具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒

本发明涉及工程桩基建设设备，尤其涉及一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒。

背景技术：

1、现有的旋转钻机在桩孔的施工过程中，钻孔到一定深度会遇到岩层，旋转钻机的钻筒下端设置的刀齿或牙轮存在钻进困难的问题，并且随着桩孔的钻进，桩孔内部的泥沙和钻下来的细碎岩石会不断包覆在钻筒下端的刀齿或牙轮上，导致钻筒的刀齿或牙轮快速升温，需要高频率的将钻筒提起进行清理，不仅造成刀齿或牙轮快速磨损、消耗量大、施工成本高，还严重制约桩孔的施工效率。

2、为此，专利号为202111516180.5的中国发明专利提出了一种自适应收放水管的钻进系统，该系统在桩孔上端口的两侧设有收放管装置和牵引定位装置，钻筒在桩孔内向下钻进时，钻筒上端转动接头的外转动环向下拉收放管装置内的供水管，向下的拉力使供水管张紧并下压滚轮式压力传感器甲，通过传感器甲、电机和编码器形成闭环控制系统，使电机控制卷管盘转动放管的速度，能够自适应的与钻筒钻进速度匹配，供水管随钻筒同步上下移动，持续将水注入到转动接头内；另外，在供水管向转动接头内供水的过程中，牵引定位装置的牵引绳同样被钻筒上端转动接头的外转动环向下拉，通过牵引绳的拉力来克服外转动环随着内固定环旋转的转动力，使外转动环处于相对静止状态，保证供水管持续且安全的向转动接头内供水；该钻筒的圆筒体内侧壁安装有注水管，注水管通过夹层筒体将冷却水喷射到下端刀齿的侧壁上进行冲刷排渣和降温，用于解决前面提到的刀齿冷却的问题；但是该钻筒在钻孔的过程中，随着深度的增加，钻进对象的变化，比如从泥土到沙石的变化，需要高压水源提高更高水压来进行下部冲洗，而水压增大会造成冷却水（冷却水内也含有少量沙子）也从内固定环和外转动环的接触面渗入到旋转接头内，冷却水内的沙子会造成内固定环和外转动环之间出现严重磨损，造成密封件被破坏，导致旋转接头密封性减弱，进一步造成高压水从此处渗漏，造成下部刀齿处供水不足，影响刀齿的寿命及作业效率。在实际的钻进运行中，常规设计的内固定环和外转动环之间密封结构寿命短、密封效果差，严重影响钻筒的施工作业。此外，由于此处转动副的结合面粗糙，摩擦力变大；会造成外转动环旋转时的阻力过大，旋转不顺畅，导致地表高压供水管及其牵拉绳受到拉力变大，容易出现高压供水管缠绕的问题；因此，必须发明匹配该钻筒的新型旋转接头，来解决密封和漏水问题，进一步的保证牵引绳能够起到正常的牵引抑制转动作用。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒。

2、本发明的技术方案是：一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒，包括钻筒体、安装在钻筒体支座上的旋转接头、安装在钻筒体内部来为钻筒体下端的刀齿提供冷却水的注水管，注水管的外端与高压水源连接，旋转接头包括固定套装在钻筒体支座上的内固定环、匹配套装在内固定环上的外转动环，内固定环和外转动环之间设有转动密封结构，内固定环的侧面中间沿圆周方向设有环形槽，该环形槽和外转动环之间形成环形水腔室，外转动环的侧面中间设有与环形水腔室连通的冷却水管，内固定环的底面向上设有出水孔，出水孔和环形水腔室之间设有通孔连通，将冷却水从环形水腔室引入到出水口，然后从出水口引入到注水管内，出水孔的下端通过接头和注水管的上端连通；环形水腔室两侧的内固定环外侧面均沿圆周方向设有环形槽，该环形槽和外转动环之间形成环形气腔室，在外转动环的侧面设有与环形气腔室连通的高压进气管，从高压进气管将气体引入到环形气腔室内。

3、优选的，在环形水腔室和环形气腔室之间设有两层环绕内固定环外侧面布置的若干个凹槽，靠近环形水腔室的一层若干个凹槽内设置有若干个湿度传感器甲，靠近环形气腔室的一层若干个凹槽内设有若干个湿度传感器乙，湿度传感器甲和湿度传感器乙为结构完全相同的传感器。

