阶梯式管状钻杆和钻机 【技术领域】
本发明涉及一种阶梯式管状钻杆(step tube rod)和采用这种阶梯式管状钻杆作为钻杆的钻机。背景技术
诸如液压履带钻机和扇形掘进钻机(fan cut drill)等钻机都带有安装在导向套管上的钻岩机(rock drill)。钻杆插入并安装在钻岩机上，并且将钻头安装在钻杆的顶端。因此，喷射和旋转运动从钻岩机通过钻杆而传递到钻头上，并且钻岩机进给，从而对岩层钻孔。
例如，在钻机是如图8所示的液压履带钻机11的情况下，在车13上提供有一个起重臂14，所述车13上带有一个履带架12以能够转动和倾斜。在起重臂14的末端支撑有一个导向套管16，该导向套管16安装有一个钻岩机15以能够倾斜和摆动。钻岩机15以插入形式安装有通过套管2连接的钻杆1，并且在钻杆1的顶端安装有一个钻头3，钻头3的外径大致与孔直径Dh相同。
钻岩机15具有一个喷吹(blowing)机构、一个旋转机构和一个冲洗机构(未表示)。钻岩机15在导向套管16上的、进给马达17施加的进给力作用下沿纵向移动，并通过钻杆1将喷吹力和旋转运动传递给钻头3，从而对岩层R钻孔。另外，冲洗机构向钻杆1的顶端供应压缩空气以去除切屑。在导向套管16的顶端部分提供有一个罩18，以覆盖孔并收集切屑。
在孔深很大的情况下，在钻孔工作时要将多根钻杆1连续地连接起来。通过采用钻杆变换器19，能够以机械方式提供和连接钻杆1，并且在钻孔工作完成之后将钻杆1分离和回收。
在实施连接和回收钻杆1的情况下，必须夹持钻杆1，以当连接或者分离钻杆1时使钻杆1的中心轴线固定，所以要在导向套管16的顶端部分的附近提供夹杆装置4。
用于上述液压履带钻机11的常用钻杆1具有六边形或圆形的外形，并且根据连接螺纹的尺寸(T51螺纹，T45螺纹，T38螺纹等)而具有预定的外径尺寸51mm、45mm、38mm等。这一外径明显小于孔直径Dh。
钻杆1可制成两种类型：如图9(a)所示的在两端都带有外螺纹MS的MM钻杆1A，和如图9(b)所示的在一端带有外螺纹而在具有较大直径的另一端的内部带有内螺纹FS的MF钻杆1B。当采用MM钻杆1A时，它通过套管2连接，而当采用MF钻杆1B时，外螺纹MS和内螺纹FS相互直接接合。
如图10和11所示，夹杆装置4构造成如下形式，即，使得具有特定直径地钻杆1由一对卡钳5夹持，所述卡钳5可转动地支撑在销6上以能够打开和闭合。在卡钳5的内表面上，制有一个大直径部分5L和一个小直径部分5S。当采用MM钻杆1A时，大直径部分5L夹持着套管2的一部分，而当采用MF钻杆1B时，大直径部分5L夹持着具有大直径的内部螺纹部分1BL。
夹杆装置4不仅夹持套管2以防止套管2转动，还通过卡钳5的大直径部分5L和小直径部分5S之间的直径变化部分而很容易地对钻杆1定位。
另外，对于扇形掘进钻机、孔下钻具和类似钻具来说，建议采用图9(c)所示的管状钻杆1C。这种管状钻杆1C的一端带有外螺纹MS，另一端带有内螺纹FS，并且具有比MM钻杆1A和MF钻杆1B更大的外径，并且管状钻杆1C的外径大致等于孔眼直径。因此，当钻探深孔时，减小了孔道弯曲的可能，并且提高了切屑的排除效率。
当使用这种管状钻杆1C时，如图12和13所示的夹杆装置40是用于扇形掘进钻机的，而如图14和15所示的双卡钳式夹杆装置50是用于孔下钻具的。
