用于鉆柱的頂部驅(qū)動器的制造方法
【專利說明】用于鉆柱的頂部驅(qū)動器
[0001]本發(fā)明涉及一種用于鉆柱的頂部驅(qū)動器，該頂部驅(qū)動器包括具有齒輪殼體的齒輪單元，該頂部驅(qū)動器包括在所述齒輪單元內(nèi)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線可旋轉(zhuǎn)地安裝的主軸，其中鉆柱能夠耦接到主軸，其中，齒輪單元包括軸向主軸承，軸向主軸承具有下部主軸承部件和上部主軸承部件，所述上部主軸承部件相對于下部主軸承部件繞旋轉(zhuǎn)軸線可旋轉(zhuǎn)，其中，主軸直接或間接地接觸上部主軸承部件并且下部主軸承部件直接或間接地接觸齒輪殼體，并且其中齒輪單元包括軸向輔助軸承，軸向輔助軸承具有下部輔助軸承部件和上部輔助軸承部件，所述上部輔助軸承部件相對于下部輔助軸承部件圍繞旋轉(zhuǎn)軸線可旋轉(zhuǎn)，其中下部輔助軸承部件直接或間接地接觸主軸，并且上部輔助軸承部件直接或間接地接觸齒輪殼體。
[0002]這種頂部驅(qū)動器器尤其用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動并且用于降低和升高鉆柱。為了該目的，鉆柱通常通過螺紋連接以旋轉(zhuǎn)固定的方式與主軸耦接。在操作期間，借助導(dǎo)向滑塊在桅桿(mast)中引導(dǎo)頂部驅(qū)動器。在操作期間，經(jīng)由導(dǎo)向滑塊將反作用力矩引入到桅桿中。
[0003]滑輪配置通常用來降低和升高頂部驅(qū)動器并且因此降低和升高鉆柱，其中滑輪配置保持在桅桿的上端部并且例如通過安裝架與頂部驅(qū)動器相連接。
[0004]為了實現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)致動，齒輪單元與至少一個電動或液壓驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)馬達相連接。
[0005]由于鉆柱與主軸固定連接，所以對頂部驅(qū)動器的齒輪單元的齒輪殼體中主軸的軸承提出了較高的要求。特別地，必須為主軸設(shè)置軸向軸承，該軸向軸承適合將存在于具有工作頭的鉆柱中的質(zhì)量引入到殼體中。此外，軸向軸承也必須永久地承受在鉆孔操作期間發(fā)生的動力載荷。
[0006]在已知構(gòu)造的頂部驅(qū)動器中，主軸的軸向軸承包括軸向主軸承。軸向主軸承形成為圓錐滾子軸承。軸向主軸承的下部主軸承部件抵靠殼體，主軸通過徑向凸緣支撐在軸向主軸承的上部主軸承部件上。
[0007]為了實現(xiàn)軸向軸承的長使用壽命，應(yīng)避免軸承滾子與上部軸承部件和下部軸承部件之間的間隙。為了該目的，在已知的頂部驅(qū)動器中設(shè)置有彈簧單元，所述彈簧單元將上部輔助軸承部件壓靠在滾動元件上。
[0008]然而，已經(jīng)表明盡管具有以這種方式作用的預(yù)加載，軸向主軸承可能受到意想不到的高磨損(特別是在壓力下鉆孔時)。彈簧組件因此被擠壓在一起。軸承間隙存在于下部軸承中。因此，不能確保主軸承的滾子均勻地滾動。
[0009]因此，本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種通用頂部驅(qū)動器，該通用頂部驅(qū)動器減少軸向軸承上的磨損并且具有較長的使用壽命。
[0010]該目的通過權(quán)利要求1所述的頂部驅(qū)動器和權(quán)利要求9所述的方法得以實現(xiàn)。
[0011]在根據(jù)本發(fā)明的頂部驅(qū)動器中，在上部輔助軸承部件與齒輪殼體之間和/或在下部輔助軸承部件與主軸之間和/或在下部主軸承部件與齒輪殼體之間和/或在上部主軸承部件與主軸之間設(shè)置主動壓力生成裝置。在上部輔助軸承部件和齒輪殼體之間的主動壓力生成裝置的布置是優(yōu)選的。
