凸轮随动件适合于啮合一联接于导引外套的止动器，以便在凸轮随动件处在直钻位置时和钻孔正在进行时使导引外套在孔眼中转动。
在又一实施例中，钻孔轴身可以是一套筒式轴身以获得一种在轴身把凸轮随动件推入凸轮装置时把外套固定在一铅直孔眼之中的装置。
在另一实施例中，各侧面切割器的安装和操作方式是在孔眼中切割出一些侧面槽道，用于各导引器沿轨道行驶以防止外套转动。在一项实施例中，各侧面切削器有助于通过被钻孔眼提拉钻孔装置。
在又一实施例中，提供一转动刹动器以协助防止凸轮装置当钻孔龙头正在向前钻凿时发生转动。此制动器包括设置在穿过凸轮装置侧壁制成的一小孔之中的一活塞和摩擦材料，用于在钻孔作业期间由凸轮随动件向导引外套的内侧施加压力。
图1表明偏移模式中本发明的钻孔装置；
图2表明直钻模式中本发明的钻孔装置；
图3是沿着图1直线3-3所取的图1的剖面视图；
图4是沿着图1直线4-4所取的图1的剖面视图；
图5是沿着图1直线5-5所取的图1的剖面视图；
图6是图1中装置的局部视图；
图6A是沿着图6直线6A-6A所取的图6的剖面视图；
图7是沿着图3直线7-7所取的图3的剖面视图；
图8是沿着图3直线8-8所取的图3的剖面视图；
图9是沿着图4直线9-9所取的图4的剖面视图；
图10是沿着图4直线10-10所取的图4的剖面视图；
图11是沿着图4直线11-11所取的图4的剖面视图；
图12是沿着图5直线12-12所取的图5的剖面视图；
图13是沿着图5直线13-13所取的图5的剖面视图；
图14是沿着图6直线14-14所取的图6的剖面视图；
图15是类似于图4的装置的剖面视图，但离合器处在释放位置；
图16表明钻头、主动齿轮和固定于轴身上的小齿轮；
图17是沿着图16直线17-17所取的图16的剖面视图；
图18是沿着图16直线18-18所取的图16的剖面视图；
图19是沿着图16直线19-19所取的图16的剖面视图；
图20表明装在轴身上的双凸轮随动件；
图21是类似于图4的装置的剖面视图，但轴身除去了；
图22是沿着图21直线22-22所取的图21的剖面视图；
图23是沿着图21直线23-23所取的图21的剖面视图；
图24是连接于轴身的小齿轮的侧视图；
图25是沿着图24直线25-25所见的图24的剖面视图；
图26表明在小齿轮的一切口中离合器滚珠之一；
图27表明小齿轮各切口之间的图25的滚珠；
图28是放大的图26的剖面；
图29表明本发明离合器的小齿轮和滚珠环圈；
图30表明装置的16个凸轮；
图31表明在向下转向位置上孔眼中的装置；
图32表明在向上转向位置上孔眼中的装置；
图33表明在向左转向位置上孔眼中的装置；
图34表明在向右转向位置上孔眼中的装置；
图35是沿着图5直线35-35所取的图5的剖面；
图36是类似于图35的视图，但软囊充满水而膨胀起来；
图37是后部轴身支座的部分剖面，表明图35和36的软囊；
图38表明一活塞，用于补偿偏移操作期间本发明装置体积方面的变化；
图39表明用于后部轴身支座之中的电力设备；
图40是本发明另一实施例的剖面；
图41是图40装置中凸轮的剖面；
图42是沿着图41直线42-42所取的图41的剖面；
图43是沿着图42直线43-43所取的图42的剖面；
图44是图41凸轮的等轴视图；
图45是图40装置的剖面，外套相对于轴身是倾斜的；
图46和47表明一后部偏移导向器，轴身在图47中处在钻凿模式之中而在图46中处在偏移模式之中；
图48是本发明装置另一实施例的侧视图；
图49表明图48的装置向下钻凿；
图50表明图48的装置向上钻凿；
图51是沿着图48直线51-51所取的图48的剖面；
图52是沿着图48直线52-52所取的图48的剖面；
图53是图48装置的部分的剖面视图，表明处在偏移位置上的轴身；
图54是沿着图53直线54-54所取的图53的剖面；
图55是图48装置的部分的剖面视图，表明处在直钻位置上的轴身；
图55A是图55离合器的放大部分；
图56是沿着图55直线56-56所取的图55的剖面；
图57是一部分图48装置的剖面视图，表明处在转向位置上的装置；
图58是图53、55和57凸轮装置的剖面视图；
图59是图58凸轮装置左端的等轴视图；
图60是图58凸轮装置右端一部分的等轴视图；
图61是沿着图55直线61-61所取的图55的剖面；
图62A、62B和63是本发明装置另一实施例的各剖面视图，轴身处在向前钻凿位置、偏移位置和转动凸轮装置的位置上；
图63A是沿着图63直线63A-63A所取的图63的剖面；
图64是沿着图62B直线64-64所取的图62B的剖面；
图65-70是本发明另一实施例的剖面视图；
图65表明装置的轴身处在偏移位置上；
图66是沿着图65直线66-66所取的图65的剖面；
图67是沿着图65直线67-67所取的图65的剖面；
图68表明装置的轴身处在转动凸轮装置的位置上；
图68A是图68离合器的放大部分；
图69是沿着图65直线69-69所取的图65的剖面；
图70是沿着图68直线70-70所取的图68的剖面；
图71是一偏心圆锥凸轮的端视图；
图72是沿着图71直线72-72所取的图71的剖面；
图72A是图71和72凸轮的部分等轴视图；
图73-79是采用套筒式轴身的本发明装置的剖面视图；
图73是图48-61实施例的装置的剖面视图，一部分套筒式轴身除去了而示于图74之中；
图75是图48-61实施例装置的剖面视图，套筒式轴身就位在装置之中，而且装置处在转向状况之中；
图76是图75装置的剖面视图，装置处在直钻状况之中；
图77、78和79分别是沿着直线77-77、78-78和79-79所取的图76的剖面视图；
图80-84是采用转动制动器的本发明装置另一实施例的剖面视图；
图80中轴身位于向前转向钻凿位置上。
图81是在图80加压状况中制动器的放大剖面视图；
图82中装置的轴身处在偏移位置上；
图83是凸轮装置的剖面视图，其制动器处在图82的放松的非加压状况之中；
图83A是沿着图83直线83A-83A所取的图83的剖面；
图83B是图80-83活塞和高摩擦材料的等轴图；
图84是图82和83状况之中制动器的放大剖面视图；
图85是本发明装置另一实施例的剖面视图，表明一种用于转动各探测器之一的内套以致此探测器与内套一起转动的装置；
图86表明用在图85装置中的一管筒；
图87是沿着图85直线87-87所见的图85的视图；
图88表明用在图85装置中的另一管筒；
图89是沿着图88直线89-89所见的图88的剖面；
图90是沿着图89直线90-90所见的图89的视图；
图91是沿着图89直线91-91所见的图89的视图；
图92-103表明采用提升式侧面刀具的本发明装置另一实施例；
图92是装置的侧视图，钻头在向前钻凿位置上；
图93是类似于图92的视图，装置和钻头在被钻孔中向回提升了；
图94是类似于图92的视图，钻凿作业向下转向；
图95是类似于图92的视图，钻凿作业向上转向；
图96是图92装置的顶视图；
图97是图93装置的顶视图；
图98是沿着图97直线98-98所见的图97的剖面；
图99是沿着图96直线99-99所见的图96的剖面；
图100是沿着图93直线100-100所见的图93的剖面；
图101是沿着图100直线101-101所见的图100的剖面；
图102表明各后部导向器，通过在离开被钻孔眼的地层中切割出来的各导引槽道以防止钻孔龙头转动；
图103表明用图92-102装置切割出的孔眼外形；
图104-112表明本发明装置的两个实施例，其中轴身可以在直钻的同时转动孔眼中的导引外套；
图104是在轴身处在前部钻凿位置上的情况下用于转动导引外套的各实施例之一的装置的部分剖面图；
图105是沿着图104直线105-105所取的图104的剖面；
图106是沿着图105直线106-106所取的图105的剖面；
图107是装置的部分剖面，轴身处在偏移位置上；
图108是沿着图107直线108-108所取的图107的剖面；
