CN202673301U - 三臂液压凿岩台车浆、液、气施工的转换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及海底、过江环境下软弱破碎带围岩成孔技术领域，公开一种液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，包括：转子、定子、进水进气系统、进浆液系统和支撑座架，转子穿过定子与钻机的钎尾相连，转子的另一端与钻杆相连；定子固定在支撑架座上，支撑架座与钻机相连，定子随钻机在推进梁上做轴向运动。本实用新型在钻注施工中，浆、液、气三者之间的转换效果明显；极大提高了三臂台车钻注施工速度，满足了市场对工程建设工期、成本的要求，提高了工效、节约成本，缩短了工期、具有结构简单，成本低、可操作性强及保养维修简易方便，保护环境有着极大的社会效益和经济效益。

Description

三臂液压凿岩台车浆、液、气施工的转换装置

【技术领域】

本实用新型涉及海底、过江环境下软弱破碎带围岩成孔技术领域，尤其涉及海底、过江环境下作业的一种三臂液压凿岩台车浆、液、气施工的转换装置。

【背景技术】

目前， Atlas Copco公司生产的B353E凿岩台车在隧道施工中以其操作简单、移动迅速、钻进速度快而准、维护保养方便而广受中国客户喜爱。但B353E凿岩台车主要功能是钻炮眼，很小应用在其他领域。而在施工中特别是在海底、过江等环境下作业时：经常会碰到软弱破碎带围岩遇水易软化、崩解、甚至流淌,造成钻孔塌孔、成孔困难,为确保注浆加固效果，常采用分段前进式注浆工艺，但分段前进式注浆存在孔底注浆效果差、反复钻孔、反复注浆、施工工艺比较繁琐、工作量大的缺点，而钻注一体化施工可以从根本上解决此类问题，国内外因此也进行不断的探索研究，目前只有日本的多功能钻机RPD系列真正做到钻注一体化施工，技术相对比较成熟。我国近几年根据施工需要也提出了钻注一体化这个概念，很多单位也在进行不断尝试和实践，但效果不甚理想，在钻注一体化施工领域我国基本上还处于一片空白。如果能把钻注一体化的优点应用到B353E台车上，则B353E台车在钻注一体化施工中能很好地解决上述问题又不丢失他原有的特长。由于对B353E台车在保留原有性能和功能的情况下，改进成钻注一体化设备，还存在着浆、液、气三者之间的转换关键技术难题。

【发明内容】

为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型提供一种三臂液压凿岩台车浆、液、气施工的转换装置，彻底解决三臂凿岩台车钻注施工中浆、液、气转换的技术难题，极大提高了三臂台车钻注施工速度。  

为了实现上述发明目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种三臂液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，为连接于钻机与钻杆之间的进浆进水装置，进浆进水装置，包括：转子、定子、进水进气系统、进浆液系统和支撑座架，径向转动的转子穿过定子与钻机的钎尾相连，转子的另一端与钻杆相连；所述进水进气系统由转子的进水进气通道与钻机的出水出气通道连通，转子的进水进气通道另一端通过定子的出水出气通道，经进水进气球阀与进浆液系统的三通接头的中间接头连通；所述进浆液系统由浆液管道通过进浆液球阀与三通接头的一端接头连通，三通接头的另一端接头通过固定在定子上的输出管道与连接钻杆的转子内的输出浆、液、气通道连通；所述定子固定在支撑架座上，支撑架座与钻机相连，定子随钻机在推进梁上做轴向运动。

该三臂液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，所述转子内由进水进气通道通过中间的隔离密封装置连接的输出浆、液、气通道构成，进水进气通道通的出口端与出水出气口位置设置的定子内环槽对应；输出浆、液、气通道的进口端与进浆、水、气口位置设置的定子内环槽对应。

该三臂液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，所述转子上的隔离密封装置为八道密封，包括：前4道密封进浆、进水、进气，后4道密封出水、出气；密封装置与转子是过盈配合，密封装置采用耐高压、耐摩、耐化学性的密封件。

