CN107939404B - 一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪，主要包括高压水管、上部液压管、液压管高压旋转接头、高压水管旋转接头、齿条、偏心接管锁紧螺栓、偏心接管、直角接头、顶杆、水枪、水枪高压旋转接头、滑动板、齿轮、刹车片护板、下部液压管、液压缸和刹车片，在水力开采的过程中，可按所需水枪伸出角度，下放高压水管，当水枪达到设定伸出角度时，打开刹车系统控制阀，使刹车片制动齿轮，即可固定水枪的伸出角度，对岩石进行破碎。本发明水枪伸出角度调节自由，并且伸出收回方便，可根据设计控制水枪喷嘴与矿层的距离，避免淹没射流造成高压水能量急剧减弱的问题，从而达到提高高压水射流的能量利用率的目的，最终提高开采效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于钻孔水力开采的伸缩水枪，特别涉及一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪。
背景技术
钻孔水力开采技术是先在目标区钻孔，然后将高压水枪放置在钻孔内目标矿层深度处，利用高压射出的高速流体携带的能量破碎岩石，最后破碎的岩石与钻井液形成固液混合物，由地表装置抽吸至地表，然后对矿浆进行分离提取矿物的开采方法。钻孔水力开采技术具有开采成本低、生产效率高、对周围环境影响小等优点。传统的水力开采钻具其高压水喷嘴固定在钻具外壁，喷嘴位置不可移动，在矿层破碎区的半径逐渐变大的过程中，高压水喷出后受到的破碎区内钻井液及矿渣的阻力也随之增大，导致高压水破碎岩石的能量急剧降低，极大地降低了水力开采的生产效率。
为了解决上述问题，现有的专利文献“CN104018840A”公开了一种基于棘爪锁紧机构的伸缩水枪，但该水枪只能在水枪张开至最大角度时，才能通过解卡装置解卡，收回水枪。“CN104005767A”公开了一种用于钻孔水力开采的电控伸缩钻具，但该钻具远程控制技术还不完善，步进电机和减速器、控制器工作环境恶劣，密封环境不容易散热，伸缩部位处于矿浆环境下工作，密封要求高，易损坏。“CN203961980U”公开了一种基于弹簧卡头控制的伸缩水枪，但该水枪在有钻井液的条件下工作时，夹紧力不够，水枪固定不可靠，而且在水枪未伸出至最大角度时，水枪无法收回，因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术方问题是：本发明提供了一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪，在水力开采的过程中，可按所需水枪伸出角度，下放高压水管，当水枪达到设定伸出角度时，打开刹车系统控制阀，使刹车片制动齿轮，即可固定水枪的伸出角度，对岩石进行破碎。
本发明采用如下的技术方案：一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪，其特征在于：包括保护管、高压水管、上部液压管、液压管高压旋转接头、高压水管旋转接头、排渣管、顶端盖、齿条、偏心接管锁紧螺栓、偏心接管、直角接头、下固定板锁紧螺栓、第一底端盖、第二底端盖、排渣管下导向套、顶杆、水枪、水枪高压旋转接头、滑动板、齿轮、刹车片护板、下部液压管、液压缸和刹车片，所述保护管的顶端与顶端盖连接，保护管的底端与第一底端盖连接，保护管的侧壁设有沿轴向贯穿的开口，保护管内部布置有齿条、偏心接管锁紧螺栓、偏心接管、直角接头、水枪高压旋转接头、滑动板、齿轮、刹车片护板、下部液压管、液压缸及刹车片；所述高压水管由第一高压水管和第二高压水管构成，第一高压水管的顶端与地表高压水源连接，底端与高压水管旋转接头的进液口连接，第二高压水管穿过顶端盖，且其顶端与高压水管旋转接头的排液口连接，底端通过偏心接管锁紧螺栓与偏心接管的连接；所述偏心接管、直角接头、水枪高压旋转接头及水枪顺次密封连接；沿保护管的轴向方向所述齿条焊接在顶端盖和第一底端盖之间，齿条数量为两个，两个齿条对称布置；所述滑动板焊接在偏心接管上，滑动板与保护管的侧壁呈垂直布置，在滑动板两侧开设有两个对称设置的齿轮槽；所述齿轮通过