图12和13所示的夹杆装置40构造成如下形式，即具有特定直径的钻杆1被一对卡钳45夹持，卡钳45可转动地由销6支撑以能够打开和闭合。卡钳45的内径是常数，并且不形成不同的直径。
图14和15所示的夹杆装置50构造成如下形式，即卡钳55在右侧和左侧夹持缸56的作用下打开和闭合，由此，具有特定直径的钻杆1被夹持。卡钳55的内径是常数，并且不形成不同的直径。
如果采用管状钻杆1C作为钻杆1来减少孔道弯曲，则由于采用了图12所示的在夹杆装置40中不具有直径差的卡钳45、55的夹杆装置以及图14所示的夹杆装置，所以钻杆1的定位并不稳定，使得工作时间明显增加，并且用于钻杆连接和回收工作的危险度增加了。
另外，对于液压履带钻机11来说，如果用管状钻杆1C作为钻杆1，则图10所示的夹杆装置装置4不能照原料那样使用，并且不能实现以普通方式安装的钻杆变换器19的功能。发明内容
本发明用于解决钻机的上述问题，由此，本发明的目的是提供一种能够减少孔道弯曲的阶梯式管状钻杆，它仍能象平常那样使用传统的夹杆装置和钻杆变换器，并且能够很容易地实现钻杆定位，使得连接和回收工作能够有效和安全地进行，本发明还提供一种采用这种阶梯式管状钻杆的钻机。
根据本发明所述的阶梯式管状钻杆构造成如下形式，即在钻机的钻杆中，钻杆外径较大以大致与孔眼直径相同，在其一端制有外螺纹，另一端制有内螺纹，并且在内螺纹部分附近至少形成有一个小直径部分。
阶梯式管状钻杆也可以构造成如下形式，即钻杆外径较大以大致与孔眼直径相同，在其两端都制有外螺纹，使得钻杆通过套管连接，并且在外螺纹部分附近至少形成一个小直径部分。
上述阶梯式管状钻杆能够在钻探时减少孔道弯曲，这是因为其外径较大以大致与孔眼直径相同。
另外，对于在一端带有外螺纹、另一端带有内螺纹的阶梯式管状钻杆来说，在靠近内螺纹部分上形成有小直径部分；或对于在两端带有外螺纹并且通过套管连接的阶梯式管状钻杆来说，在靠近外螺纹部分上制有小直径部分。因此，对于这种钻机来说，仅需要对传统的夹杆装置进行少许改动，就可以将阶梯式管状钻杆用作钻杆。
对于将阶梯式管状钻杆用作钻杆的钻机来说，阶梯式管状钻杆可以很容易地定位，这样就可以更加有效和安全地进行连接和回收工作。
在钻孔工作完成之后，用于对相连接的阶梯式管状钻杆的螺纹进行松解而进行假装打击(feigned striking)。但是，当螺纹松解并不彻底时，在阶梯式管状钻杆固定在夹杆装置上的状态下进行假装打击。
因此，对于在一端带有外螺纹、另一端带有内螺纹的阶梯式管状钻杆来说，小直径部分的外径最好是钻杆外径的90％或者更小，并且长度是所述钻杆外径的50％或者更大。
同样，对于在两端带有外螺纹并且通过套管连接的阶梯式管状钻杆来说，小直径部分的外径最好是套管外径的90％或者更小，并且长度是套管外径的50％或者更大。
对于所述钻孔机来说，除了将阶梯式管状钻杆用于所有钻杆的情况，也可仅将阶梯式管状钻杆用于尖端(tip-end)钻杆。即使是在阶梯式管状钻杆仅用在尖端钻杆的情况下，与采用传统的钻杆相比，也减少了钻孔时的孔道的弯曲。附图说明
图1是液压履带钻机的侧视图，它采用了根据本发明所述的阶梯式管状钻杆作为钻杆；
图2是根据本发明的一个实施例所述的阶梯式管状钻杆的结构图；
图3是表示了阶梯式管状钻杆被钻杆导向件导向的状态下的示意图；
图4是表示了阶梯式管状钻杆被夹杆装置夹持的状态下的示意图；
图5是根据本发明的另一个实施例所述的阶梯式管状钻杆的结构图；