图109是另一实施例的装置的部分剖面，轴身处在偏移位置上以及两个止动器是对中的；
图109A是轴身处于前部钻凿位置时的用于转动导引外套的另一实施例的装置的部分剖面；
图110是沿着图109直线110-110所取的图109的剖面；
图111是装置的部分剖面，轴身处在偏移位置上；
图112是沿着图111直线112-112所取的图111的剖面；
图113-119是装置两项其他实施例的剖面视图，其中轴身可以在直钻的同时转动孔眼中的导引外套；
图113是装置的剖面，轴身处于前部钻凿位置；
图114是装置的剖面，轴身处在偏移位置上；
图115是沿着图114直线115-115所取的图114的剖面；
图116是装置的剖面，轴身处在前部钻凿位置上；
图117是装置的剖面，轴身处在偏移位置上；
图118是沿着图117直线118-118所取的图117的剖面；
图119是装置的剖面，轴身处在直钻位置；
图120表明联接于钻机的本发明的装置。
参照图纸的图1-34，装置包括轴身101，具有可连接于钻孔设备103的后端101R和可连接于前端101F的钻头105。轴身101穿过前部轴身支座或头部总成111、导引外套113、万向连杆(universal link)115和后部轴身支座117。钻孔设备103是一种通常的设备，具有联接于轴身101后部101R的钻柱103A，其可以在推动轴身101向前用于钻孔目的的同时使轴身在从后部向前看时顺时针转动，而且它还可以提动轴身向后。其他各钻柱构件随着所钻孔眼变得愈长愈深而装接于轴身101的后部101R和钻孔设备103。轴身101可以在每一组件111、113、115和117之内转动，并且可以相对于组件113、115和117向前和向后移动。组件111、113、115和117不能相对彼此转动，但是，如果未设置防止滚转的装置，则可以围绕轴身101一起滚(roll)。组件111可被轴件101相对于组件113沿纵向推移向后一微小距离而达到一偏移位置和相对于组件113推移向前一微小距离而达到一钻凿位置，一如图1和2所示。
在组件111的后面和在组件113前面的；在组件113后面的和在组件115前面的；以及在组件115后面的和在组件117前面的各个球型接头允许组件113相对于组件111摆转、组件113相对于115摆转和组件115相对于组件117摆转而用于转向目的。在包含装置正在转向时的所有时间内，组件111和117都保持与轴身101同心。
一凸轮装置或系统和一凸轮随动件用在组件113之中以使钻孔装置如图2所示直钻或如图6A和31-34所示使装置113相对于轴身101倾斜以在进行钻孔作业时使组件111并因而装置转向上方、下方、左方或右方或任意方向。
参看图3、4、6A和16-19，钻头105、两个主动齿轮121和123以及一个小齿轮125联接于轴身101，以致它们不能相对于轴身101转动或沿纵向移动。它们在轴身转动或沿纵向移动时与之一起转动和沿纵向移动。钻头105、齿轮121和123以及小齿轮可以在磨损后或要变更钻头尺寸时予以更换。钻头105的外径将大于每一组件111、113、115和117的外径。
参照图20，设置一联接于轴身101的凸轮随动件131，可围绕轴身转动但不能相对于轴身沿纵向移动。在轴身上的纵向移动由构件133和135予以阻止。各构件137是轴承。前部轴身支座111不能相对于轴身101沿纵向移动，但轴身101可以在支座111之内转动。轴身101可以在后部轴身支座117之内沿纵向移动并可以在支座117之内转动。
参照图21-23，设置一凸轮环圈141，固定在导引外套113内并不能在导引外套内转动或沿纵向移动。在导引外套内还设置一凸轮随动件壳体151，沿纵向固定在导引外套113之内，但可以在导引外套之内转动。
参照图3、7和8，前部轴身支座111包括一圆筒159，具有用于支承各轴承160和两个侧轴161和163的结构，此两个侧轴具有分别连接于侧轴161和163各自内端的齿轮165和167以及分别连接于侧轴161和163各自外端的侧面切割器171和173。齿轮165和167啮合于齿轮121和123，以致轴身101的转动使齿轮165和167转动并因而使侧面切割器171和173转动。当轴身101为钻孔目的在从轴身101的后端101R朝向前端101F观看顺时针转动时，钻头105转动以及侧面切割器171和173转动。侧面切割器171和173的用途是切割出侧面孔眼175和175，后者横交于所钻孔眼179的轴线，用于装放联接于后部轴身支座117的滚转稳定器181和183，一如图5之中所示，以防止组件111、113、115、117在钻凿孔眼179时围绕轴身101滚转。
一内筒191可滑动地设置在外套圆筒159之内并使其后端连接于一管件193(见图4)。管件193的后端直径增大并连接于导引外套113的管筒195的前端，以致管件191、193和195固定在一起并不能彼此相对转动或彼此相对沿纵向移动。两个滑动销柱197固定地联接于内筒191的前端并可在制成在固定于管筒195内侧的一止动环圈205上的槽道201和203之内前后滑动。环圈205直径随向后而减小而形成一止动球面凹座207，一环状导引止动圆球209可在其中滑动。导引止动圆球209固定地连接于内筒191和各销柱197。固定地连接于管筒159后端内侧的是一挠性套筒213的前端。套筒213的后端连接于管筒191的前端。
在如图3和4所示的轴身101位置上，前部外套111并因而管筒159都相对于导引外套113处在靠后位置上，前部外套111通过环圈构件215与止动圆球209前端的接合而被终止或防止更加往后移动。在此位置上，套筒或套管密封213是折叠起来的。轴身101可相对于导引外套113推动前部外套111向前，直至止动圆球209的后端啮合环圈205凹座207的后面较小直径部分为止，一如图6A之中所示。在此位置上，套筒213如图6A中所示向前移动止动圆球209的后端和管筒205的较小直径部分修圆成为凸形和凹形并彼此配合，以致当轴身101和前部外套处在向前钻凿位置时，前部外套111和导引外套113可相对彼此摆转而允许钻孔装置转向。
参照图4、6、9-11、14、15、16、18、20-30，导引外套113包括管筒195、随动件壳体151、凸轮环圈141、双凸轮随动件131和小齿轮125，一如上述。双凸轮随动件131包括两个构件221和223，设置得分开180度并沿径向从一可围绕轴身101转动的中心环圈131R伸出。凸轮随动壳体151包括两条槽道231和233，当轴身101为了钻凿或偏移目的而相对于导引外套113的管筒195前后移动时，凸轮构件221和223可以在其中前后滑动。凸轮环圈141具有16个适于由凸轮件223予以接合的凸轮或凸轮表面。
凸轮件211只用于导引目的而并不接合各凸轮。只有凸轮件223接合一选定的凸轮，以便控制导引外套113相对于轴身101轴线的倾斜。凸轮241或是255用以在被凸轮件223接合以便直钻时保持导引外套113相对于轴身101轴线是同心的。凸轮241和255具有些许或根本没有倾角。其他凸轮256和242-254用以在被凸轮件223接合时使得导引外套113相对于轴身101轴线发生倾斜。凸轮243、247、249、253和256相对于导引外套113的轴线具有确定为微小倾角的、同样大小的斜度或倾角。凸轮242、244、246、250、252和254具有确定为中等倾角的、同样大小的倾角。凸轮245、248和251具有确定为大倾角的、同样大小的倾角。导引外套以之相对于轴身轴线移动的倾斜量取决于为倾斜目的选定哪一个凸轮由凸轮件223予以接合。在选定预期的凸轮之后，轴身101相对于导引外套113被推动向前，而凸轮件223与轴身一起被推动向前以完全地接合所选定的凸轮斜面。这样可使导引外套113相对于轴身101轴线发生倾斜并推动导引外套一侧的后端抵靠孔壁的一侧，导致钻孔龙头在一相反于导引外套后端受迫方向的方向上受迫。比如在图31中，导引外套的后端受迫而顶靠孔眼的上侧，迫使前部外套111向下而导致钻凿向下转向。相反的转向在图32中是向上的。在图33中，导引外套的后端受迫而顶住孔眼的右壁，迫使前部外套111向左而导致钻凿向左转向。与图33相反的转向示于图34之中。
