用于操纵钻柱部件的装置及凿岩钻机技术领域
本发明涉及凿岩钻机中的用于操纵钻柱部件的操纵装置，该凿岩钻
机包括设置成用于钻柱部件的旋转和驱动并且以能够来回移动的方式
支承在进给梁上的旋转器装置，其中，该操纵装置包括用于分别将钻柱
部件引入到凿岩钻机的钻柱位置中以及从该钻柱位置移除钻柱部件的
装置。本发明还涉及配备有这种操纵装置的凿岩钻机。
背景技术
出于勘探的目的的取芯钻探通常通过凿岩钻机来执行，其中，钻
柱部件被放置在有效钻柱位置中、通过绞车从钻孔提起以及降低到钻
孔中。绞车绳索(wire)借助于提升柱塞(plug)紧固至最上部的钻
柱部件。由于取芯钻探的目地在于提取钻出的岩芯以待研究，因此使
用管状的钻柱部件。在钻柱的提升期间——钻柱的提升被频繁地执行
以更换钻头，一连串的管被逐个地提升，借此，各个管借助于钻机的
与下部管保持器配合的旋转器装置而彼此释放。
现今，待被带离钻柱的管的最后释放至少部分地由操作者手动地执
行，这种操纵包括管的最终断开螺纹连接、管的提升以及将管引导至管
匣仓的区域。
在钻柱的降低期间，这些工作步骤相反地执行以使得呈管的形式的
新钻柱部件连续地提升至所述新钻柱部件与钻柱对准并且由操作者螺
纹连接在一起的位置。这些工作步骤使操作者有压力并且给操作者带来
遭受提升伤害和挤压伤害的不可忽略的风险。
取芯钻探通常执行到非常大的深度，诸如例如执行到在1000m至
2000m之间的钻凿深度。由于钻头在操作中经受磨损，因此不得不相
对经常地更换钻头，这使得不得不将整个钻柱从钻孔提起、将整个钻柱
拆卸成钻柱部件、将已磨损的钻头移除并且用新的钻头代替已磨损的钻
头，于是可以再次将钻柱降低到钻孔中。随后，钻凿更远的距离直到不
得不再次更换钻头等为止。在钻凿期间，钻柱的最上端连接有冲洗液体
回转器(swivel)用于供给冲洗液以将在钻凿期间已碎裂的岩石材料运
走。
发明内容
本发明的目的是提供一种以上类型的装置，其中，根据以上内容
的问题得到处理并且至少部分地被解决。
这根据上文所述的相关装置得以实现，原因在于操纵装置包括导
引梁，该导引梁设置成从进给梁侧向地延伸同时与进给梁形成一定的
角度，并且该导引梁包括纵向导引件，抓持器穿梭件能够沿着纵向导
引件驱动地移位，其中，该抓持器穿梭件包括枢转地设置的导引抓持
器，该导引抓持器用于抓持钻柱部件的第一端部区域，该钻柱部件的
另一端部区域已设置成与提升柱塞接合，抓持器穿梭件承载用于对驱
动轮进行驱动的驱动马达，该驱动轮与导引梁上的传动履带配合，以
及该驱动轮能够断开接合以允许抓持器穿梭件沿着纵向导引件基本
自由地移动。
与使用链等来驱动抓持器穿梭件相比，驱动轮的使用给予了更大
程度的灵活性并且不存在诸如具有多种限制的固定长度之类的缺点。
根据本发明的解决方案而是使驱动无量纲化(nondimensional)，
在此这意味着可以通过仅对至驱动马达的进给线路的设置进行简单
的修改而使导引梁如所需的一样长。如果导引梁被延长，则至抓持器
穿梭件的线路(例如液压软管)可以被延长。
支承抓持器穿梭件的导引梁安装成立在进给梁的侧部处，这使本
发明使用简单并且不会使钻机太复杂。
通过使驱动轮能够断开接合以允许抓持器穿梭件沿着纵向导引
件基本自由地移动，允许抓持器穿梭件在钻柱部件待被引入至钻柱位
置或者从钻柱位置移除的过程的某些部分期间完全受控于提升绳索
