CN110344751B - 一种磁力传动潜水钻机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁力传动潜水钻机，包括：钻头、与所述钻头固定连接的钻机主轴、电机、行星减速器、第一齿轮、第二齿轮、第一轴承组、第二轴承组，还包括磁力传动器，所述磁力传动器连接所述行星减速器和所述钻头，用于将电机输出轴的动力传递给所述钻头的同时，实现对所述潜水钻机的密封。本发明能够有效地传递转矩的同时达到良好的密封效果，极大地提高潜水钻机的电气安全性。

Description

一种磁力传动潜水钻机

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体涉及一种磁力传动潜水钻机。

背景技术

潜水钻机是一种将动力装置、电缆、钻头深入地下水中旋转钻土的灌注桩成孔机械，采用桩孔内的潜水动力装置对钻头施压，进行回转式循环成孔，具有以下优点：钻杆不需要旋转，可大幅减小钻杆的折断，并且可避免因钻杆折断而发生孔内事故；适合正反循环工作；工作时振动小，噪音低；地面管路少，配套设施简单；能耗低，效率高；成孔规则；适用于淤泥、沙层、粘土、风化岩等多种地质，广泛应用于交通、市政、水利、土木及建筑工程的地基基础施工。对于潜水钻机，其相对于其他类型的钻机最大的缺点在于其主要的机械和电气结构要深入到地底，并且工作在具有大量泥浆颗粒等杂质的水体环境中。因此钻机密封发生故障可能性大，有很大几率引起电气安全事故，并且会引起很严重的后果。

目前潜水电机、联轴器及其轴承的密封主要采用机械密封方式，机械密封是依靠一对或几对垂直于轴作相对运动的端面在流体压力和补偿机构的弹力作用下保持接合并配以辅助密封而达到的阻止泄露的轴封装置，又称端面密封，是旋转轴用动密封。

机械密封具有密封可靠、使用寿命长、不需要经常维修、抗震性好、使用范围广等优点。不足之处是，当电机轴开始转动的时候，轴与机壳之间就会出现缝隙，容易产生泄漏，随着下潜深度的增加，水下电机受到的压力越来越大，更容易产生泄漏。也就是说，随着下潜深度的增加，机械密封的密封效果就会大大减弱。

潜水钻机工作环境恶劣，泥浆(水、细颗粒)、流速、扭矩、内部温度变化、冲击、振动等多种因素都会引起所使用的机械动密封损坏。钻机在100米下的含沙泥浆中工作时，外部承受约1MPa的泥浆压力，内部承受几千牛米的扭矩，另外由于孔底情况的不断变化，还有承受不断的跳动冲击和扭矩变化冲击，工作环境相当恶劣。当潜水钻机入水时，外部泥浆压力大于内部机油压力，泥浆可能进入内部。而当工作开始之后，内部油温上升，压力也随之上升，又很容易造成内部机油和绝缘油外泄。而泥浆一旦进入机械内部，将造成电气绝缘破坏，轴承便会很快磨损、散架，进而造成减速器齿轮咬死、错位等严重故障，从而诱发电机故障，水进入电机线圈，产生漏电，引起安全事故。

发明内容

因此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种磁力传动潜水钻机，以有效地传递转矩的同时达到良好的密封效果，以有效地提高潜水钻机的电气安全性。

为了实现上述目的，本发明提供一种磁力传动潜水钻机，包括：钻头、磁力传动器、钻机主轴、电机、行星减速器、第一齿轮、第二齿轮、第一轴承组、第二轴承组；所述第一轴承组支撑所述钻机主轴的上部，所述第二轴承组支撑所述钻机主轴的下部；所述第一齿轮与行星减速器的输出轴固定连接，所述第二齿轮与钻机主轴固定连接，行星减速器的输出轴通过所述第一齿轮驱动钻机主轴上的第二齿轮传动连接；所述电机的输出轴与所述行星减速器的输入轴连接，所述电机将动力通过所述行星减速器传递给所述钻机主轴；钻机主轴上部和下部分别通过所述第一轴承组和第二轴承组支撑，用以承受所述潜水钻机钻进和提钻时产生的力；所述磁力传动器连接所述钻机主轴和所述钻头，用于将电机输出轴的动力传递给所述钻头的同时，实现对所述潜水钻机动力部分的密封。

