CN106869794A - 一种具有高效且防雾化稳定的水射流扩孔装置 - Google Patents

Abstract

一种具有高效且防雾化稳定的水射流扩孔装置，包括具有中心通道的主轴，主轴沿轴向方向由后向前依次由一体制成的管接头、限位挡环和空心轴构成，限位挡环的外径大于管接头和空心轴的外径，空心轴上通过轴承密封组件转动连接有套筒，套筒前端外部螺纹连接有旋转喷头；限位挡环内部沿径向方向开设有至少三个后射流导孔，限位挡环后部外侧开设有数目与后射流导孔相等的后射流孔，后射流孔的前端对应与一个后射流导孔的外端连通。本发明采用以水射流为动力兼切割刀具的方式进行钻扩孔，使用纯射流破煤、破岩扩孔技术和相应的装置将会使我国的现代煤矿和石油气的开采效率和安全性大幅度提升，也为我国的经济建设和安全稳定提供了可靠的保障。

Description

一种具有高效且防雾化稳定的水射流扩孔装置

技术领域

本发明属于水射流刀具技术领域，尤其涉及一种具有高效且防雾化稳定的水射流扩孔装置。

背景技术

我国95%的煤矿和大量的陆地油气资源需要进行地下开采，受各种复杂的煤层和岩层地质条件因素的限制，开采难度大，同时煤层中的瓦斯和岩层中油气的主要成分是甲烷，其一般占95%-98%左右，在开采过程中，尤其是煤矿资源的开采，灾害十分严重，严重的危害着人民的生命健康。同时由于煤炭和油气的需求高居不下，部分老煤矿不得不延长服务年限， 加大矿山的开采力度与强度，非常规油气资源也将成为我国油气开采的主要对象，而深度开采会面临地应力增大，透气性差，瓦斯和油气释放距离长、抽放、排空难度加大甚至是失效等多种问题。目前使用的高压水射流旋转钻扩孔技术来冲破岩层，但在实际应用中仍有几点不足：在实际情况下由于水压过大，旋转速度过快，使得喷出的水流雾化无法达到集中破岩的效果；由于矿下煤层环境复杂，岩层有松有软，对于旋转钻头的周向和轴向载荷具有较大的波动，对内部零件冲击大，使得现有扩孔装置寿命短，破岩效率低下。

鉴于上述情况，为保证实际生产中的开采安全，改善煤岩层瓦斯和石油气释放条件及提高钻孔瓦斯抽放速度和效率，进一步提升瓦斯和石油气在抽取过程中的效率，而发开出的一种高效稳定水射流扩孔装置和扩孔技术将拥有十分可观的发展空间和应用前景。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种具有高效且防雾化稳定的水射流扩孔装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种具有高效且防雾化稳定的水射流扩孔装置，包括具有中心通道的主轴，主轴沿轴向方向由后向前依次由一体制成的管接头、限位挡环和空心轴构成，限位挡环的外径大于管接头和空心轴的外径，空心轴上通过轴承密封组件转动连接有套筒，套筒前端外部螺纹连接有旋转喷头，旋转喷头前端面呈前细后粗的圆锥面结构；旋转喷头与空心轴之间设置有动静环密封结构；

旋转喷头中心设置有与中心通道前端同轴向贯通的中心喷孔，旋转喷头内部沿径向方向开设有至少三个前射流导孔，每个前射流导孔的内端均与中心喷孔连通，旋转喷头前部外侧开设有数目与前射流导孔相等的前射流孔，前射流孔的后端对应与一个前射流导孔的外端连通，前射流孔的中心线偏离中心喷孔的中心线，所有前射流孔的中心线均与中心喷孔的中心线呈10-30°的夹角；

限位挡环内部沿径向方向开设有至少三个后射流导孔，限位挡环后部外侧开设有数目与后射流导孔相等的后射流孔，后射流孔的前端对应与一个后射流导孔的外端连通，后射流孔的中心线与中心喷孔的中心线位于同一平面上，所有后射流孔的中心线均与中心通道的中心线呈10-30°的夹角。