齿轮轴安装在齿轮槽内并与齿条啮合；所述水枪和第一底端盖上分别焊接有顶杆连接槽；所述顶杆通过顶杆连接槽安装在水枪和第一底端盖之间，并用销钉固定；所述刹车片护板位于齿轮两侧并焊接在滑动板上；所述刹车片安装在刹车片护板朝向齿轮的一侧上；所述液压缸的缸筒焊接在刹车片护板背向齿轮的一侧上，液压缸的活塞杆穿过刹车片护板，液压缸的活塞杆工作端与刹车片连接在一起；所述液压管高压旋转接头焊接在第一高压水管上；所述上部液压管顶端与地表液压系统连接，底端与液压管高压旋转接头的进液口连接；所述下部液压管的顶端与液压管高压旋转接头的排液口连接，底端与液压缸连接；所述第一底端盖通过下固定板锁紧螺栓与第二底端盖连接；所述排渣管下导向套依次贯穿第一底端盖和第二底端盖，并通过螺纹连接在第一底端盖上；所述排渣管下端与排渣管下导向套螺纹连接，排渣管上端穿过顶端盖上的通孔向外延伸。
所述齿轮槽为U型槽，齿轮槽的开口侧朝向齿条。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明在水力开采的过程中，可按所需水枪伸出角度，下放高压水管，当水枪达到设定伸出角度时，打开刹车系统控制阀，使刹车片制动齿轮，即可固定水枪的伸出角度，对岩石进行破碎。本发明水枪伸出角度调节自由，并且伸出收回方便，可根据设计控制水枪喷嘴与矿层的距离，避免淹没射流造成高压水能量急剧减弱的问题，从而达到提高高压水射流的能量利用率的目的，最终提高开采效率。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明。
图1是本发明一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪的整体结构示意图。
图2是本发明一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪的整体结构装配示意图。
图3是本发明一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪的局部装配图。
图4是图3中齿轮齿条部分的放大视图。
图5是本发明一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪的内部结构示意图。
图6是本发明一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪的剖面视图。
图中各标记如下：1-保护管、2-高压水管、3-上部液压管、4-液压管高压旋转接头、5-高压水管旋转接头、6-排渣管、7-顶端盖、8-齿条、9-偏心接管锁紧螺栓、10-偏心接管、11-直角接头、12-下固定板锁紧螺栓、13-第一底端盖、14-第二底端盖、15-排渣管下导向套、16-顶杆、17-水枪、18-水枪高压旋转接头、19-滑动板、20-齿轮、21-刹车片护板、22-下部液压管、23-液压缸、24-刹车片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提出的一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪，如图1至图6所示，该机械式伸缩水枪是由高压水输送系统、水枪伸缩系统、水枪刹车制动系统及排渣系统组成，
高压水输送系统由高压水管2、高压水管旋转接头5、偏心接管10、直角接头11、水枪高压旋转接头18及水枪17组成，高压水管2由第一高压水管和第二高压水管构成，第一高压水管的顶端与地表高压水源连接，底端与高压水管旋转接头5的进液口连接，第二高压水管的顶端与高压水管旋转接头5的排液口连接，底端通过偏心接管锁紧螺栓9与偏心接管10的连接；所述偏心接管10、直角接头11、水枪高压旋转接头18及水枪17顺次密封连接，该机械式伸缩水枪工作时，地表高压水由高压水管2经过高压水管旋转接头5流入偏心接管10，再由偏心接管10经直角接头11、水枪高压旋转接头18流入水枪17，从水枪17的喷嘴高速喷出，实现对岩石的破碎。
