CN117052288A - 用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿钻机技术领域，涉及一种用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构，包括水辫、主动钻杆、主轴、连接套以及连接轴，其关键在于，其水辫中进水组件的壳体内腔两侧的轴向投影对称，承受水压后轴向前后方向受力平衡，能够改善芯轴支撑轴承的受力情况，延长使用寿命；并且水辫芯轴与连接轴、主动钻杆的整体具有限制位移的轴向浮动结构，将水辫受到的主要冲击传递给了具有轴向浮动结构的主动钻杆和强度明显更高的卡盘和主轴，大幅改善了水辫芯轴支撑轴承受力情况，进一步延长其使用寿命。其次，连接轴两端合理的浮动距离关系设置，也保护了卡盘等其他零件，提高了动力头的整体使用寿命。

Description

用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构

技术领域

本发明属于煤矿钻机技术领域，涉及一种用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构。

背景技术

水辫是钻机施工必备的配件之一，作为钻机与外界压力介质的接头，向钻杆、钻头输送打钻、排渣所需的压力流体。

现有钻机的水辫一般独立于其他零部件，孤立地安装在动力头主轴最后或者最后一根钻杆末端；水辫通常包括芯轴、套设在芯轴上的进水口组件、套设在芯轴上的轴承座、与轴承座可拆卸连接的端盖和与端盖可拆卸连接的后盖；所述轴承座与芯轴之间设有轴承，然后通过芯轴直接将水辫孤立地安装在动力头主轴最后或者最后一根钻杆末端。

由于现有钻机的水辫一般独立于其他零部件，孤立地安装在动力头主轴最后或者最后一根钻杆末端，导致现有钻机的水辫内部受到轴向液压力不均，加之没有其他的力传导结构，在钻进中受到轴向液压冲击和钻进振动冲击，芯轴的芯轴支撑轴承十分容易损坏，从而需要频繁维修，严重影响施工效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构，以解决现有钻机水辫内部液压力不均衡，没有力传导机构，水辫芯轴的芯轴支撑轴承容易损坏的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构，包括水辫、主动钻杆以及主轴，其关键在于，还包括连接套和连接轴，所述水辫包括芯轴、进水组件、轴承座、密封轴以及芯轴支撑轴承，所述进水组件套设在芯轴上并转动连接，所述轴承座通过内设于轴承座两端的芯轴支撑轴承套设在芯轴上并转动连接，且所述进水组件的一侧与所述轴承座相接，并在所述轴承座远离进水组件的一端安装有轴承端盖，以对芯轴支撑轴承进行限位；

所述芯轴为中空轴，其左端与连接轴固定连接，其右端的内侧连接密封轴以密封芯轴的右端，且所述芯轴上设有进水孔，且该进水孔与进水组件连通，所述进水组件包括进水口和与进水口相通的壳体，所述壳体的内腔为对称结构，且对称面垂直于所述芯轴的轴线以使其轴向受力平衡，所述进水组件通过壳体套设在所述芯轴上，壳体的内腔连通所述芯轴的进水孔；

所述连接轴为中空轴，且内设于主轴，其两端分别连接所述水辫的芯轴和具有轴向浮动结构的主动钻杆，并在所述连接轴靠近所述芯轴的一端设有六方头，所述连接套固定连接在主轴靠近所述水辫的一端，且套设在所述连接轴上，其内部设有与所述六方头相匹配的六方孔，以在所述连接轴与连接套之间形成限制转动的滑动连接，进而使得所述连接轴和芯轴能够轴向浮动。

进一步，还包括卡盘，所述卡盘连接在所述主轴远离水辫的一端且随主轴转动，所述主动钻杆的轴向浮动结构包括弹簧和钻杆端盖，所述主动钻杆与卡盘之间为键连接，且所述弹簧设置在所述主动钻杆靠近卡盘的端面以使得所述主动钻杆能够在轴向浮动，所述钻杆端盖套设在所述主动钻杆上并与卡盘固定连接以限制主动钻杆的轴向浮动距离。

进一步，设所述主动钻杆靠近卡盘的端面与卡盘与之对应的端面之间的最大距离为a，所述主动钻杆以及与之连接的钻杆接头螺纹的螺距为p，所述a≤p。

进一步，所述a∈[0.65p,0.95p]。

进一步，所述连接轴的六方头和其中间圆柱段形成均匀分布的多段轴向止动端面，且所述止动端面与连接套的靠近连接轴的端面相匹配，设当所述主动钻杆轴向浮动至最左端时，所述止动端面与连接套的靠近连接轴的端面的距离为b，则所述b>a。

