CN104005767B - 一种用于钻孔水力开采的电控伸缩钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钻孔水力开采的电控伸缩钻具，是由高压水输送系统、动力传动系统、水枪臂伸缩系统和排渣通道部分组成，本发明设计的水枪能够沿径向伸出设计距离，这样大大增加了钻孔水力开采的范围，提高生产效率，本发明的另一个优点就是步进电机的转动角度和速度可由计算机进行精确控制，因此能够精确控制水枪的张开角度，利用滚珠丝杠的传动方式，使水枪张开和收回动作稳定。

Description

一种用于钻孔水力开采的电控伸缩钻具

技术领域

本发明涉及一种钻具，特别涉及一种用于钻孔水力开采的电控伸缩钻具。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，采矿业正面临着地表和浅部富矿日趋枯竭的情况，而地下深部矿产、浅部不均匀的小矿、贫矿、湖海底矿产以及复杂水文和地质条件的矿产具有开采难度大的问题。采用传统方法开采深部矿产和浅部不均匀小矿、贫矿等势必带来成本过高的问题。为此各国都在寻找一种低成本的采矿方法，钻孔水力开采就是在这一历史背景下产生的一种新的采矿方法。

钻孔水力开采方法是在穿过矿层的钻孔内，用高压水射流破碎矿体，破碎下来的矿渣与循环水在孔底形成流动状态的液固两相的矿浆，然后由举升设备将矿浆输送到地表，矿浆经过沉淀分选即可得到有用矿石，水可以继续作为循环介质进行下一步开采。该方法只需要操作人员在地面操作即可，具有开采深度大、基建投资少、建矿周期短、成本低、安全、高效、环境污染小等优点。

目前，在水力开采工艺中使用的水枪都是固定式水枪，高压喷嘴固定在钻具外壁，这种钻具在开采中存在以下不足：由于在地下空间中充满循环介质，高压水枪从高压喷嘴射出之后，水射流的速度会逐渐减低，破岩能力随之下降，这就限制了固定式水枪的破岩范围。

正由于以上不足，造成了矿产单孔开采量较小，相对应的提高了矿产的单位矿产开采成本，与降低生产成本的初衷相违背。

发明内容

本发明的目的是为了解决固定式水枪水射流的速度逐渐减低、破岩能力下降的问题而提供一种用于钻孔水力开采的电控伸缩钻具。

本发明是由高压水输送系统、动力传动系统、水枪臂伸缩系统和排渣通道部分组成；

所述高压水输送系统包括顶盖、水枪外管、水枪支架、水枪臂和喷嘴，其中顶盖与水枪外管通过螺钉密封连接，顶盖下端设置在水枪外管的内台阶上面，水枪支架设置在水枪外管内且与水枪外管密封连接，水枪支架的上端设置在水枪外管的内台阶上面；水枪支架下端与水枪臂为可旋转的高压密封连接，水枪臂下端与喷嘴螺纹连接，水枪外管下端与隔板通过螺栓连接；

所述动力传动系统包括电控装置密封壳、步进电机、行星减速机、联轴器、滚珠丝杠、步进电机驱动器、工控主板、电控装置支架和电控装置底座，其中电控装置支架通过螺栓固定在电控装置底座上的中心位置，步进电机驱动器和工控主板通过螺栓固定在电控装置支架的两侧，步进电机通过螺栓固定在电控装置支架中间腔体内部，行星减速机螺栓固定设置在步进电机上部，步进电机的输出端与行星减速机输入端用平键连接，并且行星减速机下部台阶部分卡在电控装置支架内部，增加行星减速机的稳定性，联轴器设置在行星减速机上部，行星减速机输出端与联轴器输入端用平键连接，滚珠丝杠穿套在联轴器内，联轴器的输出端与滚珠丝杠的螺杆通过平键连接，电控装置密封壳上端与隔板通过螺栓连接，下端与电控装置底座通过螺栓连接，步进电机、行星减速机、联轴器、滚珠丝杠、步进电机驱动器、工控主板和电控装置支架均设置在电控装置密封壳内；

