用于在地面上钻孔的装置.pdf

本发明涉及一种用于在地面上钻孔的装置，它包括一带有连杆组件的驱动系统，该连杆组件从驱动系统延伸到地面中。所述组件指向孔表面或底部的端部连接在工具头(40)上。该装置还包括数个位于工具头(40)上，并在孔的表面或底部工作的工具(41)。本发明的装置的特征在于每个工具(41)都包括挖掘盘(45)和能够使挖掘盘(45)在操作过程中产生振荡的装置。

1.  一种用于在地面上钻孔的装置，
包括与工具头(40)相连的驱动系统(3)，
还包括多个布置在工具头(40)上、可抵靠着表面或底部进行操作的工具(41)，
其特征在于，每个工具(41)都包括挖掘盘(45)和能够使挖掘盘(45)在操作过程中产生振荡的装置。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，为了将驱动系统(3)连接到工具头(40)上，设置有连杆组件(5)，该连杆组件从驱动系统(3)延伸到地面中的孔内，并且在其面向着所述表面或底部的端部处支承着所述工具头。

3.  根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，承载装置包括臂或挖掘盘(45)。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，至少设置一个驱动装置(4，4’，104，204，304)，通过所述驱动装置可使工具头(40)绕孔的纵向轴线A旋转。

5.  根据权利要求4所述的装置，其特征在于，驱动装置(4，4’，104，204，304)被构造成使得旋转沿着一个固定的方向产生。

6.  根据权利要求4所述的装置，其特征在于，驱动装置(4，4’，104，204，304)被构造成使得旋转沿着可改变的旋转方向产生。

7.  根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，设置能够使每个工具(41)的承载装置在操作中产生旋转的设备。

8.  根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该设备被构造成使得其旋转频率低于振荡频率。

9.  根据权利要求8所述的装置，其特征在于，旋转频率和振荡频率之间的比率为1∶30至1∶60。

10.  根据权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于，每个工具都包括一可旋转驱动的主轴(55)，该主轴具有一其轴线(B)与主轴(55)轴线(AA)成锐角(W)的轴颈(54)，所述工具还包括一头部(46)，这个头部被安装成能够绕轴颈(54)的轴线(B)旋转，并且它还具有一在相对的圆周区域(62)上运转的圆周区域(61)。

11.  根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述相对的圆周区域(62)能够旋转。

12.  根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，圆周区域(61)具有外齿，而相对的圆周区域(62)具有内齿。

13.  根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其特征在于，相对的圆周区域(62)由一中空的齿轮(64)形成，该齿轮可被设置成与主轴(55)的轴线(AA)同中心。