轴承密封组件包括由后向前依次设置在套筒内壁和空心轴外壁之间的后密封端盖、后橡胶挡圈、后圆柱滚子轴承、后限位圈、后圆锥滚子轴承、前圆锥滚子轴承、前限位圈、前圆柱滚子轴承、前橡胶挡圈以及前密封端盖，空心轴外壁后侧和前侧分别开设有一个环形槽，后橡胶挡圈和前橡胶挡圈分别安装在空心轴前侧和后侧的一个环形槽内，套筒内壁设有位于后圆锥滚子轴承和前圆锥滚子轴承之间的环形凸台，后圆锥滚子轴承和前圆锥滚子轴承内的圆锥滚子的较小端均邻近环形凸台。

限位挡环上设置有与套筒后端面顶压接触的防雾化限速结构；

防雾化限速结构包括摩擦块、调节弹簧和调节螺栓，摩擦块呈圆柱状结构，摩擦块的长度大于套筒与限位挡环之间的间隙，限位挡环上开设有调节孔，调节孔的中心线与中心通道的中心线平行，调节弹簧和摩擦块设置在调节孔内，调节螺栓由调节孔后端伸入并螺纹连接到调节孔内，调节螺栓前端通过调节弹簧与摩擦块后端顶压配合，摩擦块前端与套筒后端面顶压接触。

动静环密封结构包括预紧弹簧、摩擦副静环、摩擦副动环和密封圈，空心轴的内壁前端部开设有后环形台阶槽，旋转喷头在中心喷孔内壁后端开设有前环形台阶槽，预紧弹簧和摩擦副静环安装在后环形台阶槽内，摩擦副动环安装在前环形台阶槽内，预紧弹簧后端顶压在后环形台阶槽的后端面上，预紧弹簧前端与摩擦副静环后端顶压配合，摩擦副静环前端面与摩擦副动环后端面顶压密封配合；空心轴内壁上开设有位于后环形台阶槽内的密封槽，密封圈安装在密封槽内并与摩擦副静环的外壁密封配合；

空心轴的内壁在后环形台阶槽的后端处设置有圆锥形过渡结构，圆锥形过渡结构呈后细前粗形状，圆锥形过渡结构的前端面的直径小于预紧弹簧的外径且大于预紧弹簧的内径。

采用上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

1、本发明旨在保证工程安全实施的前提下并且高效的纯射流破煤、破岩，高压胶管与管接头连接，来自高压水泵的高压射流通过高压胶管进入到中心通道内，高压水流一部分将进入限位挡环内的后射流导孔，并通过后射流孔向后喷出，由于后射流孔中心线与中心通道中心线位于同一平面上，这样不会使限位挡环和主轴产生旋转的动力，后射流孔中心线与中心通道中心线夹角在13°左右，以提供本发明在扩孔过程中前进时的动力，同时起到清孔作用。高压水流的另外一部分进入到与套筒前端相连的旋转喷头的中心喷孔内，再由中心喷孔进入前射流导孔，并通过前射流孔向前喷出，由于前射流孔的中心线偏离中心喷孔的中心线，并且所有前射流孔的中心线均与中心喷孔的中心线呈10-30°的夹角，这样使一部分高压水在前射流孔中高速射出同时可以作为使动力使得旋转喷头和与之相连的套筒高速旋转，形成向外喷射且具有旋转力的水射流，进而使得这种水射流作用到地下煤层中达到切割和破煤钻孔的目的。本发明的旋转喷头包括一个的直向的中心喷孔，其轴线与空心轴轴线重合，多个前射流孔的喷水方向成旋风状，喷出的高压水流所形成法向转矩带动旋转喷头和套筒绕空心轴按照一定的方向旋转并在高压水的作用下高速旋转。