优选地，所述磁力传动器磁力传动器包括内磁转子、外磁转子和隔离套；所述钻头与外磁转子连为一体，形成传动从动件；所述内磁转子与所述钻机主轴连为一体，形成传动主动件；所述从动件和所述主动件被所述隔离套完全隔离。

优选地，所述外磁转子进一步包括，所述外磁转子进一步包括从动轴、铜盘，所述铜盘与所述从动轴固定连接；所述内磁转子进一步包括驱动轴、永磁体盘，所述永磁体盘与所述驱动轴固定连接；所述永磁体盘位于所述隔离罩的内部，且与所述铜盘相邻设置，所述永磁体盘与所述铜盘之间设置有间隔气隙；所述从动轴的一端固定连接于所述钻头上，所述驱动轴的另一端与所述钻机主轴固定连接。

优选地，所述铜盘与所述永磁体盘之间的间隔气隙的距离可调节。

优选地，所述第一轴承组包括推力向心对称球面滚子轴承、第一双列向心短圆柱滚子轴承及单向推力球轴承，其中所述潜水钻机进行钻进作业时的轴向压力均由推力向心对称球面滚子轴承承受，所述潜水钻机提钻时的向下轴向力由所述单向推力球轴承承受；所述第二轴承组包括第二双列向心短圆柱滚子轴承，钻进作业时若钻头偏心受力，则主轴下部所受偏心力矩产生的径向力由所述第二双列向心短圆柱滚子轴承承受。

优选地，所述磁力传动器包括但不限于筒式永磁对永磁同轴耦合器、筒式永磁对永磁平行轴耦合器、筒式永磁对导体同轴耦合器、盘式永磁对导体耦合器。

优选地，进一步包括电缆以及电缆密封接头，所述电缆密封接头安装在所述隔离套上，以将外部介质与所述隔离套内部隔离，避免外部介质进入所述隔离套内部引起漏电；所述电缆设置端部密封装置，防止外部介质通过端部在所述电缆内纵向渗透；所述电缆为橡胶防水电缆或者铠装电缆。

优选地，所述电缆为橡胶防水电缆时，进一步包括橡胶防水电缆拖拽结构，所述拖拽结构与所述橡胶防水电缆外部连接，以提高所述橡胶防水电缆的耐拖拽能力。

优选地，还包括机械保护结构，所述机械保护结构包括：浮力结构，所述浮力结构与所述所述电缆连接，以避免所述电缆被绞入所述钻头；张力结构，所述张力结构与所述电缆连接，以用于所述电缆被拉直。

优选地，所述电缆的包括接头部分，所述接头部分通过固定保护装置固定在所述潜水钻机的动力头外壳上，以防止所述电缆和所述电缆接头部分的被拉伸破坏。

与现有技术相比，本发明对潜水钻机的密封装置通过优化设计，进行了改进，通过磁力传动的方式，既可有效地传递转矩又可实现良好的密封效果，提高钻机整体的电气安全性。且便于加工、成本低，有利于实现批量化生产。

附图说明

图1为本发明潜水钻机一个具体实施例的示意图。

图2为本发明潜水钻机的磁力传动装置的一个具体实施例的示意图。

图3为本发明潜水钻机的磁力传动装置的一个具体实施例的剖面图示意图。

图4a-4d为本发明潜水钻机的磁力传动装置的四种类型的实施例的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个实施例中，如图1-图2所示，

本发明提供一种磁力传动潜水钻机，包括：钻头1、钻机主轴2、电机3、行星减速器4、第一齿轮51、第二齿轮52、第一轴承组61、第二轴承组62。所述第一轴承组61支撑所述钻机主轴2的上部，所述第二轴承组62支撑所述钻机主轴2的下部；所述第一齿轮51与行星减速器4的输出轴固定连接，所述第二齿轮52与钻机主轴2固定连接，行星减速器4的输出轴通过所述第一齿轮51驱动钻机主轴2上的第二齿轮52传动连接；所述电机3的输出轴与所述行星减速器4的输入轴连接，所述电机3将动力通过所述行星减速器4传递给所述钻机主轴2；钻机主轴上部和下部分别通过所述第一轴承组61和第二轴承组62支撑，用以承受所述潜水钻机钻进和提钻时产生的力；还包括磁力传动器7，磁力传动器7包括内磁转子71、外磁转子72和隔离套73。所述内磁转子71连接所述钻机主轴2；外磁转子72连接所述钻头1，用于将电机输出轴的动力传递给所述钻头。隔离套73把钻机主轴2、电机3、行星减速器4、第一齿轮51、第二齿轮52、第一轴承组61、第二轴承组62、内磁转子71包含进去，隔开泥浆，实现对所述潜水钻机动力部分的密封。隔离套73和钻杆85连接，钻杆85和钻孔孔壁连接，提供钻进时的反作用力。