除了凸轮241和255，在此实施例中，所有的凸轮可以具有同样的倾角。
参照图26-29，将要说明用于使得凸轮随动件131及其凸轮件223从一个凸轮偏移到另一凸轮的机构。装接于凸轮随动件壳体151后部的是一球圈263，协同小齿轮125一起工作以构成一可使偏移发生的离合器261。环形球环263具有两个小孔265，沿径向穿过环263制成，分开180度。每一小孔265中设置一钢球267，由一设置在每一小孔265上方的槽道270之中的弹簧269沿径向向内施以弹力。小齿轮125包括一环形件，具有制成在其外缘125E上的16条槽道271。各相邻槽道的中心构成一22.5度的角度。当轴身101和前部轴身支座111处在如图6所示的向前钻凿位置上时，小齿轮125位于球环263的前面。当凸轮件223完全接合一凸轮时，两个凸轮件221和223的各自后端仍然位于随动件壳体151的槽道231和233之中，防止壳体151在导引外套113之内转动。当轴身101和前部轴身支座111向后移动时，小齿轮125向后移动，从而各圆球落进两条槽道271里，把各圆球267并因而随动件壳体151锁定于小齿轮125。如果各钢球起始位于各相邻槽道271之间，它们将由小齿轮在其向后移动时沿径向向外推动，轴身101和小齿轮125由钻孔设备103使之转动将能够使各圆球落进两个对置的槽道里。在此位置上，凸轮件221和223完全脱开各凸轮，而轴身101和小齿轮125的转动将导致凸动随动件壳体151及其凸轮件221和223相对于各凸轮转动。操作工，然后可以用钻孔设备103转动轴身101以将凸轮件223定位得靠近一选定的凸轮并使设备103推动轴身101向前以便从球环263解脱小齿轮125并把凸轮件221和223推向一钻凿位置而使得凸轮件223完全啮合所选定的凸轮。图15表明小齿轮125的位置，它被推向前面的程度足以被从球环263解脱开来而凸轮件221和223刚进入凸轮环圈141。在此钻凿位置处，凸轮件221和223的各自后端仍然在凸轮随动件槽道231和233之中而阻止凸轮随动件151壳体的转动。
再参照图1、4、5、12、13和39，设置了一监测系统，用于监测凸动随动件的角度位置以使地面上的操作工可以在转动装接于凸轮随动件的轴身101的同时监测偏移位置。此系统包括一通常的挠性缆281，具有一挠性缆轴件，连接于一齿轮291的轴件289，齿轮的各轮齿291T啮合于一连接于环圈263的齿轮293的各轮齿。齿轮291的轴件289由一轴承和套筒295予以支承以便转动，后者连接于导引外套113管筒195的内侧。缆281伸向设置在后部轴身支座外套117之中的一凸轮随动件探测器361，后者可以发送无绳信号给位于地面处的监测器421。这使之可以通过在注视以上地面监测器421的同时转动轴身101而选定任何凸轮或偏移位置。
参照图4、5、6A、12和13，万向连杆115包括一管件，它具有带凸出表面的环形件321，后者借助各杆323固紧于管件的前端，位于固紧于导引外套113之管件195后部内侧的环形件327和329之中。环形件327和329具有凹进的表面，匹配于环形件321的凸出表面以便为连接件195和115一起构成一球形接头以使两构件113和115相对彼此摆转，一如图31-34之中所示。一带有凸出表面的环形件341固紧于管件115的后端，其匹配于制成在固紧于后部轴身支座117之管件351后端内侧的构件343和345上的凹进表面以构成一球形接头，可使两构件115和117相对彼此摆转，一如图31-34之中所示。
轴承件353和355支承轴身101以便在后部轴身支座117之内转动。在后部轴身支座117之中设置一凸轮随动件探测器361和一外套滚转探测器371。钢缆281连接于一后部钢缆齿轮365，其啮合于一偏移探测器齿轮367以便在上述偏移过程期间当凸轮随动件131由轴身101转动时使探测器361在同一方向上和以同一大小的度数转动，探测器361装有一电池和一无绳传送器，后者传送无绳信号给地面监测器421，这些信号是探测器361的转动位置、探测器361的纵向倾斜和探测器361的深度。在轴身支座117之中还设置一外套深度探测器371，它也包含无绳传送器和电池。探测器371把一包含后部外套支座117以及因而凸轮环圈的转动位置、其斜角及其深度的信息的无绳信号传送给同一监测器421。管筒351在351P处的壁部是一种诸如将允许传送信号的塑料这样的材料。
探测器361和371以及监测器421和431是通常的装置，市场上可从Radiodetection Ltd.of Bristol,U.K.(英国布利斯托尔无线检测公司)购得并标记为RD 385L。这些装置也披露在美国专利第5469155号和第3617865号之中，它们纳入本申请作为参考。
随动件壳体151是偏移和操作系统的中心部分。参照图23，随动件壳体151之中的两个对置的凸轮231C和233C与双侧凸轮随动件131一起工作以使导引外套113在轴身101被拉入偏移位置时对中于一与轴身101同心的位置。随动器壳体151之中有凸轮231C和233C的侧面导引件231G和233G，它们在处在偏移位置上时保持随动件壳体151的中心线、轴身101的中心线和导引外套113的中心线在一共同轴线上。参照图29，一齿轮293装在随动件壳体151后部上，此齿轮是一齿轮和挠性钢缆系统的一部分，可使凸轮随动件探测器361与凸轮随动件在同样方向上和以同样的角度转动。这样可使地面以上设备指出偏移位置。
离合器261的弹簧加载球环263连接于凸轮随动件壳体的后部。离合器的两圆球267与固定于轴身101的离合器小齿轮125一起工作以便处在偏移位置上时把随动件壳体151连接于轴身101。这就使之可以在注视地面以上监测器的同时通过转动轴身101来选定任何偏移位置。
当轴身101向前推到钻凿位置上时，随动件131啮合凸轮环圈141，并由于随动件131的后部总是保持接合于随动件壳体151，所以这就把转动的导引装置锁定于导引外套113并松脱了球形离合器261而允许轴身101脱开导引装置以便转动钻头。
参照图13、35和39，阐明一由轴身101使之转动的发电机381，用于为用以向探测器361和371提供电能的各电池383充电。发电机381具有一齿轮385，啮合于一连接于轴身101的齿轮387，以致在轴身101转动时，它借助齿轮387和385转动发电机381以产生一电力输出而施用于一调节器389，后者具有一电力输出而用以维持各电池383的电荷。使用发电机可避免电池没电的问题，这种问题要求钻孔装置被提出孔眼以更换电池。
三部组件111、113、115和117的内部都盛有油液399并彼此流体连通。随着轴身101和前部支承外套111相对于组件113、115和117向前或向后移动，各组件之中的容积膨胀和收缩。参照图13、35、36和37，软囊401设置在组件117之中并具有一通路403，流体连通于组件117外部即正在钻凿的孔眼之中的水。因此，用于润滑目的等的孔眼中的水404等可以借助通路403流进和流出软囊401。软囊允许偏移期间钻孔装置膨胀和收缩时容积的变动并允许外部水压的变动而不需高压密封。油液的容积是固定的。当组件111、113、115和117的内部容积扩大时，随着组件111相对于组件113移向钻凿位置，水经由通路403从孔眼流进软囊以提供各组件中的额外液体而补偿容积的增大。当组件111、113、115和117的容积缩小时，随着组件111相对于组件113移向偏移位置，水经由通路403流出软囊401并流进孔眼。从而软囊401在钻孔装置中的油液与外部水之间保持均衡压力，从而免除了高压密封的必要性并防止了在不需要偏移时内外压力之差使轴身偏移。在准备使用钻孔装置时，当轴身101处在后面的偏移位置而软囊瘪下时，组件111、113、115和117都充满油液。当内部容积扩大时，水流入软囊以维持内外压力相等。
