一种煤矿井下水力冲击短节的制作方法

1.本发明属于钻具技术领域，涉及一种煤矿井下水力冲击短节。


背景技术：

2.冲击回转钻进技术是解决硬岩地层钻进难题最有效的技术，液动冲击装置(以下简称液动锤)作为冲击回转钻进钻具的重要部件，液动锤依靠高压水作为工作介质驱动，而冲击能量的产生则依赖于活塞前后压力差产生高频的冲击力，活塞密封面的金属密封是压差产生的关键，然而，活塞密封面因其长期处于高压水冲击和高温环境下，磨损非常严重，当活塞密封面磨损到一定程度时，其前后压力差将不足以为活塞提供足够的冲击力，此时则认为液动锤失效。
3.为了提高液动锤的使用寿命，通过改进结构设计、采用淬火及氮化等热处理工艺等途径提高活塞的耐磨性，取得了一定的效果。但是，在煤矿钻孔施工中钻井液直接采用地下水，地下水中含有腐蚀物质和微小颗粒，在冲击、腐蚀和磨粒环境下磨损非常严重，活塞密封面很快失效，导致液动锤的冲击力下降，因此，在煤矿巷道环境下，依靠活塞密封两端高压水形成冲击力的液动锤使用寿命难以提高。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术的目的在于提供一种煤矿井下水力冲击短节，以解决现有液动锤在煤矿井下使用寿命短的问题。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种煤矿井下水力冲击短节，包括外管，外管内设有与其同轴的内管，且外管与内管之间设有流体流道以输送钻井液；内管内设有冲击机构以冲击钻头，冲击机构包括传动轴，传动轴一端连接有螺杆马达以驱动其转动，另一端穿过位于内管顶部且与外管固定连接的端盖与位于端盖下方的凸轮机构连接；凸轮机构包括圆柱凸轮和设置在圆柱凸轮外侧的驱动活塞，圆柱凸轮的周向设有与设置在驱动活塞内侧的凸起结构匹配的导向槽以形成凸轮传动驱动驱动活塞沿内管轴向作直线往复运动；驱动活塞与位于其下方且与内管滑动连接的驱动盘连接；驱动盘、驱动活塞、内管围成第一密封腔；驱动盘下方设有冲击活塞，冲击活塞、驱动盘、内管围成第二密封腔；冲击活塞下方设有冲头以冲击位于冲头下方的钻头；冲头包括自上而下顺次设置的上段、中段和下段；上段穿过并伸出设置在内管底部且与外管固定连接的冲击堵头，且伸出端套设有复位弹簧；中段的外径大于上段和下段的外径，且中段与外管滑动连接；驱动盘与驱动活塞之间、冲击活塞与冲击堵头之间均设有压力平衡孔，以使驱动盘与驱动活塞之间的空间和冲击活塞与冲击堵头之间的空间联通。
7.可选地，冲头的下方设有限位装置以防止空打，限位装置包括固定在外管内侧的限位缓冲垫和/或套设在冲头下段的阻力弹簧，阻力弹簧支撑在位于其下方的弹簧支撑座上，弹簧支撑座固定在外管上。
8.可选地，传动轴与圆柱凸轮浮动连接，传动轴通过位于端盖下方的传动轴台阶面
和位于端盖上方且与传动轴螺纹连接的轴固定环限制其轴向移动；传动轴与圆柱凸轮之间通过花键连接，圆柱凸轮通过套设在传动轴的花键压盖限定其轴向位置，花键压盖与传动轴滑动连接，花键压盖的内孔小于传动轴端部的花键外径，花键压盖通过螺纹与圆柱凸轮固定连接。
9.可选地，驱动活塞通过浮动连接结构与设置在其下方的驱动盘浮动连接，浮动连接结构为球面浮动连接结构，浮动连接结构包括通过球面连接的连接杆和球头连接杆，连接杆的另一端与驱动活塞固定连接，球头连接杆的另一端与驱动盘固定连接。
10.可选地，驱动活塞与内管之间通过花键联接。
11.可选地，端盖、内管、冲击堵头周向设有平行于轴向的多条凹槽，且端盖、内管、冲击堵头之间的凹槽联通以形成流体流道。
12.可选地，内管包括呈上下设置的上内管和下内管，上内管的顶部与端盖相接，上内管和下内管的相接位置不低于驱动盘的上极限位置，下内管的底端与冲击堵头相接；下内管的内部设有滑筒，滑筒通过分别设置在其上下两端的上内管和冲击堵头限位。