中的张力。此时将需要使驱动马达与提升绞车之间不存在相关的驱
动。通过导引抓持器在钻柱部件的下端部上的抓持，该下端部的运动
得到充分控制以避免过量的运动。在抓持器穿梭件运动的某些部分期
间，驱动马达此时将被简单地接合成为期望的位置提供必要的动力和
引导。
通过根据本发明的布置，有助于在通过提升绳索将钻柱部件提升
并引入至钻柱位置的过程期间以及在从钻柱位置提升并移除钻柱部
件的过程期间的操纵。
优选地，驱动轮为下述轮：通过该轮，传动履带可以具有适当的
形状——例如导引梁上的具有或不具有摩擦力增大表面结构的平坦
表面。轮适当地为填充环形件并且可以包括由更软的类似橡胶的材料
制成的芯，但是还可以是气动轮。不排除驱动轮为例如与沿着导引梁
定位的齿条传动装置啮合的齿轮装置。
优选地，驱动轮对传动履带的接触压力是能够调节的以例如在下
雨期间补偿较低的摩擦力，其中，接触压力可以被增大。
优选的是，驱动轮能够通过与所述传动履带不接合来断开接合。
这可以通过可操纵的轴联接件来实现，但是最优选的是，驱动轮由保
持器支承，该保持器借助于动力单元而能够相对于抓持器穿梭件的本
体移动。该解决方案允许这种接合以及压力的改变。保持器最优选地
能够借助于在抓持器穿梭件的主要部分与保持器之间进行作用的呈
液压缸的形式的动力单元围绕枢转轴线摆动。
优选的是，纵向导引件包括纵向地设置在导引梁上并且侧向地面
向不同方向的导引带，以及抓持器穿梭件包括与导引带配合的导引装
置。此解决方案给予了具有很小的摩擦力的良好、可靠且稳定的引导。
优选的是，导引装置为导引辊。然而，作为替代性方案，可以使用滑
动导引件。
导引抓持器优选地定位在相对于抓持器穿梭件的主要部分枢转
的臂上，该臂适当地在第一位置与第二位置之间枢转，该第一位置用
于抓持处于钻柱位置的钻柱部件，该第二位置用于抓持处于递送位置
的第二钻柱部件。当第一为可调节的位置时，臂的枢转位置可以容易
地调节为钻机的普遍设定参数。
还优选的是，导引抓持器能够调节成适应不同尺寸的钻柱部件。
这可以因下述方面而实现：夹爪与导引抓持器的相对保持部之间的自
由空间与意在用于抓持的钻柱部件的预期尺寸有关地改变。
通过使导引梁能够附接成围绕与所述进给梁相关的第一枢转轴
线枢转，获得了可以就钻机的调节方面可以自动地调节的优势。
适当地，根据本发明的装置包括抓持单元，该抓持单元设置成分
别接合第一钻柱部件的端部以及接合第二钻柱部件的端部。
出于有效且牢固地确保抓持单元与由摆臂支承的钻柱部件之间
的准确对准的目的，根据本发明设置了下述导引梁：该导引梁设置成
且构造成形成用于处于一个位置的抓持单元的机械止动以及用于处
于递送位置的摆臂的机械止动。出于此目的，导引梁可以在其端位置
处紧固至用于使抓持单元摆动的轴线的相应区域以及用于摆臂的摆
动轴的相应区域。此布置使得导引梁在用于钻机的每个设定位置中—
—例如在进给梁的倾斜度不同的情况下、在钻机与地面的倾斜度变化
以及钻机的各部分处于不同竖直位置的情况下——一方面通过所述
机械止动而差不多自动地设定基准，另一方面还差不多自动地提供由
摆臂支承的钻柱部件的相对于抓持单元的适当端部定位。
优选的是，导引梁能够附接至钻机并且特别是附接至进给梁，但
是，即使在导引梁放置成相对于钻机和进给梁自由地竖立的情况下，