参照图38，阐明一圆筒411，来代替软囊401。圆筒411具有一浮动活塞413以及一引向外套外部的通路415和一引向外套内部的通路417。水可以在活塞413的右侧进入圆筒411，而油可以在活塞413的左侧经由通路417进入圆筒，一如图38所示。当组件111、113、115和117充以油液时，活塞413将位于壁部419近旁。随着内部容积扩大，水进入通路415而油从圆筒411经由通路417流进外套。
以下是在一条街道下面钻凿孔眼时本发明定向控制装置(DCH)的应用实例。由于正在装设一条电气管道，假定街道下面孔眼的最小深度是4英尺。在此深度处，从以往的经验可知，岩石开始出现在地面以下2英尺处。
作业勘查
在走访所有公用事业公司并与之交谈之后，断定这种情况为一典型情况。这里有一条供水管线、一条污水管线、一条取水管线、一条电话线和一条燃气管线。街道大约是120英尺宽。
装设
设备装设在离开街道边沿大约30英尺处以具备地盘在钻孔装置打孔到街道时下至最小深度。钻孔设备装设得与水平成23点的一般角度，这意味着钻机将以大致每十英尺23英寸的方式下行来开始土坯中的引头钻柱。
装接DCH于钻机
在装设好钻机的情况下，操作工把DCH轴身的后端拧到引头钻柱上，后者装接于钻孔电机，电机能够顺时针和反时针转动并向前和向后移动。
(各)指示器
操作工更换简称为一(条)探测器的转动/深度/倾角指示器。探测器由几家不同的公司出售。它们都从事同样的业务。操作者然后把(各)探测器安放到DCH里面。探测器通过信号把它具有的信息传送给一名称作探测工的工人在地面上大致DCH头顶上所携带的接收器。DCH的工作范围大致是25英尺。因而最大深度是大约25英尺。如果钻孔装置要在较大的各深度处钻凿，则可以采用不同实力的各探测器。在此DCH有两种探测器。一种探测器用以找定凸轮随动件的倾斜位置而另一种用以找定导引外套和因而凸轮环圈以便找定各直钻凸轮的倾斜位置。各探测器将各自产生不同的传送频率。这样，接收器将能够识别每一探测器信号。这一点，由于某一频率的探测器有时含在某一区域内因干涉现象而具有麻烦，同样颇有裨益。操作工随后标定各探测器以确信它们会给出良好读数。
选择钻头
操作工选择一只会最为有效地切割岩石的钻头。他然后把它拧到穿过DCH并是其一部分的轴身的前部。这就是钻削孔眼的物件。
开始钻孔
操作工然后水龙头，通过制成在钻头上的各孔口使水穿过空心的钻柱之后再穿过DCH的空心轴身而进入孔眼。水用来从DCH冲走钻屑、冷却DCH并润滑孔眼。水通过DCH与孔壁之间的空间返回。在一些情况下，不需要用于润滑目的的水并因此轴身101可以是实心的。接下来操作工开动转动机构并开始推入地层。DCH与钻柱成平直关系。这意味着，导引外套不出钻头的钻削半径之外。随着DCH开始进入地层，它可以转动，但这无关紧要，因为外套探测器将随时记下它转动多少。
连接另一钻柱
当第一钻柱钻进完毕时，操作工停止推入和转动、关断供水并从第一钻柱上拧下钻孔电机。操作工然后固定钻孔电机并装接另一钻柱。在两根或更多钻柱装接之后，整个钻柱总成称作一钻杆柱。
DCH定位
负责找定DCH行踪的工人取得一读数。在此位置处作出决断以继续前行或变更方向。操作工决定继续前进一些。在此钻柱通过一半时，他检查DCH的所在并决定开始找平。
偏移步序
钻机操作工向上拉回钻杆柱。穿过DCH的轴身也拉了回来。留驻的DCH仍然允许轴身在DCH内部滑移大约21/2英寸。沿纵向锁定于轴身的凸轮随动件也与轴身一起滑移。这一动作可把凸轮随动件拉出它一直处在其中的凸轮。此时凸轮随动件脱出凸轮环圈并可独立于凸轮环圈而转动。同时凸轮随动件经由离合器成为以转动方式锁定于轴身的。这样可允许钻机操作工能控制凸轮随动件的转动位置。凸轮随动件以齿轮连接于第一探测器。这允许探测工注视并获知凸轮随动件的转动位置。注视着显示信号的监测器，钻机操作工转动钻杆柱，后者本身又转动凸轮随动件。当凸轮随动件到达所需位置，在此情况下即直下位置时，钻机操作工停止转动。检查第二探测器以确信即将被进入的凸轮是一“直钻凸轮”。如果它是，操作工则转动钻柱一很小的角度以对齐挨着“直钻凸轮”的凸轮。这可能不是最佳的方向，但它只是离开一圈的一点儿并在需要时可以通过在“直钻凸轮”另一侧进入凸轮而予以校正。如果它不是，钻机操作工则推进钻杆柱，解除轴身与转动的凸轮随动件的啮合并使凸轮随动件插进所曾选择的凸轮端头。一当轴身从凸轮随动件上被解除锁定而转动，它则被转动以开始钻削孔眼。凸轮随动件继续进而插入凸轮，推出凸轮离开轴身的中心，并由于凸轮装接于导引外套的内部，导引外套被推离轴身的中心和推出钻头钻削半径之外，接触孔眼的壁部时，导引外套在相反方向上推动钻头。在这此情况上向上推动。
继续钻孔
操作工可以在此模式下继续到操作工觉得为达到目标所必需那么长的时间。操作工可以重复偏移步序任何时间以导引钻头到他想要它所去的地方。
直行
有两个直钻凸轮。当凸轮二者之一由凸轮随动件啮合时，导引外套将呆在钻头钻削半径之内，对DCH的方向无任何影响。
走向任一方向
围绕DCH半径有许多凸轮，任随操作工选择走向哪一方向。
完成钻孔
当到达另一边时，卸掉DCH，或是装设公用设备或是把反向扩眼器连接于钻杆柱，并在拉回钻柱的同时扩大孔眼。
参照图40-45，阐明采用单一外套的本发明另一实施例。在图40-45中，同样的参照编号标示图1-39中所标示的同样另部件。在这方面，图40-45的实施例包括轴件101和钻头105，支承起来用于在一管状外套导管451之中转动并用于相对于外套451沿纵向移动。实施例还包括凸轮随动件壳体151，支承起来用于在外套451之中转动，以及凸动随动件131，带有凸轮件221和223，支承起来用于围绕轴身101转动。凸轮随动件壳体151不能相对于外套451沿纵向移动，而凸轮随动件131不能相对于轴身101沿纵向移动。轴身101可以相对于外套451沿纵向移动到一向前钻凿位置和移动到一向后偏移位置。小齿轮125连接于轴身101以及环圈263连接于凸轮随动件壳体151的后部，环圈带有由弹簧施以弹力的各圆球267，用于当轴身处在一偏移位置时啮合小齿轮和用于当轴身101处在一钻凿位置时与小齿轮解除啮合。设置一凸轮装置461，它固定于外套451而不能在外套内转动或在外套内沿纵向移动。凸轮装置461包括一圆锥形的内表面463，带有两个止动器465，后者分开180度地制成在表面463的内部，相对于装置461后端461RE向前间隔一微小距离。
在轴身101的偏移位置上，凸轮件221和231不接合凸轮装置461而随动件壳体151经由包括球环263和各圆球267以及小齿轮125的离合器261连接于轴身101，以致轴身101的转动将相对于凸轮装置461在角度方面转动凸轮随动件壳体151。在所需的角度位置处，轴身被推移向前，以便从小齿轮125上松脱各圆球267并促使凸轮件223接合凸轮表面463以使外套451相对于轴身101轴线倾斜而用于轴向目的或接合各止动器465以使外套451保持与轴身101同心。各止动器465向前隔开装置461的后端461RE足够远以允许各环圈圆球267从小齿轮被松脱开来并防止凸轮件223使得外套451相对于轴身101发生倾斜。应当了解，凸轮装置461可以代替带有许多单独的凸轮的凸轮环圈141而用在图1-34的实施例之中，以及反之亦然。
用于使轴身101在外套451之中转动和外套451相对于轴身101倾斜的配置包括一球形接头471，制成在外套451的前面，以及一挠性支座491，形成在外套451的后面。球形接头471包括连接于外套451内侧的环形支承构件473，它具有一环形凹进表面475，匹配于结构479的一环形凸出表面477，结构479支承轴承481以允许轴身101在外套451之中转动以及相对于外套451沿纵向移动。外套451可以在球形接头表面475和477处相对于轴身101发生倾斜。在后端处，环形构件493围绕轴身101连接于一横截面为C形的环形挠性件495，后者以其径向内端连接于构件493而以其径向外端连接于外套451的内侧，以允许外套451的后端相对于轴身101发生倾斜。各管状导引器495连接于构件493。各杆497连接于外套451的内侧并伸进各构件497并在外套451相对于轴身发生倾斜时用作各径向导引器并限制构件493在向前和向后方向上的纵向移动。轴身101可在构件493之内转动并为偏移目的通过构件493而前后移动。一密封形成在构件493与轴身101之间。
