一種自旋轉水射流擴孔裝置的製作方法

2023-12-09 18:07:16 2

本實用新型屬於水射流刀具技術領域，尤其涉及一種自旋轉水射流擴孔裝置。

背景技術：

我國95%的煤礦和大量的陸地油氣資源需要進行地下開採，受各種複雜的煤層和巖層地質條件因素的限制，開採難度大，同時煤層中的瓦斯和巖層中油氣的主要成分是甲烷，其一般佔95%-98%左右，在開採過程中，尤其是煤礦資源的開採，災害十分嚴重，嚴重的危害著人民的生命健康。同時由於煤炭和油氣的需求高居不下，部分老煤礦不得不延長服務年限， 加大礦山的開採力度與強度，非常規油氣資源也將成為我國油氣開採的主要對象，而深度開採會面臨地應力增大，透氣性差，瓦斯和油氣釋放距離長、抽放、排空難度加大甚至是失效等多種問題。目前使用的高壓水射流旋轉鑽擴孔技術來衝破巖層，但在實際應用中仍有幾點不足：在實際情況下由於水壓過大，旋轉速度過快，使得噴出的水流霧化無法達到集中破巖的效果；由於礦下煤層環境複雜，巖層有松有軟，對於旋轉鑽頭的周向和軸向載荷具有較大的波動，對內部零件衝擊大，使得現有擴孔裝置壽命短，破巖效率低下。

鑑於上述情況，為保證實際生產中的開採安全，改善煤巖層瓦斯和石油氣釋放條件及提高鑽孔瓦斯抽放速度和效率，進一步提升瓦斯和石油氣在抽取過程中的效率，而發開出的一種高效穩定水射流擴孔裝置和擴孔技術將擁有十分可觀的發展空間和應用前景。

技術實現要素：

本實用新型為了解決現有技術中的不足之處，提供一種自旋轉水射流擴孔裝置。

為解決上述技術問題，本實用新型採用如下技術方案：一種自旋轉水射流擴孔裝置，包括具有中心通道的主軸，主軸沿軸向方向由後向前依次由一體製成的管接頭、限位擋環和空心軸構成，限位擋環的外徑大於管接頭和空心軸的外徑，空心軸上通過軸承密封組件轉動連接有套筒，套筒前端外部螺紋連接有旋轉噴頭，旋轉噴頭前端面呈前細後粗的圓錐面結構；旋轉噴頭與空心軸之間設置有動靜環密封結構；

旋轉噴頭中心設置有與中心通道前端同軸向貫通的中心噴孔，旋轉噴頭內部沿徑向方向開設有至少三個前射流導孔，每個前射流導孔的內端均與中心噴孔連通，旋轉噴頭前部外側開設有數目與前射流導孔相等的前射流孔，前射流孔的後端對應與一個前射流導孔的外端連通，前射流孔的中心線偏離中心噴孔的中心線，所有前射流孔的中心線均與中心噴孔的中心線呈10-30°的夾角；

限位擋環內部沿徑向方向開設有至少三個後射流導孔，限位擋環後部外側開設有數目與後射流導孔相等的後射流孔，後射流孔的前端對應與一個後射流導孔的外端連通，後射流孔的中心線與中心噴孔的中心線位於同一平面上，所有後射流孔的中心線均與中心通道的中心線呈10-30°的夾角。

軸承密封組件包括由後向前依次設置在套筒內壁和空心軸外壁之間的後密封端蓋、後橡膠擋圈、後圓柱滾子軸承、後限位圈、後圓錐滾子軸承、前圓錐滾子軸承、前限位圈、前圓柱滾子軸承、前橡膠擋圈以及前密封端蓋，空心軸外壁後側和前側分別開設有一個環形槽，後橡膠擋圈和前橡膠擋圈分別安裝在空心軸前側和後側的一個環形槽內，套筒內壁設有位於後圓錐滾子軸承和前圓錐滾子軸承之間的環形凸臺，後圓錐滾子軸承和前圓錐滾子軸承內的圓錐滾子的較小端均鄰近環形凸臺。

