CN112576204B - 棘轮式可正反转钻杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种棘轮式可正反转钻杆，包括杆体、连接于杆体两端的公接头和母接头以及芯轴和滑动套，所述芯轴内套于杆体内并具有轴向向前滑动的驱动力，所述滑动套轴向滑动外套于公接头上并与公接头传动配合，所述滑动套前端与母接头后端具有棘轮式啮合齿，后钻杆公接头与前钻杆母接头螺纹连接时，所述后钻杆内芯轴被驱动力驱动连同滑动套轴向向前滑动，使得后钻杆的滑动套与前钻杆母接头的棘轮式啮合齿啮合并单向锁止；本发明通过相邻钻杆之间的配合关系即可实现上钻自动锁定，可实现正反交替旋转和往复扫孔以增强排渣和解卡卸压，从而避免卡钻、抱钻的发生；少了人工辅助上钻装配的环节，实现机械自动装钻杆，可大大提高钻机的自动化施工效率。

Description

棘轮式可正反转钻杆

技术领域

本发明涉及矿山机械技术领域，特别涉及一种棘轮式可正反转钻杆。

背景技术

瓦斯灾害是影响煤矿安全生产的主要灾害之一，当前治理瓦斯灾害的主要技术手段是使用钻机施工瓦斯抽放钻孔。钻杆作为钻机的配套工具，是直接关系成孔质量、施工效率以及抽放效果的重要因素。

在目前的抽放孔钻孔作业中，前、后两根钻杆之间普遍采用圆锥螺纹连接。因而，在钻孔施工过程中，钻杆只能正向旋转。受复杂地质条件影响，若发生垮孔、排渣不畅等情况，极易发生卡钻、抱钻等事故。此时，若试图通过钻杆正反转交替缓解卡钻、抱钻，则会发生钻杆脱扣，导致丢钻。另一方面，在松软煤层钻孔和冲击地压钻孔施工过程中，也极易发生卡钻等事故。从钻探工艺角度出发，通过钻杆正反交替旋转和往复扫孔可以实现增强排渣和解卡卸压，从而避免卡钻、抱钻的发生。

为解决钻杆反转的问题，先后出现了形联接和花键副联接等两大类结构形式。形联接大都采用“三棱”、“六方”等多面体柱形面结构插装对接，用以传递正、反双向转矩，同时结合销钉定位，承担钻杆轴向载荷；花键副联接采用内、外花键配合，传递周向转矩，轴向载荷依然采用销钉连接定位。上述联接方式虽然能实现钻杆正、反双向旋转，但装卸过程繁琐，结构复杂，钻杆对接时，需要人工安装或拆卸销钉，难以用自动化方式实现上钻，严重降低了钻机的自动化施工效率。

有鉴于上述技术问题，需要一种棘轮式可正反转钻杆，在可实现钻杆正反转的基础上，够实现钻杆的自动上钻，提高钻机的自动化施工效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种棘轮式可正反转钻杆，在可实现钻杆正反转的基础上，够实现钻杆的自动上钻，提高钻机的自动化施工效率。

本发明的棘轮式可正反转钻杆，包括杆体、连接于杆体两端的公接头和用于与公接头螺纹连接的母接头以及芯轴和滑动套，所述杆体、公接头和母接头为中空结构形成轴向相互贯通且与外界连通的流体通道，所述芯轴内套于杆体内并具有轴向向前滑动的驱动力，所述滑动套轴向密封滑动外套于公接头上并与公接头传动配合，所述芯轴与滑动套以轴向联动的方式设置，所述滑动套前端与母接头后端具有相互配合用于周向锁定的棘轮式啮合齿，后钻杆公接头与前钻杆母接头螺纹连接时，所述后钻杆内芯轴被驱动力驱动连同滑动套轴向向前滑动，使得后钻杆的滑动套与前钻杆母接头的棘轮式啮合齿啮合并单向锁止。

