CN109736728A - 矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元、装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元、装置及施工方法，包括送水器支架、与送水器支架连接的液压绞车以拉动送水器支架使送水器与钻杆分离以及位于送水器支架与液压绞车之间的推动单元以推动送水器支架使送水器连接钻杆；送水器支架通过移动板可移动安装在送水器导轨上，送水器导轨设在导轨支架上；液压绞车安装在导轨支架上，液压绞车的钢丝绳连接送水器支架；推动单元设在送水器导轨与液压绞车之间的导轨支架上，且推动单元能推动送水器支架沿送水器导轨移动。本发明解决了煤矿井下定向钻进过程中，采用动力头后方加杆方式，自动化装卸中、长钻杆的技术难题，能实现送水器和钻杆的瞬间拆装，能有效提高钻进效率。

Description

矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元、装置及施工方法

技术领域

本发明属于煤矿井下定向钻机的技术领域，具体涉及一种矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元、装置及施工方法。

背景技术

在煤矿井下定向钻探作业过程中，需通过频繁装卸钻杆完成钻孔施工、处理卡埋钻事故等操作。目前，定向钻机普遍采用动力头后方加杆方式，在加装钻杆的过程中，需要频繁装卸送水器，配备专人手动操作，工人劳动强度大。对于非定向钻机采用夹持器与动力头中间加杆方式(在钻探作业过程中，只需装卸钻杆，无需装卸送水器)已实现自动化。但由于煤矿井下巷道较为狭窄，钻机导轨不宜过长，因此，自动化中间加杆方式，只能装卸钻杆长度小于或等于1m的钻杆。而目前，在定向钻探过程中普遍采用3m长的钻杆，若采用自动化中间加杆方式，则只能装卸长度小于或等于1m的钻杆。由于定向钻孔长度远大于非定向钻孔长度，且钻杆发生断裂事故常发生于钻杆与钻杆之间的螺纹连接处，因此采用小于或等于1m的钻杆进行定向钻探施工增加螺纹连接数量，这极大地增加了事故隐患，同时需要频繁装卸钻杆和送水器，显著降低了钻进效率。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元、装置及施工方法，克服目前送水器与钻杆之间的装卸效率低，造成钻进效率低等缺陷。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元，包括送水器支架、与送水器支架连接的液压绞车以拉动送水器支架使送水器与钻杆分离以及位于送水器支架与液压绞车之间的推动单元以推动送水器支架使送水器连接钻杆；

所述送水器支架通过移动板可移动安装在送水器导轨上，送水器导轨设在导轨支架上；

所述液压绞车安装在所述导轨支架上，液压绞车的钢丝绳连接所述送水器支架；

所述推动单元设在送水器导轨与液压绞车之间的导轨支架上，且所述推动单元能推动送水器支架沿送水器导轨移动。

本发明还包括如下技术特征：

可选地，所述送水器导轨有多个，多个送水器导轨之间沿直线排布，用以使移动板能依次沿多个送水器导轨移动；送水器导轨的端部为凸圆弧形结构，用以方便相邻两个送水器导轨在水平面内折叠；

所述导轨支架有多个，每个送水器导轨下端对应设置一个导轨支架，相邻导轨支架之间铰接，以使相邻导轨支架能在水平面内折叠；

相邻两个导轨支架的侧壁上分别设有两个支板，相邻两个导轨支架的两个支板分别开设有第一锥形通孔和第二锥形通孔；在第一锥形通孔和第二锥形通孔之间可拆卸连接有直线双定位锥杆；

所述直线双定位锥杆包括依次同轴连接的光轴、螺纹轴、第一圆台、连接轴和第二圆台；所述光轴和螺纹轴的直径小于第一圆台的上底面直径，所述第一圆台和第一锥形通孔紧密配合，第二圆台和第二锥形通孔紧密配合，第一圆台的下底面直径小于第二圆台的上底面直径，用以使第一圆台能穿过第一锥形通孔后卡在第二锥形通孔内，且第二圆台能卡在第二锥形通孔内；所述螺纹轴上可拆卸配合有螺帽，用以将直线双定位锥杆固定连接在相邻两个导轨支架之间，使多个导轨支架在工作状态保持沿同一直线排布。

可选地，所述液压绞车包括绞车支架、安装在绞车支架上的卷筒以及绕在卷筒上的所述钢丝绳；

所述推动单元包括推力油缸、设在送水器导轨与推力油缸之间的推送座导轨以及设在推送座导轨上且能沿推送座导轨移动的推送座，所述推送座上设有限位块，用以使推力油缸推动推送座进而推动移动板及送水器支架移动，同时，当液压绞车动作，通过钢丝绳快速将送水器支架回拉到推送座时，通过限位块阻挡移动板进行限位；所述移动座侧壁设有按压式滚珠，移动板内壁设有与按压式滚珠相对应的滚珠凹槽，当送水器支架触碰第二限位开关后，液压绞车停止工作，按压式滚珠卡在滚珠凹槽内，用以将移动板卡住，防止其因自身重力向前滑动；所述推力油缸位于绞车支架与导轨支架之间，所述推送座导轨与送水器导轨沿同一直线布设；