2、在高压水流的作用下，挤压旋转喷头，空心轴将会产生轴向移动，为保证空心轴和旋转喷头连接处的密封性，本发明中采取动静环密封结构，预紧弹簧提供初始压力，使摩擦副静环前端紧压摩擦副动环后端面，保证初始状态的密封，随着泵压的增大，由于本发明在空心轴的内壁的后环形台阶槽的后端处设置有圆锥形过渡结构，高压水流会压迫预紧弹簧，增大预紧弹簧的弹力，预紧弹簧使摩擦副静环前端进一步紧压摩擦副动环后端面，随着泵压的增大，摩擦副静环受到的压力越大，摩擦副静环与摩擦动静环之间的接触面上的压力越大，密封能力越强，避免漏水。

3、本发明设置了一种具有防雾化限速结构，其旨在防止射流雾化并加强承载能力和使用寿命，以有效的提升装置的耐久性，进而大幅度提升破岩效率。在实际工作状态中由于水压过大，旋转速度过快，使得喷出的水流雾化无法达到集中破岩的效果。故根据在实际生产应用中的需求，并遵循操作简便安全并可调速的原则，本发明设计出用加入摩擦块摩擦减速的结构对套筒作减速处理：摩擦块长度远远大于限位挡环与套筒之间的间隙，同时使摩擦块紧紧贴靠于套筒后端表面。内部的摩擦块同时由调节螺栓通过调节弹簧进行预紧，通过对调节螺栓预紧力大小的改变，从而有效的改变套筒和旋转喷头的旋转速度。

4、针对矿下煤层环境复杂，岩层有松有软，对于旋转喷头的周向和轴向载荷具有较大的波动，对内部零件冲击大，使得现有扩孔装置寿命短、破岩效率低下的问题，本发明本着尽量缩小扩孔装置整体尺寸，消除主轴上零件的应力集中的实用原则，设计出合适的结构使其内部构成更加合理以增强其承载能力和使用寿命进而加提升其工作效率：在空心轴外表面设置环形槽用来安装前橡胶挡圈和后橡胶挡圈，达到装置内部零件的隔离减震效果。在前橡胶挡圈和后橡胶挡圈之间采用一对圆锥滚子轴承和一对圆柱滚子轴承，圆锥滚子轴承的小端与套筒内表面的环形凸台接触，实现对套筒的轴向定位，同时这两种轴承、中间的前限位圈和后限位圈共同作用实现套筒的周向定位。两种轴承的外观尺寸都较小，有效的保证扩孔装置内部结构的紧凑。圆柱滚子轴承的定心性强，承载能力强，外圈可以与内圈存在一定的轴向错动，当载荷突变时内圈与外圈的错动可以有效的避免零件的损坏。圆锥滚子轴承可以同时承受轴向和周向两种载荷，承载能力强同时能减轻滚子轴承收到的冲击载荷，保证轴承的定位可靠和使用寿命。

综上所述，本发明结构紧凑，采用以水射流为动力兼切割刀具的方式进行钻扩孔，使用纯射流破煤、破岩扩孔技术和相应的装置将会使我国的现代煤矿和石油气的开采效率和安全性大幅度提升，也为我国的经济建设和安全稳定提供了可靠的保障。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种具有高效且防雾化稳定的水射流扩孔装置，包括具有中心通道1的主轴，主轴沿轴向方向由后向前依次由一体制成的管接头2、限位挡环3和空心轴4构成，限位挡环3的外径大于管接头2和空心轴4的外径，空心轴4上通过轴承密封组件转动连接有套筒5，套筒5前端外部螺纹连接有旋转喷头6，旋转喷头6前端面呈前细后粗的圆锥面结构；旋转喷头6与空心轴4之间设置有动静环密封结构。