所述水枪臂伸缩系统包括水枪连杆、连杆支座、伸缩筒上压盖、伸缩筒、丝杠螺母、伸缩筒下压盖，其中水枪连杆的上端与水枪臂铰接，水枪连杆的下端与连杆支座上端铰接，伸缩筒上压盖与连杆支座的下端螺纹连接，伸缩筒上端穿套在伸缩筒上压盖内，且二者螺纹连接，伸缩筒下部与丝杠螺母通过螺栓连接，丝杠螺母、轴承压板和伸缩筒下压盖由上至下依次穿套在滚珠丝杠下部，伸缩筒下压盖与丝杠螺母为螺纹连接，且伸缩筒下压盖随着丝杠螺母运动而运动；

所述排渣通道部分包括排渣通道，排渣通道设置在水枪外管和电控装置密封壳内，排渣通道是水枪外管、电控装置密封壳的内部矿渣输送通道。

工作原理及过程：

步进电机的转动角度和速度可由计算机进行精确控制，为保证钻具在孔底能够有效的控制水枪支臂的伸展角度并能安全的收回，选择步进电机作为钻具的动力机；钻具内部空间受到严重限制，造成满足结构要求的步进电机回转扭矩小，无法直接驱动钻具工作，同时钻具水枪臂展开需将部件电机的回转运动转变为直线往复运动，因此利用步进电机驱动滚珠丝杠的动力传动系统。钻具控制及动力传动系统为由计算机通过工控装置控制孔底钻具内部步进电机工作，动力通过行星减速机、联轴器传递至滚珠丝杠，驱动滚珠丝杠旋转，最终使滚珠丝杠上的丝杠螺母上下运动，驱动水枪臂伸展和缩回，完成钻具设计要求。用于碎岩的高压水由地表高压泥浆泵进入钻杆内部，进入钻具上部顶盖，通过水枪臂的中空旋转轴进入水枪臂，最终从水枪臂末端喷嘴喷出，进行矿层的破碎。

步进电机接受到工作信号开始转动，转速通过行星减速机调整后传给联轴器，联轴器再传给滚珠丝杠的螺杆，螺杆不断转动，滚珠丝杠的丝杠螺母就会沿着滚珠丝杠的螺杆上下运动，同时带动伸缩筒与丝杠螺母一起运动。

由伸缩筒下压盖、丝杠螺母、伸缩筒、伸缩筒上压盖、连杆支座组成一个中空筒状结构，滚珠丝杠的螺杆在筒内转动将动力传给丝杠螺母，然后筒状结构就上下运动，推动水枪连杆上升或者下降，而水枪连杆、水枪臂及相关转轴组成了连杆机构，进而实现水枪臂的伸出或者收回。

高压水由顶盖上段接口进入顶盖腔体，往下进入水枪支架腔体，经过高压密封旋转接头进入水枪臂，然后流经水枪臂管体，由高压喷嘴喷出。

本发明的有益效果：

本发明设计的水枪能够沿径向伸出设计距离，这样大大增加了钻孔水力开采的范围，提高生产效率。

本发明的另一个优点就是步进电机的转动角度和速度可由计算机进行精确控制，因此能够精确控制水枪的张开角度。利用滚珠丝杠的传动方式，使水枪张开和收回动作稳定。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为图1中的B-B方向上的剖视图。

图3为图1中的C-C方向上的剖视图。

图4为本发明实施例的内部结构示意图。

图5为图1中的D-D方向上的剖视图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示，为本发明的实施例，是由高压水输送系统、动力传动系统、水枪臂伸缩系统和排渣通道部分组成；