限位擋環上設置有與套筒後端面頂壓接觸的防霧化限速結構；

防霧化限速結構包括摩擦塊、調節彈簧和調節螺栓，摩擦塊呈圓柱狀結構，摩擦塊的長度大於套筒與限位擋環之間的間隙，限位擋環上開設有調節孔，調節孔的中心線與中心通道的中心線平行，調節彈簧和摩擦塊設置在調節孔內，調節螺栓由調節孔後端伸入並螺紋連接到調節孔內，調節螺栓前端通過調節彈簧與摩擦塊後端頂壓配合，摩擦塊前端與套筒後端面頂壓接觸。

動靜環密封結構包括預緊彈簧、摩擦副靜環、摩擦副動環和密封圈，空心軸的內壁前端部開設有後環形臺階槽，旋轉噴頭在中心噴孔內壁後端開設有前環形臺階槽，預緊彈簧和摩擦副靜環安裝在後環形臺階槽內，摩擦副動環安裝在前環形臺階槽內，預緊彈簧後端頂壓在後環形臺階槽的後端面上，預緊彈簧前端與摩擦副靜環後端頂壓配合，摩擦副靜環前端面與摩擦副動環後端面頂壓密封配合；空心軸內壁上開設有位於後環形臺階槽內的密封槽，密封圈安裝在密封槽內並與摩擦副靜環的外壁密封配合；

空心軸的內壁在後環形臺階槽的後端處設置有圓錐形過渡結構，圓錐形過渡結構呈後細前粗形狀，圓錐形過渡結構的前端面的直徑小於預緊彈簧的外徑且大於預緊彈簧的內徑。

採用上述技術方案，本實用新型具有以下技術效果：

1、本實用新型旨在保證工程安全實施的前提下並且高效的純射流破煤、破巖，高壓膠管與管接頭連接，來自高壓水泵的高壓射流通過高壓膠管進入到中心通道內，高壓水流一部分將進入限位擋環內的後射流導孔，並通過後射流孔向後噴出，由於後射流孔中心線與中心通道中心線位於同一平面上，這樣不會使限位擋環和主軸產生旋轉的動力，後射流孔中心線與中心通道中心線夾角在13°左右，以提供本實用新型在擴孔過程中前進時的動力，同時起到清孔作用。高壓水流的另外一部分進入到與套筒前端相連的旋轉噴頭的中心噴孔內，再由中心噴孔進入前射流導孔，並通過前射流孔向前噴出，由於前射流孔的中心線偏離中心噴孔的中心線，並且所有前射流孔的中心線均與中心噴孔的中心線呈10-30°的夾角，這樣使一部分高壓水在前射流孔中高速射出同時可以作為使動力使得旋轉噴頭和與之相連的套筒高速旋轉，形成向外噴射且具有旋轉力的水射流，進而使得這種水射流作用到地下煤層中達到切割和破煤鑽孔的目的。本實用新型的旋轉噴頭包括一個的直向的中心噴孔，其軸線與空心軸軸線重合，多個前射流孔的噴水方向成旋風狀，噴出的高壓水流所形成法向轉矩帶動旋轉噴頭和套筒繞空心軸按照一定的方向旋轉並在高壓水的作用下高速旋轉。

2、在高壓水流的作用下，擠壓旋轉噴頭，空心軸將會產生軸向移動，為保證空心軸和旋轉噴頭連接處的密封性，本實用新型中採取動靜環密封結構，預緊彈簧提供初始壓力，使摩擦副靜環前端緊壓摩擦副動環後端面，保證初始狀態的密封，隨著泵壓的增大，由於本實用新型在空心軸的內壁的後環形臺階槽的後端處設置有圓錐形過渡結構，高壓水流會壓迫預緊彈簧，增大預緊彈簧的彈力，預緊彈簧使摩擦副靜環前端進一步緊壓摩擦副動環後端面，隨著泵壓的增大，摩擦副靜環受到的壓力越大，摩擦副靜環與摩擦動靜環之間的接觸面上的壓力越大，密封能力越強，避免漏水。