14.  根据权利要求10至13中任一项所述的装置，其特征在于，相对的圆周区域(62)通过与主轴(55)啮合的行星齿轮机构(71)产生旋转。

15.  根据权利要求10至14中任一项所述的装置，其特征在于，相对的圆周区域(62)可通过主轴(55)的单独的驱动装置产生旋转。

16.  根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述单独的驱动装置可被控制或调节。

用于在地面上钻孔的装置
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述类型的用于在地面上钻孔的装置。
这种类型的装置已经由WO97/34070公开。多个冲击工具直接连接在工具头中，所以冲击能经由驱动介质被传送到陷入到孔中的工具上，然后又从所述工具上直接传送到孔的底部，由此连杆组件很大程度上未受到影响。工具头通过连杆组件连接到驱动装置上，该驱动装置通常布置在孔的外面，并且具有一旋转驱动设备，从而布置在工具头上的工具可对孔底部总是更新的位置进行操作。所述装置经常用于在坚硬的岩石上操作。
实际上，这种钻孔类型变得越来越重要，这是因为：首先，钻出的孔的质量较好，孔的方向能够保持实际上很精确；其次，由于在基本没有任何外部影响的情况下在孔中采用了吸声法，因此诸如噪声危害等环境标准相当令人满意。
在这种类型的装置中，采用已知的“反循环”方式把从孔底部或表面分离并挖掘出来的石料在中空的连杆组件内输送出去。例如，为此目的可采用空气提升法，其中空气作为冲洗介质被吹入到工具头上方的钻孔组件，从而在连杆组件内上升的空气在连杆组件内的孔和表面之间产生了压力差，这样就在连杆组件内产生了流速，并且石料通过连杆组件被驱出到外部。
在采用这种已知装置的情形下，使用冲击锤作为工具。尽管通过使用这种装置能够取得令人满意的钻进工艺，特别是在对硬质岩石钻孔的方面，但是，特别是在较松软的底层上钻孔，还存在钻进效率降低的缺陷。
因此，基于这一目的，本发明提供了一种能够在相当宽的岩层范围内取得令人满意的钻进工艺的设备。
按照本发明的权利要求1可实现这一目的。每个工具都包括一挖掘盘和能够使挖掘盘在运行过程中产生振荡的装置，这一事实表明每个工具基本上都可以在孔的表面和底部施加使硬质岩石疏松的冲击动作以及能够将疏松的硬质岩石和松软的土壤层运走的挖掘动作。因此采用按照本发明的装置能够有效地将不同的岩层疏松并运走。
特别是可采用滚柱或盘形辊作为排出装置。
特别优选的是按照本发明装置的一个实施方案，其中提供了至少一个驱动装置，通过该驱动装置能够使工具头绕孔的纵轴旋转。驱动装置可布置在孔的外部，并且扭矩能够通过连杆组件传送。当然，同样可以不旋转地安装连杆组件，将驱动装置设置到工具头中或设置到工具头上。工具头的旋转运动能够确保挖掘盘在孔表面或底部的不同位置处运转。
工具头的驱动装置可被装配成总是在固定的旋转方向上进行旋转，即总是沿着顺时针或逆时针的方向旋转。
然而，同样可以将驱动装置构造成在可改变的旋转方向上进行旋转，例如旋转角度可以在90°和270°之间。该实施方案的优势在于可以省去例如用以向工具头供应流体介质的复杂的旋转引入密封件(rotary leadthrough seals)，或者是省去例如用以引入电流，例如来驱动工具的扫动接点(wiping contact)装置。该密封件和扫动接点装置可由简单的挠性管代替，这些挠性管不易受到故障的影响。
在按照本发明装置的一特定优选实施方案中，提供了一种设备，该设备能够在所述装置的运转过程中使每个工具的挖掘盘旋转。这一措施强化了对所要疏松的岩石的挖掘作用，提高了钻进效率。例如，该设备可以是液压、气动或电动的旋转驱动装置。
