CN105239928A - 一种超高压旋转磨料水射流钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高压旋转磨料水射流钻机，包括固定在支撑台上的油缸支撑座和钻杆支撑座，推进油缸的缸体与油缸支撑座铰接，推进油缸的活塞杆与连接块连接，连接块与回转油缸壳体连接，回转油缸输出轴与通用钻杆后端连接，通用钻杆前端与钻头后端连接并设置在钻杆支撑座的安装孔内，自收放高压软管一端与超高压磨料水射流发生系统出口相连，自收放高压软管另一端与液压接头相连，回转油缸输出轴、通用钻杆和钻头设有相互连通的内流道，液压接头通过内流道与钻头上的喷嘴连通。本发明采用全液压驱动，结构简单紧凑，推进和回转油缸体积小、动力大，高压水密封简单、可靠，超高压旋转磨料射流辅助下可以实现普氏硬度系数高的岩石钻进切削。

Description

一种超高压旋转磨料水射流钻机

技术领域

本发明涉及一种超高压旋转磨料水射流钻机，最适用于普氏硬度系数高的岩石钻孔或破碎。

背景技术

能源工业是国民经济的基础产业，也是技术密集型产业。“安全、高效、低碳”集中体现了现代能源技术的特点，也是抢占未来能源技术制高点的主要方向。《国家能源科技“十二五”规划》要求以增强自主创新能力为着力点，用无限的科技解决有限能源资源的约束，着力提高能源资源的安全、高效开发，推动能源生产和利用方式的变革，规划将能源勘探和开采技术作为四个重点发展领域之一，明确要求研发复杂地质条件下资源安全、高效、节约、环境友好型开采技术与装备，如研制适用于岩石抗压强度100MPa的掘进机，高效井下动力与破岩系统等。随着各类岩石开挖机械在矿山开采、隧道掘进、油气井钻进等实际工程中的广泛应用，对坚硬岩石破碎技术提出了更高的要求和新的挑战。

机械破岩具有破碎块度大、作业效率高等优点，其已被广泛运用于矿山开采、建筑工程及资源勘探等领域。然而，采用机械方法破碎硬岩(抗压强度大于60MPa)时，岩石破碎机构和刀具受到的冲击和磨损加大，使设备的工作环境更加恶劣，可靠性和工作效率降低，如何实现硬岩的高效破碎已经成为亟待解决的问题和难题，亟需研究新的岩石破碎方法实现坚硬岩石的高效破碎，对实现矿山高效开采、隧道高效掘进乃至我国能源资源的高效开发具有极其重要的意义。

以往主要通过增大机械驱动功率实现机械破碎坚硬岩石，但机械截齿破岩能力没有发生改变，仅增大功率会导致岩石破碎机构的磨损加剧、工作面粉尘量增大，难以有效提升机械的破岩效率，且安全隐患增大。高压水射流破岩是一项利用高能“水箭”冲击破碎、侵蚀及水楔作用的破碎岩石技术，已经被用于石油钻探、矿山开采及岩石破碎等工程中，且水射流辅助作用已经被证实可以降低刀具的受力，提高刀具的破岩能力，延长刀具的使用寿命。但受到高压水旋转密封性能的限制，以往超高压水射流辅助机械破岩的旋转密封装置存在寿命短、可靠性低等突出问题，且纯水射流破岩能力有限也制约了高压水射流辅助机械破岩的推广应用，因此难以实现坚硬岩石的安全、高效破碎。

发明内容

发明目的：本发明的目的是克服已有技术存在的超高压水旋转密封以及纯水射流破岩能力有限的问题，提供一种超高压旋转磨料水射流钻机，实现超高压旋转磨料水射流辅助机械破碎普氏硬度系数极高的岩石，降低岩石破碎的粉尘浓度。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种超高压旋转磨料水射流钻机，包括水射流装置、钻头驱动机构和钻头机构，所述水射流装置为超高压磨料水射流发生系统，所述钻头驱动机构包括油缸支撑座、推进油缸、回转油缸、自收放高压软管和液压接头，所述钻头机构包括通用钻杆、钻杆支撑座和钻头；所述油缸支撑座和钻杆支撑座均固定在支撑台上，推进油缸的缸体与油缸支撑座铰接，推进油缸的活塞杆与连接块销接，连接块通过螺栓紧固件与回转油缸壳体连接，回转油缸输出轴与通用钻杆后端通过防脱U型卡箍连接，通用钻杆前端与钻头后端通过防脱U型卡箍连接并设置在钻杆支撑座的安装孔内，自收放高压软管一端与超高压磨料水射流发生系统出口相连，自收放高压软管另一端与安装在回转油缸输出轴上的液压接头相连，回转油缸输出轴、通用钻杆和钻头设有相互连通的内流道，液压接头通过内流道与钻头上的喷嘴连通。