3、本實用新型設置了一種具有防霧化限速結構，其旨在防止射流霧化並加強承載能力和使用壽命，以有效的提升裝置的耐久性，進而大幅度提升破巖效率。在實際工作狀態中由於水壓過大，旋轉速度過快，使得噴出的水流霧化無法達到集中破巖的效果。故根據在實際生產應用中的需求，並遵循操作簡便安全並可調速的原則，本實用新型設計出用加入摩擦塊摩擦減速的結構對套筒作減速處理：摩擦塊長度遠遠大於限位擋環與套筒之間的間隙，同時使摩擦塊緊緊貼靠於套筒後端表面。內部的摩擦塊同時由調節螺栓通過調節彈簧進行預緊，通過對調節螺栓預緊力大小的改變，從而有效的改變套筒和旋轉噴頭的旋轉速度。

4、針對礦下煤層環境複雜，巖層有松有軟，對於旋轉噴頭的周向和軸向載荷具有較大的波動，對內部零件衝擊大，使得現有擴孔裝置壽命短、破巖效率低下的問題，本實用新型本著儘量縮小擴孔裝置整體尺寸，消除主軸上零件的應力集中的實用原則，設計出合適的結構使其內部構成更加合理以增強其承載能力和使用壽命進而加提升其工作效率：在空心軸外表面設置環形槽用來安裝前橡膠擋圈和後橡膠擋圈，達到裝置內部零件的隔離減震效果。在前橡膠擋圈和後橡膠擋圈之間採用一對圓錐滾子軸承和一對圓柱滾子軸承，圓錐滾子軸承的小端與套筒內表面的環形凸臺接觸，實現對套筒的軸向定位，同時這兩種軸承、中間的前限位圈和後限位圈共同作用實現套筒的周向定位。兩種軸承的外觀尺寸都較小，有效的保證擴孔裝置內部結構的緊湊。圓柱滾子軸承的定心性強，承載能力強，外圈可以與內圈存在一定的軸向錯動，當載荷突變時內圈與外圈的錯動可以有效的避免零件的損壞。圓錐滾子軸承可以同時承受軸向和周向兩種載荷，承載能力強同時能減輕滾子軸承收到的衝擊載荷，保證軸承的定位可靠和使用壽命。

綜上所述，本實用新型結構緊湊，採用以水射流為動力兼切割刀具的方式進行鑽擴孔，使用純射流破煤、破巖擴孔技術和相應的裝置將會使我國的現代煤礦和石油氣的開採效率和安全性大幅度提升，也為我國的經濟建設和安全穩定提供了可靠的保障。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本實用新型的一種自旋轉水射流擴孔裝置，包括具有中心通道1的主軸，主軸沿軸向方向由後向前依次由一體製成的管接頭2、限位擋環3和空心軸4構成，限位擋環3的外徑大於管接頭2和空心軸4的外徑，空心軸4上通過軸承密封組件轉動連接有套筒5，套筒5前端外部螺紋連接有旋轉噴頭6，旋轉噴頭6前端面呈前細後粗的圓錐面結構；旋轉噴頭6與空心軸4之間設置有動靜環密封結構。

旋轉噴頭6中心設置有與中心通道1前端同軸向貫通的中心噴孔7，旋轉噴頭6內部沿徑向方向開設有至少三個前射流導孔8，每個前射流導孔8的內端均與中心噴孔7連通，旋轉噴頭6前部外側開設有數目與前射流導孔8相等的前射流孔9，前射流孔9的後端對應與一個前射流導孔8的外端連通，前射流孔9的中心線偏離中心噴孔7的中心線，所有前射流孔9的中心線均與中心噴孔7的中心線呈10-30°的夾角。