[0012]“主動壓力生成裝置”是指壓力生成裝置，通過該壓力生成裝置，可以施加可變的并且因此對于不同的操作條件可調(diào)節(jié)的壓力。由于根據(jù)本發(fā)明的頂部驅(qū)動器的開發(fā)，因此能夠調(diào)節(jié)預(yù)加載，在此情況下軸向主軸承和輔助軸承被操作到不同的操作條件。預(yù)加載例如可以根據(jù)轉(zhuǎn)速或者作用在主軸上的拉伸力或壓縮力設(shè)置，使得軸向主軸承和輔助軸承至少在幾乎最優(yōu)(壓力)條件下操作。此外，可以在不使用墊片等的情況下平衡公差。此外，由于可以通過壓力生成裝置的未加壓設(shè)定在齒輪殼體內(nèi)產(chǎn)生開口空間，所以簡化了軸向主軸承的維護和安裝。主動壓力生成裝置可以設(shè)置來代替彈簧組件。因此，改造現(xiàn)有的頂部驅(qū)動器是可行的。
[0013]在優(yōu)選的實施例中，主動壓力生成裝置包括能夠由液壓或氣壓加壓的活塞。優(yōu)選設(shè)置由液壓加壓的活塞，這是由于這能夠持久地用來驅(qū)動頂部驅(qū)動器的馬達和/或使用頂部驅(qū)動器的鉆孔裝置的其它部件。
[0014]在第一實施例中，活塞可以是作用在上部輔助軸承部件上的環(huán)形活塞。為了活塞的致動，通入到其中安裝活塞的環(huán)形空間中的單通道就足夠了。
[0015]在第二優(yōu)選實施例中，設(shè)置作用在上部輔助軸承部件上的多個圓柱形活塞。雖然該第二實施例由于多個構(gòu)件和通向用于各個活塞的各缸體所需要的多個通道而成本更高，然而有利的是，上部輔助軸承部件和/或殼體的從完全平行位置到另一個位置的任何傾斜能夠被自動補償，而在環(huán)形活塞中這可能會導(dǎo)致上部輔助軸承部件和/或殼體在環(huán)形空間中傾斜。
[0016]在根據(jù)本發(fā)明的頂部驅(qū)動器的第三實施例中，主動壓力生成裝置包括至少一個壓電元件。產(chǎn)生預(yù)加載的軸向主軸承然后可通過施加到壓電元件上的電壓水平的變化，被調(diào)節(jié)到包括頂部驅(qū)動器的鉆孔裝置所在的各個操作條件。如果頂部驅(qū)動器具有電動的驅(qū)動馬達，則壓力生成裝置的該實施例是特別優(yōu)選的。
[0017]無論該壓力生成裝置是液壓地、氣動地、壓電地或是以其它方式操作的，優(yōu)選地設(shè)置壓力控制裝置，其中通過該壓力控制裝置，由主動壓力生成裝置生成的壓力在頂部驅(qū)動器的操作期間也能夠改變。由于該措施，軸向主軸承的預(yù)加載可以調(diào)節(jié)到不同的操作條件，而無需為此中斷頂部驅(qū)動器的操作。此外，下面的不同操作條件是可以設(shè)想的，其中這些不同操作條件為了減少磨損并且增加軸向主軸承的使用壽命需要改變由壓力生成裝置施加的壓力:
[0018]1.在頂部驅(qū)動器的運輸和存放期間施加較小的壓力以產(chǎn)生較小的預(yù)加載。將壓力設(shè)置為足以避免可能導(dǎo)致軸承損壞的軸向主軸承運動的盡可能低的水平。在液壓或氣動致動壓力生成裝置的情況下，可以通過所連接的壓力存儲器在頂部驅(qū)動器的運輸和存放期間維持該壓力。如果壓力生成裝置包括一個(或多個)壓電元件，則可以放置諸如電池等電壓源來使用。
[0019]2.當(dāng)包括根據(jù)本發(fā)明的頂部驅(qū)動器的鉆孔裝置處于“正?！便@孔操作中，可以選擇通常比運輸和存放期間的接觸壓力高的另一接觸壓力。在此特別指這樣的鉆孔操作:其中，盡管通過頂部驅(qū)動器的降低而推進，鉆柱仍懸掛在主軸上。然后，通過施加的液壓或氣壓或者施加的電流來設(shè)定由壓力生成裝置生成的壓力，使得根據(jù)經(jīng)驗在正常操作時作用在主軸上的動力載荷不會在軸承中造成有損害的運動。
[0020]3.如果鉆機的下降受到例如土層中不期望的堅硬巖石的抑制，則這可能導(dǎo)致鉆柱不再懸掛在主軸上，而是頂部驅(qū)動器通過主軸在鉆柱上施加壓力。在這種情況下，通過增大施加的液壓或氣動壓力或者施加的電流，將由壓力生成裝置生成的壓力提高到如下水平，其中借助主軸的軸向輔助軸承向下按壓的壓力大于頂部驅(qū)動器向下按壓主軸所用的壓力。因此，進一步可靠地避免了軸承間的有害間隙。
