CN109236223B - 一种非开挖钻具在线自动解脱装置 - Google Patents
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Abstract
一种非开挖钻具在线自动解脱装置，包括螺堵、第一连接件、单向阀、套筒、端盖、连接板、第二连接件、圆柱销、弹性元件、支撑座、卸荷单元；第二连接件套在第一连接件外圆上，套筒套在第二连接件外圆上；第一连接件、第二连接件、套筒上沿径向上均设有至少设有一个同轴的安装孔，两连接件安装孔之间采用圆柱销连接；支撑座设置在套筒上，弹性元件设置在圆柱销与支撑座之间；第一连接件轴向上设有液体通道，单向阀设置在第一连接件上，通过单向阀的注口向液体通道注入一定压力的工作液，作用于圆柱销端面，压缩弹性元件使圆柱销位于第一连接件和第二连接件之间；第一连接件端面上设有卸荷单元以控制液体通道的启闭；本发明可降低非开挖技术成本。
Description
技术领域
本发明属于非开挖技术领域，特别是一种非开挖钻具在线自动解脱装置。
背景技术
非开挖技术是指在不挖开地表或地面极少部分开挖的情况下，通过导向、定向钻进等手段，探测、检查、修复、更换和铺设地下管线的一种施工新技术，而水平定向钻探则是非开挖技术的主要手段之一。非开挖水平定向钻探技术施工速度快、经济效益好、对环境伤害低，已被广泛地应用于穿越公路、铁路和建筑等不允许或无法开挖条件下的煤气、电力、天然气、电讯等管线的铺设。钻具是非开挖水平定向钻探的核心部件。随着相关技术和需求的发展，非开挖水平定向钻探的钻进距离以及待铺设管道的长度越来越大，超过2km的管线铺设工程越来越常见，一次施工中需要用到的钻杆数目也越来越多。
整个施工过程可以分为钻进、扩孔和回拖三个阶段，而扩孔钻头则主要用于扩孔和回拖这两个阶段。由于扩孔钻头体积较大，如果发生卡滞或塌方时，连接在一起的钻杆、扩孔钻头、分动器等钻具和待铺设管道将无法从地下拖出，不得不被废弃，从而造成了巨大的资源浪费，增加了非开挖水平定向钻探的成本。以一个距离为3km的非开挖管线铺设工程为例，若每根钻杆的长度为6m，则需要500根钻杆拼接使用，每根钻杆的价格约为7000～10000元，钻杆的总价值约350～500万元。如果在回拖管道到一半时发生了抱死，钻杆无法进退，那么就不得不废弃还埋在土里的无法取出的约175～250万元价值的钻杆和约1.5km的管道；另外还得重新规划路线，重新施工，影响工期。
目前，还未有非开挖钻具在线自动解脱装置能实现非开挖水平定向钻探施工过程中扩孔钻头与钻杆、扩孔钻头与分动器之间的自动解脱分离，本发明意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非开挖钻具在线自动解脱装置，它与钻杆、钻头/扩孔钻头、分动器等钻具配合进行非开挖施工。施工过程中一旦出现卡滞而导致钻具、拖管无法进退时，通过遥控实现非开挖钻具从预定位置在线自动解脱分离，从而减小由此而造成的巨大资源浪费，降低非开挖水平定向钻探的成本。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种非开挖钻具在线自动解脱装置，包括连接单元；工作复位单元；卸荷单元；
所述连接单元包括第一连接件、套筒、第二连接件和圆柱销，所述第二连接件套在第一连接件外圆上，所述套筒套在第二连接件外圆上；所述第一连接件、第二连接件、套筒上沿径向上均设有至少设有一个同轴的安装孔，所述第一连接件与第二连接件的安装孔之间采用圆柱销连接；