试验表明：如果每个工具的挖掘盘的旋转频率低于其振荡频率，那么钻进效率就会特别高。旋转频率和振荡频率之间的比率优选为1∶30至1∶60。
在按照本发明装置的一特别优选的改进中，每个工具都包括一可旋转驱动的主轴，该主轴具有一其轴线与主轴轴线成锐角的轴颈，所述工具还包括一可支承着挖掘盘的头部，这个头部被安装成能够绕轴颈的轴线旋转，并且具有在一相对的圆周区域上运行的圆周区域。由于这一措施，通过主轴可以使挖掘盘产生振荡运动，其振荡频率对应于主轴的旋转频率。由于头部的圆周区域在所述相对地圆周区域上运行，因此主轴的旋转同时使挖掘盘也产生了旋转运动，其旋转频率取决于该圆周区域和所述相对圆周区域的构造。因此可以通过设计预先限定挖掘盘的振荡频率和旋转频率之间的固定关系。
然而，为了使按照本发明的装置优选适用于不同的岩层，特别希望能够改变振荡对旋转的比率。在所述装置的一特别优选的实施方案中，通过使所述相对的圆周区域自身产生旋转来实现上述目的。根据相对圆周区域的旋转方向，以及主轴的恒定的旋转速度，可实现使挖掘盘产生的旋转速度增大或减小。
相对的圆周区域和在其上运行的圆周区域可以任何方式构造，这些方式能够在操作过程中确保运行即可。不过，因为生产的简单化和操作的可靠性，因此优选的是对于圆周区域来说应具有外齿，而对于相对的圆周区域来说应具有内齿。
所述相对的圆周区域优选由中空的齿轮形成，该中空的齿轮被布置成与主轴的轴线同轴，并且按照本发明的特别优选的实施方案，它应能够产生旋转。
对于很多申请来说，已经表明利用不旋转相对圆周区域得到的振荡频率对旋转频率的比率不是最理想的。通常，对于钻进过程而言，具有较低比率的钻头速度更具有优势。因此，按照本发明装置的一优选实施方案，可通过一与主轴啮合的行星齿轮机构使相对圆周区域产生旋转。该实施方案的优势在于它无需再配备一驱动马达。
当然，同样可以通过单独的、独立于主轴的驱动装置使相对的圆周区域旋转，即该驱动装置不与所述相对的圆周区域和主轴接合。特别优选的是将所述单独的驱动装置构造成能够被控制或调节，这就表明在操作过程中，钻头的旋转速度和振荡频率之间的比率可以适应各种情形下的岩石类型。
按照本发明的装置的示例性实施方案已经在附图中示出，其中：
图1示出了按照本发明的装置中驱动系统的第一实施方案的透视图；
图1a示出了按照图1所示驱动装置的实施方案中的旋转装置，它可作为这里图示旋转装置的替换方式；
图2示意性地示出了按照本发明的装置中的气动提升系统的动作；
图3示意性地示出了带有多个工具的工具头侧视图；
图4示出了从下观察图3的视图；
图5示出其中一个工具结构的纵向剖面；
图6示出了按照本发明的装置中驱动系统的第二实施方案与图1的视图相应的透视图；
图7和8示出了对应于图6中驱动系统的另两个实施方案；
图9示出了一振荡驱动装置，例如它能够用在按照图8所示的实施方案中；
图10示出了与图5相对应的另一实施方案中的工具结构；以及
图11示意性地示出了按照图10所示的工具优选布置在工具头上。
具体实施方式
图1示出了按照本发明所述装置的一部分，它被安置在地面上需要钻孔的外部。其整体由附图标记3表示的装置驱动系统固定在支承设备2上，而所述支承设备2则被支撑在用附图标记1表示的工作台上。一示意性示出的旋转驱动头4作用在连杆组件5上，该连杆组件5由几个彼此连接的部分组成，这里只示出了其上部，它贯穿工作台1延伸(虚线所示)到地面上所要钻的孔中并且直到工具头处为止。可以按照现有技术中常规的方式实现所述带有旋转驱动头4的连杆组件5的驱动，例如可通过液压马达。
或者，也可以采用图1a所示的旋转驱动设备4’来代替布置在连杆组件5上端的旋转驱动头4，例如采用已知的管道设备。