也在本发明的范围内。特别优选的是，导引梁能够围绕与第一摆动轴
线的区域相关的第一枢转轴线枢转地附接，该第一摆动轴为抓持单元
的摆动轴线，并且特别地，第一枢转轴线与第一摆动轴线至少基本同
轴。还优选的是，导引梁能够围绕与第二摆动轴线的区域相关的第二
枢转轴线枢转地附接，该第二摆动轴线为摆臂的摆动轴线，并且特别
地，第二枢转轴线与第二摆动轴线至少基本同轴。逐个地采用的这些
布置有助于并且特别是在被一起采用时甚至可以消除对下述方面的
需求：在钻机的定位之后或者甚至是在钻机的或用于导引梁的背向钻
机的一端的支承件(例如匣仓)的无意移动之后，相应地调节导引梁
以及/或者调节抓持单元和摆臂上的与导引梁配合的装置。
在第一位置中，抓持单元定位成用于分别接合第一钻柱部件的端
部和接合第二钻柱部件的端部。在第二位置中，抓持单元定位成以分
别与待被引入至所述有效钻柱位置以及待从所述有效钻柱位置移除
的钻柱部件的端部对准的方式进行接合。
适当地，导引梁特别地出于生产的原因而具有直线延伸部。
本发明还涉及一种包括旋转器装置的凿岩钻机以及根据以上内
容的操纵装置，该旋转器装置用于钻柱的旋转和驱动并且由进给梁支
承成能够来回移动。
现在将通过实施方式并且参照附图更详细地描述本发明。
附图说明
图1以侧视图的方式示出了用于取芯钻探的凿岩钻机，该凿岩钻
机设置有根据本发明的操纵装置并且设置成与用于钻柱部件的匣仓
相关，
图2示出了与图1对应的侧视图，其中，操纵装置的设备处于另
一位置，
图3a和图3b以两个不同的立体图的方式示出了属于操纵装置的
抓持器穿梭件。
具体实施方式
图1示出了用于取芯钻探的凿岩钻机的进给梁2，进给梁2能够
以不同的角度进行调节。钻机包括旋转装置4，旋转装置4支承在进
给梁2上以来回地移动。在旋转装置4的下方(在图中)设置有用于
在需要时暂时保持钻柱的管保持器5。
在进给梁2旁边设置有提升绞车(未示出)以及(未示出的)用
于向凿岩钻机提供压力流体等的动力驱动套件。匣仓6设置成用于接
纳钻柱部件(用中断线8表示)，所述钻柱部件将以下述方式被带入
到凿岩钻机中以及从凿岩钻机取出。
匣仓6可以以各种方式构造，但是在图1中示例性地呈大体水平
的工作台的形式，匣仓6能够斜置以使得钻柱部件8可以朝向用于接
纳钻柱部件8的摆臂7滚动。
在图1中，还用点划线8”表示了在提升阶段期间处于下述位置
的钻柱部件：该位置为相对于进给梁2的倾斜位置。
图1中的该线8”意在示出提升阶段期间的中间位置，该提升阶
段以钻柱部件处于与凿岩钻机的有效钻柱位置同轴的位置结束。提升
借助于螺纹连接在钻柱部件的最上部的提升柱塞(25，见下文)来执
行。在此过程期间，提升柱塞又连接至提升绳索(未示出)，该提升
绳索越过进给梁的最上部的绳索轮(未示出)并且其中，该提升绳索
的第二部分以与进给梁2基本平行的方式延伸至设置在动力驱动套
件3的区域中的绞车(未示出)。
此外，图1示出了提升柱塞25由抓持单元11抓持并且螺纹连接
到处于钻柱位置的钻柱部件8’的端部。
图1还示出了所述端部从旋转装置4突出以使得此钻柱部件8’
处于有效钻柱位置A。钻柱部件8’具有用于与柱塞25上的对应公螺
纹接合的母螺纹。
将另一、第二钻柱部件8”螺纹连接在第一钻柱部件8’上、用于
延长钻柱以随后降低到钻孔中与用于提升柱塞的螺纹连接的方法基
本上对应。见下文。