4、优选的，若干个湿度传感器甲之间的间距相同，若干个湿度传感器乙之间的间距相同。

5、优选的，环形气腔室和环形水腔室之间的内固定环外侧面中部设有环形槽，该环形槽内套有密封圈甲。

6、优选的，环形气腔室和外转动环端面之间的外转动环内侧面中部设有环形槽，该环形槽内套有密封圈乙。

7、优选的，所述的冷却水管和高压进气管上分别安装有流量计。

8、优选的，所述的冷却水管外端连接高压水源供应装置，设有冷却水供应压力调整单元，所述的高压进气管外端连接高压气源供应装置，设有高压气体的供应压力调整单元，还设有控制模块，湿度传感器甲和湿度传感器乙将获取信号传递给控制模板，控制模板发出调整信号给两个压力调整单元。

9、本发明的有益技术效果是：

10、（1）该旋转接头内设有湿度传感器甲和湿度传感器乙，二者均用于检查冷却水在转动副配合面内的渗透情况，二者的检测信号结合使用，能够实现不同工作状态的判断，然后根据这个判断分别调整高压水源的供应和高压气源的供应，实现二者之间的平衡与协调；能够时刻保持旋转接头处于气相和液相的界面压力平衡状态，保证旋转接头在钻进过程中处于最佳的密封状态，保证其转动的灵活性，同时还能保证下部刀齿处供水充足，不影响降温和正常钻进，保证刀齿的使用寿命。

11、（2）该钻筒中旋转接头的环形水腔室两侧均设有环形气腔室，环形气腔室内通入压缩气体之后能够在环形水腔室的两侧形成两个气密封环，气密封环可从内固定环和外转动环的接触面处向环形水腔室进行气体顶推，与环形水腔室向外渗透的高压水之间形成气相和液相的平衡，避免从冷却水中的泥沙进入到内固定环和外转动环之间的转动副配合面内，保证其转动的灵活性，并能够避免外转动环旋转时受到过大的阻力，因此不会使地表的高压供水管和牵引绳受到过大拉力，避免高压供水管出现缠绕的现象，保证了钻筒的连续高效运行。

12、（3）该旋转接头中结合两道密封圈，再加上内固定环和外转动环之间的结合面的气密封，形成特殊的三道密封结构，保证转动副的密封效果，最大可能的保证该转动接头使用寿命。

技术特征：

1.一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒，包括钻筒体、安装在钻筒体支座上的旋转接头、安装在钻筒体内部来为钻筒体下端的刀齿提供冷却水的注水管，其特征是：

2.据权利要求1所述的一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒，其特征是：在环形水腔室和环形气腔室之间设有两层环绕内固定环外侧面布置的若干个凹槽，靠近环形水腔室的一层若干个凹槽内设置有若干个湿度传感器甲，靠近环形气腔室的一层若干个凹槽内设有若干个湿度传感器乙。

3.据权利要求2所述的一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒，其特征是：若干个湿度传感器甲之间的间距相同，若干个湿度传感器乙之间的间距相同。

4.据权利要求1所述的一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒，其特征是：环形气腔室和环形水腔室之间的内固定环外侧面中部设有环形槽，该环形槽内套有密封圈甲。

5.据权利要求1所述的一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒，其特征是：环形气腔室和外转动环端面之间的外转动环内侧面中部设有环形槽，该环形槽内套有密封圈乙。

6.据权利要求1所述的一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒，其特征是：所述的冷却水管和高压进气管上分别安装有流量计。

7.据权利要求1所述的一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒，其特征是：所述的冷却水管外端连接高压水源供应装置，设有冷却水供应压力调整单元，所述的高压进气管外端连接高压气源供应装置，设有高压气体的供应压力调整单元，还设有控制模块，湿度传感器甲和湿度传感器乙将获取信号传递给控制模板，控制模板发出调整信号给两个压力调整单元。

技术总结
一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒，该钻筒中旋转接头的环形水腔室两侧均设有环形气腔室，环形气腔室内通入压缩气体之后能够在环形水腔室的两侧形成两个气密封环，气密封环可从内固定环和外转动环的接触面处向旋转接头的环形水腔室提供高压气体，在环形水腔室向两侧的形成气液双相界面压力平衡的密封，来避免内部密封结构被水中沙子破坏，这样就能保证钻齿处的降温冷却水的高压供应，保证冷却效果，保护钻齿，进一步通过设置两组湿度传感器，能够准确判断气液平衡是否实现、供水是否正常、以及判断密封结构是否已经损坏等问题。

技术研发人员：司亮,王良文,胡松浩,何天运,王若澜,谢贵重,鲁海霞,曹河周,孟凡念,王开远
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16