旋转驱动设备4’包括一固定的外部部分4”和与其相对的环形内部部分4，内部部分4的内径与连杆组件5的外径相匹配，并且至少可以在驱动方向上以可操作连接的方式与连杆组件5可选择地连接，即通过压配合或形状配合(form fit)被旋转驱动。例如通过液压马达实施驱动。借助于固定部分4”，旋转驱动设备4’能够可操作地连接在可变长度的力发生器2’上，例如连接在位于支承设备2上的心轴或活塞/缸体单元上。如果连杆组件5和旋转驱动设备4’的内部部分4按下述方式配置，即也能够在连杆组件5的纵向上实现连杆组件5和内部部分4之间的力传递连接，然后通过旋转驱动设备4’将向前的驱动力引入到连杆组件上。然而，还可以将旋转驱动设备4’安装在支承设备2上，从而将其固定并按下述方式配置连杆组件5和内部部分4，即使连杆组件5能够在内部部分4中纵向移动。在这种情况下，例如通过作用于第一旋转连接头10将向前的驱动力引入到连杆组件中，现在将对此进行说明。
布置在连杆组件5上端的是第一旋转连接头，它用附图标记10表示，通过它可使地面上的孔底部的松散材料经由出口管21被运送到外面，并且借助于第一供给线13将压缩空气引入到连杆组件中。布置在第一旋转连接头10下面的是第二旋转连接头20。支承设备2可绕水平轴线A旋转，并且与旋转装置6相连，从而能够倾斜，而且对于地面上的孔能够以偏离垂线的方式进行钻孔。
图2示意性地说明了该方法，通过这种方法，利用工具头40上的工具41将钻出的松散材料从地面上的孔9的底部16运送到外面，其部分充满水，如水平线9’所示。连杆组件5内部形成通常充满了水的冲洗管8，在冲洗管8中，已经在钻孔设备外部经过压缩机(未示出)压缩的空气通过进气阀43被吹入到工具头40上方，所述压缩空气还通过第一输送装置12经由第一旋转连接头10上的第一供给线13沿着连杆组件5被向下引导。吹入的空气在冲洗管8内产生了向上的水流，这是由于在地面上的孔9内，冲洗管8中散布有气泡的液体和其外部的液体之间形成了密度差，利用向上的水流，钻出的材料7被向上输送并经由出口管11排出到装置外面。通过第二供给装置22的第二连接头20中的第二供给线23来供应工作介质，其中所述第二供给装置22的第二连接头20与第一连接头成为一体，并且工作介质还经由第二连接头沿连杆组件5被向下引导，以便驱动工具头40的工具41。所采用的工作介质可以是处于压力下的液压流体。当然，也可以用电动方式配置工具的驱动装置。还能够采用扫动接点装置来替代第二连接头以用于供给电能。
在图3和4中示意性地示出了配置用于诸如液压驱动装置的工具头40。由液压介质驱动的工具41通过支承件44连接在安装板42上，该安装板42装配在连杆组件5的下端。布置在工具41上的挖掘盘45向下作用在地面上孔9的底部10，并且将那里的岩石粉碎。由于工具头的旋转，各个作用点在圆周方向上向前移动。通过在不同半径处装配工具41，可以扫过孔的整个横截面。工具41的数量和布置方式可以与地面中孔9的直径和所要除去的材料匹配。这些工具41的下端被保持和在导板46上引导，导板46被成形为类似圆盘状，其直径与地面中孔9的直径对应。
图5详细示出了工具41。它包括支承着挖掘盘45的头部46。挖掘盘45通过多个圆柱形头部的螺栓47固定在头部46上，附图中只示出了一个这样的螺栓。
挖掘盘45带有一中心刀具48。在该示例性实施方案中，挖掘盘45具有三个径向向外延伸的臂50，附图的左侧示出了这种带有多个凿子51的臂50。
通过锥形滚柱轴承52，53将头部46可旋转地安装在主轴55的轴颈54上。具有基本为圆柱形外圆周表面的轴颈54以这种方式整体模制在主轴55上，即其轴线B与旋转轴线AA形成了约3°的锐角W。
利用锥形滚柱轴承56，57将主轴55安装在机器外壳58中，以便主轴能够绕旋转轴线AA旋转，并且通过利用凸缘安装在其端部的液压马达59在旋转中被驱动。