水枪伸缩系统由顶端盖7、高压水管2、偏心接管10、滑动板19、齿轮20、齿条8、水枪高压旋转接头18、直角接头11、水枪17、顶杆16、第一底端盖13及第二底端盖14组成，所述齿条8焊接在顶端盖7和第一底端盖13之间，齿条8数量为两个，两个齿条8对称布置；所述滑动板19焊接在偏心接管10上，滑动板19与保护管1的侧壁呈垂直布置，在滑动板19两侧对称开设有齿轮槽；所述齿轮20通过齿轮轴安装在齿轮槽内并与齿条8啮合；所述水枪17和第一底端盖13上分别焊接有顶杆连接槽；所述顶杆16通过顶杆连接槽安装在水枪17和第一底端盖13之间，并用销钉固定；该机械式伸缩水枪工作时，根据设计的水枪17伸出角度下放高压水管2，齿轮20沿齿条8向下运动，带动滑动板19向下运动，从而通过水枪高压旋转接头18的运动带动由顶杆16等构成的连杆机构运动，实现水枪17的伸缩。
水枪刹车制动系统由上部液压管3、液压管高压旋转接头4、下部液压管22、液压缸23、刹车片24及刹车片护板21组成，所述刹车片护板21位于齿轮20两侧并焊接在滑动板19上；所述刹车片24安装在刹车片护板21朝向齿轮20的一侧上；所述液压缸23的缸筒焊接在刹车片护板21背向齿轮20的一侧上，液压缸23的活塞杆穿过刹车片护板21，液压缸23的活塞杆工作端与刹车片24连接在一起；所述液压管高压旋转接头4焊接在第一高压水管上；所述上部液压管3顶端与地表液压系统连接，底端与液压管高压旋转接头4的进液口连接；所述下部液压管22的顶端与液压管高压旋转接头4的排液口连接，底端与液压缸23连接；当水枪17伸出角度达到要求时，打开地表刹车制动系统按钮，在液压油的推动下，液压缸23的活塞杆伸出推动两侧的刹车片24，从而抱紧齿轮20，阻止齿轮20转动，使滑动板19竖直方向固定不动，实现水枪17伸出角度的固定。
排渣系统由顶端盖7、排渣管6、排渣管下导向套15、第一底端盖13、第二底端盖14及下固定板锁紧螺栓12组成，所述顶端盖7位于保护管1的顶端并与其连接，第一底端盖13位于保护管1的底端并与其连接；所述第一底端盖13通过下固定板锁紧螺栓12与第二底端盖14连接；所述排渣管下导向套15焊接在第一底端盖13上；所述排渣管6下端与排渣管下导向套15螺纹连接，排渣管6穿过顶端盖7上的通孔向外延伸，在水力开采的过程中，破碎的的岩屑由钻井液携带经排渣管6返回到地表。
具体工作过程：
水枪17伸出及固定：在完成水力开采所需的钻孔后，将该机械式伸缩水枪下放至孔底，然后钻机继续给进，使高压水管2向下运动，由于高压水管2与偏心接管10由偏心接管锁紧螺栓9连接，因此在高压水管2的带动下，偏心水管10向下运动，带动焊接在其上的滑动板19向下运动，此时，滑动板19上的齿轮20沿齿条8向下转动；在连杆机构的带动下，水枪17向外伸出一定角度，通过控制高压水管2下放的高度，就可以实现对水枪17伸出角度的控制。当水枪17的伸出角度到达设计角度时，打开刹车系统控制阀，同时打开储能器控制阀，液压油经上部液压管3、液压管高压旋转接头4、下部液压管22进入液压缸23，推动活塞杆使刹车片24抱死齿轮20，阻止其转动，从而固定水枪17的伸出角度。为了使液压系统稳定的保持一个恒定的压力，在地表液压系统中设置溢流阀和储能器，通过溢流阀可实现液压系统恒压，增设储能器可以减少系统压力脉动，增加系统压力的稳定性。
水枪17旋转喷射碎岩：在水枪17的伸出角度达到要求并固定好后，通过钻机调整水枪17沿钻孔轴线的旋转速度，同时高压水经过高压水管2、偏心接管10、手枪高压旋转接头18流入水枪17，从水枪17的喷嘴高速喷出，破碎岩石，在水枪17回转破岩的过程中，在高压水管旋转接头5的作用下，高压水管旋转接头5上部的第一高压水管不转，高压水管旋转接头5下部的第二高压水管随水枪17一起转动，同样，在液压管高压旋转接头4的作用下，上部液压管3不转，下部液压管22随水枪17转动，实现了高压水管2和液压管的单动。当水力破碎岩矿区域满足设计要求时，需调整水枪17的伸出角度，此时，再将钻具下放至孔底，调节刹车系统控制阀，使刹车片24松开齿轮20，下放高压水管2，增加水枪17的伸出角度后将水枪17固定，继续破碎岩石。
