多螺旋钻煤炭开采系统的螺旋钻旋翼支撑.pdf

一种螺旋钻旋翼支撑，其与用于采矿的螺旋钻采系统一起使用，该钻采系统使用相应的螺旋钻在煤层中钻出一对并排的洞。每个螺旋钻都包括钻孔部分，该钻孔部分之后有一系列将采下的煤向后从相应洞中运出的螺旋钻旋翼。该螺旋钻旋翼支撑包括一对推力轴承和外壳组件，其连接在一起并且各自被相应的腿支撑，该螺旋钻旋翼支撑降低了螺旋钻旋翼和洞底部之间的摩擦力。从而显著地减少了旋转螺旋钻所需的动力。

1.  一种螺旋钻旋翼支撑，其通过将平行螺旋钻旋翼的相应第一端连接在一起而支撑多个螺旋钻旋翼，每个螺旋钻旋翼都具有从外部围绕其固定并具有相应外径的螺旋状翼边以及具有驱动孔的相应第二端，所述螺旋钻旋翼适用于转动和推进钻孔部分的多个并排切割头的一类螺旋钻采设备，随着螺旋钻采设备旋转地驱动切割头穿过驱动孔，该钻孔部分被水平驱动进入山的侧面，当进行钻孔时，该一体化的螺旋钻旋翼以端对端旋转结合在一起的方式插入所述钻孔部分和所述螺旋钻采设备之间，所述螺旋钻旋翼支撑包括：
一对支撑柱，每个都具有轴承外壳和径向垂伸的支撑腿；
一对驱动轴，每个都具有第一端、第二端部分和中部轴承部分，该第一端部分适于紧密地配合装入并固定到相应旋翼螺旋钻的第一端部分上，该第二端部分具有与所述驱动孔配合的结构，该中部轴承部分配合装入所述轴承外壳中；
至少一个轴承，其设置在每个所述轴承外壳中，并位于所述相应轴承外壳和相应的所述驱动轴的所述轴承部分之间，所述至少一个轴承旋转支撑相应的驱动轴并将驱动轴纵向保持到相应的支撑柱上；以及
连接杆，适于以这样的间距将该支撑柱刚性相互连接在一起，该间距使所述翼边的相应所述外钻孔直径彼此紧密靠近，所述支撑腿通常向下延伸，以便为螺旋钻旋翼提供支撑。

2.  根据权利要求1所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，有一对推力轴承，其在相反的纵向上吸收轴向推力。

3.  根据权利要求2所述的螺旋钻旋翼支撑，还包括一对密封件，其同轴地靠近所述推力轴承的相对侧，以防止污物进入所述推力轴承。

4.  根据权利要求3所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，所述支撑腿具有这样的长度：其最末端部分径向延伸，超出所述各自翼边的外径。

5.  根据权利要求3所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，所述支撑腿的最末端部分包括相应的板，其通常水平设置，并且其在螺旋钻旋翼纵向的相应端向上弯曲。

6.  根据权利要求3所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，所述支撑腿在装配到所述螺旋钻旋翼的位置基本平行。

7.  根据权利要求3所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，所述连接杆包括具有扁平横截面的细长杆，其通过其设置在基本水平位置上的、相应的侧向长边把所述支撑柱刚性连接在一起。

8.  根据权利要求3所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，相应支撑腿的最末端部分包括支撑底板。

9.  根据权利要求3所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，所述连接杆与相应的轴承外壳连接。

10.  根据权利要求3所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，所述支撑腿可拆卸地连接到所述轴承外壳上。

11.  根据权利要求3所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，所述连接杆可拆卸地连接到相应的支撑柱上。

12.  根据权利要求3所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，相应驱动轴的第二端部分的横截面为方形，以便与方形横截面的驱动孔配合。

13.  根据权利要求3所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，所述密封件中的每一个都包括相应的内部和外部环形密封元件，并且还包括相应的成对的环形前凸缘和后凸缘元件，所述凸缘元件中的一个设置在推力轴承的轴向相对的两侧上，以便与所述驱动轴一同旋转，所述内环形密封元件固定在所述轴承外壳上，并且所述外环形密封元件固定在相应的环形凸缘元件上，以便与所述驱动轴一同旋转。

14.  根据权利要求3所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，所述后凸缘元件螺栓连接到所述驱动轴上。

15.  根据权利要求3所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，所述前凸缘元件用螺栓连接到所述驱动轴的中间轴承部分的轴套上。