在头部46上背离挖掘盘45的部分成形为一个齿轮，即下文中所谓的摆动齿轮60，该齿轮被设置成与轴颈54的轴线B同中心，由此形成了圆周区域61，在主轴55旋转的过程中，该圆周区域61在起着相对的圆周区域62作用的内齿63上运转。
内齿63形成在一与主轴线同中心设置的中空齿轮64上，并被安装为使得其能够相对该主轴线旋转。
中空齿轮在其与内齿63相对的一端还具有内齿65，内齿65可作为行星齿轮机构71的一部分。行星齿轮66的小直径部分67上的齿与内齿65啮合。行星齿轮66的大直径部分68则与主轴55上的外齿相啮合，并且还与机器外壳58上的内齿70啮合，从而在旋转驱动主轴55的过程中，该行星齿轮能够以相同的旋转方向围绕旋转轴线AA旋转。这里，将中空齿轮64设定成以与挖掘盘45相对的方向旋转，由于摆动齿轮60可以在内齿63上运转(running out)，因此挖掘盘的旋转是可以移动的。当然，通过选择行星齿轮机构71的传动比，就能够预先确定中空齿轮64相对于主轴55的旋转速度，并由此确定挖掘盘45的振荡频率与旋转频率的比率。
图6示出了驱动装置的第二实施方案。与前述功能相应的部件用这些部件原有的附图标记加100来表示。基本结构很大程度上与图1所示的一致。在这一范围内，对图1的描述也适用于本实施方案。
其整体由附图标记103表示的装置的驱动系统固定在支承设备102上，而所述支承设备102则被支承在用附图标记101表示的工作台上。一示意性示出的旋转驱动头104作用在连杆组件105上，该连杆组件105穿过工作台101延伸到地面上所要钻的孔中并且直到工具处为止。可以按照现有技术中常规的方式通过旋转驱动头104来实现连杆组件105的驱动。
布置在连杆组件105上端的是第一连接头，它用附图标记110表示，通过它可使地面上的孔底部的松散材料经由出口管121被运送到外面，并且借助于第一供给线113将冲洗流体，通常为空气引入到连杆组件105中。布置在第一连接头110下面的是第二连接头120。支承设备102利用旋转装置106绕水平轴线A倾斜，从而可以相对于地面上的孔以偏离垂线的方式进行钻孔。
在驱动装置的第二实施方案中，第二连接头120与连杆组件105作为一个整体旋转，并且只有第一旋转连接头110被装配为固定。旋转驱动装置104被设计成使带有第二连接头120的连杆组件105以摆动的方式围绕组件105旋转轴通过预定角度往复旋转，其中所述连接头用于工具中锤的驱动介质。摆动角小于360°，并且基于位于相同半径上的工具41的数量和位置来选定摆动的角度。在每个半径只有一个工具41的情况下，需要为360°，而每个半径为两个相互偏离180°的工具的情况下，往复旋转180°就足够。当然，在本发明的范围内，可以令工具头在超过360°的一个限制角度范围内往复旋转。
由于限制的旋转角度，因此对于也参与了旋转角度的驱动介质来说，可以在不需要旋转密封或扫动接点装置的情况下操作固定安装的供给线。在所示出的示例性实施方案中，利用挠性软管115将驱动介质引入到连杆组件105的第二供给装置122中。软管115安装在第二供给线123和第二供给装置122之间。选定软管115的长度使得其能够跟随连杆组件105的旋转，而不会阻碍连杆组件。
图7示出了又一实施方案，其中相对于图1，与前述相互功能对应的部件用这些部件原有的附图标记加200来表示，操作介质的供给线223、压缩空气的供给线213以及出口管221都可由挠性软管形成。在旋转驱动装置204下面的位置213’，223’处，两条供给线管道213和223通过未详细示出的凸缘装置与在连杆组件205上运转的管线212，222相连，通过这两条管线，可将压缩空气输送给入口(图2中的43)，将操作介质输送给工具头(图2中的40)。该实施方案的优势在于在这种情形下只产生振荡运动的旋转驱动头204仅仅必须包括一用于连杆组件205的旋转安装件，但是可以完全省去旋转引入密封件和旋转密封件。