进一步，所述公接头上开设有径向贯通的一对联动孔，该对联动孔内径向贯穿有联动块，所述联动块与芯轴以及滑动套连接，所述联动块以可轴向滑动的方式设置于联动孔内。

进一步，所述母接头和公接头内具有与芯轴外圆适配的导向孔。

进一步，所述母接头内设置有弹性件，所述弹性件具有使芯轴轴向向前滑动的弹性力。

进一步，所述母接头内螺纹连接有轴套，所述芯轴后端呈前大后小的阶梯轴，芯轴后端的小径段轴向滑动内套于轴套内，所述弹性件套于芯轴后端的小径段，所述弹性件前端抵在芯轴轴肩处、后端抵在轴套前端处。

进一步，所述滑动套与公接头通过花键传动配合。

进一步，所述芯轴上开设有使导向孔轴向两侧腔体贯通的导流孔。

进一步，所述联动块和滑动套通过销钉形成轴向联动配合。

进一步，所述滑动套内圆与公接头外圆之间通过密封圈密封。

进一步，所述公接头包括与杆体连接的圆柱段以及与圆柱段连接的圆锥段，所述圆锥段为向前外径逐渐变小的锥形外螺纹接头，所述母接头内具有与公接头圆锥段适配的锥形内螺纹孔。

本发明的有益效果：

本发明利用螺纹传递正向扭矩和承受轴向载荷，通过棘轮式啮合齿啮合传递反向扭矩；实际上钻过程中，每添加一根后钻杆，后钻杆与前钻杆自动相互锁定，实现反转钻进；下钻时，通过专用工具伸至后钻杆母接头内向后拉动芯轴并带动后钻杆的滑动套向后滑动，此时前钻杆母接头与后钻杆滑动套的棘轮式啮合齿分离解锁，此时可反转后钻杆拆卸钻杆；该结构的钻杆结构简单，操作以及控制容易，通过相邻钻杆之间的配合关系即可实现上钻自动锁定，可实现正反交替旋转和往复扫孔以增强排渣和解卡卸压，从而避免卡钻、抱钻的发生，钻杆也可实现下钻解锁，可减少人工辅助装配的环节，实现机械自动装配钻杆，可大大提高钻机的自动化施工效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明剖视结构示意图；

图3为滑动套结构示意图；

图4为滑动套剖视结构示意图；

图5为杆体、公接头和母接头结构示意图；

图6为联动块剖视结构示意图；

图7为图5的A-A剖视结构示意图；

图8为图5的轴向剖视结构示意图；

图9为图8的局部放大结构示意图；

图10为图8的B向结构示意图；

图11为芯轴结构示意图；

图12为轴套结构示意图；

图13为钻杆Ⅰ和钻杆Ⅱ配合上钻结构示意图；

图14为钻杆Ⅰ和钻杆Ⅱ配合下钻结构示意图；

具体实施方式

如图所示：本实施例的棘轮式可正反转钻杆，包括杆体10、连接于杆体两端的公接头20和用于与公接头螺纹连接的母接头30以及芯轴40和滑动套50，此处公接头与母接头螺纹连接指的是一个钻杆的公接头与相邻钻杆的母接头连接，同一钻杆上的公接头和母接头不存在直接相互连接关系；所述杆体、公接头和母接头为中空结构形成轴向相互贯通且与外界连通的流体通道，所述芯轴内套于杆体内并具有轴向向前滑动的驱动力，该驱动力可通过弹性件或者驱动设备提供，所述滑动套轴向密封滑动外套于公接头上并与公接头传动配合，所述芯轴与滑动套以轴向联动的方式设置，所述滑动套前端与母接头后端具有相互配合用于周向锁定的棘轮式啮合齿，此处滑动套与母接头配合是指的一个钻杆的滑动套和相邻钻杆的母接头之间的配合，同一钻杆上的滑动套和母接头不存在直接配合关系；后钻杆公接头与前钻杆母接头螺纹连接时，所述后钻杆内芯轴被驱动力驱动连同滑动套轴向向前滑动，使得后钻杆的滑动套与前钻杆母接头的棘轮式啮合齿啮合并单向锁止。应保证在后钻杆转动与前钻杆螺纹连接过程中，后钻杆滑动套的棘轮式啮合齿与前钻杆母接头的棘轮式啮合齿为可相互正向转动非锁止状态，当后钻杆公接头完全接入前钻杆母接头内时，后钻杆的滑动套被芯轴驱动向前滑动使得后钻杆滑动套与前钻杆母接头的棘轮式啮合齿完全啮合，此时后钻杆被反向锁止无法相对前钻杆反向转动，实现反向旋转不脱扣；