图45表明相对于轴身101倾斜了的外套451，而图40表明围绕轴身101同心的外套451。
虽然未画出，图39的探测器361和371以及发电机和电池装置可以设置在外套451之中。外套451具有一窗面451P，由会允许传送无绳信号的材料制成。
设置了一半径调节螺丝453和一连接于凸轮随动件环圈131的止动圆盘454以改变钻孔装置的转向半径。当螺丝向内拧进时，它限制并减小轴身和因而凸动随动件相对于导引外套的向前行程，并因而导致所有转向位置的一较大的转向半径。当螺丝453向外(如在图42之中所见，向左)拧出时，它允许轴身和因而凸轮随动件进一步移行到一向前位置，并因而导致钻孔装置的一较小的转向半径。
图40-45实施例的外套451将充满油液，但由于其容积在偏移期间并不显著改变，所以可以不采用图13、35-38的软囊或活塞装置。构件495也用作一压力和容积均衡器，免除了对活塞和软囊的需要。在图40-45的实施例中，转向可以通过使外套相对于轴身发生倾斜而予以实现以允许外套的后沿触合孔眼壁部而使相反一侧的前沿以及因而钻头在相反的方向上移动以便随着装置钻孔而实现转向。
在图40-45的实施例中，将不采用图1-39实施例的侧面切割器171和173。
两探测器361和371在市场上有售并各自发送信号给地面处的便携式接收器或检测器421，后者本身又发送信息给一在地面处联接于一阴极射线管显示器的接收器423。分别发送的这些信号提供了有关探测器深度、轴线倾角或斜角和围绕其轴线滚转角度的信息。探测器371装接于导引外套113并因而提供了各直钻凸轮(straight cams)的位置的信息，而探测器361装接于凸轮随动件壳体并因而当凸轮随动件相对于导引外套113转动时与之一起转动。在先前技术中，类似于装置361和371的探测器一直用以找定定向钻孔装置。已知的各种探测器总是固定于钻孔装置的外套并不装接于外套之中的某一转动件。
两探测器361和371以不同频率传送信号。比如，探测器361可以以8MHz传送信号而探测器371可以以33MHz传送有待显示的信号。每一装置421和431具有三个分别的显示器，以使深度、滚转和倾角得以显示。装置423将设置在靠近钻孔设备103的一固定位置处，而装置421是一便携式装置，可由操作工携带。假设使用图1-34的实施例。凸轮256的位置确定为12点位置。操作工到处移动装置421，直至拾取了最强信号为止。这向操作工表明，探测器361迳直在装置下方。操作工然后把装置设定在地面上并在此处可以操纵深度开关以便从探测器361和371取得深度信息。当接收器处在探测器工作范围之内时，始终可以读到倾角和滚转值。出自装置361和371的滚转信息是很重要的。操作工想要知道直钻凸轮，比如凸轮241相对于12点位置的位置。当钻凿首先开始时，操作工知道凸轮随动件在接合哪一个凸轮。这就告诉了他直钻凸轮的转动位置。只要钻孔装置处在钻孔模式之中，各直钻凸轮的位置将与探测器361具有与钻孔开始时同样的关系，因为在钻孔期间，探测器361连接于接合一凸轮的凸轮随动件。当需要改变钻孔方向时，操作工切换到偏移模式。在此模式中，探测器361不再连接于各凸轮，但仍然联接于凸轮随动件。凸轮随动件可以随意在外套中被转动，这意味着探测器361相对于外套可以随意被转动。知道各直钻凸轮的位置，操作工可以找定凸轮随动件以接合所需的凸轮。
如果在钻孔期间外套滚转，各凸轮也将滚转。通过了解外套滚转的方向和大小，操作工可以利用这种信息来确定各直钻凸轮滚转的方向和大小，因为各凸轮会与外套一起滚转。这种信息可使操作工确定各直钻凸轮的位置，这可使他找定凸轮随动件以接合所需的凸轮。外套探测器371是希望有的，但并非在所有情况下均为必需。
现在参照图46和47，阐明图1-34实施例和图40-45实施例的导引外套113的一项改型。图示的外套是图1-34的导引外套。管筒195的内侧装有一环状碗圈501，具有各支承表面503用于纳放一具有轴承507的环状圆锥505。在钻孔模式之中，轴承505解除接合于圆锥501。在偏移模式之中，圆锥505的轴承507啮合圆锥501的各支承表面503。这在轴身处在偏移模式之中时提供了外套195与轴身101之间的一种精确的同心关系。没有这一特点，当轴身处在偏移模式之中时，小齿轮则座靠于离合器外圈263，这在小齿轮上施加一载荷。
如上所指出，转动的导引切割器171和173垂直于轴身101。在另一实施例中，这些可转动的切割器可以设置得平行于轴身101。在此实施例中，各环状齿轮(annular gear)联接于切割器171和173的各轴，它们由联接于外套的各轴承支承以便转动。一环状齿轮联接于轴身101而啮合于联接于切割器171和173各轴的各环状齿轮以转动切割器171和173。在此另一实施例中的切割器配置趋向于对轴身101造成滚转而带有垂直于轴身101的各轴的切割器171和173是很可取的。
参照图15，阐明几片金属板簧553，连接于导引外套113，带有一阻力带条551，连接于每一板簧553。各带条551可以具有焊于其上的碳化钨件。各构件553、551的目的是在轴身101和外套111从偏移位置向前移动到钻孔位置时形成对于外套113的阻力。此阻力装置有助于偏移但不会影响向前钻凿，因为钻孔设备103具有充足的动力来克服由构件553、551产生的任何阻力。构件553、551可以装接于外套117而不是外套113。各弹簧件551也有助于防止外套转动。
现在参照图48-61，在此将阐明本发明钻孔装置的另一实施例。在此实施例中，同样的参照编号标示与图1-34中所标示的同样零部件。在图48-61的实施例中，导引外套113由一后部球形接头601围绕轴身101予以支承，此接头包括一环状球形件603，联接于轴身101，以及一凹座605，联接于外套113的内侧。球形接头601类似于球形接头471。凹座605包括两个环状半部构件605A和605B，联接于外套113后端处的外套内侧。构件621、623和625是O形圈，而构件627是一环状固定件，围绕轴身101予以固紧并固紧于球体603。设置了一前面空心圆筒外套631。导引外套113的前端通过一第二球形接头641联接于前面外套631的后部，此接头包括一环状凹进件643，联接于导引外套113前部内侧，以及一环状球形件645，联接于外套631的后端。构件643和645匹配得以致外套113和631可以借助于球形接头641彼此相对作枢转。构件647是一环状的挠性或弹性件，连接在外套113前端与外套631后端之间以构成一防水接头。构件649是一O形圈。外套631的前端固紧于一类似于球形接头601的球形接头657。