水枪17收回：当开采完成后或因孔内异常情况需要提钻时，需要将伸出的水枪17收回，此时，首先关闭储能器控制阀，然后关闭液压泵，使液压系统卸荷，从而刹车片24松开齿轮20，上提高压水管2，齿轮20沿齿条8向上运动，通过滑动板19、水枪高压旋转接头18、顶杆16等带动水枪17收回。
综上所述，本发明提出的一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪优点如下：
1、该机械式伸缩水枪的伸出角度由齿轮8和齿条20相互配合控制，可以无级调节，一方面避免了淹没射流造成的高压水能量急剧减弱的问题；另一方面，增加了单个钻孔水力开采的区域，从而提高了钻孔水力开采的开采效率。
2、该机械式伸缩水枪伸出收回通过齿轮20、齿条8以及水枪刹车制动系统控制，因此水枪17可在任意需要的时候收回，避免了当孔内有突发情况时，水枪17不能收回造成钻具无法提升的问题。
Claims (2)
1.一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪，其特征在于：包括保护管(1)、高压水管(2)、上部液压管(3)、液压管高压旋转接头(4)、高压水管旋转接头(5)、排渣管(6)、顶端盖(7)、齿条(8)、偏心接管锁紧螺栓(9)、偏心接管(10)、直角接头(11)、下固定板锁紧螺栓(12)、第一底端盖(13)、第二底端盖(14)、排渣管下导向套(15)、顶杆(16)、水枪(17)、水枪高压旋转接头(18)、滑动板(19)、齿轮(20)、刹车片护板(21)、下部液压管(22)、液压缸(23)和刹车片(24)，所述保护管(1)的顶端与顶端盖(7)连接，保护管(1)的底端与第一底端盖(13)连接，保护管(1)的侧壁设有沿轴向贯穿的开口，保护管(1)内部布置有齿条(8)、偏心接管锁紧螺栓(9)、偏心接管(10)、直角接头(11)、水枪高压旋转接头(18)、滑动板(19)、齿轮(20)、刹车片护板(21)、下部液压管(22)、液压缸(23)及刹车片(24)；所述高压水管(2)由第一高压水管和第二高压水管构成，第一高压水管的顶端与地表高压水源连接，底端与高压水管旋转接头(5)的进液口连接，第二高压水管穿过顶端盖(7)，且其顶端与高压水管旋转接头(5)的排液口连接，底端通过偏心接管锁紧螺栓(9)与偏心接管(10)的连接；所述偏心接管(10)、直角接头(11)、水枪高压旋转接头(18)及水枪(17)顺次密封连接；沿保护管(1)的轴向方向所述齿条(8)焊接在顶端盖(7)和第一底端盖(13)之间，齿条(8)数量为两个，两个齿条(8)对称布置；所述滑动板(19)焊接在偏心接管(10)上，滑动板(19)与保护管(1)的侧壁呈垂直布置，在滑动板(19)两侧开设有两个对称设置的齿轮槽；所述齿轮(20)通过齿轮轴安装在齿轮槽内并与齿条(8)啮合；所述水枪(17)和第一底端盖(13)上分别焊接有顶杆连接槽；所述顶杆(16)通过顶杆连接槽安装在水枪(17)和第一底端盖(13)之间，并用销钉固定；所述刹车片护板(21)位于齿轮(20)两侧并焊接在滑动板(19)上；所述刹车片(24)安装在刹车片护板(21)朝向齿轮(20)的一侧上；所述液压缸(23)的缸筒焊接在刹车片护板(21)背向齿轮(20)的一侧上，液压缸(23)的活塞杆穿过刹车片护板(21)，液压缸(23)的活塞杆工作端与刹车片(24)连接在一起；所述液压管高压旋转接头(4)焊接在第一高压水管上；所述上部液压管(3)顶端与地表液压系统连接，底端与液压管高压旋转接头(4)的进液口连接；所述下部液压管(22)的顶端与液压管高压旋转接头(4)的排液口连接，底端与液压缸(23)连接；所述第一底端盖(13)通过下固定板锁紧螺栓(12)与第二底端盖(14)连接；所述排渣管下导向套(15)依次贯穿第一底端盖(13)和第二底端盖(14)，并通过螺纹连接在第一底端盖(13)上；所述排渣管(6)下端与排渣管下导向套(15)螺纹连接，排渣管(6)上端穿过顶端盖(7)上的通孔向外延伸。
2.根据权利要求1所述的一种基于齿轮齿条传动的机械式伸缩水枪，其特征在于：所述齿轮槽为U型槽，齿轮槽的开口侧朝向齿条(8)。
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