一种卡爪式送水器及其施工方法与流程

本发明属于煤矿井下送水器的技术领域，具体涉及一种卡爪式送水器及其施工方法。

背景技术：

在煤矿井下钻探作业过程中，需要送水器向钻杆内部输送高压冲洗介质排渣或驱动孔底动力马达。在现有技术中，送水器不能与钻杆实现快速连接，需通过频繁装卸送水器来加装钻杆，完成钻孔施工、处理卡埋钻事故等操作。目前，装卸送水器需要配备专人手动操作，工人劳动强度大，效率低。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种卡爪式送水器及其施工方法，克服目前送水器与钻杆之间的装卸效率低，造成钻进效率低等缺陷。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种卡爪式送水器，包括从内到外同轴依次布设的芯轴、轴承和轴承套筒，在芯轴的侧壁上安装有高压水接口；还包括同轴紧密套装在芯轴内并能轴向移动的一端封闭且另一端开口的传力空心轴；所述高压水接口密封连通传力空心轴；

在传力空心轴的封闭端设有能通过旋转顶推传力空心轴的旋转手柄，在传力空心轴的开口端沿轴向依次设有与传力空心轴同轴并能随传力空心轴轴向移动的环形活塞和用于装卸钻杆的卡爪；所述卡爪包括一端连接环形活塞的筒形部，在筒形部的另一端为沿筒形部的周向依次间隔布设的弧形的弹性爪片，弹性爪片的端部为爪片楔形面；

在所述卡爪外壁紧密同轴套装有卡爪套筒，所述卡爪套筒的一端通过同轴的活塞缸筒固定连接在轴承套筒的端部；卡爪套筒的另一端的内壁为与所述爪片楔形面配合的楔形内壁，在爪片楔形面与楔形内壁之间设有能在卡爪轴向移动时紧压弹性爪片并使各弹性爪片收紧的滚珠。

本发明还包括如下技术特征：

可选地，所述芯轴靠近环形活塞的开口端部为垂直于芯轴轴向的环形边缘；

所述环形边缘紧贴轴承套筒内壁，且在轴承套筒内壁设有紧贴环形边缘端部的环形限位台，用以对芯轴进行轴向限位；所述环形边缘、传力空心轴和环形活塞围成了密封的环形活塞腔，所述环形活塞腔与所述传力空心轴密封连通；所述环形活塞腔用以填充高压水，通过高压水对环形活塞施加轴向推力，进一步推动卡爪锁紧钻杆；

所述轴承和环形活塞腔分别位于所述环形边缘的两侧，在轴承和环形边缘之间设有轴承垫圈。

可选地，所述传力空心轴的封闭端的外部为圆台结构，所述旋转手柄靠近传力空心轴的一端为梯形结构的梯形端，当旋转手柄位于传力空心轴的中心轴线时，梯形端的下底与封闭端的圆台结构的上底面平齐；

所述芯轴靠近旋转手柄的开口端部设有两个相对的安装夹板，所述梯形端通过铰接轴铰接在两个安装夹板之间；

在旋转手柄上设有可按压的定位滚珠，在两个安装夹板相对的安装夹板内壁上设有能与所述定位滚珠配合的滚珠凹槽，所述定位滚珠和滚珠凹槽到铰接轴的距离相等；用以使旋转手柄旋转后，定位滚珠能限位至滚珠凹槽内，从而使梯形端的下底所在的角能顶推传力空心轴的封闭端至传力空心轴轴向移动。

可选地，所述传力空心轴的封闭端的边缘与所述安装夹板之间设有堵环，所述堵环外壁与芯轴端部内壁之间通过螺纹连接，用以对传力空心轴的轴向移动进行限位，防止传力空心轴向旋转手柄移动时，继续顶推已经复位的旋转手柄。

可选地，所述环形活塞包括通过环形台连接的同轴的活塞内环和活塞外环，还包括固定在活塞外环端部且平行于环形活塞轴向的多个活塞推杆，多个活塞推杆沿活塞外环周向布设；所述活塞内环的一端边缘与传力空心轴的端部边缘相对，活塞外环紧贴轴承套筒的内壁；

所述活塞缸筒包括通过环形板连接的缸筒内筒和缸筒外筒，所述缸筒外筒的一端内壁与轴承套筒的端部外壁之间通过螺纹紧固，缸筒外筒的另一端外壁与卡爪套筒的端部内壁之间通过螺纹紧固；