13.可选地，驱动盘、冲击活塞与内管之间均设有密封圈，以在驱动盘与冲击活塞之间形成密封空间。
14.可选地，凸起结构为圆柱型。
15.可选地，端盖、冲击堵头与外管之间为可拆卸连接。
16.本发明的有益效果在于：将现有成熟的螺杆马达的旋转运动转变为往复直线冲击运动，规避了液动锤高压密封的技术难题，对水质没有苛刻的要求，适用于煤矿井下冲击回转钻进。
17.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
18.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：
19.图1为本发明一种煤矿井下水力冲击短节的结构示意图；
20.图2为凸轮机构的结构示意图；
21.图3为图1的a-a剖视图；
22.图4为凸轮机构的运动轨迹图。
23.图示标记：传动轴1、花键压盖2、圆柱凸轮3、驱动活塞4、连接杆5、球头连接杆6、冲击活塞7、复位弹簧8、冲头9、阻力弹簧10、弹簧支撑座11、半圆卡12、钻头13、下外管14、钻头压套15、限位缓冲垫16、冲击堵头17、滑筒18、下内管19、驱动盘20、压力平衡孔21、流体流道22、上外管23、上内管24、端盖25、轴固定环26、导向槽301、凸起结构401。
具体实施方式
24.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。
25.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。
26.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。
27.参阅图1～图4，一种煤矿井下水力冲击短节，包括外管，外管内设有与其同轴的内管，且外管与内管之间设有流体流道22以输送钻井液；内管内设有冲击机构以冲击钻头13，冲击机构包括传动轴1，传动轴1一端连接有螺杆马达以驱动其转动，另一端穿过位于内管顶部且与外管固定连接的端盖25与位于端盖25下方的凸轮机构连接；凸轮机构包括圆柱凸轮3和设置在圆柱凸轮3外侧的驱动活塞4，圆柱凸轮3的周向设有与设置在驱动活塞4内侧的凸起结构401匹配的导向槽301以形成凸轮传动驱动驱动活塞4沿内管轴向作直线往复运动；驱动活塞4与位于其下方且与内管滑动连接的驱动盘20连接；驱动盘20、驱动活塞4、内管围成第一密封腔；驱动盘20下方设有冲击活塞7，冲击活塞7、驱动盘20、内管围成第二密封腔；冲击活塞7下方设有冲头9以冲击位于冲头9下方的钻头13；冲头9包括自上而下顺次设置的上段、中段和下段；上段穿过并伸出设置在内管底部且与外管固定连接的冲击堵头17，且伸出端套设有复位弹簧8；中段的外径大于上段和下段的外径，且中段与外管滑动连接；驱动盘20与驱动活塞4之间、冲击活塞7与冲击堵头17之间均设有压力平衡孔21，以使驱动盘20与驱动活塞4之间的空间和冲击活塞7与冲击堵头17之间的空间联通。驱动盘20、冲击活塞7与内管之间均设有密封圈，以在驱动盘20与冲击活塞7之间形成密封空间。
28.煤矿井下钻孔已经大量使用螺杆马达，螺杆马达钻孔进尺高达上万米，螺杆马达的使用寿命和对水质的要求完全满足煤矿钻孔施工的要求，为我们解决液动锤的密封失效问题提供了新思路，由于螺杆马达只能提供旋转运功，因此需要将螺杆马达的旋转运动转变为直线往复冲击运动。本发明通过设置凸轮机构实现了将螺杆马达的旋转运动转变为直线往复运动的功能，规避了活塞的高压密封结构，因此，使得煤矿井下用水水质问题不再是煤矿井下冲击回转钻进技术限制，解决了现有液动锤在煤矿井下使用寿命短的难题，使得本发明在煤矿领域具有广阔的工程应用前景。
29.为了防止空打，本发明在冲头9的下方设置限位装置以防止空打，限位装置包括固定在外管内侧的限位缓冲垫16和/或套设在冲头下段的阻力弹簧10，阻力弹簧10支撑在位于其下方的弹簧支撑座11上，弹簧支撑座11固定在外管上。