进一步，在所述芯轴的右端固定连接有盖板，以对密封轴进行轴向固定。

进一步，在所述轴承座上设有连通轴承座内腔的黄油嘴。

进一步，所述芯轴与连接轴通过螺纹固定连接，且所述芯轴的螺纹为外螺纹，所述连接轴的螺纹为内螺纹。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构，其水辫中进水组件的壳体内腔两侧的轴向投影对称，且对称面垂直于所述芯轴的轴线，承受水压后轴向前后方向受力平衡，能够改善芯轴支撑轴承的受力情况，延长使用寿命；并且水辫芯轴与连接轴、主动钻杆的整体具有限制位移的轴向浮动结构，将水辫受到的主要冲击传递给了具有轴向浮动结构的主动钻杆和强度明显更高的卡盘和主轴，大幅改善了水辫中芯轴支撑轴承受力情况，进一步延长其使用寿命。

其次，连接轴两端合理的浮动距离关系设置，也保护了卡盘等其他零件，提高了动力头的整体使用寿命。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明中一种用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构的结构示意图；

图2为本发明中水辫的结构示意图；

图3为本发明中进水组件的结构示意图；

图4为本发明中连接轴的结构示意图。

附图标记：1-水辫，101-芯轴，102-进水组件，102a-进水口，102b-壳体，103-轴承座，104-黄油嘴，105-距离套，106-轴承端盖，107-盖板，108-密封轴，109-芯轴支撑轴承，2-连接套，3-连接轴，301-外螺纹，302-六方头，303-内螺纹，4-主动钻杆，5-弹簧，6-卡盘，7-主轴，8-变速箱体，9-钻杆端盖。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图4，为一种用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构，包括水辫1、连接套2、连接轴3、主动钻杆4、弹簧5、煤矿钻机动力头的卡盘6以及主轴7；

重点参阅图2，所述水辫1是钻进驱动水的进水装置，驱动水经过水辫1进入动力头的主轴7，再通过若干连接的钻杆到达钻头位置，该水辫1的主要特点是轴向力平衡，其包括芯轴101、进水组件102、轴承座103、密封轴108以及芯轴支撑轴承109，所述进水组件102套设在芯轴101上并转动连接，所述轴承座103通过内设于轴承座103两端的芯轴支撑轴承109套设在芯轴101上并转动连接，所述密封轴108通过螺纹连接在所述芯轴101的右端以密封芯轴101的右端。

所述芯轴101为中空轴，其左端与连接轴3通过螺纹固定连接，其中所述芯轴101上的螺纹为外螺纹，所述连接轴3上的螺纹为内螺纹，并所述芯轴101的中部设有进水孔，且该进水孔与进水组件102连通，右端的内部设有用于安装密封轴109的安装螺纹；

重点参阅图3，所述进水组件102包括进水口102a和与进水口102a相通的壳体102b。进水口102a用于连接水管接头，壳体102b套设在所述芯轴101上并转动连接，壳体102b的内腔连通所述芯轴101的进水孔，且壳体102b与轴承座103配合，即所述壳体102b的一侧与所述轴承座103的一侧相接，形成芯轴安装结构，同时所述壳体102b的内腔为对称结构，且对称面垂直于所述芯轴101的轴线以使其轴向受力平衡，因此可实现水辫轴向受力平衡。因为进水组件102中的壳体102b内腔关于中间面完全对称，因此驱动用水对进水组件102的作用力在芯轴轴线方向平衡，从而改善芯轴支撑轴承109的受力情况，延长使用寿命。

优选地，所述壳体102b与所述芯轴101之间设有密封圈，以形成密封结构。

具体的，在所述芯轴101的右端通过螺钉安装有盖板107，对密封轴108进行轴向固定，并在所述轴承座103的右端通过螺钉安装有轴承端盖106，以对芯轴支撑轴承109进行轴向固定。在所述轴承座103上设有连通轴承座103内腔的黄油嘴104。密封轴108与芯轴101的连接处还设有密封圈进行密封，防止漏水。