旋转喷头6中心设置有与中心通道1前端同轴向贯通的中心喷孔7，旋转喷头6内部沿径向方向开设有至少三个前射流导孔8，每个前射流导孔8的内端均与中心喷孔7连通，旋转喷头6前部外侧开设有数目与前射流导孔8相等的前射流孔9，前射流孔9的后端对应与一个前射流导孔8的外端连通，前射流孔9的中心线偏离中心喷孔7的中心线，所有前射流孔9的中心线均与中心喷孔7的中心线呈10-30°的夹角。

限位挡环3内部沿径向方向开设有至少三个后射流导孔10，限位挡环3后部外侧开设有数目与后射流导孔10相等的后射流孔11，后射流孔11的前端对应与一个后射流导孔10的外端连通，后射流孔11的中心线与中心喷孔7的中心线位于同一平面上，所有后射流孔11的中心线均与中心通道1的中心线呈10-30°的夹角。

轴承密封组件包括由后向前依次设置在套筒5内壁和空心轴4外壁之间的后密封端盖12、后橡胶挡圈13、后圆柱滚子轴承14、后限位圈15、后圆锥滚子轴承16、前圆锥滚子轴承17、前限位圈18、前圆柱滚子轴承19、前橡胶挡圈20以及前密封端盖21，空心轴4外壁后侧和前侧分别开设有一个环形槽，后橡胶挡圈13和前橡胶挡圈20分别安装在空心轴4前侧和后侧的一个环形槽内，套筒5内壁设有位于后圆锥滚子轴承16和前圆锥滚子轴承17之间的环形凸台22，后圆锥滚子轴承16和前圆锥滚子轴承17内的圆锥滚子的较小端均邻近环形凸台22。

限位挡环3上设置有与套筒5后端面顶压接触的防雾化限速结构；防雾化限速结构包括摩擦块23、调节弹簧24和调节螺栓25，摩擦块23呈圆柱状结构，摩擦块23的长度大于套筒5与限位挡环3之间的间隙，限位挡环3上开设有调节孔，调节孔的中心线与中心通道1的中心线平行，调节弹簧24和摩擦块23设置在调节孔内，调节螺栓25由调节孔后端伸入并螺纹连接到调节孔内，调节螺栓25前端通过调节弹簧24与摩擦块23后端顶压配合，摩擦块23前端与套筒5后端面顶压接触。

动静环密封结构包括预紧弹簧26、摩擦副静环27、摩擦副动环28和密封圈29，空心轴4的内壁前端部开设有后环形台阶槽，旋转喷头6在中心喷孔7内壁后端开设有前环形台阶槽，预紧弹簧26和摩擦副静环27安装在后环形台阶槽内，摩擦副动环28安装在前环形台阶槽内，预紧弹簧26后端顶压在后环形台阶槽的后端面上，预紧弹簧26前端与摩擦副静环27后端顶压配合，摩擦副静环27前端面与摩擦副动环28后端面顶压密封配合；空心轴4内壁上开设有位于后环形台阶槽内的密封槽，密封圈29安装在密封槽内并与摩擦副静环27的外壁密封配合。

空心轴4的内壁在后环形台阶槽的后端处设置有圆锥形过渡结构30，圆锥形过渡结构30呈后细前粗形状，圆锥形过渡结构30的前端面的直径小于预紧弹簧26的外径且大于预紧弹簧26的内径。