限位擋環3內部沿徑向方向開設有至少三個後射流導孔10，限位擋環3後部外側開設有數目與後射流導孔10相等的後射流孔11，後射流孔11的前端對應與一個後射流導孔10的外端連通，後射流孔11的中心線與中心噴孔7的中心線位於同一平面上，所有後射流孔11的中心線均與中心通道1的中心線呈10-30°的夾角。

軸承密封組件包括由後向前依次設置在套筒5內壁和空心軸4外壁之間的後密封端蓋12、後橡膠擋圈13、後圓柱滾子軸承14、後限位圈15、後圓錐滾子軸承16、前圓錐滾子軸承17、前限位圈18、前圓柱滾子軸承19、前橡膠擋圈20以及前密封端蓋21，空心軸4外壁後側和前側分別開設有一個環形槽，後橡膠擋圈13和前橡膠擋圈20分別安裝在空心軸4前側和後側的一個環形槽內，套筒5內壁設有位於後圓錐滾子軸承16和前圓錐滾子軸承17之間的環形凸臺22，後圓錐滾子軸承16和前圓錐滾子軸承17內的圓錐滾子的較小端均鄰近環形凸臺22。

限位擋環3上設置有與套筒5後端面頂壓接觸的防霧化限速結構；防霧化限速結構包括摩擦塊23、調節彈簧24和調節螺栓25，摩擦塊23呈圓柱狀結構，摩擦塊23的長度大於套筒5與限位擋環3之間的間隙，限位擋環3上開設有調節孔，調節孔的中心線與中心通道1的中心線平行，調節彈簧24和摩擦塊23設置在調節孔內，調節螺栓25由調節孔後端伸入並螺紋連接到調節孔內，調節螺栓25前端通過調節彈簧24與摩擦塊23後端頂壓配合，摩擦塊23前端與套筒5後端面頂壓接觸。

動靜環密封結構包括預緊彈簧26、摩擦副靜環27、摩擦副動環28和密封圈29，空心軸4的內壁前端部開設有後環形臺階槽，旋轉噴頭6在中心噴孔7內壁後端開設有前環形臺階槽，預緊彈簧26和摩擦副靜環27安裝在後環形臺階槽內，摩擦副動環28安裝在前環形臺階槽內，預緊彈簧26後端頂壓在後環形臺階槽的後端面上，預緊彈簧26前端與摩擦副靜環27後端頂壓配合，摩擦副靜環27前端面與摩擦副動環28後端面頂壓密封配合；空心軸4內壁上開設有位於後環形臺階槽內的密封槽，密封圈29安裝在密封槽內並與摩擦副靜環27的外壁密封配合。

空心軸4的內壁在後環形臺階槽的後端處設置有圓錐形過渡結構30，圓錐形過渡結構30呈後細前粗形狀，圓錐形過渡結構30的前端面的直徑小於預緊彈簧26的外徑且大於預緊彈簧26的內徑。

本實用新型旨在保證工程安全實施的前提下並且高效的純射流破煤、破巖，高壓膠管與管接頭2連接，來自高壓水泵的高壓射流通過高壓膠管進入到中心通道1內，高壓水流一部分將進入限位擋環3內的後射流導孔10，並通過後射流孔11向後噴出，由於後射流孔11中心線與中心通道1中心線位於同一平面上，這樣不會使限位擋環3和主軸產生旋轉的動力，後射流孔11中心線與中心通道1中心線夾角在13°左右，以提供本實用新型在擴孔過程中前進時的動力，同時起到清孔作用。高壓水流的另外一部分進入到與套筒5前端相連的旋轉噴頭6的中心噴孔7內，再由中心噴孔7進入前射流導孔8，並通過前射流孔9向前噴出，由於前射流孔9的中心線偏離中心噴孔7的中心線，並且所有前射流孔9的中心線均與中心噴孔7的中心線呈10-30°的夾角，這樣使一部分高壓水在前射流孔9中高速射出同時可以作為使動力使得旋轉噴頭6和與之相連的套筒5高速旋轉，形成向外噴射且具有旋轉力的水射流，進而使得這種水射流作用到地下煤層中達到切割和破煤鑽孔的目的。本實用新型的旋轉噴頭6包括一個的直向的中心噴孔7，其軸線與空心軸4軸線重合，多個前射流孔9的噴水方向成旋風狀，噴出的高壓水流所形成法向轉矩帶動旋轉噴頭6和套筒5繞空心軸4按照一定的方向旋轉並在高壓水的作用下高速旋轉。