设置了一离合器61A(类似于离合器61)，包括一小齿轮125A，连接于轴身101，以及一带有各圆球267的环状球圈63A，连接于一凸轮装置750的端部。一偏转装置设置在导引外套113之中的球形接头601与641之间。参照图53-57，偏转装置包括一环状凸轮随动件731和一环状凸轮装置750。凸轮随动件731包括两个构件741和743，设置得彼此相隔180度，而构件743从随动件731沿径向向外伸出远于构件741。凸轮随动件731由构件751和753予以支承以便围绕轴身101转动。固紧于轴身101的各套圈732可防止随动件731在轴身101上沿纵向移动。凸轮装置750由轴承761予以支承而在导引外套之中转动，但由各构件754防止在导引外套之中沿纵向移动。凸轮装置750，具有比随动件壳体151和凸轮环圈141较为简单的结构，代替了图1-34实施例的随动件壳体151和凸轮环圈141。凸轮装置750经由凸轮随动件构件741和743由凸轮随动件731予以支承。在凸轮装置750的后部上联接球形离合器61A的球圈63A。凸轮装置750具有两条槽道750A和750B，切割在此装置的内壁上。两个凸轮随动件构件741和743设计得分别在两条槽道750A和750B之中滑动。两条槽道750A和750B的各侧壁可保持凸轮随动件731和凸轮装置750彼此连在一起转动。在凸轮装置750的前后两端处，槽道750A和750B彼此平行并平行于凸轮装置750的轴线，但从轴线错移开来。两条槽道750A和750B的各中间部分是彼此平行的，但相对于凸轮装置750的轴线构成锐角。由于构件741和743的不同径向尺寸，凸轮随动件构件741和743可保持凸轮装置750的轴线当凸轮随动件731相对于凸轮装置750处在一后面位置上时平行于轴身101的轴线，而当凸轮随动件731相对于凸轮装置750处在一前面位置上时相对于轴身101的轴线处在一偏斜或倾斜的位置上。这样导致了导引外套113相对于轴身101的轴线发生倾斜，从而导致钻孔方向转或移向上、下或侧面等，如上所述。因而在凸轮随动件731和凸轮装置750相对于导引外套113的任何转动位置上-这为凸轮随动件731相对于凸轮装置750的向前移动创造了条件，导引外套113当凸轮随动件731相对于凸轮装置750处在一前部钻凿位置上时将相对于轴身101的轴线偏离中心。另外当凸轮随动件731相对于凸轮装置750被拉回时，导引外套113的轴线将平行于轴身101的轴线。
于凸轮随动件731的前面连接一止动器771。止动器771的宽度相比于凸轮随动件731的外部周边是很小的，一如图61之中所示。一第二止动器773于槽道750A和750B前端装设于导引外套113的内侧。止动器773的亮度约等于止动器771的宽度，而相比于导引外套113的内周边是很小的，如图61所示。止动器773位于凸轮装置750前面一段允许凸轮随动件止动器771在一纵向位置-此位置允许小齿轮125A与离合器61A的球圈63A解除啮合-上与它接触的距离处，但并非远得足以允许导引外套113相对于轴身101的任何显著偏转。因而在此位置上，外套113的和轴身101的轴线相重合，允许钻孔装置直钻。由于止动器771和773的宽度是微小的，所以凸轮随动件731和凸轮装置750可以围绕轴身101在一很大的圆弧内被转动到各角度位置而止动器771不接触止动器773以允许导引外套113在此圆弧之内的任一角度位置上相对于轴身被偏转。在一项实施例中，此圆弧可以形成一大约350度的角度。
前面外套631的用途之一是用作一靴筒，用于导引外套113的摆转。另外在前面外套631之中固紧一滚转探测器371A，类似于探测器371，如前所述那样向地面传送乃是直钻位置的、外套止动器773的转动位置。探测器371A支承在外套631之内的一壳体775之中。一类似于如前所述探测器361的探测器361A固紧在外套113之中以便向地面传送止动器771和凸轮随动件731的转动位置。探测器361A固紧在一连接于凸轮750以便与之一起转动的壳体777之中。探测器361A与壳体777一起转动。
在本发明钻孔装置的所有实施例中，探测器371或371A可以用来探知凸轮随动件所需处于其上的转动位置并传送至地面以导致钻孔装置作直钻，而探测器361或361A可以用于探知凸轮随动件的转动位置并传送至地面。
参照图53，为了改变钻孔方向，轴身101相对于导引外套113、凸轮装置750和离合器61A的球圈63A被拉向后面，轴身101本身又相对于导引外套113、凸轮装置750和球圈63A拉回凸轮随动件731和小齿轮125A。在这一位置上，小齿轮125A转动地啮合于离合器61A的球圈63A和凸轮装置750。小齿轮125A固定地连接于轴身101，以致它与轴身101一起转动并与轴身一起沿纵向移动。当轴身101在这一纵向位置上转动时，离合器61A、凸轮装置750和凸轮随动件731也一样转动。当到达规定的转动位置时，操作工停止转动轴身。参照图55和57，轴身101、小齿轮125A和凸轮随动件731然后相对于导引外套113和凸轮装置750被推动向前，而离合器61A的球圈63A解除与小齿轮125A接合。这样就松脱了轴身101以相对于凸轮随动件731、凸轮装置750和导引外套转动，从而允许轴身101在凸轮随动件731、凸轮装置750和导引外套113由位于借助侧面切割器171和173切出的侧面孔眼175和177之内的滚转稳定器181和183-在图48-61中未画出-阻止转动的同时从事钻孔。弹簧加载的各翼板551也可以用以防止导引外套113转动。
在图1-34的实施例中，凸轮环圈141转动地锁定于导引外套113，并有一或多个时钟位置必须被用于直钻模式，其防止在此方向或时钟位置上进行转向。参照图62-64，将阐明一项实施例，可以将直钻位置或图30的凸轮241重新设定为一不同的时钟位置，从而把其他各凸轮或各转向位置之一定位在凸轮241的先前位置上。图30的另一直钻凸轮255将是一带斜度的齿轮。此外，如果各转向位置或各凸轮具有不同的大小或斜度，则在任何时钟位置上可以控制不同的转向大小和斜度。因而，一标准的转向程度可以用于大多数孔眼，但是如果需要，一更为强力或急剧的转向可以用以比如钻削出来一个已经钻凿过的孔眼，或者用以钻进一个接近于与钻孔龙头平面平行的地层。
在图62-64的实施例中，同样的参照编号标示与图1-34和48-61之中所标示的同样的另部件。参照图62-64，凸轮环圈141并不固定于导引外套113的内侧。凸轮环圈141可以在外套113之内转动，但由各构件754防止其沿外套113的纵向移动。凸轮环圈141可以锁定于导引外套113和从导引外套113上解锁以便转动。许多弹簧加载的圆球781用以啮合各凹坑783，后者制成在凸轮环圈141上以构成一凸轮环圈离合器785。一止动器791，连接于凸轮环圈141并向内伸出，可以用以实现直钻。一转动环圈止动器793连接于凸轮环圈141，离开止动器791 180度并向内伸出。环圈止动器793具有一尖头部分，而随动件构件743表面具有一用于接纳止动器793的槽沟，一如图64之中所示。为了转动环圈141，凸轮随动件构件743从止动器791转开180度而到达一对置于止动器793的位置。构件743被推动向前，直至其由凸轮环圈141上的止动器793挡住为止。在该位置上，凸轮随动件构件743经由止动器793上的尖端和其上的槽沟可转动地接触于凸轮环圈141，而小齿轮125A仍然在凸轮随动件壳体球形离合器61A之中。当轴身101被转动时，啮合在凸轮随动件壳体球形离合器61A之中的小齿轮125A转动凸轮随动件壳体151，后者又转动凸轮随动件731，随动件再转动凸轮环圈141。凸轮环圈球形离合器785的弹簧抗力低于凸轮随动件球形离合器61A各弹簧的抗力，因而允许凸轮环圈141被转动。
参照图63，为了直钻，操作工必须把凸轮随动件构件743设置在与止动器791同样的转动位置上。这样作了以后，而且凸轮随动件构件743被推动向前，它将接触可终止凸轮随动件构件743相对于凸轮环圈141前行的止动器491。在此位置上，导引外套113并不相对于轴身101的轴线偏离中心，而小齿轮125A与球形离合器61A解除啮合而允许轴身101自由转动。导引外套113由滚转稳定器181和183防止转动，稳定器位于由侧面切割器171和173切割出来的侧面孔眼175和177之内，或者各弹簧翼板551可以用来防止导引外套113转动。