在所述推送座导轨的侧壁上设有第二限位开关，且第二限位开关靠近所述液压绞车，用以对送水器支架的移动进行限位。

可选地，所述导轨支架的一端下方设有稳固油缸，在导轨支架的另一端垂直设有固定板；

所述稳固油缸沿布设在导轨支架下端，且稳固油缸与导轨支架之间铰接，用以实现对不同角度时的导轨支架的支撑，在稳固油缸下端连接有竖向的可拆卸支撑短杆，用以实现对位于不同高度时的导轨支架的支撑；

在靠近稳固油缸的导轨支架的两侧连接有地锚组件，实现对导轨支架的稳固作用。

可选地，所述送水器支架上设有送水器安装孔，送水器安装孔的中心轴线与送水器导轨平行，用以使送水器支架带动送水器沿送水器导轨移动，且保持送水器的移动方向与送水器的轴向相同；

所述送水器支架铰接在移动板上，且在送水器支架与移动板之间连接有油缸，钻杆拆卸过程中，手动将移动板移动到送水器导轨中间位置，并固定，油缸动作，将送水器支架偏移至移动板一侧，使送水器中心线偏离中心线，便于钻杆移动；当动力头动作，通过导向轮将钻杆传递到送水器导轨上方时，机械手将钻杆搬离，完成钻杆拆卸；移动板上设有导向轮支架，导向轮支架上设有导向轮，所述导向轮的轴向垂直于送水器的轴向，且导向轮位于送水器前方的下端，用以在送水器与钻杆连接时对钻杆起导向作用；

所述导向轮支架的侧壁上还设有第一限位开关，用以对动力头的移动进行限位。

可选地，所述移动板下端设有两个相互平行的且对称的L形导向板；

在两个L形导向板之间的移动板下端设有开口朝下的C形导向板，所述送水器导轨的截面为工字形结构，以使C形导向板能开在送水器导轨上沿送水器导轨移动，实现移动板沿送水器导轨的移动。

可选地，所述送水器包括从内到外同轴依次布设的芯轴、轴承和轴承套筒，在芯轴的侧壁上安装有高压水接口；还包括同轴紧密套装在芯轴内并能轴向移动的一端封闭且另一端开口的传力空心轴；所述高压水接口密封连通传力空心轴；

传力空心轴的封闭端设有液压活塞；传力空心轴的开口端与芯轴的另一端平齐并设有能随传力空心轴轴向移动且与传力空心轴同轴的芯杆；

芯杆的外壁与轴承套筒内壁之间依次设有能随传力空心轴轴向移动且与传力空心轴同轴的环形活塞、卡爪推紧套和用于装卸钻杆的卡爪；所述卡爪包括周向排布的弧形的卡爪片，卡爪片端部内壁为爪片楔形面；

在所述爪片楔形面与芯杆外壁之间设有活塞块，活塞块靠近爪片楔形面的壁面为与所述爪片楔形面配合的楔形外壁，在活塞块与芯杆之间设有沿芯杆径向的第一弹簧。

本发明还提供了一种矿用钻机自动装卸钻杆和送水器装置，包括所述的矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元，还包括钻车，在钻车上通过调角油缸支撑有钻机主机导轨，在钻机主机导轨的一端设有夹持器，钻机主机导轨的另一端为所述矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元；在钻机主机导轨上设有动力头，在动力头前端设有液压中心架，所述液压中心架位于动力头与夹持器之间的动力头前端；液压中心架连接上一个钻杆的后端，动力头连接下一个钻杆的前端，通过液压中心架保持前后两个钻杆的同轴度；

所述钻机主机导轨的端部连接所述导轨支架端部的固定板，且钻机主机导轨与送水器导轨所在直线相互平行；

所述钻机主机导轨包括两个相互平行的平行板，所述移动板的两个L形导向板卡在两个平行板之间，用以实现移动板在钻机主机导轨上的移动。

本发明还提供了一种矿用钻机自动装卸钻杆和送水器的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：加装钻杆和送水器过程：利用机械手将下一个钻杆搬运到送水器导轨上方，且该钻杆的两端分别对准送水器和上一个钻杆，推力油缸工作，推动推送座沿推送座导轨移动，当送水器接触钻杆后，推力油缸快速向前推动，同时，送水器动作，与钻杆实现连接；夹持器夹紧上一个钻杆，动力头后退至液压中心架夹持上一个钻杆的末端，使上一个钻杆和下一个钻杆的中心线共线，动力头动作，使得上一个钻杆和下一个钻杆拧紧；最后，液压中心架松开，完成单个钻杆和送水器的加装过程；

步骤二：定向钻进过程：在动力头作用下，送水器沿送水器导轨向前滑动，经动力头在钻机主机导轨上反复前后移动，将钻杆送入钻孔内，当动力头触碰第一限位开关后，动力头停止后移，然后，动力头向前移动，将钻杆送入钻孔内，当液压中心架靠近夹持器时，动力头停止移动，进行拆卸送水器；

步骤三：拆卸送水器过程：送水器动作使其与钻杆分离，液压绞车动作，通过钢丝绳快速将送水器支架回拉到推送座，当送水器支架触碰第二限位开关后，液压绞车停止工作，完成送水器的拆卸，重复步骤一至步骤三，完成下钻；