进一步的，所述回转油缸输出轴后端内孔设有内螺旋凹槽，回转油缸活塞前端设有与内螺旋凹槽相配合的外螺旋齿形，回转油缸输出轴后端内孔孔壁开设有液压油通孔，回转油缸输出轴前端圆周上设有安装液压接头的螺纹孔，回转油缸输出轴内流道为设置在回转油缸输出轴前端的直角形水道，直角形水道与螺纹孔连通，回转油缸输出轴前端设有方形凸台I；所述通用钻杆后端设有与方形凸台I相配合的方型凹槽I，通用钻杆前端设有方型凸台II，通用钻杆内流道为设置在通用钻杆中心的中心水道，中心水道与直角形水道连通；所述钻头后端设有与方型凸台II相配合的方型凹槽II，钻头内流道为设置在钻头中心的分流水道，分流水道与中心水道连通，钻头前端交替布置多个机械截齿和喷嘴，每个喷嘴均与分流水道连通；所述方型凸台I和方型凸台II上均设有多个安装防脱U型卡箍的通孔I，所述方型凹槽I上设有多个安装防脱U型卡箍的通孔II，所述方型凹槽II上设有多个安装防脱U型卡箍的通孔III。

进一步的，所述回转油缸活塞和回转油缸输出轴中部圆周上均设有动密封圈凹槽，动密封圈凹槽内设有组合密封圈；回转油缸输出轴的螺纹孔开口处设有端面静密封圈凹槽，端面静密封圈凹槽内设有密封圈；回转油缸输出轴的方形凸台I端部设有密封轴段I，通用钻杆的方型凹槽I底部设有与密封轴段I相配合的圆柱形凹槽I，通用钻杆的方型凸台II端部设有密封轴段II，钻头的方型凹槽II底部设有与密封轴段II相配合的圆柱形凹槽II，密封轴段I和密封轴段II上均设有静密封圈凹槽，静密封圈凹槽内均设有O型密封圈。

进一步的，所述机械截齿包括硬质合金头和齿体，硬质合金头镶嵌在齿体上，硬质合金头具有双刀具切削面。

进一步的，所述自收放高压软管呈螺旋状盘放在高压软管保护壳内，高压软管保护壳固定在回转油缸壳体上。

进一步的，所述回转油缸的往复转动角度为270°或360°。

有益效果：(1)本发明采用全液压驱动，整体尺寸小，结构简单紧凑，安装、拆卸方便，推进和回转油缸体积小、动力大，高压水密封简单、可靠，超高压旋转磨料射流辅助下可以实现普氏硬度系数高的岩石钻进切削；(2)超高压旋转磨料水射流作用可以极大地增加射流冲击岩石形成圆环型割缝的深度，最大限度地降低坚硬岩石的抗切削能力，降低机械截齿破碎坚硬岩石的难度，提高了钻机钻进坚硬岩石的能力和效率；(3)超高压磨料水射流不仅可以很好地抑制岩石破碎产生的粉尘，还能实现机械截齿破碎坚硬岩石，延长机械截齿的使用寿命，提高了能源资源的安全、高效开发，对我国矿山的可持续发展有重要的社会意义。