30.为了解决输入端不同心的问题，本发明的传动轴1与圆柱凸轮3之间采用浮动连接。传动轴1通过位于端盖25下方的传动轴1台阶面和位于端盖25上方且与传动轴1螺纹连接的轴固定环26限制其轴向移动；传动轴1与圆柱凸轮3之间通过花键连接，圆柱凸轮3通过套设在传动轴1的花键压盖2限定其轴向位置，花键压盖2与传动轴1滑动连接，花键压盖2的内孔小于传动轴1端部的花键外径，花键压盖2通过螺纹与圆柱凸轮3固定连接。
31.为了解决输出端不同心的问题，本发明的驱动活塞4与驱动盘20采用浮动连接。驱动活塞4通过浮动连接结构与设置在其下方的驱动盘20浮动连接，浮动连接结构为球面浮动连接结构，浮动连接结构包括通过球面连接的连接杆5和球头连接杆65，连接杆5的另一端与驱动活塞4固定连接，球头连接杆65的另一端与驱动盘20固定连接。
32.为了改善驱动活塞4的受力，本发明的驱动活塞4与内管之间通过花键联接。此种连接结构能够使圆柱凸轮3的导向槽301通过凸起结构401对驱动活塞4施加的径向上的力被驱动活塞4与上内管24之间的键槽抵消，因此使得驱动活塞4只受轴向上的分力。
33.本发明的流体流道22可通过如下方式形成：在端盖25、内管、冲击堵头17周向设置平行于轴向的多条凹槽，并使端盖25、内管、冲击堵头17之间的凹槽联通以形成流体流道22。
34.为了便于装配制造，本发明将内管和外管设为分体结构。内管包括呈上下设置的上内管24和下内管19，上内管24的顶部与端盖25相接，上内管24和下内管19的相接位置不低于驱动盘20的上极限位置，下内管19的底端与冲击堵头17相接；下内管19的内部设有滑筒18，滑筒18通过分别设置在其上下两端的上内管24和冲击堵头17限位。外管包括呈上下设置的上外管23和下外管14。
35.本发明的凸起结构401优选圆柱型，端盖25、冲击堵头17与外管之间的连接方式优选可拆卸连接，例如螺纹连接。
36.实施例
37.一种煤矿井下水力冲击短节，采用分层设计，在内管中设置冲击机构，在内管外周设置流体流道22，图1～4所示，图中示出了传动轴1、花键压盖2、圆柱凸轮3、驱动活塞4、连接杆5、球头连接杆6、冲击活塞7、复位弹簧8、冲头9、阻力弹簧10、弹簧支撑座11、半圆卡12、钻头13、下外管14、钻头压套15、限位缓冲垫16、冲击堵头17、滑筒18、下内管19、驱动盘20、压力平衡孔21、流体流道22、上外管23、上内管24、端盖25、轴固定环26、导向槽301、凸起结构401。在端盖25、上内管24、下内管19、冲击堵头17的外表面上设有多道凹槽，端盖25、上内管24、下内管19、冲击堵头17嵌入上外管23内，上下凹槽互相联通形成流体流道22。在圆柱凸轮3外表面上设置一圈导向槽，导向槽分为冲击行程-过渡段-回程-过渡段，在圆柱凸轮3周向设置驱动活塞4，驱动活塞4内表面径向方向设有凸起结构401，凸起结构401嵌入圆柱凸轮3的导向槽内部以形成凸轮传动。驱动活塞4与上内管24通过花键连接，驱动活塞4只能轴向运动。驱动活塞4通过球面浮动连接结构与驱动盘20浮动连接，可防止驱动盘20与驱动活塞4不同心导致卡死。驱动盘20外表面设有密封圈，冲击活塞7外表面设有密封圈，驱动盘20与冲击活塞7之间形成密封空间，密封空间内充有一定压力的可压缩气体，压缩气体可储存冲击活塞7的动能。冲头9下方设有阻力弹簧10和限位缓冲垫16。驱动盘20与驱动活塞4之间和冲击活塞7与冲击堵头17之间均设有压力平衡孔21，压力平衡孔21使驱动盘20与驱动活塞4之间的空间和冲击活塞7与冲击堵头17之间的空间保持联通。