所述高压水输送系统包括顶盖1、水枪外管2、水枪支架21、水枪臂5和喷嘴23，其中顶盖1与水枪外管2通过螺钉密封连接，顶盖1下端设置在水枪外管2的内台阶上面，水枪支架21设置在水枪外管2内且与水枪外管2密封连接，水枪支架21的上端设置在水枪外管2的内台阶上面；水枪支架21下端与水枪臂5为可旋转的高压密封连接，水枪臂5下端与喷嘴23螺纹连接，水枪外管2下端与隔板11通过螺栓连接；

所述动力传动系统包括电控装置密封壳3、步进电机16、行星减速机15、联轴器14、滚珠丝杠18、步进电机驱动器19、工控主板20、电控装置支架17和电控装置底座4，其中电控装置支架17通过螺栓固定在电控装置底座4上的中心位置，步进电机驱动器19和工控主板20通过螺栓固定在电控装置支架17的两侧，步进电机16通过螺栓固定在电控装置支架17中间腔体内部，行星减速机15螺栓固定设置在步进电机16上部，步进电机16的输出端与行星减速机15输入端用平键连接，并且行星减速机15下部台阶部分卡在电控装置支架17内部，增加行星减速机15的稳定性，联轴器14设置在行星减速机15上部，行星减速机15输出端与联轴器14输入端用平键连接，滚珠丝杠18穿套在联轴器14内，联轴器14的输出端与滚珠丝杠18的螺杆通过平键连接，电控装置密封壳3上端与隔板11通过螺栓连接，下端与电控装置底座4通过螺栓连接，步进电机16、行星减速机15、联轴器14、滚珠丝杠18、步进电机驱动器19、工控主板20和电控装置支架17均设置在电控装置密封壳3内；

所述水枪臂伸缩系统包括水枪连杆6、连杆支座7、伸缩筒上压盖8、伸缩筒9、丝杠螺母10、伸缩筒下压盖13，其中水枪连杆6的上端与水枪臂5铰接，水枪连杆6的下端与连杆支座7上端铰接，伸缩筒上压盖8与连杆支座7的下端螺纹连接，伸缩筒9上端穿套在伸缩筒上压盖8内，且二者螺纹连接，伸缩筒9下部与丝杠螺母10通过螺栓连接，丝杠螺母10、轴承压板12和伸缩筒下压盖13由上至下依次穿套在滚珠丝杠18下部，伸缩筒下压盖13与丝杠螺母10为螺纹连接，且伸缩筒下压盖13随着丝杠螺母10运动而运动；

所述排渣通道部分包括排渣通道22，排渣通道22设置在水枪外管2和电控装置密封壳3内，排渣通道22是水枪外管2、电控装置密封壳3的内部矿渣输送通道。

工作原理及过程：

步进电机的转动角度和速度可由计算机进行精确控制，为保证钻具在孔底时能够有效的控制水枪支臂的伸展角度并能安全的收回，选择步进电机作为钻具的动力机；钻具内部空间受到严重限制，造成满足结构要求的步进电机回转扭矩小，无法直接驱动钻具工作，同时钻具水枪臂展开需将步进电机的回转运动转变为直线往复运动，因此利用步进电机驱动滚珠丝杠的动力传动系统。钻具控制及动力传动系统工作过程为由计算机通过工控装置控制孔底钻具内部步进电机工作，动力通过行星减速机15、联轴器14传递至滚珠丝杠18，驱动滚珠丝杠18旋转，最终使滚珠丝杠18上的丝杠螺母10上下运动，驱动水枪臂5伸展和缩回。用于碎岩的高压水由地表高压泥浆泵进入钻杆内部，进入钻具上部顶盖1，通过水枪臂5的中空旋转轴进入水枪臂5，最终从水枪臂5末端喷嘴23喷出，进行矿层的破碎。

步进电机16接受到工作信号开始转动，转速通过行星减速机15调整后传给联轴器14，联轴器14再传给滚珠丝杠18的螺杆，螺杆不断转动，滚珠丝杠18的丝杠螺母10就会沿着滚珠丝杠18的螺杆上下运动，同时带动伸缩筒9与丝杠螺母10一起运动。

