双偏心可控速磨料射流切割器.pdf

本发明公开了一种双偏心可控速磨料射流切割器，解决了现有切割器结构复杂、加工难度大的问题。具体包括切割喷头、偏心喷嘴、主心轴、外壳体、摩擦限速环、压动外壳，其特征是：每个喷嘴安置槽的开孔轴线与喷头轴心线相互垂直并偏移距离e，喷嘴的开孔直柱段轴心线与喷嘴的轴心线相交形成偏心角α；主心轴与压动外壳上分别设置对应的扇形开口，使其在主心轴旋转过程中周期性改变过流面积，导致压力周期性变化，从而实现转速监测功能；另外，该工具还可以根据不同排量选择是否安装摩擦限速环以及是否使用偏心喷嘴来实现喷头转速的精确控制。本发明工具可以完成内径为62mm的管柱内切割，速度可控、切割效率高、加工制造成本低、结构简单。

1.  一种双偏心可控速磨料射流切割器，包括偏心切割喷头、四个偏心式喷嘴、主心轴、外壳体、止推轴承、压动外壳及摩擦限速环；其特征在于：所述主心轴为空心轴，其左端设有锥管螺纹，用于连接偏心切割喷头，其中间部位开有键槽并固定有止推轴承，外面还套有密封保护外壳体，其右端设有同轴圆盘结构并套有密封保护压动外壳，在圆盘结构左侧的主心轴上还开有与其中心孔连通的通孔，圆盘结构上设有第一扇形开口，压动外壳的左端与外壳体螺纹连接，压动外壳的右端面设有第二扇形开口，主心轴旋转一周，上述第一扇形开口与第二扇形开口重合一次；所述偏心切割喷头上设有4个互成90°且在同一截面内的喷嘴安置槽，每个喷嘴安置槽的开孔轴线与喷头轴心线相互垂直并偏移距离e，四个偏心式喷嘴螺纹连接在喷头体上，喷嘴的开孔直柱段轴心线与喷嘴的轴心线相交形成偏心角α；所述摩擦限速环，包括若干动摩擦限速环及若干静摩擦限速环，其中动摩擦限速环具有三个互成120°的内突起，静摩擦限速环具有三个互成120°的外突起，动摩擦限速环通过内突起安装并固定在主心轴的键槽上，静摩擦限速环通过外突起固定在外壳体上，动摩擦限速环与静摩擦限速环交替叠放，并在主心轴上摩擦限速环的左侧套有弹簧，主心轴上弹簧与止推轴承之间还设有调节螺母。