本发明旨在保证工程安全实施的前提下并且高效的纯射流破煤、破岩，高压胶管与管接头2连接，来自高压水泵的高压射流通过高压胶管进入到中心通道1内，高压水流一部分将进入限位挡环3内的后射流导孔10，并通过后射流孔11向后喷出，由于后射流孔11中心线与中心通道1中心线位于同一平面上，这样不会使限位挡环3和主轴产生旋转的动力，后射流孔11中心线与中心通道1中心线夹角在13°左右，以提供本发明在扩孔过程中前进时的动力，同时起到清孔作用。高压水流的另外一部分进入到与套筒5前端相连的旋转喷头6的中心喷孔7内，再由中心喷孔7进入前射流导孔8，并通过前射流孔9向前喷出，由于前射流孔9的中心线偏离中心喷孔7的中心线，并且所有前射流孔9的中心线均与中心喷孔7的中心线呈10-30°的夹角，这样使一部分高压水在前射流孔9中高速射出同时可以作为使动力使得旋转喷头6和与之相连的套筒5高速旋转，形成向外喷射且具有旋转力的水射流，进而使得这种水射流作用到地下煤层中达到切割和破煤钻孔的目的。本发明的旋转喷头6包括一个的直向的中心喷孔7，其轴线与空心轴4轴线重合，多个前射流孔9的喷水方向成旋风状，喷出的高压水流所形成法向转矩带动旋转喷头6和套筒5绕空心轴4按照一定的方向旋转并在高压水的作用下高速旋转。

在高压水流的作用下，挤压旋转喷头6，空心轴4将会产生轴向移动，为保证空心轴4和旋转喷头6连接处的密封性，本发明中采取动静环密封结构，预紧弹簧26提供初始压力，使摩擦副静环27前端紧压摩擦副动环28后端面，保证初始状态的密封，随着泵压的增大，由于本发明在空心轴4的内壁的后环形台阶槽的后端处设置有圆锥形过渡结构30，高压水流会压迫预紧弹簧26，增大预紧弹簧26的弹力，预紧弹簧26使摩擦副静环27前端进一步紧压摩擦副动环28后端面，随着泵压的增大，摩擦副静环27受到的压力越大，摩擦副静环27与摩擦动静环之间的接触面上的压力越大，密封能力越强，避免漏水。

本发明设置了一种具有防雾化限速结构，其旨在防止射流雾化并加强承载能力和使用寿命，以有效的提升装置的耐久性，进而大幅度提升破岩效率。在实际工作状态中由于水压过大，旋转速度过快，使得喷出的水流雾化无法达到集中破岩的效果。故根据在实际生产应用中的需求，并遵循操作简便安全并可调速的原则，本发明设计出用加入摩擦块23摩擦减速的结构对套筒5作减速处理：摩擦块23长度远远大于限位挡环3与套筒5之间的间隙，同时使摩擦块23紧紧贴靠于套筒5后端表面。内部的摩擦块23同时由调节螺栓25通过调节弹簧24进行预紧，通过对调节螺栓25预紧力大小的改变，从而有效的改变套筒5和旋转喷头6的旋转速度。

针对矿下煤层环境复杂，岩层有松有软，对于旋转喷头6的周向和轴向载荷具有较大的波动，对内部零件冲击大，使得现有扩孔装置寿命短、破岩效率低下的问题，本发明本着尽量缩小扩孔装置整体尺寸，消除主轴上零件的应力集中的实用原则，设计出合适的结构使其内部构成更加合理以增强其承载能力和使用寿命进而加提升其工作效率：在空心轴4外表面设置环形槽用来安装前橡胶挡圈20和后橡胶挡圈13，达到装置内部零件的隔离减震效果。在前橡胶挡圈20和后橡胶挡圈13之间采用一对圆锥滚子轴承和一对圆柱滚子轴承，圆锥滚子轴承的小端与套筒5内表面的环形凸台22接触，实现对套筒5的轴向定位，同时这两种轴承、中间的前限位圈18和后限位圈15共同作用实现套筒5的周向定位。两种轴承的外观尺寸都较小，有效的保证扩孔装置内部结构的紧凑。圆柱滚子轴承的定心性强，承载能力强，外圈可以与内圈存在一定的轴向错动，当载荷突变时内圈与外圈的错动可以有效的避免零件的损坏。圆锥滚子轴承可以同时承受轴向和周向两种载荷，承载能力强同时能减轻滚子轴承收到的冲击载荷，保证轴承的定位可靠和使用寿命。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有高效且防雾化稳定的水射流扩孔装置，其特征在于：包括具有中心通道的主轴，主轴沿轴向方向由后向前依次由一体制成的管接头、限位挡环和空心轴构成，限位挡环的外径大于管接头和空心轴的外径，空心轴上通过轴承密封组件转动连接有套筒，套筒前端外部螺纹连接有旋转喷头，旋转喷头前端面呈前细后粗的圆锥面结构；旋转喷头与空心轴之间设置有动静环密封结构；