步骤四：拆卸钻杆过程：通过移动板的固定销将移动板固定在送水器导轨的中部，油缸动作使送水器支架偏离钻杆中心线，经动力头在钻机主机导轨上反复前后移动，将钻杆运送到送水器导轨的正上方；夹持器夹紧上一个钻杆，动力头前进，使液压中心架夹持上一个钻杆的末端，动力头动作，使得上一个钻杆和下一个钻杆松扣；最后，液压中心架松开，完成单根钻杆的拆卸过程，重复步骤四，完成起钻。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(Ⅰ)本发明结构紧凑，操作简单，易于控制，有效地解决了煤矿井下定向钻机自动装卸钻杆及送水器的技术难题，满足中长钻孔深施工需要，扩展了定向钻机的自动化功能，降低了劳动强度，提高了钻进效率。

本发明还具有可折叠和可靠性高等特点，方便集成在钻机主机导轨尾部上，不增大钻机整体外形尺寸，可在一些狭窄的空间内搬运和工作，能够自动化装卸钻杆和送水器，达到提高钻进效率，降低劳动强度的目的，亦可将该技术应用到非定向钻机上。

(Ⅱ)本发明解决了煤矿井下定向钻进过程中，采用动力头后方加杆方式，自动化装卸中、长钻杆的技术难题。在不改变现有常规定向钻机的结构和增大钻机整体外形尺寸的条件下，通过在钻机主机导轨末端设置折叠式导轨支架和送水器导轨，实现自动装卸钻杆和送水器，满足中长孔深的施工需要，扩展定向钻机的自动化功能，降低工人的劳动强度，提高钻孔施工效率，符合煤矿井下钻探施工逐步实现“机械化减人，自动化少人”的发展目标。

(Ⅲ)本发明的送水器操作简单、体积小巧、质量较轻，只需通过操作传力空心轴的封闭端的液压活塞，即可实现送水器安全可靠地与钻杆内螺纹的快速连接，避免了手拧螺纹费时、费力的操作，提高钻进效率，满足回转钻进及高压密封的要求。本发明便于实现送水器与钻杆自动化瞬间密封连接，便于进一步实现煤矿井下“自动化”、“无人化”钻进。

(Ⅳ)本发明中，液压活塞作用下，传力空心轴轴向移动，并推动芯杆、环形活塞和卡爪均轴向移动，使第二弹簧和第三弹簧压缩，且芯杆移动的速度大于卡爪移动的速度，使活塞块的楔形外壁远离爪片楔形面，第一弹簧复位，卡爪收缩，从而将卡爪的弹性片插入到钻杆的内螺纹中。

本发明中，液压活塞收回时，第二弹簧和第三弹簧复位作用下，弹性片、环形活塞、芯杆和传力空心轴向液压活塞方向移动，弹性片移动过程中，活塞块的楔形外壁支撑爪片楔形面使弹性片张开，由于两组卡爪片的螺纹牙相差二分之一螺纹距，其中一组卡爪片与钻杆内螺纹的螺纹顶部接触，另一组卡爪片能落入钻杆母接头的螺纹槽内。

本发明中的送水器，在活塞块、传力空心杆和第一弹簧的作用下，与钻杆内螺纹的螺纹顶部接触的一组卡爪片被挤压，与这一组卡爪片接触的活塞块被压缩，通过传力杆传力，传力杆将其另一端的活塞块外推，使另一组卡爪片张开，该组卡爪片与钻杆的内螺纹啮合，实现送水器与钻杆的快速密封连接。

附图说明

图1为本发明矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元的整体结构示意图。

图2为本发明矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元的整体结构主视图。

图3为本发明矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元的整体结构左视图。

图4为本发明矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元折叠后的整体结构示意图。

图5为本发明直线双定位锥杆的结构示意图。

图6为本发明的送水器的整体结构示意图。

图7为本发明的图6的右视图。

图8为本发明的送水器的卡爪片结构示意图。

图9为本发明矿用钻机自动装卸钻杆和送水器装置的整体结构示意图。

图10为本发明矿用钻机自动装卸钻杆和送水器装置的整体结构主视图。

图中各标号表示为：1-芯轴，2-轴承，3-轴承套筒，4-高压水接口，5-传力空心轴，7-环形活塞，9-卡爪，10-芯杆，11-卡爪推紧套，12-活塞块，13-第一弹簧，14-轴承垫圈，15-传力杆，16-第二弹簧，17-弹性驱动球，18-第三弹簧，19-轴承卡环，20-轴承挡圈，21-环形挡环，22-格莱圈；(6-1)-下压段，(6-2)-手压段，(6-3)-弧形槽；(9-1)-弧形部，(9-2)-弹性片；

101-送水器，102-液压绞车，103-推动单元，104-导轨支架，105-直线双定位锥杆，106-第二限位开关，107-稳固油缸，108-可拆卸支撑短杆，109-地锚组件，110-第一限位开关，111-钻车，112-调角油缸，113-钻机主机导轨，114-夹持器，115-动力头，116-液压中心架，117-固定板；

(101-1)-送水器支架，(101-2)-移动板，(101-3)-送水器导轨，(101-4)-油缸，(101-5)-导向轮支架，(101-6)-导向轮；

(102-1)-钢丝绳，(102-2)-绞车支架；

(103-1)-推力油缸，(103-2)-推送座导轨，(103-3)-推送座；

(104-1)-支板；

(105-1)-光轴，(105-2)-螺纹轴，(105-3)-第一圆台，(105-4)-连接轴，(105-5)-第二圆台。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