重点参阅图4，所述连接轴3为中空轴，且内设于主轴，其两端分别连接所述水辫1的芯轴101和主动钻杆4，将水辫1受到的轴向冲击传递给具有轴向浮动结构的主动钻杆4，以改善水辫1的受力情况。在所述连接轴3的左端设有外螺纹301，以用于与主动钻杆4右端的螺纹孔连接，在所述连接轴3的右端设有内螺纹303，以用于与水辫芯轴101的外螺纹连接；在所述连接轴3的右端的外侧设有六方头302，所述连接套2通过螺纹连接与动力头的主轴7靠近水辫1的一端固定连接，所述连接套2的内孔为与六方头302相匹配的六方孔，所述连接轴3右端的六方头302插进连接套2的六方孔，以使得所述连接套2与连接轴3之间形成移动副，并限制连接轴3转动，所述连接套2与连接轴3之间形成移动副与主动钻杆4的限制位移的轴向浮动结构配合，使得芯轴101与连接轴3、主动钻杆4的整体也具有限制位移的轴向浮动结构，进而使连接轴3和水辫1也具有轴向浮动功能。

其中，主动钻杆4的轴向浮动结构包括弹簧5和钻杆端盖9，所述主动钻杆4可通过花键、平键等传递扭矩的方式与卡盘6连接，并在主动钻杆4的右端面设有弹簧安装孔，通过弹簧安装孔在主动钻杆4与卡盘6之间安装有弹簧5，以使得所述主动钻杆4具有轴向浮动功能，以用于缓冲轴向冲击，再由固定连接在卡盘6上的钻杆端盖9进行轴向限位，从而使得所述主动钻杆4具有限制位移的轴向浮动功能。

具体的，设所述主动钻杆4右端面与卡盘6与之对应的左端面之间的最大距离为a，主动钻杆4以及与之连接的钻杆接头螺纹的螺距为p，则a≤p。因为，螺纹接扣的轴向冲击必然发生在一个螺距的位移之内(当然极有可能每个螺距都发生冲击)，一扣(一个螺距)接不上，后续的螺纹肯定也无法连接。但是该浮动距离也不宜过小，过小则会因浮动距离不足发挥不了浮动缓冲作用。因此，根据螺纹两侧基本对称的特点，选择a的最小值略大于0.5p，优选地，a∈[0.65p,0.95p]，最优选为0.65p。

连接轴3的六方头302和中间圆柱段自然形成均匀分布的多段轴向止动端面，该止动端面与连接套2的左端面配合，可以限制连接轴3向右的轴向位移。设主动钻杆4和连接轴3在浮动作用下位于最前端时，如图1中的最左侧，该止动端面到连接套2左端面的距离为b，则应有b>a。因为，如此距离设置方可发挥主动钻杆浮动功能的作用，避免轴向向右的冲击直接由连接轴3传递给芯轴支撑轴承109。此外，该距离b适当大于(即不能大太多)主动钻杆与卡盘端面之间的距离a，优选b≥a+0.35p，从而即使a选择最小优选值0.65p时，也可确保一个螺距以上的缓冲距离，使的该轴向缓冲结构具有较好的缓冲保护效果，可以在主动钻杆浮动功能失效或者主动钻杆、卡盘端面被压溃的极端情况下，对连接轴3向右的位移进行限制，避免对卡盘6或动力头其他零件造成严重损坏。

所述主轴7在设于变速箱体8中，并在变速箱体8的驱动下进行转动，所述主轴7远离水辫1的一端连接卡盘6，以带动卡盘7转动，然后卡盘6再将扭矩传递给主动钻杆4。即主动钻杆4、连接轴3、连接套2以及水辫1中的芯轴101、密封轴108和盖板107均相对于进水口组件102、轴承座103、轴承端盖106以及变速箱体8转动。

上述一种用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构的工作原理如下：

钻进驱动用水从进水组件102接入芯轴101，经芯轴101及连接轴3、主动钻杆4后直达孔底马达和钻头；首先，由于进水组件102的壳体102b的内腔关于中间面完全对称，因此驱动用水对进水组件102的作用力在芯轴101轴线方向平衡，所以极大程度改善芯轴支撑轴承109的受力情况，进而延长使用寿命；

其次，水辫1的芯轴101通过连接轴3与主动钻杆4相连，连接轴3和连接套2的六方头和六方孔的配合形成了稳定的移动副，又防止了相对转动，配合主动钻杆4具有的限制位移的轴向浮动功能，既可以前后浮动缓冲动力头钻进过程中受到的轴向冲击，又限制了主动钻杆4、连接轴3以及芯轴101的轴向浮动距离，从而保护其他相关零件，使得所述连接轴3和芯轴101具有了轴向上的浮动位移，因此水辫1(芯轴101)在随主动钻杆4转动过程和动力头钻进过程中，在轴向随主动钻杆4和连接轴3一起轴向移动，受到的轴向冲击都传递给了主动钻杆4，主动钻杆4则通过安装在主动钻杆4与主轴7之间的弹簧5进行了阻尼吸收，从而进一步改善了芯轴支撑轴承109的受力情况。