由伸缩筒下压盖13、丝杠螺母10、伸缩筒9、伸缩筒上压盖8、连杆支座7组成一个中空筒状结构，滚珠丝杠18的螺杆在筒内转动将动力传给丝杠螺母10，然后筒状结构就上下运动，推动水枪连杆6上升或者下降，而水枪连杆6、水枪臂5及相关转轴组成了连杆机构，进而实现水枪臂5的伸出或者收回。

高压水由顶盖1上段接口进入顶盖1腔体，往下进入水枪支架21腔体，经过高压密封旋转接头进入水枪臂5，然后流经水枪臂5管体，由高压喷嘴23喷出。

Claims (1)

1.一种用于钻孔水力开采的电控伸缩钻具，其特征在于：是由高压水输送系统、动力传动系统、水枪臂伸缩系统和排渣通道部分组成；

所述高压水输送系统包括顶盖(1)、水枪外管(2)、水枪支架(21)、水枪臂(5)和喷嘴(23)，其中顶盖(1)与水枪外管(2)通过螺钉密封连接，顶盖(1)下端设置在水枪外管(2)的内台阶上面，水枪支架(21)设置在水枪外管(2)内且与水枪外管(2)密封连接，水枪支架(21)的上端设置在水枪外管(2)的内台阶上面；水枪支架(21)下端与水枪臂(5)为可旋转的高压密封连接，水枪臂(5)下端与喷嘴(23)螺纹连接，水枪外管(2)下端与隔板(11)通过螺栓连接；

所述动力传动系统包括电控装置密封壳(3)、步进电机(16)、行星减速机(15)、联轴器(14)、滚珠丝杠(18)、步进电机驱动器(19)、工控主板(20)、电控装置支架(17)和电控装置底座(4)，其中电控装置支架(17)通过螺栓固定在电控装置底座(4)上的中心位置，步进电机驱动器(19)和工控主板(20)通过螺栓固定在电控装置支架(17)的两侧，步进电机(16)通过螺栓固定在电控装置支架(17)中间腔体内部，行星减速机(15)螺栓固定设置在步进电机(16)上部，步进电机(16)的输出端与行星减速机(15)输入端用平键连接，并且行星减速机(15)下部台阶部分卡在电控装置支架(17)内部，增加行星减速机(15)的稳定性，联轴器(14)设置在行星减速机(15)上部，行星减速机(15)输出端与联轴器(14)输入端用平键连接，滚珠丝杠(18)穿套在联轴器(14)内，联轴器(14)的输出端与滚珠丝杠(18)的螺杆通过平键连接，电控装置密封壳(3)上端与隔板(11)通过螺栓连接，下端与电控装置底座(4)通过螺栓连接，步进电机(16)、行星减速机(15)、联轴器(14)、滚珠丝杠(18)、步进电机驱动器(19)、工控主板(20)和电控装置支架(17)均设置在电控装置密封壳(3)内；

所述水枪臂伸缩系统包括水枪连杆(6)、连杆支座(7)、伸缩筒上压盖(8)、伸缩筒(9)、丝杠螺母(10)、伸缩筒下压盖(13)，其中水枪连杆(6)的上端与水枪臂(5)铰接，水枪连杆(6)的下端与连杆支座(7)上端铰接，伸缩筒上压盖(8)与连杆支座(7)的下端螺纹连接，伸缩筒(9)上端穿套在伸缩筒上压盖(8)内，且二者螺纹连接，伸缩筒(9)下部与丝杠螺母(10)通过螺栓连接，丝杠螺母(10)、轴承压板(12)和伸缩筒下压盖(13)由上至下依次穿套在滚珠丝杠(18)下部，伸缩筒下压盖(13)与丝杠螺母(10)为螺纹连接；

所述排渣通道部分包括排渣通道(22)，排渣通道(22)设置在水枪外管(2)和电控装置密封壳(3)内。