该三臂液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，所述定子内前后端分别设了套在转子上的两个导向套，与两个导向套对应的定子内分别设置有导向套槽；与定子外出水出气口位置对应连通的定子内设置有一道出口环槽；与定子外进浆、水、气口位置对应连通的定子内设置有一道进口环槽；进口环槽与出口环槽之间设置有若干道密封槽；定子外设置了润滑密封装置和铜套与转子之间接触面的对应黄油嘴。 

该三臂液压凿岩台车浆、液、气的转换装置， 定子采用灰铸铁HT250材料；定子后端设了一道吸收转子和定子轴向位移产生能量的缓冲圈。

该三臂液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，所述定子两端的导向套与转子之间是间隙配合，导向套与定子是过盈配合；导向套外表面设置有一圈进油槽，进油槽为黄油进油输油槽，导向套内表面有三道轴向出油槽，一端是封闭的。

该三臂液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，所述导向套采用润滑密封的铜套；材料为锡青铜ZCuSn5Pb5Zn；铜套的径向设置一颗用于紧定铜套的紧钉螺钉；导向套与转子为相对摩擦，既有与转子轴向摩擦，也有与转子径向摩擦。

该三臂液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，定子后端端盖里安装了一道吸收转子和定子轴向位移产生能量的缓冲圈，用于保护定子；转子后端与定子上的后端盖的配合是间隙配合,间隙配合选定基轴制机械零件之间的公差配合为C11/h11。

该三臂液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，所述支撑架座中部设置有固定定子的支撑架，所述支撑架的两侧设置有与钻机固定的连接架，支撑架座随钻机轴做向运动。

由于采用如上所述的技术方案，本实用新型具有如下优越性：

一种三臂液压凿岩台车浆、液、气转换装置，是基于中隧股份台车公司在青岛胶州湾海底隧道成功运用台车实施快速钻孔注浆的基础上，进一步对三臂凿岩台车功能进行挖掘和使用领域的进一步拓展，满足市场对工程建设工期、成本的要求，将对三臂台车一个施工臂进行改造，订制或引进全新钻具系统，解决三臂凿岩台车钻注一体化存在的技术难题，提高三臂凿岩台车设备使用率和多样性，使台车可同时适应于不同地质段和各类注浆施工工艺。这对于节约成本，提高工效、缩短工期、保护环境有着极其积极的社会效益和经济效益，实现台车的钻注一体化施工，不仅使三臂液压凿岩台车在钻孔注浆领域有一个质的飞跃，也势必创造更加广泛的影响力和良好经济效益。

本实用新型是结合目前国内研究现状，经过台车公司的钻研和努力，针对保留B353E台车原有的性能和功能的情况下对B353E台车改进成钻注一体化设备。在改进过程中关键技术难题之一“浆、液、气转换装置”展开相关讨论和技术研究，最终研制设计出成本低、可操作性强的浆、液、气转换装置。彻底解决三臂凿岩台车钻注施工中浆、液、气三者之间转换的技术难题，极大提高了三臂台车钻注施工速度。其三臂凿岩台车钻注一体化操作系统特点如下：

1、结构简单，操作、保养、维修简单方便。

2、增加的高压风排碴系统是在不改变原系统的功能前提下增加进去的。保  留了原有的功能。在施钻时根据需要取长补短。

3、钻注一体化施工过程中劳动强度底，安全保护系数大。     

4、水、气、浆转换装置适用性强，转换效果明显。

【附图说明】

图1是单臂台车的转换装置结构及安装示意图；

图2是转换装置的结构示意图；

图3是转换装置用于三臂台车钻注一体化的施工系统图；

图中：1、钻机，2、钻杆，3、进浆进水转换装置，3.1、转子，3.2、定子，3.3、黄油嘴，3.4、进水进气通道，3.5、出水、气口，3.6、进水进气球阀，3.7、三通接头，3.8、进浆液球阀，3.9、进浆、液、气口，3.10、输出浆、液、气通道，3.11、密封装置，3.12、出口内环槽，3.13、进口内环槽，3.14、导向套；4 、支撑座架，4.1、支撑架，4.2、连接架，5、三通换向阀。