如图1至5所示，本实施例提供一种矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元，包括送水器支架101-1、与送水器支架101-1连接的液压绞车102以拉动送水器支架101-1使送水器101与钻杆分离以及位于送水器支架101-1与液压绞车102之间的推动单元103以推动送水器支架101-1使送水器101连接钻杆；送水器支架101-1通过移动板101-2可移动安装在送水器导轨101-3上，送水器导轨101-3设在导轨支架104上；液压绞车102安装在导轨支架104上，液压绞车102的钢丝绳102-1连接送水器支架101-1；推动单元103设在送水器导轨101-3与液压绞车102之间的导轨支架104上，且推动单元103能推动送水器支架101-1沿送水器导轨101-3移动。

具体的，送水器导轨101-3有多个，多个送水器导轨101-3之间沿直线排布，用以使移动板101-2能依次沿多个送水器导轨101-3移动；送水器导轨101-3的端部为凸圆弧形结构，用以方便相邻两个送水器导轨101-3在水平面内折叠；导轨支架104有多个，每个送水器导轨101-3下端对应设置一个导轨支架104，相邻导轨支架104之间铰接，以使相邻导轨支架104能在水平面内折叠；相邻两个导轨支架104的侧壁上分别设有两个支板104-1，相邻两个导轨支架104的两个支板104-1分别开设有第一锥形通孔和第二锥形通孔；在第一锥形通孔和第二锥形通孔之间可拆卸连接有直线双定位锥杆105。

如图5所示，直线双定位锥杆105包括依次同轴连接的光轴105-1、螺纹轴105-2、第一圆台105-3、连接轴105-4和第二圆台105-5；光轴105-1和螺纹轴105-2的直径小于第一圆台105-3的上底面直径，第一圆台105-3和第一锥形通孔紧密配合，第二圆台105-5和第二锥形通孔紧密配合，第一圆台105-3的下底面直径小于第二圆台105-5的上底面直径，用以使第一圆台105-3能穿过第一锥形通孔后卡在第二锥形通孔内，且第二圆台105-5能卡在第二锥形通孔内；螺纹轴105-2上可拆卸配合有螺帽，用以将直线双定位锥杆105固定连接在相邻两个导轨支架104之间，使多个导轨支架104在工作状态保持沿同一直线排布。

具体的，液压绞车102包括绞车支架102-2、安装在绞车支架102-2上的卷筒以及绕在卷筒上的钢丝绳102-1；推动单元103包括推力油缸103-1、设在送水器导轨101-3与推力油缸103-1之间的推送座导轨103-2以及设在推送座导轨103-2上且能沿推送座导轨103-2移动的推送座103-3，推送座103-3上设有限位块，用以使推力油缸103-1推动推送座103-3进而推动移动板101-2及送水器支架101-1移动，同时，当液压绞车102动作，通过钢丝绳102-1快速将送水器支架101-1回拉到推送座103-3时，通过限位块阻挡移动板101-2进行限位，推力油缸103-1能推动推送座103-3沿推送座导轨103-2移动，所述送水器支架101-1卡在推送座103-3，送水器支架101-1随推送座103-3沿推送座导轨103-2移动；推送座103-3侧壁设有按压式滚珠，移动板101-2内壁设有与按压式滚珠相对应的滚珠凹槽，当送水器支架101-1触碰第二限位开关后，液压绞车102停止工作，按压式滚珠卡在滚珠凹槽内，用以将移动板101-2卡住，防止其因自身重力向前滑动；推力油缸103-1位于绞车支架102-2与导轨支架104之间，推送座导轨103-2与送水器导轨101-3沿同一直线布设；在推送座导轨103-2的侧壁上设有第二限位开关106，且第二限位开关106靠近液压绞车102，用以对送水器支架101-1的移动进行限位。

导轨支架104的一端下方设有稳固油缸107，在导轨支架104的另一端垂直设有固定板117；稳固油缸107沿布设在导轨支架104下端，且稳固油缸107与导轨支架104之间铰接，用以实现对不同角度时的导轨支架104的支撑，在稳固油缸107下端连接有竖向的可拆卸支撑短杆108，用以实现对位于不同高度时的导轨支架104的支撑；在靠近稳固油缸107的导轨支架104的两侧连接有地锚组件109，实现对导轨支架104的稳固作用。

送水器支架101-1上设有送水器安装孔，送水器安装孔的中心轴线与送水器导轨101-3平行，用以使送水器支架101-1带动送水器101沿送水器导轨101-3移动，且保持送水器101的移动方向与送水器101的轴向相同；送水器支架101-1铰接在移动板101-2上，且在送水器支架101-1与移动板101-2之间连接有油缸101-4，钻杆拆卸过程中，手动将移动板101-2移动到送水器导轨101-3中间位置并固定，油缸101-4动作，将送水器支架101-1偏移至移动板101-2一侧，使送水器101中心线偏离中心线，便于钻杆移动；当动力头115动作，通过导向轮101-6将钻杆传递到送水器导轨101-3上方时，机械手将钻杆搬离，完成钻杆拆卸；移动板101-2上设有导向轮支架101-5，导向轮支架101-5上设有导向轮101-6，导向轮101-6的轴向垂直于送水器101的轴向，且导向轮101-6位于送水器101前方的下端，用以在送水器101与钻杆连接时对钻杆起导向作用；