抓持单元11在图1中被示出为处于第一位置，在该第一位置中
由抓持单元11限定了抓持位置，并且该第一位置提供了抓持位置轴
线G(见图1中的虚线)，抓持位置轴线G与所述有效钻柱位置A同
轴。
此外，在此图中更详细地示出了导引梁19，导引梁19设置成为
处于所支承的钻柱部件8的向上摆动递送位置中的摆臂7提供止动。
此外，导引梁19为处于其第二位置的抓持单元11提供止动。用于支
承钻柱部件的呈“斜槽”的形式的支承装置用7’表示。
抓持单元11由摆动单元18支承，摆动单元18附接至钻机并且
支承抓持单元11以使抓持单元11绕第一摆动轴线A1在图1中所示
的位置(第一位置)与向外摆动位置(第二位置)之间摆动，第二位
置将在下面进行描述。抓持单元11不是本申请的主题，并且因此在
这里不进行详细地描述。
在已将另一钻柱部件带到处于位置A的现有的钻柱部件(而非图
1中的提升柱塞25)的上方的位置中之后，钻柱部件通过旋转装置被
螺纹连接在一起，于是，接头惯常地最终通过旋转器装置4拧紧。随
后，钻柱部件可以通过放松提升绳索来降低(当然，当钻柱已通过钻
探下沉时，以相同的方式执行接合)。
随后，钻柱被降低至图1中所示的位置，借此，下一个钻柱部件
已到达用8’表示的位置，其中，钻柱部件8’的端部从旋转器装置4
向外突出并且提升柱塞25位于此钻柱部件上方。该提升柱塞现将从
钻柱释放。
提升柱塞25为回转装置并且因此具有两个能够相互旋转的部分，
即接合部和提升部，其中，该接合部在最下面的自由端部处设置有公
螺纹，该公螺纹指向钻柱部件，该提升部在最外面设置有用于与如以
上所描述的提升绳索配合的吊耳。
图2示出了所述摆动单元18已使抓持单元11和所支承的提升柱
塞25摆动至第二位置，在该第二位置中，抓持位置被对准成与由连
接至所述匣仓6的摆臂7支承的钻柱部件8配合。抓持单元11的该
确定位置通过导引梁19来确保，该导引梁形成用于处于所述第二位
置的抓持单元11的摆动运动的机械止动件。此处，提升柱塞现将螺
纹连接至钻柱部件8，钻柱部件8在释放抓持单元之后将由提升绳索
自由地提升。
图2还示出了摆臂7已绕第二摆动轴线A2向上摆动至递送位置，
其中，对应地，导引梁19为用于处于递送位置的摆臂7的摆动运动
的机械止动件。
导引梁19设置有用于能够驱动地移置抓持器穿梭件(shuttle)
40的纵向导引件42。枢轴43具有与第一摆动轴线A1和第二摆动轴
线A2基本平行的枢转轴线以允许枢轴43在包括钻柱位置和递送位
置的相同平面中摆动。
导引抓持器设置成使得：该导引抓持器在抓持所述钻柱部件8之
后，引导所述钻柱部件8的自由端部以控制钻柱部件8在提升过程期
间的运动并且将该自由端引导成与钻机中的钻柱位置A对齐。通过
启用导引抓持器来抓持钻柱部件并且使抓持器穿梭件运转，导引抓持
器设置成使得导引抓持器在自身不被旋转地控制的情况下依循枢转
运动。然而，为了进行引导以使导引抓持器进入用于抓持钻柱部件的
正确位置——一方面为如图2中所示的最外位置、另一方面为与进给
梁相邻的靠内位置，必须执行导引抓持器绕枢轴43的轴线的有效旋
转控制。这通过使设置有用于导引抓持器41的旋转致动器的抓持器
穿梭件来适当地完成，所述旋转致动器可以呈液压缸的形式或者可以
为任何其他本身已知类型的旋转致动器种类，从而在根据上文的两个