【具体实施方式】

如图1、2、3所示，一种三臂液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，为连接于钻机1与钻杆2之间的进浆进水转换装置3，进浆进水转换装置，包括：转子3.1、定子3.2、进水进气系统、进浆液系统和支撑座架4，径向转动的转子3.1穿过定子3.2与钻机1的钎尾相连，转子3.1的另一端与钻杆2相连；所述进水进气系统由转子的进水进气通道3.4与钻机的钎尾出水出气通道连通，转子的进水进气通道3.4另一端通过定子上的出水、气口3.5，经管道、进水进气球阀3.6与进浆液系统的三通接头3.7连通；所述进浆液系统由浆液源管道通过进浆液球阀3.8与三通接头3.7的一端接头连通，三通接头3.7的另一端接头通过管道、定子上的进浆、液、气口3.9与连接钻杆的转子内的输出浆、液、气通道3.10连通；所述定子3.2固定在支撑架座4上，支撑架座4与钻机1相连，定子3.2随钻机在推进梁上做轴向运动。

所述转子3.1内由进水进气通道通3.4过中间的隔离密封装置3.11连接的输出浆、液、气通道3.10构成，进水进气通道3.4的出口端与定子上出水出气口3.5位置连通的出口内环槽3.12对应；输出浆、液、气通道3.10的进口端与定子上进浆、水、气口3.9位置连通的进口内环槽3.13对应；转子3.1材料选用厂家生产的钎尾材料。

所述转子上的隔离密封装置3.11为八道密封，包括：前4道密封进浆、进水、进气，后4道密封出水、出气；所述密封装置3.11与转子3.1是过盈配合，密封装置采用耐高压、耐摩、耐化学性的德国德氏封密封件。

所述定子3.2包括：前后端的导向套槽内分别设置有套在转子上的两个导向套3.14，与定子外出水出气口3.5位置对应连通的定子内设置有一道出口内环槽3.12；与定子外进浆、水、气口3.9位置对应连通的定子内设置有一道进口内环槽3.13；进口内环槽3.12与出口内环槽3.13之间设置有与转子上密封装置3.11对的若干道密封槽；定子外设置有润滑密封装置与转子之间和润滑铜套与转子之间接触面的对应黄油嘴3.3。 

所述定子3.2采用灰铸铁HT250材料；定子后端设了一道吸收转子和定子轴向位移产生能量的缓冲圈。

所述定子两端的导向套3.14外表面设置有一圈进油槽，进油槽为黄油进油输油槽，导向套3.14内表面设置有三道轴向出油槽，一端是封闭的；导向套内表面与转子外表面之间是间隙配合；即导向套与转子是间隙配合,与定子是过盈配合。

所述导向套3.14采用润滑密封的铜套；材料为锡青铜ZCuSn5Pb5Zn；铜套的径向设置一颗用于紧定铜套的紧钉螺钉；导向套与转子为相对摩擦，既有与转子轴向摩擦，也有与转子径向摩擦。

所述定子3.2后端安装了一道吸收转子和定子轴向位移产生能量的缓冲圈，用于保护定子。缓冲圈位置位于浆、液气转换装置后端与，在端盖里面，实物图上为黑色圈；转子后端与定子上的后端盖的配合是间隙配合,间隙配合选定基轴制为C11/h11.即C11/h11指的是机械零件之间的公差配合。

所述支撑架座4中部设置有固定定子的支撑架4.1，所述支撑架4.1的两侧设置有与钻机1固定的连接架4.2，支撑架座4随钻机1轴做向运动。即定子是随着钻机在推进梁上做轴向运动，也就是在推进梁上来回移动，相对钻机是静止的。

 一种液压凿岩台车浆、液、气的转换施工方法，其步骤如下：

1、安装转换装置3，先安装转换装置的支撑座架4，再组装转换装置的定子3.2和转子3.1，然后将转子3.1拧到钻机1的钎尾上，定子3.2固定在支撑架座4上，支撑架座4与钻机1相连，定子3.2随钻机1在推进梁上做轴向运动；并且安装定子上的进水进气系统和进浆液系统的管路；所述推进梁就是一根长方型铝合金，具有强度高，重量轻等特点，固定在凿岩台车大臂上；其作用是作为凿岩钻机的轴向运动导轨。