后向为轴向靠近母接头一侧，前向为轴向靠近公接头一侧，轴向联动含义为芯轴轴向滑动时可带动滑动套轴向滑动，结合图13和图14所示，以钻杆Ⅰ81作为前钻杆，连接于钻杆Ⅰ母接头的钻杆Ⅱ82作为后钻杆；滑动套与公接头传动配合，即滑动套转动时可带动公接头转动，且滑动套可相对公接头轴向滑动；

结合图1和2所示，杆体为管状结构，杆体采用高强度耐磨无缝钢管制造；公接头和母接头轴向开有贯通的流道，公接头和母接头通过摩擦焊焊接于杆体的两端，进而使得钻杆内部形成了轴向贯通在的流体通道，各个钻杆相互连接使得流体通道依次连接形成了延伸至钻孔内的流道，在钻孔外可通过该流道注入切削液和排渣液，公接头具有外螺纹段，母接头具有内螺纹孔，滑动套50为套筒式结构，滑动套前端具有凸形棘轮式啮合齿51，母接头后端的啮合齿为凹形棘轮式啮合齿31，凹形棘轮式啮合齿31实际为棘轮槽，二者配合形成棘轮齿式单向锁止连接结构，通过前钻杆的母接头棘轮式啮合齿和后钻杆的滑动套棘轮式啮合齿相啮合形成结合状态，可实现钻杆单向锁止进而反向旋转，承受反向转矩；为了保证滑动套与母接头之间可靠的结合以及分离，凹形棘轮式啮合齿31的宽度应当适当大于凸形棘轮式啮合齿51的宽度，本实施例中凹形棘轮式啮合齿31和凸形棘轮式啮合齿51中棘齿朝向呈顺时针布置，所述凸形棘轮式啮合齿51的背面设有倒角，以方便棘轮齿的相互嵌入结合，钻杆公、母接头的螺纹起始位置应当一致，防止牙嵌不能锁定；

结合图1以及图13和图14所示，钻杆Ⅱ82公接头的前端部分内旋于钻杆Ⅰ81的母接头内，此时钻杆Ⅱ82上的滑动套轴向正对钻杆Ⅰ的母接头，钻杆Ⅱ内的芯轴被驱动力驱动并带动钻杆Ⅱ的滑动套轴向行前滑动，钻杆Ⅱ滑动套的棘轮式啮合齿与钻杆Ⅰ母接头的棘轮式啮合齿相对顺时针转动，当钻杆Ⅱ82公接头完全内旋于钻杆Ⅰ81的母接头时，钻杆Ⅱ滑动套的棘轮式啮合齿与钻杆Ⅰ母接头的棘轮式啮合齿啮合实现钻杆Ⅰ和钻杆Ⅱ的锁定，此时钻杆即可正转也可反转；