16.  根据权利要求3所述的螺旋钻旋翼支撑，还包括保持螺旋钻旋翼与驱动轴轴向接合的结合装置。

17.  根据权利要求16所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，所述结合装置包括孔，该孔至少部分穿入所述驱动轴的第二端部分。

18.  根据权利要求1所述的螺旋钻旋翼支撑，还包括一对密封，其同轴地靠近所述推力轴承的相对两侧，以防止污物进入所述推力轴承。

19.  根据权利要求18所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，所述支撑腿具有这样的长度：其最末端部分径向延伸，超过所述相应翼边的外径。

20.  根据权利要求19所述的螺旋钻旋翼支撑，其中，所述支撑腿在装配到所述螺旋钻旋翼上的位置基本平行。

多螺旋钻煤炭开采系统的螺旋钻旋翼支撑
技术领域
本发明大体涉及一种螺旋钻采系统，其使用螺旋钻在山中的煤层中钻出水平延伸的洞，从而将煤从煤层中开采出来，螺旋钻包括旋转的切割头(cutting head)和一条用来搬运从煤层中切下的煤的螺旋钻旋翼，更具体地，本发明涉及一种螺旋钻旋翼支撑，其减小钻孔摩擦，以便延长螺旋钻系统能够钻入山中的距离。
背景技术
多年来，使用由内燃机供以动力的螺旋钻采机在包含煤层的矿山中进行煤炭开采。这些螺旋钻采机使用具有切割头的螺旋钻，其水平前进到煤层中。该螺旋钻通常由一系列的部分或螺旋钻旋翼组成，它们具有螺旋形缠绕的翼边(flighting)，其可拆卸地端部结合在一起，用来把切下的煤从切割头搬运到山外的卸煤点。螺旋钻旋翼的一端具有孔，另一端具有配合杆(mating shank)，从而把这些螺旋钻旋翼周向和轴向结合在一起。螺旋钻旋翼的杆配合装入另一个螺旋钻旋翼的孔内。滑动的锁闩销横向穿过螺旋钻旋翼的孔，进入和该螺旋钻旋翼结合的螺旋钻旋翼杆的孔内。释放杠杆允许拆开螺旋钻旋翼，例如，当钻孔结束后把切割头从钻出的孔中收回时。当一条螺旋钻旋翼被收回时，通过拆开并且从螺旋钻采机取下最靠后的螺旋钻旋翼，可以把螺旋钻旋翼依次从该螺旋钻串取下。近来使用成对并排的切割头和螺旋钻在煤层中钻出一对平行的孔，可以同时开采更多的煤。每个螺旋钻由螺旋钻采机供以动力，其把轴向和旋转力施加到螺旋钻上，从而驱动螺旋钻和切割头进入煤层，并且旋转切割头以分离材料，然后由螺旋钻将其搬出洞外。
在螺旋钻旋翼的翼边和钻出的洞之间产生相当大的摩擦力，这样要求螺旋钻采机提供相当大地动力，从而减小了可用以旋转切割头和搬运切下的煤的能量。为了降低螺旋钻采系统的摩擦能量损失，进行了很多的尝试。例如，授予H.D.Letts的U.S.专利N03,036,821公开了一种多脚架(spider)设备，其中，轴承安置在每个线性延伸的螺旋钻之间，并且有多个腿连在轴承上，形成一个“多脚架”。该多脚架在某种程度上在钻出的洞的底部支持着翼边，这样，该翼边在旋转时不会猛烈摩擦地面，这样降低了螺旋钻采机的动力要求。授予Deeter的U.S.专利No5,685,382公开了一种类似的螺旋钻支撑，其具有多个固定于环绕着轴承的轴承外壳上的径向伸出的支撑腿。螺旋钻旋翼的驱动杆在螺旋钻旋翼的一端被轴承可旋转地支撑着，独立于螺旋钻旋翼边提供的支撑，从而减少该翼边的磨损和撕扯，并且减少了该螺旋钻旋翼的摩擦阻力。最后，授予C.E.Compton的最初为U.S.专利No2,751,203的U.S.专利NoRe24,503公开了一种用于螺旋钻开采系统的多脚架型支撑系统。但是所有的这些设备都没有解决与此关联的大量问题。
因而，存在一种持续的需求，需要一种能够克服与现有技术关联的大量问题的支撑设备。
发明内容