端位置之间进行起作用。
再次参照图2，示出了抓持器穿梭件40及其导引抓持器41处于
第一位置(用实线表示)——即处于导引梁的第一最外位置——以在
此处抓持钻柱部件8的意在用于提升的第一端部，钻柱部件8的另一
端部意在与提升柱塞等螺纹接合以与所述提升绞车配合。
在中间位置中示出了用附图标记40’——在图1和图2中用虚线
——表示的抓持器穿梭件，该抓持器穿梭件正在引导钻柱部件8”。
用附图标记40”、在图2中用虚线表示的抓持器穿梭件还被示出
为处于第二位置——即处于导引梁的靠近进给梁2的第二靠内位置。
此处，抓持器穿梭件与导引抓持器41一起设置成将所述被抓持的钻
柱部件在钻柱位置的区域中对齐。通常，这种对准可以凭借对准辅助
工具(此处未示出)来执行，对准辅助装置通常设置在进给梁处并能
够来回移动以将钻柱部件的正在移入的下端引导进来。
在图3a和图3b上以更大比例示出了抓持器穿梭件40，抓持器穿
梭件40能够沿着纵向导引件42在导引梁19上驱动地移位。抓持器
穿梭件包括导引抓持器41，导引抓持器41设置成绕枢轴43枢转以
引导钻柱部件的第一端部。抓持器穿梭件40还承载用于对驱动轮44
进行驱动的驱动马达45，驱动轮44与导引梁19上的传动履带46配
合。驱动轮44由框架状的保持器47支承，保持器47借助于动力单
元48而能够相对于抓持器穿梭件40的本体移位。保持器47绕轴线
49枢转，这允许通过改变提供至动力单元的静态压力/驱动压力来使
驱动轮与传动履带断开接合以及使驱动轮对传动履带的接触压力发
生压力改变。断开接合允许抓持器穿梭件沿着纵向导引件基本自由地
移动。根据所示实施方式的驱动轮为靠着基本平坦的传动履带作用的
气动轮。如图3a中所示，传动履带设置有具有短平部的表面结构，
所述短平部具有变化的高度以增大驱动轮与传动履带之间的摩擦力。
导引梁具有纵向导引件42，纵向导引件42呈纵向形式并且沿不
同的方向侧面面向设置在导引梁上的导引带。抓持器穿梭件包括导引
装置，所述导引装置呈与导引带配合的一组成对的导引辊50的形式，
导引辊50接合在导引带的每一侧上并且在沿导引梁的纵向方向观察
时彼此相距一定距离。
导引抓持器41定位在包括外臂部52的臂上，外臂部52通过枢
轴销43与内臂部51枢转地连接，内臂部51又通过轴49与抓持器穿
梭件的主要部分枢转地连接。这与保持器47绕其枢转的轴线是同一
轴线49，但是不同的是，保持器47的运动与内臂部51的运动之间
没有联系。
内臂部51摆动的能力除了受下摆动限制止动件(未示出)的约
束外是不受约束的。然而，在内臂部与外臂部之间存在动力单元53，
其起作用以确保导引抓持器在第一位置与第二位置之间摆动，该第一
位置用于抓持处于钻柱位置的钻柱部件，该第二位置用于抓持处于递
送位置的钻柱部件摆动。这允许通过动力单元53来跟随被抓持的钻
柱部件并对导引抓持器41进行指引。在内臂部与外臂部之间设置有
可调节的端位置限制装置54，端位置限制装置54用于将导引抓持器
调节成抓持处于第一位置、即钻柱位置的钻柱部件。具有一个下述臂
的布置是有利的：该臂包括相互枢转以将导引抓持器连接至抓持器穿
梭件的内臂部和外臂部，原因在于这种布置由于各臂部之间的受控枢
轴接头可以允许一定的灵活性而允许系统中的柔软度并且由此允许
对在操作期间会普遍存在的相对较大的力的一定的阻尼作用。由此，