导向轮支架101-5的侧壁上还设有第一限位开关110，用以对动力头115的移动进行限位。

移动板101-2下端设有两个相互平行的且对称的L形导向板；在两个L形导向板之间的移动板101-2下端设有开口朝下的C形导向板，送水器导轨101-3的截面为工字形结构，以使C形导向板能开在送水器导轨101-3上沿送水器导轨101-3移动，实现移动板101-2沿送水器导轨101-3的移动。

送水器101包括从内到外同轴依次布设的芯轴1、轴承2和轴承套筒3，在芯轴1的侧壁上安装有高压水接口4；还包括同轴紧密套装在芯轴1内并能轴向移动的一端封闭且另一端开口的传力空心轴5；高压水接口4密封连通传力空心轴5；传力空心轴5的封闭端设有液压活塞；传力空心轴5的开口端与芯轴1的另一端平齐并设有能随传力空心轴5轴向移动且与传力空心轴5同轴的芯杆10；芯杆10的外壁与轴承套筒3内壁之间依次设有能随传力空心轴5轴向移动且与传力空心轴5同轴的环形活塞7、卡爪推紧套11和用于装卸钻杆的卡爪9；卡爪9包括周向排布的弧形的卡爪片，卡爪片端部内壁为爪片楔形面；在爪片楔形面与芯杆10外壁之间设有活塞块12，活塞块12靠近爪片楔形面的壁面为与爪片楔形面配合的楔形外壁，在活塞块12与芯杆10之间设有沿芯杆10径向的第一弹簧13。

实施例2：

如图6至8所示，本实施例提供一种能用于实施例1的送水器，该送水器包括从内到外同轴依次布设的芯轴1、轴承2和轴承套筒3，在芯轴1的侧壁上安装有高压水接口4；还包括同轴紧密套装在芯轴1内并能轴向移动的一端封闭且另一端开口的传力空心轴5；高压水接口4密封连通传力空心轴5，用以对传力空心轴5内通入高压水；传力空心轴5的封闭端设有液压活塞，传力空心轴5的开口端与芯轴1的另一端平齐并设有能随传力空心轴5轴向移动且与传力空心轴5同轴的芯杆10；芯杆10的外壁与轴承套筒3内壁之间依次设有能随传力空心轴5轴向移动且与传力空心轴5同轴的环形活塞7、卡爪推紧套11和用于装卸钻杆的卡爪9；卡爪9包括周向排布的弧形的卡爪片，卡爪片端部内壁为爪片楔形面；在爪片楔形面与芯杆10外壁之间设有活塞块12，活塞块12靠近爪片楔形面的壁面为与爪片楔形面配合的楔形外壁，在活塞块12与芯杆10之间设有沿芯杆10径向的第一弹簧13。

具体的，卡爪片有四个，四个卡爪片两两相对，且相对的两个卡爪片为一组，卡爪片包括一端与卡爪推紧套11的端部相接触的弧形部9-1，在弧形部9-1的另一端连接外壁设有螺纹牙的弹性片9-2，弹性片9-2的端部内壁为爪片楔形面，两组卡爪片的螺纹牙相差二分之一螺纹距；每个卡爪片对应一个活塞块12，相邻两个活塞块12之间连接有传力杆15，且每个活塞块12上连一个传力杆15。从而，当卡爪的弹性片插入到钻杆的内螺纹中时，第二弹簧和第三弹簧复位作用下，弹性片、环形活塞、芯杆和传力空心轴向液压活塞方向移动，弹性片移动过程中，活塞块的楔形外壁支撑爪片楔形面使弹性片张开，由于两组卡爪片的螺纹牙相差二分之一螺纹距，其中一组卡爪片与钻杆内螺纹的螺纹顶部接触，另一组卡爪片能落入钻杆母接头的螺纹槽内；在活塞块、传力空心杆和第一弹簧的作用下，与钻杆内螺纹的螺纹顶部接触的一组卡爪片被挤压，与这一组卡爪片接触的活塞块被压缩，通过传力杆传力，传力杆将其另一端的活塞块外推，使另一组卡爪片张开，该组卡爪片与钻杆的内螺纹啮合，实现送水器与钻杆的快速密封连接。

在芯杆10端部外壁上沿芯杆10向设有活塞槽，每个活塞块12对应设在一个活塞槽内，且四个活塞块12沿芯杆10周向均布；传力杆15与活塞块12之间铰接；卡爪推紧套11与弧形部9-1之间通过设在弧形部9-1上的固定孔进行固定连接。