其中，所述钻杆端盖9对主动钻杆4的轴向位移限制可根据其他相关零部件的实际需要进行适应性的调整，以适应不同的煤矿钻机。

在另一个实施例中，所述主动钻杆4直接与主轴7连接，其具体结构如公开号为CN112253017B的中国专利所公开的一种可浮动钻杆连接装置，其同样具有轴向浮动动能，以满足连接轴3的一端连接具有轴向浮动结构的主动钻杆的要求，其重点在于将所述主动钻杆从与卡盘连接，转移至与主轴连接，其余细节以在上述专利中公开，在此不做赘述。

综上所述，水辫1中的进水组件的对称壳体内腔结合连接轴3传递冲击给具有浮动功能的主动钻杆4的方案改善了芯轴支撑轴承109的受力情况，钻进驱动用水的压力在水辫1内产生的轴向力被平衡分布，动力头工作冲击由具有浮动功能的主动钻杆4承担，因此该用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构解决了现有钻机水辫内部液压力不均衡，没有力传导机构，芯轴支撑轴承109容易损坏的问题，尤其适用于钻进驱动用水压力较高的情况，比如定向钻进中使用泥浆脉冲等情况。

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 (8)

1.一种用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构，包括水辫、主动钻杆以及主轴，其特征在于：还包括连接套和连接轴，所述水辫包括芯轴、进水组件、轴承座、密封轴以及芯轴支撑轴承，所述进水组件套设在芯轴上并转动连接，所述轴承座通过内设于轴承座两端的芯轴支撑轴承套设在芯轴上并转动连接，且所述进水组件的一侧与所述轴承座相接，并在所述轴承座远离进水组件的一端安装有轴承端盖，以对芯轴支撑轴承进行限位；

所述芯轴为中空轴，其左端与连接轴固定连接，其右端的内侧连接密封轴以密封芯轴的右端，且所述芯轴上设有进水孔，且该进水孔与进水组件连通，所述进水组件包括进水口和与进水口相通的壳体，所述壳体的内腔为对称结构，且对称面垂直于所述芯轴的轴线以使其轴向受力平衡，所述进水组件通过壳体套设在所述芯轴上，壳体的内腔连通所述芯轴的进水孔；

所述连接轴为中空轴，且内设于主轴，其两端分别连接所述水辫的芯轴和具有轴向浮动结构的主动钻杆，并在所述连接轴靠近所述芯轴的一端设有六方头，所述连接套固定连接在主轴靠近所述水辫的一端，且套设在所述连接轴上，其内部设有与所述六方头相匹配的六方孔，以在所述连接轴与连接套之间形成限制转动的滑动连接，进而使得所述连接轴和芯轴能够轴向浮动。

2.根据权利要求1所述的用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构，其特征在于：还包括卡盘，所述卡盘连接在所述主轴远离水辫的一端且随主轴转动，所述主动钻杆的轴向浮动结构包括弹簧和钻杆端盖，所述主动钻杆与卡盘之间为键连接，且所述弹簧设置在所述主动钻杆靠近卡盘的端面以使得所述主动钻杆能够在轴向浮动，所述钻杆端盖套设在所述主动钻杆上并与卡盘固定连接以限制主动钻杆的轴向浮动距离。

3.根据权利要求2所述的用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构，其特征在于：设所述主动钻杆靠近卡盘的端面与卡盘与之对应的端面之间的最大距离为a，所述主动钻杆以及与之连接的钻杆接头螺纹的螺距为p，所述a≤p。

4.根据权利要求3所述的用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构，其特征在于：所述a∈[0.65p,0.95p]。

5.根据权利要求3所述的用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构，其特征在于：所述连接轴的六方头和其中间圆柱段形成均匀分布的多段轴向止动端面，且所述止动端面与连接套的靠近连接轴的端面相匹配，设当所述主动钻杆轴向浮动至最左端时，所述止动端面与连接套的靠近连接轴的端面的距离为b，则所述b>a。

6.根据权利要求1所述的用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构，其特征在于：在所述芯轴的右端固定连接有盖板，以对密封轴进行轴向固定。

7.根据权利要求1所述的用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构，其特征在于：在所述轴承座上设有连通轴承座内腔的黄油嘴。

8.根据权利要求1所述的用于煤矿钻机的钻进驱动水压平衡机构，其特征在于：所述芯轴与连接轴通过螺纹固定连接，且所述芯轴的螺纹为外螺纹，所述连接轴的螺纹为内螺纹。