可以避免导引抓持器与抓持器穿梭件之间的刚性连接。
导引抓持器41能够进行调节以适应不同尺寸的钻柱部件。这可
以通过适应板55来实现，适应板55具有V形接纳端部56，接纳端
部56根据选择以不同的方式应用，从而以不同的方式限制用于所抓
持的钻柱部件的接纳空间59。如何可以根据需要应用调节板55的一
个示例为将调节板55设置成具有大量组的对齐的孔，其中，每组对
齐孔在所述每组对齐孔与设置在导引抓持器的侧部上的导引销配合
时与特定的设定对应。
57表示同步致动的夹爪，并且58表示用于操纵该夹爪的动力缸。
再次参照图1和图2。导引梁枢转地附接在与第一摆动轴线A1
的区域相关的第一枢转轴线L1处，优选的是使得第一枢转轴线L1
与第一摆动轴线A1同轴。导引梁19还枢转地附接在与第二摆动轴
线A2的区域相关的第二枢转轴线L2处，优选的是使得第二枢转轴
线L2与第二摆动轴线A2同轴。由此，由于在将用于导引梁的位于
背向进给梁的端部处的支承件(诸如匣仓6)锚定至地面时，导引梁
在钻机的调节之后将自动具有适当的方向，因此在不要求应用复杂的
测量方法以简单的方式对钻机进行设立和重新定位时，获得了用于摆
臂和抓持单元的摆动运动的止动的期望基准。
如在图中明显地且被示出的，在所示实施方式中以及在凿岩钻机
的所示设定的情况下，摆臂和抓持单元在竖向平面中或至少在包括钻
机中的钻柱位置A的轴线的平面中、或者在与这种平面平行的平面
中摆动，借此，轴线A1和A2是(基本)水平的。如果需要将进给
梁定位成横向地倾斜，则当然应需要相应地使轴线A1和A2以及L1
和L2具有对应的斜度。
随后，钻柱被进一步提升以使得下一个钻柱部件其端部自身处于
图1中所示的位置，于是，抓持单元11开始起作用并且与旋转装置
14一起抓持最上部的钻柱部件，并且通过第一组抓持器12抓持下一
个钻柱部件(“第一”)以用于与旋转装置14对准，旋转装置14被驱
动以进行该钻柱部件的受控的螺纹断开连接。
随后，由此释放的钻柱部件由所述导引抓持器抓持，该被释放的
钻柱部件在提升绳索被以受控的方式放松的同时通过抓持器穿梭件
40的运动而被带离进给梁2，并且使其下端部一起离开与有效钻柱位
置平行的位置，使得钻柱部件最终到达递送位置。此处，该被释放的
钻柱部件和提升柱塞可以由抓持单元11的抓持器抓持以用于使提升
柱塞断开螺纹连接。现在进行对用于接纳钻柱部件的摆臂7的提升，
并且当完成断开螺纹连接时，摆臂可以被降低以将所支承的钻柱部件
运走至匣仓等。随后，可以根据需要多次重复该过程。
导引梁可以附接有枢轴销，所述枢轴销为用于所述摆动轴线的销
的共用元件。分别与钻机/进给梁以及支承件/匣仓面对面的紧固可以
由螺钉装置通过焊接等来设置。纵向引导件可以包括诸如H形梁、I
形梁等的凸缘的侧边缘之类的导引梁上的外部部分。另外，其他导引
解决方案属于本发明的范围内。
在本发明的操纵装置的简化形式中，导引梁还可以放置成与进给
梁和钻机无关。在此形式中，抓持器穿梭件也可以实现其主要目的：
1)在向钻柱添加钻柱部件的过程期间引导由提升绳索提升的钻柱部
件的下端部，并且最后将该钻柱部件引入至钻柱位置，
2)在从钻柱中移除钻柱部件的过程期间，取出处于钻柱位置且通过
提升绳索从钻柱位置提升的钻柱部件的下端部并引导该下端，并且
最后将钻柱部件定位在匣仓等上。