水平定向钻机上卸杆装置和水平定向钻机的制作方法

1.本技术涉及在井眼外搬运钻杆的技术领域，具体涉及一种水平定向钻机上卸杆装置和水平定向钻机。


背景技术：

2.水平定向钻进技术是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工结合在一起的施工新技术，以其施工速度快、精度高、成本低的特点，广泛地应用于供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管道铺设工程领域。水平定向钻机的施工过程是通过动力头的旋转和推拉而使钻头穿越地层。钻头穿过后形成的连续柱状空间为钻柱。钻柱在空间上的加长，通过逐段增加钻杆而实现，钻柱在直径上的加大是通过回拖扩孔钻头而逐级实现，即需要在动力头部拆减钻杆，而实现扩孔钻头在钻柱内的逆向移动。
3.钻机需频繁的上钻杆、卸钻杆，目前水平定向钻机大都配置随车吊机或机械手来辅助上卸钻杆。为确保钻杆与动力头装置主轴同心，一般会在大梁上布置一个钻杆承托装置装置，起引导定位钻杆作用。上钻杆由吊机或机械手先将钻杆放到托架装置上，接着通过动力头前进及主轴旋转以实现主轴拧入钻杆。卸钻杆过程与之相反。
4.水平定向钻机的上钻杆和卸钻杆的过程中，动力头主轴拧入或拧出钻杆前，钻杆需固定，一般通过钻杆承托装置和机械抓手共同作用以实现钻杆的固定。在钻杆承托装置和机械抓手共同作用期间，由于钻杆承托装置承托钻杆的角度，和机械抓手抓住钻杆的角度可能不同，例如，如果钻杆已经完全放置在钻杆承托装置上且与机械抓手完全脱离之后，与水平面的夹角是10
°
，而机械抓手抓住钻杆的角度是10.5
°
，二者角度不同，在钻杆承托装置和机械抓手共同作用时，钻杆承托装置、机械抓手和钻杆就要承担额外的偏载力。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术的第一方面提供了一种水平定向钻机上卸杆装置，解决了背景技术中钻杆承托装置的中心线和机械抓手中心线不同心的问题。
6.本技术的第一方面提供的水平定向钻机上卸杆装置，包括：吊机底座；机械臂，一端安装在所述吊机底座上；以及钻杆机械抓手，安装在所述机械臂的自由端，包括：取放组件，构造为取放钻杆；以及抓手倾角自由摆动组件，与所述取放组件连接，安装在所述机械臂的所述自由端，且允许仅仅在所述钻杆受到钻杆承托装置的支持力和所述钻杆的重力所产生的旋转力矩作用下改变所述取放组件的俯仰。
7.本技术的第一方面提供的水平定向钻机上卸杆装置，通过在钻杆机械抓手中设置抓手倾角自由摆动组件，允许仅仅在钻杆受到钻杆承托装置的支持力产生的旋转力矩作用下改变取放组件的俯仰。可以在将钻杆放在钻杆承托装置上的时候，并不去主动地控制取放组件的俯仰，利用钻杆承托装置对钻杆的支持力控制钻杆的角度，使得钻杆的实时角度与取放组件和钻杆承托装置的相对位置匹配。避免了在将钻杆放入钻杆承托装置或从钻杆承托装置中取出时，因为取放组件的俯仰角度与取放组件、钻杆和钻杆承托装置三者的相
对位置不匹配而造成钻杆上的偏载力过大的问题。
8.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述抓手倾角自由摆动组件包括：阻尼枢接件，所述阻尼枢接件与所述取放组件连接，所述阻尼枢接件与所述机械臂的所述自由端沿水平轴线阻尼枢接。
9.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，还包括：旋转组件，与所述取放组件和所述抓手倾角自由摆动组件连接，且允许所述取放组件沿第一转动轴线与所述机械臂相对转动，所述第一转动轴线与第一方向平行或二者的夹角为锐角，所述第一方向为所述取放组件在机械臂的驱动下与所述钻杆相对远离的方向。
10.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述旋转组件包括：主动旋转组件，包括：驱动部，与所述抓手倾角自由摆动组件连接；以及输出部，与所述取放组件连接。