所述缸筒内筒的端部与活塞内环的端部之间有间隙，用以使环形活塞能轴向移动，缸筒内筒的外壁与所述环形台的内壁之间紧密接触；

所述环形台与环形板之间设有同轴的弹簧，用以对传力空心轴的复位提供推力；

所述活塞推杆贯穿所述环形板并固定连接所述卡爪，用以通过环形活塞带动卡爪轴向移动。

可选地，所述轴承套筒靠近旋转手柄的一端与芯轴外壁之间设有轴承挡圈，用以对轴承进行轴向限位；

所述轴承挡圈通过固定销与轴承套筒固定连接；

所述轴承有两个，两个轴承紧贴芯轴并沿芯轴的轴向布设，两个轴承之间设有紧贴芯轴外壁的环形挡环，用以对两个轴承进行轴向定位。

可选地，在传力空心轴和芯轴之间、轴承挡圈与芯轴之间、轴承垫圈和环形边缘之间、环形边缘和轴承套筒之间、环形活塞和轴承套筒之间、环形活塞和活塞缸筒之间、卡爪的筒形部内壁之间均设有密封圈，用以实现密封作用；

所述轴承垫圈和环形边缘之间填充有格莱圈，用以实现密封作用。

本发明还提供了一种卡爪式送水器的施工方法包括以下步骤：

步骤一：安装转动旋转手柄，使定位滚珠卡入滚珠凹槽中，此时旋转手柄垂直于传力空心轴；

步骤二：旋转手柄的梯形端顶推传力空心轴向移动，传力空心轴推动环形活塞轴向移动，并使位于环形活塞和活塞缸筒之间的弹簧收缩，环形活塞推动卡爪轴向移动，位于爪片楔形面与楔形内壁之间的滚珠紧压弹性爪片使弹性爪片紧固同轴套在卡爪内的钻杆；

步骤三：在高压水接口通入高压水，高压水进入环形活塞腔，通过环形活塞腔内的高压水对环形活塞施加轴向推力，进一步增加卡爪的夹紧力用以锁紧钻杆，从而实现对钻杆的双重锁定后，完成钻杆的安装，钻杆开始工作；

步骤四：当钻杆停止工作后，停止通入高压水，转动旋转手柄，使旋转手柄复位到传力空心轴的中心轴向位置，梯形端不再顶推传力空心轴，在弹簧作用下，环形活塞带动卡爪并且推动传力空心轴均向旋转手柄方向移动并复位，弹性爪片松开钻杆，完成送水器和钻杆的拆卸。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(ⅰ)本发明能实现卡爪与钻杆之间的瞬间密封连接，也方便卡爪与钻杆之间的拆卸，体积小、耐高压、操作简单和可靠性高，能有效提高钻进效率，降低劳动强度。

(ⅱ)本发明中的旋转手柄的梯形端顶推传力空心轴向移动，传力空心轴推动环形活塞轴向移动，并使位于环形活塞和活塞缸筒之间的弹簧收缩，环形活塞推动卡爪轴向移动，位于爪片楔形面与楔形内壁之间的滚珠紧压弹性爪片使弹性爪片紧固同轴套在卡爪内的钻杆。本发明易可应用到通缆送水器和其他类似装置上，同时，该结构便于实现送水器与钻杆自动化实现瞬间密封连接，便于进一步实现煤矿井下“自动化”、“无人化”钻进。

(ⅲ)本发明中，在高压水接口通入高压水，高压水进入环形活塞腔，通过环形活塞腔内的高压水对环形活塞施加轴向推力，进一步增加卡爪的夹紧力用以锁紧钻杆，从而实现对钻杆的双重锁定后，完成钻杆的安装。

(ⅳ)本发明中，当钻杆停止工作后，停止通入高压水，转动旋转手柄，使旋转手柄复位到传力空心轴的中心轴向位置，梯形端不再顶推传力空心轴，在弹簧作用下，环形活塞带动卡爪并且推动传力空心轴均向旋转手柄方向移动并复位，弹性爪片松开钻杆，完成送水器和钻杆的拆卸。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的卡爪结构示意图。

图3为本发明的环形活塞结构示意图。

图中各标号表示为：1-芯轴，2-轴承，3-轴承套筒，4-高压水接口，5-传力空心轴，6-旋转手柄，7-环形活塞，8-钻杆，9-卡爪，10-卡爪套筒，11-活塞缸筒，12-滚珠，13-环形活塞腔，14-轴承垫圈，15-安装夹板，16-定位滚珠，17-滚珠凹槽，18-堵环，19-弹簧，20-轴承挡圈，21-环形挡环，22-格莱圈；