2、进液、进气方法， 

（1）、关闭进浆液系统的进浆液球阀3.8，打开进水进气球阀3.6；

（2）、将源液或源气分别通过三通换向阀5进入钻机1；三通换向阀5控制源液Y或源气Q的通行；源液Y由水泵SB将液体升压产生；源气Q由空压机KYJ将空气升压产生。

（3）、进入钻机的液体Y或压缩气通过钻机1的钎尾进入转换装置3的进水进气系统；

（4）、进入进水进气系统的液体或压缩气通过旋转转子3.1的进水进气通道3.4，经定子3.2的出口内环槽3.12、出水出气口3.5、进水进气球阀3.6进入关闭进浆液球阀3.8的进浆液系统；

（5）、在进浆液系统的液体Y或压缩气Q，通过固定在定子3.2上的管道、进浆、液、气口3.9、进口内环槽3.13进入连接钻杆2的转子3.1内的输出浆、液、气通道3.10，转子3.1随钻机1的钎尾转动，并通过钻杆2完成输送水或输送气的工作；

3、进浆液的方法， 

（1）、关闭进水进气球阀3.6，打开进浆液系统的进浆液球阀3.8；

（2）、源浆液J通过进浆液球阀3.8进入转换装置3的进浆液系统；源浆液J由高压注浆泵GYZJB将浆液输出产生的。

（3）、浆液通过固定在定子3.2上的管道、进浆、液、气口3.9、进口内环槽3.13进入连接钻杆2的转子3.1内的输出浆、液、气通道3.10，转子上的密封装置与定子内的密封槽阻挡转子的进水进气通道内的水或气； 

（4）、转子3.1随钻机1的钎尾转动，并通过钻杆2完成输送浆液的工作；

施钻过程中，由于注浆孔的中心线与钻杆2、钻机1、转换装置3中转子3.1的中心线偏心，为防止对钻机1和转换装置中定子3.2、密封装置3.11和导向套3.14的扰动，为此，转换装置中定子3.2与转子3.1接触的表面粗糙度为Ra的上限值1.6um；定子3.2与转子3.1所有的圆柱体的同轴度为0.05。

一种液压凿岩台车浆、液、气的转换施工方法，转换装置的定子3.2与转子3.1的润滑方法；采用在定子3.2内前段、后段安装有套在转子上的两个导向套3.14润滑，且两个导向套3.14为铜套，铜套外表面开有一圈黄油进油槽，通过定子外黄油嘴向铜套外表面进油槽对应的定子内两个导向套槽注入黄油润滑；且两个铜套内表面有三道轴向黄油出油槽，一端是封闭的；其中转子3.1上中部的密封装置3.11与定子3.2的润滑，采用定子3.2外对应的黄油嘴3.3对应的定子内密封槽注入黄油润滑；既润滑了定子3.2与转子3.1接触表面，也润滑了密封装置3.11与转子3.1接触表面以及导向套3.14的内表面。

一种液压凿岩台车浆、液、气的转换施工方法，转换装置定子内转子的进水进气通道与转子的出水出气出浆通道的密封方法；采用转子中部过盈配合的密封装置与定子内对应部位设置的密封槽密封，即密封定子内在出水出气口位置的一道环槽与定子内在进浆、水、气口位置的一道环槽；转子的密封装置为八道密封，与定子内对应部位设置的八道密封槽对应，前四道密封进浆、水、气，后四道密封出水、气。