附图说明

图1是本发明超高压旋转磨料水射流钻机的剖视示意图；

图2是本发明回转油缸输出轴剖视图；

图3是图2中的A-A向视图；

图4是本发明通用钻杆剖视图；

图5是图4中的B-B向视图；

图6是图4中的C-C向视图；

图7是本发明钻头剖视图；

图8是图7中的D-D向视图；

图9是本发明机械截齿主视图。

图中：1—支撑台；2—油缸支撑座；3—推进油缸；4—连接块；5—螺栓紧固件；6—回转油缸；7—超高压磨料水射流发生系统；8—自收放高压软管；9—高压软管保护壳；10—液压接头；11—防脱U型卡箍；12—通用钻杆；13—钻杆支撑座；14—钻头；15—O型密封圈；6-1—回转油缸入油口；6-2—回转油缸活塞；6-3—回转油缸输出轴；6-4—回转油缸出油口；6-5—推力滚子轴承；6-6—回转油缸壳体；6-7—组合密封圈；6-3-1—内螺旋凹槽；6-3-2—液压油通孔；6-3-3—动密封圈凹槽；6-3-4—直角形水道；6-3-5—端面静密封圈凹槽；6-3-6—静密封圈凹槽；6-3-7—通孔I；6-3-8—密封轴段I；6-3-9—方形凸台I；12-1—方形凹槽I；12-2—通孔II；12-3—中心水道；12-4—方形凸台II；12-5—圆柱形凹槽I；12-6—密封轴段II；14-1—机械截齿；14-2—喷嘴；14-3—分流水道；14-4—方形凹槽II；14-5—通孔III；14-6—圆柱形凹槽II；14-1-1—硬质合金头；14-1-2—齿体；14-1-3—刀具切削面。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明的超高压旋转磨料水射流钻机包括水射流装置、钻头驱动机构和钻头机构，所述水射流装置为超高压磨料水射流发生系统7，本实施例中采用安徽理工大学设计的前混合式超高压磨料射流系统；所述钻头驱动机构包括油缸支撑座2、推进油缸3、回转油缸6、自收放高压软管8和液压接头10，所述钻头机构包括通用钻杆12、钻杆支撑座13和钻头14。所述油缸支撑座2和钻杆支撑座13均固定在支撑台1上，推进油缸3的缸体与油缸支撑座2铰接，推进油缸3的活塞杆与连接块4销接，连接块4通过螺栓紧固件5与回转油缸6的壳体6-6连接，回转油缸输出轴6-3与通用钻杆12后端通过防脱U型卡箍11连接，通用钻杆12前端与钻头14后端通过防脱U型卡箍11连接并设置在钻杆支撑座13的安装孔内，所述自收放高压软管8呈螺旋状盘放在高压软管保护壳9内，高压软管保护壳9固定在回转油缸壳体6-6上。自收放高压软管8一端与超高压磨料水射流发生系统7出口相连，自收放高压软管8另一端与安装在回转油缸输出轴6-3上的液压接头10相连，回转油缸输出轴6-3、通用钻杆12和钻头14设有相互连通的内流道，液压接头10通过内流道与钻头14上的喷嘴14-2连通。

如图2至8所示，所述回转油缸壳体6-6后端设有回转油缸入油口6-1，回转油缸壳体6-6前端设有回转油缸出油口6-4，回转油缸输出轴6-3后端内孔设有内螺旋凹槽6-3-1，回转油缸活塞6-2前端设有与内螺旋凹槽6-3-1相配合的外螺旋齿形，回转油缸输出轴6-3后端内孔孔壁开设有液压油通孔6-3-2，回转油缸输出轴6-3后端与回转油缸壳体6-6前端之间设有推力滚子轴承6-5，回转油缸输出轴6-3前端圆周上设有安装液压接头10的螺纹孔，回转油缸输出轴6-3内流道为设置在回转油缸输出轴6-3前端的直角形水道6-3-4，直角形水道6-3-4与螺纹孔连通，回转油缸输出轴6-3前端设有方型凸台I6-3-9；所述通用钻杆12后端设有与方型凸台I6-3-9相配合的方型凹槽I12-1，通用钻杆12前端设有方型凸台II12-4，通用钻杆12内流道为设置在通用钻杆12中心的中心水道12-3，中心水道12-3与直角形水道6-3-4连通；所述钻头14后端设有与方型凸台II12-4相配合的方型凹槽II14-4，钻头14内流道为设置在钻头14中心的分流水道14-3，分流水道14-3与中心水道12-3连通，钻头14前端交替布置多个机械截齿14-1和喷嘴14-2，每个喷嘴14-2均与分流水道14-3连通；所述方形凸台I6-3-9和方型凸台II12-4上均设有多个安装防脱U型卡箍11的通孔I6-3-7，所述方型凹槽I12-1上设有多个安装防脱U型卡箍11的通孔II12-2，所述方型凹槽II14-4上设有多个安装防脱U型卡箍11的通孔III14-5。