芯轴1靠近芯杆10的开口端部为三级环形台阶面；芯轴1的开口端部的第三级环形台阶面的外壁紧贴轴承套筒3内壁，传力空心轴5的开口端部为垂直于传力空心轴5轴向的环形边缘，环形边缘的外壁与芯杆10的开口端部的一级台阶的侧壁接触；芯杆10的外壁为四级环形台阶面，轴承套筒3的内壁为二级环形台阶面，在芯杆10的第一级环形台阶面与轴承套筒3的第二级环形台阶面之间设有同轴的第二弹簧16；环形活塞7的一端与芯杆10的三级环形台阶面之间设有弹性驱动球17，用以使且芯杆10移动的速度大于卡爪9移动的速度，环形活塞7的另一端卡在卡爪推紧套11的外壁内，在环形活塞7的端部和轴承套筒3的第一级环形台阶面之间设有同轴的第三弹簧18；轴承2和芯轴1的开口端部的三级环形台阶面之间设有轴承垫圈14，在轴承2和轴承垫圈14之间设有用以对轴承2进行轴向定位的轴承卡环19，轴承卡环19固定在芯轴1外壁上。

轴承套筒3靠近液压活塞的一端与芯轴1外壁之间设有轴承挡圈20，用以对轴承2进行轴向限位；轴承挡圈20通过固定销固定在芯轴1外壁上；轴承2有两个，两个轴承2紧贴芯轴1并沿芯轴1的轴向布设，两个轴承2之间设有紧贴芯轴1外壁的环形挡环21，用以对两个轴承2进行轴向定位。

在传力空心轴5和芯轴1之间、芯轴1和轴承套筒3之间、环形活塞7和轴承套筒3之间、卡爪9的弧形部9-1与轴承套筒3之间以及环形边缘与芯杆10端面之间均设有密封圈，用以实现密封作用；轴承垫圈14和芯轴1开口端部的三级环形台阶面之间填充有格莱圈22，用以实现密封作用。

实施例3：

本实施例还提供了一种以上实施例中的送水器的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：通过液压活塞推动传力空心轴轴向移动，并推动芯杆、环形活塞和卡爪均轴向移动，使第二弹簧和第三弹簧压缩，且芯杆移动的速度大于卡爪移动的速度，使活塞块的楔形外壁远离爪片楔形面，第一弹簧复位，卡爪收缩，将卡爪的弹性片插入到钻杆的内螺纹中；

步骤二：再松开液压活塞，第二弹簧和第三弹簧复位作用下，弹性片、环形活塞、芯杆和传力空心轴向液压活塞方向移动，弹性片移动过程中，活塞块的楔形外壁支撑爪片楔形面使弹性片张开，由于两组卡爪片的螺纹牙相差二分之一螺纹距，其中一组卡爪片与钻杆内螺纹的螺纹顶部接触，另一组卡爪片能落入钻杆母接头的螺纹槽内；

步骤三：在活塞块、传力空心杆和第一弹簧的作用下，与钻杆内螺纹的螺纹顶部接触的一组卡爪片被挤压，与这一组卡爪片接触的活塞块被压缩，通过传力杆传力，传力杆将其另一端的活塞块外推，使另一组卡爪片张开，该组卡爪片与钻杆的内螺纹啮合，实现送水器与钻杆的快速密封连接。

实施例4：

如图9至10所示，本实施例提供一种矿用钻机自动装卸钻杆和送水器装置，包括上述实施例中的矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元，还包括钻车111，在钻车111上通过调角油缸112支撑有钻机主机导轨113，在钻机主机导轨113的一端设有夹持器114，钻机主机导轨113的另一端为矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元；在钻机主机导轨113上设有动力头115，在动力头115前端设有液压中心架116，液压中心架116位于动力头115与夹持器114之间的动力头115前端；液压中心架116连接上一个钻杆的后端，动力头115连接下一个钻杆的前端，通过液压中心架116保持前后两个钻杆的同轴度；钻机主机导轨的端部连接导轨支架104端部的固定板117，且钻机主机导轨113与送水器导轨101-3所在直线相互平行；钻机主机导轨113包括两个相互平行的平行板，移动板101-2的两个L形导向板卡在两个平行板之间，用以实现移动板101-2在钻机主机导轨113上的移动。

实施例5：

本实施例提供一种矿用钻机自动装卸钻杆和送水器的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：加装钻杆和送水器过程：利用机械手将下一个钻杆搬运到送水器导轨上方，且该钻杆的两端分别对准送水器和上一个钻杆，推力油缸工作，推动推送座沿推送座导轨移动，当送水器接触钻杆后，推力油缸快速向前推动，同时，送水器动作，与钻杆实现连接；夹持器夹紧上一个钻杆，动力头后退至液压中心架夹持上一个钻杆的末端，使上一个钻杆和下一个钻杆的中心线共线，动力头动作，使得上一个钻杆和下一个钻杆拧紧；最后，液压中心架松开，完成单个钻杆和送水器的加装过程；

步骤二：定向钻进过程：在动力头作用下，送水器沿送水器导轨向前滑动，经动力头在钻机主机导轨上反复前后移动，将钻杆送入钻孔内，当动力头触碰第一限位开关后，动力头停止后移，然后，动力头向前移动，将钻杆送入钻孔内，当液压中心架靠近夹持器时，动力头停止移动，进行拆卸送水器；

步骤三：拆卸送水器过程：送水器动作使其与钻杆分离，液压绞车动作，通过钢丝绳快速将送水器支架回拉到推送座，当送水器支架触碰第二限位开关后，液压绞车停止工作，完成送水器的拆卸，重复步骤一至步骤三，完成下钻；