本发明采用了磁力传动器，磁力耦合器通过磁力作用，使主动转子带动从动转子旋转，从而实现转矩的非直接接触传动。通过隔离套实现了无轴封转矩传递，即把传统轴封的动密封，变为安全、可靠的静密封，从根本上解决了动密封“跑、冒、滴、漏”的技术难题，提高电气安全性。

在另一个实施例中，钻机具有二台电机分别通过二台二级行星减速器，行星减速器的输出轴分别通过二只小齿轮同时驱动钻机主轴上的大齿轮传递扭矩输出。

钻机主轴2上部支承选用推力向心对称球面滚子轴承、双列向心短圆柱滚子轴承及单向推力球轴承组合。钻进作业时的轴向压力均由推力向心对称球面滚子轴承承受。提钻时的向下轴向力由单向推力球轴承承受。主轴2下部支承选用双列向心短圆柱滚子轴承，钻进作业时若钻头偏心受力，则主轴所受偏心力矩产生的径向力分别由上、下部的双列向心短圆柱滚子轴承承受。

如图2所示，在一个实施例中，本发明的潜水钻机的磁力传动器7包括内磁转子71、外磁转子72和隔离套73。所述钻头1与外磁转子72连为一体，形成传动从动件；所述内磁转子71与所述钻机主轴2连为一体形成传动主动件。所述从动件和所述主动件被所述隔离套73完全隔离。隔离套73是非旋转件，起密封和承压作用。由于内、外磁转子71、72间存在磁场，当钻机主轴带动内磁转子71旋转时，内磁转子71会通过磁力耦合作用于外磁转子72，从而带动与外磁转子72连接的钻头1进行同步旋转，实现了无接触传递扭矩的目的。

具体地，在一个实施例中，如图3所示所述外磁转子72进一步包括从动轴721、铜盘722，所述铜盘722与所述从动轴721固定连接；所述内磁转子71进一步包括驱动轴711、永磁体盘712，所述永磁体盘712与所述驱动轴711固定连接；所述永磁体盘712位于所述隔离罩73的内部，且与所述铜盘722相邻设置，所述永磁体盘712与所述铜盘722之间设置有间隔气隙；所述从动轴712的一端固定连接于所述钻头1上，所述驱动轴711的另一端与所述钻机主轴2固定连接。电机3启动时，电机3驱动永磁体盘712，使永磁体盘712和铜盘722相对运动，即铜盘722切断磁力线并在铜盘722中产生涡流磁场，开始传递转速和转矩，铜盘722转动，并带动从动轴721和钻头1转动。

在一个实施例中，采用钕铁硼(Re2Fe14B)作为磁力传动器的永磁体。它是第三代稀土永磁材料，性价比高，具良好的机械特性；工作温度：80-200摄氏度。

在一个实施例中，所述铜盘722与所述永磁体盘712之间的间隔气隙的距离可调节。

在一个实施例中，如图4a-图4d所述磁力传动器包括但不限于盘式永磁对导体耦合器(图4a)、筒式永磁对导体同轴密封传动器(4b)、筒式永磁对永磁同轴密封传动器(4c)、筒式永磁对永磁平行轴密封传动器(4d)。其中，盘式永磁对导体耦合器和筒式永磁对永磁平行轴耦合器的传动扭矩较小，但散热性能好；筒式永磁对永磁同轴耦合器可以传递更大的扭矩，但是其启动时易打滑，抗过载能力弱；筒式永磁对导体同轴耦合器具有更好的启动和抗过载特性，在出现瞬间过载时可以通过增加滑差率来降低输出轴转速，提高传递扭矩，起到过载保护的作用。