[0021]4.頂部驅(qū)動器和鉆柱之間的特殊壓力峰值可能在所謂的“震擊操作(jarringoperat1n)”中出現(xiàn)。如果鉆柱配備有所謂的“震擊器(bumper jar) ”，則可以選擇這種操作方式。借助震擊器，鉆柱的上部部件的下端部可以相對于鉆柱的下部部件可選地夾緊或松開。然后，鉆柱的上部部件和下部部件構(gòu)造成使得在這兩個部件之間形成擋塊。如果鉆柱的下部部件或附裝到鉆柱的鉆孔工具卡在孔中，則鉆柱可以通過頂部驅(qū)動器而被置于張力作用下。在松開震擊器之后，鉆柱的上部部件的下端部快速地升至擋塊，并因此在鉆柱的下部部件以及可能固定到鉆柱的鉆孔工具上施加沖擊力，通過該沖擊力釋放鉆柱或鉆孔工具。結(jié)果，可能在軸向主軸承中產(chǎn)生較大的動態(tài)力，尤其是能夠?qū)е螺S承部件升高和后續(xù)碰撞的那些力。因此總是避免震擊操作。然而，如果由于事先未預(yù)料到堵塞震擊操作不可避免，那么通過根據(jù)本發(fā)明的頂部驅(qū)動器借助壓力生成裝置可以在軸向主軸承中產(chǎn)生最大容許預(yù)加載，以便將損壞危險降低到技術(shù)上可行的最低程度。
[0022]除了設(shè)置壓力控制裝置以外，同樣還能設(shè)置壓力調(diào)節(jié)裝置，其中通過該壓力控制裝置，由主動壓力生成裝置生成的壓力對于不同的操作條件是可調(diào)節(jié)的，并且其中通過壓力調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)沿旋轉(zhuǎn)軸線方向作用在主軸上的力調(diào)節(jié)由主動壓力生成裝置產(chǎn)生的壓力。為了該目的，可以在主軸中、在鉆柱中和/或在設(shè)置于鉆柱上的鉆孔工具中設(shè)置力傳感器，所述力傳感器檢測作用在主軸上的力的方向和大小。也可以檢測更多操作變量，諸如主軸操作時的轉(zhuǎn)速、經(jīng)由主軸傳遞的轉(zhuǎn)矩等。調(diào)節(jié)裝置然后優(yōu)選地以如下方式根據(jù)預(yù)設(shè)依賴關(guān)系調(diào)節(jié)作為檢測值的函數(shù)的由主動壓力生成裝置產(chǎn)生的壓力，使得不期望軸向主軸承中的運動，然而通過較高的預(yù)加載避免對軸向主軸承的部件過度壓力載荷。
[0023]現(xiàn)在將參照附圖更詳細地闡述本發(fā)明。其中:
[0024]圖1以局部剖面?zhèn)纫晥D(垂直于主軸的旋轉(zhuǎn)軸線的視圖)示出了屬于現(xiàn)有技術(shù)的典型頂部驅(qū)動器；
[0025]圖1a以放大圖示出了圖1中的細節(jié)I ;
[0026]圖2以對應(yīng)于圖1的表示示出了根據(jù)本發(fā)明的頂部驅(qū)動器的第一實施例；
[0027]圖2a示出帶有液壓框圖的圖2中的細節(jié)II ；
[0028]圖2b從上方示出了在根據(jù)圖2的視圖中的主動壓力生成裝置的活塞的單獨表示;
[0029]圖3在對應(yīng)于圖2的視圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的頂部驅(qū)動器的第二實施例；
[0030]圖3a示出了帶有液壓框圖的圖3中的細節(jié)III;
[0031]圖3b從上方示出了在根據(jù)圖3的視圖中的主動壓力生成裝置的多個活塞的單獨表不；并且
[0032]圖4示出了液壓框圖的放大圖。
[0033]在圖1中作為整體用100標記的頂部驅(qū)動器包括齒輪單元1，該齒輪單元具有齒輪殼體2。在齒輪殼體2中，主軸3圍繞旋轉(zhuǎn)軸線D可旋轉(zhuǎn)地安裝。主軸3設(shè)置有外嚙合的直齒輪，由于直齒輪被齒輪殼體的一部分遮蓋，所以直齒輪在附圖中不可見，通常以液壓或電動方式驅(qū)動的驅(qū)動馬達被耦接到該直齒輪上，該驅(qū)動馬達在附圖中同樣不可見。
[0034]主軸3通過上部徑向軸承4并且通過下部徑向軸承5徑向地安裝在齒輪殼體2中。軸向主軸承6設(shè)置在上部徑向軸承4和下部徑向軸承5之間。軸向主軸承包括置于齒輪殼體2的凸緣8上的下部主軸承部件7。軸向主軸承還包括上部主軸承部件9，該上部主軸承部件通過錐形滾子10被支撐在下部主軸承部件7上。
[0035]主軸3通過徑向凸緣11抵靠上部主軸承部件9。因此，根據(jù)圖1，主軸借助軸向主軸承從下方固定以避免移位。
[0036]從圖1中可見，軸向主軸承6與其它軸承相比尺寸較大，這是因為在操作時軸向主軸承6尤其必須承受圖中未示出的與主軸3相連接的鉆柱的重力。<