步骤四：拆卸钻杆过程：通过移动板的固定销将移动板固定在送水器导轨的中部，油缸动作使送水器支架偏离钻杆中心线，经动力头在钻机主机导轨上反复前后移动，将钻杆运送到送水器导轨的正上方；夹持器夹紧上一个钻杆，动力头前进，使液压中心架夹持上一个钻杆的末端，动力头动作，使得上一个钻杆和下一个钻杆松扣；最后，液压中心架松开，完成单根钻杆的拆卸过程，重复步骤四，完成起钻。

Claims (9)

1.一种矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元，其特征在于，包括送水器支架(101-1)、与送水器支架(101-1)连接的液压绞车(102)以拉动送水器支架(101-1)使送水器(101)与钻杆分离以及位于送水器支架(101-1)与液压绞车(102)之间的推动单元(103)以推动送水器支架(101-1)使送水器(101)连接钻杆；

所述送水器支架(101-1)通过移动板(101-2)可移动安装在送水器导轨(101-3)上，送水器导轨(101-3)设在导轨支架(104)上；

所述液压绞车(102)安装在所述导轨支架(104)上，液压绞车(102)的钢丝绳(102-1)连接所述送水器支架(101-1)；

所述推动单元(103)设在送水器导轨(101-3)与液压绞车(102)之间的导轨支架(104)上，且所述推动单元(103)能推动送水器支架(101-1)沿送水器导轨(101-3)移动。

2.如权利要求1所述的矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元，其特征在于，所述送水器导轨(101-3)有多个，多个送水器导轨(101-3)之间沿直线排布，用以使移动板(101-2)能依次沿多个送水器导轨(101-3)移动；送水器导轨(101-3)的端部为凸圆弧形结构，用以方便相邻两个送水器导轨(101-3)在水平面内折叠；

所述导轨支架(104)有多个，每个送水器导轨(101-3)下端对应设置一个导轨支架(104)，相邻导轨支架(104)之间铰接，以使相邻导轨支架(104)能在水平面内折叠；

相邻两个导轨支架(104)的侧壁上分别设有两个支板(104-1)，相邻两个导轨支架(104)的两个支板(104-1)分别开设有第一锥形通孔和第二锥形通孔；在第一锥形通孔和第二锥形通孔之间可拆卸连接有直线双定位锥杆(105)；

所述直线双定位锥杆(105)包括依次同轴连接的光轴(105-1)、螺纹轴(105-2)、第一圆台(105-3)、连接轴(105-4)和第二圆台(105-5)；所述光轴(105-1)和螺纹轴(105-2)的直径小于第一圆台(105-3)的上底面直径，所述第一圆台(105-3)和第一锥形通孔紧密配合，第二圆台(105-5)和第二锥形通孔紧密配合，第一圆台(105-3)的下底面直径小于第二圆台(105-5)的上底面直径，用以使第一圆台(105-3)能穿过第一锥形通孔后卡在第二锥形通孔内，且第二圆台(105-5)能卡在第二锥形通孔内；所述螺纹轴(105-2)上可拆卸配合有螺帽，用以将直线双定位锥杆(105)固定连接在相邻两个导轨支架(104)之间，使多个导轨支架(104)在工作状态保持沿同一直线排布。

3.如权利要求1所述的矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元，其特征在于，所述液压绞车(102)包括绞车支架(102-2)、安装在绞车支架(102-2)上的卷筒以及绕在卷筒上的所述钢丝绳(102-1)；

所述推动单元(103)包括推力油缸(103-1)、设在送水器导轨(101-3)与推力油缸(103-1)之间的推送座导轨(103-2)以及设在推送座导轨(103-2)上且能沿推送座导轨(103-2)移动的推送座(103-3)，所述推送座(103-3)上设有限位块，所述推送座(103-3)侧壁设有按压式滚珠，移动板(101-2)内壁设有与按压式滚珠相对应的滚珠凹槽，所述推力油缸(103-1)位于绞车支架(102-2)与导轨支架(104)之间，所述推送座导轨(103-2)与送水器导轨(101-3)沿同一直线布设；

在所述推送座导轨(103-2)的侧壁上设有第二限位开关(106)，且第二限位开关(106)靠近所述液压绞车(102)，用以对送水器支架(101-1)的移动进行限位。

4.如权利要求1所述的矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元，其特征在于，所述导轨支架(104)的一端下方设有稳固油缸(107)，在导轨支架(104)的另一端垂直设有固定板(117)；

所述稳固油缸(107)沿布设在导轨支架(104)下端，且稳固油缸(107)与导轨支架(104)之间铰接，用以实现对不同角度时的导轨支架(104)的支撑，在稳固油缸(107)下端连接有竖向的可拆卸支撑短杆(108)，用以实现对位于不同高度时的导轨支架(104)的支撑；

在靠近稳固油缸(107)的导轨支架(104)的两侧连接有地锚组件(109)，实现对导轨支架(104)的稳固作用。

5.如权利要求1所述的矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元，其特征在于，所述送水器支架(101-1)上设有送水器安装孔，送水器安装孔的中心轴线与送水器导轨(101-3)平行，用以使送水器支架(101-1)带动送水器(101)沿送水器导轨(101-3)移动，且保持送水器(101)的移动方向与送水器(101)的轴向相同；