本发明利用螺纹传递正向扭矩和承受轴向载荷，通过棘轮式啮合齿啮合传递反向扭矩；实际上钻过程中，每添加一根后钻杆，后钻杆与前钻杆自动相互锁定，实现反转钻进；下钻时，通过专用工具伸至后钻杆母接头内向后拉动芯轴并带动后钻杆的滑动套向后滑动，此时前钻杆母接头与后钻杆滑动套的棘轮式啮合齿分离解锁，此时可反转后钻杆拆卸钻杆；该结构的钻杆结构简单，操作以及控制容易，通过相邻钻杆之间的配合关系即可实现上钻自动锁定，可实现正反交替旋转和往复扫孔以增强排渣和解卡卸压，从而避免卡钻、抱钻的发生，钻杆也可实现下钻解锁，少了人工辅助拆卸装配的环节，实现机械自动装拆钻杆，可大大提高钻机的自动化施工效率。

本实施例中，所述公接头上开设有径向贯通的一对联动孔23，该对联动孔内径向贯穿有联动块61，所述联动块与芯轴以及滑动套连接，所述联动块以可轴向滑动的方式设置于联动孔内。结合图8所示，联动孔开设于公接头的圆柱段21上，两个联动孔径向相对，联动孔为方形通孔结构，所述联动块为大致长方体结构，联动块两端内套于联动孔内，联动孔的轴向尺寸大于联动块的轴向尺寸，两者间保留一定距离的轴向调整间隙，使得联动块可在联动孔内轴向滑动；结合图2所示，滑动套外套于公接头的圆柱段21上，且联动块位于滑动套内，联动块的两端与滑动套内壁可拆卸连接，芯轴近前端径向开设有矩形连接方孔45，其中联动块穿过该连接方孔45与芯轴连接为一体，当然，联动块与滑动套以及芯轴可采用固定连接的方式或者其他已知的连接方式连接，具体不在赘述；通过上述结构滑动套、联动块以及芯轴连为一体，三者轴向一体运动，同时三者同步转动。

本实施例中，所述母接头和公接头内具有与芯轴外圆适配的导向孔。结合图2和图8所示，所述公接头的圆锥段22内部为前小后大的阶梯孔结构，圆锥段内小径段形成公头台阶孔I221，大径段形成了公头台阶孔II222，公接头圆柱段内径大于公头台阶孔II222，公接头圆柱段内腔形成了公头台阶孔Ⅲ223，杆体内径大于公头台阶孔Ⅲ223内径，母接头内位于锥形内螺纹孔32前端内腔呈台阶孔结构，该台阶孔呈前大后小结构，其中大径段形成了母头台阶孔I33，小径段形成了母头台阶孔II34，本实施例中母头台阶孔II34和公头台阶孔II222的作为导向孔用于对芯轴两端滑动支撑，芯轴轴向滑动内套于导向孔内，在钻杆无外部驱动力时，此时芯轴被驱动力驱动向前滑动，芯轴近后端部位于母头台阶孔II34，此时芯轴前端滑出公头台阶孔II222，芯轴通过母头台阶孔II34和联动块61形成支撑，当芯轴被驱动轴向向前滑动时，芯轴前端滑动至公头台阶孔II222内，当然，芯轴前端也可一直位于公头台阶孔II222内以形成良好的导向效果。

本实施例中，所述母接头30内设置有弹性件70，所述弹性件具有使芯轴轴向向前滑动的弹性力。本实施例中弹性件采用圆柱螺旋弹簧，弹性件也可采用其他已知的弹性结构，弹性件预紧安装在芯轴靠近后端位置，当前钻杆和后钻杆连接时，依靠弹性件的弹力作用，能使芯轴轴向向前滑动使得前钻杆母接头和后钻杆滑动套的棘轮式啮合齿向啮合，此时相邻钻杆之间的滑套与母接头的啮合齿自动啮合形成锁止状态。

本实施例中，所述母接头内螺纹连接有轴套80，所述芯轴后端呈前大后小的阶梯轴，芯轴后端的小径段轴向滑动内套于轴套80内，所述弹性件套于芯轴后端的小径段，所述弹性件前端抵在芯轴轴肩处、后端抵在轴套80前端处。结合图2、图8、图11和图12所示，轴套80为套筒式结构，轴套外圆柱表面设有圆柱外螺纹81，母头台阶孔II34具有内螺纹结构，轴套80螺纹内旋于母头台阶孔II34内，此时轴套80内腔作为导向孔与芯轴后端小径段配合，轴套80外圆柱面还设有螺纹退刀槽82，该结构利于弹性件的安装。