旋转喷头中心设置有与中心通道前端同轴向贯通的中心喷孔，旋转喷头内部沿径向方向开设有至少三个前射流导孔，每个前射流导孔的内端均与中心喷孔连通，旋转喷头前部外侧开设有数目与前射流导孔相等的前射流孔，前射流孔的后端对应与一个前射流导孔的外端连通，前射流孔的中心线偏离中心喷孔的中心线，所有前射流孔的中心线均与中心喷孔的中心线呈10-30°的夹角；

限位挡环内部沿径向方向开设有至少三个后射流导孔，限位挡环后部外侧开设有数目与后射流导孔相等的后射流孔，后射流孔的前端对应与一个后射流导孔的外端连通，后射流孔的中心线与中心喷孔的中心线位于同一平面上，所有后射流孔的中心线均与中心通道的中心线呈10-30°的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种具有高效且防雾化稳定的水射流扩孔装置，其特征在于：轴承密封组件包括由后向前依次设置在套筒内壁和空心轴外壁之间的后密封端盖、后橡胶挡圈、后圆柱滚子轴承、后限位圈、后圆锥滚子轴承、前圆锥滚子轴承、前限位圈、前圆柱滚子轴承、前橡胶挡圈以及前密封端盖，空心轴外壁后侧和前侧分别开设有一个环形槽，后橡胶挡圈和前橡胶挡圈分别安装在空心轴前侧和后侧的一个环形槽内，套筒内壁设有位于后圆锥滚子轴承和前圆锥滚子轴承之间的环形凸台，后圆锥滚子轴承和前圆锥滚子轴承内的圆锥滚子的较小端均邻近环形凸台。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有高效且防雾化稳定的水射流扩孔装置，其特征在于：限位挡环上设置有与套筒后端面顶压接触的防雾化限速结构；

防雾化限速结构包括摩擦块、调节弹簧和调节螺栓，摩擦块呈圆柱状结构，摩擦块的长度大于套筒与限位挡环之间的间隙，限位挡环上开设有调节孔，调节孔的中心线与中心通道的中心线平行，调节弹簧和摩擦块设置在调节孔内，调节螺栓由调节孔后端伸入并螺纹连接到调节孔内，调节螺栓前端通过调节弹簧与摩擦块后端顶压配合，摩擦块前端与套筒后端面顶压接触。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有高效且防雾化稳定的水射流扩孔装置，其特征在于：动静环密封结构包括预紧弹簧、摩擦副静环、摩擦副动环和密封圈，空心轴的内壁前端部开设有后环形台阶槽，旋转喷头在中心喷孔内壁后端开设有前环形台阶槽，预紧弹簧和摩擦副静环安装在后环形台阶槽内，摩擦副动环安装在前环形台阶槽内，预紧弹簧后端顶压在后环形台阶槽的后端面上，预紧弹簧前端与摩擦副静环后端顶压配合，摩擦副静环前端面与摩擦副动环后端面顶压密封配合；空心轴内壁上开设有位于后环形台阶槽内的密封槽，密封圈安装在密封槽内并与摩擦副静环的外壁密封配合；

空心轴的内壁在后环形台阶槽的后端处设置有圆锥形过渡结构，圆锥形过渡结构呈后细前粗形状，圆锥形过渡结构的前端面的直径小于预紧弹簧的外径且大于预紧弹簧的内径。