在图48-61的实施例中，固定于导引外套113的止动器773会导致一个转向方向丧失。为了避免这种问题，止动器773连接于一环圈801，此环圈当操作工想要将止动器773重新设置于一不同的转动位置时可以被转动，这一点将结合图65-70予以说明。在图65-70中，同样的参照编号标示与图48-64中所标示的同样的零部件。参照图65-70，一球形离合器811设置在环圈801前面。各圆球813，由离合器811的各弹簧815施以弹力，设置得以致它们接合环圈801。环圈801的前部做出许多凹坑817以接纳离合器811的各圆球813。在环圈801上设置一止动器773A(类似于止动器773)，其位置定得可以终止凸轮随动件731的前进，以致小齿轮125A当凸轮随动件止动器771如图68和70之中所示接触于止动器773A时仍然被锁定在球形离合器61A之内。为了转动环圈801，操作工把轴身101拉回到偏移模式。操作工转动轴身101，后者转动小齿轮125A并因而离合器61A，离合器再转动凸轮装置750，后者本身又转动凸轮随动件731，以致凸轮随动件731上的止动器771可转动地对中于止动器773A，一如图70之中所示。操作者然后向前推动轴身101，后者推动小齿轮125A，小齿轮再向前推动凸轮随动件731，后者本身又向前推动凸轮随动件止动器771直至接触于环圈止动器773A为止，一如图70之中所示。在此处，凸轮随动件止动器771和环圈止动器773A成为连在一起而转动的。凸轮随动件止动器731与环圈止动器773A之间的接触也制止凸轮随动件731、小齿轮125A、轴身101与凸轮装置750、导引外套113、球形离合器61A以及止动环圈801之间的纵向移动。操作工这时可转动钻柱，后者转动轴身101，轴身又转动小齿轮125A，后者转动离合器61A，离合器再转动凸轮装置750。凸轮装置转动凸轮随动件731，后者转动止动器771，此止动器再转动环圈止动器773A。止动器773A把止动环圈801转动到一不同的转动位置。当达到所需的转动位置时，操作工停止转动并拉回钻柱，后者则拉回小齿轮125A和凸轮随动件731。这样就使凸轮随动件止动器771与环圈止动器773A解除啮合。在小齿轮125A仍然处在凸轮装置球形离合器61A之内的情况下，操作工可以把钻柱转动到他想要的任一转动位置，而后向前推动轴身101，后者则向前推动小齿轮125A和凸轮从动件731。凸轮随动件731将或是相对于轴身101使导引外套113偏转或是使其轴线重合于轴身101的轴线而用于转向目的或直钻(当止动器771接合止动器773A时)，这取决于凸轮随动件构件743与止动器773A和771之间的转动关系。
参照图71和72，在此阐明一凸轮环圈841，可以代替图1-34实施例的凸轮环圈141。凸轮环圈841具有一中心圆锥，与外部周边偏心。此环圈在不同的时钟位置上提供不同的转向半径并可以用在图1-34和40-45的各实施例中。圆锥841具有一止动器845，执行与图40-45实施例的各止动器65同样的功能以获得各种直钻作业，或者一种半径可以接近于零以便直钻。
当本发明这一类型的钻孔龙头(drill head)用在一铅直孔眼之中时，壁部的摩擦可能在轴身将凸轮随动件推入外套时不足以固定外套。为避免这种问题，可以利用来自孔前部的推力或力量推动导引外套。采用一种套筒式主轴身，因而不必须依赖孔眼侧面的摩擦。另一优点是，前部切削器105可以安放得更加靠近前部外套的前部，因为前部外套不相对于切割器105沿纵向移动。导引外套113由位于侧面切割器171和173所切割出来的侧面孔眼175和177之中的滚转稳定器181和183来防止转动。各弹簧翼板551也可以用以防止导引外套113转动。
参照图73-79，说明一种套筒式轴身101A、101B，画得设置在图48-61实施例之中，虽然应当理解，它可以用于本发明的所有实施例之中。在图73-79中，同样的参照编号标示与图48-61中所标示的同样的零部件。一轴身101B伸进前部外套631的前部。一间隔器861滑套在轴身101B上并由一螺帽(未画出)或钻头105本身予以挡持。轴身101B终结在前部外套631之内一小段距离处。一联接套筒862焊接于轴身101B。轴身101B和套筒862相对于钻孔龙头可以自由转动。轴身101A具有外部花键867，匹配于内部花键865。轴身101A带有外部花键的一段插进套筒862，以致轴身101A和101B可以相对彼此伸缩。花键865和867可防止两个轴身101A和101B相对彼此转动。两个轴身101A和101B具有制成在其中的中心孔101AC和101BC。一水管869连接在孔101AC之中并滑动地伸进轴身101B的孔101BC，以致水管869可以在轴身101B的孔101BC之中滑动。一O形圈设置在孔101BC中位于水管869的外侧以防止水进入钻孔龙头。轴身101A继续向后以用作凸轮随动件731和小齿轮125A的支座并由钻孔龙头的后部冒出，在此它连接于钻杆柱。
当钻杆柱被推动向前时，轴身101A向前推进，这就把连接于轴身101A的一切推动向前。当钻头105触及孔眼前壁时，它被阻而不得向前移动。这就阻止了轴身101B和导引外套113向前移动，允许凸轮随动件731与凸轮装置756相互作用以影响导引外套113时摆转方向。轴身101B的带花键段865在轴身101A的带花键段867上滑动。各轴身上的花键彼此作用并保持两个轴身101B和101A彼此紧连。通过拉回钻柱并因而轴身101A，轴身101A可以相对于轴身101B向后移动。
参照图80-84，阐明用以当钻孔龙头向前钻凿时阻止凸轮装置750转动的摩擦材料的使用。穿过凸轮装置750沿径向制成一小孔901。一种高摩擦材料903挨着外套113内侧设置在小孔之内。一活塞905挨着槽孔750B设置在小孔901之内。当凸轮随动件731位于相对于凸轮装置750的一向前钻凿位置上时，一如图80和81之中所示，凸轮构件743接合活塞905并向活塞905施加一向外的径向力，推动摩擦材料903向外以触及外套113的内侧。这一力量有助于防止凸轮装置750转动。当凸轮随动件731和构件743相对于凸轮装置750处在一后部位置，一如图82-84之中所示，活塞905脱除了来自凸轮构件743的压力，降低了作用在高摩擦材料903上的压力而允许凸轮装置750由轴身101和球形离合器61A使之转动。在一项实施例中，高摩擦材料903可以是氨基甲酸乙酯。虽然图80-84的转动制动器表明在图48-61的实施例之中，但应当理解，它可以用在本发明的钻孔装置的所有实施例中。
在采用图65-70的转动止动环圈实施例时，希望也转动转动探测器371的壳体并因而转动探测器371。参照图85-91，为了做到这一点，一管筒921安放在止动环圈801的前面。管筒921由两个销柱923可转动地结合于止动环圈801。在管筒921的前部上有两个槽道925，做得可以接纳连接于一第二管筒931的两个销柱927。管筒931的前部连接于探测器壳体933并跨放在连接两外套的球形接头的球体645之上。各销柱927设置在各槽道925之内以保证各外套相对彼此摆转但保持探测器壳体933和止动环圈801可转动地彼此结合。
这一U形接头也可以用在图62-64的转动凸轮环圈实施例上面。在采用转动凸轮环圈实施例时，希望也可转动外套转动探测器371。为了这样作，管筒921安放在凸轮环圈141的前面。管筒921由两个销柱923可转动地接合于凸轮环圈141。在管筒921的前部上有两个槽道925，做得用以接纳连接于第二管筒931的两个销柱927。管筒931的前部连接于探测器壳体933并跨放在连接两外套的球形接头的球体645之上。各销柱927设置在各槽道925之内以保证各外套相对彼此摆转但保持探测器壳体933和凸轮环圈141可转动地彼此结合。
图92-97表明DCH连同一对中地安装在前部外套631和导引外套113前面的提拉装置(pulling head)941。提拉装置的后部装接于球形接头657，而提拉装置941的前部则安装在由轴身101支承而允许轴身101相对于提拉装置941沿纵向滑动的轴承上。提拉装置941的功能是，首先，于土中切割出一些侧孔或槽道943，用于联接于钻孔龙头的后部的各导引器945，它们随后通过各侧孔而阻止钻孔装置转动，并且其次，通过把某些转动扭矩转变为轴向力而协助把DCH拉进孔眼。