图6是表示了阶梯式管状钻杆被夹杆装置夹持的状态下的示意图；
图7是根据本发明的其他实施例所述的阶梯式管状钻杆的结构图；
图8是采用了传统钻杆的液压履带钻机的侧视图；
图9是传统钻杆的结构图；
图10是用于传统的液压履带钻机的夹杆装置的结构图；
图11是表示了传统的钻杆被夹杆装置夹持的状态下的示意图；
图12是用于传统的扇形掘进钻机的夹杆装置的结构图；
图13是沿图12中的A-A剖开的截面图；
图14是用于传统的孔下钻的夹杆装置的结构图；
图15是沿图14中的B-B剖开的截面图。具体实施方式
图1是液压履带钻机的侧视图，它采用了根据本发明所述的阶梯式管状钻杆作为钻杆，图2是根据本发明的一个实施例所述的阶梯式管状钻杆的结构图，图3是表示了阶梯式管状钻杆被钻杆导向件导向的状态下的示意图，图4是表示了阶梯式管状钻杆被夹杆装置夹持的状态下的示意图；
图1所示的液压履带钻机10的结构基本上与图8所示的传统液压履带钻机11的结构相同。因此，在描述过程中，相同的序号表示相同的元件。
在这种液压履带钻机10中，同样，在车13上提供有一个起重臂14，所述车13上带有一个履带架12以能够转动和倾斜。在起重臂14的末端支撑有一个导向套管16，该导向套管16安装有一个钻岩机15以能够倾斜和摆动。钻岩机15以插入形式安装有作为钻杆的连接阶梯式管状钻杆7，并且在阶梯式管状钻杆7的顶端安装有一个钻头3，钻头3的外径大致与孔眼直径Dh相同。
钻岩机15具有一个喷吹机构、一个旋转机构和一个冲洗机构(未表示)。钻岩机15在导向套管16上的进给马达17施加的进给力作用下沿纵向移动，并通过阶梯式管状钻杆7将喷吹和转动传递给钻头3，从而对岩层R钻孔。另外，冲洗机构向阶梯式管状钻杆7的顶端供应压缩空气以去除切屑。在导向套管16的顶部末端提供有一个孔罩18，以覆盖孔并收集切屑。
在孔的长度很大的情况下，在钻孔工作时要将多根阶梯式管状钻杆7连续地连接起来。通过采用钻杆变换器19，能够以机械方式供应和连接阶梯式管状钻杆7，并且在钻孔之后将阶梯式管状钻杆7分离和回收。
在实施连接和回收阶梯式管状钻杆7的情况下，必须夹持阶梯式管状钻杆7，以当连接或者分离阶梯式管状钻杆7时使阶梯式管状钻杆7的中心轴线固定，所以要在导向套管16的顶端部分的附近提供夹杆装置4。
另外，在夹杆装置4的前面，还提供有一个钻杆导向件9，它将阶梯式管状钻杆7保持在中央，以在夹杆装置4的夹持作用释放以及钻孔时对阶梯式管状钻杆7进行导向。
阶梯式管状钻杆7具有大致与孔直径Dh相同的较大钻杆外径D，并且在一端具有外螺纹MS、另一端具有内螺纹FS。通过将外螺纹MS与内螺纹FS直接啮合，可以将多根阶梯式管状钻杆7连接起来。另外，在内部螺纹部分附近形成有小直径部分8。
小直径部分8是这样制成的，即其外径d是钻杆外径D的90％或更小，其长度L是钻杆外径D的50％或更大，即，
d≤0.9D，以及
L≥0.5D
当钻完孔后，如图3所示，阶梯式管状钻杆7被钻杆导向件9导向，并保持在导向套管16的中央。
在连接和回收工作时，如图4所示，阶梯式管状钻杆7被位于液压履带钻机10的导向套管16上的夹杆装置4夹持。
夹杆装置4带有一对卡钳5，它们可转动地支撑在销6上以能够打开和闭合。在卡钳5的内表面上，形成有一个大直径部分5L和一个小直径部分5S，并且大直径部分5L夹持着阶梯式管状钻杆7的内螺纹部分。