如图9所示，所述机械截齿14-1包括硬质合金头14-1-1和齿体14-1-2，硬质合金头14-1-1镶嵌在齿体14-1-2上，硬质合金头14-1-1具有双刀具切削面14-1-3。

如图1至8所示，所述回转油缸6的往复转动角度为270°或360°。回转油缸活塞6-2和回转油缸输出轴6-3与回转油缸壳体6-6之间为动密封，所述回转油缸活塞6-2和回转油缸输出轴6-3中部圆周上均设有动密封圈凹槽6-3-3，动密封圈凹槽6-3-3内设有组合密封圈6-7。自收放高压软管8与液压接头10连接位置，以及回转油缸输出轴6-3、通用钻杆12与钻头14相连接位置均为静密封，回转油缸输出轴6-3的螺纹孔开口处设有端面静密封圈凹槽6-3-5，端面静密封圈凹槽6-3-5内设有密封圈；回转油缸输出轴6-3的方型凸台I6-3-9端部设有密封轴段I6-3-8，通用钻杆12的方型凹槽I12-1底部设有与密封轴段I6-3-8相配合的圆柱形凹槽I12-5，通用钻杆12的方型凸台II12-4端部设有密封轴段II12-6，钻头14的方型凹槽II14-4底部设有与密封轴段II12-6相配合的圆柱形凹槽II14-6，密封轴段I6-3-8和密封轴段II12-6上均设有静密封圈凹槽6-3-6，静密封圈凹槽6-3-6内均设有O型密封圈15。

本发明超高压旋转磨料水射流钻机工作原理：巷道内液压泵系统给推进油缸3和回转油缸6提供具有一定压力的油使推进油缸3活塞杆具有推进力和直线速度，回转油缸输出轴6-3具有扭矩和转速。推进油缸3活塞杆的推进力和直线速度经连接块4、回转油缸壳体6-6、推力滚子轴承6-5、回转油缸输出轴6-3、通用钻杆12传递至钻头14，使钻头14上机械截齿14-1挤压岩石。回转油缸输出轴6-3的扭矩和转速经通用钻杆12、传递至钻头14，使钻头14上机械截齿14-1旋转切削岩石。超高压磨料水射流发生系统7产生的超高压水和磨料混合物经自收放高压软管8、回转油缸输出轴6-3内的直角形水道6-3-4、通用钻杆12内中心水道12-3、钻头14内分流水道14-3传递至喷嘴14-2形成高速的磨料水射流。回转油缸输出轴6-3作周向往复运动时，自收放高压软管8在回转油缸输出轴6-3转动角度范围内自动收紧或放松。推进油缸3、回转油缸6及超高压磨料水射流发生系统7同时工作时，给定钻机运行参数即可实现钻头14上机械截齿14-1和喷嘴14-2形成的磨料射流联合旋转切削破岩，提高钻机钻进破碎岩石的效率和能力。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超高压旋转磨料水射流钻机，包括水射流装置、钻头驱动机构和钻头机构，其特征在于：所述水射流装置为超高压磨料水射流发生系统(7)；所述钻头驱动机构包括油缸支撑座(2)、推进油缸(3)、回转油缸(6)、自收放高压软管(8)和液压接头(10)；所述钻头机构包括通用钻杆(12)、钻杆支撑座(13)和钻头(14)；所述油缸支撑座(2)和钻杆支撑座(13)均固定在支撑台(1)上，推进油缸(3)的缸体与油缸支撑座(2)铰接，推进油缸(3)的活塞杆与连接块(4)销接，连接块(4)通过螺栓紧固件(5)与回转油缸壳体(6-6)连接，回转油缸输出轴(6-3)与通用钻杆(12)后端通过防脱U型卡箍(11)连接，通用钻杆(12)前端与钻头(14)后端通过防脱U型卡箍(11)连接并设置在钻杆支撑座(13)的安装孔内，自收放高压软管(8)一端与超高压磨料水射流发生系统(7)出口相连，自收放高压软管(8)另一端与安装在回转油缸输出轴(6-3)上的液压接头(10)相连，回转油缸输出轴(6-3)、通用钻杆(12)和钻头(14)设有相互连通的内流道，液压接头(10)通过内流道与钻头(14)上的喷嘴(14-2)连通。