在这方面，应当指出的是并不是绝对需要在位置213’和223’处将挠性软管213，223与管线212，222相连。而是，同样可以完全省去刚性管线212，222，引导软管213，223直到孔中的相应连接点处，即分别连接到连杆组件和工具头上的相应连接点处。此外，很明显的是在取决于工具41运转的情形下，可采用挠性电缆代替挠性管线。
旋转驱动头204总是作用在连杆组件205上段的上端，为了替代这种方式，在该实施方案中可提供一种旋转驱动装置4’，它在外部作用于连杆组件205上，并且它的作用模式和功能模式也另外相应于旋转驱动装置4’，但是也只能使连杆组件产生往复运动。
图8示出了按照本发明所述装置的又一实施方案。相对于图1的实施例，与前述相互功能对应的部件用这些部件原有的附图标记加300来表示。在采用该实施方案的情形下，已经完全省去了上文图7中旋转驱动装置204的上部安装件或旋转连接头。采用一驱动单元304用于振荡驱动，该驱动单元34的功能可对应于图9所示，并且下面仍将对此进行说明。
软管线313，323被连接到供给装置312，322上，并且软管线321借助于凸缘头360连接在连杆组件305的内部，所述凸缘头布置在连杆上段的上端，并且被构造成这种方式，即对于软管线313，323，321，设置在连杆上段的上端上的连接件与管线312，322和连杆组件的内部连通。
驱动单元304通过可调节长度的力发生器302’安装在支承单元302上，以便通过驱动单元304的下降将向前的驱动力经由驱动单元304引入到连杆组件中。一旦驱动单元304到达其较低的位置，当驱动单元304借助于力发生器又移动到其较高处的位置上后，通过“再次夹紧”，通过被再次释放和固定，就能够产生另一向前的驱动，如此再次重复上述过程。在该装置中，由于不需要这种其长度至少与连杆组件5的一段长度相对应的支承装置，因此该实施方案的特征在于，整体高度相当低。
图9所示的旋转驱动装置304’可由配管机本身所知，因此不被详细描述，该旋转驱动装置包括部件304，所述部件304能够借助于两个活塞/缸体单元开始振荡运动，并且该旋转驱动装置被构造成在其圆周上包进多个部件。为了将旋转驱动装置连接到连杆组件305上，被推到连杆组件上的部件304闭合，从而使旋转驱动装置可操作地连接到连杆组件205的圆周表面上。
图10示出了其中一个工具41的又一实施方案。在这个工具中，用于移走装置的承载装置可作为双臂72来执行，它只能执行振荡运动而不是旋转运动。因此这种工具的机械结构与图5所示的相比被极大地简化了，这是因为它可以省去一相对的圆周表面并由此省去整个齿轮机构，其中圆周表面在该相对的圆周表面上运转以产生旋转。
此外，可以省去在每个工具中产生振荡运动的单独的驱动装置，并代入以提供一个与工具相连的中心驱动装置。该中心驱动装置可包括齿轮机构，所述齿轮机构具有用于每个工具的驱动轴，如此该驱动装置还能够改变振荡频率。
按照图10所示的工具以这种方式布置在工具头中，即这些工具的双臂72以相对于圆周或圆形截面的切线成直角的方向延伸出去，并且由于工具头的旋转，它们可以扫过所述圆周或圆形截面。此外，如图11所示，这些工具还可以被布置成横向偏移，从而单独的切削工具451可沿不同的轨迹操作。
这样，工具的挖掘盘可以旋转并且/或者多个切削工具可在一个轨道上运转，与这种布置方式相比可获得粗糙的钻进材料。这种粗糙的钻孔材料更有益于达到能量平衡，这是因为省掉了进一步粉碎所需要的能量比。
本发明适用于向前驱动地对基本垂直运转的孔进行钻孔，在上文中仅仅示出了按照这一发明的示例性实施方案。当然，本发明并不限于钻这种孔，它还适用于向前驱动地对基本呈水平方向运转的隧道孔进行钻孔。