因此，阶梯式管状钻杆7被夹杆装置4夹持以防止其转动，并且由卡钳5的大直径部分5L和小直径部分5S之间的直径差定位。
由于阶梯式管状钻杆7具有大致等于孔眼直径Dh的较大外径D，所以减小了钻孔时可能发生的孔道弯曲。另外，由于在内螺纹部分附近的外圆周上形成有小直径部分8，所以对于液压履带钻机10来说，仅需要对传统的夹杆装置进行少许改动，就可以将阶梯式管状钻杆7用作钻杆。
对于将阶梯式管状钻杆7用作钻杆的液压履带钻机10来说，阶梯式管状钻杆7可以很容易地定位，这样就可以更加有效和安全地进行连接和回收工作。
由于小直径部分8的外径d是钻杆外径D的90％或者更小，并且长度L是钻杆外径D的50％或者更大，所以当螺纹松解不充分时，在阶梯式管状钻杆7固定在夹杆装置4上的状态下，仍能进行假装打击而不会产生问题。
图5是根据本发明的另一个实施例所述的阶梯式管状钻杆的结构图，图6是表示了阶梯式管状钻杆被夹杆装置夹持的状态下的示意图。
该阶梯式管状钻杆7具有大致与孔直径Dh相同的较大钻杆外径D，并且在两端具有外螺纹MS。阶梯式管状钻杆7通过内部带有内螺纹FS的套管2而连接起来。套管2的外径Ds等于钻杆外径D。
同样，在外部螺纹部分附近形成有小直径部分8。小直径部分8是这样形成的，即其外径d是套管外径Ds的90％或更小，其长度L是套管外径Ds的50％或更大，即，
d≤0.9Ds，以及
L≥0.5Ds
阶梯式管状钻杆7可以制成图7(a)和7(b)所示的形状。
在连接和回收工作时，如图6所示，阶梯式管状钻杆7被位于液压履带钻机10的导向套管16上的夹杆装置4夹持。
夹杆装置4带有一对卡钳5，它们可转动地由销6支撑以能够打开和闭合。在卡钳5的内表面上，形成有一个大直径部分5L和一个小直径部分5S，并且大直径部分5L夹持着套管2的一部分。
因此，阶梯式管状钻杆7和套管2被夹杆装置4夹持以防止其转动，并且由卡钳5的大直径部分5L和小直径部分5S之间的直径差定位。
由于阶梯式管状钻杆7具有大致等于孔直径Dh的较大外径D，所以减小了钻孔时可能发生的孔道弯曲。另外，由于在外螺纹部分附近形成有小直径部分8，所以对于液压履带钻机10来说，仅需要对传统的夹杆装置进行少许改动，就可以将阶梯式管状钻杆7用作钻杆。
对于将阶梯式管状钻杆7用作钻杆的液压履带钻机10来说，阶梯式管状钻杆7可以很容易地定位，这样就可以更加有效和安全地进行连接和回收工作。
由于小直径部分8的外径是套管外径Ds的90％或者更小，并且长度L是套管外径Ds的50％或者更大，所以当螺纹松解不充分时，在阶梯式管状钻杆7固定在夹杆装置4上的状态下，仍能进行假装打击而不会产生问题。
对于液压履带钻机10来说，除了将阶梯式管状钻杆7用于所有钻杆的情况，也可仅将阶梯式管状钻杆7用于尖端钻杆。即使是在阶梯式管状钻杆7仅用在尖端钻杆的情况下，与采用传统的钻杆1相比，也减少了钻孔时的孔道弯曲。
工业实用性
如上所述，对于本发明的阶梯式管状钻杆来说，能够减少钻孔时的孔道弯曲。另外，对于在一端带有内螺纹、另一端带有外螺纹的阶梯式管状钻杆来说，在靠近内螺纹部分上制有小直径部分；而对于在两端带有外螺纹并且通过套管连接的阶梯式管状钻杆来说，在靠近外螺纹部分上制有小直径部分。因此，对于这种钻机来说，仅需要对传统的夹杆装置进行少许改动，就可以将阶梯式管状钻杆用作钻杆。
对于将阶梯式管状钻杆用作钻杆的钻机来说，所述钻杆可以很容易地定位，这样就可以更加有效和安全地进行连接和回收工作。