CN102162338B - 一种旋挖机用自动脱销内芯钻杆 - Google Patents

Abstract

本发明巧妙利用空气动力学原理，在旋挖机钻杆系统的最内一节钻杆的方头内设计一种简单脱销装置和真空区域，通过预储的高压气体作动力源，让高压气体向真空区域泄压，在泄压的过程中推动脱销装置做功，拉动销轴在钻杆方头内产生内向位移而自动脱销。

Description

一种旋挖机用自动脱销内芯钻杆

技术领域

本发明涉及一种旋挖机钻孔装置，特别涉及一种旋挖机钻杆自动脱销新型内芯钻杆。

背景技术

针对本人2011年1月1日所呈报的“一种旋挖机自动脱销内芯钻杆”的发明，经过缜密考虑，该种钻杆在浅孔状态下可以实现自动脱销，如果在深孔状态下，由于孔深，泥浆的压力大，使钻杆方头内高压气体难以外泄，致使钻杆方头内部脱销装置可能不能通过高压气体泄压过程做功而达到脱销的目的，针对该原因本发明为了在深孔状态下更利于钻杆与钻头之间脱销，在钻杆系统内部增设了真空区域，使高压气体向真空区域泄压，而促使脱销装置运动做功，实现脱销。

发明内容

本发明同样巧妙利用空气动力学原理，在旋挖机钻杆系统的最内一节钻杆的方头内设计一种简单脱销装置和真空区域，通过预储的高压气体作动力源，让高压气体向真空区域泄压，在泄压的过程中推动脱销装置做功，拉动销轴在钻杆方头内产生内向位移而自动脱销。

本发明是由以下技术方案实现的：

1、把钻杆方头做成厚壁空心体，在空心体内部，以一侧壁为底座，平置半径不同、所在圆同心的两缸套，大半径的为外缸套，小半径的为内缸套，外缸套内壁光滑，内缸套内外壁都光滑，外缸套一端与方头壁呈开口外连接型，另一端与内缸套通过方头壁呈封闭连接，内缸套则两头开口。内缸套里安装圆柱式活塞呈密封滑动型组合，内缸套与外缸套之间安装圆筒式活塞亦呈密封滑动型组合，两个活塞同心固定在与外缸套外径相等的圆型钢板底座上形成活塞总成，缸套长度与活塞总成长度设有一定差距，外缸套的开口端为活塞总成安装口用封闭盖封堵，活塞总成底座和活塞总成安装口密封盖之间为活塞总成拉动销轴内向位移的脱销行程区域，内缸套里圆柱式活塞顶端与内缸套外向开口端之间构成销轴孔用，圆筒式活塞顶端与内、外缸套封闭端之间构成气动力空间用圆柱式活塞顶端中心设丝扣，通过大头螺杆把中通孔式销轴与活塞连接以防止销轴外向脱销。

2、利用钻杆的空心特征，在该空心体内储备高压气体作动力源，给1中所述气动力空间里输送高压气体的管路设在钻杆芯内，并与钻杆内上端的气阀相连通，气阀的控制杆在钻杆顶端向上外露。

3、钻机在钻进过程中，由于销轴受震动、泥浆的压力等因素，销轴要内向脱销，因此在脱销行程区域内也预先充气加压，使活塞总成外向受力，保证销轴相对稳定而不内移，钻孔可正常进行。

4、销轴内脱是出现塌孔埋钻、卡钻等事故的应急预案，真正需销轴内向脱销时，需活塞总成拉动销轴内向运动以脱销，由于上述3所述，脱销行程区域内已有高压气体存在，为便于泄气，钻杆方头内还设有真空区域，高压气体向真空区域泄压的过程可推动活塞总成位移，拉动销轴内向脱销。

5、为实现上述高压气体向真空区域泄压，在方头内设气流分配阀，即一经打开钻杆内顶端气阀，方头内气流分配阀即可自动分配气流走向，使高压气体向真空区域泄压。

附图说明，

图1是本发明的结构示意及工作原理图；

图2是图1的方头部分A-A中心剖视图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

1、如图1示：本发明是在钻杆方头内，外缸套17及内缸套18一端头同心固定在方头壁的一侧，在该端头，内、外缸套之间通过方头壁形成环状密封，而内缸套18则外向开口。外缸套17的另一端与方头壁呈外向开口型连接，构成活塞总成16的安装口。由于内缸套18短于外缸套17，内缸套18的另一端则在外缸套17里向外开口。圆柱式活塞20和圆筒式活塞19同心固定在与圆筒式活塞19外径相等的圆形钢板底座上形成活塞总成16。图1中显示，活塞总成16长度与内缸套18的长度有一定差距，通过该差距构成气动力空间13和销轴孔区域(销轴14所在位置)。与活塞总成16相对，外缸套17的另一侧设有活塞总成安装口用密封盖15封堵。中通孔销轴在穿销状态时是用大头螺杆与圆柱式活塞20连接以防止销轴外向脱落。活塞总成16就位后，其底座与密封盖15的构造间距为销轴内向脱销行程区域32。