所述送水器支架(101-1)铰接在移动板(101-2)上，且在送水器支架(101-1)与移动板(101-2)之间连接有油缸(101-4)，移动板(101-2)上设有导向轮支架(101-5)，导向轮支架(101-5)上设有导向轮(101-6)，所述导向轮(101-6)的轴向垂直于送水器(101)的轴向，且导向轮(101-6)位于送水器(101)前方的下端，用以在送水器(101)与钻杆连接时对钻杆起导向作用；

所述导向轮支架(101-5)的侧壁上还设有第一限位开关(110)。

6.如权利要求1所述的矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元，其特征在于，所述移动板(101-2)下端设有两个相互平行的且对称的L形导向板；

在两个L形导向板之间的移动板(101-2)下端设有开口朝下的C形导向板，所述送水器导轨(101-3)的截面为工字形结构，以使C形导向板能开在送水器导轨(101-3)上沿送水器导轨(101-3)移动，实现移动板(101-2)沿送水器导轨(101-3)的移动。

7.如权利要求1所述的矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元，其特征在于，所述送水器(101)包括从内到外同轴依次布设的芯轴(1)、轴承(2)和轴承套筒(3)，在芯轴(1)的侧壁上安装有高压水接口(4)；还包括同轴紧密套装在芯轴(1)内并能轴向移动的一端封闭且另一端开口的传力空心轴(5)；所述高压水接口(4)密封连通传力空心轴(5)；

传力空心轴(5)的封闭端设有液压活塞；传力空心轴(5)的开口端与芯轴(1)的另一端平齐并设有能随传力空心轴(5)轴向移动且与传力空心轴(5)同轴的芯杆(10)；

芯杆(10)的外壁与轴承套筒(3)内壁之间依次设有能随传力空心轴(5)轴向移动且与传力空心轴(5)同轴的环形活塞(7)、卡爪推紧套(11)和用于装卸钻杆的卡爪(9)；所述卡爪(9)包括周向排布的弧形的卡爪片，卡爪片端部内壁为爪片楔形面；

在所述爪片楔形面与芯杆(10)外壁之间设有活塞块(12)，活塞块(12)靠近爪片楔形面的壁面为与所述爪片楔形面配合的楔形外壁，在活塞块(12)与芯杆(10)之间设有沿芯杆(10)径向的第一弹簧(13)。

8.一种矿用钻机自动装卸钻杆和送水器装置，其特征在于，包括权利要求1至7任一权利要求所述的矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元，还包括钻车(111)，在钻车(111)上通过调角油缸(112)支撑有钻机主机导轨(113)，在钻机主机导轨(113)的一端设有夹持器(114)，钻机主机导轨(113)的另一端为所述矿用钻机自动装卸钻杆和送水器单元；在钻机主机导轨(113)上设有动力头(115)，在动力头(115)前端设有液压中心架(116)，所述液压中心架(116)位于动力头(115)与夹持器(114)之间的动力头(115)前端；

所述钻机主机导轨(113)的端部连接所述导轨支架(104)端部的固定板(117)，且钻机主机导轨(113)与送水器导轨(101-3)所在直线相互平行；

所述钻机主机导轨(113)包括两个相互平行的平行板，所述移动板(101-2)的两个L形导向板卡在两个平行板之间，用以实现移动板(101-2)在钻机主机导轨(113)上的移动。

9.一种矿用钻机自动装卸钻杆和送水器的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：加装钻杆和送水器过程：利用机械手将下一个钻杆搬运到送水器导轨上方，且该钻杆的两端分别对准送水器和上一个钻杆，推力油缸工作，推动推送座沿推送座导轨移动，当送水器接触钻杆后，推力油缸快速向前推动，同时，送水器动作，与钻杆实现连接；夹持器夹紧上一个钻杆，动力头后退至液压中心架夹持上一个钻杆的末端，使上一个钻杆和下一个钻杆的中心线共线，动力头动作，使得上一个钻杆和下一个钻杆拧紧；最后，液压中心架松开，完成单个钻杆和送水器的加装过程；

步骤二：定向钻进过程：在动力头作用下，送水器沿送水器导轨向前滑动，经动力头在钻机主机导轨上反复前后移动，将钻杆送入钻孔内，当动力头触碰第一限位开关后，动力头停止后移，然后，动力头向前移动，将钻杆送入钻孔内，当液压中心架靠近夹持器时，动力头停止移动，进行拆卸送水器；

步骤三：拆卸送水器过程：送水器动作使其与钻杆分离，液压绞车动作，通过钢丝绳快速将送水器支架回拉到推送座，当送水器支架触碰第二限位开关后，液压绞车停止工作，完成送水器的拆卸，重复步骤一至步骤三，完成下钻；

步骤四：拆卸钻杆过程：通过移动板的固定销将移动板固定在送水器导轨的中部，油缸动作使送水器支架偏离钻杆中心线，经动力头在钻机主机导轨上反复前后移动，将钻杆运送到送水器导轨的正上方；夹持器夹紧上一个钻杆，动力头前进，使液压中心架夹持上一个钻杆的末端，动力头动作，使得上一个钻杆和下一个钻杆松扣；最后，液压中心架松开，完成单根钻杆的拆卸过程，重复步骤四，完成起钻。