38.工作原理为：传动轴1与螺杆马达连接，螺杆马达带动传动轴1旋转，传动轴1带动圆柱凸轮3旋转。圆柱凸轮3的导向槽301通过凸起结构401对驱动活塞4施加轴向和径向上的分力，径向上的力被驱动活塞4与上内管24之间的键槽抵消，因此驱动活塞4只受轴向上的分力，驱动活塞4根据圆柱凸轮3的导向槽301的轮廓做直线往复运动。钻井液经过上盖24、上内管24、下内管19、冲击堵头17与上外管23之间的流体流道22到达钻头13实现钻井液的循环。
39.冲击碎岩过程：下面结合图4和图1对冲击碎岩的过程进行描述，钻头13抵住岩石，钻头13收缩至上极限位置，钻头13与冲头9相抵，以图4的零点作为圆柱凸轮3旋转起始位置，圆柱凸轮3旋转带动驱动活塞4向下运动，驱动活塞4带动驱动盘20向下运动，驱动盘20压缩密闭空间的气体，气体压强增加推动冲击活塞7向下运动，圆柱凸轮3进入过渡段，冲击行程结束位置冲击活塞7刚好接触冲头9，冲击力传递到岩石，冲击活塞7速度迅速降到零，圆柱凸轮3进入回程段后，驱动活塞4带动驱动盘20向上运动，驱动盘20上方的气体通过压力平衡孔21进入冲击活塞7下方，冲击活塞7在气体压力和复位弹簧8的共同作用下向上运动，圆柱凸轮3进入过渡段，驱动盘20短暂停止运动，冲击活塞4动能转换为驱动盘20和驱动活塞4之间的气体压强能量进行储存，圆柱凸轮3完成过渡段后进入下一个周期。
40.防空打功能：下面结合图4对防空打功能进行描述，钻头13未与岩石相抵，钻头13未与冲头9相抵，以图4的零点作为圆柱凸轮3旋转起始位置，圆柱凸轮3旋转，驱动活塞4带动驱动盘20向下运动，驱动盘20压缩密闭空间的气体，气体压强增加推动冲击活塞7向下运动，冲击行程结束位置冲击活塞7刚好接触冲头9，圆柱凸轮3进入过渡段，驱动盘20短暂停止运动，冲击活塞7和冲头9在阻力弹簧10作用下，减速向下运功，最后冲头9接触限位缓冲垫16，冲击活塞7和冲头9减速为零，圆柱凸轮3进入回程段，驱动活塞4带动驱动盘20向上运动，驱动盘20上方的气体通过压力平衡孔21进入冲击活塞7下方，冲击活塞7在气体压力和复位弹簧8的共同作用下向上运动，圆柱凸轮3进入过渡段，驱动盘20短暂停止运动，冲击活塞7动能转换为驱动盘20和冲击活塞7之间的气体压强能量进行储存，圆柱凸轮进入下一个周期。
41.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。

技术特征：
1.一种煤矿井下水力冲击短节，其特征在于：包括外管，外管内设有与其同轴的内管，且外管与内管之间设有流体流道(22)以输送钻井液；内管内设有冲击机构以冲击钻头(13)，冲击机构包括传动轴(1)，传动轴(1)一端连接有螺杆马达以驱动其转动，另一端穿过位于内管顶部且与外管固定连接的端盖(25)与位于端盖(25)下方的凸轮机构连接；凸轮机构包括圆柱凸轮(3)和设置在圆柱凸轮(3)外侧的驱动活塞(4)，圆柱凸轮(3)的周向设有与设置在驱动活塞(4)内侧的凸起结构(401)匹配的导向槽(301)以形成凸轮传动驱动驱动活塞(4)沿内管轴向作直线往复运动；驱动活塞(4)与位于其下方且与内管滑动连接的驱动盘(20)连接；驱动盘(20)、驱动活塞(4)、内管围成第一密封腔；驱动盘(20)下方设有冲击活塞(7)，冲击活塞(7)、驱动盘(20)、内管围成第二密封腔；冲击活塞(7)下方设有冲头(9)以冲击位于冲头(9)下方的钻头(13)；冲头(9)包括自上而下顺次设置的上段、中段和下段；上段穿过并伸出设置在内管底部且与外管固定连接的冲击堵头(17)，且伸出端套设有复位弹簧(8)；中段的外径大于上段和下段的外径，且中段与外管滑动连接；驱动盘(20)与驱动活塞(4)之间、冲击活塞(7)与冲击堵头(17)之间均设有压力平衡孔(21)，以使驱动盘(20)与驱动活塞(4)之间的空间和冲击活塞(7)与冲击堵头(17)之间的空间联通。