2、图1中方头内气流分配阀由变径缸套21和变径活塞24构成，脱销行程区域32通过泄气主管25、泄气支管27、28与气流分配阀泄气孔连通，气流分配阀外向端口用带顶杆的丝堵23封闭。

3、在钻杆顶端内壁上固定安装气阀，该阀由控制杆1、外向密封活塞2、侧向密封活塞4、活塞连接杆3、缸套5组成。侧向密封活塞4纵向通孔，缸套5侧向通气孔7与管路8连通，缸套5底端设进气口6。

本发明的力学依据：

1、假定钻杆方头外底边长为26cm×26cm，方头侧壁厚4cm，销轴直径7cm，内外缸套壁厚均为1cm，圆柱式活塞直径8cm，则圆筒式活塞直径为：26cm-4cm×2-1cm×2＝16cm，圆筒式活塞壁所在面积为：((16/2)×(16/2))3.14-(8+2)/2×(8+2)/2×3.14≈123cm×cm，当该面积作用气压为0.7Mpa时，则受压力为861公斤，这是一个非常可观的数据。

2、钻杆长按16米计，空心截面积约80平方厘米，则高压气体的体积16×100×80为128000立方厘米。假定导气管内截面1平方厘米，导气管内所站体积为1600立方厘米，假定脱销行程5厘米，气动力空间长1厘米，脱销后该空间体积123×6为738立方厘米，那么钻杆内高压气体由脱销前128000平方厘米变成脱销后130338立方厘米(128000+1600+738)，扩大约1.02倍，同温下按气态方程P1×V1＝P2×V2计算，钻杆内内存气压几乎等值传递，这是本发明的一个重要的力学依据。

3、为保证在正常钻进过程中销轴不内脱，方头内气压由气压P≥(S1×(H×Nb+Pa)+(S2-S1)×Pa)/S2。其中S1为圆柱式活塞面积，S2为活塞总成底面积，H为钻孔深度，Nb为泥浆比重，Pa为大气压强。

4、脱销行程区域与真空区域容积对照：由上述1知，方头内截面为16厘米×16厘米，如方头内净高为50厘米，则内空间为12800立方厘米，去掉缸套体积：8厘米×8厘米×3.14×16厘米×2＝3217立方厘米，再去掉气流分配阀体积：2.5厘米×2.5厘米×3.14×16厘米＝314立方厘米，剩余9269立方厘米为真空容积，脱销行程区域容积为123平方厘米×5厘米×2＝1230立方厘米，真空区域容积比脱销行程区域容积大7.54倍(9269/1230)，说明该泄压条件成立。

本发明工作过程如下：

1、根据钻孔深度，由上述2计算确定脱销行程区域32内控制活塞总成16稳定的安全气压，通过设在活塞总成安装口密封盖15上的充气气芯31向脱销行程区域32内充气，由图1示，给脱销行程区域32内充气时，气流通过脱销行程区域32的泄气主管25进入气流分配阀密封加压管26，又进而进入该阀内推动活塞24位移至丝堵23的顶杆端处，此时气流分配阀的底活塞所在位置恰好将泄气管路27、28侧向密封，与方头内真空区域呈不连通状态，确保脱销行程区域32内成为独立的高压空间，保持活塞总成16相对稳定。

2、通过设在钻杆壁体上的高压气仓进气芯12向钻杆空心体内高压气仓10充气，充气前将气动力空间进气阀内活塞拉动靠紧该气阀上端壁，然后充气加压，通过其底端进气口8进气，挤压气阀的两活塞向上，外向密封活塞2靠紧气阀上端壁，达到自动密封。一般加压至0.7～1.0Mpa，即能保证脱销压力，又是安全工作气压。