所述工作复位单元包括单向阀、弹性元件和支撑座，所述支撑座设置在套筒上，弹性元件设置在圆柱销与支撑座之间，弹性元件的弹力始终压在圆柱销上；所述第一连接件轴向上设有液体通道，所述单向阀设置在第一连接件上，通过单向阀的注口向液体通道注入工作液，作用于圆柱销端面，同时压缩弹性元件使圆柱销位于第一连接件和第二连接件之间；所述卸荷单元设置在第一连接件的端面上，以控制液体通道的启闭。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)当施工过程中发生由塌方等原因造成的非开挖钻具卡滞使得钻具或采用拖管方式已经进入地下的待铺设管道无法进退时，本发明的在线自动解脱装置通过无线信号控制卸荷单元开启，进行泄压，工作液在弹性元件弹力的作用下流出，圆柱销复位退回于第一连接件内，利用钻机分别拖动钻杆或待铺设管道，弹性元件将被剪断，从而实现非开挖钻具或已铺设管道与卡滞钻具部分的分离，方便其顺利取出，减小由于非开挖钻具卡滞无法取出所造成的损失。
(2)本发明的非开挖钻具在线自动解脱装置，可以通过无线操控使非开挖钻具或已铺设管道与卡滞钻具部分分离，可靠易行。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明解脱装置的轴侧半剖立体图。
图2为本发明解脱装置的剖视图。
图3为图2中的A-A剖视图。
图4(a)、(b)、(c)为本发明解脱装置圆柱销运动过程图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
一种非开挖钻具在线自动解脱装置，包括连接单元；工作复位单元；卸荷单元；
所述连接单元包括第一连接件2、套筒6、第二连接件12和圆柱销14，所述第二连接件12套在第一连接件2外圆上，所述套筒6套在第二连接件12外圆上；所述第一连接件2、第二连接件12、套筒6上沿径向上均设有至少设有一个同轴的安装孔，所述第一连接件2与第二连接件12的安装孔之间采用圆柱销14连接；
所述工作复位单元包括单向阀3、弹性元件15和支撑座16，所述支撑座16设置在套筒6上，弹性元件15设置在圆柱销14与支撑座16之间，弹性元件15的弹力始终压在圆柱销14上；所述第一连接件2轴向上设有液体通道22，所述单向阀3设置在第一连接件2上，通过单向阀3的注口向液体通道22注入工作液，作用于圆柱销14端面，同时压缩弹性元件15使圆柱销14位于第一连接件2和第二连接件12之间；所述卸荷单元设置在第一连接件2的端面上，以控制液体通道22的启闭。
在一些实施方式中，所述卸荷单元包括锥阀体5、锥阀芯8、端盖9、连接板10、直流电机11；
所述锥阀体5设置在液体通道22出液口上；所述端盖9与第一连接件2相连；所述直流电机11通过连接板10与端盖9固定；所述直流电机11的输出轴与锥阀芯8连接，直流电机11的输出轴与锥阀芯8之间设有间隙，锥阀芯8对准锥阀体5的出液口；所述锥阀芯8与端盖9构成螺旋传动副，所述直流电机11带动锥阀芯8正、反转带下锥阀芯8转动做轴向运动，以实现锥阀体5出液口的启闭。
在另外一些实施方式中，所述卸荷单元包括堵帽、连接轴、端盖9、连接板10、直线步进电机；
所述端盖9与第一连接件2相连，所述直线步进电机11通过连接板10与端盖9固定；所述直线步进电机与连接轴相连；所述连接轴穿过端盖，且末端连接有堵帽，所述堵帽正对液体通道22的出液口；直线步进电机11带动连接轴轴向运动，以实现堵帽对液体通道22的启闭。
在一些实施方式中，所述弹性元件15为弹簧。
在另外一些实施方式中，所述弹性元件15为弹性橡胶。
优选的，所述第一连接件2、第二连接件12、套筒6上沿径向上均设有两个安装孔，且两个安装孔同轴，两个安装孔内均设有支撑座16、圆柱销14、弹性元件15；通过两组圆柱销14的定位，能够保证解脱装置在传动扭矩时具有更好的强度。
进一步的，可以通过无线信号控制电机的工作，所述安装空腔21内固定有电源、控制器、无线信号接收端；所述电源用以给电机、控制器、无线信号接收端进行供电；所述无线信号接收端用以接收无线信号，并与控制器端口相连；所述控制器用以控制电机的工作，以控制电机的正向、反向运行以及停止。
实施例1.