根据潜水钻机的低速、大扭矩、水下工作(散热好)的特点，在一个优选实施例中，选择筒式永磁对永磁同轴耦合器作为潜水钻机的密封传动方案。

下面对磁力传动器和潜水钻机的行星减速器减速器、电机、钻头、轴承的装配方式进行简单介绍。

磁力传动器的隔离套将磁力传动器整体上分割成两个个腔室：滚动轴承腔室、滑动轴承腔室。

在滚动轴承腔室内，磁力传动器上部与行星减速器减速器连接，采用止口和端面法兰定位。电机轴和行星减速器轴相连，减速器与外磁转子套筒连接，并在电机轴近端采用深沟球轴承和圆锥滚子轴承支承，在外磁转子套筒近端(靠近减速器和电机)采用一个深沟球轴承与隔离套连接；在外磁转子套筒远端，采用一个游动的深沟球轴承与外壳连接。滚动轴承腔室内灌注润滑油，用于轴承的润滑和散热。

在滑动轴承腔室内，和钻头相连的动力输出轴与内磁套筒同轴连接，在动力输出轴的两端，采用两个滑动轴承支承。在动力输出轴与支承壳体之间，采用端面机械密封，将滑动轴承腔室与外界隔离。滑动轴承腔室内灌注清水，并通过外部补水管路保持滑动轴承腔室内压力大于外部压力，使清水保持外泄，持续冲洗出口处的端面机械密封面。

为进一步提高电气安全性，本发明的还对电缆进行了电气安全性改进。

电缆以及电缆密封接头，所述电缆密封接头安装在所述隔离套上，以将外部介质与所述隔离套内部隔离，避免外部介质进入所述隔离套内部引起漏电；所述电缆设置端部密封装置，防止外部介质通过端部在所述电缆内纵向渗透；所述电缆为橡胶防水电缆或者铠装电缆。在一个实施例中，采用CR-KZII型接管式铠装电缆密封接头，安装在隔离套上，防止泥浆渗入隔离套内引起漏电，达到防护等级IP68；在电缆端部使用硅橡胶进行密封，防止水汽从绝缘外铜丝屏蔽的间隙或从导体的间隙纵向渗透，危及整个电缆。

所述电缆为橡胶防水电缆时，进一步包括橡胶防水电缆拖拽结构，所述拖拽结构与所述橡胶防水电缆外部连接，以提高所述橡胶防水电缆的耐拖拽能力。在一个实施例中，使用JHS型防水橡套电缆外面加装两根直径为6的钢丝绳。或者，通过直接使用铠装电缆的方法，提高电缆的耐拖拽能力。

对于电缆，还设置了机械保护结构，所述机械保护结构包括：浮力结构，所述浮力结构与所述所述电缆连接，以避免所述电缆被绞入所述钻头，在一个实施例中，给电缆每隔1米加上泡沫浮子，避免电缆下沉后被绞入钻头而被损坏；

所述机械保护结构还包括张力结构，所述张力结构与所述电缆连接，以用于所述电缆被拉直。在一个实施例中，使用卷扬机卷绕电缆，给电缆卷加上张力，张力大于电缆重量和浮力之差，来保证电缆被蹬直，避免电缆下沉后被绞入钻头而被损坏；

优选地，所述电缆的包括接头部分，所述接头部分通过固定保护装置固定在所述潜水钻机的动力头外壳上，以防止所述电缆和所述电缆接头部分的被拉伸破坏。在一个实施例中，采用铠装电缆，铠装电缆的铠装层在水中和钻机动力头外壳通过卡具和螺钉牢固固定，防止电缆和电缆接头处被施工人员拉伸后不损坏，提高电气安全性。