2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下水力冲击短节，其特征在于：冲头(9)的下方设有限位装置以防止空打，限位装置包括固定在外管内侧的限位缓冲垫(16)和/或套设在冲头下段的阻力弹簧(10)，阻力弹簧(10)支撑在位于其下方的弹簧支撑座(11)上，弹簧支撑座(11)固定在外管上。3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下水力冲击短节，其特征在于：传动轴(1)与圆柱凸轮(3)浮动连接，传动轴(1)通过位于端盖(25)下方的传动轴台阶面和位于端盖(25)上方且与传动轴(1)螺纹连接的轴固定环(26)限制其轴向移动；传动轴(1)与圆柱凸轮(3)之间通过花键连接，圆柱凸轮(3)通过套设在传动轴(1)的花键压盖(2)限定其轴向位置，花键压盖(2)与传动轴(1)滑动连接，花键压盖(2)的内孔小于传动轴(1)端部的花键外径，花键压盖(2)通过螺纹与圆柱凸轮(3)固定连接。4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下水力冲击短节，其特征在于：驱动活塞(4)通过浮动连接结构与设置在其下方的驱动盘(20)浮动连接，浮动连接结构为球面浮动连接结构，浮动连接结构包括通过球面连接的连接杆(5)和球头连接杆(6)，连接杆(5)的另一端与驱动活塞(4)固定连接，球头连接杆(6)的另一端与驱动盘(20)固定连接。5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下水力冲击短节，其特征在于：驱动活塞(4)与内管之间通过花键联接。6.根据权利要求1所述的一种煤矿井下水力冲击短节，其特征在于：端盖(25)、内管、冲击堵头(17)周向设有平行于轴向的多条凹槽，且端盖(25)、内管、冲击堵头(17)之间的凹槽联通以形成流体流道(22)。7.根据权利要求1所述的一种煤矿井下水力冲击短节，其特征在于：内管包括呈上下设置的上内管(24)和下内管(19)，上内管(24)的顶部与端盖(25)相接，上内管(24)和下内管(19)的相接位置不低于驱动盘(20)的上极限位置，下内管(19)的底端与冲击堵头(17)相接；下内管(19)的内部设有滑筒(18)，滑筒(18)通过分别设置在其上下两端的上内管(24)和冲击堵头(17)限位。8.根据权利要求1所述的一种煤矿井下水力冲击短节，其特征在于：驱动盘(20)、冲击
活塞(7)与内管之间均设有密封圈，以在驱动盘(20)与冲击活塞(7)之间形成密封空间。9.根据权利要求1所述的一种煤矿井下水力冲击短节，其特征在于：凸起结构(401)为圆柱型。10.根据权利要求1所述的一种煤矿井下水力冲击短节，其特征在于：端盖(25)、冲击堵头(17)与外管之间为可拆卸连接。

技术总结
本发明涉及一种煤矿井下水力冲击短节，属于钻具技术领域，包括外管，外管内设有与其同轴的内管，外管与内管之间设有流体流道；内管内设有冲击机构，冲击机构包括传动轴，传动轴一端连接有螺杆马达，另一端与凸轮机构连接；凸轮机构包括圆柱凸轮和设置在圆柱凸轮外侧的驱动活塞，圆柱凸轮的周向设有与设置在驱动活塞内侧的凸起结构匹配的导向槽以驱动驱动活塞沿内管轴向作直线往复运动；驱动活塞与位于其下方的驱动盘连接；驱动盘下方设有冲击活塞，冲击活塞下方设有冲头以冲击钻头。本发明通过将现有成熟的螺杆马达的旋转运动转变为往复直线冲击运动，规避了液动锤高压密封的技术难题，对水质没有苛刻的要求，适于煤矿井下冲击回转钻进。冲击回转钻进。冲击回转钻进。


技术研发人员：张俞 舒将军 赵志强 梅安平 刘莉 康彦东 孔伟 陈果 叶强波 肖丽辉
受保护的技术使用者：中煤科工集团重庆研究院有限公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/13