(7-1)-活塞内环，(7-2)-环形台，(7-3)-活塞外环，(7-4)-活塞推杆；

(9-1)-筒形部，(9-2)-弹性爪片；

(11-1)-缸筒内筒，(11-2)-环形板，(11-3)-缸筒外筒。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

如图1至3所示，本实施例提供一种卡爪式送水器，包括从内到外同轴依次布设的芯轴1、轴承2和轴承套筒3，在芯轴1的侧壁上安装有高压水接口4；还包括同轴紧密套装在芯轴1内并能轴向移动的一端封闭且另一端开口的传力空心轴5；高压水接口4密封连通传力空心轴5，用以对传力空心轴5内通高压水；在传力空心轴5的封闭端设有能通过旋转顶推传力空心轴5的旋转手柄6，在传力空心轴5的开口端沿轴向依次设有与传力空心轴5同轴并能随传力空心轴5轴向移动的环形活塞7和用于装卸钻杆8的卡爪9；卡爪9包括一端连接环形活塞7的筒形部9-1，在筒形部9-1的另一端为沿筒形部9-1的周向依次间隔布设的弧形的弹性爪片9-2，弹性爪片9-2的端部为爪片楔形面；在卡爪9外壁紧密同轴套装有卡爪套筒10，卡爪套筒10的一端通过同轴的活塞缸筒11固定连接在轴承套筒3的端部；卡爪套筒10的另一端的内壁为与爪片楔形面配合的楔形内壁，在爪片楔形面与楔形内壁之间设有能在卡爪9轴向移动时紧压弹性爪片9-2并使各弹性爪片9-2收紧的滚珠12。通过上述技术方案，能实现卡爪9与钻杆8之间的瞬间密封连接，也方便卡爪9与钻杆8之间的拆卸，体积小、耐高压、操作简单和可靠性高，能有效提高钻进效率，降低劳动强度。

本实施例中，芯轴1靠近环形活塞7的开口端部为垂直于芯轴1轴向的环形边缘；环形边缘紧贴轴承套筒3内壁，且在轴承套筒3内壁设有紧贴环形边缘端部的环形限位台，用以对芯轴1进行轴向限位；环形边缘、传力空心轴5和环形活塞7围成了密封的环形活塞腔13，环形活塞腔13与传力空心轴5密封连通；环形活塞腔13用以填充高压水，通过高压水对环形活塞7施加轴向推力，进一步推动卡爪9锁紧钻杆8；轴承2和环形活塞腔13分别位于环形边缘的两侧，在轴承2和环形边缘之间设有轴承垫圈14，用以对轴承2进行轴向定位。

传力空心轴5的封闭端的外部为圆台结构，旋转手柄6靠近传力空心轴5的一端为梯形结构的梯形端，当旋转手柄6位于传力空心轴5的中心轴线时，梯形端的下底与封闭端的圆台结构的上底面平齐；芯轴1靠近旋转手柄6的开口端部设有两个相对的安装夹板15，梯形端通过铰接轴铰接在两个安装夹板15之间；在旋转手柄6上设有可按压的定位滚珠16，在两个安装夹板15相对的安装夹板内壁上设有能与定位滚珠16配合的滚珠凹槽17，定位滚珠16和滚珠凹槽17到铰接轴的距离相等；用以使旋转手柄6旋转后，定位滚珠16能限位至滚珠凹槽17内，从而使梯形端的下底所在的角能顶推传力空心轴5的封闭端至传力空心轴5轴向移动。在本实施例中，更具体的，定位滚珠16、铰接轴与滚珠凹槽17之间呈90度角分布，从而当旋转手柄6在位于芯轴1的中心轴向时，梯形端的下底与封闭端的圆台结构的上底面平齐，此时，旋转手柄6对传力空心轴5的封闭端没有顶推力，当旋转手柄6旋转90度至定位滚珠16卡在滚珠凹槽17内时，梯形端的下底所在的角能顶推传力空心轴5的封闭端至传力空心轴5轴向移动。

更具体的，传力空心轴5的封闭端的边缘与安装夹板15之间设有堵环18，堵环18外壁与芯轴1端部内壁之间通过螺纹连接，用以对传力空心轴5的轴向移动进行限位，防止传力空心轴5向旋转手柄6移动时，继续顶推已经复位的旋转手柄6。