11.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述旋转组件包括：被动旋转组件，包括：第一传动件，构造为与所述抓手倾角自由摆动组件连接；以及第二传动件，与所述取放组件连接；所述被动旋转组件构造为，在第一状态和第二状态之间切换，所述第一状态时，所述第一传动件和所述第二传动件周向转动连接；所述第二状态时，所述第一传动件和所述第二传动件周向固定连接。
12.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述取放组件包括：吸引件，构造为吸引所述钻杆。
13.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述吸引件包括：第一电磁体，构造为在所述第一方向上将所述钻杆吸附在所述取放组件上，或将所述钻杆从所述取放组件上释放。
14.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述取放组件还包括：导向件，位于所述取放组件的下部，构造为将所述钻杆导向至所述取放组件。
15.本技术的第二方面的目的在于提供一种水平定向钻机，解决了背景技术中的钻杆承托装置的中心线和机械抓手中心线不同心的技术问题。
16.本技术第二方面提供的一种水平定向钻机，包括钻机本体和上述任一种实现方式中所述的水平定向钻机上卸杆装置，所述钻机本体构造为承接所述水平定向钻机上卸杆装置放入的钻杆。
17.本技术的第二方面提供的水平定向钻机，由于包括了上述任一实现方式中的水平定向钻机上卸杆装置，因此具有了上述任一项水平定向钻机上卸杆装置的技术效果，在此不再赘述。
附图说明
18.图1所示为本技术一实现方式提供的水平定向钻机上卸杆装置的结构示意图。
19.图2所示为本技术一实现方式提供的水平定向钻机上卸杆装置中的钻杆取放机构的结构示意图。
20.图3所示为图1所示的实现方式提供的水平定向钻机上卸杆装置将钻杆放置在钻杆承托装置上的示意图。
21.图4所示为本技术一实现方式提供的水平定向钻机上卸杆装置中的钻杆取放机构中的取放组件的前视图。
22.图5所示为图4所示的取放组件的左视图。
23.图6所示为图4所示的实现方式提供的钻杆取放机构的取放组件用来吸取钻杆的示意图。
24.图7所示为图1所示的实现方式提供的水平定向钻机上卸杆装置在抓取钻杆后搬运途中的示意图。
25.图8所示为本技术一实现方式提供的水平定向钻机的示意图。
具体实施方式
26.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
27.图1所示为本技术一实现方式提供的水平定向钻机上卸杆装置的结构示意图。图2所示为本技术一实现方式提供的水平定向钻机上卸杆装置中的钻杆取放机构的结构示意图。图3所示为图1所示的实现方式提供的水平定向钻机上卸杆装置将钻杆放置在钻杆承托装置上的示意图。如图1、图2和图3所示，该水平定向钻机上卸杆装置，包括：吊机底座；机械臂，一端安装在吊机底座上；以及钻杆机械抓手，安装在机械臂的自由端，包括：取放组件30，构造为取放钻杆70；以及抓手倾角自由摆动组件，与取放组件30连接，构造为安装在机械臂80上，且允许仅仅在钻杆70受到钻杆承托装置的支持力所产生的旋转力矩作用下改变取放组件30的俯仰。
28.该水平定向钻机上卸杆装置，通过在钻杆机械抓手中设置抓手倾角自由摆动组件，允许仅仅在钻杆70受到钻杆承托装置的支持力产生的旋转力矩作用下改变取放组件30的俯仰。可以在将钻杆70放在钻杆承托装置上的时候，并不去主动地控制取放组件30的俯仰，利用钻杆承托装置对钻杆70的支持力控制钻杆70的角度，使得钻杆70的实时角度与取放组件30和钻杆承托装置的相对位置匹配。避免了在将钻杆70放入钻杆承托装置或从钻杆承托装置中取出时，因为取放组件30的俯仰角度与取放组件30、钻杆70和钻杆承托装置三者的相对位置不匹配而造成钻杆70上的偏载力过大的问题。