一种非开挖钻具在线自动解脱装置，包括第一连接件2、单向阀3、锥阀体5、套筒6、锥阀芯8、端盖9、连接板10、直流电机11、第二连接件12、圆柱销14、弹性元件15、支撑座16；
所述第一连接件2一端设有安装空腔21，作为安装电机的空间，另一端设螺纹孔，用以连接钻杆、扩孔钻头或分动器；所述第二连接件12一端设有圆孔，所述第一连接件2的设置在第二连接件12的圆孔内，所述第一连接件2外径与第二连接件12圆孔内径相同，可沿第二连接件12圆孔轴向相对滑动；所述第二连接件12另一端也设有螺纹孔，用以连接钻杆、扩孔钻头或分动器；所述第一连接件2轴向设有液体通道22，液体通道22靠近第一连接件2螺纹孔处设有螺堵1进行封堵；液体通道22靠近第一连接件2安装空腔21处设有锥阀体5；所述第一连接件2径向上设有注液孔23，注液孔23与液体通道22相连通，注液孔23上设有单向阀3，以注入工作液；所述液体通道22与安装空腔21之间设有卸液空腔24；所述端盖9固定在卸液空腔24与安装空腔21之间的端面上；所述直流电机11通过连接板10与端盖9相连；所述直流电机11输出轴与锥阀芯8相连，锥阀芯8与端盖9构成螺旋传动副；锥阀芯8从端盖9伸入卸液空腔24内，且锥阀芯8轴向与液体通道22同轴；锥阀芯8末端为锥形，且对准锥阀体5上的通孔；锥阀芯8与直流电机11输出端之间设有间隙，直流电机11带动锥阀芯8旋转，锥阀芯8在螺旋传动副的作用下可以相对直流电机11的输出端轴向移动，当锥阀芯8运动到最远离直流电机11的极限位置时，恰好可以将锥阀体5上的通孔堵住，将锥阀体5关闭；所述套筒6套在第二连接件12外圆上；所述第一连接件2、第二连接件12、套筒6上沿径向上至少一个同轴的安装孔，第一连接件2的安装孔与液体通道22相连通；所述圆柱销14设置在第一连接件2的安装孔内；所述支撑座16设置在套筒6的安装孔内；所述弹性元件15设置在圆柱销14和支撑座16之间。
在一些实施方式中，由于液体通道22较长，所以才要两端钻孔的加工工艺形成一个液体通道，因此液体通道22一端采用螺堵1进行封堵。当液体通道22较短时，可采用一端钻孔的加工工艺时形成盲孔时，也可取消螺堵1。
优选的，所述第一连接件2、第二连接件12、套筒6上沿径向上局设有两个安装孔，且两个安装孔同轴，两个安装孔内均设有支撑座16、圆柱销14、弹性元件15；通过两组圆柱销14的定位，能够保证解脱装置在传动扭矩时具有更好的强度。
进一步的，所述安装孔为中心小、两端大的台阶孔，中心小孔与液体通道22相连通，两端大孔用于安装圆柱销14，台阶孔可对圆柱销14进行限位。
进一步的，所述第一连接件2外圆和第二连接件12内圆之间还设有多个第一密封圈4，多个第一密封圈4对称设置在第一连接件2安装孔两侧。
进一步的，所述卸液空腔24与安装空腔21之间与所述端盖9之间还设有第二密封圈7。
进一步的，所述圆柱销14外圆上设有多个第三密封圈13，以对圆柱销14和安装孔之间进行密封。
优选的，可以通过无线信号控制直流电机11的工作，所述安装空腔21内固定有电源、控制器、无线信号接收端；所述电源用以给直流电机11、控制器、无线信号接收端进行供电；所述无线信号接收端用以接收无线信号，并与控制器端口相连；所述控制器用以控制直流电机11的工作，以控制直流电机11的正向、反向运行以及停止。
结合图4(a-c)，本发明的非开挖钻具在线自动解脱装置，工作过程如下：
非开挖钻具在线自动解脱装置卸荷状态如图4(a)所示。此时圆柱销14在弹性元件15的作用下完全位于第一连接件2的径向上的安装孔中，与第二连接件12不接触；锥阀芯8与锥阀体5脱开，液体通道22处于打开状态；
非开挖钻具在线自动解脱装置加载状态如图4(b)所示。启动直流电机11，使锥阀芯8向锥阀体5移动，直到锥阀体5的通孔关闭(可控制直流电机11的旋转角度)；通过单向阀3注入具有一定压力的工作液，使圆柱销14在工作液的作用下压缩弹性元件15向外侧移动，并通过弹性元件15的弹力或在第二连接件12上设置限位的方式来控制圆柱销14的位置，圆柱销14的最终位置位于第一连接件2和第二连接件12之间，使非开挖钻具在线自动解脱装置具备传递非开挖钻探所需的扭矩和拉力的能力；