环形活塞7包括通过环形台7-2连接的同轴的活塞内环7-1和活塞外环7-3，还包括固定在活塞外环7-3端部且平行于环形活塞7轴向的多个活塞推杆7-4，多个活塞推杆7-4沿活塞外环7-3周向布设；活塞内环7-1的一端边缘与传力空心轴5的端部边缘相对，活塞外环7-3紧贴轴承套筒3的内壁；活塞缸筒11包括通过环形板11-2连接的缸筒内筒11-1和缸筒外筒11-3，缸筒外筒11-3的一端内壁与轴承套筒3的端部外壁之间通过螺纹紧固，缸筒外筒11-3的另一端外壁与卡爪套筒10的端部内壁之间通过螺纹紧固；缸筒内筒11-1的端部与活塞内环7-1的端部之间有间隙，用以使环形活塞7能轴向移动，缸筒内筒11-1的外壁与环形台7-2的内壁之间紧密接触；环形台7-2与环形板11-2之间设有同轴的弹簧19，用以对传力空心轴5的复位提供推力；活塞推杆7-4贯穿环形板11-2并固定连接卡爪9，用以通过环形活塞7带动卡爪9轴向移动。在本实施例中，活塞推杆7-4一共有四个，且四个活塞推杆7-4均布在活塞外环7-3的端部，通过活塞推杆7-4贯穿环形板11-2并固定连接卡爪9，实现通过环形活塞7带动卡爪9轴向移动，在其他实施例中，活塞推杆7-4的数量可以根据实际需要进行设置，同样能达到连接卡爪9的作用。

轴承套筒3靠近旋转手柄6的一端与芯轴1外壁之间设有轴承挡圈20，用以对轴承2进行轴向限位；轴承挡圈20通过固定销与轴承套筒3固定连接；轴承2有两个，两个轴承2紧贴芯轴1并沿芯轴1的轴向布设，两个轴承2之间设有紧贴芯轴1外壁的环形挡环21，用以对两个轴承2进行轴向定位。当安装好钻杆8后，钻杆8开始转动，同时，带动卡爪9、卡爪套筒10、环形活塞7、活塞缸筒11、轴承套筒3和轴承挡圈20一起转动进行工作。

在传力空心轴5和芯轴1之间、轴承挡圈20与芯轴1之间、轴承垫圈14和环形边缘之间、环形边缘和轴承套筒3之间、环形活塞7和轴承套筒3之间、环形活塞7和活塞缸筒11之间、卡爪9的筒形部9-1内壁之间均设有密封圈，用以实现密封作用；轴承垫圈14和环形边缘之间填充有格莱圈22，用以实现密封作用；具体的，在卡爪9的筒形部9-1的内壁设有用以安装密封圈的环形的密封圈安装槽。

在本实施例中，滚珠12有八个，在卡爪9外壁设有与轴向平行的滚珠移动槽，每个滚珠12对应一个滚珠槽，用以实现滚珠12的移动，更具体的，本实施例中，八个滚珠槽沿卡爪9的周向均布；在其他实施例中，滚珠12的数量根据实际需要进行设置，均能实现在滚珠12在爪片楔形面与楔形内壁之间移动时紧压弹性爪片9-2并使各弹性爪片9-2收紧。

实施例2：

本实施例还提供了一种卡爪式送水器的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：安装转动旋转手柄，使定位滚珠卡入滚珠凹槽中，此时旋转手柄垂直于传力空心轴；

步骤二：旋转手柄的梯形端顶推传力空心轴向移动，传力空心轴推动环形活塞轴向移动，并使位于环形活塞和活塞缸筒之间的弹簧收缩，环形活塞推动卡爪轴向移动，位于爪片楔形面与楔形内壁之间的滚珠紧压弹性爪片使弹性爪片紧固同轴套在卡爪内的钻杆；

步骤三：在高压水接口通入高压水，高压水进入环形活塞腔，通过环形活塞腔内的高压水对环形活塞施加轴向推力，进一步增加卡爪的夹紧力用以锁紧钻杆，从而实现对钻杆的双重锁定后，完成钻杆的安装，钻杆开始工作；

步骤四：当钻杆停止工作后，停止通入高压水，转动旋转手柄，使旋转手柄复位到传力空心轴的中心轴向位置，梯形端不再顶推传力空心轴，在弹簧作用下，环形活塞带动卡爪并且推动传力空心轴均向旋转手柄方向移动并复位，弹性爪片松开钻杆，完成送水器和钻杆的拆卸。