29.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，抓手倾角自由摆动组件包括：阻尼枢接件10，阻尼枢接件10与取放组件30连接，阻尼枢接件10与机械臂80的自由端沿水平轴线阻尼枢接。具体的，阻尼枢接件10，可以通过增加枢接的部件之间的摩擦力来实现。更具体的，当两个部件枢接时，可以在枢接的二者之间加入摩擦部件的方式实现，诸如，加入橡胶垫圈。
30.通过选用阻尼枢接件10来与取放组件30连接，可以利用阻尼枢接件10自身的摩擦力，产生一定的力矩，当钻杆70的重心并不完全恰好在取放组件30的正下方，但偏离不远时，取放组件30也不会产生明显地倾斜。从而降低了对钻杆70抓取精度的要求，有利于提高抓取钻杆70时的作业效率。
31.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，旋转组件20包括：旋转组件20，与取放组件30和抓手倾角自由摆动组件连接，且允许取放组件30沿第一转动轴线与机械臂80相对转动，第一转动轴线与第一方向平行或二者的夹角为锐角，第一方向为取放组件30在机械
臂80的驱动下与钻杆70相对远离的方向。
32.具体的，在本实施例中，第一转动轴线与第一方向平行。即，取放组件30沿图3所示的垂直于钻杆70的方向脱离钻杆70的，而第一转动轴线也是垂直于钻杆70的，即沿第一转动轴线转动时钻杆70均保持在同一平面内的。或者，将钻杆70放置在钻杆承托装置上之后，取放组件30是沿竖直方向脱离钻杆70的，而第一转动轴线也是竖直方向的。所以二者平行。
33.在另外的可能的实现方式中，取放组件30可以沿竖直方向脱离钻杆70，而第一转动轴线可以是沿图3中的向右上方倾斜的。或者，也可以是第一转动轴线是竖直的，取放组件30脱离钻杆70的方向是沿图3中的向右上方倾斜的。或者，二者都是沿图3的向右上方倾斜的，但是倾斜的角度不同。另外，二者中，也可以有至少一者是向左上方倾斜的，只要夹角满足上述的要求即可。
34.本技术的一个实施例所提供的钻杆取放机构，通过设置旋转组件20，使得取放组件30能够相对于机械臂80进行旋转，而且，旋转的第一转动轴线与第一方向成锐角或平行设置。可以使得钻杆70在被放置在钻杆承托装置上之前进行旋转，其水平位置可以尽量与钻杆承托装置上的托叉92对齐，以尽量减少钻杆70因取放组件30中心线和钻杆承托装置中心线不同心而产生的偏载力。
35.如图2所示，在一种可能的实现方式中，旋转组件20包括：主动旋转组件，包括：驱动部21，与抓手倾角自由摆动组件连接；以及输出部(图中未示出)，与取放组件30连接。具体的，驱动部21，可以选用电动机或液压马达。
36.主动旋转组件还可以包括传动部22，传动部22可以是蜗轮蜗杆传动机构，也可以是齿轮带动弧形齿条或齿轮带动内齿圈的齿轮机构。当采用传动部22进行传动时，输出部可以是传动部22中的与取放组件30连接的部件，诸如弧形齿条或内齿圈，或蜗轮蜗杆机构中的蜗轮。如果不采用传动部22进行传动，直接由电机进行转动，诸如由舵机或伺服电机进行传动，则舵机或伺服电机的输出轴可以作为输出部与取放组件30连接。
37.采用主动旋转组件作为旋转组件20，利用驱动部21与抓手倾角自由摆动组件连接，利用输出部与取放组件30连接，可以主动地控制取放组件30沿第一转动轴线的转动角度。在钻杆70与托叉92接触之前，就可以将钻杆70的角度调整成与钻杆承托装置的托叉92对齐或接近对齐的状态，降低了利用钻杆70与托叉92之间的相对运动进行导向的程度，减小了钻杆70的磨损，也减少了托叉92的磨损，有利于提高钻杆承托装置的使用寿命。
38.将钻杆70放入到托叉92的过程中，可以先利用主动旋转组件进行旋转，带动钻杆与钻杆承托装置的托叉92对齐或尽量对齐，当钻杆70下降到钻杆70的下边缘与托叉92的上边缘等高或接近托叉92时，可以对电动机断电，电动机不再控制转子的角度，使得电动机的转子能够随被动地取放组件30一起转动。如果钻杆70与托叉92并未完全对齐，则可以利用托叉92带动钻杆70进行旋转，该旋转的转动轴线垂直于钻杆承托装置。所以将钻杆70放在托叉92上之后，可以使得钻杆70与两个托叉92的连线在俯视图上对齐。