本实施例中，所述滑动套50与公接头通过花键传动配合。结合图2、图3和图8所示，公接头的圆柱段21外圆呈前小后大的阶梯轴，圆柱段的大径段设置有外花键，滑动套内腔呈前小后大的阶梯孔状，滑动套内腔中大径段设置有内花键，滑动套内腔小径段与圆柱段21的小径段轴向滑动配合，联动孔23开设于圆柱段21的大径段，花键副配合保留一定间隙量，使得滑动套能轴向移动，通过花键配合用于传递周向转矩和轴向滑移导向。

本实施例中，所述芯轴上开设有使导向孔轴向两侧腔体贯通的导流孔。结合图2和图11所示，所述芯轴前端设有前螺纹孔41，所述芯轴后端设有后螺纹孔42，便于引导安装配合，安装芯轴40时，前螺纹孔41和后螺纹孔42上安装专用工装，引导芯轴40顺利装入杆体10内部，其中后螺纹孔42还用于与螺纹拉杆83螺纹配合用于拉动芯轴，使芯轴40前端部与公头台阶孔II222配合，芯轴4后端部与轴套80内圆配合；所述前螺纹孔41内径向开设有贯通于芯轴外壁的前排水孔43，后螺纹孔42内径向开设于贯通于芯轴外壁的后排水孔44，用于切削液和排渣液的导流，其中前螺纹孔41结合前排水孔43作为芯轴的前导流孔，后螺纹孔42结合后排水孔44作为芯轴的后导流孔；当钻孔施工时，钻杆后端通入切削液和排渣液，从芯轴后螺纹孔42，经过后排水孔44进入杆体内部，再经过前排水孔43流出，经过前螺纹孔41、公头台阶孔II222、公头台阶孔I221流入前根钻杆对应的芯轴后螺纹孔42内，当然，在芯轴长度以及直径允许的前提下，可直接在芯轴的中心轴向加工贯穿于前后端的直导流孔，导流孔的具体结构可依据实际结构相适配的改进，具体不在赘述。

本实施例中，所述联动块61和滑动套50通过销钉62形成轴向联动配合。销钉62采用高强度合金材料制造，用于连接滑动套50和联动块61，结合图2图4以及图6所示，滑动套上开设有四个外销钉孔52，四个外销钉孔分为两组并径向相对，联动块61两端分别设有两个内销钉孔63，内销钉孔和外销钉孔的位置相匹配，在滑动套和联动块之间通过四个销钉连接使得二者形成轴向联动。

本实施例中，所述滑动套内圆与公接头外圆之间通过密封圈64密封。结合图2和图8所示，在公接头的圆柱段21外圆设置有密封圈安装槽Ⅰ211和密封圈安装槽Ⅱ212，两个密封圈安装槽位于外花键的轴向两侧，两个密封槽内均安装有密封圈，密封圈采用橡胶材质，通过密封圈使得公接头外圆与滑动套内圆之间形成密封，起到防水、防尘作用。

本实施例中，所述公接头包括与杆体连接的圆柱段21以及与圆柱段连接的圆锥段22，所述圆锥段22为向前外径逐渐变小的锥形外螺纹接头，所述母接头内具有与公接头圆锥段适配的锥形内螺纹孔32。圆锥段用于前、后两根钻杆之间的连接定位，并可承受正向转矩和轴向载荷；