本发明的一个优点是其减少了在翼边和钻出洞的底部之间的摩擦损失，因此，钻出一个给定长度的洞需要更少的能量。
本发明的另一个优点是由于减少了摩擦力，其允许用相同的螺旋钻采机钻出更长的洞。
本发明的另一个优点是可将其用于双螺旋钻孔。
本发明的这些和其他优点可以通过参考说明书、权利要求书和摘要的其他部分来实现。
本发明涉及一种螺旋钻旋翼支撑，其通过把各成对的平行管状螺旋钻旋翼的相应第一端连接在一起，使成对的螺旋钻旋翼成为一体并且提供支撑。每个螺旋钻旋翼包括：围绕该螺旋钻旋翼从外部固定到其上的相应螺旋状翼边，该翼边具有相应的外直径；和具有驱动孔的相应第二端。一体化的螺旋钻旋翼适用于如此类型的螺旋钻采设备，该类型的螺旋钻采设备用来旋转和推进钻孔部分的一对并排切割头。通过螺旋钻采设备旋转地驱动切割头穿过驱动孔，该钻孔部分被水平驱动进入山的侧面。当进行钻孔时，一体化的螺旋钻旋翼以端对端转动结合的方式插入螺旋钻采设备与钻孔部分之间。该螺旋钻旋翼支撑包括一对支撑柱，每个支撑柱都具有管状轴承外壳和径向垂伸的支撑腿。一对驱动轴中的每一个都包括：第一端，其适于紧密地配合装入并固定到相应旋翼螺旋钻的第一端部分；第二端部分，其具有与驱动孔配合的结构；以及，中部轴承部分，其配合装入所述轴承外壳。在每个轴承外壳中设置至少一个轴承，并使其位于相应的轴承外壳和相应驱动轴的轴承部分之间，所述轴承旋转支撑相应的驱动轴并将驱动轴纵向保持到相应的支撑柱上。连接杆适于以如此的间距将该支撑柱刚性相互连接在一起：该间距使翼边的相应外钻孔直径彼此紧密靠近。支撑腿通常向下延伸并且共面，以便为螺旋钻旋翼提供支撑。
以上很广义的描述提出了本发明更重要的特征，这样，随后对优选实施例的详细描述将得到更好的理解，并且本发明对现有技术的贡献可以得到更好的认识。当然，以下还将描述本发明的其他特征，其形成权利要求的主题。出于这种考虑，在详细解释本发明的至少一个优选实施例之前，应该理解的是，本发明在实际应用中并没有被局限于随后的描述所提出或附图所示出的结构细节和零件布置。本发明可以有其它的实施例，并以不同的方式得到实践和实现。同样可以理解的是，这里使用的措辞和术语用于描述目的，而不应将其认为是限制。
附图说明
附图示出本发明的优选实施例，其中：
图1是一座山的垂直截面视图，示出的是放置在山腰外部、山的一侧的附近的螺旋钻采机，该螺旋钻采机在水平钻入煤层过程中使用的是根据本发明的螺旋钻旋翼和支撑组件的示例性实施例；
图2示出的是螺旋钻旋翼和支撑组件的分解侧视图；
图2A示出的是对应于图2的分解侧视图，但是螺旋钻旋翼和支撑组件组装在一起；
图3是沿图2A中的线3-3的横向垂直剖视图，示出了一对螺旋钻旋翼，由杆把它们并排连接在一起；
图4是分解俯视图，示出的是用连接杆连接在一起的该螺旋钻旋翼的末端；
图5是分解侧视图，示出的是由支撑组件连接在一起并且支撑着的一对螺旋钻旋翼；
图6是分解的纵向垂直剖视图，示出的是放大的螺旋钻旋翼和支撑组件；
图6A是对应于图6的分解的纵向垂直面剖视图，以更大的放大比例示出该轴承组件的细节；以及
图7是对应于图1的分解的垂直横截面剖视图，但是增加额外的螺旋钻旋翼来增加钻孔的深度。
具体实施方式
参照图1，示出本发明示例性的多个螺旋钻旋翼支撑20，其用于传统的双螺旋钻钻孔系统23，其中，双螺旋钻钻孔系统23包括螺旋钻采机26，该螺旋钻采机26驱动多个成为一体的旋翼部分29和一体的钻孔部分32。该钻孔系统23用来钻入储藏有通常为水平分布的煤层38的山35，并且移出切下来的煤块41。