39.在一种可能的实现方式中，还包括：被动旋转组件(图中未示出)，包括：第一传动件，构造为与输出部连接；以及第二传动件，与取放组件连接；被动旋转组件构造为，在第一状态和第二状态之间切换，第一状态时，第一传动件和第二传动件周向转动连接；第二状态时，第一传动件和第二传动件周向固定连接。
40.具体的，被动旋转组件可以是离合器，离合器接合时，可以锁住第二传动件和第一
传动件，进而使得钻杆70无法沿第一转动轴线。离合器脱开时，第二传动件和第一传动件可以相对旋转，即钻杆70可以沿第一转动轴线摆动。对于伺服电机这种严格控制转子角度的电动机，或者液压马达在非主动驱动状态下阻力较大的情形，可以在输出部上安装离合器，切断对取放组件的动力控制，使得取放组件可以被动旋转。
41.由于用来容纳钻杆70的托叉92具有上大下小的开口，所以，在钻杆70并未与钻杆承托装置完全对齐的情况下，钻杆70接触到托叉92的开口的内侧区域时，会被开口的内表面导向。托叉92的内侧表面对钻杆70施加作用力，该作用力相对于第一转动轴线产生力矩，使得钻杆70发生旋转而对齐。
42.图4所示为本技术一实现方式提供的水平定向钻机上卸杆装置中的钻杆取放机构中的取放组件的前视图。图5所示为图4所示的实的取放组件的左视图。图6所示为图4所示的实现方式提供的钻杆取放机构的取放组件用来吸取钻杆70的示意图。如图4、图5和图6所示，取放组件30包括：吸引件31，构造为吸引钻杆70。
43.在使用时，取放组件30在取放钻杆70时，吸引件31能够对钻杆70进行吸引，使得取放组件30能够稳定地拿取钻杆70，取放组件30拿取钻杆70后，机械臂80带动取放组件30移动至需要的工作位置。其中，钻杆70的拿取过程仅需吸引件31即可完成。在取放组件30需要放下钻杆70时，吸引件31解除对钻杆70的吸引力即可。本实施例避免了以往的钻杆70运输工作中抓取钻杆70工序复杂的问题，并且避免了以往钻杆70转运中采用机械手抓取钻杆70时容易损伤钻杆70的问题，也能够更快更方便地实现钻杆70的转运和卸装工作。
44.具体的，吸引件31可以安装在取放组件30内部，也可以是吸引件31的吸附面露出于取放组件30的下表面，当吸引件31如图3所示露出于取放组件30的下表面时，吸引件31可与钻杆70直接接触，此时对于钻杆70的吸引力最大，钻杆70能够更稳定地被吸附住。取放组件30包括壳体结构，在取放组件30的壳体内装配吸引件31。
45.如图4所示，在一种可能的实现方式中，吸引件31包括：第一电磁体，构造为在第一方向上将钻杆70吸附在取放组件30上，或将钻杆70从取放组件30上释放。
46.采用电磁体作为吸引件31，可以在通电时产生磁性，以吸引钻杆70。当需要释放钻杆70时，电磁铁断电，磁性即可消失，不再对钻杆70有吸引作用。对钻杆70的磁吸力的产生与否，只需通电断电动作即可完成，切换效率高，有利于缩短钻杆取放动作的总体用时。
47.如图4和图5所示，在一种可能的实现方式中，取放组件30还包括：导向件32，位于取放组件30的下部，构造为将钻杆70导向至取放组件30。
48.本实施例在使用时，当钻杆取放机构需要拿取钻杆70时，在吸引件31对钻杆70吸引过程中，导向件32对钻杆70起到导向定位的作用，使得钻杆70更易进入取放组件30的拿取位置并被吸附在取放组件30上，进一步便于钻杆取放机构对钻杆70的拿取工作。具体的，导向件32的中间留有用于容纳钻杆70的区域，该区域可以是吸引件31露出于取放组件30的部分下方的区域，钻杆70进入该区域时，钻杆70被吸引件31吸引而与吸引件31的下表面直接接触。
49.如图5所示，在一些实施例中，导向件32包括：第一导向体321和第二导向体322，其中第一导向体321安装于取放组件30的第一指向上的一侧，构造为从第一指向将钻杆70导向至取放组件30；第二导向体322与第一导向体321相对设置，安装于取放组件30的第二指向上的一侧，构造为从第二指向将钻杆70导向至取放组件30；其中，第一导向体321和第二
导向体322互相呈夹持姿态。