参照图98-103，两个轴件951B和951A设置在轴身101的对置两侧上，它们各自的轴线垂直于轴身101。两个轴件951B和951A的各端穿出曳引装置壳体941而进入通过曳引装置壳体941的壁部结构所形成的四个凹槽953。在轴件951B和951A的端部上有各切割器955。联接于轴件951A和951B的是齿轮957A和957B。轴身101上一蜗轮959接触于齿轮957A和957B。蜗轮比通常所需的要长以转动齿轮957A和957B。蜗轮959与两个侧面齿轮957A和957B协同以便当中心轴身101被转动时转动各侧面切割器955。各切割器955安置在既在水平方向上也在铅直方向上离开轴身101中心某一距离处，以便只允许上部各切割器的离开轴身101中心最远的部分接触孔壁。蜗轮轮齿切割成使得轴身101在从DCH后部观看时顺时针转动时，轴件951A在从DCH的左侧观看时顺时针转动。因而，上部各切割器的上部被推向外套的后部。同样当轴身101顺时针转动时，下侧轴件951B在从DCH左侧观看时反时针转动。因而下部各切割器的下部将推向外套的后部。通过这样做，各侧面切削器955的钻削各小孔的部分相对于DCH的向前行进推离轴身中心并推动向后。采用一上部轴件951A和一下部轴件951B，使得来自各切割器的向外推力将彼此抵销而将获得一个净向前推力。
蜗轮959的长度用在轴身101相对于各外套沿径向移动的时候。这使得各侧面切割器955无论轴身101相对于外套的纵向位置如何都被转动，从而可使DCH钻削其进入孔眼的通路。通过使齿轮957A、957B和蜗轮959以特定方式切割，它们在轴身101被转动时可以用作蜗轮装置，或者在轴身101沿纵向移动时用作齿条和小齿轮装置。
通过使各侧面切割器955安装在壳体941上，一如图示与说明那样，它们在外套上提供了相对于轴身101的一种向后的推力，从而允许各凸轮和凸轮随动件完全接合。向后的推力在各切削器开始咬进孔壁以开始钻削各侧面小孔时来自各切削器，从而各齿轮不彼此脱离啮合，而钻凿可以在任一纵向位置开始。图92-97的实施例可以用在图1-103钻孔装置的所有实施例之中。
现在参照图104-108，将阐明一在直钻时用于转动导引外套的实施例。在此实施例中，侧向切割器171、173和导槽181、183以及侧向切割器955和导槽945不予采用，而导引外套113由它与孔壁之间的摩擦来保持在转动方面是稳定的。凸轮装置750是一单独的环状构件，具有两条隔开180度的槽道用于容放凸轮随动件731的两个凸轮构件。一止动器771D连接于凸轮随动件，用于啮合于一连接于导引外套113的前部导引外套止动器773D。这一导引外套止动器773D安放在一纵向位置上，以致在它由凸轮随动件止动器771D接触时，它制止轴身101与导引外套113之间的纵向移动，这又制止凸轮随动件731与凸轮装置750之间的纵向移动。在此纵向位置上，导引外套113接近平行于轴身101而装在轴身101上的小齿轮125A仍然啮合于装设于凸轮装置750的各离合器圆球267。当轴身101被转动时，它转动各离合器圆球267，后者转动凸轮装置750，此装置本身又转动凸轮随动件731。凸轮随动件731转动凸轮随动件止动器771D，后者转动导引外套止动器773D，此止动器本身又转动导引外套113，后者再转动探测器371A。探测器371A可追踪止动器773D。凸轮随动件止动器771D的形状作成可以被导引外套止动器773D接纳，以致当它们啮合时，它们成为在转动上结合在一起的。通过在一所需的转动位置上停止轴身101和因而导引外套113的转动，导引外套止动器773D可以设置得避开所需的转向方向。因而，由于止动器773D是不转动的，DCH可以移行的方向并无任何丧失。通过在直钻位置上转动导引外套，直钻位置探测器371A可以牢固地装在外套之内并在导引外套与止动环圈之间也不需要图65-70的离合器。一第二探测器361A在转动上结合于凸轮随动件731以追踪其转动位置。
在另一实施例中，希望有时仅只当操作工想要将止动器或在此情况下各止动器重新设置在一不同转动位置上时，如图109-112所示，才转动导引外套113-这是图104-108实施例的一项改型，以减少各探测器和钻孔龙头上的磨损和撕扯。为此，一第二止动器961，称作直钻止动器，固定于DCH的导引外套113，一如上述，以致当此直钻止动器961由凸轮随动件止动器771D啮合时，球形离合器61A与小齿轮125A解除啮合，允许轴身101独立于导引外套113而转动。纵向位移也停止在导引外套113仍然相当平行于轴身101的一位置处，为直钻创造了条件。在此实施例中，第二止动器961用于直钻，而导引外套止动器793D周以将自身和第二止动器961转动到一个新的转动位置上，允许在导引外套止动器793D和第二止动器961的先前转动位置上从事转向。
在另一实施例中，一如图113-115之中所示，导引外套113由它与孔壁之间的摩擦保持在转动上是稳定的，一如结合图104-108所示。偏转装置与用在图1-34之中的是一样的，其中凸轮环圈141固定于导引外套113。一导引外套止动器793D联接于导引外套113。此导引外套止动器793D安放在一纵向位置上，以致当它由凸轮随动件构件743D接触时，它可制止轴身101与导引外套113之间的纵向移动，这就可制止凸轮随动件构件743D与凸轮环圈141之间的纵向移动。在此纵向位置上，导引外套113接近平行于轴身101，而装在轴身101上的小齿轮125A仍然啮合于装设于凸轮随动件构件743D的各离合器圆球61A。当轴身101被转动时，它转动离合器61A的各圆球，后者转动凸轮随动件壳体151，此壳体本身又转动凸轮随动件构件743D。构件743D转动导引外套止动器793D，后者转动导引外套113，它又转动探测器371A。凸轮随动件构件743D的形状做成可接纳导引外套止动器793D，以致当它们啮合时，它们成为在转动上结合在一起的。通过在一所需的转动位置上停止轴身101和因而导引外套113的转动，导引外套止动器793D可以设置得避开所需的转向方向。因而，由于止动器793D是不转动的，DCH可以移行的方向没有丧失，以及另外如果凸轮环圈141的各凸轮具有不同的斜度，那么在所有方向上可以进行不同斜度的转向。通过在直钻位置上转动导引外套，直钻位置探测器371A可以牢固地装在外套之内并在导引外套113与凸轮环圈141之间也不需要离合器。探测器371A追踪止动器793D的位置。一第二探测器361A在转动上结合于凸轮随动件构件743D以追踪其转动位置。
在另一实施例中，希望有时只是当操作工想要将止动器或在此情况下各止动器重新定位在一不同转动位置或想要在一所需方向上实现一所需转向半径时才转动导引外套113。这样可减少各探测器和钻孔龙头上的磨损和撕扯。参照图116-119以及117，为此，一第二止动器791D，称作直钻止动器，固定于DCH的导引外套113，一如上述，以致当此直钻止动器791D由凸轮随动件构件743D啮合时，球形离合器63A与小齿轮125A解除啮合，允许轴身101独立于导引外套113而转动。纵向移动也停止在导引外套113仍然相当平行于轴身101的一位置处，为直钻创造了条件。在此实施例中，直钻止动器791D用于直钻，而导引外套止动器793D用以将自身和直钻止动器791D转动到一个新的转动位置，允许在导引外套止动器793D和直钻止动器791D的先前转动位置上从事转向并也为在任何方向上变更转向大小创造了条件。
在本发明钻孔装置的不同实施例中，当轴身正相对于导引外套被推移向前而外套的轴线正相对于轴身的轴线被偏移时，钻孔装置正在向前钻凿。通过沿纵向接合各凸轮和凸轮或各凸轮随动件，在坚实岩石中可以实现转向。在转向之始，导引外套和各凸轮相对地对中于轴身，而凸轮随动件刚要开始进入凸轮。当凸轮随动件前行而足以进入凸轮以便导引外套在一侧上触及孔壁和在相反一侧上触及切割器，各侧向力则继续作用在钻头和导引外套上以促使钻头侧向钻进孔壁以及向前形成一转向孔眼。通过继续这一进程，凸轮随动件将最终达到相对于凸轮的充分纵向移动并在同时导引外套将达到它相对于轴身的全部偏转。这样，凸轮随动件相对于凸轮的纵向移动把部分纵向力转换为侧向力。在纵向移动期间的所有时刻，侧向移动与纵向移动之间的关系与装置的比例关系有关。借助这种自我调节方法，在岩层中可以形成各种转向并可以完成侧向偏移而不必在孔眼中楔住钻孔龙头。