在高壓水流的作用下，擠壓旋轉噴頭6，空心軸4將會產生軸向移動，為保證空心軸4和旋轉噴頭6連接處的密封性，本實用新型中採取動靜環密封結構，預緊彈簧26提供初始壓力，使摩擦副靜環27前端緊壓摩擦副動環28後端面，保證初始狀態的密封，隨著泵壓的增大，由於本實用新型在空心軸4的內壁的後環形臺階槽的後端處設置有圓錐形過渡結構30，高壓水流會壓迫預緊彈簧26，增大預緊彈簧26的彈力，預緊彈簧26使摩擦副靜環27前端進一步緊壓摩擦副動環28後端面，隨著泵壓的增大，摩擦副靜環27受到的壓力越大，摩擦副靜環27與摩擦動靜環之間的接觸面上的壓力越大，密封能力越強，避免漏水。

本實用新型設置了一種具有防霧化限速結構，其旨在防止射流霧化並加強承載能力和使用壽命，以有效的提升裝置的耐久性，進而大幅度提升破巖效率。在實際工作狀態中由於水壓過大，旋轉速度過快，使得噴出的水流霧化無法達到集中破巖的效果。故根據在實際生產應用中的需求，並遵循操作簡便安全並可調速的原則，本實用新型設計出用加入摩擦塊23摩擦減速的結構對套筒5作減速處理：摩擦塊23長度遠遠大於限位擋環3與套筒5之間的間隙，同時使摩擦塊23緊緊貼靠於套筒5後端表面。內部的摩擦塊23同時由調節螺栓25通過調節彈簧24進行預緊，通過對調節螺栓25預緊力大小的改變，從而有效的改變套筒5和旋轉噴頭6的旋轉速度。

針對礦下煤層環境複雜，巖層有松有軟，對於旋轉噴頭6的周向和軸向載荷具有較大的波動，對內部零件衝擊大，使得現有擴孔裝置壽命短、破巖效率低下的問題，本實用新型本著儘量縮小擴孔裝置整體尺寸，消除主軸上零件的應力集中的實用原則，設計出合適的結構使其內部構成更加合理以增強其承載能力和使用壽命進而加提升其工作效率：在空心軸4外表面設置環形槽用來安裝前橡膠擋圈20和後橡膠擋圈13，達到裝置內部零件的隔離減震效果。在前橡膠擋圈20和後橡膠擋圈13之間採用一對圓錐滾子軸承和一對圓柱滾子軸承，圓錐滾子軸承的小端與套筒5內表面的環形凸臺22接觸，實現對套筒5的軸向定位，同時這兩種軸承、中間的前限位圈18和後限位圈15共同作用實現套筒5的周向定位。兩種軸承的外觀尺寸都較小，有效的保證擴孔裝置內部結構的緊湊。圓柱滾子軸承的定心性強，承載能力強，外圈可以與內圈存在一定的軸向錯動，當載荷突變時內圈與外圈的錯動可以有效的避免零件的損壞。圓錐滾子軸承可以同時承受軸向和周向兩種載荷，承載能力強同時能減輕滾子軸承收到的衝擊載荷，保證軸承的定位可靠和使用壽命。

本實施例並非對本實用新型的形狀、材料、結構等作任何形式上的限制，凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬於本實用新型技術方案的保護範圍。