一种液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，其结构主要由转子、定子和支撑座架三大部分组成；

（1）、转子与Cop1840钻机钎尾相连和钎尾一起转动，转子穿过定子安装在定子里面，定子固定不做径向转动，但随钻机在推进梁上做轴向运动。

（2）、定子在出水和出气口位置以及在进浆、水、气口均设计了一道槽，其目的是转子在转动过程中存在出口槽中的水或气在任意一点均能对准出口顺利出去进入进口，进口位置设计的槽其目的也是一样：进入到进口槽中的浆或水或气转子转动过程中在任意一点均能准确对准进入到转子上的进口然后通过钻杆输送。转子内设计八道密封，分别前4道密封进浆、水、气，后4道密封出水、气。

（3）定子上前后设计了两个铜套，铜套主要作用保护定子不被磨损而损坏其次还起到导向作用。铜套的径向设计了一颗紧钉螺钉用于紧定铜套。

（4）定子后端设计了一道缓冲圈，缓冲圈其作用是在冲击过程中吸收转子和定子轴向位移产生的能量，保护定子。

（5）支撑架座作用主要有：限制定子不随转子转动，支撑转子和定子，和Cop1840钻机做同步运动。

本浆、液、气转换装置包括：进水系统和进浆液系统两部分，进水系统由变径接头、液压油管、直接头、球阀组成；进浆液系统由直接头、连接套、三通接头、球阀组成。

（1）浆、水、气三者转换自如，操作简单，控制方便。

（2）加工过程中转子困难最大，加工出来的转子必须要能承受大扭矩和大冲击力，其选取材质和制造工艺非常复杂。

（3）整套装置安装和拆卸方便，安装时先安装好支撑座架，再把定子和转子组装好，然后拧到钻机钎尾上，安装好进出接头、球阀、管子即可使用。拆下时与上述步骤相反即可。

（4）铜套安装和取出方便，安装时只需用铜棒轻轻敲入，拧上紧钉螺钉即可。取出时，先拧出紧订螺钉，取出靠近铜套的密封，然后用小铜棒从密封位置即可敲打出来。

（5）定子上设计了六个黄油嘴，其作用是润滑密封和铜套与转子之间的接触面。

本浆、液、气转换装置的详细技术参数及加工技术要求：

（1）定子装置在设计时考虑到注浆压力大，定子与转子既有轴向移动也有径向转动。所以定子选材十分重要，要耐压，耐摩，可加工性好。综合考虑后选择灰铸铁HT250材料。定子内设8道密封槽，2道导向套槽。定子与转子之间是间隙配合，密封与转子是过盈配合，导向套和转子是最小间隙配合，而现场施钻过程中其注浆孔的中心线与钻杆、钻机、转子的中心线不可能同心，其偏心实际很大，对钻机和定子的扰动非常大，对定子、密封和导向套引响非常大。因此定子与转子接触的表面其粗糙度要求非常高，选定粗糙度为Ra的上限值1.6um;定子与转子所有的圆柱体的同轴度要求也非常高,选定同轴度为0.05;同时定子与转子之间设计有黄油润滑,定子上设有6个黄油嘴,导向套槽的中间设计一个,共两个,密封槽与密封槽之间的中间设计一个,共4个,这样既润滑了定子与转子接触表面也润滑了密封与转子接触表面以及导向套的内表面.

（2）转子装置最重要的是材料选定,转子在施钻过程中传递大扭矩,传递高冲击能量,其选材非常重要.在钻注一体化改造过程中,和多家合作厂家探讨最后决定选用Atlascopco 厂家生产的T51钎尾进行加工改造,改造过程中最重要的是材质不能退火.转子后端和定子上的后端盖的配合是间隙配合,越大越好便于安装,间隙配合选定基轴制为C11/h11.

（3）密封件选定,密封件的性能直接关系到钻孔注浆的好坏.注浆时压力较大终孔压力有时达到8Mpa,浆液具有一定的化学性质，而且注浆过程中钻杆不停转动对定子有较大扰动影响.所以密封件要求有：耐高压、耐摩、耐化学性。经过对市场的调查最后确定德国德氏封密封件型号为MA21完全能满足要求。

（4）导向套的主要作用是导向和保护定子转子，由于导向套与转子有相对摩擦，既有轴向摩擦也有径向摩擦，要保护定子与转子，固其选材也十分重要，经过多轮讨论最后确定材料为锡青铜（ZCuSn5Pb5Zn)。导向套外表面有一圈进油槽，为黄油进油输油槽，内表面有三道轴向出油槽，不是全通，一端是封闭的，具体铜套结构见附图。