3、通过真空抽气气芯11，将真空区域内空气抽出，同时气流分配阀的变径缸套之大缸套部分内亦通过气孔30将空气排出，使变径活塞向小活塞方向运动时不产生空气阻力。

4、完成上述步骤则钻杆即可投入使用。

5、如果出现事故需要销轴内脱时，则从钻杆系统的第一节钻杆上口吊入一特制的套筒，吊至上述钻杆顶端，将气阀的外向密封活塞2和侧向密封活塞4通过重压控制杆1向下位移，当侧向密封活塞4停留至缸套底部图示台阶处时，外向密封活塞2仍然起外向密封作用，而侧向密封活塞4则解除侧向密封作用，两活塞之间的连接杆3恰好与侧孔6(图示侧孔6在气阀缸套5上设置，不在活塞上，图中仅显示该孔与侧孔7所在高度一致)和侧孔7对齐，高压气体通过侧孔6、侧孔7进入管路9，输送至方头内气动力空间13。

6、高压气体进入气动力空间13后，由于气动力空间13与气流分配阀通过管路22(图示)连通，显然，活塞面积大则产生的压力大，气流分配阀活塞24整体向小活塞方向运动并使图示的两小活塞间连接杆区域与管路27、28连接的泄气孔对齐，脱销行程区域32内高压气体通过管路27、28、泄气孔29向真空区域排出，活塞总成16开始位移，拉动销轴内脱。

本发明解决了三个重大技术难题：

1)利用内芯钻杆的空心体储备高压气体，通过管路输送高压气体至气动力空间，高压气体向预设的真空区域泄压时，推动脱销装置做功，解决了在深孔状态下钻杆脱销施力的难题。

2)开创了销轴内向位移脱销的思路。

3)在深孔状态下用吊入套管重压气阀控制杆，打开气流通道，实现了水下远程控制装置的目的。

以上三点是本发明的关键所在。

Claims (3)

1.一种旋挖机用自动脱销内芯钻杆，由钻杆杆体和方头连接组成，其特征是：钻杆杆体中空用以储备高压气体，在钻杆杆体内顶端侧壁安置气阀，气阀控制杆在钻杆顶端向上外露，方头内设脱销装置、气流分配阀，剩余空间为通过方头壁体上设置的抽气气芯抽吸成的真空区域，脱销装置是把钻杆方头做成厚壁空心体，在空心体内部，以一侧壁为底座，平置半径不同、所在圆同心的两缸套，大半径的为外缸套，小半径的为内缸套，外缸套内壁光滑，内缸套内外壁都光滑，外缸套一端内侧开口，外侧与方头壁体呈整体连接型，外缸套另一端则与内缸套外侧通过方头壁体呈密封连接，内缸套两头开口，内缸套里安装圆柱式活塞呈密封滑动型组合，内缸套与外缸套之间安装圆筒式活塞亦呈密封滑动型组合，两个活塞同心固定在与外缸套内径相等的圆型钢板底座上形成活塞总成，缸套长度与活塞总成长度设有一定差距，外缸套的开口端为活塞总成安装口用带有充气芯的封闭盖封堵，活塞总成底座和活塞总成安装口密封盖之间为活塞总成拉动销轴内向位移的脱销行程区域，该区域内通过密封盖上的充气气芯充入高压气体，圆筒式活塞顶端与内、外缸套封闭端之间构成气动力空间，气动力空间通过管路与钻杆杆体内顶端气阀连通，内缸套里圆柱式活塞顶端与内缸套外向开口端之间构成销轴孔，圆柱式活塞顶端与销轴孔内的销轴呈连接状态，气流分配阀是由变径缸套与变径活塞组合构成，其中小缸套侧面特定位置设通过管路与脱销行程区域连通的泄气孔和与真空区域连通的泄气孔，小缸套底端盖开孔也与脱销行程区域通过管路连通，小缸套的另一端内侧开口，外侧与大缸套底端盖呈变径连接，即两个缸套呈同心串连形式，大缸套的另一端内侧开口为活塞安装口，外侧与方头壁体整体连接固定在方头壁体上，活塞安装口用带顶杆的丝堵盖密封，小缸套里安置用连接杆连成一体的两个活塞，连接杆区域与泄气孔平齐时，脱销行程区域的高压气体通过气流分配阀向真空区域泄气，连接杆与泄气孔错开时，则活塞将泄气孔侧向密封，气流分配阀的大缸套里安置一个大活塞，大活塞与丝堵盖之间通过丝堵盖上的顶杆够成的进气空间通过管路与气动力空间连通。

2.根据权利要求1所述的一种旋挖机用自动脱销内芯钻杆，其特征是：钻杆方头内脱销装置设置两套，两套脱销装置呈错位对称形式布置，钻杆与钻头能够以双销轴形式连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种旋挖机用自动脱销内芯钻杆，其特征是：钻杆用销轴为中通孔销轴，通过中通孔用大头螺杆将销轴与脱销装置的圆柱式活塞连接。

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