该螺旋钻采机26为传统设计，用来通过旋翼部分29为钻头部分32提供旋转力。一种这样的机器是由Salem Tool Company of London，Kentucky制造的MC-DK煤炭开采螺旋钻。螺旋开采机器26包括由多个向下垂伸的腿45支撑的主机44。带轮的车架47通过主机44上的一对平行轨(没有示出)在主机上纵向移动，该车架被液压驱动，以推动旋翼部分29和钻孔部分32出入山35。安装在车架47上安装有内燃机(没有示出)，该通过一对动力链(没有示出)驱动旋翼部分29和钻孔部分32，其中每个动力链都包括离合器、弹性联轴节和可移动的变速箱。通过一对动力输出装置50和51输出动力。类似地，也可以设置三头的螺旋钻采机，其在上述的一对螺旋钻上还有一个旋转的螺旋钻。
每个一体化的旋翼部分29都包括一对螺旋钻旋翼53，每个螺旋钻旋翼都具有细长的管状主体56，该主体上固定着相应的外螺旋状翼边59。在管状主体56的前部62中，固定着具有驱动孔的插座(没有示出)，该驱动孔具有方形横截面结构，该结构适于滑动而不转动地与轴向相邻的螺旋钻旋翼53上的配合驱动杆(没有示出)配合安装在一起，如本领域所共知的。因而，通过把螺旋钻旋翼53的配合杆插入轴向对齐的螺旋钻旋翼53的配合孔中，相邻的成对的轴向对齐的螺旋钻旋翼53可以旋转地相互连接在一起并且端对端地轴向结合在一起，从而保证旋转力矩和轴向钻孔力从一个传递到另一个上。利用螺旋钻旋翼支撑20以间距关系将管状主体56的相应后部65保持在一起，随后将解释螺旋钻旋翼支撑20。
该钻孔部分29包括一对螺旋钻旋翼53，其被轴颈支撑在细长的T形中央框架68的前轴承支撑支架71上。一对钻孔(boring)或钻(drilling)头72均包括方杆(没有示出)，其配合通过支撑支架71上的一对推力轴承73。该方杆配合装入管状主体56的驱动孔中，以便能够被旋转固定在该钻孔部分29的相应螺旋钻旋翼53上，从而钻入煤层38中。因此，通过把螺旋钻旋翼53的配合杆插入轴向相邻的螺旋钻旋翼53的配合孔中，该一体的旋翼部分29的相邻的轴向对齐的螺旋钻旋翼53可以旋转地相互连接并且端对端地轴向结合在一起，以确保旋转力矩和轴向钻孔力从一个传递到另一个上。利用螺旋钻旋翼支撑20，以间隔关系将管状主体56的相应后部65保持在一起，该利用螺旋钻旋翼支撑靠近中心框架68的犁板(plough plate)74(图1)。
参照图2和图3，螺旋钻旋翼支撑20包括一对驱动轴75，所述一对驱动轴中的每一个都被包括轴承组件80的支撑柱77所支撑，所述支撑柱被连接杆(图3)连接在一起。该驱动轴75包括第一端部分86，其适于紧密配合装入并且固定在相应管状主体56的后部65。该驱动轴75的第二端部分89包括方形驱动杆92，其具有与该驱动孔相配的结构。中部轴承部分95位于相应的第一端部分86和第二端部分89之间。该第一端部分86在环形焊缝98处固定到相应螺旋钻旋翼53的管状主体56的后部65上。该第一端部分86包括环形凹槽101，以减轻驱动轴75的重量。参照图6-6A，锁定销孔104延伸穿透该驱动杆92，用以使相应的螺旋钻旋翼53结合在一起，随后将对其进行解释。该中部轴承部分95包括外径减小的环形轴承支撑表面107，其在轴肩110处与该驱动轴75的第一端部分86相抵靠。该轴承支撑表面107在直径更小的轴肩113处还与驱动轴75的第二端部分89相抵靠。可以通过使用可拆卸的螺纹塞119关闭螺纹润滑油孔116，该螺纹塞119拧入该中部轴承部分95。
该支撑柱77均包括管状轴承外壳122和向下垂伸的支撑腿125。该轴承外壳122包括管128，该管具有一对内肩131和134以及一对外肩137和140的。向下垂伸的腿的安装块143和一对横向向内垂伸的突起146从管128突出。支撑腿125包括一对从向上弯曲的底板152垂直伸出的竖直侧板149。该侧板149利用前板155相互连接在一起。各支撑腿125使用各自的螺栓158和防松螺母161紧固到各自的腿安装块143上。