Claims (7)

1.一种液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，其特征在于：为连接于钻机（1）与钻杆（2）之间的进浆进水转换装置（3），进浆进水转换装置（3），包括：转子（3.1）、定子（3.2）、进水进气系统、进浆液系统和支撑座架（4），径向转动的转子（3.1）穿过定子（3.2）与钻机（1）的钎尾相连，转子（3.1）的另一端与钻杆（2）相连；所述进水进气系统由转子的进水进气通道（3.4）与钻机的钎尾出水出气通道连通，转子的进水进气通道（3.4）另一端通过定子上的出水、气口（3.5），经管道、进水进气球阀（3.6）与进浆液系统的三通接头（3.7）连通；所述进浆液系统由浆液源管道通过进浆液球阀（3.8）与三通接头（3.7）的一端接头连通，三通接头（3.7）的另一端接头通过管道、定子上的进浆、液、气口（3.9）与连接钻杆的转子内的输出浆、液、气通道（3.10）连通；所述定子（3.2）固定在支撑架座（4）上，支撑架座（4）与钻机（1）相连，定子（3.2）随钻机在推进梁上做轴向运动。

2.根据权利要求1所述的一种液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，其特征在于：所述转子（3.1）内由进水进气通道通（3.4）过中间的隔离密封装置（3.11）连接的输出浆、液、气通道（3.10）构成，进水进气通道（3.4）的出口端与定子上出水出气口（3.5）位置连通的出口内环槽（3.12）对应；输出浆、液、气通道（3.10）的进口端与定子上进浆、水、气口（3.9）位置连通的进口内环槽（3.13）对应。

3.根据权利要求1所述的一种液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，其特征在于：所述转子上的隔离密封装置（3.11）为八道密封，包括：前4道密封进浆、进水、进气，后4道密封出水、出气；所述密封装置（3.11）与转子（3.1）是过盈配合，密封装置采用耐高压、耐摩、耐化学性的密封件。

4.根据权利要求1所述的一种液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，其特征在于：所述定子内前后端的导向套槽内分别设置有套在转子上的两个导向套（3.14），定子内设置有与定子外出水出气口（3.5）位置对应连通的一道出口内环槽（3.12）；定子内设置有与定子外进浆、水、气口（3.9）位置对应连通的一道进口内环槽（3.13）；进口内环槽（3.12）与出口内环槽（3.13）之间设置有与转子上密封装置（3.11）对的若干道密封槽；定子外设置有润滑密封装置与转子之间和润滑铜套与转子之间接触面的对应黄油嘴（3.3）；定子（3.2）采用灰铸铁HT250材料；定子后端设了一道吸收转子和定子轴向位移产生能量的缓冲圈；转子后端与定子上的后端盖的配合是间隙配合,间隙配合选定基轴制机械零件之间的公差配合C11/h11。

5.根据权利要求1所述的一种液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，其特征在于：所述定子两端的导向套（3.14）外表面设置有一圈进油槽，进油槽为黄油进油输油槽，导向套（3.14）内表面设置有三道轴向出油槽，一端是封闭的；导向套内表面与转子外表面之间是间隙配合，导向套与定子是过盈配合。

6.根据权利要求1所述的一种液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，其特征在于：所述导向套（3.14）采用润滑密封的铜套；铜套材料为锡青铜ZCuSn5Pb5Zn；铜套的径向设置一颗用于紧定铜套的紧钉螺钉；导向套与转子为相对摩擦，铜套既有与转子轴向摩擦，也有与转子径向摩擦。

7.根据权利要求1所述的一种液压凿岩台车浆、液、气的转换装置，其特征在于：所述支撑架座（4）中部设置有固定定子的支撑架（4.1），所述支撑架（4.1）的两侧设置有与钻机（1）固定的连接架（4.2），支撑架座（4）随钻机（1）轴做向运动。

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