2.根据权利要求1所述的一种超高压旋转磨料水射流钻机，其特征在于：所述回转油缸输出轴(6-3)后端内孔设有内螺旋凹槽(6-3-1)，回转油缸活塞(6-2)前端设有与内螺旋凹槽(6-3-1)相配合的外螺旋齿形，回转油缸输出轴(6-3)后端内孔孔壁开设有液压油通孔(6-3-2)，回转油缸输出轴(6-3)前端圆周上设有安装液压接头(10)的螺纹孔，回转油缸输出轴(6-3)内流道为设置在回转油缸输出轴(6-3)前端的直角形水道(6-3-4)，直角形水道(6-3-4)与螺纹孔连通，回转油缸输出轴(6-3)前端设有方形凸台I(6-3-9)；所述通用钻杆(12)后端设有与方形凸台I(6-3-9)相配合的方型凹槽I(12-1)，通用钻杆(12)前端设有方型凸台II(12-4)，通用钻杆(12)内流道为设置在通用钻杆(12)中心的中心水道(12-3)，中心水道(12-3)与直角形水道(6-3-4)连通；所述钻头(14)后端设有与方型凸台II(12-4)相配合的方型凹槽II(14-4)，钻头(14)内流道为设置在钻头(14)中心的分流水道(14-3)，分流水道(14-3)与中心水道(12-3)连通，钻头(14)前端交替布置多个机械截齿(14-1)和喷嘴(14-2)，每个喷嘴(14-2)均与分流水道(14-3)连通；所述方形凸台I(6-3-9)和方型凸台II(12-4)上均设有多个安装防脱U型卡箍(11)的通孔I(6-3-7)，所述方型凹槽I(12-1)上设有多个安装防脱U型卡箍(11)的通孔II(12-2)，所述方型凹槽II(14-4)上设有多个安装防脱U型卡箍(11)的通孔III(14-5)。

3.根据权利要求2所述的一种超高压旋转磨料水射流钻机，其特征在于：所述回转油缸活塞(6-2)和回转油缸输出轴(6-3)中部圆周上均设有动密封圈凹槽(6-3-3)，动密封圈凹槽(6-3-3)内设有组合密封圈(6-7)；回转油缸输出轴(6-3)的螺纹孔开口处设有端面静密封圈凹槽(6-3-5)，端面静密封圈凹槽(6-3-5)内设有密封圈；回转油缸输出轴(6-3)的方形凸台I(6-3-9)端部设有密封轴段I(6-3-8)，通用钻杆(12)的方型凹槽I(12-1)底部设有与密封轴段I(6-3-8)相配合的圆柱形凹槽I(12-5)，通用钻杆(12)的方型凸台II(12-4)端部设有密封轴段II(12-6)，钻头(14)的方型凹槽II(14-4)底部设有与密封轴段II(12-6)相配合的圆柱形凹槽II(14-6)，密封轴段I(6-3-8)和密封轴段II(12-6)上均设有静密封圈凹槽(6-3-6)，静密封圈凹槽(6-3-6)内均设有O型密封圈(15)。

4.根据权利要求2所述的一种超高压旋转磨料水射流钻机，其特征在于：所述机械截齿(14-1)包括硬质合金头(14-1-1)和齿体(14-1-2)，硬质合金头(14-1-1)镶嵌在齿体(14-1-2)上，硬质合金头(14-1-1)具有双刀具切削面(14-1-3)。

5.根据权利要求1所述的一种超高压旋转磨料水射流钻机，其特征在于：所述自收放高压软管(8)呈螺旋状盘放在高压软管保护壳(9)内，高压软管保护壳(9)固定在回转油缸壳体(6-6)上。

6.根据权利要求1所述的一种超高压旋转磨料水射流钻机，其特征在于：所述回转油缸(6)的往复转动角度为270°或360°。