非开挖钻具在线自动解脱装置工作状态如图4(c)所示。将非开挖钻具在线自动解脱装置安装在扩孔钻和钻杆、扩孔钻与分动器之间，就可以正常进行非开挖钻探施工；当发生抱死需要解脱时，通过遥控装置启动电机，使锥阀芯8与锥阀体5分离，在弹性元件15的弹力作用下，工作液将从锥阀体5的泄液孔排出；同时圆柱销14将向第一连接件2径向安装孔底部移动，直到与第二连接件12的径向安装孔分离，仅弹性元件15位于第一连接件2和第二连接件12之间；此时利用钻机拖动钻杆或待铺设管道，弹性元件15将被剪断完成非开挖钻具在线自动解脱，而本被卡死的位于地下的钻杆或待铺设管道则可以被顺利取出。
Claims (8)
1.一种非开挖钻具在线自动解脱装置，其特征在于，包括连接单元；工作复位单元；卸荷单元；
所述连接单元包括第一连接件(2)、套筒(6)、第二连接件(12)和圆柱销(14)，所述第二连接件(12)套在第一连接件(2)外圆上，所述套筒(6)套在第二连接件(12)外圆上；所述第一连接件(2)、第二连接件(12)、套筒(6)上沿径向上均至少设有一个同轴的安装孔，所述第一连接件(2)与第二连接件(12)的安装孔之间采用圆柱销(14)连接；
所述工作复位单元包括单向阀(3)、弹性元件(15)和支撑座(16)，所述支撑座(16)设置在套筒(6)上，弹性元件(15)设置在圆柱销(14)与支撑座(16)之间，弹性元件(15)的弹力始终压在圆柱销(14)上；所述第一连接件(2)轴向上设有液体通道(22)，所述单向阀(3)设置在第一连接件(2)上，通过单向阀(3)的注口向液体通道(22)注入工作液，作用于圆柱销(14)端面，同时压缩弹性元件(15)使圆柱销(14)位于第一连接件(2)和第二连接件(12)之间；所述卸荷单元设置在第一连接件(2)的端面上，以控制液体通道(22)的启闭；所述卸荷单元的工作通过无线信号控制。
2.根据权利要求1所述的非开挖钻具在线自动解脱装置，其特征在于，所述卸荷单元包括锥阀体(5)、锥阀芯(8)、端盖(9)、连接板(10)、直流电机(11)；
所述锥阀体(5)设置在液体通道(22)出液口上；所述端盖(9)与第一连接件(2)相连；所述直流电机(11)通过连接板(10)与端盖(9)固定；所述直流电机(11)的输出轴与锥阀芯(8)连接，直流电机(11)的输出轴与锥阀芯(8)之间设有间隙，锥阀芯(8)对准锥阀体(5)的出液口；所述锥阀芯(8)与端盖(9)构成螺旋传动副，所述直流电机(11)带动锥阀芯(8)正、反转，使锥阀芯(8)做轴向运动，以实现锥阀体(5)出液口的启闭。
3.根据权利要求1所述的非开挖钻具在线自动解脱装置，其特征在于，所述卸荷单元包括堵帽、连接轴、端盖(9)、连接板(10)、直线步进电机；
所述端盖(9)与第一连接件(2)相连，所述直线步进电机通过连接板(10)与端盖(9)固定；所述直线步进电机与连接轴相连；所述连接轴穿过端盖，且末端连接有堵帽，所述堵帽正对液体通道(22)的出液口；直线步进电机带动连接轴轴向运动，以实现堵帽对液体通道(22)的启闭。
4.根据权利要求1所述的非开挖钻具在线自动解脱装置，其特征在于，所述弹性元件(15)为弹簧。
5.根据权利要求1所述的非开挖钻具在线自动解脱装置，其特征在于，所述弹性元件(15)为弹性橡胶。
6.根据权利要求1所述的非开挖钻具在线自动解脱装置，其特征在于，所述第一连接件(2)、第二连接件(12)、套筒(6)上沿径向上均设有两个安装孔，且两个安装孔同轴，两个安装孔内均设有支撑座(16)、圆柱销(14)、弹性元件(15)。
7.根据权利要求3所述的非开挖钻具在线自动解脱装置，其特征在于，所述第一连接件(2)外圆和第二连接件(12)内圆之间设置有多个第一密封圈(4)，卸液空腔(24)与安装空腔(21)之间与所述端盖(9)之间设置有第二密封圈(7)，圆柱销(14)外圆上设置有第三密封圈(13)。
8.根据权利要求7所述的非开挖钻具在线自动解脱装置，其特征在于，所述安装空腔(21)内固定有电源、控制器、无线信号接收端；所述电源用以给电机、控制器、无线信号接收端进行供电；所述无线信号接收端用以接收无线信号，并与控制器端口相连；所述控制器用以控制电机的工作，以控制电机的正向、反向运行以及停止。
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