50.本实施例在使用时，参照图4和图6，第一导向体321处于取放组件30底端的左侧，第二导向体322处于取放组件30底端的右侧。第一导向体321和第二导向体322分别从左侧和右侧，将钻杆70导向定位至取放组件30底端的位于第一导向体321和第二导向体322之间的定位区域。钻杆70被吸附在取放组件30上时，第一导向体321和第二导向体322将钻杆70定位在中间，使得该钻杆70取放机构对钻杆70的拿取过程更加稳定，防止了钻杆70在转运过程中出现晃动。
51.本实施例的动作原理为：
52.采用本实施例的钻杆取放机构来取放钻杆70时，可以被机械臂80驱动而移动到需要安装在水平定向钻机上的钻杆70上方。机械臂80的最末一节节臂81下降，使得取放组件30尽量对准钻杆70的重心位置。并且通过旋转组件20的旋转，使得取放组件30的长度方向——即钻杆70位于取放组件30中时钻杆70的长度方向，与，钻杆70的实际方向对准。如果钻杆70的中心线与取放组件30的中心线，在垂直于取放组件30的中心线的水平方向上并未完全对准，可以利用钻杆70与导向件32的接触，使得钻杆70与吸引件31对齐。当取放组件30的吸引件31靠近或接触钻杆70时，电磁体通电，电磁体产生磁性，吸住钻杆70。此时的状态如图5所示。
53.由于钻杆70原来呈水平状态，且取放组件30是在钻杆70的重心处取放的，所以钻杆70在被取放组件30移动过程中，仍然能够保持大致水平的状态。即使有微小晃动，由于抓手倾角自由摆动组件包括阻尼枢接件10，所以可以很快消耗掉晃动时的动能，钻杆70可以尽快恢复稳定。此时的状态如图7所示。
54.钻杆取放机构被机械臂80带动，移动至钻杆承托装置上方，具体的，该钻杆承托装置可以包括至少两个托叉92。主动旋转组件旋转，使得钻杆70在竖直投影上与两个托叉92的连线尽量重叠。机械臂80的最末一节节臂81下降，进而通过带动钻杆70靠近托叉92。在钻杆70与两个托叉92中较为靠上的托叉92接触之前，钻杆70呈大致水平的状态。
55.当钻杆70与两个托叉92中较为靠上的托叉92接触之后，取放机构继续下降。此时，拨叉对钻杆70产生支持力，该支持力相对于抓手倾角自由摆动组件形成力矩，该力矩，使得图示中的钻杆70的左端相对于抓手倾角自由摆动组件向上抬起。所以，钻杆70会在图中相对于机械臂80的最末一节节臂81逆时针旋转，自然，取放组件30也就随着钻杆70一起逆时针旋转。由于并没有油缸带动取放组件30，而且，取放组件30的重心位置距离抓手倾角自由摆动组件的转动轴线，水平距离不大，所以取放组件30角度的改变对于力矩平衡的影响，也可以通过阻尼枢接件10的摩擦阻力的力矩平衡。所以抓手倾角自由摆动组件的转动会完全取决于阻尼枢接件10、钻杆70、托叉92的相对位置。直至钻杆70完全放置在两个托架上，与同样安装在钻杆承托装置上的动力头91和夹持器93对齐。此时的状态如图3所示。
56.当钻杆70与两个拨叉都接触之后，作为吸引件31的电磁体断电，取放组件30可以将钻杆70释放。当钻杆70与取放组件30完全脱离之后，在取放组件30的重力作用下，取放组件30会保持下垂的状态，或接近于下垂的状态。
57.图8所示为本技术另一实现方式提供的水平定向钻机的示意图。如图8所示，该水平定向钻机，包括钻机本体和上述任一种实现方式中的水平定向钻机上卸杆装置，钻机本体构造为承接水平定向钻机上卸杆装置放入的钻杆70。钻机本体包括钻杆承托装置90、动
力头92、夹持器93和底盘94。其中，钻杆承托装置90上设置有托叉91，当托叉91的数量为两个或大于两个时，需要将钻杆70最终放入与这些托叉91的开口中。底盘94上设有升降液压缸95，以将钻杆承托装置90的一端抬起，调整钻杆的角度；动力头91安装在钻杆承托装置90的被抬起的一端，用于连接刚刚放置在钻杆承托装置上的钻杆70，并将其连接到已经钻入地面的钻杆中，并带动这些钻杆70旋转。在水平定向钻机使用时，需要由机械臂80带动取放组件30不断地拿取钻杆70，并将钻杆70运输至水平定向钻机的钻杆承托装置90上，动力头带动钻杆70进行装配。
58.该水平定向钻机，由于包括了上述任一实现方式中的水平定向钻机上卸杆装置，因此具有了上述任一项钻杆取放机构的技术效果，在此不再赘述。
59.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本技术的保护范围之内。