双偏心可控速磨料射流切割器
技术领域
本发明涉及一种水力射流切割工具。
背景技术
东北石油大学刘巨保等人设计了一种“Φ73mm及以上油管柱的密闭式液力驱动可调速切割器（专利号：201210346765.1）”，将切割工具分为调速系统、动力驱动系统和喷射系统三部分，调速系统为动摩擦片、静摩擦片及弹簧机构形成盘式制动机构，动力驱动系统为盘绕在轴上的两条动力管内的若干变径节来驱动，其原理为流道面积的变化会改变压差，若干个产生的力偶形成动力矩推动工具旋转带动切割头旋转。该工具可对小尺寸套管或油管进行射流切割，但该工具的结构复杂、加工难度大，尤其是动力驱动系统，需将若干个变径节连接后嵌入到螺旋槽中与上下管盘连接，任一变径节失效或泄露都会导致驱动失败。
发明内容
本发明的目的是提供一种双偏心可控速磨料射流切割器，在可以完成小尺寸管柱内切割的基础上，结构更加简单，切割效率更高，成本更低，且该工具还具有转速监测功能。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种双偏心可控速磨料射流切割器，包括偏心切割喷头、四个偏心式喷嘴、主心轴、外壳体、止推轴承、压动外壳及摩擦限速环；所述主心轴为空心轴，其左端设有锥管螺纹，用于连接偏心切割喷头，其中间部位开有键槽并固定有止推轴承，外面还套有密封保护外壳体，其右端设有同轴圆盘结构并套有密封保护压动外壳，在圆盘结构左侧的主心轴上还开有与其中心孔连通的通孔，圆盘结构上设有第一扇形开口，压动外壳的左端与外壳体螺纹连接，压动外壳的右端设有第二扇形开口，主心轴旋转一周，上述第一扇形开口与第二扇形开口重合一次；所述偏心切割喷头上设有4个互成90°且在同一截面内的喷嘴安置槽，每个喷嘴安置槽的开孔轴线与喷头轴心线相互垂直并偏移距离e，四个偏心式喷嘴螺纹连接在喷头体上，喷嘴的开孔直柱段轴心线与喷嘴的轴心线相交形成偏心角α；所述摩擦限速环，包括若干动摩擦限速环及若干静摩擦限速环，其中动摩擦限速环具有三个互成120°的内突起，静摩擦限速环具有三个互成120°的外突起，动摩擦限速环通过内突起安装并固定在主心轴的键槽上，静摩擦限速环通过外突起固定在外壳体上，动摩擦限速环与静摩擦限速环交替叠放，主心轴摩擦限速环的左侧套有弹簧，主心轴上弹簧与止推轴承之间还设有调节螺母。
本发明的有益效果：
（1）将偏心式喷嘴与偏心式喷头组合使用，设计了双偏心磨料射流切割工具，在可实现小尺寸管柱内切割的前提下，又兼顾了足够的磨料射流能量和射流反作用力，从而提高射流切割效率；
（2）进行了组合创新，设计控速机构和转速监测机构，使该工具拥有旋转、转速监测与控制功能，可以通过偏心喷嘴的偏心角及调节限速装置的预紧力这两种方式来调节转速。通过主心轴上的扇形开口与压动外壳上的扇形开口之间的过流面积变化来实现转速监测。
附图说明
图1是本发明双偏心可控速磨料射流切割器的结构示意图。
图2是图1中的A-A截面视图。
图3是主心轴结构示意图。
图4是图3的左视图。
图5是压动外壳的结构示意图。
图6图5的左视图。
图7是偏心式切割喷头的结构示意图。
图8是图7中的A-A截面视图。
图9是偏心喷嘴的结构示意图。
图10是图9的右视图。
图11是动摩擦限速环的结构示意图。
图12是静摩擦限速环的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
由图1结合图2所示：一种双偏心可控速磨料射流切割器，包括偏心切割喷头1、四个偏心式喷嘴2、主心轴3、外壳体4、止推轴承5、摩擦限速环8及压动外壳9；继续结合图3及图4所示：所述主心轴3为空心轴，其左端设有锥管螺纹31，用于连接偏心切割喷头1，其中间部位开有键槽并固定有止推轴承5，外面还套有密封保护外壳体4，其右端设有同轴圆盘结构34并套有密封保护压动外壳9，在圆盘结构34左侧的主心轴上还开有与其中心孔连通的通孔33，圆盘结构34上设有第一扇形开口35，压动外壳9的左端与外壳体4螺纹连接，由图5结合图6所示：压动外壳9的右端设有第二扇形开口91，第一扇形开口34与第二扇形开口91相对应，主心轴3旋转一周，第一扇形开口34与第二扇形开口91重合一次；由图7结合图8所示：所述偏心切割喷头1上设有4个互成90°且在同一截面内的的喷嘴安置槽11，每个喷嘴安置槽11的开孔轴线与喷头轴心线相互垂直且偏移距离e，四个偏心式喷嘴2螺纹连接在喷头体上，由图9结合图10所示：偏心式喷嘴2的开孔直柱段轴心线与喷嘴的轴心线相交形成偏心角α；由图11结合图12所示：所述摩擦限速环8，包括若干动摩擦限速环81及若干静摩擦限速环82，其中动摩擦限速环81具有三个互成120°的内突起，静摩擦限速环82具有三个互成120°的外突起，动摩擦限速环81通过内突起安装并固定在主心轴3的键槽32上，静摩擦限速环82通过外突起固定在外壳体4上，动摩擦限速环81与静摩擦限速环82交替叠放，主心轴上摩擦限速环8的左侧套有弹簧7，弹簧7与止推轴承5之间还设有调节螺母6。
本发明将偏心切割喷头1和偏心式喷嘴2组合使用，喷头体上每个喷嘴安置槽的开孔轴线与喷头轴心线间设置偏移距离e，该偏移距离e的作用是在射流时作为力偶臂，射流反作用力作为驱动力，驱动切割喷头以一定的转速自旋转，为小尺寸切割工具提供了足够大的偏心扭矩，得以实现切割工具的自旋转功能。偏心喷嘴可以加工成不同的偏心角度α，根据流量等其他参数，选择合适的偏心角度α，从而调节射流反作用力的力臂，实现辅助控制切割工具转速的功能，喷嘴的偏心设计提高了射流的动力臂，与直喷嘴相比较，动力矩可显著提高，效果十分明显。
当切割喷头以极高的转速旋转时，喷嘴喷射出的射流雾化严重，基本丧失了射流冲击力，同时伴有刺耳的啸声，从而大大降低了射流切割效果。切割喷头低速旋转时，延长了射流停滞在目标管表面的时间，从而提高了磨料射流的切割能力。因此，控制喷头转速对切割工具十分重要。本发明根据井眼空间小、井下工具径向尺寸受限而轴向尺寸可延伸的特点
，一方面设计了动、静限速摩擦环，动摩擦环和静摩擦环交替叠放，并通过调节螺母和弹簧调节动、静摩擦环之间的挤压力，当发生相对转动时接触面产生摩擦力，增大阻力矩，达到限速效果，另一方面，当磨料液体打入喷头后，可以改变喷头的旋转力偶，通过更换不同角度的偏心式喷嘴，也可控制喷头的转速。
 当主心轴上的第一扇形开口与压动外壳上的第二扇形开口重合对正时，流道总过流面积为主心轴中心孔开口面积与扇形开口面积之和；当两扇形开口完全错开时，流道总过流面积仅为主心轴中心孔开口面积；主心轴每旋转一周，两扇形开口完全重合一次，流道过流面积增大，压力随之降低，反之流道过流面积减小，压力上升，从而实现周期变化，本发明工具利用这一特点观测工具转速及工作状态。