通过针对机械密封失效，经过分析，确定了在潜水钻机中使用动密封结构和电缆漏电是引起潜水钻机可靠性和电气安全性差的重要原因。本发明提出了使用磁力传动来连接电机及减速机和钻头，提出来加固电缆和防止电缆的措施。本发明能够实现高泥沙含量条件下水下使用要求最大深度100m(1MPa)，达到电气安全等级IP68(完全防止外物及灰尘侵入、电器无限期沉没在指定的水压下，可确保不因浸水而造成损坏)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁力传动潜水钻机，其特征在于，包括：钻头、磁力传动器、钻机主轴、电机、行星减速器、第一齿轮、第二齿轮、第一轴承组、第二轴承组；所述第一轴承组支撑所述钻机主轴的上部，所述第二轴承组支撑所述钻机主轴的下部；所述第一齿轮与行星减速器的输出轴固定连接，所述第二齿轮与钻机主轴固定连接，行星减速器的输出轴通过所述第一齿轮驱动钻机主轴上的第二齿轮传动连接；所述电机的输出轴与所述行星减速器的输入轴连接，所述电机将动力通过所述行星减速器传递给所述钻机主轴；钻机主轴上部和下部分别通过所述第一轴承组和第二轴承组支撑，用以承受所述潜水钻机钻进和提钻时产生的力；所述磁力传动器连接所述钻机主轴和所述钻头，用于将电机输出轴的动力传递给所述钻头的同时，实现对所述潜水钻机动力部分的密封。

2.如权利要求1所述的潜水钻机，其特征在于，所述磁力传动器包括内磁转子、外磁转子和隔离套；所述钻头与外磁转子连为一体，形成传动从动件；所述内磁转子与所述钻机主轴连为一体，形成传动主动件；所述从动件和所述主动件被所述隔离套完全隔离。

3.如权利要求2所述的潜水钻机，其特征在于，所述外磁转子进一步包括从动轴、铜盘，所述铜盘与所述从动轴固定连接；所述内磁转子进一步包括驱动轴、永磁体盘，所述永磁体盘与所述驱动轴固定连接；所述永磁体盘位于所述隔离套的内部，且与所述铜盘相邻设置，所述永磁体盘与所述铜盘之间设置有间隔气隙；所述从动轴的一端固定连接于所述钻头上，所述驱动轴的另一端与所述钻机主轴固定连接。

4.如权利要求3所述的潜水钻机，其特征在于，所述铜盘与所述永磁体盘之间的间隔气隙的距离可调节。

5.如权利要求1所述的潜水钻机，其特征在于，所述第一轴承组包括推力向心对称球面滚子轴承、第一双列向心短圆柱滚子轴承及单向推力球轴承，其中所述潜水钻机进行钻进作业时的轴向压力均由推力向心对称球面滚子轴承承受，所述潜水钻机提钻时的向下轴向力由所述单向推力球轴承承受；所述第二轴承组包括第二双列向心短圆柱滚子轴承，钻进作业时若钻头偏心受力，则主轴下部所受偏心力矩产生的径向力由所述第二双列向心短圆柱滚子轴承承受。

6.如权利要求1所述的潜水钻机，其特征在于，所述磁力传动器包括但不限于筒式永磁对永磁同轴耦合器、筒式永磁对永磁平行轴耦合器、筒式永磁对导体同轴耦合器、盘式永磁对导体耦合器。

7.如权利要求3所述的潜水钻机，其特征在于，进一步包括电缆以及电缆密封接头，所述电缆密封接头安装在所述隔离套上，以将外部介质与所述隔离套内部隔离，避免外部介质进入所述隔离套内部引起漏电；所述电缆设置端部密封装置，防止外部介质通过端部在所述电缆内纵向渗透；所述电缆为橡胶防水电缆或者铠装电缆。

8.如权利要求7所述的潜水钻机，其特征在于，所述电缆为橡胶防水电缆时，进一步包括橡胶防水电缆拖拽结构，所述拖拽结构与所述橡胶防水电缆外部连接，以提高所述橡胶防水电缆的耐拖拽能力。

9.如权利要求8所述的潜水钻机，其特征在于，还包括机械保护结构，所述机械保护结构包括：浮力结构，所述浮力结构与所述电缆连接，以避免所述电缆被绞入所述钻头；张力结构，所述张力结构与所述电缆连接，以用于所述电缆被拉直。

10.如权利要求7所述的潜水钻机，其特征在于，所述电缆的包括接头部分，所述接头部分通过固定保护装置固定在所述潜水钻机的动力头外壳上，以防止所述电缆和所述电缆接头部分的被拉伸破坏。

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