结合图13和图14所示，自动上钻过程：钻杆I81处于被钻机夹持器夹紧状态，钻杆II82作为上钻钻杆，通过钻杆II82的旋转推进，使得钻杆II82的公接头旋入钻杆I81的母接头中，完成钻杆I81和钻杆II82的旋合；钻杆II82内的芯轴被弹性件推动连同滑动套向前移动，钻杆II82滑动套与钻杆I81母接头的棘轮式啮合齿啮合，实现钻杆I81和钻杆II82的周向单向锁定；钻杆I81和II82通过棘轮式啮合齿啮合便可承受反向转矩，通过圆锥螺纹结构便可承受正向转矩和轴向受力，完成钻杆自动上钻。

卸钻过程：钻杆I81处于被钻机夹持器夹紧状态，钻杆II82作为卸钻钻杆，通过螺纹拉杆83伸入至钻杆II82母接头内并螺纹内旋于钻杆II82内芯轴的后螺纹孔42内，使得螺纹拉杆83与钻杆II82内芯轴连为一体，通过螺纹拉杆83克服弹性件的弹力向后拉动钻杆II82内芯轴，此时钻杆I81母接头与钻杆II82滑动套的棘轮式啮合齿分离解锁，此时可反转后钻杆拆卸钻杆；随后钻杆II82公接头反转旋出钻杆I81的母接头，使得钻杆I81和钻杆II82完全脱离，完成钻杆卸钻。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种棘轮式可正反转钻杆，其特征在于：包括杆体、连接于杆体两端的公接头和用于与公接头螺纹连接的母接头以及芯轴和滑动套，所述杆体、公接头和母接头为中空结构形成轴向相互贯通且与外界连通的流体通道，所述芯轴内套于杆体内并具有轴向向前滑动的驱动力，所述滑动套轴向密封滑动外套于公接头上并与公接头传动配合，所述芯轴与滑动套以轴向联动的方式设置，所述滑动套前端与母接头后端具有相互配合用于周向锁定的棘轮式啮合齿，后钻杆公接头与前钻杆母接头螺纹连接时，所述后钻杆内芯轴被驱动力驱动连同滑动套轴向向前滑动，使得后钻杆的滑动套与前钻杆母接头的棘轮式啮合齿啮合并单向锁止；

所述公接头上开设有径向贯通的一对联动孔，该对联动孔内径向贯穿有联动块，所述联动块与芯轴以及滑动套连接，所述联动块以可轴向滑动的方式设置于联动孔内。

2.根据权利要求1所述的棘轮式可正反转钻杆，其特征在于：所述母接头和公接头内具有与芯轴外圆适配的导向孔。

3.根据权利要求2所述的棘轮式可正反转钻杆，其特征在于：所述母接头内设置有弹性件，所述弹性件具有使芯轴轴向向前滑动的弹性力。

4.根据权利要求3所述的棘轮式可正反转钻杆，其特征在于：所述母接头内螺纹连接有轴套，所述芯轴后端呈前大后小的阶梯轴，芯轴后端的小径段轴向滑动内套于轴套内，所述弹性件套于芯轴后端的小径段，所述弹性件前端抵在芯轴轴肩处、后端抵在轴套前端处。

5.根据权利要求1所述的棘轮式可正反转钻杆，其特征在于：所述滑动套与公接头通过花键传动配合。

6.根据权利要求4所述的棘轮式可正反转钻杆，其特征在于：所述芯轴上开设有使导向孔轴向两侧腔体贯通的导流孔。

7.根据权利要求5所述的棘轮式可正反转钻杆，其特征在于：所述联动块和滑动套通过销钉形成轴向联动配合。

8.根据权利要求1所述的棘轮式可正反转钻杆，其特征在于：所述滑动套内圆与公接头外圆之间通过密封圈密封。

9.根据权利要求1所述的棘轮式可正反转钻杆，其特征在于：所述公接头包括与杆体连接的圆柱段以及与圆柱段连接的圆锥段，所述圆锥段为向前外径逐渐变小的锥形外螺纹接头，所述母接头内具有与公接头圆锥段适配的锥形内螺纹孔。

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