每个轴承组件80都包括一对环形滚子推力轴承164，一对密封件167，一对薄的间隔套170，环形前凸缘环173和环形后凸缘环176。该凸缘环173围绕驱动轴75的轴承支撑表面107紧密配合，并且包括安置在O形槽182内的O形圈179，O形圈179相对轴肩110形成密封。各推力轴承164围绕驱动轴75的轴承支撑表面107紧密配合，并靠着管128的相应内轴肩131和134设置。该间隔套170围绕驱动轴75的轴承支撑表面107紧密配合，抵靠着相应的推力轴承164，从而维持用于密封件167的适当距离。该密封167包括各自的配合半部分185和188，它们分别压力配合装入前凸缘环173和后凸缘环176，并且靠着管128的外肩137和140。该配合半部分185和188彼此抵靠，防止外面的灰尘和液体进入各自的推力轴承164。该凸缘环176在驱动轴75的轴肩113处围绕第二端部分89紧密配合，并且包括设置在O形槽195内的O形圈192，该O形圈相对轴肩113形成密封。
通过多个螺栓196把相应的驱动轴75、支撑柱77和轴承组件80安装在一起，该螺栓延伸穿过凸缘环176并且纵向拧入驱动轴75的轴肩113。或者，可以在轴肩113处为驱动轴75设置外螺纹，并且为后凸缘环176设置内部螺纹，这样可以通过螺纹配合将相应的驱动轴75、支撑柱77和轴承组件80安装在一起。通过连接杆83将支撑柱连接在一起，该连接杆螺栓连接到轴承外壳122的相应一对的横向垂伸突起146。使用本领域已知的锁定销组件198把相应的螺旋钻旋翼轴向结合在一起，该锁定销组件198包括向内偏压的、弹簧加载的销201和释放杠杆204，该销201穿过驱动轴92与锁定销孔104配合，该释放杠杆204枢轴连接到螺旋钻旋翼53的前部62。压下该释放杠杆204可以克服弹簧偏压径向向外拉起销201，从而允许可以使轴向相邻的螺旋钻旋翼53结合在一起或拆开。可以将设置在螺旋钻旋翼53之间的纵向框架元件(没有示出)螺栓连接在轴向相邻的连接杆33之间，以提供附加的支持。
操作中，可以看出，当支撑柱77沿轴向对齐结合在一起的螺旋钻旋翼定位时，该支撑柱将支持该螺旋钻旋翼的重量和沿着旋翼向钻孔机器方向向后传输的材料的重量。另外，通过轴承组件80，支撑柱77可以使螺旋钻旋翼平稳旋转，明显地减少阻力和磨损，允许更多的动力传递到钻孔头72。在这种方式下，能够更快和以更少的能量从山35中的煤层38开采煤炭。另外，和使用本发明之前相比，可以沿着煤层38在山35中钻出明显更长的、允许开采更多煤的孔。
另外，在不背离本发明精神的前提下，本发明的设备可用于驱动三个一体化旋翼部分的螺旋钻钻孔系统23。
现在可以看出，本发明解决了许多与现有技术关联的问题。本发明减少了旋翼和钻出的洞的底部之间的摩擦损失，钻出给定长度的洞需要更少的能量。由于减少了摩擦，本发明还允许使用相同的螺旋钻采机钻出更长的洞。本发明能用在双螺旋钻钻孔中。
虽然以上描述包括很多的说明，但这些不应该解释为对本发明范围的限制，而只是提供了本发明的目前的一些优选实施例的说明。这些说明，例如，提到了双螺旋钻钻孔。但是，本发明并不仅限于在双螺旋钻上使用。进一步地，通过增加更多成对的凸起和额外的连接杆，或者甚至通过增加竖直设置的螺旋钻，本发明可以很容易地适用于三个或者更多并排的螺旋钻。从而，本发明的范围将有所附权利要求及其法律意义上的等价物来确定，而不是由给出的示例确定。
在上面的描述中，简短、清楚和易懂起见使用了特定术语。从其中没有暗示多余的限制超出现有技术的要求。由于这样的术语用于描述目的并且应该从广义方面理解，因此，不应超越现有技术的要求从所述术语中体会出非必要的限制。
而且，本发明的描述和展示是示例，并且本发明不限于所示出或描述的准确的细节。